W przypadku metra automatyzacja sterowania pojazdem, oprócz zwiększenia szybkości transportu i poprawy jego bezpieczeństwa, ma również dodatkową zaletę - ograniczenie zużycia energii dzięki optymalizacji pod tym kątem etapów przyspieszania i hamowania składu. W zależności od stopnia zautomatyzowania możliwe są oszczędności sięgające nawet 30%.
Wyróżnić można kilka poziomów automatyzacji metra (Grade of Automation, GoA). Zostały one zestandaryzowane w normie IEC 62267 Railway applications - Automated urban guided transport - Safety requirements.
Stopień zerowy opisuje sytuację, w której maszynista prowadzi i obsługuje pojazd, m.in. otwiera i zamyka jego drzwi, samodzielnie, w oparciu wyłącznie o własną obserwację sytuacji na linii i w pociągu oraz sygnalizację przytorową. Poziom pierwszy (GoA 1) oznacza z kolei, że kierujący prowadzi i hamuje pociąg ręcznie, jego działania nadzoruje jednak system ATP (Automatic Train Protection). Zapewnia on podstawowe bezpieczeństwo przez zapobieganie kolizjom i niedopuszczanie do: ignorowania przez kierującego sygnałów ostrzegawczych oraz przekraczania dopuszczalnej prędkości, dzięki uruchomieniu w razie potrzeby automatycznego hamowania (patrz tabela).
Różne poziomy automatyzacji metra
Kolizjom na linii metra zapobiega się, dbając o to, aby pomiędzy pojazdami poruszającymi się po tym samym torze zachowana była odpowiednia przerwa. Zapewnia się to przez niedopuszczenie, aby na określonym odcinku toru (odstępie blokowym) w danej chwili znajdował się więcej niż jeden skład. Dzięki temu w przypadku, gdy dojdzie do gwałtownego hamowania jednego z nich, drugi zatrzyma się w bezpiecznej odległości.
Rolą systemu ATP jest wyznaczenie prędkości, która dla danego pociągu, na danym odstępie blokowym, w określonej sytuacji na trasie, będzie bezpieczna. Jest ona stale porównywana z szybkością, z jaką aktualnie porusza się skład. Jeżeli ta druga jest mniejsza, metrem kieruje maszynista. W przeciwnym wypadku system ATP wyłącza napęd pociągu i włącza układ hamulcowy.
Za prędkość bezpieczną z reguły uważa się najmniejszą spośród trzech wielkości. Pierwszą z nich jest szybkość dopuszczalna, stała dla danego odstępu blokowego, która zależy m.in. od specyfiki tego odcinku toru, na przykład jego zakrzywienia. Drugą wielkością jest prędkość dozwolona. Ta jest z kolei zależna od sytuacji na linii, tzn. jej obciążenia. Uwzględnia się również osiągi pociągu (jego prędkość konstrukcyjną) oraz opóźnienie hamowania.
W stopniu GoA 2 maszynista jest wspomagany przez automatyczne systemy ATP i ATO (Automatic Train Operation), które razem tworzą system ATC (Automatic Train Control). Oznacza to, że jego rola ogranicza się do uruchomienia pojazdu i zamknięcia jego drzwi. Za przejazd między stacjami, zatrzymanie pociągu i otwarcie jego drzwi odpowiada system ATO. Kierujący może ewentualnie ingerować w sytuacji awaryjnej.
Poziom GoA 3 (Driverless Train Operation, DTO) oznacza z kolei, że pociąg jest sterowany, a jego ruch nadzorowany, automatycznie, bez udziału człowieka. Zautomatyzowany jest zatem: rozruch, przejazd między stacjami, hamowanie oraz otwieranie drzwi. Maszynista może zamykać drzwi i interweniować w sytuacji awaryjnej. W stopniu GoA 4 (Unattended Train Operation, UTO) wszystkie zadania są zautomatyzowane, a na pokładzie nie ma maszynistów.
Realizuje się go, wdrażając system CBTC (Communication Based Train Control). Wykorzystuje się w nim dwukierunkową transmisję informacji pomiędzy pociągiem a przytorowymi komputerami sterującymi (radiową lub przy użyciu pętli indukcyjnej ułożonej wzdłuż toru). Pierwszy wysyła informacje o swoim aktualnym położeniu, prędkości i kierunku, w jakim się przemieszcza, a odbiera sygnały sterujące. Pozwala to na prowadzenie ruchu w oparciu o tzw. ruchome odstępy blokowe (patrz ramka).
Maszynistę na pokładzie metra UTO zastępuje system ATO, który jest nadzorowany przez system ATP. Komputery przytorowe komunikują się z kolei z systemami zarządzania ruchem na wyższych poziomach.
Brak maszynisty poprawia bezpieczeństwo podróżowania metrem ze względu na to, że pozwala wyeliminować czynnik ludzki zwiększający ryzyko popełnienia błędu w kierowaniu pociągiem na trasie przejazdu na przykład z powodu nieuwagi lub zmęczenia kierującego. Z drugiej jednak strony nieobecność maszynisty sprzyja groźnym incydentom na torach i peronach. W związku z tym metro bezobsługowe musi być wyposażone w dodatkowe systemy bezpieczeństwa. Wnoszą one znaczący wkład w całkowity koszt wdrożenia metra UTO.
Jednym z najważniejszych jest system nadzoru nad bezpieczeństwem pasażerów na peronie. Jego zadaniem jest jak najszybsze wykrycie sytuacji, w której człowiek albo inny duży obiekt znajdzie się na torach. Przykładowa realizacja polega na zamontowaniu nad szynami, równolegle, w jednakowej odległości od siebie, par nadajnik-odbiornik podczerwieni. Ciągłość transmisji sygnału między nimi jest cyklicznie sprawdzana. Jeżeli zostanie przerwana, system podejmuje odpowiednie działanie.
Zależy ono m.in. od tego, w ilu czujnikach równocześnie nastąpi zakłócenie. Na przykład gdy w dwóch sąsiednich, może to oznaczać, że ktoś lub coś dużego spadło na tory.
Wtedy automatycznie zatrzymywany jest najbliższy nadjeżdżający pociąg. Jeśli natomiast sygnał nie dociera do większej liczby odbiorników, wskazuje to na jakiś poważniejszy incydent. Dlatego oprócz wyhamowania składu zbliżającego się do peronu odłączane jest zasilanie szyn na całym odcinku torów. Zakłócenie transmisji w sensorach w tunelu sygnalizuje zaś obecność intruza. Z ruchu wyłączana jest wtedy cała linia metra. Nie uruchamia się jej, dopóki nie potwierdzi się, że tunel jest pusty. Zwykle sprawdza to personel.
Na stacjach metra UTO montowane są też systemy ochronnych drzwi peronowych (Platform Screen Door, PSD). Są to przezroczyste przegrody wstawiane pomiędzy peronem a torem. Ich zamykanie i otwieranie jest zsynchronizowane z drzwiami pociągu - automatycznie, w momencie otwarcia drzwi wagonu rozsuwane są drzwi peronowe.
Dodatkowym źródłem informacji są kamery monitoringu rozmieszczone nad torami w tunelu i na peronie. Składy metra UTO są również wyposażone w systemy detekcji przeszkód. W razie ich wykrycia pociąg automatycznie hamuje.
Ponadto w wagonach instalowane są m.in. czujniki temperatury i dymu oraz przyciski awaryjne z możliwością połączenia się bezpośrednio z centrum sterowania. W razie wykrycia pożaru skład jest automatycznie zatrzymywany na najbliższej stacji. Jeżeli z jakiegoś powodu ruch pociągu zostanie wstrzymany w tunelu, drzwi w wagonach pozostają zamknięte do czasu, aż zahamuje się wszystkie nadjeżdżające składy, a zasilanie w szynach zostanie odłączone. Dopiero wówczas można bowiem rozpocząć ewakuację pasażerów.
Bezpieczeństwo systemu metra zależy też od sprawności działania systemu wentylacji, na tę zaś składa się wiele czynników - od projektu, przez jego realizację, po sposób zarządzania instalacją w razie zaistnienia groźnej sytuacji. Jeżeli na którymś z tych etapów dojdzie do zaniedbań albo błędów, zagrożone jest zdrowie oraz życie ludzi korzystających z tego środka transportu oraz jego obsługi.
Rys. 3. Przełączenie wentylatorów po obu stronach pociągu w tryb pracy wyciągu było przyczyną wypadku w metrze w Waszyngtonie |
Przykładem jest wypadek, do którego doszło na początku tego roku w metrze w USA. Tragiczny bilans zdarzenia w pobliżu stacji L'Enfant Plaza waszyngtońskiej linii to jedna ofiara śmiertelna oraz ponad 80 hospitalizowanych osób spośród wszystkich 200 pasażerów. Przebieg zdarzenia był następujący:
Jeden ze składów niedługo po odjeździe ze stacji L'Enfant Plaza natknął się na dym w tunelu. W związku z tym, że napływał on z głębi, wskazując, że tam znajduje się jego źródło, którym jak się później okazało było zwarcie w instalacji elektrycznej, pociąg zatrzymano. Natychmiast, w reakcji na komunikat od maszynisty, operator w centrum sterowania włączył zestaw wentylatorów na stacji L'Enfant Plaza - tj. za pociągiem - i przełączył go w tryb pracy wyciągu. Ponieważ zaczął on zasysać powietrze w kierunku peronu, dym przesuwał się w stronę unieruchomionego składu. Chwilę potem włączono drugi zestaw wentylatorów, który znajdował się niedaleko ogniska pożaru - czyli przed pociągiem. Niestety to urządzenie również przełączono w tryb pracy wyciągu (rys. 3).
Ile jest linii metra UTO na świecie?
Rys. 4. Udział metra UTO w ogóle linii w różnych krajach Między rokiem 2008, a 2013 na świecie najbardziej, o 50%, wzrosła liczba pociągów o średniej liczbie pasażerów (od 300 do 700). Tych o dużej oraz małej pojemności przybyło znacznie mniej - o odpowiednio 26% i 24%. Trendy technologiczne Najpowszechniej stosowanym zabezpieczeniem na liniach w pełni zautomatyzowanego metra do 2013 roku były drzwi peronowe PSD. Ich udział w ochronie w obrębie nowo zbudowanych stacji wzrósł o ponad 80%. Inne rozwiązania w zakresie detekcji obecności niepożądanych obiektów na torach stanowiły natomiast niewiele ponad 10%. |
W efekcie oba wentylatory po obu końcach pociągu zasysały powietrze w przeciwnych kierunkach, co z kolei spowodowało, że dym zatrzymał się w miejscu, otaczając skład. Na nieszczęście dla osób, które przebywały w środku, maszynista nie wyłączył wentylacji w wagonach, przez co dym był stale wtłaczany do ich wnętrza. Pasażerowie zaczęli się dusić, część z nich uległa zatruciu, a dodatkowo w pojeździe zapanowała panika. Duża liczba ofiar była też skutkiem tego, że na pomoc podróżni oczekiwali przez ponad pół godziny.
Po incydencie przeprowadzono szczegółową analizę jego przyczyn. Najważniejszą z nich był brak cyrkulacji powietrza w tunelu spowodowany tym, że oba wentylatory pracowały w trybie wyciągu. Decyzję o tym operatorzy podjęli dlatego, że nie zlokalizowali dokładnie źródła ognia oraz dymu. Gdyby to zrobili, następnie powinni zdecydować o kierunku ewakuacji pasażerów.
W opisywanej sytuacji należało ich prowadzić w stronę stacji, z której skład odjechał. Wówczas wentylatory znajdujące się niedaleko ogniska pożaru (przed pociągiem) powinny pracować jako wyciąg. Wentylatory na stacji (za pociągiem) z kolei powinny działać w trybie nadmuchu, czyli inaczej, niż miało to miejsce w czasie wypadku. Dzięki temu dostarczałyby świeże powietrze na stację, gdzie kierowani byliby pasażerowie. Równocześnie "popychałyby" dym w stronę wyciągu, zapewniając cyrkulację powietrza w tunelu.
Wśród środków zaradczych, które mają w przyszłości zapobiec podobnym wypadkom, zalecono m.in. zmiany w procedurach awaryjnych i szkolenia personelu. Wykonano też przegląd urządzeń. Ten ostatni wykazał, że dodatkowo kilka wentylatorów nie było sprawnych.
Projektując wentylację w metrze, za cel stawia się, oprócz zapewnienia bezpieczeństwa w sytuacji pożaru, także komfort pasażerów i personelu w czasie normalnego funkcjonowania linii i w razie dużego zatłoczenia na peronie oraz dużego natężenia ruchu na torach. W związku z tym, przygotowując projekt takiego systemu, uwzględnić trzeba szereg kwestii.
Omawiana tematyka obejmuje w praktyce znacznie więcej zagadnień. Przykładowo, żeby nie narażać podróżnych na szok termiczny, temperaturę należy stopniować, od wejścia na stację aż do peronów. Temperatura w tunelu z kolei powinna zapewniać optymalne warunki pracy pojazdu i jego wyposażenia.
Aby wyznaczyć wydajność systemu wentylacji wymaganą do utrzymania zadanych warunków, należy zsumować moc wszystkich źródeł ciepła. W tunelach uwzględnia się: ciepło wydzielane przez trakcję i układ hamowania pociągu, to emitowane przez system klimatyzacji składu, ciepło, które jest skutkiem oporu aerodynamicznego pociągu oraz to przekazywane przez jego rozgrzaną powierzchnię po wjeździe z części naziemnej metra do podziemnej.
Tematy numerów kolejnych wydań magazynu w 2015 roku
Na stacji z kolei trzeba oszacować ciepło wydzielane przez ludzi, to emitowane przez oświetlenie, schody ruchome, biletomaty i inne urządzenia użytkowe i ciepło, które przenika do środka przez oszklone elementy budynku. Ważne parametry to także: wymiary wentylowanej sekcji, częstość przejazdów pociągów, czas oczekiwania na ich przyjazd oraz ich prędkość i szybkość hamowania oraz rozpędzania.
Na tej podstawie wybiera się typ wentylacji: wzdłużną lub poprzeczną, oraz urządzenia chłodzące. Podejmuje się także decyzję o tym, czy system wentylacji będzie pracował w obiegu zamkniętym, czy otwartym.
W wentylacji wzdłużnej medium płynie wzdłuż tunelu. Jest ona tania i łatwa w instalacji - wentylatory montuje się na wlocie i/lub wylocie, w szybach albo w sklepieniu przepustu. Nie są także wymagane kanały wentylacyjne. W wentylacji poprzecznej powietrze dopływa i odpływa specjalnymi przewodami nawiewowymi (od dołu) i wyciągami (od góry). W zależności od tego, jaka ilość powietrza jest tymi kanałami przesyłana w każdym z kierunków, wyróżnia się instalacje w pełni poprzeczne (100% - czyste, 100% - zanieczyszczone), mieszane, jeżeli świeże powietrze wpływa do tunelu przez nawiewy, a brudne płynie swobodnie do wyjścia oraz mieszane odwrotne. W tych ostatnich czyste powietrze wpływa wejściem, a odpływa wyciągami.
Monika Jaworowska
W artykule wykorzystano zdjęcia firmy Newag.
Powiązane treści
Zobacz więcej w kategorii: Temat miesiąca
Zobacz więcej w temacie: Artykuły
Zobacz również
Świat Radio
14,90 zł Kup teraz
Elektronika Praktyczna
18,90 zł Kup teraz
Elektronika dla Wszystkich
16,90 zł Kup teraz
Automatyka, Podzespoły, Aplikacje
15,00 zł Kup teraz
IRA - Informator Rynkowy Automatyki
0,00 zł Kup teraz
Elektronik
15,00 zł Kup teraz
IRE - Informator Rynkowy Elektroniki
0,00 zł Kup teraz
