Věra Nováková 1 Specifikace minimálních požadavků železnice na ukazaele kvaliy signálu GNSS/GLILEO pro nebezpečnosní železniční elemaické aplikace Klíčová slova: Galileo, GNSS, elemaické aplikace 1. Úvod ČD-Telemaika, a.s. spolupracuje již řeím rokem se SŽDC, s.o. Technickou úsřednou dopravní cesy, Laboraoří ineligenních sysémů Pardubice na doovaném projeku Cerifikace saeliního navigačního syému Galileo pro železniční elemaické aplikace a zpracovává čás pro nebezpečnosní železniční elemaické aplikace. Cílem projeku je formulova meodiku pro převod měříek kvaliy saeliního navigačního signálu Galileo do železničních aribuů spolehlivosi a bezpečnosi dle sandardů CENELEC a vypracova posup cerifikace sysému a signálu Galileo pro železniční aplikace. Na základě analýzy jsme v rámci projeku vybrali pro ověření čyři aplikace. U ěcho aplikací jsme vyspecifikovali požadavky na službu GNSS, keré nyní ověřujeme v praxi a podle výsledků ověření vhodnosi využií sysému Galileo bude navržena cerifikace jednolivých paramerů GNSS pro železniční dopravu. 1.1. Vybrané elemaické aplikace Výkonové zpoplanění železniční infrasrukury Komplexní sysém pro sběr, verifikaci a uložení da, kerá slouží k výpoču zpoplanění a výběru poplaku za použií železniční infrasrukury. Na hnacím vozidle je umísěna mobilní čás, kerá vysílá a uchovává daa o idenifikaci vozidla, poloze, projeé vzdálenosi, informace o doprovodu vlaku, vlakových náležiosech spolu se záznamem o čase pořízené informace, případně další doplňující informace, do sacionární čási. Přenos da o poloze vlaku může probíha on-line nebo o-line. Sacionární čás slouží pro ukládání a verifikaci da z mobilní čási s kmenovými day získanými ze sávajících informačních sysémů. Sledování polohy vlaků, vozů, zásilek nebo přepravních jednoek Hlavní funkcionaliou sysému je zpracování událosí vozu a vlaku z různých zdrojů s ohledem na jejich logickou, časovou a prosorovou posloupnos, včeně poskyování základních i saisických údajů o pohybu vozů a vlaků v rámci působnosi dopravce. Sysém umožňuje sledování charakerisik vozů, jako jsou provozní údaje, údaje o echnickém savu vozu a základní echnická daa vozu. Hierarchizace sledovaných objeků umožňuje získa přesný a podrobný pohled na pohyb vozů. 1 Ing. Věra Nováková, 1975, Univerzia Pardubice, Dopravní fakula Jana Pernera. V současnosi ČD- Telemaika, a.s., řízení a spolupráce na doovaných projekech a projekech elemaických aplikací vyvíjených v ČD-T. 1
Managemen parku kolejových vozidel Nadsavba aplikace Sledování polohy vlaků, vozů a zásilek, shromáždění informací jako podpora managemenu dopravy. Sledování vozového parku v reálném čase, přenos informací, reakce na akuální siuace a vyhodnocování se posupem času sává nezbyným násrojem dopravců. S ím je spojen i posupný přechod od hlasové k exové komunikaci, neboť veškerá daa a údaje mohou bý zpracovány a archivovány auomaicky výpočení echnikou. Pouze dokonalá organizace vozového parku umožňuje dobrou návranos invesic vložených do dopravy, což dokazují zkušenosi západoevropských i našich dopravců. Kromě oho lze výrazně zvýši kvaliu služeb zákazníkům, poskyova jim okamžié informace o průběhu zakázky a s předsihem řeši vznik možných problémů. Diagnosika infrasrukury V současné době není sysém, kerý by nějakým způsobem umožňoval sledova sav železniční infrasrukury v reálném čase. Vhodně umísěné přijímače Galileo mohou bý důležiým prosředkem při sledování pohybů mosů, hrází, budov apod. Družicová echnologie může bý využia k definování překážek na dopravní cesě, pro ochranu majeku při propojení na IZS, k zabránění škodám a zráám na zdraví obyvael. Železniční infrasrukura musí bý pravidelně konrolována, aby se zjisily případné změny polohy koleje a projeé záěže. Sysém Galileo urychlí celý proces údržby ím, že označí daem a polohou snímky a všechna provedená měření, bez narušení plynulosi dopravy. Služba bude slouži pro sledování kriické vzdálenosi od překážek na dopravní cesě (posuny mosních konsrukcí, závady na železničním svršku apod.). Tao služba však v žádném případě nenahrazuje činnos zabezpečovacího zařízení [1]. 2. Požadavky na aplikaci Sledování polohy vlaků, vozů, zásilek nebo přepravních jednoek Požadavky na jednolivé paramery byly sanoveny s ohledem na železniční aribuy spolehlivosi a bezpečnosi (RMS) dle norem ČSN EN 50126-1 a ČSN EN 50129. Jako vzorová aplikace s podrobnými výpočy je v omo článku uvedena pouze aplikace Sledování polohy vlaků, vozů, zásilek nebo přepravních jednoek, pro paramery přesnos, bezporuchovos, udržovaelnos, pohoovos, bezpečnos určení polohy, inegria bezpečnosi a závažné poruchové savy. Podle ohoo vzoru byly vypočeny paramery i u osaních aplikací a jsou shrnuy v abulce č.1: Souhrnný přehled požadavků. Paramery byly navrhnuy s ohledem na znalosi prosředí a v průběhu prakického ověření výsledků budou případně upřesněny s přihlédnuím na využií v provozu. 2
2.1. Požadavky na jednolivé paramery Přesnos Požadovaná horizonální přesnos polohy objeku je 5-10 merů (2σ ) na rai, ve sanici 1-2 mery (rozlišení kolejí). Pokud je 3x po sobě deekována sejná poloha objeku, aplikace odešle informaci o poloze spolu s informací objek se nepohybuje (sojí), neodesílají se ani nezaznamenávají daa do doby, než objek změní polohu. Deekce sojícího objeku je možná pomocí např. odomeru snímajícího oáčky kol. Díky šumu a chybám GNSS se objek podle údajů z GNSS přijímače neusále pohybuje v malém okolí své akuální polohy a bylo by edy nuné urči, co již je zasavení a co pomalý pohyb požadavek na inegraci sysému GNSS s odomerickým subsysémem. Pro zlepšení kvaliy služby se předpokládá, že v předem vyipovaných mísech, bude použi kombinovaný přijímač se sysémem GPS. Požadavek na horizonální přesnos polohy na rai: 5 10m ( 95% ) Požadavek na horizonální přesnos polohy ve sanici: Čas odesílání informací o poloze: 1 2m Frekvence odesílání informací o poloze: ( 95% ) Δ 0,5 min 8,33*10 3 h f 1 Δ 120h 1 Požadavek na horizonální mez výsrahy: HL 10m Vzájemný vzah mezi horizonální mezí výsrahy definované uživaelem HL a směrodanou odchylkou v případě faul-free ξ je dán na základě vzahu: HL K ξ kde K je zv. konfidenční koeficien. 3
Poloha poskyována vlakovým polohovým lokáorem založeném na GNSS bude správná, když bude chyba polohy (PE, Posiion Error) udržována v rámci horizonální meze výsrahy HL (definované uživaelem). Případ absence poruch označujeme jako hypoézu H 0. Na základě předpokladu, že chyby v orogonálních směrech jsou nezávislé s normálním rozdělením a nulovou sřední hodnoou a pokud pro zjednodušení uvažujeme sejné variace v každém směru, bude rozdělení horizonální chyby odpovída Rayleighovu rozdělení. Pravděpodobnos správného určení polohy P VPL, bude v případě absence poruch (H 0 ) po dosazení rovna: K 2 VPL, P( PE HL H 0 ) 1 e 1 P Naopak chyba polohy VPL překročí horizonální mez výsrahy HL s odpovídající doplňkovou pravděpodobnosí P ( PE > HL H 0 ) 1 P VPL,. Konfidenční koeficien K ak přímo ovlivňuje pohoovos, proože v případě bez poruchy je pohoovos využií GNSS menší o pravděpodobnos (1-P VPL, ). Pokud je vliv na pohoovos významný (řádově více jak procena), pak hodnoy obou veličin ξ a HL nejsou zvoleny vhodným způsobem, proože pohoovos použií sysému GNSS by byla významně snížena díky časým překročením meze výsrahy i při absenci poruch GNSS. Je nuné požadova zvýšení koeficienu K, zn. buď požadova menší hodnou ξ, nebo věší mez výsrahy HL. V dalším exu je mez výsrahy HL 10 m považována za pevně danou a pokusíme se odvodi imální přípusnou horizonální přesnos polohy. Pokud uvažujeme. hodnou nepohoovosi při absenci poruch 0,01%, poom je odpovídající konfidenční koeficien K,min 4,291 a požadavek na imální směrodanou odchylku polohy je ξ, 2,33 m. Na základě předpokladu, že horizonální přesnos je specifikována jako chyba polohy v konfidenční oblasi přesně 95%, je požadavek na. horizonální přesnos polohy H 5,7 m. Nepříliš vhodně zvolený původní požadavek na přesnos polohy 5-10 m je proo změněn na jedinou hodnou 5,7 m, za podmínky imální nepohoovosi 0,01% v případě absence poruchy. Při použií GNSS na železniční rai je éž nuné uvažova sínění saeliního signálu SIS (Signal-In-Space) z důvodu překážek na rai, sínících objeků a prosředí kolem raě, což ovlivňuje dobu využií (nevyužií) GNSS a udíž má aké vliv na výslednou pohoovos. Pro první přiblížení uvažujme na koridorových raích 95% až 100% dosupnos SIS, na vedlejších raích 70% až 95% dosupnos signálu SIS: SIS 2 e 2 HL 2ξ ( 95%, 100% ), K 95% 100% SIS, K min SIS, K ( 70%, 95% ) SIS, V 70% 95% SIS, V min SIS, V SIS, K min 2 4
Nechť SIS označuje dosupnos SIS na rai. V dalším exu jsou rozlišovány následující ři případy: 1) 100% dosupnos SIS (žádné sínění SIS na celé rai): SIS SIS, K 100% 2) 95% dosupnos SIS, j. nejmenší dosupnos SIS na koridorových raích: 95% SIS SIS, K min 3) 70% dosupnos SIS, j. nejmenší dosupnos na vedlejších raích: SIS SIS, V min 70% Pak sřední čas nepoužielného savu za rok je: 1) při 100% dosupnosi SIS: ( PVPL ) Trok SIS, 1, 10 4, 8760 1 0,876 0, 9h, 2) při 95% dosupnosi SIS: 10 4, 8760 0,95 0,832 0, 8h, 3) při 70% dosupnosi SIS: 10 4, 8760 0,7 0,613 0, 6h, T rok poče hodin za jeden rok: T rok 365 24 8760h 5
Bezporuchovos Sanovení minimální a imální olerance čenosi poruch: Porucha imálně 1x za 72 hodin provozu služby, pouze na omezenou dobu. Plánovanou údržbu a opravy směřova raději do nočních hodin, vždy na yo plánované opravy upozorni uživaele s podrobným harmonogramem a předpokládanými komplikacemi, keré mohou nasa, zda bude zařízení mimo provoz nebo bude nahrazeno day z jiných IS a zda bude dodržena kvalia poskyované služby nebo se sníží. Nepředpokládané opravy a údržba, upozorni uživaele. Požadavek na čenos poruch: λ 2 1 72 1,39 * 10 h 1 Sřední doba mezi poruchami: MTBF λ 72h min 1 Při předpokladu konsanní čenosi poruch (období normálního provozu) je charaker funkční závislosi minimální bezporuchovosi správného určení polohy R() určován exponenciálním zákonem rozdělení: R min 2 λ * 1,39*10 * () exp exp Maximální poruchovos funkce určení polohy F(): F 2 λ * 1,39*10 * () 1 R ( ) 1 exp 1 exp Maximální husoa pravděpodobnosi poruchy: Udržovaelnos f min 2 λ * 2 1,39*10 * () df () / d λ exp 1,39 *10 exp Běžná údržba zařízení, konrolní esování (1 měsíčně) přerušení služby imálně na 10 minu, delší opravy a údržba (po 6 měsících) ve večerních hodinách, výpadek. 2 hodiny, vždy upozorni uživaele o přerušení služby a informací o předběžné délce rvání poruchy služby. Plánovanou údržbu a opravy směřova raději do nočních hodin, vždy na yo plánované opravy upozorni uživaele s podrobným harmonogramem a předpokládanými komplikacemi, keré mohou nasa, zda bude zařízení mimo provoz nebo bude nahrazeno day z jiných IS a zda bude dodržena kvalia poskyované služby nebo se sníží. Nepředpokládané opravy a údržba, upozorni uživaele. 6
Požadavek na přerušení služby při konrolním esování 1 ýdně:. na 10 minu. Maximální čas údržby za rok: u _ 52 10 min u 8, 7h _ Přerušení služby a doba obnovení po deekované poruše je obecně řešena dle SL, smluvně se zákazníkem. Požadavek na přerušení služby. na 10 min po deekované poruše. imální čas pořebný na odsranění jakýchkoliv poruch (čas přerušení služby za rok): T MTBF 1 o _ ( ) 6 rok min o 20, 3h _ Minimální sřední doba do opravy: ( u _ + o ) Trok MTTRmin MTBF + MTTR min 0, 25h Čenos opravy: μ 1 MTTR min μ 4h 1 Pohoovos plikace budou ukláda daa o poloze rvale (24 hodin denně), proo požadujeme vysokou pohoovos služby. Výpadky služby GNSS budou olerovány pouze při poruchách, keré mohou nasa 1 x za 72 hod imálně na 10 minu. Po obnovení přenosu da je řeba, aby zařízení okamžiě začalo komunikova a odesíla informace o poloze objeků. Požadujeme záznam o om, že byla přerušena služba GNSS (dohledání). Informace budou dosupné ve sanoveném inervalu dle pořeby on-line/o-line s požadovanou horizonální přesnosí: Informace dosupné rvale on-line, v případě výpadku signálu upozornění na výpadek služby, po uo dobu budou informace zaznamenávány o-line (pouze pro případnou konrolu), informace pro zobrazení na mapě lze čerpa z jiných IS. Požadovaná horizonální přesnos polohy objeku je 5-10 merů, ve sanici požadujeme horizonální přesnos polohy objeku 1-2 mery (rozlišení jednolivých kolejí). Pokud se nebude měni poloha objeku (bude sá), zařízení odešle informaci o poloze spolu s informací, že se objek nepohybuje a nebude odesíla ani zaznamenáva daa až do doby než se začne objek opě pohybova. 7
Vliv výpadku funkce určení polohy pro danou aplikaci, kráký nežádoucí výpadek sanovení inervalu olerance: Sledovaný objek se nezobrazí např. na mapě je řeba upozornění, že nasal výpadek služby, zdroj da pro zobrazení objeku bude nahrazen day z jiných IS, sníží se kvalia poskyované služby. Sřední čas nepoužielného savu: MDT + + + 1 u _ o [( ) T ] SIS rok Sřední čas použielného savu: Pohoovos: min rok rok SIS ( + ) MUT T MDT T + u _ o MUT MDT + u, + min PVPL, SIS MUTmin Trok o, Dosazením číselných hodno dosáváme: (1- P VPL, ) / K,min 10-4 / 4,291 m ξ, / H MTTR min 2,33 m / 5,7 m 0,25 h μ 4 h -1 SIS 100 % 95 % 70 %, [h] 0,9 0,8 0,6 MDT [h] 29,9 467,8 2657,6 MUT min [h] 8730,1 8292,2 6102,4 99,7 % 94,7 % 69,7 % 8
Bezpečnos určení polohy PL odhadnuá chyba určení polohy, vypočená podle akuálního rozložení saeliů a příjmu signálu. L mez výsrahy je daná provozními podmínkami - je o přípusná odchylka polohy, kerá nesmí bý překročena bez varování uživaele. Oznámení poruchy sysému, sanovení posupů v případě poruchy zařízení: Je řeba oznámi poruchu, přenos da bude v době poruchy o-line. Inegria bezpečnosi Posup při poruše přenosu da: je řeba vyvola výsrahu, daa se budou zaznamenáva o-line (pouze pro případnou konrolu), po dobu výpadku služby lze daa čerpa z jiných IS, sníží se frekvence odesílání informací o poloze objeku. Posup při poruše zařízení pro přenos da: upozornění na poruchu, daa lze získa z jiných IS. Závažné poruchové savy Závažné poruchové savy ovlivňují funkci pokládanou za velmi důležiou. V případě éo aplikace se jedná o akové savy, pro keré exisuje nepřípusné riziko finanční zráy. Nepřípusné riziko může bý například uvažováno jako imální možná přípusná zráa při použií éo aplikace na všech vozidlech za jeden rok FZ rok [Kč]. Poom je zapořebí znalos následujících údajů: N V - průměrný denní poče vozidel, keré využívají uo aplikaci T 1V - průměrná doba používání aplikace připadající na jedno vozidlo FZ I - průměrná finanční zráa při použií jedné zavádějící informace o poloze FZ rok 100 000 Kč, N v 30 000 vozidel denně, T 1V 20 hodin, FZ I 10 000 Kč. Každá zavádějící informace (chyba polohy je věší než mez výsrahy a ao skuečnos není ohlášena) způsobí finanční zráu. Předpokládáme, že finanční zráa hrozí u každé dvacáé zavádějící informace (z množiny chybných informací). Poom na základě předchozích údajů můžeme sanovi imální poče možných zavádějících informací, keré lze olerova: N TI N 20 FZ TI rok FZ 20 100000 10000 200 I Celková doba využívání aplikace pro všechna vozidla za rok T : T N V T 1V 365 T 30000 20 365 219 *10 6 h 9
Poče informací o poskynué poloze za jeden rok N I : N I N I 6 T f 219 *10 120 0,997 2,6 *10 10 Pravděpodobnos, že nasane imálně přípusná finanční zráa FZ rok : P N TI N I 10 9 P 200 2,6 *10 7,63*10 [2]. V následující abulce jsou shrnuy výsledky, vypočených paramerů dle sejného vzoru, pro osaní navržené aplikace. 10
Požadavky na službu GNSS pro jednolivé aplikace: Výkonové zpoplanění železniční infrasrukury Sledování polohy vlaků, vozů, zásilek nebo přepravních jednoek Flee managemen Diagnosika infrasrukury λ [h -1 ] 4,17*10-2 1,39*10-2 1,39*10-2 2,08*10-2 MTBF min [h] MTTR min [h] 24 72 72 48 0,19 0,25 0,25 0,22 u [h] 8,7 8,7 8,7 8,7 o [h] 60,8 20,3 20,3 30,4 μ [h -1 ] 5,26 4 4 4,55 SIS 100% 95% 70% 100% 95% 70% 100% 95% 70% 100% 95% 70% [h] 0,9 0,8 0,6 0,9 0,8 0,6 0,9 0,8 0,6 0,9*10-3 0,8*10-3 0,6*10-3 MDT [h] 70,4 508,3 2698,1 29,9 467,8 2657,6 29,9 467,8 2657,6 39,1 477,1 2667,1 MUT min [h] 8689,6 8251,7 6061,9 8730,1 8292,2 6102,4 8730,1 8292,2 6102,4 8720,9 8282,9 6092,9 99,2% 94,2% 69,2% 99,7% 94,7% 69,7% 99,7% 94,7% 69,7% 99,6% 94,6% 69,6% Tabulka 1: Souhrnný přehled požadavků 11
3. Závěr Projek se zabývá akuální problemaikou, kerá dosud nebyla řešena ani v rámci skupiny mezinárodních experů UIC GLILEO pplicaions for Rail ani v někerém z dalších projeků GJU (Galileo Join Underaking), či projeků Rámcového programu výzkumu a vývoje EU. Proože hlavní ukazaele kvaliy sysémů GNSS/GLILEO vycházejí zejména z leecké koncepce bezpečnosi, edy zásadně odlišné od železniční, je nuné specifikova požadavky železnice na GNSS/GLILEO v ermínech (merice) dle příslušných železničních norem; a sanovi posup, jak yo požadavky schvalova. Záměrem projeku je připravi podmínky pro prakické využií saeliní navigace v železničních elemaických aplikacích ješě před ím, než bude sysém GLILEO uveden do plného provozu. Do budoucna se očekává, že eno nový koncep založený na elekomunikacích a navigačních echnologiích umožní sníži provozní náklady (zejména z důvodů náhrady člověka echnikou), sníži náklady na údržbu (z důvodu redukce raťového zařízení) a zvýši bezpečnos (náhradou chybujícího člověka echnikou). Implemenací sysému GLILEO do železniční zabezpečovací echniky dojde na evropských železničních koridorech ke zvýšení kapaciy přepravy a plynulosi dopravy. GLILEO rovněž umožní insalova cenově dosupné sysémy i pro regionální raě s menší husoou provozu, kde v současné době nelze insalova klasická zařízení z důvodu vysoké pořizovací ceny [1]. 4. Definice a zkraky Zkraka Význam ČSN EN 50126-1 Drážní zařízení Sanovení a prokázání bezporuchovosi, pohoovosi, udržovaelnosi a bezpečnosi (RMS) Čás 1: Základní požadavky a generický proces ČSN EN 50129 Drážní zařízení Sdělovací a zabezpečovací sysémy a sysémy zpracování da Elekronické zabezpečovací sysémy EU Evropská unie GLILEO Navigační sysém Evropské unie GNSS Global Navigaion Saelie Sysém - Globální družicový polohový sysém GPS Global Posiioning Sysém navigační sysém IS Informační sysém IZS Inegrovaný záchranný sysém RMS Zkraka vyjadřující kombinaci bezporuchovosi, pohoovosi, udržovaelnosi a bezpečnosi SŽDC, s.o. Správa železniční dopravní cesy, s. o. UIC Inernaional Union of Railways - Mezinárodní železniční unie VPL Vlakový polohový lokáor 12
5. Použié informační zdroje [1] Inerní zdroj ČD-Telemaika, a.s. [2] Inerní zdroj SŽDC, s.o., TÚDC, LIS Pardubice. V Praze, září 2009 Lekoroval: Ing. Milada Veselá, Csc. ČVUT, Fakula dopravní, Praha 13