Vlakové zabezpečovače v pražském metru, současný stav, provozní zkušenosti, perspektiva Jaroslav Hauser, Milan Pecka 1. Úvod Vlakový zabezpečovač je technické zařízení, jehož úlohou je přispívat ke zvýšení bezpečnosti železniční dopravy tím, že kontroluje, případně nahrazuje strojvedoucího. Tolik školní definice, která se mi vybavuje i po tolika letech děkuji, pane profesore Jelínku. Za 39 let provozu pražského metra nám přispívají ke zvýšení bezpečnosti provozu hned tři typy vlakových zabezpečovačů různých generací, technických principů, od různých výrobců a dokonce z rozličných států. 2. Vlakový zabezpečovač ARS Zkratka ARS znamená Автоматическя Регуляция Скорости Automatická regulace rychlosti Jedná se o nejstarší vlakový zabezpečovač na pražském metru, původní ruský systém v provozu na trati C od roku 1974 do roku 1998, na trati A od roku 1978 do roku 2004 a na trati B od roku 1985 dosud. Jde o liniový vlakový zabezpečovač s kontrolou rychlosti, analogový nízkofrekvenční systém s dodatečným kódováním do kolejnicových pásů. - Pouze systém ATP - Provozní režimy: RVZ (režim vlakového zabezpečovače) = ATP RTB (režim tlačítek bdělosti) = omezení rychlosti na 20 km/h N = zařízení vypnuto - Princip: rychlostní systém (do každého izolovaného úseku, kolejového obvodu je vysílána nízká frekvence, která určuje přímo konkrétní max. povolenou rychlost v tomto úseku) 275 Hz 0 km/h 225 Hz 20 km/h 175 Hz 40 km/h 125 Hz 60 km/h 75 Hz 80 km/h - Nízké frekvence vyrábějí generátory GALS, každý izolovaný úsek má vlastní generátor tvořený o LC oscilátorem naladěným na 275 Hz. Pomocí rychlostních relé je možné postupně připojovat interní kapacity, které snižují kmitočet po krocích 50 Hz o Zesilovačem 50 VA. Ten má dva samostatné koncové stupně při poruše výkonového tranzistoru dojde k automatickému přepnutí na záložní koncový stupeň. - Příjem signálu na vlaku: Před první nápravou jsou nad levou i pravou kolejnicí umístěny snímací cívky v antisériovém zapojení.
- Nominální proud: od 1,5 A pro 275 Hz do 5,4 A pro 75 Hz (150 % citlivosti přijímačů) - Mobilní část: Reléová logika, zdvojená relé 2. bezpečnostní skupiny s kontrolou na odpad. Pět lokomotivních přijímačů, dva bloky měření rychlosti, blok signalizace pro porovnání skutečné a zadané rychlosti a blok řízení, který zadává výběh a provozní nebo nouzovou brzdu. - Adaptér ARS Původní ruský systém nesplňoval všechny bezpečnostní požadavky a tak byl československými odborníky systém doplněn o adaptér ARS, který především o řeší problematiku možného podchodu kódu pod vlakovou soupravou o zabraňuje vyhodnocení 3. harmonické 75 Hz jako příjmu 225 Hz o umožňuje indikaci předvěstního znaku, tedy max. povolené rychlosti v následujícím izolovaném úseku - Interval následného mezidobí: 90 s Zásadní nevýhoda systému ARS: nedostatečná odolnost proti rušení. I krátkodobý rušivý signál s kmitočtem ležícím v přijímaném pásmu může vyvolat nebezpečný stav. Zejména nekompatibilita s asynchronním pohonem vozů typu M1 vede k zásadnímu bezpečnostnímu problému, pro který bylo nutné systém ARS opustit a nahradit systémy jinými. Údržba zejména reléových bloků mobilní části systému je poměrně obtížná a také nákladná. Závěrečné zhodnocení: Dnes se jedná o systém na konci svého technického života a těsně před vstupem do muzea zabezpečovací techniky. Ale nehleďme na starý ruský systém příliš přísně a nepoměřujme ho pyšně s dnešními počítačovými systémy. Dlouholetý provoz ukázal, že se jedná o bezpečný systém, který neměl v průběhu mnoha desítek let žádný vážný bezpečnostní problém. Spolehlivost systému je standardní a odpovídající použité reléové technice. A připomeňme si, že už v první polovině 70. let se jednalo o systém liniového vlakového zabezpečovače s kontrolou rychlosti.
3. Vlakový zabezpečovač PA-135 Zkratka PA-135 znamená Pilot Automatique a použitou frekvenci 135 khz Jedná se o výrobek francouzské firmy Matra, později Matra Transport Internacional, ještě později pohlcenou společností Siemens. Systém je nasazen od roku 1997 dosud na trati C. Jde o liniový vlakový zabezpečovač, analogový, vysokofrekvenční s kódováním do tzv. programového pásu. - Funkce ATP i ATO ATO je poměrně primitivní a spočívá v podstatě pouze v automatickém rozjezdu vlaku, jízdě předem stanovenou rychlostí a cílovým brzděním a zastavením v následující stanici. - Princip: předchůdce systému Distance-to-go. - Provozní režimy: RAV (režim automatického vedení) = ATP + ATO RVZ (režim vlakového zabezpečovače) = ATP RTB (režim tlačítek bdělosti) = omezení rychlosti na 30 km/h N = zařízení vypnuto - Programový pás o V celé délce trati je mezi kolejnicemi uložen programový pás s přenosovými indukčními smyčkami (= programy), jejichž vodiče se kříží v přesně stanovených vzdálenostech. Vzdálenost křížení určuje nominální rychlost v daném místě. o V každém místě trati se nachází nejméně jeden a nejvýše šest programů (obvykle jeden nebo dva). o Stacionární část systému zajišťuje pomocí bezpečných logických obvodů podle okamžité dopravní situace napájení vždy jediného (případně žádného) z nich. o ATO vede vlak tak, aby sousední křížení projel za 300 ms (např. rychlosti 80 km/h odpovídá vzdálenost křížení 6,66 m, atd.) o ATP zavede nouzovou brzdu při 290 ms o Vzdálenost křížení včetně brzdných parabol jsou v předpisu pro výrobu programového pásu tzv. listing pásu.
- Nosná frekvence 135 khz je fázově modulovaná dalšími nízkými kmitočty (od 1 080 Hz do 1 824 Hz) o ZR = aktivační zóna o AM, AF = povolení k jízdě o SL = povolení trakce o OD, OG = povolení otevření dveří vpravo, vlevo o CNP = nepřeklenutelné dělení trakční kolejnice o atd. - Nouzové brzdění až do zastavení nastane, jestliže: o Není vyhodnocen příjem nosné frekvence 135 khz nebo není vyhodnocen příjem jedné z nízkých frekvencí ZR, AM, AF (V takovém případě je nutná nová aktivace systému v následující stanici. Do následující stanice jede vlak v režimu RTB max. rychlostí 30 km/h). o Čas projetí dvou sousedních křížení je kratší než 290 ms - Doplňkové funkce: o Nouzové zastavení vlaku na dráze 100 m po rozjezdu ze stanice uvolněním tlačítka strojvedoucím. o Blokování otevření dveří na nesprávné straně a mimo stanici. o Možnost změny jízdní doby v mezistaničním úseku změnou nosné frekvence (přepnutím krystalu oscilátoru). o Zamezení zpětného pohybu vlaku. o Přepínání dálkových a tlumených světel. o Spouštění hlášení vlakového rozhlasu před stanicí. o Jízda v místě nepřeklenutelného dělení napájecí trakční kolejnice. - V režimu RAV spustí strojvedoucí hlášení rozhlasu (po jeho ukončení se zavřou dveře) a stiskne tlačítko Odjezd, které uvolní po ujetí 100 m. Vlak automaticky dojede do další stanice. - V režimu RVZ řídí strojvedoucí vlak manuálně ATP vyvolá nouzové brzdění v případě překročení povolené rychlosti nebo při vjetí do nenapájeného programu za programem zastavení. - Interval následného mezidobí: o teoretický 85 s o praktický 90 s Nevýhody systému PA-135: - Nemožnost jakýchkoliv úprav rychlosti včetně pomalé jízdy, rychlost je pevně zakódována křížením vodičů v programovém pásu. - Velká zranitelnost programového pásu v kolejišti, náročná a drahá demontáž a zpětná montáž při některých pracích na kolejovém svršku (např. kompletní rekonstrukce výhybky). - Při vypadnutí ze zabezpečeného režimu RAV nebo RVZ je možné systém opět aktivovat až v následující stanici. Do této následující stanice musí dojet vlak v režimu RTB max. rychlostí 30 km/h. Př.: Porucha kolejového obvodu. Dochází tak často k narušení GVD. - Při nepravidelnostech v provozu je počet instalovaných parabol nedostatečný. Primitivní funkce ATO a pevně zakódovaná rychlost v programovém pásu neumožňuje vzniklé nepravidelnosti v provozu účinně eliminovat. Výhody systému PA-135 - Vysoká bezpečnost systému.
Je zřejmá malá pravděpodobnost výskytu rušivého signálu, který by mohl být vyhodnocen jako pravý. Francouzský dodavatel zjevně pracoval v průběhu celého projektu s vysokými standardy bezpečnosti. - Plná kompatibilita systému s asynchronními pohony vlaků typu M1. - Vysoká spolehlivost systému a jeho komponent. Závěrečné zhodnocení: Systém byl vyvinut v 70. letech 20. století a tomuto období také odpovídá princip a technické možnosti systému viz výše převažující nevýhody nad výhodami. S dalším nasazením systému PA-135 se z výše uvedených důvodů pochopitelně nepočítá. Na druhou stranu bezpečný a spolehlivý systém plně kompatibilní s asynchronními pohony vlaků bude ještě jistě nějakou dobu dobře sloužit provozu na trati C.
4. Vlakový zabezpečovač LZA Zkratka LZA znamená Liniový Zabezpečovač s Automatikou. LZA = SOP-2P + ACB-M3 Část ATP, tedy SOP-2P (Systém ograniczenia prędkości, varianta 2 Praga), je výrobek polské firmy ZWUS Katovice, dnes součást koncernu Bombardier. Část ATO, tedy ACB-M3 (Automatické cílové brzdění Metro 3), je výrobek české společnosti AŽD Praha. Systém je nasazen od roku 2004 na trase A a připravuje se jeho nasazení na trasu B. Jde o liniový vlakový zabezpečovač s kontrolou rychlosti, digitální, vysokofrekvenční, s kódováním do přenosových smyček v kolejišti. Jedná se o počítačový bezpečný systém s hlasováním dva ze tří. Princip ATP: - Rychlostní systém - 13 rychlostních stupňů 0, 20, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80 km/h - Každý ze tří staničních počítačů zpracovává dvoukanálově (diverzifikovaný SW) informace ze ZZ, které předává kodérům - Kodéry jednotlivých přenosových smyček po hlasování 2 ze 3 vytvoří digitální telegram, který obsahuje především povolenou rychlost v daném a následujícím kolejovém úseku. Zpracování je dvoukanálové. - Telegram se po zesílení vysílá do přenosové smyčky.
Princip ATO: - Telegram obsahuje informace o pozici vlaku a o počtu volných úseků před vlakem - Mobilní část na jejich základě a s použitím mapy trati automaticky řídí jízdu vlaku do následující stanice s optimální spotřebou trakční energie Provozní režimy: - RAV (režim automatického vedení) = ATP + ATO - RVZ (režim vlakového zabezpečovače) = ATP - RTB (režim tlačítek bdělosti) = omezení rychlosti na 30 km/h - RBO (režim bezobslužného obratu) = bezobslužný obrat - N = zařízení vypnuto Přenosová smyčka: - Jednožilový izolovaný vodič vedený v celé délce kolejového úseku u vnitřních pat kolejnic - Nosná frekvence: 36,6 khz - Klíčování frekvenčním posunem Logická 0 = 37,2 khz Logická 1 = 36,0 khz - Nominální proud ve smyčce: 150 ma Telegram: - Délka 47 bitů 28 informačních, 7 kontrolních, 12 synchronizačních a separačních - Hammingova vzdálenost d = 4 - Přenosová rychlost 1 200 bit/s, tj. cca 25 telegramů/s
Mobilní část: - Dvoukanálové zpracování s bezpečnou komparací - Vytvoří vždy ze 3 posledních telegramů platný telegram hlasováním 2 ze 3 - Tento telegram je akceptován, pokud je shodný s předchozím platným telegramem a má správný kontrolní součet Modifikace: - Telegramy v jednotlivých po sobě následujících smyčkách se liší modifikačními bity. Příjem nové modifikace telegramu je umožněn vždy jen prvnímu vlaku, který vjede do daného úseku. Bezobslužný obrat: - Umožňuje obrat v koncové stanici bez přítomnosti strojvedoucího ve vlaku. - Strojvedoucí odešle vlak do obratu obsluhou ovládací skříňky na nástupišti. - Vlak provede úvraťovou jízdu a zastaví u nástupiště na odjezdové koleji. - Problematika hlídání volnosti kolejiště a indikace či zamezení možnosti pádu osoby do kolejiště. Interval následného mezidobí: - teoretický 85 s - praktický 90 s
Nevýhody systému LZA: - v zásadě se jedná o zastaralý princip rychlostního systému, který neumožňuje dosažení kratšího intervalu následného mezidobí než 90 s. - při pomalé jízdě a dočasném omezení rychlosti v části ATP, ATO navádí vlak na vyšší rychlost, než dovoluje ATP. Důvodem je nezměněná původní mapa trati, kterou nelze jednoduše a rychle upravit na všech soupravách. Řešením je zlepšení vzájemné komunikace částí ATP a ATO systému LZA. - nemožnost oprav sofistikovaného systému vlastními silami a poměrně vysoká cena oprav či nových náhradních dílů (elektronických desek) Výhody systému LZA: - Sofistikovaná a moderní část ATO, která umožňuje automatickou jízdu v mezistaničním úseku s minimální spotřebou trakční energie s dodržením GVD. ATO umožňuje poměrně dobře eliminovat vzniklé nepravidelnosti v provozu. - Jednoduchost údržby a oprav přenosové smyčky v kolejišti, minimální problémy se smyčkou při pracích na kolejovém svršku. - Jednoduchá možnost omezení rychlosti v požadovaném úseku zavedení pomalé jízdy kontrolované ATP. - Plná kompatibilita systému s asynchronními pohony vlaků typu M1. - Funkce Bezobslužného obratu. Závěrečné zhodnocení: Jedná se v zásadě o zastaralý rychlostní princip, který je technologicky realizován moderním bezpečným počítačovým systémem. Největší devizou vlakového zabezpečovače LZA je moderní a hlavně směrem k dopravnímu personálu uživatelsky přívětivá část ATO. Při úvahách o rozšiřování systému LZA na další tratě je nutné brát v úvahu skutečnost, že vývoj v oblasti vlakových zabezpečovačů přinesl zcela novou generaci systémů CBTC, které umožňují zkrácení intervalu následného mezidobí na cca 70s 75s, provoz bez strojvedoucích atd. Při těchto úvahách je třeba pečlivě vážit požadavky provozovatele a najít optimální rovnováhu mezi užitnou hodnotou a cenou systému.
5. Vlakové zabezpečovače CBTC CBTC Communications Based Train Control Systémy založené na obousměrné komunikaci. Každý projekční tým, který v roce 2013 projektuje novou linku metra, téměř jistě navrhne vlakový zabezpečovač typu CBTC. CBTC se rychle stává standardní technologií pro nová metra i pro modernizaci zabezpečovacího zařízení stávajících linek. Metro Report Internacional, March 2013 Princip CBTC: distance-to-go + moving block - Podmínkou je nepřetržitá obousměrná komunikace mezi vlaky a stacionárním počítačem (centrem) - Vlaky hlásí do centra svoji okamžitou polohu, aktualizovanou vždy po ujetí několika metrů. - Z centra je vlaku předávána aktualizovaná poloha nejbližšího chráněného bodu. - Dynamický rychlostní profil generuje počítač na vlaku. - Systém CBTC umožňuje minimalizovat interval následného mezidobí a zvýšit přepravní kapacitu. Je proto vhodný zejména pro metro. - Pro svou činnost v zásadě nepotřebuje prostředky pro vyhodnocování volnosti, kolejové obvody ani počítače náprav. - Pro přenos je možné využít indukční smyčku, štěrbinový koaxiální kabel, případně vlnovod. V současné době převažuje komunikace pomocí volného šíření radiového signálu (zejména v pásmu 2,4 GHz) dokonale zvládnutá i pro tunely metra. - Obvykle se CBTC používá ve dvou nejvyšších stupních automatizace: o V provozu bez strojvedoucího o V bezobslužném provozu V těchto případech je nutné zajistit volnost kolejiště, a to nejlépe pomocí nástupištních stěn a dveří (screen doors).
Optimistický závěr: V roce 2020 se prosím zastavte v Praze a svezte se právě otevřenou trasou D metra. K bezpečnosti vlakové dopravy zde přispívá nový vlakový zabezpečovač CBTC, provoz je bezobslužný a pád osob do kolejiště znemožňují instalované nástupištní stěny a dveře.