.6.4 ETR9.doc Elektrická trakce 9 Řízení vozidel Obsah Doc. Ing. Jiří Danzer CSc. ELEKTRICKÁ TRAKCE 9. ŘÍZENÍ VOZIDEL Obsah 1 Úvod...3 Přenos informací na vozidlo...7.1 Liniový vlakový zabezpečovač LS II-IV, LS 9... 9. ARS metro Praha... 1.3 Indusi I 6, PZb 8... 11.4 JZG 7 Ericsson... 1.5 Zařízení ZUB -Siemens... 13.6 PA 135 Matra... 14.7 Zařízení LZB - Siemens... 15.8 ERTMS/ETCS... 16.9 Bezdrátové radiové spojení....1 Magnetické informační body pro AVV... 3 Stanoviště... 3.1 Pracovní podmínky... 3. Uspořádání stanoviště... 5 3.3 Ovladače... 31 3.4 Sdělovače... 34 4 Řízení jízdy... 4 4.1 Dynamika jízdy a tachogramy... 4 4. Spotřeba energie... 45 4.3 Řízení tažné/brzdné síly, zrychlení... 47 4.4 Řízení rychlosti... 5 4.5 Cílové brzdění... 53 4.6 Výběh a optimalizace jízdy... 55 5 Automatizace řízení... 58 5.1 Systém řízení u ČD... 58 5.1.1 Regulátor tahu... 59 5.1. Regulátor rychlosti... 61-1 -
Obsah 5.1.3 Cílové brzdění a optimalizace jízdy;... 63 5. Automatické řízení vozidel metra... 64 6 Literatura... 66 - -
1. Úvod 1 ÚVOD Podobně jako ostatní témata v elektrické trakci využívá i řízení poznatky z celé řady technických a navíc i dalších, netechnických oblastí. Navíc podle znalostí autora není tato problematika v dosažitelné literatuře souhrnně zpracována a proto následující text je třeba posuzovat jako první pokus o utřídění a výklad zkušeností a poznatků v tomto oboru. Pojem řízení a regulace je pro technické systémy definován. Oba pojmy se liší v zásadě existencí zpětné vazby v případě regulace. Při řízení vozidel ale přistupuje velmi významný lidský činitel, který dnes a v mnoha případech i v budoucnu bude zřejmě nenahraditelný. Proto v dalším budeme chápat obecněji (a nepřesně) řízení jako činnost pro dosažení daného cíle. Pro tuto činnost je třeba mít k dispozici jednak potřebné informace, jednak přiměřené nástroje (zařízení). Obr. 1 Základní struktura řízení (blok_1.dwg) Informace mohou být obsaženy jednak v paměti, jednak jsou získávány více méně průběžně v během procesu řízení. Týkají se především zmíněného cíle, momentálních prostředků (možnosti zařízení) pro jeho dosažení, které jsou k dispozici a informací o okolí, jeho vlivech na proces řízení. Tyto informace je třeba zpracovat a na základě jejich zpracování rozhodovat. Při tom je nutno přirozeně rozhodovat v reálném čase a nesprávné rozhodnutí může mít až katastrofální následky. Právě ve způsobu rozhodování jsou vlastnosti člověka a stroje zásadně odlišné: technická zařízení používají různých předem daných a různě realizovaných algoritmů, které udávají řešení předvídaných situací; rozhodnutí (odezva) zařízení jsou obyčejně rychlejší, přesná a v odpovídajících situacích vždy stejná, člověk se sice ve standardních situacích řídí také algoritmy (školení, předpisy apod., které jsou obecně stejné pro všechny ), jinak však není obecně zaručeno, že každý bude postupovat vždy - 3 -
1. Úvod stejně (individuální zkušenosti, schopnosti, momentální dispozice). Na druhé straně je člověk schopen řešit nesrovnatelně širší škálu problémů a rozhodovat se na základě intuice, odhadu, zkušenosti. Strukturu činností při řízení vozidla můžeme velmi zhruba znázornit podle Obr. 1. Podmínkou řízení jak bylo uvedeno dříve je zřejmě vždy existence zpětné vazby (jak zjistit, zda se blížíme k cíli?). Ta je ale v daném případě realizována pouze zčásti technickými prostředky jak je schématicky znázorněno v Obr. 1. Poměr mezi rozsahem obou způsobů souvisí bezprostředně s tím, do jaké míry lze provoz vozidla algoritmizovat, do jaké míry lze předvídat možné provozní situace. Čím jsou podmínky provozu složitější, tím obtížněji lze čistě technickými prostředky (algoritmicky) zaručit vždy správné reakce zařízení a tím větší míru rozhodování musí proto převzít člověk, řidič nebo strojvedoucí. Významná je při tom také úplnost a spolehlivost informací, které jsou oběma způsoby získány. Při neúplné, ne zcela spolehlivé (odporující jiným okolnostem, běžnému nebo očekávanému stavu apod.) případně nepřesné informaci může zřejmě člověk spíše nalézt vhodné řešení než zařízení. Problematiku tedy můžeme rozdělit na několik dílčích složek možnosti, schopnosti a další specifické vlastnosti člověka jako hlavní součásti netechnické zpětné vazby, řešení rozhraní mezi člověkem a strojem (MMI Man Mashin Interface), prakticky provedení stanoviště, vlastní technické zařízení jeho možnosti, omezení, přenos a zpracování informací v zařízení. Vlastnostem technického zařízení byly v podstatě věnovány všechny předchozí díly a proto se o něm zmíníme jen okrajově a ve výkladu budeme předpokládat obecně vozidlo s plynulou regulací v jízdě a brzdění bez dalšího rozlišení. Vlastnostem člověka ve vztahu k řízení vozidla se věnují speciální obory (například inženýrská psychologie, ergonomie, hygiena práce). Tato problematika, jakkoliv významná, se zcela vymyká zaměření těchto skript a poučení je třeba hledat ve specializované literatuře. Pouze s ohledem na požadavky provedení stanovišť uvedeme některé údaje převzaté z [1], kde je také uvedena další literatura. Činnost člověka při řízení lze rozdělit na informační, rozhodovací a pohybovou. Hlavním zdrojem informací je zrak, kterým jsou vnímány informace z výhledu i údaje sdělovačů. Schopnost správně rozpoznat optický signál závisí na velikosti, kontrastu a jasu předmětu ve vzájemné závislosti podle Obr. ( velikostí se v této souvislosti rozumí úhel, po kterým pozorovatel předmět vidí v úhlových minutách nebo stupních). - 4 -
1. Úvod Obr. Vztah mezi jasem, kontrastem a velkostí předmětu (jas.bmp) Odtud je vidět, že optimální hodnota jasu je asi 5 cd/m, vyšší již způsobují oslnění. Při tomto jasu a kontrastu asi 13% lze vnímat předmět pod úhlem, při kontrastu menším je potřebný úhel větší (větší předmět nebo menší pozorovací vzdálenost). Statická ostrost zraku se také výrazně snižuje směrem od osy přímého vidění (Obr. 3). V ose pohledu lze rozlišit asi 1, u periferního vidění asi 1. Periferní vidění je ale citlivější na vnímání pohybu (rozlišitelný pohyb asi 1 /s, jde o zděděný výstražný systém ). Obr. 3 Závislost zrakové ostrosti na úhlu od osy přímého pohledu (ostrost.bmp) Výsledkem podobných úvah je pak doporučení, že například znaky na displeji musí mít dostatečný jas a být kontrast bez odrazů, mezi dílky stupnic by měla být vzdálenost alespoň,5, osvětlení přístrojů by mělo být alespoň v úhlu 45 nad úhlem pohledu aby nedocházelo k oslnění (prakticky nezvládnutelné je přímé sluneční světlo, dopadající na displeje). Rovněž údaje o rychlosti při změně zaměření pohledu mohou být důležité. Doba pro zaměření v oblasti centrálního vidění je asi 5 ms. Závislost reakční doby na vzdálenosti cíle ukazuje Obr. 4. - 5 -
1. Úvod Obr. 4 Doba reakce při změně "cíle" (pohyb.bmp) Vynecháme činnost rozhodovací, která s technikou přímo nesouvisí. Důležité jsou pohybové možnosti, především rukou. Ty jsou rozhodující především pro uspořádání ovladačů na stanovišti (viz dále). Pro posouzení možností člověka při reakci na signály uveďme alespoň údaj o rychlosti reakce na zvukové podněty 1 15 ms, na světelné podněty asi 15 ms [], [3]. Další údaje lze získat v odborné literatuře, například [], [3] a v normách a předpisech. Ty úmyslně uváděny nejsou, protože se poměrně rychle mění. - 6 -
. Přenos informací na vozidlo PŘENOS INFORMACÍ NA VOZIDLO Významný rozdíl proti stacionárním zařízením představuje nutnost přenosu informací z proměnlivého okolí na pohyblivé vozidlo. Vozidlo většinou sdílí okolí s jinými vozidly, zařízeními, přepravovanými nebo jinak přítomnými osobami atd., které jsou často také v pohybu. Toto okolí představuje pro konkrétní vozidlo nadřazený systém. Bezkonfliktní sdílení společného prostoru s ostatními uživateli zajišťují jednak informace, uložené v paměti (obsluhy i zařízení, například pravidla silničního provozu, dopravní, návěstní a další obdobné předpisy, omezení maximální rychlosti aj.) a proměnné informace, předávané na vozidlo. Jedná se především o informace pro obsluhu (řidiče, strojvedoucího). Ty mohou být získány přímo sledováním okolí ( přes okno, pozorováním provozu, návěstí atd.), a/nebo sledováním přístrojů, které přenášejí informace na vozidlo technickými prostředky (například návěstním opakovačem, dispečerským rozhlasem apod., analogie letu naslepo, podle přístrojů). První případ umožňuje získat velmi široké a různorodé informace (často zbytečné) a jejich přenos závisí na moha vnějších okolnostech, které mohou přenos ztížit nebo i znemožnit (snížená viditelnost apod.). V druhém případě je přenos na těchto okolnostech prakticky nezávislý a tedy spolehlivější, jde ovšem vždy o relativně omezený výběr údajů. V obou případech je informována obsluha a výhradně na její úvaze (pozornosti, zkušenosti, pohotovosti atd.) závisí povely, vydávané pro zařízení vozidla. Jde tedy vždy za informace nezabezpečené ve smyslu zabezpečovací techniky a to ovšem i v případech, kdy samotná informace (například poloha návěstidel) je generována bezpečným způsobem (například traťovým zabezpečovacím zařízením). Další skupinu představují informace přenášené bezprostředně do zařízení vozidla, a to informace zabezpečené. Zabezpečený přenos podléhá velmi přísným požadavkům a musí mj. zajistit, že při poruše nebude ohrožena bezpečnost (fail safe). Technické zabezpečení tohoto požadavku je poměrně komplikované a jeho řešením se zabývá zabezpečovací technika. V dalším uvedeme jen přehled hlavních způsobů se zřetelem k řízení vozidel. Bezpečným způsobem se na vozidlo přenáší obyčejně jen omezený počet informací. Pro provozní využití je totiž nutno vybavit zabezpečovacím zařízením přiměřeně dlouhý traťový úsek a všechna vozidla, která se na něm mají pohybovat, což je ekonomicky velmi náročné. Takto získané informace mají při tom charakter ochran (dohled), omezují prostor pro rozhodnutí obsluhy. Proto musí být tyto informace zabezpečeny a nadřazeny rozhodnutím obsluhy, přinejmenším v normálních provozních podmínkách. Jakékoliv výjimky jsou velmi bedlivě posuzovány (srov. s preferencí brzd v díle 8. Elektrické ovládání brzd), a ošetřeny v předpisech (tedy nezabezpečeně). Zařízením tohoto druhu nejsou různé způsoby kontroly bdělosti strojvedoucího. Spočívají nejčastěji v povinnosti trvale nebo za určitých provozních situací obsluhovat tlačítka nebo pedály bdělosti, ( živák, Totmann, apod.). V případě, že toto zařízení není správně obsluhováno, přenáší se do zařízení přesně vzato pouze informace, že strojvedoucí se neřídí předpisy, možná není schopen vozidlo řídit a to má za následek zpravidla nouzové brzdění. Často bývají tato zařízení - 7 -
. Přenos informací na vozidlo součástí zařízení složitějších pro případ jejich poruchy nebo umožňují jízdu v mimořádných případech. Příklady jsou uvedeny dále. V novějších zařízení se využívá složitějších způsobů kontroly. V zařízení KLUB MTS (Rusko) se sleduje kožně-galvanická reakce speciálním náramkem s bezdrátovým spojením s vyhodnocovacím zařízením na stanovišti. Potřeby jednotlivých typů vozidel a také možnosti využití přenesené informace se velmi liší podle charakteru provozu. Jako krajní příklady lze uvést na jedné straně provoz na metru (jeden druh vozidel, vlastní oddělený provozní prostor, paralelní grafikon, pouze doprava osob atd.) a na druhé straně řízení trolejbusů nebo tramvají v městském pouličním provozu. Přenosem signálů z trati na vozidlo se zabývá široce zabezpečovací technika. Ta představuje samostatný obor, z něhož bez nároků na přesnost a úplnost vybíráme několik informací, které se týkají přenosu informací z trati na vozidlo. V zásadě rozeznáváme přenos liniový, kdy je informace přenášena na vozidlo průběžně například kódovanými proudy v kolejových obvodech, nebo v kabelových smyčkách uložených v kolejišti, nejnověji pak zabezpečeným (zpravidla obousměrným) bezdrátovým digitálním přenosem, přenos bodový, kdy se přenos nebo i výměna informací mezi vozidlem a tratí (pevným stanovištěm) děje v určitém, přesně definovaném bodě trati (tím je zároveň určena okamžitá poloha vozidla na trati). Hlavní výhodou liniových systémů je trvalý přenos informace, který je spolehlivější a operativnější než bodový.--. Pomocí bodového přenosu informace lze určit vozidlu přesně polohu na trati.. Optimální je přirozeně kombinace obou systémů, která je základem moderních systémů. Prakticky všechna dále zmíněná zařízení jsou schopna přenášet na vozidlo návěstní znaky nejbližšího návěstidla ve směru jízdy vozidla. Dokonalejší často využívanou možností je kontrola rychlosti buď jen v případech, kdy je ji třeba ji snižovat (k místu se sníženou rychlostí nebo k místu zastavení) nebo průběžně (maximální traťová ev. vlaková rychlost v úseku). Možnosti přímého zásahu do zařízení vozidla mohou být však velmi rozdílné. Závisí to na množství předávaných informací a na způsobu jejich zabezpečení. Nejjednodušší je zavedení nouzového brzdění (zpravidla ve vlakových zabezpečovačích s kontrolou bdělosti strojvedoucího) a v poslední generaci systémů s kontrolou rychlosti i včasné provozní brzdění. O některých komplexnějších systémech bude zmínka v souvislosti s automatizací řízení v kap. Error! Reference source not found.. Pro základní představu uvedeme stručnou charakteristiku některých systémů, užívaných na vozidlech železničního typu (včetně metra) [5]. V zásadě rozeznáváme přenos liniový, kdy je informace přenášena na vozidlo průběžně například kódovanými proudy v kolejnicích nebo v kabelech uložených v kolejišti, nejnověji pak zabezpečeným bezdrátovým digitálním přenosem, - 8 -
. Přenos informací na vozidlo přenos bodový, kdy se přenos nebo i výměna informací mezi vozidlem a tratí (pevným stanovištěm) děje v určitém, přesně definovaném bodě trati (tím je zároveň určena okamžitá poloha vozidla na trati). Hlavní výhodou liniových systémů je trvalý přenos informace, který je spolehlivější a operativnější než bodový a ihned po zapnutí plně funkční. Bodový zase může určit vozidlu přesně polohu na trati a většinou také přenést více informací. Optimální je přirozeně kombinace obou systémů, která je základem moderních systémů. Prakticky všechna dále zmíněná zařízení jsou schopna přenášet na vozidlo návěstní znaky nejbližšího návěstidla. Dokonalejší často využívanou možností je kontrola rychlosti buď jen v případech, kdy je ji třeba ji snižovat (k místu se sníženou rychlostí nebo k místu zastavení) nebo průběžně (maximální traťová ev. vlaková rychlost v úseku). Možnosti přímého zásahu do zařízení vozidla mohou být však velmi rozdílné. Závisí to na množství předávaných informací a na jejich zabezpečení. Nejjednodušší je zavedení nouzového brzdění a v případech kontroly rychlosti i včasné provozní brzdění. O některých komplexnějších systémech bude zmínka v souvislosti s automatizací řízení v kap. 5. Pro základní představu uvedeme stručnou charakteristiku některých systémů, užívaných na vozidlech železničního typu (včetně metra) [5]..1 LINIOVÝ VLAKOVÝ ZABEZPEČOVAČ LS II-IV, LS 9 Liniový vlakový zabezpečovač s nízkofrekvenčním induktivním přenosem informace z trati na vozidlo pomocí kolejových obvodů byl zaveden v USA a odtud se rozšířil do Evropy (Holandsko) a SSSR. Po. světové válce byl převzat pro východoevropské železnice a také pro ČSD. Základní princip funkce ([5], [6]) pro nejjednodušší případ koleje, pojížděné v jednom směru, je na Error! Reference source not found.. Obr. 5 Schéma činnosti LVZ (ls9.dwg) Trať je rozdělena na oddíly kryté oddílovými návěstidly. Kolejové pásy jsou na hranicích oddílů přerušeny a izolovány izolovanými styky.(is).zpětné vedení trakčního proudu je zajištěno stykovými transformátory KT. Pokud se trakční proudy dělí do obou kolejnic rovnoměrně, neindukuje se do sekundárních vinutí stykových transformátorů žádné napětí. Směrem od návěstidla proti směru jízdy vlaku je kolejový obvod tvořený kolejovými pásy napájen proudem A o kmitočtu 5Hz (u původních kolejových obvodů na stejnosměrném systému budovaných do r.197) nebo 75 Hz (na systému střídavém a nově od r. 197 i na stejnosměrném systému.). - 9 -
. Přenos informací na vozidlo Pokud je traťový oddíl volný, je kolejové relé R na začátku oddílu přitažené a indikuje volnost traťového oddílu do zabezpečovacího zařízení (případ prvního a třetího oddílu). Pokud do oddílu vjede vozidlo uzavře první dvojkolí proudovou smyčku a kolejové relé R odpadne. Tím jednak signalizuje zabezpečovacímu zařízení, že traťový oddíl je obsazený, jednak uvede v činnost kodér K u příslušného návěstidla, který klíčuje vysílaný kmitočet se střídou asi 1:1. Kmitočet klíčování nese informaci o návěstním znaku příslušného návěstidla: červená (na konci tohoto oddílu očekávej stůj),9 Hz, na opakovači červená, návěst, požadující na konci tohoto oddílu omezení rychlosti na 4, 6, 8 nebo 1 km/h 1,8 Hz, na opakovači žluté mezikruží, žlutá (na konci následujícího oddílu očekávej výstrahu) 3,4 Hz, na opakovači žlutá, zelená (volno nejvyšší dovolenou rychlostí) 5,4 Hz, na opakovači zelená. Na vozidle jsou před první nápravou umístěny cívky snímačů s jádrem z transformátorových plechů, do nichž se proudem v kolejnicích indukuje příslušným způsobem klíčované napětí. Mobilní část LVZ signál vyhodnocuje a ovládá návěstní opakovač v kabině strojvedoucího. Pokud na opakovači svítí červená nebo žluté mezikruží musí strojvedoucí pravidelně ovládat tlačítko bdělosti (TB), jinak LVZ zavede nouzové brzdění. To je jediný přímý zásah do řízení vozidla, který je ale vázán na činnost strojvedoucího (TB). Na opakovači je navíc ještě modré světlo, značící výluku LVZ. Zhasnutá všechna světla znamenají podle okolností poruchu zařízení (přenosu), vjezd do obsazeného oddílu nebo vjezd do oddílu bez LVZ. V prvních dvou případech lze za jistých předpokladů (omezená rychlost a obsluha TB) pokračovat v jízdě, v posledním je třeba zavést výluku LVZ, který pak zjišťuje pouze činnost tlačítka bdělosti. Uvedený systém je principielně nízkokapacitní a přenáší na návěstní opakovač pět bitů informace (včetně zhasnutého stavu) a jak je zřejmé, jsou přenesené informace někdy víceznačné.. ARS METRO PRAHA Jde o podobný systém jako v předchozím případě, používaný na tratích, kde jsou provozovány původní starší vozidla ruské výroby [5]. Pro přenos informací jsou použity kolejové obvody a induktivní snímače na čelních vozidlech. Do obsazených traťových oddílů se zavádí (nekódovaný) střídavý proud, jehož kmitočet vyjadřuje maximální dovolenou rychlost soupravy: 75 Hz 8 km/h, 15 Hz 6 km/h, 175 Hz 4 km/h, 5 Hz km/h a 75 Hz km/h (stůj). Do neobsazeného traťového oddílu se vysílá proud o kmitočtu 75 Hz. K překonání traťových oddílů bez signálu slouží tlačítko bdělosti umožňující jízdu rychlostí km/h. Při překročení maximální rychlosti zareaguje elektropneumatická nouzová brzda. Dále se strojvedoucímu signalizuje i dovolená rychlost v následujícím traťovém oddílu (funkce předvěsti). Řízení vysílaných kmitočtů zajišťuje stacionární zabezpečovací zařízení v závislosti na obsazení traťových oddílů, poloze návěstidel, výměn a dalších informací. - 1 -
.3 INDUSI I 6, PZB 8 Elektrická trakce 9 Řízení vozidel. Přenos informací na vozidlo Tento systém používá bodový způsob přenosu a je zhruba stejně starý jako předchozí nízkofrekvenční liniový vlakový zabezpečovač [5], [7], [8]. Existuje řada variant jednoho principu. Zjednodušené schéma je na Error! Reference source not found.. Na pravé vnější straně koleje je umístěna cívka s otevřeným magnetickým obvodem (tzv. traťový induktor), která je součástí pasivního rezonančního obvodu. Existují tři typy informačních bodů s rezonančním kmitočtem 5 Hz, 1 Hz a Hz. Cívku lze spojit dokrátka pomocí kontaktu spínaného v případě, že na následujícím návěstidle je návěst, která neomezuje rychlost vlaku. Rezonanční obvod je pak neúčinný a žádná informace se na vozidlo nepřenáší. Obr. 6 Princip přenosu informací pomocí Indusi (ls9.dwg) Na vozidle jsou umístěny tři nezávislé sériové rezonanční obvody buzené odpovídajícím kmitočtem, jejichž cívky jsou při přejezdu informačního bodu magneticky vázány s cívkou informačního bodu. Proud v obvodu, jehož kmitočet odpovídá nastavenému kmitočtu obvodu v informačním bodu vzroste a tak předá vyhodnocovacímu zařízení na vozidle informaci jednak o minutí informačního bodu, jednak o nastaveném kmitočtu. Vyhodnocovací zařízení obsahuje řadu programů, charakterizovaných nejvyšší dovolenou rychlostí, kterou před jízdou zadává strojvedoucí. Při vyhodnocení kmitočtu 5 Hz se kontroluje průběh rychlosti tak, aby na předepsané dráze byla dosažena rychlost 4 km/h. Při vyhodnocení kmitočtu 1 Hz je rychlost podobným způsobem kontrolována pro dosažení rychlosti 6 km/h a její udržování na následující dráze 14 m při současné obsluze tlačítka bdělosti. Při vyhodnocení kmitočtu Hz se zavádí okamžité nouzové brzdění. Průběžně se mimo to kontroluje dodržování maximální rychlosti podle zadaného programu. Na vozidlo se tedy v informačním bodě přenáší bity informace (druh informačního bodu+informace o poloze vozidla). Její skutečný význam pro činnost vozidla je spoluurčen nastaveným programem. Na rozdíl od předchozího systému s kontrolou bdělosti strojvedoucího lze u poslední generace systému Indusi v průběhu jízdy kontrolovat rychlost vozidla. Překročení požadovaného průběhu je nejprve akusticky signalizováno a poté se zavádí nouzové brzdění. - 11 -
.4 JZG 7 ERICSSON Elektrická trakce 9 Řízení vozidel. Přenos informací na vozidlo Tento systém je východiskem moderních bodových přenosů [5]. Využívá vysokofrekvenčního přenosu a informaci přenáší sériovým způsobem ( telegram ). Na vozidle je anténa a vysílač pracující na kmitočtu 7 MHz a příjímač pracující na kmitočtu 4,5 MHz. Činnost řídí centrální procesorová jednotka, která zajišťuje také odměřování ujeté dráhy, ovládání brzd a displeje na stanovišti. Traťový informační bod je tvořen anténami a elektronickými obvody, které jsou umístěny na desce (traťovém majáku balíze) umístěné v ose koleje. Při přejíždění vozidla přes informační bod jsou jeho obvody vybuzeny (napájeny) příjmaným kmitočtem 7 Mhz, který je vysílán vozidlem. Vysílač traťového majáku balízy pracující na nosném kmitočtu 4,5 MHz je příjmaným kmitočtem synchronizován. Nosný kmitočet je modulován v logických obvodech podle druhu informačního bodu. Informace se na vozidlo přenáší telegramem o délce 3 bit, z nichž 1 nese informaci. Ostatní zabezpečují přenos. Zároveň se určuje poloha vozidla na trati. Rychlost přenosu 5 kbit/s zajišťuje i při rychlosti jízdy 3 km/h osminásobné opakování zprávy. Přenášená informace může být pevně nastavená v paměti informačního bodu (možno ji ovšem v paměti ručně změnit) nebo proměnná, závislá na poloze návěstidla. Zjednodušené blokové schéma je na Error! Reference source not found.. Obr. 7 Blokové schéma bodového přenosu informace JZG 7 (ls9.dwg) Na základě přenesené informace centrální počítačová jednotka na vozidle kontroluje, zda vozidlo nepřekračuje maximální rychlost, zadanou strojvedoucím dovolenou traťovou rychlost, trvalé nebo dočasné omezení traťové rychlosti pro daný úsek, rychlosti stanovené výpočtem bezpečnostní křivky při snižování rychlosti k místům s omezenou rychlostí. Pokud strojvedoucí tato omezení dodržuje, zařízení do řízení nezasahuje. Při jejich překročení se tato skutečnost opticky a akusticky signalizuje a pokud ani pak rychlost náležitě nepoklesne zavádí se provozní brzdění. Pokud rychlost poklesne pod požadovanou mez může strojvedoucí (tlačítkem) takto zavedené brzdění zrušit a pokračovat v jízdě v rámci omezení (souprava není brzděna nouzovou brzdou). - 1 -
. Přenos informací na vozidlo Na rozdíl od předchozích systémů je rychlost kontrolována průběžně a zásah do řízení vozidla nastává včas, takže může předcházet vzniku nebezpečné situace. V tomto případě má tedy činnost zařízení charakter ochrany resp. řízeného omezovače rychlosti..5 ZAŘÍZENÍ ZUB -SIEMENS Zařízení ZUB (Zugbeeinflussunssystem), používaný na DB obsahuje v principu jednak systém Indusi, jednak systém podobný systému Ericsson (JZG 7) [1], [11]. Existuje řada variant, přizpůsobených různým provozním požadavkům. Provedení ZUB 1 je zjednodušeně znázorněno na Obr. 8. Obr. 8 Zjednodušené schéma přenosu informací systémem ZUB 1 (zub_lsb.dwg) Zařízení sestává z vozidlové a traťové části. Informační body jsou umístěny vně koleje podobně jako u systému Indusi. Napájení traťové části z vozidlové při průjezdu je v daném případě zajištěno samostatným kanálem s kmitočtem 1 khz. Kanál pracující na kmitočtu 5 khz odpovídá původní funkci Indusi a tvoří zálohu pro případ poruchy na ostatním zařízení (Rückfallebene). Přenos informací normálně zajišťuje kanál pracující na nosném kmitočtu 85 khz, který přenáší především informace z traťové části na vozidlo (o poloze návěstidel, míst se sníženou rychlostí atd.), může ale zajistit i přenos opačným směrem (z vozidla na stacionární zařízení). Informace se přenáší telegramem s délkou až do 64 informačních bitů. Hlavní přenášené informace se týkají vzdáleností jednotlivých míst a rychlostí, které v nich nesmí být překročeny, návěstních pojmů a řady dalších informací podle místních poměrů a požadavků. Provedení je znázorněno na Error! Reference source not found., kde je patrná část traťová, snímač na vozidle a čidlo rychlosti (ujeté dráhy). - 13 -
. Přenos informací na vozidlo Obr. 9 Uspořádání traťové a vozidlové části zařízení ZUB (zub.bmp) Informace se vyhodnocují na vozidle v procesorovém systému, který komunikuje s displejem na stanovišti, určuje dráhu ujetou od přejezdu posledního informačního bodu. V závislosti na tom generuje průběh okamžité rychlosti, který zajišťuje navedení vlaku na rychlost předepsanou v cíli, kontroluje, že celý vlak projede místem s omezenou rychlostí nejvýše předepsanou rychlostí, jestliže skutečná rychlost překročí předepsanou rychlost (maximální v momentálním místě na trati) indikuje se tato skutečnost strojvedoucímu a v případě neuposlechnutí zavádí provozní brzdění. Opačným směrem lze přenášet až 8 informačních bitů, které mohou obsahovat informace o vozidle, stavu jeho hlavních agregátů, evidenční číslo, cílovou stanici, délku vlaku apod. Telegramy se stačí přenést ještě při rychlosti 35 km/h třikrát..6 PA 135 MATRA Jedná se o sytém zabezpečení a řízení jízdy souprav v pražském metru, který postupně nahrazuje systém ARS především na tratích s provozem modernizovaných a nových souprav. Je zaměřen speciálně na provozní podmínky a požadavky metra, zejména na zajištění maximálního přepravního výkonu s intervalem mezi soupravami od 9 s.umožňuje několik způsobů práce: režim automatického vedení vlaku (ATO Automatic Train Operation), o kterém se zmíníme později (zajišťuje dodržení rozestupu vlaků, respektování návěstí, včasné brzdění před místy zastavení a zastavení na předepsaném místě u nástupiště aj.), režim vlakového zabezpečovače (ATP Automatic Train Protection), který tvoří podsystém zabezpečující především dodržování povolených rychlostí, - 14 -
. Přenos informací na vozidlo režim tlačítek bdělosti, kdy je souprava ovládána ručně a rychlost je omezena na 3 km/h, vypnutý stav, pouze pro provoz bez cestujících. Informace se přenáší z programového pásu, koberce, na anténu na vozidle. Koberec je tvořen dvojicí vedení podle Obr. 1 uložených mezi kolejnicemi normálně při pravé straně. Vodiče koberce jsou napájeny z dispečerského zabezpečovacího zařízení, které řídí provoz na trati. Obr. 1 Provedení traťové části pro přenos signálů (matra.dwg) Na nosný kmitočet 135 khz je namodulováno až 9 kmitočtů v pásmu 1.. khz, které vyjadřují přenášenou informaci (paralelní přenos 9 bitů informace). Pro průběžnou kontrolu rychlosti se využívá míst křížení kabelů v koberci. Kontroluje se, že mezi přejetím sousedních křížení uplyne minimálně 9 ms, takže vzdálenost křížení pro 8 km/h odpovídá asi 6,66 m, pro rychlost nižší se vzdálenost zkracuje..7 ZAŘÍZENÍ LZB - SIEMENS Zavádění vysokorychlostní dopravy v Německu (vlaky ICE) si vyžádalo vzhledem k rostoucí zábrzdné dráze nové způsoby zabezpečení a přenosu informací na vozidlo. Brzdná dráha při km/h je stanovena na m a při 8 km/h 4 m. Včasný přenos návěstí na vozidlo jako klíčové informace technickými prostředky je nezbytný. Proto byl vyvinut (Siemens) liniový zabezpečovací systém LZB (Linienzugbeeinflussungssystem) [1], [13]. Zařízení je schematicky zobrazeno na Obr. 11. Mezi kolejnicemi při jedné straně je uložena kabelová smyčka, při čemž kabely jsou v pravidelných vzdálenostech asi 1 m překříženy. Tím je určena (korigována) poloha vozidla na trati. Smyčka může být až 17 m dlouhá a je napájena z traťových centrál, které jsou propojeny navzájem a s nadřazenými systémy. Centrála volá cyklicky všechna vozidla, která se nacházejí v oblasti její působnosti prostřednictvím telegramů s rychlostí přenosu 1 bit/s tak, že každé vozidlo je voláno asi 1..4 krát za sekundu. Předávaný telegram je přijímán pouze adresovaným vozidlem a obsahuje 83 bit, z toho je 7 bit je užitečných. Pro přenos z trati na vozidla je použit nosný kmitočet 36 khz. Na vozidle (ICE) jsou umístěny dva páry přijímacích a dvě vysílací antény. Jejich signály zpracovává procesorový systém LZB 8. Telegram pro vozidlo obsahuje zejména údaje o potřebném brzdění, o cíli, o návěsti a pomocné informace. Na jejich základě a podle údajů tachogenerátoru na nápravě počítač na vozidle vypočítává průběžně maximální dovolenou rychlost jízdy a v případě potřeby zavádí provozní brzdění. - 15 -
. Přenos informací na vozidlo Obr. 11 Princip zařízení LZB 8 (matra.dwg) Volané vozidlo odpovídá telegramem o délce 41 bit, z toho je 3 užitečných rychlostí 6 bit/s. Telegram pro centrálu obsahuje zejména hlášení o poloze vlaku, brzdovou schopnost, skutečnou rychlost, provozní a diagnostické informace. Pro přenos opačným směrem se používá kmitočet 56 khz. Zařízení umožňuje přenos návěsti na vozidlo vzdálené až 1 km a průběžně kontroluje, že není překračována vypočtená maximální rychlost. Jako záloha je do zařízení začleněn systém INDUSI 8. Bodový systém ZUB a liniový LZB byly také kombinovány a použity na dánských železnicích [14]..8 ERTMS/ETCS Zabezpečovací systémy a odpovídající způsoby přenosu a využívání informací na vozidlech se vyvíjely u jednotlivých železničních správ samostatně a proto vzniklo množství navzájem většinou neslučitelných systémů. V literatuře se udávají různé počty používaných systémů vlakových zabezpečovačů, pokud započítáme i systémy střední Evropy lze jejich počet odhadnout na ([16], [18]). To přirozeně velmi komplikuje mezinárodní provoz, trakční vozidla musí být vybavena kompletně systémy všech drah, na kterých mají být provozována. Jako příklad je na Error! Reference source not found. uvedeno umístění antén (snímačů) u 4 systémové lokomotivy BR 189 (DB), které jsou potřebné pro provoz na evropských drahách [19]. - 16 -
. Přenos informací na vozidlo Obr. 1 Snímače na lokomotivě BR 189 (anteny.bmp) Protože s ohledem na investiční náklady nelze v dohledné době zavést jediný univerzální systém byl vypracován komplex projektů, snažící se integrovat do stávajících systémů nové požadavky s využitím současné techniky. Z nich nejvšeobecnější je asi projekt ERTMS (European Rail Traffic Management Systém) pro řízení a zabezpečení dopravy podle norem CENELEC). Jádrem tohoto projektu je projekt ETCS (European Train Control System). ETCS je založen na kombinovaném bodovém (EUROBALISE) a liniovém (EURORADIO) systému zabezpečení a přenosu a na sjednoceném displeji pro ovládání a komunikaci s obsluhou na vozidle (EUROCAB), Obr. 13. Obr. 13 Základní rozvržení údajů a ovladačů na obrazovce Eurocab (mmi.bmp) Zatímco bodový přenos vychází ze systémů dříve popsaných pro liniový systém se používá digitální přenos bezdrátový, vycházející ze systému pro mobilní telefony GSM a označený jako GSM- R (Global Systém for Mobile Communication Rail). Pro určení polohy vozidla na trati se kromě využití bodového přenosu a odměřování dráhy jako u systémů stávajících zkouší také využití GPS (Global Positioning System). Projekt byl zahájen z iniciativy UIC v roce 1991 ([5]) a předpokládalo se, že systém by mohl být připraven do roku 1996 ([16]). Ve skutečnosti se realizace zpožďuje, pilotní projekt u DB byl dán do - 17 -
. Přenos informací na vozidlo provozu koncem roku ([]). Jednotlivé komponenty (například Eurobalisy informační body) se ovšem zavádějí průběžně a zároveň se upřesňují požadavky a vlastnosti. Obr. 14 Schématicky naznačené úrovně 1 a realizace ETCS (lev1.bmp, lev.bmp, lev3.bmp) Vzhledem k rozsahu a náročnosti projektu byly definovány 3 úrovně resp. stupně realizace (Level 1,, 3). Schematicky jsou znázorněny na Obr. 14 ([1]). Úroveň 1 (Level 1) prakticky odpovídá bodovému zabezpečovacímu zařízení, například popsanému systému ZUB. Pro bodový přenos informací na vozidlo jsou užity Eurobalisy, rychlost jízdy vozidla se průběžně kontroluje, sled vlaků je dán klasickými traťovými oddíly ohraničenými návěstidly. Tato úroveň připadá v úvahu pouze na tratích, na kterých dosud podobný systém zaveden není. Úroveň (Level ) již předpokládá trvalý přenos informací mezi vozidlem a dispečinkem pouze bezdrátově bez vnějších návěstidel. Podél trati je vybudována řada vysílačů/příjmačů trvalý pro styk s vozidlem, které jsou řízeny centrálou RBC (centrála radiobloku). Zabezpečené digitální spojení GSM R probíhá v kmitočtovém pásmu 9 MHz Průběžně se kontroluje rychlost jízdy. Centrální dispečink zajišťuje stavění vlakové cesty (výměn) i přenos potřebných návěstí. Pevné traťové oddíly ale zůstávají zachovány. Eurobalisy slouží pouze pro určení místa na trati. Na těchto tratích smějí jezdit pouze vozidla vybavená zařízením ETCS. Tato úroveň se v současné době začíná zkoušet u řady evropských železničních správ (např. DB, SNCF, RENFE, OBB) [1] v ostrém trvalém provozu je u SBB. Úroveň 3 (Level 3) představuje systém budoucnosti, plně řízený a zabezpečený centrálně počítačem (radioblok) a je schématicky naznačeno na Error! Reference source not found.. Obr. 15 Schématické uspořádání přenosu ETCS úroveň 3 (lev3.bmp) - 18 -
. Přenos informací na vozidlo Podrobnější a přehledný výklad funkcí systému ETCS nalézt například v [5]. Protože v současné době jsou prakticky všechny hlavní trati již zabezpečeny, řeší se zavádění ETCS pomocí národních modulů STM, které představují interface mezi národním systémem přenosu informací a vlastním zařízením ETCS. Příklad blokového uspořádání zařízení pro provoz na ČD a DB je na Obr. 16. Obr. 16 Schématické uspořádání ETCS pro vozidlo pro provoz na ČD a DB (etcs.dwg) Zde jsou zakresleny i bloky radiového spojení (pro ČD místní na 16 MHz a dispečerské na 45 MHz) a digitální fonické spojení na 9 MHz. Druhý kanál 9 MHz je zabezpečený a slouží pro přenos řídicích informací. Ideový projekt třísystémové rychlé elektrické naklápěcí soupravy ČD ( Pendolino ) řady 68 je popsán v [] a ukazuje komplikace při zavádění ETCS v praxi na vozidle, určeném pro mezinárodní provoz. Ty spočívají všeobecně v technické nejednotnosti stávajících zařízení na různých tratích i v rámci jedné dráhy, v různém časovém postupu zavádění ETCS a různých často pozměňovaných plánovaných termínech a úrovních realizace, v konkurenčním prostředí hlavních výrobců (Siemens, Alsthom, Alcatel, Bombardier a další), které brání transparentnosti řešení, jeho jednotnosti, dostupnosti technických údajů a možnosti spolupráce zařízení jednotlivých výrobců, ve vysokých nákladech, které zavedení ETCS představuje a které ve svých důsledcích povede k situaci, kdy ke stávajícím mnoha systémům přibude systém další (ovšem v řadě lokálních variant). To v souhrnu a v konečném efektu spolu s přirozeně dlouhodobým procesem zavádění ETCS oslabuje původní myšlenku jednotnosti. Další vývoj ukáže, do jaké míry se tato skeptická předpověď potvrdí. V optimálním případě lze očekávat, že by se mohl ve více méně jednotném provedení uplatnit v síti vybraných mezinárodních tratích, odkud také původní potřeba vznikla. - 19 -
.9 BEZDRÁTOVÉ RADIOVÉ SPOJENÍ Elektrická trakce 9 Řízení vozidel. Přenos informací na vozidlo Uvedené způsoby se týkají především přenosu informací pro zabezpečovací techniku a jejich hlavními návaznostmi a využitím jsme se úmyslně nezabývali. V následujících odstavcích uvedeme další příklady přenosu informací na vozidlo, které slouží především pro řízení jízdy a pro zabezpečení (zatím) jen omezeně. Nejběžnějším a široce používaným způsobem je ovšem dispečerské bezdrátové telefonní spojení. Pro tramvaje a podobná vozidla je prakticky jediným používaným způsobem, protože množství možných přenášených informací (obousměrně!) je téměř neomezené tak, jak to odpovídá poměrům v provozu těchto vozidel. Uplatní se ovšem i u všech ostatních dopravních systémů právě pro svou operativnost například v mimořádných situacích. Příklad dispečerského spojení u ČD byl zmíněn v Obr. 16..1 MAGNETICKÉ INFORMAČNÍ BODY PRO AVV Pro účely automatického vedení vlaku, o kterém bude řeč později byl u ČD vyvinut (VÚŽ, později AŽD Praha) způsob přenosu informací na jedoucí vozidlo pomocí magnetických informačních bodů ([3]). Jeho princip je uveden na Obr. 17. Obr. 17 Uspořádání přenosu informace magnetickými informačními body (AŽD) (infbod.dwg) V kolejišti jsou umístěny podélně vedle sebe dvě čtveřice permanentních magnetů, které mohou být orientovány tak, že na svrchní straně je buď severní nebo jižní pól. Na vozidle jsou umístěny dva snímače (polarizované kontakty), které při přejezdu nad magnety sepnou odpovídající výstup. Informace ze snímačů se ve vyhodnocovacím zařízení zpracují na 16 bitové číslo. To pak jednoznačně určuje adresu (z celkového počtu 65536 možných, v nich je zároveň zakódovaný i směr jízdy). Podle ní se v paměti řídicího systému na vozidle zjistí potřebné informace o místě, traťových poměrech atd. - -