Vlakové zabezpečovací systémy na vysokorychlostních tratích

Vlakové zabezpečovací systémy na vysokorychlostních tratích Úvod Při rychlostech nad 200 km/h, jimiž se pohybují vlaky po vysokorychlostních tratích, je nemyslitelné, aby se strojvedoucí řídil pouze sledováním klasických návěstidel a nebyl ve svém konání nijak kontrolován. Z tohoto důvodu je při vyšších rychlostech nutné zabezpečit jak přenos návěstí přímo na hnací vozidlo, tak i dohled nad adekvátními reakcemi strojvedoucího. Víceméně všechny železniční správy provozující vysokorychlostní dopravu si postupně vyvinuly své vlastní vlakové zabezpečovače, které jsou navzájem nekompatibilní a nesplňují tedy zásady interoperability. V současné době je snaha tento problém vyřešit zaváděním jednotného evropského vlakového zabezpečovače ETCS (European Train Control System). Protože však například dva největší evropští provozovatelé vysokorychlostních vlaků (DB a SNCF) používají na většině vysokorychlostních tratí své vlastní zabezpečovací systémy, lze předpokládat, že v nejbližších letech nebudou tyto zřejmě systémem ETCS nahrazeny. Německo, Španělsko LZB Systém LZB (Linienzugbeeinflussung - liniový zabezpečovací systém) byl poprvé použit na síti Deutsche Bahn v šedesátých letech dvacátého století a od té doby byl zaváděn na všech německých tratích s rychlostí vyšší než 160 km/h. Jsou jím vybaveny i všechny vysokorychlostní soupravy ICE. Kromě Německa se LZB používá například v Rakousku na trati Wien Salzburg a ve Španělsku na trati Madrid Sevilla. Traťová část Hlavním viditelným prvkem traťové části je kabel, položený v koleji. Jedna jeho žíla je upevněna na kolejnicových podporách v ose koleje, zatímco druhá běží při patě jedné z kolejnic. Každých sto metrů se žíly kříží, čímž je umožněno hrubé určování polohy vlaku. Ke komunikaci s mobilní částí slouží vždy ta žíla, která je právě ve středu koleje. Funkci systému řídí centrály LZB, z nichž každé připadá zhruba padesát až sto kilometrů tratě. V těchto centrálách se nacházejí jak všechna pevná data o charakteristikách úseku (směrové a sklonové poměry, trvalé pomalé jízdy, polohy návěstidel a železničních přejezdů, místní povolené rychlosti, hranice obvodů), tak i proměnné informace (stavy výhybek, návěstidel a železničních přejezdů či příkazy k nouzovému zastavení). Opačným směrem, tj. od vozidla k centrále se přenášejí informace o délce vlaku, poloze, aktuální rychlosti ( Ist- Geschwindigkeit ), brzdících procentech a maximální rychlosti vlaku. Počítače v centrále LZB tyto informace vyhodnocují a vysílají vlaku kabelem informace o cílové a požadované rychlosti (závisí na 1

brzdných křivkách), délce volného úseku před soupravou (sled vlaků se děje jízdou v pevných prostorových oddílech), očekávaných sníženích rychlosti a další údaje. Obr.1 kabel LZB s křížením žil Mobilní část Komunikace mezi datovým kabelem a vedoucím vozidlem vlaku je zajištěna anténou na spodku přední části vozidla (obr. 2), která si nepřetržitě s traťovou částí systému vyměňuje informace. Ty jsou na vozidle zpracovávány počítačem a strojvedoucímu zobrazovány pomocí zařízení rozhraní MFA (Modulare Führerraumanzeige). Na něm vidí aktuální rychlost, cílovou rychlost ( Ziel- Geschwindigkeit ), vzdálenost k místu počátku cílové rychlosti, požadovanou rychlost (Soll- Geschwindigkeit ; dle brzdných křivek), další údaje o řízení jízdy vlaku a informace o stavu LZB. Na velké části vozidel je systém LZB provázán se systémem AFB ( Automatische Fahr- und Bremssteuerung automatické řízení jízdy a brždění ). Ten dokáže s pomocí dat od LZB sám přímo ovládat brždění a zrychlování soupravy a do jisté míry tak nahradit práci strojvedoucího. 2

Obr. 2 anténa mobilní části LZB Na obrázku č. 3 je zobrazen panel MFA, na němž se nacházejí informace od systému LZB. Na rychloměru vpravo znázorňuje dlouhá žlutá ručička aktuální rychlost (V-ist), malá červená ručička ukazuje požadovanou rychlost (V-soll) a číslo 000 na displeji ukazuje cílovou rychlost (V-zeil, v tomto případě znamená návěst Stůj ). Svislý prosvícený proužek s číselným displejem uprostřed oznamuje, jak daleko je k místu změny rychlosti v tomto případě 8000 m. Jak se vlak blíží k místu snížení rychlosti, klesají nejprve čísla na displeji a od 4000 m se začne zmenšovat žlutý proužek. Současně s tím se pohybuje malá červená ručička, která znázorňuje, jaká rychlost (V-soll) nesmí být pro dodržení průběhu brzdných křivek překročena. Pokud je aktivován automatický systém AFB, zpomaluje vlak podle informací od LZB sám. V opačném případě musí strojvedoucí respektovat požadovanou rychlost (V-soll), jinak dojde k nouzovému brždění. Vzdálenost, na kterou LZB vidí, se liší podle typu hnacího vozidla, resp. jeho konstrukční rychlosti. Na hnacích vozidlech s konstrukční rychlostí do 160 km/h se zobrazují informace do maximální vzdálenosti 4000 m, na vozidlech s konstrukční rychlostí do 200 km/h je to 7000 m a u vozidel s konstrukční rychlostí nad 250 km/h se dohled zvyšuje až na 9900 m. Zvláštností jsou jednotky ICE 2, kde je strojvedoucí zpraven o situaci na úseku o délce 12 000 metrů (pro nejnovější jednotky, tj. ICE-T a ICE 3, se informace o vzdálenostech nezdařilo dohledat). 3

Obr.3 zařízení MFA se zobrazením informací od LZB Obr.4 umístění MFA na stanovišti strojvedoucího v jednotce ICE-T (DB 411) 4

Francie, Belgie, Velká Británie - TVM Na francouzských vysokorychlostních tratích (LGV) je jako vlakové zabezpečovací zařízení využíván systém TVM (Transmission Voie-Machine - přenos kolej-lokomotiva ) ve dvou modifikacích. Starší verze TVM 300 se používá na vozidlech typů TGV-PSE a TGV Atlantique, zatímco TVM 430 se používá na ostatních (novějších) soupravách. Oba systémy pracují na obdobném principu, přičemž TVM 430 ze svého předchůdce vychází. Rozdíly mezi oběma systémy jsou především v množství přenášených dat, z čehož vyplývají další skutečnosti, jako například odlišné minimální odstupy vlaků. Při řízení dopravy s využitím TVM 430 je možné při rychlosti 320 km/h dosáhnout intervalu mezi soupravami 3 minuty, v případě TVM 300 je to o dvě minuty více. Na rozdíl od německého LZB, užívaného i na běžné železniční síti, je TVM nasazeno výhradně na vysokorychlostních tratích a v tunelu pod průlivem La Manche. Protože se po těchto tratích nepohybují klasické vlaky, nejsou vybaveny klasickými návěstidly a hranice oddílu jsou označeny informativní tabulkou (obr.5). Obr. 5 - Hranice oddílu na VRT ve Francii 5

Traťová část Na rozdíl od německého LZB nejsou informace mezi tratí a vozidly přenášeny žádným zvláštním prvkem, ale pomocí kolejnic. Každý kolejový obvod (na LGV o délce 1500 m, u TVM 300 obvykle delší) má připojeno kódování TVM. Každé desítce obvodů pak přísluší jeden z traťových hubů, jež jsou svedeny do centra řízení dopravy. Vlastní komunikace tedy probíhá pomocí kolejnic, kam jsou kódované informace přenášeny signály o čtyřech různých nosných frekvencích (1700, 2300, 2000 a 2600 Hz) tak, aby se v žádné dvojici ze čtyř paralelních kolejnic na dvoukolejné trati nevyskytovala stejná frekvence. Na těchto signálech může být namodulováno 27 samostatných frekvencí, z nichž může být libovolný počet využit najednou. Starší systém TVM 300 využívá 18 frekvencí, které však nemohou být využity najednou. Každý kolejový obvod je vybaven přijímačem a vysílačem signálu. Při vstupu vlaku do oddílu se obvod signálu uzavře přes první nápravu hnacího vozidla. Před ní jsou nad kolejnicemi umístěny dvě antény, které signál snímají a předávají k dalšímu zpracování ve vozidle. Přenášené kódy se dělí do pěti základních skupin. Rychlostní kódy obsahují informace o aktuální maximální rychlosti v daném oddílu, o cílové rychlosti na jeho konci a o cílové rychlosti na konci příštího oddílu. Každá z těchto proměnných může nabývat šesti hodnot, v případě vysokorychlostní trati obvykle 300, 270, 230, 170, 80 a 0. Druhou skupinu tvoří informace o průměrném sklonu oddílu, které jsou potřebné pro výpočty rychlostí. Ve třetí skupině kódů se nachází údaje o délce oddílu, neboť ta se může na různých tratích lišit. Čtvrtá skupina obsahuje síťové kódy, pomocí nichž může mobilní část interpretovat údaje rychlostních kódů. Na tratích s maximální rychlostí 300 km/h jsou rychlosti kódovány jinak, než například v Eurotunnelu, kde je maximální traťová rychlost 160 km/h. Poslední, pátou skupinu reprezentují kontrolní kódy ověřující celistvost vysílaných informací, jež jsou na vozidlo přenášeny ve formě 27-bitových slov. K liniovému nepřetržitému přenosu dat může být systém TVM doplněn o lokální přenosové smyčky. Ty jsou tvořeny kabelem o délce 7 nebo 4,5 metru položeným mezi kolejnicemi. Využívají stejné frekvence jako kolejové obvody a při průjezdu předávají vozidlu informace o vjezdu či opouštění VRT, aktivaci či deaktivaci TVM, uzavření průduchů klimatizace před vjezdem do tunelu, zdvižení nebo stažení sběrače a změně trakční soustavy. Mobilní část Jak je popsáno výše, mobilní část rozhraní trať-vlak je reprezentována dvojicí snímacích cívek, podobně jako je tomu například u českého systému LS. Přijaté informace se zpracovávají a přenášejí na stanoviště strojvedoucího. Zde se pod čelním sklem nachází zařízení, na němž jsou dvě nebo tři řady čtvercových indikátorů (obr.6). Na nich se zobrazují informace o rychlosti (tab.1; vždy se objevuje pouze jedna návěst). Dle závažnosti změny rychlosti jsou číslice různě podbarveny: maximální traťová rychlost zeleně; stůj (resp. 000) červeně. Pod těmito displeji se nachází rychloměr, na němž se zobrazuje cílová a aktuální rychlost. Pro snížení zátěže strojvedoucího jsou při 6

nejvyšších rychlostech informace návěstěny několik oddílu dopředu - pokud je příští oddíl následován pomalejším oddílem, příslušná kontrolka na třířádkovém displeji se rozbliká (tab.1). Navzdory vysokému stupni bezpečnosti systému TVM se jeho funkce nepoužívají i pro řízení vlaku, ale pouze pro zabezpečení jízdy. Obr. 6 stanoviště strojvedoucího v TGV Réseau ( panel TVM pod čelním sklem) 7

Tab.1 Znaky vlakového zabezpečovače TVM Indication VL voie libre kolej volná Jízda povolena plnou traťovou rychlostí. Tato indikace je pouze na starších vlacích, na novějších je nahrazena číslem 270. Indication 300V Jízda povolena nejvyšší traťovou rychlostí - 300 km/h. Pokud bliká, znamená to, že v příštím oddíle bude návěst 270A nebo 220A. Indication 270A (avertissement 270 očekávej 270 ) Nařizuje strojvedoucímu, že při vjezdu do dalšího oddílu nesmí překročit rychlost 270 km/h. Indication 270V Jízda povolena nejvyšší traťovou rychlostí - 270 km/h. Pokud bliká, znamená to, že v příštím oddíle bude návěst 220A. Indication 220A (avertissement 220 očekávej 220 ) Nařizuje strojvedoucímu, že při vjezdu do dalšího oddílu nesmí překročit rychlost 220 km/h. Indication 220E (exécution 220 provedení 220 ) Nařizuje strojvedoucímu nepřekračovat rychlost 220 km/h. Indication 160A (avertissement 160 očekávej 160 ) Nařizuje strojvedoucímu, že při vjezdu do dalšího oddílu nesmí překročit rychlost 160 km/h. Indication 160E (exécution 160 provedení 160 ) Nařizuje strojvedoucímu nepřekračovat rychlost 160 km/h. Indication 80A, 80E - totéž pro 80 km/h Indication zéro ( návěst nula ) Nařizuje strojvedoucímu zastavit před první překážkou (? repère rencontré). Může následovat po návěstech 80 A, 80E nebo 160E. Indication rouge ( návěst červená ) Nařizuje strojvedoucímu jet na dohled (à vue) a zastavit před první překážkou (? repère rencontré). Zobrazuje se při vstupu vlaku do obsazeného oddílu. 8

ETCS Evropský vlakový zabezpečovač Na předchozích stranách byly zmíněny dva nejrozšířenější evropské systémy. Podobně by se dalo hovořit i o odpovídajících zařízeních v dalších státech (Itálie, Japonsko, atd.) Podobně jako v Německu a Francii, byly i v těchto zemích vyvinuty vlastní, vzájemně nekompatibilní, systémy. V současné době odstraňovaní hranic a posunu k interoperabilitě se evropské státy snaží v co největší míře prosazovat nový systém ETCS (European Train Contol System), který již poněkud přesahuje obsah termínu vlakový zabezpečovací systém. Přestože je jeho implementace teprve v počátcích, lze předpokládat jeho postupné rozšiřování. Nasazení ETCS není uvažováno prioritně pro vysokorychlostní tratě, ale svými funkcemi je pro použití na nich vhodné. Podle spolupráce se stávajícím zabezpečovacím zařízením a principu přenosu informací je ETCS rozčleněno na tři úrovně Obr.7 balízová skupina (vlevo pevná, vpravo přepínatelná eurobalíza) První úroveň (ETCS Level 1; obr. 10) funguje sama o sobě jako bodový zabezpečovač a je vhodná jako nástavba stávajícího traťového zabezpečovacího zařízení, které hlídá volnost oddílů. Hlavním prvkem této úrovně jsou tzv. balízy či eurobalízy (z francouzského balise návěstidlo, bóje). Jde o bodové prvky, které slouží pro induktivní přenos informací mezi tratí a vozidlem. Balízy se dělí na pevné a přepínatelné. Pevné obsahují data o své poloze, trvalých změnách rychlosti a dalších stabilních charakteristikách tratě, zatímco přepínatelné balízy vysílají informace o návěstech a dočasných změnách rychlosti. Úroveň 1 může být opatřena i doplňkovou smyčkou euroloop, která formou vysokofrekvenčního kabelu částečně zprostředkovává kontinuální přenos signálu. To je vhodné například mezi předvěstí a hlavním návěstidlem, kdy může být strojvedoucí zpraven o změně signálu na hlavním návěstidle, což v případě změny ze stůj na volno zvyšuje plynulost jízdy. Balízy i smyčky jsou následně svedeny do tzv. LEU (Lineside Electronic Unit traťová elektronická jednotka ), které jsou napojeny na stávající zabezpečovací zařízení. 9

Druhá úroveň (ETCS Level 2; obr. 11) využívá již pouze balíz pevných, neboť informace o návěstech a dočasných změnách rychlosti jsou na vozidlo přenášeny pomocí sítě GSM-R (Global System for Mobile Communications Railways). Stejně jako předchozí úroveň je Level 2 navržen jako nástavba stávajícího zabezpečovacího zařízení (kontrola volnosti oddílů a celistvosti soupravy), avšak je zde možný i provoz bez klasických návěstidel, neboť vlak nepřetržitě obousměrně komunikuje s traťovým zabezpečovacím zařízení přes tzv. centrálu radiobloku (RBC). Třetí úroveň (ETCS Level 3; obr. 12) se zatím pohybuje spíše v teoretické rovině. Na rozdíl od předchozích úrovní již nepotřebuje stávající zabezpečovací zařízení, ale prostřednictvím RBC přebírá všechny jeho funkce. Komunikace se soupravami se děje rovněž přes GSM-R, kontrola celistvosti vlaku je zajištěna zařízením přímo na soupravě. Protože na trati není zapotřebí klasických oddílů s kolejovými obvody či počítači náprav, vytváří RBC jakési fiktivní oddíly, jejichž délka může záviset na rychlosti a zábrzdné vzdálenosti vlaku, čímž lze zvýšit propustnost trati na maximum. Mobilní část ETCS je tvořena snímací anténou na spodku vozidla (obr. 8), počítači a rozhraním MMI (Man-Machine Interface, příp. DMI Driver-Machine Interface; viz obr. 9). Na něm se strojvedoucímu zobrazují podobné informace jako na panelu MFA v případě LZB. Rovněž styl grafického provedení je LZB velmi podobný. Obr. 8 anténa ETCS Obr. 9 rozhraní MMI 10

Obr. 9 - Schéma ETCS Level 1 Obr. 10 - Schéma ETCS Level 1 Obr. 11 - Schéma ETCS Level 2 Obr. 12 - Schéma ETCS Level 3 11

ETCS na evropské vysokorychlostní železniční síti Zavádění ETCS na vysokorychlostních tratích je stále na počátku, neboť hlavní dvě železniční společnosti s vysokorychlostní dopravou, tj. DB a SNCF, mají své osvědčené systémy a bylo by pro ně riskantní (a finančně nákladné) je rázem vyměnit za jiné. Proto se ETCS uplatňuje převážně na nově budovaných vysokorychlostních tratích. Jedním z příkladů takovéto trati s ETCS je italská vysokorychlostní trať mezi Římem a Neapolí. Na 220 kilometrů dlouhém úseku (plánované uvedení do provozu v roce 2005) byla nainstalována úroveň 2 (bez klasických návěstidel). Trať je rozdělena na oddíly o délce 1800 m s kolejovými obvody. Komunikace ETCS s vlaky probíhá pomocí GSM-R se třemi centrálami radiobloku RBC rozmístěnými zhruba po 70 kilometrech. Jednotky ETR 500 dosahují na této trati se zabezpečením ETCS Level 2 rychlosti až 300 km/h a odstup mezi vlaky může být pouhých 5 minut. Dalším příkladem implementace ETCS může být i vysokorychlostní trať LGV-Est mezi Paříží (resp. Vaires) a Baudrecourt. Ta je taktéž vybavena úrovní 2 a jezdí po ní jak francouzské jednotky TGV POS (Paris-Ostfrankreich-Süddeutschland), tak i německé ICE 3M (DB 406). Maximální rychlost na trati je stanovena na 320 km/h, nicméně v rámci zkoušek zde bylo 3. dubna 2007 dosaženo rychlostního rekordu 574,8 km/h. Závěr Vysokorychlostní jednotky v Evropě používají různé vlakové zabezpečovací systémy. Vlaky, které přejíždějí přes území více států (např. Thalys), musejí být vybaveny velkým množstvím přístrojů, což zvyšuje jejich hmotnost i náročnost údržby. Řešením je právě zavedení jednotného vlakového zabezpečovače. Oproti konvenčním železnicím je paradoxně výhodou, že síť mezistátních VRT se teprve buduje - implementace ETCS zde bude méně náročná. Nelze však zatím předvídat, kdy (a zda vůbec) ETCS na vysokorychlostních tratích plně nahradí stávající vlaková zabezpečovací zařízení. 12

Použité zdroje: http://pagesperso-orange.fr/geillon/trains/signaux/signaux4.htm http://www.wikipedia.org/ http://home.t-online.de/home/marco.wegener/technik/lzb.htm (4/2003) http://www.indusi.de/ http://home.t-online.de/home/grahnert/lzb.htm (4/2003) http://www.locorail.eu/tvm430.html http://www.tgv.pl/tgv/tvm.html UIC: Implementing the European Train Control System ETCS (12/2003) Železniční magazín 1/1999, str. 19-22 Signal + Draht 3/1997, 7/2002, 8/2002 13