Zasilanie, komunikacja i sterowanie w transporcie szynowym

CZĘŚĆ 1. ZASILANIE TRAMWAJÓW

Tramwaje pasażerskie zostały wprowadzone do użytku na początku XIX wieku. Początkowo były one ciągnięte przez konie, a później przez parowozy. Pod koniec XIX wieku w Niemczech została uruchomiona pierwsza linia tramwajów elektrycznych.

Obecnie tramwaje elektryczne w dalszym ciągu są popularnym środkiem transportu zbiorowego w wielu krajach. W Polsce można nimi podróżować na przykład w takich miastach, jak: Warszawa, Gdańsk, Kraków, Łódź czy Wrocław, natomiast na świecie tramwaje kursują m.in. we: Francji, Anglii, Szwecji, Japonii czy Australii.

Trakcja tramwajowa a kolejowa

Tramwaje elektryczne zasilane są z sieci trakcyjnej. W Polsce płynie nią prąd stały o napięciu 600 V. Dla porównania, w kolejowej sieci trakcyjnej są to 3 kV. Inaczej niż w przypadku tej ostatniej, która stanowi w skali całego kraju system połączony, trakcje tramwajowe są rozproszone. Dzięki temu są od siebie niezależne.

Z tego powodu, pod względem konstrukcji bardziej różnią się one pomiędzy sobą niż segmenty kolejowej sieci trakcyjnej. Za to ich rozbudowa, przebudowa czy modernizacja są dzięki temu łatwiejsze do realizacji.

Wykorzystując ten fakt oraz środki pozyskiwane z Unii Europejskiej w ostatnich latach w większości polskich miast dokonano znaczących inwestycji. Fundusze z UE przeznaczano przeważnie na budowę od podstaw nowych linii tramwajowych i wymianę starego taboru na nowoczesne składy, w których udogodnienia dla pasażerów, takie jak na przykład klimatyzacja, dźwiękowe i wizualne systemy informacji i strefy niskopodłogowe, są standardem. Remontowano również infrastrukturę tramwajową.

BUDOWA SIECI TRAKCYJNEJ I KLASYFIKACJA SIECI JEZDNYCH

Sieć trakcyjna wraz z tramwajem tworzą obwód elektryczny. Urządzenia elektryczne znajdujące się na pokładzie tego pojazdu są odbiornikami prądu, który płynie przez nie z sieci jezdnej zasilanej z podstacji trakcyjnej do sieci powrotnej.

Sieć jezdna trakcji ma charakter napowietrzny, natomiast sieć powrotną tworzą szyny. Zamykają one obwód przez połączenie z podstacją trakcyjną.

Część napowietrzna sieci trakcyjnej jest zawieszona nad torami na wysokości zwykle 5,5 metra, mierząc od górnej krawędzi (główki) szyny. W szczególnych przypadkach może być ona niższa. Przykładowo, na terenie zajezdni albo jeśli trasa tramwaju przebiega pod mostem, tunelem czy inną tego typu budowlą, minimalna wysokość zawieszenia sieci jezdnej to 4,2 metra.

Wyróżnia się kilka rodzajów sieci jezdnych. Podstawowa klasyfikacja dzieli je na sieci płaskie i łańcuchowe. Te pierwsze składają się z samych przewodów jezdnych. Sieci płaskie stosuje się na przykład wówczas, gdy nie można zbudować wyższej sieci trakcyjnej. Z kolei w przypadku sieci łańcuchowych przewody jezdne podwieszane są do linii nośnej. Do przymocowania ich do niej używane są specjalne linki, tzw. wieszaki. Innym kryterium klasyfikacji sieci jezdnych jest sposób ich naprężania.

SIECI SKOMPENSOWANE I NIESKOMPENSOWANE

Naprężanie jest konieczne, ponieważ z powodu rozszerzalności cieplnej metali, pod wpływem skrajnych temperatur otoczenia, bardzo wysokich podczas upałów oraz bardzo niskich w czasie mrozów, przewody jezdne rozciągają się, co przy nadmiernym wydłużeniu powiększa ich zwis lub kurczą się, co z kolei przy nadmiernym ich ściągnięciu grozi ich zerwaniem. Pod tym względem sieci jezdne dzielone są na sieci: skompensowane łańcuchowe, półskompensowane oraz bez kompensacji (nieskompensowane).

W tych pierwszych naciąg przewodu jezdnego reguluje się samoczynnie, dzięki zamontowaniu na końcach odcinków sieci mechanizmów z ciężarami, które działają na zasadzie przekładni. W zależności od tego, czy przewody się skracają, czy wydłużają, naprężacze, odpowiednio, poluzowują je albo naciągają.

W sieciach nieskompensowanych, którymi mogą być zarówno sieci płaskie, jak i łańcuchowe, takich mechanizmów się nie stosuje. Trzeci typ, czyli sieci półskompensowane, są rozwiązaniem pośrednim. W ich przypadku naprężaniu stosownemu do aktualnie panujących warunków atmosferycznych podlegają tylko przewody jezdne.

Sieci bez kompensacji powinno się budować na odcinkach, po których tramwaj porusza się z małą prędkością (do 30 km/h). Tam, gdzie pojazd będzie przyspieszał, powinno się natomiast korzystać z sieci pół- i w pełni skompensowanych.

Przykład: Przewody jezdne w trakcjach tramwajowych i kolejowych Rys. 1. Wymiary przewodów Djp100 i DjpS100: D = 12 mm, a = 8,7 mm, (a-b)/2 min = 1,25 mm, r = 0,38 mm, α = 51, β = 27 Profilowane przewody jezdne wykonane z miedzi (Djp) albo stopu miedź-srebro Cu/Ag 0,1 (DjpS), o przekroju znamionowym 100 lub 150 mm², przeznaczone do użytku w napowietrznych sieciach trakcyjnych kolejowych, tramwajowych i podobnych, przy prędkościach maksymalnych 160 km/h (Djp) i 250 km/h (DjpS). Minimalna przewodność elektryczna: 56,3 m/Ω·mm², moduł Younga: 120 kN/mm², minimalna wytrzymałość na rozciąganie: 375 N/mm² (DjpS), 355 N/mm² (Djp), minimalne wydłużenie przy zerwaniu: 3%, maksymalna rezystancja przewodu: 0,183 Ω/km, dopuszczalna tolerancja przekroju: ±2,5%, waga: 889 kg/km. Przewody spełniają normy: PN-E-90090 pt. Przewody jezdne z miedzi i miedzi modyfikowanej oraz PN-EN 50149 pt. Zastosowania kolejowe - Urządzenia stacjonarne - Trakcja elektryczna - Profilowane przewody jezdne z miedzi i jej stopów. www.nkt.com.pl

Z CZEGO WYKONUJE SIĘ PRZEWODY JEZDNE DO TRAKCJI TRAMWAJOWYCH I KOLEJOWYCH?

Przewody jezdne, które określa się skrótem Djp, czyli druty jezdne profilowane, mają postać okrągłych prętów metalowych o przekroju w przedziale 50-120 mm², najczęściej 100 mm², z wyżłobieniami w postaci symetrycznych rowków w górnej części. Taki kształt umożliwia ich pewne zamocowanie i podwieszenie oraz prawidłową współpracę z odbierakiem prądu.

Przewody jezdne są bardzo ważnym elementem sieci trakcyjnej. Od nich bowiem w dużym stopniu zależy niezawodność oraz sprawność energetyczna zasilania tramwajów. W związku z tym dwie najważniejsze cechy, którymi powinien charakteryzować się materiał, z którego wykonuje się te elementy sieci trakcyjnej, to: niska rezystancja oraz wysoka wytrzymałość mechaniczna.

Materiałami, które najlepiej spełniają powyższe wymagania w zakresie właściwości elektryczno-mechanicznych, dzięki czemu są najczęściej wykorzystywane do produkcji przewodów jezdnych, są miedź i jej stopy.

ZALETY PRZEWODÓW TYPU DJPS100

Inne metale dodaje się do miedzi, ponieważ w wysokich temperaturach, około +80°C, pogarsza się jej wytrzymałość. Dodatki, chociaż nieznaczenie zwiększają rezystancję drutów jezdnych, bardzo poprawiają ich wytrzymałość i zwiększają temperaturę pracy.

Popularnym materiałem jest na przykład stop miedzi ze srebrem, w którym zawartość Ag wynosi 0,1%. Przewody jezdne wykonane z niego, o przekroju 100 mm², określane są skrótem DjpS100.

W porównaniu do drutów miedzianych, przewody z miedzi srebrowej charakteryzuje kilkakrotnie większa odporność na ścieranie i trochę większa wytrzymałość na zerwanie. Rekrystalizacji ulegają w temperaturze o kilkaset stopni wyższej.

Ponadto DjpS100 rzadziej ulegają uszkodzeniu w skrajnie niskich czy wysokich temperaturach. Wszystko to składa się na to, że ich żywotność jest nawet kilkakrotnie dłuższa niż miedzianych przewodów jezdnych, zwłaszcza na trasach, na których są one bardziej obciążone. W ramce przedstawiamy wybrane parametry przewodów jezdnych typu Djp i wykonanych z miedzi srebrowej (DjpS), na przykładzie produktów z oferty firmy NKT.

CZĘŚĆ 2. SEKCJONOWANIE SIECI TRAKCYJNEJ I PODSTACJE

Jak napisaliśmy wyżej, tramwajowa sieć trakcyjna w Polsce zasilana jest prądem stałym o napięciu 600 V. Do przewodów jezdnych jest on doprowadzany za pośrednictwem punktów zasilających. Każdy z nich zasila jedną sekcję sieci trakcyjnej.

Odcinki te są od siebie oddzielone izolatorami sekcyjnymi. Dzięki podzieleniu sieci trakcyjnej na części unika się dużych spadków napięć na całej jej długości oraz zyskuje możliwość odłączenia w razie potrzeby danego fragmentu, na przykład podczas awarii.

Punkty zasilające są podłączone do kabli zasilających, które z kolei są wyprowadzane z podstacji trakcyjnych. Analogicznie zorganizowany jest przepływ prądu powrotnego, który płynie z szyn do punktów powrotnych, a z nich kablami powrotnymi do podstacji trakcyjnej.

Podstacje trakcyjne są podłączone do sieci elektroenergetycznej średniego napięcia, przeważnie 15 kV. Są to zazwyczaj wolno stojące, ogrodzone budynki, działające w trybie bezobsługowym. Za ich zdalne sterowanie i monitorowanie odpowiadają pracownicy centrum dyspozytorskiego.

Podstacje trakcyjne stanowią nagromadzenie różnych urządzeń. Odpowiadają one za przetwarzanie i rozdział energii elektrycznej oraz realizują funkcje pomiarowe i zabezpieczające.

Urządzenia, które są standardowo na wyposażeniu każdej tramwajowej podstacji trakcyjnej, to: rozdzielnica średniego napięcia, transformator, prostowniki i rozdzielnica prądu stałego. Dalej przedstawiamy typową konstrukcję oraz parametry urządzeń ostatniego typu, na przykładzie wnętrzowej rozdzielnicy prądu stałego typu RT-1 z oferty firmy Elektrobudowa.

ROZDZIELNICA PRĄDU STAŁEGO TYPU RT-1

Tytułowe urządzenie przeznaczone jest do zasilania sieci trakcyjnej trolejbusowej, tramwajowej lub metra. Może pracować w podstacjach bezobsługowych. Inne ważne cechy rozdzielnicy typu RT-1 to: zwarta konstrukcja dzięki zastosowaniu izolacji powietrznej, ochrona przed skutkami łuku elektrycznego dzięki budowie przedziałowej, system blokad, dzięki któremu trudniej o pomyłki łączeniowe, i możliwość przestawiania członu wysuwnego przy zamkniętych drzwiach w miejscu albo zdalnie.

Wyposażono ją również w przegrody osłaniające styki stałe, zaś skręcana konstrukcja szkieletowa ułatwia jej modernizację i rozbudowę. Jeżeli chodzi o zgodność z normami, to spełnia ona wymogi opisane w częściach 1, 2, 3 i 6 dokumentu PN-EN 50123 pt. Zastosowania kolejowe - Urządzenia stacjonarne - Aparatura łączeniowa prądu stałego.

Rozdzielnica typu RT-1 zbudowana jest z następujących prefabrykowanych części: dwuczłonowego, przedziałowego pola zasilacza trakcyjnego, jednoczłonowego, przedziałowego pola zespołów prostownikowych, pola kabli powrotnych, pola wyłącznika rezerwowego i jednoczłonowego, przedziałowego pola odłącznika sekcyjnego.

Jeżeli chodzi o pola dwuczłonowe, to składają się one z części stałej oraz członu ruchomego. Połączenia pomiędzy nimi wykonywane są jako: najazdowe do szyny zbiorczej i przyłącza kablowego, najazdowe do połączenia uziemiającego i wtykowe do kabla sterowniczego i sygnalizacyjnego.

W ramce szczegółowo opisujemy konstrukcję poszczególnych pól rozdzielnicy RT-1. W zamieszczonej w niej tabeli przedstawiamy również jej najważniejsze parametry.

Przykład: Rozdzielnica elektryczna Rys. 2. Rozdzielnica typu RT-1 Rodzielnica typu RT-1 zbudowana jest z następujących prefabrykowanych części: dwuczłonowego, przedziałowego pola zasilacza trakcyjnego, wyposażonego w: wyłącznik szybki typu UR produkcji firmy Secheron, aparaturę próby linii na członie ruchomym z szyną obejściowa, odłącznik szyny obejściowej typu SWS produkcji Secheron z napędem silnikowym, przedział przyłączy kablowych i przedziały obwodów pomocniczych, jednoczłonowego, przedziałowego pola zespołów prostownikowych, zasilającego rozdzielnicę zespołu prostownikowego, wyposażonego w odłącznik dwubiegunowy SWS z napędem silnikowym, z wnęką obwodów sterowniczo-pomiarowych zespołu prostownikowego i potrzeb własnych podstacji trakcyjnej, pola kabli powrotnych łączonych z szyną poprzez odłączniki typu OJON produkcji firmy ABB (każdy kabel ma pomiar prądu), pola wyłącznika rezerwowego, jednoczłonowego, przedziałowego pola odłącznika sekcyjnego, przeznaczonego do sekcjonowania szyny głównej rozdzielnicy bez szyny obejściowej, wyposażonego w odłącznik jednobiegunowy SWS z napędem silnikowym. www.elbudowa.com.pl

ODBIERAKI PRĄDU

Za pomocą tytułowych urządzeń tramwaje pobierają prąd elektryczny, który płynie przewodami jezdnymi. Odbieraki prądu, inaczej pantografy, są w związku z tym instalowane na dachach tych pojazdów. Ich cechami charakterystycznymi są: stosunkowo lekka konstrukcja oraz "pająkowaty" kształt.

Dzięki temu stały się one ich swoistym znakiem rozpoznawczym. Z drugiej jednak strony, specyfika miejsca zamocowania oraz konstrukcji sprawiają, że czasem pantografy się łamią. O takich sytuacjach bywa z reguły głośno w mediach, ponieważ ruch na danej trasie jest wówczas wstrzymywany na wiele godzin, a bywa że i dłużej, jeżeli w wyniku takiego incydentu uszkodzeniu ulegnie sieć trakcyjna.

W konstrukcji pantografów można wyróżnić dwa główne elementy. Pierwszym są ramiona z przegubami. Umożliwiają one zginanie odbieraków, tak żeby zawsze dosięgały one przewodów jezdnych, dostosowując się do zmiany wysokości zawieszenia napowietrznej części sieci trakcyjnej wzdłuż całej trasy tramwaju.

Odbierak prądu styka się z przewodami jezdnymi za pośrednictwem ślizgacza. By uniknąć różnych niekorzystnych zjawisk, które byłyby powodowane tarciem tego metalowego elementu o metalowe przewody jezdne (łuszczenie się, erozja i szybsze zużycie się powierzchni trących, pogarszanie się właściwości przewodzących styku w punkcie odbioru prądu trakcyjnego), stosuje się grafitowe nakładki.

ALTERNATYWNE METODY ZASILANIA TRAMWAJÓW

Jak można się domyślić na podstawie powyższego opisu, zbudowanie, a następnie utrzymanie w dobrym stanie infrastruktury zasilającej tramwaje jest złożonym oraz drogim przedsięwzięciem. Faktem, być może mniej ważnym z praktycznego punktu widzenia, ale mimo wszystko istotnym, szczególnie pod względem estetycznym, jest również niekorzystny wpływ, jaki wywiera ona na przestrzeń miejską. Nic zatem dziwnego, że poszukuje się alternatywnych metod zasilania tych pojazdów.

Pod uwagę brane są różne rozwiązania, na przykład: korzystanie z trzeciej szyny wbudowanej w jezdnię albo wyposażenie tramwaju w zasobnik energii, na przykład akumulator, który byłby doładowywany na przystankach lub w czasie jazdy na odcinkach, na których tramwaj byłby zasilany w tradycyjny sposób.

Pierwsze tramwaje hybrydowe zasilane z sieci trakcyjnej, jak i z akumulatorów, są już użytkowane. W razie ich upowszechnienia się należałoby się jednak liczyć z pewnymi ograniczeniami.

O ile w technologii akumulatorów nie nastąpiłby w międzyczasie jakiś nagły przełom, dzięki któremu znacząco wzrosłaby ich pojemności, dotyczyłyby one długości trasy, jaką tramwaj byłby w stanie przebyć bez podłączenia do napowietrznej sieci trakcyjnej. Ograniczona byłaby też prędkość, do jakiej mógłby się wówczas rozpędzić.

CZĘŚĆ 2. ŁĄCZNOŚĆ Z POCIĄGAMI

Od kilku lat w Europie wprowadzany jest Europejski System Zarządzania Ruchem Kolejowym (European Rail Traffic Management System, ERTMS). ERTMS ma zapewnić interoperacyjność transportu kolejowego na różnych poziomach, od taboru, przez infrastrukturę (tory), zasilanie (sieć trakcyjną), systemy: sterowania, nadzoru nad pracą maszynistów i łączności, po przepisy regulujące ruch pociągów. Dzięki systemowi ERTMS europejska kolej ma się stać równocześnie szybsza oraz bezpieczniejsza, zaś przekraczanie granic pomiędzy państwami - swobodniejsze.

Europejski System Zarządzania Ruchem Kolejowym składa się z dwóch elementów. Są to: Europejski System Sterowania Pociągiem (European Train Control System, ETCS) i system łączności GSM-R (GSM-Railways).

Projektowanie sieci GSM-R Rys. 3. Komórki w sieci GSM Podczas projektowania sieci GSM-R niezwykle istotne jest, aby nie wpaść w pułapkę, która polega na przyjęciu ściśle takich samych założeń oraz stosowaniu się do takich samych zasad, jak w projektowaniu "zwykłych" sieci GSM. Nie powinno się tak postępować z powodu różnic występujących między tymi systemami łączności wynikających z odmienności ich zastosowań. Przede wszystkim, ponieważ za pośrednictwem kolejowych sieci GSM nawiązywana jest łączność z pociągami, powinno się uwzględnić wpływ, jaki na strukturę oraz organizację sieci komórkowej wywiera specyfika transportu kolejowego. W sieciach telefonii komórkowej GSM pokrycie zasięgiem sieci określonego obszaru jest uzyskiwane przez jego podzielenie na mniejsze, zachodzące na siebie na obrzeżach, komórki. Łącznością w ich obrębie zarządza stacja bazowa. Częstotliwości używane przez stacje przekaźnikowe, które obsługują sąsiadujące ze sobą komórki, różnią się. Zapobiega to interferencjom fal radiowych. Kształt i rozmieszczenie komórek w sieciach GSM zostały przedstawione na rysunku 3. Symbolicznie, różnymi literami, zaznaczono na nim różne częstotliwości. Komórki sieci GSM-R tymczasem mają kształt podłużny, a układają się liniowo, co zostało zobrazowane na rys. 4. Ma to swoje konsekwencje. Niezawodność transmisji jest priorytetem Na przykład dzięki temu nie jest wielkim problemem fakt, że operatorzy sieci GSM- R mają do dyspozycji węższe pasmo częstotliwości niż operatorzy sieci komercyjnych. Komórki w układzie liniowym na większości tras kolejowych nie sąsiadują bowiem ze sobą, w związku z czym nie występuje problem interferencji fal radiowych. Ze zjawiskiem tym trzeba się liczyć dopiero w miejscach, w których zbiega się wiele linii kolejowych. Przy tej okazji należy koniecznie wspomnieć o tym, że wymagania odnośnie do niezawodności transmisji w sieciach GSM-R są nieporównywalnie większe niż w przypadku sieci GSM. Jeżeli bowiem podczas "zwykłej" rozmowy przez telefon komórkowy jakość transmisji się obniży lub łączność na chwilę zostanie przerwana, raczej, wyłączając sytuacje specyficzne, jak rozmowa ze służbami ratunkowymi, życie żadnego z rozmówców nie będzie wtedy zagrożone. W przypadku sieci GSM-R tymczasem, utrata łączności nawet na odcinku kilku metrów może mieć katastrofalne skutki. Rozdzielczość map, badania w terenie Rys. 4. Komórki w sieci GSM-R Na sukces projektu kolejowej sieci GSM składa się wiele czynników. Na przykład, żeby możliwie jak najprecyzyjniej odwzorować warunki otoczenia, w tym różne przeszkody terenowe, które mogą zaburzać propagację fal radiowych, powinno się korzystać z jak najdokładniejszych map terenu. W tym miejscu warto zauważyć, że w związku z oczekiwanym poziomem niezawodności łączności w sieciach GSM-R, mapy o rozdzielczości rzędu kilkudziesięciu metrów są uznawane za zbyt mało precyzyjne. Przyjmuje się, że dopiero te o rozdzielczości kilku metrów mogą dostarczyć informacji o topografii terenu na wymaganym poziomie szczegółowości. Oczywiście można korzystać z map mniej dokładnych. Wówczas jednak w bilansie łącza radiowego trzeba założyć duży margines bezpieczeństwa. To z kolei pociąga za sobą nadmiarowość w zakresie liczby oraz parametrów urządzeń sieciowych. Z nią zaś wiążą się większe koszty. Modele komputerowe weryfikuje się w terenie. W tym celu bada się parametry transmisji testowych sieci GSM-R za pomocą aparatury pomiarowej przewożonej testowymi pociągami po testowych trasach. W porównaniu do sprawdzeń w terenie sieci GSM, ważną różnicą, która ma wpływ na procedury, analizę wyników i optymalizację projektu sieci GSM-R, jest duża szybkość, z jaką poruszają się pociągi w porównaniu do użytkowników sieci komercyjnej telefonii komórkowej.

GSM-R - KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA I PROJEKTOWANIE

Za pośrednictwem sieci GSM-R, tak jak w "zwykłych" sieciach GSM, można przesyłać głos, dane oraz wiadomości tekstowe. Oprócz tego na potrzeby kolei ich funkcjonalność uzupełniono o m.in.: możliwość nawiązania połączenia z konkretnym pociągiem, wywołania w oparciu o lokalizację, co w praktyce oznacza, że z danego pociągu można się połączyć bezpośrednio z aktualnie najbliższym dyspozytorem ruchu oraz wywołania grupowego.

Na terenie Unii Europejskiej pasmo, z którego można korzystać w sieciach GSM-R, obejmuje zakres częstotliwości od 876 do 880 MHz w przypadku łącza uplink oraz 921÷925 MHz w przypadku łącza "w dół". Odstęp międzykanałowy wynosi 200 kHz. Stosowana jest modulacja GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying) oraz technika TDMA (Time Division Multiple Access).

Podczas projektowania sieci GSM-R niezwykle istotne jest, aby nie wpaść w pułapkę, która polega na przyjęciu ściśle takich samych założeń oraz stosowaniu się do takich samych zasad, jak w projektowaniu "zwykłych" sieci GSM. Nie powinno się tak postępować z powodu różnic występujących między tymi systemami łączności wynikających z odmienności ich zastosowań. Szerzej specyfikę sieci GSM-R oraz jej wpływ na proces ich planowania przedstawiamy w ramce.

GSM-R ZMIENIŁ KOLEJ

Wprowadzenie tytułowego systemu kompletnie odmieniło kolejowy segment telekomunikacji w Europie. Pod koniec zeszłego stulecia zastąpił on bowiem łącznie 35 niezależnych analogowych systemów łączności, z których korzystały koleje na naszym kontynencie.

Dzięki temu nie tylko zapoczątkował on erę cyfrową na kolei, ale po raz pierwszy w historii zapewnił jej międzynarodową interoperacyjność, poprawił funkcjonalność i bezpieczeństwo. O sukcesie w zakresie jego wdrożenia, nie tylko w Europie, najlepiej świadczy fakt, że w minionym roku za pośrednictwem sieci GSM-R pociągi komunikowały się na liniach o łącznej długości ponad 100 tys. km, w 60 krajach na świecie, na 5 kontynentach.

Prawdopodobnie w kolejnych latach, zarówno w nowych projektach, jak i w przypadku istniejącej infrastruktury kolejowej, GSM-R pozostanie preferowanym standardem łączności. Główną tego przyczyną, pomimo szybkiego postępu w dziedzinie komercyjnych technologii łączności, będzie... brak alternatywy.

CO PRZYNIESIE PRZYSZŁOŚĆ?

Wraz z upływem lat starzenie się sieci telefonii komórkowej drugiej generacji będzie jednak coraz bardziej odczuwalne w zestawieniu z możliwościami sieci 4G i 5G, zaś dorównanie im - coraz trudniejsze i droższe. Operatorzy kolejowi w końcu będą musieli zastąpić istniejące sieci 2G nowszymi.

Prace nad nowym systemem łączności dla kolei, który miałby zacząć zastępować sieci GSM-R około 2021-2022 roku, już się rozpoczęły. Jak się jednak okazuje, nadal jest wiele niejasności w zakresie technologii, na jakiej nowy system miałby się opierać.

Pierwszym kandydatem wydają się sieci 4G LTE. Z drugiej jednak strony pojawiają się wątpliwości odnośnie do tego, czy warto inwestować w tę technologię w obliczu rozwoju sieci 5G, które mają być dostępne pod koniec dekady, zwłaszcza jeżeli weźmie się pod uwagę fakt, że około 2030 roku sieci LTE będą już przestarzałe, a właśnie do tego roku operatorzy kolejowi zobowiązali się utrzymywać sieci GSM-R.

CZĘŚĆ 3. AUTOMATYKA W METRZE

Automatyzacja zadania kierowania metrem ma wiele zalet. Przede wszystkim, ograniczając wpływ czynnika ludzkiego, zmniejsza się ryzyko popełnienia błędu w prowadzeniu pociągu, na przykład z powodu nieuwagi lub zmęczenia kierującego. Ponadto automatyzacja niektórych zadań skraca czas podróży tym środkiem transportu. Można również zaoszczędzić sporo energii, dzięki optymalizacji pod tym kątem etapów przyspieszania i hamowania składu.

Metro można zautomatyzować na kilku poziomach (Grade of Automation, GoA). Zestandaryzowano je w normie IEC 62267 Railway applications - Automated urban guided transport - Safety requirements.

JAK ZAPOBIEC KOLIZJI?

Poziom 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, zapobiegając kolizjom i nie dopuszczając do: ignorowania przez kierującego sygnałów ostrzegawczych i przekraczania dopuszczalnej prędkości, dzięki uruchomieniu w razie potrzeby automatycznego hamowania.

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, żeby 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.

JAKA PRĘDKOŚĆ JEST BEZPIECZNA?

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.

JAKIE SYSTEMY ZASTĘPUJĄ MASZYNISTĘ?

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.

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.

W metrze UTO wdraża się 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 drugi odbiera sygnały sterujące. Pozwala to na prowadzenie ruchu w oparciu o tzw. ruchome odstępy blokowe.

STAŁE ODSTĘPY BLOKOWE VS. RUCHOME

Tematy numerów w kolejnych miesiącach

W przypadku stałych odstępów blokowych trasa zostaje podzielona na odcinki o niezmiennych długościach, których początek oraz koniec wyznaczają semafory. Kiedy jeden skład wjeżdża na wydzielony fragment toru, stan sygnalizacji zmienia się w taki sposób, aby odseparować go od składu jadącego z tyłu.

Ponownie zmienia się on, umożliwiając wjazd temu drugiemu, kiedy pierwszy znajdzie się na kolejnym odstępie blokowym. Wymóg zachowania pomiędzy składami zawsze jednego wolnego odstępu blokowego o stałej długości sprawia, że możliwości skrócenia czasu następstwa (headway), od którego zależy częstotliwość kursowania pociągów, są ograniczone.

W przypadku odstępów o zmiennej długości na bezpieczną odległość między składami jadącymi jeden po drugim składa się długość drogi hamowania i marginesu bezpieczeństwa. Pierwsza z nich jest co jakiś czas aktualizowana przez system nadrzędny i na bieżąco przesyłana do urządzeń pokładowych. Dzięki temu kolejny pociąg nie musi się już zatrzymywać na granicy bloków, obydwa składy są zatem w ciągłym ruchu. Pozwala to bardziej skrócić czas następstwa.

Monika Jaworowska