Význam popisu infrastruktury pro inteligentní dopravní systémy na železnici

Transkript

1 Adam Hlubuček 1 Význam popisu infrastruktury pro inteligentní dopravní systémy na železnici Klíčová slova: železniční infrastruktura, inteligentní dopravní systémy, data, railml Úvod Železnice představuje systém, který je historicky podroben rozsáhlému popisu, a to na různých stupních podrobnosti, přesnosti a stavu z hlediska procesů projektování a výstavby. V kontextu rozvoje inteligentních dopravních systémů vyžadujících informaci o železniční infrastruktuře však vzniká otázka, zda disponibilní data, která doposud sloužila zejména k evidenčním účelům a pro potřeby zajištění údržby jednotlivých objektů a subsystémů, mohou být využita také aplikacemi, u nichž má míra přesnosti určení polohy těchto entit v prostoru (zejména ve vazbě na průběh vlastní dopravní cesty) mnohdy i bezpečnostně relevantní charakter. Z aplikací, pro které se popis infrastruktury stává klíčovým, můžeme již nyní jmenovat systémy automatického vedení vlaku (AVV) a zabezpečení jízdy vlaku (ETCS), které byly instalovány na některých úsecích železniční infrastruktury v ČR a jejichž další rozšiřování se výhledově plánuje. Každý z těchto vzájemně se doplňujících systémů však v současnosti zatím využívá vlastní popis kolejiště a také vlastní referenční body v kolejišti (magnetické informační body AVV a balízy ETCS viz Obrázek 1), které se zpětně stávají předmětem popisu v různých informačních systémech. (1) Uvedená praxe má za následek, že je každý z popisů infrastruktury svým rozsahem omezen právě na danou aplikační oblast. Jakékoliv rozšíření nějakého z těchto systémů tak vyžaduje nové zaměření prvků v kolejišti. Pokud má železnice nadále směřovat k plně automatizovanému provozu, musí být dále využívány také takové systémy operativního řízení železničního provozu, které na základě predikce polohy všech železničních vozidel v čase umožní optimalizovat jejich pohyb a eliminovat vzájemné konflikty, plynulost provozu negativně ovlivňující. Takovéto systémy se neobejdou nejen bez detailních dat o jízdním řádu a složení vlaků, ale ani bez precizního popisu železniční dopravní cesty. Jedná se o data týkající se široké škály prvků železniční infrastruktury, jichž je využíváno také v kontextu se znalostí o přesné aktuální poloze vozidel v rámci (zjišťované např. též s využitím systému odometrie obdobně jako u systémů AVV nebo ETCS). Tato data zároveň představují důležité vstupy z hlediska samotné tvorby grafikonu vlakové dopravy a mohou se stát podkladem pro automatizovanou tvorbu různých grafických dokumentů a počítačových vizualizací železniční sítě (včetně GIS). 1 Ing. Adam Hlubuček, 1990, vystudoval obor Dopravní systémy a technika na Fakultě dopravní ČVUT v Praze, kde dále studuje doktorský studijní obor Inženýrská informatika v dopravě a spojích. 1

2 Vědeckotechnický sborník ČD č. 42/2016 Nejen z důvodu optimalizace nákladů na provoz jednotlivých databázových a dalších souvisejících informačních systémů, ale zejména z důvodu potřeby synchronizace navazujících aplikací je žádoucí, aby tato data byla čerpána ze společného průběžně aktualizovaného zdroje. Obrázek 1 Příklad umístění vnějších prvků traťové části systémů AVV a ETCS v kolejišti Tento článek se pokouší přinést úvodní vhled do problematiky popisu železniční infrastruktury, jak je v současnosti praktikována v rámci SŽDC, a konfrontovat tyto postupy s jednotlivými požadavky, které pro standardizovaný datový popis využitelný pro uvedené účely plynou. 1 Vhled do problematiky v podmínkách ČR popisu železniční infrastruktury Způsob popisu železniční sítě České republiky je do značné míry poplatný rozdělení na jednotlivá služební odvětví. Informační systémy SŽDC, vycházející z tradice ČD a ČSD, které vznikaly pro jejich potřebu, jsou tak orientovány většinou na konkrétní cíle a úkoly, jež měly v rámci dané odbornosti plnit. Od této skutečnosti se odvíjí i jejich obsah, úroveň podrobnosti, rozsah, struktura, úroveň a způsob provázanosti s jejich informačním okolím, resp. původ dat v nich obsažených. Data o objektech železniční infrastruktury z hlediska jejich polohopisných a popisných charakteristik jsou evidována mj. v následujících databázových systémech: 2

3 Dílčí informační systém železničního svršku zahrnující několik aplikací nad pasportem železničního svršku Pasport železničního spodku Mostní evidenční systém Evidenční systém tunelů Pasport přejezdů Pasportní evidence prvků zabezpečovací a sdělovací techniky Pasportní evidence prvků odvětví elektrotechniky Evidenční systémy jízd měřicích vozů několika typů Aplikace vytvořené pro potřeby odvětví železniční geodézie nad systémem MISYS Různé systémy přípravy investiční výstavby V textové a grafické formě jsou pak některá data o infrastruktuře zachycena také v následujících materiálech: Jednotná železniční mapa Tabulky traťových poměrů Schémata prvků zabezpečovací techniky Plánky stanic (jako jedna z pomůcek GVD) Schémata napájení a dělení trakčního vedení (jako součást staničních řádů) V rámci jednotlivých informačních systémů a materiálů je možné objektu železniční infrastruktury přiřadit jeho popisné parametry na základě znalosti jeho identifikace (ať již vyjádřené formou neformalizovaného názvu, formalizovaného řetězce znaků nebo interního klíče informačního systému, jimiž lze objekt jednoznačně určit). Neméně důležitou roli v tomto ohledu hraje také pojem umístění. V rámci působnosti SŽDC je možné umístění bodu v síti a tedy i jakéhokoliv bodem reprezentovaného objektu vyjádřit prostřednictvím trojice následujících údajů: hodnota staničení (resp. průmět definičního bodu objektu do osy staničení), identifikátor koleje (prvku železničního svršku), k níž bod (objekt) přísluší a traťový definiční úsek (TUDU). (2) (3) Tyto údaje lze využít mimo jiné k zajištění propojení mezi popisnými parametry o jednotlivých objektech evidovanými v různých informačních systémech a materiálech. Pakliže je bod v síti vyjádřen také s využitím některé ze zeměpisných souřadných soustav, hovoříme o tzv. lokalizaci. Diskutovanou problematikou se blíže zabývají následující dokumenty SŽDC: Předpis pro jednotné označování tratí a kolejišť v informačním systému ČD M12 (4) a navazující datová základna M12 v databázové i geografické formě Předpis pro staničení železničních tratí M21 (5) Vedle přiřazení polohy objektům železniční infrastruktury z hlediska jejich příslušnosti k jednotlivým tratím a kolejím je klíčová také znalost celkové topologie sítě. Na úrovni tratí je tato problematika popsána ve formě grafu, jehož vrcholy představují drážní 3

4 lokality (dopravny, zastávky, jednotlivé obvody rozsáhlejších železničních stanic atd.) a jehož hrany reprezentují topologické vazby mezi nimi. Uvedené lokality byly původně definovány pro tarifní potřeby sloužícího Číselníku železničních stanic, dopravně zajímavých a tarifních míst SR 70. (2) (6) Tento model je v současnosti používán například pro aplikace operativního řízení provozu. Pasport železničního svršku (7) je mimo jiné i jedním ze zdrojů informace o topologii sítě na detailní úrovni. Jednotlivé objekty v něm evidované (výhybky typizované dle Řídícího číselníkového souboru výhybek a koleje ve stavebním smyslu dále popsané prostřednictvím tzv. neúsekových resp. úsekových dat) jsou vzájemně identifikačně propojeny a zřetězeny v kolejové trasy (základní kolejové trasy a supertrasy). Takto nastavený systém pak umožňuje generovat výstupy např. ve formě: Topologických schémat kolejišť Digitálních přehledových map Nákresného přehledu železničního svršku Výstupních sestav ze zpracování základních kolejových tras a supertras Z důvodu dosažení úplnosti datové základny pro uvedená účelová zpracování jsou součástí tohoto pasportu kromě vlastního popisu objektů železničního svršku také další entity, jako např. traťové rychlosti, polohy tunelů a přejezdů a některé základní údaje týkající se trakční proudové soustavy (6), což jej činí zřejmě nejkomplexnějším systémem tohoto druhu v rámci SŽDC. 2 Požadavky inteligentních dopravních systémů na datovou základnu Jak je zřejmé z předcházejícího textu, fungování jednotlivých systémů automatického zabezpečení železničního provozu, automatizovaného provozu železničních vozidel, systémů operativního řízení železničního provozu a dalších, je závislé na datech, které mají tyto systémy k dispozici. Také data popisující železniční infrastrukturu musí splňovat patřičné kvalitativní požadavky. Především je požadována vysoká přesnost, garantovanost a komplexnost dat. Přesnost datového popisu infrastruktury se promítá např. do přesnosti popisu určení polohy železničního vozidla. U systémů automatizovaného provozu železničních vozidel s cílovým bržděním plynou požadavky na přesnost dat např. z požadované přesnosti zastavení vlaku u nástupiště. Příliš velká nejistota může vést nejen k nutnosti budovat delší nástupiště (a tím vést k nárůstu investičních nákladů), ale např. v případě nástupišť s úrovňovým přístupem může mít vliv i na bezpečnost. Automatizované zabezpečovací systémy by měly být schopny zajistit bezpečné zastavení vlaku před místem ohrožení a adekvátní snížení rychlosti vlaku před místem s rychlostním omezením. V takových případech je nutné uvažovat vždy s méně příznivou variantou odhadované polohy, což má však v případě velké nejistoty určení polohy opět negativní dopady (požadavky na vyšší stavební délku staničních kolejí, prodlužování provozních intervalů, ). 4

5 Z obdobných důvodů jako přesnost dat o železniční infrastruktuře je vyžadována i jejich garantovanost. Chybně zadaný nebo zcela nepravdivý údaj (např. o poloze nějakého prvku, délce koleje) by v kontextu uvažovaných systémů mohl mít velice vážné následky. I proto je důležité mít k dispozici také informaci o prvotním zdroji dat a musí existovat subjekt, který za kvalitu dat z tohoto hlediska ručí a je schopen je garantovat. Toto se týká nejen polohopisné složky dat a takových popisných složek, které vyjadřují délku úseku, po který je platná určitá skutečnost. Klíčové je také správné přiřazení kvalitativních vlastností danému úseku nebo bodu (např. průjezdný průřez, napěťová soustava, umístění nástupní hrany atd.). Neméně důležitým požadavkem je komplexnost. Databáze popisu infrastruktury by měla obsahovat všechny související entity (ať již se jedná o hmotné objekty nebo nehmotné vlastnosti, jimiž je infrastruktura popsána). Není přípustné, aby se v rámci datového modelu vyskytl úsek, který není požadovaným způsobem popsán nebo ve skutečnosti obsahuje relevantní prvky, které nejsou v datovém popisu zahrnuty. Pro uvedené systémy je důležitá právě vzájemná prostorová vazba mezi jednotlivými prvky. Ty proto musí být v rámci sítě reprezentovány jednotně. Rovněž nežádoucí je duplicitní evidence téhož prvku (např. v různých systémech s různými polohopisnými nebo popisnými charakteristikami). Kromě těchto požadavků je dále nezbytné udržovat datovou základnu neustále aktuální a zajistit synchronizaci změn datového obrazu reality s realitou samotnou, a to ve všech jeho složkách. S tím souvisí také problematika poskytování aktuálních informací o dočasných omezeních infrastruktury. 3 Úroveň naplnění požadavků ze strany stávajících informačních systémů Kilometrická poloha prvků evidovaných v informačních systémech SŽDC je zpravidla udávána s přesností na tři desetinná místa, tedy na celé metry. Takováto přesnost by sama o sobě mohla být považována za dostačenou, ovšem vlastní hodnota staničení rozhodně není údajem, na jehož základě by bylo možné s obecnou platností stanovit např. vzájemnou vzdálenost definičních bodů dvou objektů železniční infrastruktury. Z důvodu rozdílných směrových poměrů v definiční koleji, jež je nositelkou soustavy staničení příslušné trati, a v kolejích ostatních a také z důvodu nepravidelností způsobených stavebními úpravami (skoky ve staničení) není obecně možné tuto vzdálenost zjistit pouhým odečtením hodnot staničení. Za účelem omezení dopadů této skutečnosti používají některé informační systémy SŽDC vlastní interní souřadné soustavy. (5) V principu je možné na hodnotu vzdálenosti skutečně ujeté vozidlem usuzovat na základě parametrů objektů železničního svršku stavebních délek kolejí a délek příslušných větví výhybek. Pasport železničního svršku umožňuje hodnoty stavebních délek kolejí evidovat s přesností na centimetry. V případě typizovaných konstrukcí výhybek jsou vytyčovací délky spolu s dalšími údaji odvozeny z Řídícího číselníkového souboru výhybek. Z uvedených údajů lze dopočítat i přesné délky větví výhybky v ose koleje. (7) Kromě analytického způsobu zjišťování délek a dalších vybraných parametrů liniových částí infrastruktury s využitím již dříve evidovaných dat lze pro účely popisu konkrétních kolejových tras využít také záznamy z jízd měřicích vozů. 5

6 Reálná přesnost disponibilních údajů je ovšem také otázkou skutečného naplňování databází. I v rámci jednotlivých informačních systémů se jedná o data získávaná různým způsobem, ať již v terénu nebo z příslušné dokumentace, která též nabývá rozmanitých podob, např. v závislosti na konkrétním zpracovateli nebo době vzniku. Nelze také vyloučit chybný přepis dat při manuálním opisu ze zdrojového dokumentu. Pro další využití této rozmanité datové základny s různorodou polohovou garancí by proto bylo nejspíše tak jako tak nezbytné polohu objektů verifikovat zaměřením v terénu a v případě nutnosti ověřit taktéž soulad popisné složky dat se skutečností. V rámci probíhající implementace Strategie rozvoje infrastruktury pro prostorové informace v ČR (GeoInfoStrategie) (8) sice existují tendence zajistit garantovaná data také o železniční infrastruktuře, primárně však jde o data geograficky orientovaná, jejichž využití pro účely diskutované problematiky by se v případě nevyhovujícího počátečního uchopení mohlo stát komplikovaným. Otázka komplexnosti je úzce spjata s tématem struktury databází, v nichž jsou data o infrastruktuře uchovávána. Z rozdílnosti jednotlivých databázových informačních systémů orientovaných na dílčí úkoly v rámci jednotlivých služebních odvětví plyne také rozdílnost těchto struktur. Většinou se jedná o pevně strukturované databáze, jejichž rozšíření za účelem evidování nových skutečností je dosti složitou záležitostí. Snahu vytvořit s využitím dat v nich obsažených jednotnou datovou základnu pro popis železniční infrastruktury mohou komplikovat právě rozdíly v datové struktuře, formátu dat, jejich kompletnosti a přesnosti vyjádření napříč různými informačními systémy. To ovšem vede k závěru, že v současnosti používané informační systémy ve stávající podobě, úrovni standardizace a vzájemné provázanosti nejsou schopny bez rozsáhlejšího strukturního zásahu poskytovat výstupy dostatečně komplexní natolik, aby dokázaly uspokojit požadavky na ně ze strany inteligentních dopravních systémů na železnici kladené. V rámci této problematiky je dále třeba řešit způsob aktualizace datových podkladů. V současnosti toto probíhá v různých systémech různě a obecně nezávisle na sobě. Přitom je však vždy třeba zajistit takový soulad, aby nedocházelo k anomáliím např. v podobě chybného přiřazení polohy prvku na základě při rekonstrukci změněného průběhu osy staničení. Specifickým úkolem je tak vyjádření časové platnosti prvku, tj. existence popisovaného objektu v reálném světě, a způsob vedení souvisejících (i dalších) metadat. Je totiž žádoucí mít možnost pohledu na datový obraz reality v rámci širšího časového horizontu, tj. nikoli jen na aktuální stav, ale také na stav v určitém časovém okamžiku v čase minulém (např. pro statistické účely) a na stav výhledový (např. pro účely přípravy GVD). 4 Možnost popisu železniční infrastruktury pomocí railml a RailTopoModelu S problematikou popisu železniční infrastruktury se v minulosti potýkala řada železnic nejen v rámci Evropy. Pro účely jednotlivých aplikací je často nutné data o železniční infrastruktuře převádět do různých modelů, které svým rozhraním umožňují datovou komunikaci s příslušnou aplikací. Řešení toho problému je využití standardizovaného formátu, jehož prostřednictvím si mohou jednotlivé modely svá data vyměňovat. 6

7 Tento cíl se do značné míry podařilo naplnit konsorciu railml (9), v jehož rámci je průběžně vyvíjena otevřená specifikace jazyka založeného na XML (10) určená pro aplikace v oblasti železniční dopravy. Železniční značkovací jazyk railml původně vznikl pro potřeby výměny dat o jízdním řádu, avšak z důvodu nutnosti důkladného popsání entit, s nimiž je sestava GVD úzce spjata, byly jeho specifikace dále rozšířeny na oblast železničních vozidel a železniční infrastruktury. Výhledově by tímto jazykem mělo být možné popsat i funkci zabezpečovacího zařízení a v přípravě je též exkurs do dalších odvětví, jako je např. plánování směn personálu. (11) Hierarchicky uspořádané elementy struktury jazyka railml jsou prostřednictvím svých atributů zároveň nositeli dat. Pro každý typ elementu, který může reprezentovat např. nějaký druh prvku v kolejišti nebo i topologické propojení, jsou definovány atributy povinné (typicky zejména poloha např. v rámci nadřazeného elementu) a volitelné. Tento jazyk tedy na rozdíl od pevně strukturované databáze umožňuje popsat danou skutečnost s ohledem na prakticky libovolné uživatelské potřeby ve formě neustále otevřené dalším rozšířením. S přihlédnutím k uvedeným skutečnostem bylo nutné najít jednotný způsob, kterým železniční infrastrukturu popisovat. V rámci UIC za tímto účelem začal vznikat tzv. RailTopoModel, který by se měl stát mezinárodním standardem datového modelu pro popis železniční infrastruktury z hlediska topologie a souvisejících dat. Tento model vychází ze zkušeností s jazykem railml a zpětně vývoj ovlivňuje jeho vývoj. Jedná se o systémový, z hlediska měřítka přizpůsobitelný a několik různých rozlišovacích úrovní nabízející jádrový model, který by měl disponovat mechanismem pro předem určeným způsobem stanovená rozšíření (ať již předdefinovaná nebo uživatelsky specifická). Vzájemná vertikální provázanost mezi jednotlivými úrovněmi má přitom být zajištěna díky principům agregace a disagregace, díky nimž by mělo být možné např. skutečnost popsanou na úrovni jednotlivých prvků kolejiště na detailní úrovni odpovídajícím způsobem vyjádřit také např. na úrovni tratí. (12) (13) Některé objekty lze popsat nejen příslušnými atributy, ale též z hlediska jejich validity (tj. zda se jedná o objekt aktivní či nikoliv), varianty (umožňující vyjádřit různé aktuální stavy) a verze (reprezentující platnost v čase). Také vzhledem k tomu, že je možné popsat jak bodové, tak lineární a plošné objekty, nabízí model vedle vlastních datových výstupů i řadu možností z hlediska výstupů grafických, od podélného profilu trati až po zobrazení v podobě GIS, což má význam nejen pro koncového uživatele, ale také s ohledem na možnost verifikace zadaných dat. (10) Nejen pro úlohy týkající se systémů automatizovaného provozu a zabezpečení jízdy železničních vozidel je přitom klíčové, že systém staničení je chápán jenom jako jeden z několika způsobů vyjádření polohy a že jednotlivé koleje je možné popsat délkami měřenými v ose. Polohu objektu o témže staničení lze tak např. promítnout do několika různých kolejí, jejichž stavební délka měřená od jiného definovaného bodu je různá. Jednotlivé objekty kolejiště dále zakotvit také v geografických souřadnicích, a to nezávisle na ostatních způsobech popisu. (12) (13) Z hlediska identifikace drážních lokalit i v rámci nadnárodního prostoru, která bude s postupným přijímáním mezinárodních standardů nabývat na důležitosti, je žádoucí současná důsledným způsobem prováděná implementace metodiky CRD (Central 7

8 Reposity Domain). Tato implementace v současnosti probíhá na základě TAF a TAP specifikací TSI. Metodika CRD využívající identifikace primárních a podřízených lokalit prostřednictvím strukturovaných kódů, nabízí možnost přesného a efektivního vyjádření lokalizace i na úrovni podrobného popisu železniční sítě. Oproti číselníku SR 70 v současnosti využívaného pro popis drážních lokalit v ČR umožňuje tento model např. účinnější kategorizaci a hierarchizaci evidovaných entit. (14) Závěr Stávající podoba informačních systémů poskytujících data o železniční infrastruktuře není pro potřeby inteligentních dopravních systémů v podmínkách železnice v České republice vyhovující. Nejednotná struktura účelově orientovaných databází je jednou z překážek z hlediska možnosti využití disponibilních dat navazujícími aplikacemi. Možným východiskem je vznik komplexní datové základny železniční infrastruktury, schopné standardizovanou cestou s navazujícími aplikacemi komunikovat, která by zároveň zajistila funkční provázání z jednotlivých subsystémů železničního odvětví. V případě využití formátu railml pro tyto účely by byla zároveň zajištěna možnost standardizované komunikace se zahraničními subjekty tohoto formátu využívajícími. Samostatnou otázkou ovšem nadále zůstává úroveň přesnosti a garantovanosti dat ve stávajících různorodých informačních systémech a možnosti jejich převoditelnosti do nových struktur. Aby mohla být centralizovaná databáze daty naplňována, musí vyhovět požadavkům všech navazujících aplikací. Z tohoto důvodu je nutné stávající data přinejmenším podrobit důkladné validaci. Zároveň je třeba podotknout, že možnosti implementace jednotlivých nástrojů a postupů, jež mají potenciál významně podpořit rozvoj inteligentních dopravních systémů na železnici také v podmínkách České republiky, jsou do značné míry závislé na úrovni legislativní podpory. Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval panu Ing. Mgr. Robertu Číhalovi, CSc. za cenné rady, náměty a připomínky, které mi byly značnou podporou při tvorbě tohoto článku. Autor Použité zdroje 1. LIESKOVSKÝ, Aleš a Ivo MYSLIVEC. ETCS a ATO poprvé společně. In: Reportér AŽD Praha. 2011, č. 3, s ČÍHAL, Robert. Návrh standardizovaného popisu železniční sítě ČR a jeho využití pro popis přejezdů užívaný složkami Integrovaného záchranného systému. In: Prevlec.cz [online]. Prevlec, [vid ]. Dostupné z: 3. ČÍHAL, Robert. Prostorový popis železniční sítě a data objektů železniční infrastruktury v IS SŽDC. [přednáška]. Brno: KMP CONSULT,

9 4. SŽDC [soubor pdf]. ČD M12 Předpis pro jednotné označování tratí a kolejišť v informačním systému ČD SŽDC [soubor doc]. ČD M21 Předpis pro staničení železničních tratí SŽDC [soubor pdf]. Is10 Směrnice SŽDC pro užívání informačních systémů provozovatele dráhy (SPIS) SŽDC [soubor pdf]. Služební rukověť SŽDC (ČD) SR 103/7(S) Pasportní evidence železničního svršku Geoinfostrategie [online]. Ministerstvo vnitra České republiky. [vid ]. Dostupné z: 9. The railml.org initiative [online]. railml, [vid ]. Dostupné z: Documentation of railml [online]. railml, [vid ]. Dostupné z: documentation/railml.html 11. railml wiki [online] [vid ]. Dostupné z: UIC [soubor pdf]. Feasibility study UIC RailTopoModel and Data Exchange Format Dostupné z: RailTopoModel/270913_trafIT_FinalReportFeasibilityStudyRailTopoModel.pdf 13. UIC [soubor pdf]. UIC International Railway Standard IRS RailTopoModel RNE [soubor pdf]. TAF TSI Common Components System Common Interface Reference Implementation Dostupné z: Common_Components_System_-_CI_Product_Description.pdf Praha, říjen 2016 Lektorovali: Ing. Radomír Havlíček SŽDC, s.o. Ing. Mgr. Robert Číhal, CSc. KPM CONSULT, a.s. 9