Telematika jako důležitý stavební kámen v komplexním systému železnice

Transkript

1 Telematika jako důležitý stavební kámen v komplexním systému železnice Florian Kollmannsberger Železnice je technický komplexní systém, jehož výkonnost se zvyšuje s telematikou a může být ještě dále zvyšována. Telematika v bezprostředním řízení provozu potřebuje základnu, která bude v příštích letech vytvořena zejména digitálním mobilním radiovým spojením. Migrační strategie se mohou nyní rozpracovávat a optimalizovat tak, aby byly zaváděny aplikace slibující úspěch. 1 Úvod Telematika pomáhá železnici ve všech oblastech: od uvedení nabídky na internetu přes dialog se zákazníky až po řízení a dohled nad jízdou ICE v oblasti vysokých rychlostí, od plánování a koordinace v koncepční ranné fázi až po údržbu techniky v běžném drážním provozu. Názorným příkladem je pro to podpora strojvedoucího na hnacím vozidle pomocí ukazatelů a možností v obsluze z počítače na stanovišti strojvedoucího, tzv. Driver-Machine-Interface (rozhraní řidič stroj), jak se říká v evropské standardizaci Evropského komitétu pro elektrotechnické normování CELENEC. Telekomunikace a informatika v drážním systému, ale i v jiných systémech s mobilními prvky, se musí ovšem ještě doplnit o další zcela zásadní funkci, jmenovitě o stanovení polohy. Se zde užitým pojmem stanovení polohy jsou spojeny zjišťování směru a evidence rychlosti a zrychlení, které jsou potřeba, aby bylo možno co nejlépe sledovat skutečný průběh jízdy vlaku. Prvky stanovení polohy v blízké budoucnosti dokáže rovněž ocenit i účastník mobilního radiového spojení, pokud bude zavedena odpovídající technika: určování pozice bude v tom případě začleněno do určování polohy systémem GPS nebo interní určování polohy podle kilometrového výkonu systémem GSM na ovládací desku a bude znamenat průlom pro servisní služby a obzvláště pro službu v případě naléhavé potřeby. Právě pro informace o jízdním řádu, vztaženo na okamžité stanoviště cestujícího v cizím městě, přináší funkce určení polohy významné ulehčení. Připomeňme jen hledání další správné zastávky autobusu. 2 Telematika řídí a kontroluje všechny procesy drážního systému Řízení a doprovod provozních procesů (a daleko zasahujících komerčních procesů prostředky telematiky) je možno opsat jako zavádění informačních technologií informatizaci. Tato informatizace, velmi dávno započatá, otevře při dalším systematickém protlačování a orientaci na komerční procesy znovu další možnosti pro využití telematiky a též pro součinnost a zvýšení hodnoty. Hned na začátku je zřejmé, že je zapotřebí uspořádání a řízení pojmů, aby se z telematiky získal všeobecný užitek a vytvořily se požadované součinnosti a vyšší hodnoty. Řídící okruhy zohledňují fakt, že drážní provoz potřebuje srovnání plán skutečnost a že účinky rozhodnutí na skutečný průběh provozu se musí přivést zpět do příslušného rozhodovacího orgánu. Na počátku stojí plánovací proces, a to jak pro nabídku zákazníkům, tak i pro plánování provozu, přičemž provozní plánování se uvádí do souladu s plánováním personálním a

2 plánováním infrastruktury a vozidel. Poptávka zákazníků a průběh provozu se musí podrobit monitoringu tak, aby se budoucí opakující se plánovací procesy zlepšovaly. Budeme-li se dále zamýšlet nad provozními hledisky, potom zjišťujeme, že k řídícímu okruhu Plánování je přiřazen řídící okruh Dispozice drážního provozu. Je nápadné, že tento řídící okruh není z technického hlediska vůbec dokončený. Systémy pro sledování jízdy vlaku sice pomáhají disponentovi, ale takříkajíc v protisměru lze zjistit značný potenciál pro automatizaci, zvláště u tzv. doporučení pro jízdu. V minulých dobách zaměstnanci obsluhující stavědla ukazovali projíždějícím vlakům disk s písmeny (v němčině K a L), označujícími příkaz buď ke zkrácení doby jízdy (K) nebo k jejímu prodloužení (L). Tento způsob nelze při dnešní centralizaci bezprostředně provádět, ale rovněž přeložení z místní úrovně na dispoziční úroveň řízení provozu s přenosem dat prostřednictvím analogového vlakového radiového spojení se neosvědčilo. Z těchto důvodů dostalo Výzkumné a technologické středisko DB AG příkaz vyvinout na nové systémové bázi metodu, tzv. Dispozici, orientovanou na budoucnost ZDIS. Na simulátoru (Train Control-Simulator TCSim) ve Výzkumném a technologickém středisku DB AG se v současné době zkoušejí první kroky řešení. Pod okruh Dispozice je zařazen řídící okruh Řízení a zabezpečení vlaků a dopravní cesty. Na tratích DB, na nichž se jezdí rychleji než 160 km/hod., dostává strojvedoucí na hnacím vozidle, a u mnohých hnacích vozidel též automatika (tzv. automatické jízdní a brzdící ovládání), plánovaná zadání pro jízdu vlaku, zvláště okamžitou předepsanou rychlost, vzdálenost k cíli a povolenou rychlost do cílového bodu. Na tratích DB s nižšími rychlostmi plní tuto úlohu ještě návěstí na dopravní cestě, přičemž v tomto případě stanovení polohy vlaků se může dít pouze po úsecích pomocí kolejového zařízení hlášení volnosti trati. Vlak reaguje na příkazy Provést jízdu vlaku (viz opakovaně vkládaný řídící okruh). Toto chování lze, opět v závislosti na čase, vyjádřit směrem jízdy, dopravní cestou, rychlostí a zrychlením. Když odhlédneme od urychlení nebo zpoždění, přenesou se tyto hodnoty zpět do horních úrovní řídících okruhů a mohou tak být využity z dispoziční úrovně pro optimalizaci jízdy vlaku. Také v této oblasti existuje ještě zdroj k optimalizaci. Reakční časy těchto čtyř řídících okruhů jsou o to kratší, čím blíž jsou procesu jízdy vlaku. Telematika pomáhá těmto řídícím okruhům (v mnoha případech je nutná), aby proces byl vůbec možný; připomeňme si řízení a kontrolu vysokorychlostních jízd. V ostatních případech zlepšuje přinejmenším akční schopnost systému. K tomu přichází navíc: s telematikou se plně otevírají nové šance na urychlení automatizace a informatizace. Provozní procesy mohou bez prodlení podpořit komerční procesy, v nichž jsou založeny. Podporuje se řízení údržby. Funkce monitoringu jsou schopny podpořit dispozici zdrojů důležitých pro provoz a marketing dopravních výkonů. Zvláštní důležitost mají účinky, k nimž dochází zařízeními nových struktur na určitém území. Příkladem je železniční přejezd: pokud na trati všechny vlaky zapínají zabezpečovací zařízení na přejezdech bezdrátově, což bude případ provozu s radiovým spojením, je možno zapomenout na drahé, na rychlosti závislé uspořádání a kabeláž z bodu zapínání ve velké vzdálenosti od železničního přejezdu. Z provozních hledisek existuje v těchto řídících okruzích řada základních technologických funkcí pro management. To tedy znamená: informatizace může v této oblasti ovlivnit významné pokroky a zlepšení pro konkurenceschopnost železnice. V tom je klíč k rychlému a pružnému reagování na změny 2

3 poptávky a situace. Proto trvá zvýšená potřeba k jednání v této oblasti, a to jak pro výzkum a vývoj, tak pro investice. 3 Klíčová oblast: architektura výměny dat Telematika pro drážní systém zpracovává a přenáší údaje o procesech, které jsou zapotřebí na mnohých místech systému tak, aby mohlo trvale fungovat automatizované porovnání procesů plán skutečnost a mohly se propočítat spolehlivé prognózy. Na základě důkladných analýz procesů a jejich zdokonalením můžeme navrhnout architekturu výměny dat, způsob zobrazení dat (při údajích o stanovení polohy např. i otázku referenčního systému), požadavky na kvalitu dat (jako je přesnost, bezpečnost, časové zpoždění) a nikoliv jako poslední i soubory dat a přenosový výkon. Se vzrůstající výkonností sdělovacích médií, rovněž i v mobilním radiovém spojení, rostou možnosti výměny dat a s tím spojených aplikačních možností, ale rovněž i požadavky na architekturu výměny dat, přičemž je třeba vzájemně spojit dva protichůdné požadavky: - na jedné straně musí být komunikační systém co možná nejblíže užití, aby bylo možno co nejlépe plnit požadavky tohoto využívání, případně jednotlivého procesu, - na druhou stranu má být komunikační systém co nejméně závislý na užití, aby měnící se požadavky na přepravní činnost mohly být zrealizovány s ohledem na zákazníky, tj. především rychle, a tím aby byl rovněž zohledněn razantní pokrok dostupné techniky v oboru zpracování dat a komunikací. Z toho vyvstal již v dřívějších studiích DB AG, zvláště ve studii Drážní řídící systém ZBL orientovaný do budoucnosti, požadavek na zřízení tzv. telematické základny. 4 Telematická základna: Řídící systém evropské železniční dopravy (European Rail Traffic Managenet System) ERTMS Podnět ke standardizaci a zavedení evropského systému, který má podporovat funkce řízení a zabezpečení vlaků, mobilní hovorová a datová radiová spojení a, při pozdější možnosti opce, též dispoziční úkoly, vychází ze situace, kdy 14 různých řídících a zabezpečovacích vlakových systémů v Evropě znesnadňuje a zdražuje vybavení mezinárodně provozovaných hnacích vozidel a motorových vlaků a v minulosti znemožnilo evropskou standardizaci a nepřipustilo vytvoření evropského trhu s větším počtem kusů a s podmínkami soutěže. Za iniciativy a podpory Evropské komise se účastníkům, tj. průmyslu a drahám, podařilo upřesnit systém ERTMS: z toho jsou hmatatelné jen dvě nejdůležitější součásti: Global System for Mobile Communication for Railways (GSM-R) a European Train Control System (ETCS). Německá dráha DB AG zřizuje (po švédských drahách jako druhá v Evropě) digitální mobilní radiové spojení GSM R. V několika málo letech má být zprovozněn GSM R systém již na ¾ sítě DB. Na hnacích vozidlech je často třeba pouze vyměnit staré analogové radiové přístroje za zařízení GSM R, takže v tomto případě odpadne drahá paralelní výbava. To znamená, že v několika málo letech bude v koncernu DB k dispozici výkonná a dále se vyvíjející digitální struktura mobilního radiového spojení (připomeňme vznikající služby pro přenos datových paketů GPRS). Systém je zabezpečen celoevropsky; v červenci 1999 Evropská unie určila kmitočtová pásma pro GSM R pro evropský drážní provoz. Aplikační potenciál nabízí z tradičního hovorového radiového spojení mezi strojvedoucím na hnacím vozidle a ústřednou: 3

4 - ovládání a zabezpečení vlaku, - radiové spojení motorového vozidla, - radiové spojení pro úkoly údržby a služeb, - až po radiové spojení v tunelu, - a spojuje všechny s řídící ústřednou. Po určení frekvencí pro mobilní radiové spojení pokračovalo stanovení frekvencí pro čidla (Eurobalise) 4 a 27 MHz, přičemž poprvé existuje též v oblasti bodového přenosu mezi tratí a vlakem evropský standard tak, aby kolem sebe vytvářel inovační aplikace. Toto čidlo jako elektronický kilometrovník nepotřebuje zásobování energií ze strany tratě a tím ani kabely; je montováno pouze jako značka na pražce. S příštími systémy řízení a zabezpečení vlaku ERTMS/ETCS tím vzniká i výkonná struktura pro mobilní určování polohy. Systém ETCS sám se nasazuje ve více aplikačních stupních. Rovněž radiem řízený jízdní provoz, který prostřednictvím ETCS nastavuje místo stavědel prvky, případně skupiny prvků, dopravní cesty, používá komunikačních standardů ETCS a ETCS Driver-Machine-Interface. 5 Automatizace Všude na světě existují již automatické dráhy, zvláště v městských a příměstských oblastech, jako je např. londýnská Docklands Light Rail nebo Meteor v Paříži. Podívejme se blíže na veřejnou místní a příměstskou dopravu. Pružnost z pohledu cestujícího je největší, když vlaky jezdí v rozmezí pouze několika minut. Potom cestující nevnímá potřebu jízdního řádu. Když je tato hustá vlaková nabídka příliš drahá, musí vést ke shodnému výsledku pružný způsob provozu, aby bylo možno splnit tento důležitý požadavek cestujícího. Ale standardní dispozice vlaků a strojvedoucích nemůže splnit toto přání, reakční časy by byly příliš dlouhé. Zde může pomoci automatizace. DB Regio a Výzkumné a technologické středisko DB AG pracují v rámci výzkumného a vývojového projektu Intermobil, podporovaného spolkovým ministerstvem pro výzkum a technologii a svobodným státem Sasko, spolu s průmyslem a podniky městské a příměstské dopravy regionu na realizaci demonstračního objektu Automatizovaná S-Bahn Drážďany, který bude provozován na normálních kolejích a zařízeních DB, což znamená bez drahého oplocování. Základnu pro to bude tvořit systém řízení evropské železniční dopravy ERTMS. Další prvky automatizovaného železničního provozu, jako je např. rozpoznání překážky, se vyvíjejí v KOMPASu, výzkumném a vývojovém projektu, propojeném s projektem Intermobil, který se výrazně liší od dostatečně známých automatických podzemních drah a kyvadlových letištních vlaků. Neexistují žádné dveře na nástupiště a žádné nákladné oddělené jízdní dráhy. Přitom neexistují ústupky v oblasti bezpečnosti, naopak: automatický provoz představuje jednoznačně přínos pro bezpečnost. 6 Řízení cyklu životnosti Zavedení telematiky do drážního systému a přechod od starých systémů na nové představují zvláštní druh potíží. Např hnacích vozidel DB AG se od sebe liší 100 konstrukčními řadami a stářím až 40 let. Okruh úkolu obsahuje: rozhraní strojvedoucí stroj, místo vestavby, zabezpečení energie, datová rozhraní a procesní rozhraní. Obzvlášť důležitá jsou procesní rozhraní, například optimální součinnost ovládání rychlosti vlaku pomocí řízení a zabezpečení vlaku s charakteristikou řízení jízdy a brzdění hnacího vozidla. 4

5 Je třeba tedy nalézt kompromisy, protože technické systémy hnací vozidlo a telematika mají nejen spolupůsobit, ale mají mít i možnost se dalekosáhle, na sobě nezávisle a přitom skutečně dále vyvíjet. Cesty k řešení jsou bezpochyby ve standardizaci: abychom měli dlouhodobě stabilní směrnice pro všechny zúčastněné partnery. Příklad: funkce rozhraní Driver-Machine-Interface. Rovněž dále pomáhá převod rozhraní hardwaru do rozhraní softwaru. Větší integrace hardwaru by vedla ke spolehlivější technice a ke zmenšení požadavků na místo; u funkčních modifikací by byla výměna hardwaru nahrazena výměnou softwarových modulů, což se jeví jako velmi výhodné vzhledem ke dnes stále ještě vysokým nákladům na přestavbu telematiky pro oblast vozidel. K tomu je třeba vytvořit softwarovou základnu, která tuto modularitu zaručí. 7 Výhled Výzkumné a vývojové středisko DB AG v Mnichově dalo vyvinout tzv. aplikačního manažera pro užití telematiky v hnacím vozidle. Software aplikačního manažera, který je zabudovatelný do hnacího vozidla, např. do počítače tzv. elektronického jízdního řádu EbuLa, umožňuje řadu displejů pro strojvedoucího nahradit jediným. Lze přitom zahrnout řadu dalších možností, např. dodatkové ukazatele pro liniové ovlivnění vlaku LZB nebo ukazatele diagnózy (poruch). Začlenění displejů ETCS a FFB se v současné době zkouší. Aplikační manažer je příkladem toho, jak v budoucnu usnadnit přenesení telematiky do vlaků a tu potom aktualizovat tak, aby odpovídala požadavkům uživatelů a pokroku techniky. To je podstatné, protože telematika je důležitým stavebním kamenem v komplexním systému železnice a představuje přínos pro její budoucnost. 8 Souhrn Souhrnně můžeme říci, že telematika řídí a kontroluje všechny procesy drážního systému. Podrobnější posouzení pomocí za sebe řazených řídících okruhů ukazuje, že telematika již mnoho dosáhla, ale na druhou stranu k dokončení všech řídících okruhů technickými prostředky, a zvláště pro průchodné uspořádání toků dat, je se vyplatí vyvinout ještě další úsilí až po automatizaci. Základní prvky telematiky, tj. systém řízení evropské železniční dopravy ERTMS a aplikační manažer pro hnací vozidla, budou přitom hrát důležitou roli. Je zapotřebí optimální strategie, aby cílů bylo v dohledné době dosaženo a hospodárným způsobem. Pramen: ETR 49 (2000), č. 11, str Překlad: Jiří Mencl Korektura: ODIS 5