Transport szynowy i automatyka

Część 1. Metro – zasilanie i instalacje użytkowe

Metro to podziemna kolej miejska wykorzystywana w przewozach pasażerskich. Jest budowane w taki sposób, aby nie kolidowało z innymi środkami transportu miejskiego. Podstawową jednostką organizacyjną sieci metra jest linia. Stanowi ona wyodrębniony, ciągły układ torów ze stacjami, z peronem i urządzeniami eksploatacyjnymi, które służą do obsługi ruchu pasażerskiego, i szlakami, czyli odcinkami torów między stacjami. Linia metra ma zapewniony dojazd do stacji techniczno-postojowej. Rozmieszcza się na niej również tory odstawcze, na których pozostawione są składy wyłączone z ruchu oraz tory do zawracania pociągów. Od linii mogą odchodzić odgałęzienia i łącznice z innymi liniami.

Jak jest zasilane metro?

Energia elektryczna na linie metra jest dostarczana za pośrednictwem podłączonych do publicznej sieci energetycznej podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych. Zasilają sieć trakcyjną i urządzenia własne stacji. Sieć trakcyjna składa się z sieci jezdnej oraz powrotnej. Pierwsza (trzecia szyna) jest dodatnim biegunem obwodu zasilania. Sieć powrotną stanowi zespół szyn, będących ujemnym biegunem obwodu zasilania, połączonych elektrycznie kablami stanowiącymi obwód powrotny prądów trakcyjnych. Podstacje i sieć trakcyjna powinny spełniać wytyczne przepisów, które ich dotyczą. Przykład to rozporządzenie ministra infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać obiekty metra w Polsce.

Zgodnie z nim system zasilania metra powinien dostarczać energię elektryczną o parametrach odpowiednich do potrzeb oraz być bezpieczny, zapewniając ochronę m.in. przed porażeniem prądem elektrycznym, przepięciami, pożarem, wybuchem. Odległość pomiędzy podstacjami, ich wyposażenie, parametry sieci jezdnej i powrotnej muszą uwzględniać m.in.: spodziewane natężenie ruchu, typ, prędkość, wagę pojazdów szynowych, poziom niezawodności zasilania wymagany w warunkach normalnych i sytuacjach awaryjnych. Podstacje, linie je zasilające i sieć trakcyjna muszą być ponadto przystosowane do współpracy z pojazdami wyposażonymi w urządzenia do hamowania odzyskowego.

Podstacje i sieć trakcyjna w świetle przepisów

Podstacje trakcyjno-elektroenergetyczne muszą być zasilane dwoma odrębnymi liniami kablowymi, z dwóch niezależnych GPZ-ów (głównych punktów zasilających) publicznej sieci energetycznej. Dodatkowo powinny być wyposażone w linię kablową zasilania awaryjnego, doprowadzoną z sąsiednich podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych. Na podstacji muszą znajdować się dwa transformatory zasilane z różnych sekcji rozdzielnicy SN, dostarczające energię elektryczną na potrzeby nietrakcyjne danej stacji i połowy długości tuneli do sąsiednich stacji. Na stacjach metra, gdzie nie ma podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych, powinny znajdować się podstacje zasilane liniami kablowymi z dwóch sąsiednich obiektów tego typu. Generalnie podstacje muszę być także przystosowane do pracy z obsługą, jak i zdalnego sterowania. Obowiązkowe jest wyposażenie je w system wentylacji albo klimatyzacji i stałe samoczynne urządzenia gaśnicze.

Zasilanie sieci trakcyjnej więcej niż jednej linii metra z jednej podstacji trakcyjno-elektroenergetycznej jest dozwolone tylko, jeżeli każda z linii jest zasilana z oddzielnego prostownika tej podstacji i przez wydzielone sekcje szyn zbiorczych, zasilającej oraz powrotnej. Kable sieci trakcyjnej należy prowadzić tak, by nie naruszały torów (w miejscach skrzyżowań z nimi powinno się je układać w rurach przepustowych) ani urządzeń przytorowych. Sieć jezdna powinna być wykonana z materiałów dobrze przewodzących oraz odpornych na ścieranie, a w obrębie peronów pasażerskich i technologicznych musi być zabezpieczona osłoną izolacyjną.

Powinna być dzielona na sekcje zasilane dwustronnie z podstacji trakcyjno- elektroenergetycznych w sąsiedztwie. Odcinki stanowiące jedną sekcję muszą być połączone łącznikami albo kablami. Na początku i końcu odcinka między przerwami trzeciej szyny wymagany jest wślizg zabezpieczający odbieraki prądu w pojeździe metra przed uszkodzeniami mechanicznymi.

Przykład: zasilanie metra w warszawie

W warszawskim metrze podstacje trakcyjno-elektroenergetyczne są rozmieszczone na co drugiej stacji, w tym na pierwszej i ostatniej stacji danego odcinka linii metra. Każda z nich jest zasilana napięciem 15 kV doprowadzonym z najbliższego Rejonowego Punktu Zasilania (RPZ) publicznej sieci elektroenergetycznej dwoma liniami kablowymi wyprowadzonymi z różnych sekcji szyn RPZ. Zostały one poprowadzone różnymi trasami, co stanowi zabezpieczenie na wypadek awarii – w przypadku zaniku napięcia w jednej linii, następuje samoczynne przełączenie i podstacja jest zasilana z drugiej linii. Na wypadek braku napięcia na obu liniach przewidziano zasilanie rezerwowe z dwóch sąsiednich podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych. W tym celu wzdłuż całej linii metra ułożono zapasowe kable 15 kV. Załączyć je może wyłącznie dyspozytor, po wcześniejszym wyłączeniu zasilania podstawowego.

Zadaniem podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych jest przetworzenie napięcia przemiennego 15 kV na napięcie stałe 750 V potrzebne do zasilania trzeciej szyny i napięcie 400/230 V, zasilające urządzenia własne stacji metra. Podstacje energetyczne (transformatory i rozdzielnice niskiego napięcia) zasilające odbiorniki nietrakcyjne są podłączone do sąsiednich podstacji trakcyjno-energetycznych.

Sieć trakcyjna w warszawskim metrze

Sieć trakcyjna metra warszawskiego została podzielona na sekcje. Długość przerw między nimi, wynoszącą piętnaście metrów, dobrano tak, aby uniemożliwić zwarcie dwóch sąsiednich sekcji odbierakami prądowymi wagonu. Każdą sekcję dla jednego kierunku ruchu zasilają zasilacze trakcyjne, wyprowadzone z rozdzielnic prądu stałego z dwóch kolejnych podstacji trakcyjno-elektroenergetycznych. Do włączenia i odłączenia napięcia służą odłączniki sieci trakcyjnej z napędem silnikowym.

Sieć jezdną zamocowano do podbudowy betonowej, a na odcinkach naziemnych do podkładu drewnianego nawierzchni torowej. Węzeł zamocowania trzeciej szyny podtrzymuje ją oraz zapewnia izolację elektryczną. W warszawskim metrze zastosowano odbiór prądu z dolnej powierzchni sieci jezdnej przez ślizgowe łapy odbieraków, w które wyposażono wagony.

Jej zakończenie wślizgami o odpowiednim skosie zapewnia ich płynne wejście. Sieć powrotną stanowią szyny jezdne oraz kable powrotne do dławików torowych do ujemnego bieguna podstacji trakcyjnej. Połączenie między torami zostało wykonane kablami spinającymi punkty środkowe dławików.

Hamowanie z odzyskiem i magazyny energii

Kilka czynników skłania przewoźników do ograniczania zużycia energii elektrycznej. Ważna jest oczywi ście ochrona środowiska – celem jest zmniejszenie emisji zanieczyszczeń, ale w interesie operatorów taboru nie jest, żeby odbywało się to kosztem niższej ładowności. Powinni to także pogodzić z rosnącym zapotrzebowaniem na usługi transportowe, któremu muszą sprostać. Poza tym starają się ciąć koszty eksploatacyjne, jednak bez obniżenia standardu przewozów.

Jednym ze sposobów na zmniejszenie energochłonności pojazdów szynowych jest ograniczanie strat energii elektrycznej. W przypadku taboru szynowego ich istotnym źródłem jest energia kinetyczna podczas hamowania zamieniana na ciepło. W związku z tym w pojazdach tego rodzaju wprowadzane są rozwiązania umożliwiające jej odzysk (rekuperację). Odzyskaną energię elektryczną można ponownie użyć, poprawiając dzięki temu bilans energetyczny systemu transportu.

W tym celu pojazdy szynowe wyposaża się w układy napędowe umożliwiające hamowanie rekuperacyjne. Energię elektryczną odzyskaną w ten sposób można wykorzystywać na różne sposoby. Przykładowo jest przekazywana do sieci trakcyjnej, co pozwala na utrzymanie w niej prawidłowego poziomu napięcia albo zasilenie bezpośrednie innego pojazdu, który właśnie się rozpędza – to wymaga jednak skoordynowania rozkładów jazdy poszczególnych składów metra. Może też zasilić instalacje użytkowe pojazdu (oświetlenie, wentylację). Jeszcze inne rozwiązanie zostało wdrożone na drugiej linii metra w Warszawie – zainstalowano tam zasobnik energii. Jej nadwyżki, które są w nim magazynowane można wykorzystywać później, według potrzeb, w dowolnej chwili.

Instalacje użytkowe w metrze – oświetlenie i wentylacja

Przepisy wymagają, by w pomieszczeniach, w których przebywają ludzie, zapewniono oświetlenie podstawowe oraz awaryjne, a w tunelach – awaryjne. Ważne, aby oświetlenie w tunelu wykonano w oprawach z osłonami uniemożliwiającymi olśnienie maszynistów. Samoczynnie załączające się oświetlenie awaryjne powinno być zasilane z sieci oświetlenia podstawowego, zaś w razie zaniku napięcia musi się automatycznie przełączać na zasilanie z własnych akumulatorów i działać przez co najmniej trzy godziny od momentu zaniku oświetlenia podstawowego. Przepisy wymagają też, by natężenie oświetlenia mierzone na poziomie posadzki było nie mniejsze niż 100 lx. W metrze warszawskim na przykład zapewnione są następujące poziomy natężenia światła: na stacjach przy krawędzi peronu – 250 lx, na peronie, w przejściach – 200 lx, a w pomieszczeniach technicznych, jak dyspozytornia – 300 lx. Natężenie oświetlenia bezpieczeństwa wynosi 10% podstawowego.

Oświetlenie jest jedną z bardziej energochłonnych instalacji użytkowych w metrze. W związku z tym, żeby ograniczyć jego negatywny wkład w bilans energetyczny tych obiektów, podejmuje się starania, by było bardziej energooszczędne. Działa się w tym kierunku dwutorowo. Kluczowe są decyzje podejmowane na etapie przygotowywania projektu instalacji oświetleniowej – jedną z ważniejszych jest wybór energooszczędnego typu lamp. Obecnie za najefektywniejsze uznane są lampy LED. Dlatego w nowych projektach są standardem, a w starszych instalacjach coraz częściej w ramach modernizacji zastępują lampy fluorescencyjne. Ponadto popularyzują się inteligentne systemy sterowania oświetleniem. Przewidują one automatyczne przełączanie natężenia światła między różnymi scenariuszami, w zależności od sposobu pracy metra i natężenia przepływu pasażerów. Przykładowe tryby to: normalny, energooszczędny, pożarowy i awaryjny albo szczytu świątecznego, dnia powszedniego, niskiego natężenia ruchu, konserwacji.

Część 2. Zarządzanie ruchem na kolei

Szybki i bezpieczny transport szynowy wymaga jednoczesnego koordynowania i nadzorowania ruchu wielu pojazdów. Co więcej, by kolej była w stanie wciąż konkurować z innymi środkami transportu, nie wystarczy już, by zapewnione było to na obszarze wyłącznie jednego państwa – wymagana jest interoperacyjność międzynarodowych szlaków kolejowych. Pociągi będą dzięki temu przekraczać granice bez konieczności zatrzymywania się w celu dokonania jakichkolwiek czynności technicznych, na przykład zmiany lokomotywy. Żeby było to możliwe, konieczne jest zharmonizowanie wymagań technicznych obowiązujących w transporcie kolejowym w różnych krajach. Podstawowym środkiem prowadzącym do uzyskania interoperacyjności jest wdrożenie Europejskiego Systemu Zarządzania Ruchem Kolejowym (ERTMS). Ma on zastąpić dotychczas obowiązujące w poszczególnych państwach systemy kontroli i komunikacji na kolei.

Jak działa SHP? czym jest Radio-stop?

Na polskiej kolei bezpieczeństwo jazdy pociągów jest nadzorowane przez system Samoczynnego Hamowania Pociągu (SHP), natomiast systemem łączności jest radio PKP z funkcją Radio-Stop. Zadaniem SHP jest kontrolowanie czujności maszynisty w krytycznych miejscach na trasie (na dojeździe oraz wyjeździe ze stacji) – jeśli kierujący nie zareaguje na sygnał z systemu, który go ostrzega, że pociąg zbliża się do semafora, pojazd zostanie automatycznie zatrzymany. SHP nie rozpoznaje sygnałów semafora, a jedynie alarmuje, a następnie monitoruje reakcję maszynisty. Działa przy prędkościach jazdy nieprzekraczających 160 km/h.

System Samoczynnego Hamowania Pociągu składa się z części kabinowej i przytorowej. Pierwszą, zamontowaną w lokomotywie, stanowią generator oraz elektromagnes, a drugą – rezonator torowy. W SHP wykorzystywane jest sprzężenie magnetyczne – kiedy czujnik w lokomotywie znajdzie się nad elektromagnesem torowym generowany jest impuls, który aktywuje sygnalizację świetlną oraz dźwiękową w kabinie. By je wyłączyć maszynista musi zareagować, wciskając właściwy przycisk. Inaczej rozpoczyna się hamowanie. Pociąg można znów rozpędzić, dopiero kiedy zostanie całkiem zatrzymany.

Zaletą systemu Samoczynnego Hamowania Pociągu jest duża niezawodność – wynika to stąd, że urządzenia przytorowe są nieskomplikowane, dzięki czemu cechuje je niska awaryjność. Nie ma także potrzeby ich regulowania – okresowo trzeba tylko sprawdzać, czy są dobrze zamocowane do szyn i kontrolować ich parametry elektryczne. SHP ma ograniczoną rolę – odpowiada tylko za bezpieczeństwo, nie wpływa natomiast na przepustowość linii.

Kolejnym zabezpieczeniem jest Radio-Stop. Jest to system hamowania działający w ramach radiołączności pociągowej. Po odebraniu sygnału Radio-Stop pociąg zatrzymuje się w trybie hamowania nagłego, na co maszynista nie ma wpływu.

Czym jest ERTMS? jak działa ERTMS/ETCS?

ERTMS obejmuje Europejski System Sterowania Pociągiem (ERTMS/ETCS) i Globalny System Kolejowej Radiokomunikacji Ruchomej (ERTMS/GSM-R). W porównaniu do obowiązującego systemu Samoczynnego Hamowania Pociągu system ERTMS/ETCS zapewnia sygnalizację w kabinie, jednocześnie kontrolując pracę maszynisty. Ważne jest zwłaszcza to pierwsze, gdyż pozwala na przedstawienie kierującemu sytuacji panującej na linii kolejowej na pulpicie w lokomotywie, a nie jak do tej pory, wyłącznie za pośrednictwem semaforów wzdłuż torów.

Maszynista nie opiera się zatem już jedynie na własnej ocenie mijanych po drodze oznaczeń i ostrzeżeń. Ułatwia to podejmowanie decyzji dostosowujących parametry jazdy do warunków aktualnie panujących na trasie. Oprócz tego zapobiega błędom ludzkim spowodowanym na przykład utrudnioną widocznością semaforów lub nieznajomością szlaku przez maszynistę. Dostępność sygnalizacji kabinowej umożliwia również rozpędzenie pojazdu do prędkości przekraczających 160 km/h, przy których osoba zasiadająca za pulpitem sterowniczym miałaby już trudność z interpretacją przytorowej sygnalizacji.

Kompleksowo wdrożony system ERTMS/ETCS nie tylko wspomaga pracę maszynisty, lecz również ją nadzoruje. Kontrola kierującego jest zrealizowana w następujący sposób – jeżeli maszynista nie prowadzi pociągu zgodnie z poleceniem – na przykład jedzie za szybko lub oszacowana droga hamowania składu jest zbyt długa, nieprawidłowości te są mu najpierw sygnalizowane. Jeżeli nie reaguje, ignorując ostrzeżenia, i jeżeli sytuacja tego wymaga, rozpoczyna się automatyczne hamowanie składu.

Jaką funkcję pełni GSM-R?

Wyróżnić można trzy poziomy podstawowe systemu ERTMS/ ETCS oraz dwa pomocnicze (patrz: ramka). Wykorzystuje się w nim cyfrową transmisję danych za pośrednictwem, w zależności od poziomu: eurobalis, które są instalowane w osi toru w miejscach, gdzie na szlaku rozstawiono semafory, europętli, czyli kabli koncentrycznych promieniujących, układanych w stopce szyn, zwiększających zasięg działania eurobalis oraz łączności radiowej GSM-R.

Ostatnia poza transmisją głosu, danych, wiadomości tekstowych umożliwia nawiązanie połączenia z konkretnym pociągiem, wywoływanie bazujące na lokalizacji, co oznacza, że z pociągu można połączyć się bezpośrednio z najbliższym dyspozytorem ruchu, oraz wywołania grupowe. W Unii Europejskiej pasmo, z którego można korzystać w sieciach GSM-R, obejmuje częstotliwości w przedziale 876... 880 MHz w przypadku łącza uplink oraz 921...925 MHz w łączu "w dół".

Korzyści z systemu ERTMS

Kompletne wdrożenie systemu ERTMS przyniesie wiele korzyści. Oczywistą jest zwiększenie bezpieczeństwa pasażerów, dzięki temu, że system ETCS zwiększy stopień zautomatyzowania czynności kierowania pociągiem, w porównaniu z dotychczasowymi systemami sterowania ruchem kolejowym. Z punktu widzenia podróżnych ważne jest oprócz tego to, że poprawi on niezawodność przewozów, co z kolei przełoży się na większą punktualność pociągów. Dodatkowo, dzięki temu, że system ERTMS umożliwia rozpędzenie pociągów do prędkości nawet 500 km/h, znacząco skróci się czas podróżowania. Istnieje również szansa na znaczące zwiększenie liczby kursów, dzięki temu, że zwiększy się przepustowość na istniejących liniach – można tego oczekiwać, gdyż system ERTMS zmniejsza czas następstwa pociągów, od którego z kolei zależy częstotliwość ich kursowania. Do korzyści, ważnych z punktu widzenia przewoźników, zaliczyć można niższe koszty utrzymania – system ERTMS poziomu 2 nie wymaga sygnalizacji przytorowej. Skorzystają także dostawcy podzespołów – ich wspólna dla całej Unii Europejskiej specyfikacja ułatwi produkcję. Z tym związane są kolejne pozytywy – jednolity system będzie łatwiejszy w instalacji i utrzymaniu, zaś rynek dostawców jego komponentów bardziej konkurencyjny, co wpłynie na obniżenie cen. W ramce z harmonogram wdrażania systemu ERTMS można przeczytać, kiedy prawdopodobnie pasażerowie, jak i przewoźnicy w Polsce odczują te korzyści.

Część 3. Autonomiczny transport szynowy

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

Poziom zerowy opisuje sytuację, w której maszynista prowadzi i obsługuje pojazd, m.in. otwiera i zamyka drzwi, samodzielnie, w oparciu jedynie na własnej obserwacji sytuacji na linii i w pociągu oraz sygnalizacji 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 tego, by kierujący ignorował sygnały ostrzegawcze i przekraczał dopuszczalną prędkość, dzięki temu, że uruchamia w razie potrzeby automatyczne hamowanie.

Pociąg autonomiczny, czyli jaki?

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 pomiędzy stacjami, hamowanie oraz otwieranie drzwi. Obsługa pociągu może zamykać drzwi i interweniować w sytuacji awaryjnej. Na poziomie GoA 4 (Unattended Train Operation, UTO) wszystkie zadania są zautomatyzowane, a na pokładzie nie ma maszynistów ani innej obsługi. Kierującego na pokładzie pociągu UTO zastępuje system ATO, nadzorowany przez system ATP.

Przyszłość bez maszynistów nie taka prosta

Chociaż to samochody autonomiczne przyciągają najwięcej uwagi, w wyścigu o pełną autonomię bierze także udział transport szynowy – metro oraz pociągi. Aby pojazdy poruszające się po torach bez maszynistów stały się rzeczywistością, należy wcześniej rozwiązać szereg kwestii technicznych.

Choć mogłoby się wydawać, iż fakt że pociągi przemieszczają się w sposób zorganizowany, po szynach, znacznie usprawni wdrażanie w nich najwyższego poziomu zautomatyzowania sterowania, nie jest to wcale takie oczywiste – poza tym wiele czynników sprawia bowiem, że sterowanie takim pojazdem jest nietypowym zagadnieniem, którego niestety nie można rozwiązać przez przeniesienie wprost rozwiązań opracowanych na potrzeby na przykład autonomicznych samochodów.

Jedną z największych trudności jest konieczność zintegrowania wielu podsystemów, które odpowiadają za różne aspekty ruchu kolejowego, jak: monitorowanie stanu torów, kontrola pozycji innych pociągów i fizycznej integralności danego składu, czy określenie odległości wymaganej do bezpiecznego hamowania. W przypadku, gdy którykolwiek z nich nie będzie w stanie, z jakiegokolwiek powodu, dokładnie ocenić sytuacji, a tym samym podjąć decyzji co do dalszych działań, będzie zmuszony prewencyjnie zwolnić lub zatrzymać skład. Taka zawodność systemu sterowania pociągiem i wynikające z niej opóźnienia oraz przestoje z pewnością bardzo szybko zniechęciłyby pasażerów.

Wyzwania w projektowaniu autonomicznej kolei

Kolejnym wyzwaniem jest interpretacja sygnalizacji kolejowej – w niektórych państwach w tym zakresie przewidziano wiele różnych kombinacji stanów sygnalizatorów, znacznie więcej niż w sygnalizacji ulicznej. To z pewnością wpłynie na stopień skomplikowania systemów ich analizy. Różnorodność typów pociągów i standardów infrastruktury kolejowej dodatkowo utrudnia prace nad uniwersalnym systemem autonomicznym – w tym zakresie jednak jest nadzieja na ułatwienia wraz z postępem we wdrażaniu systemu ERTMS. Warto tutaj zauważyć, że środowisko kolei jest trudniejsze z punktu widzenia sterowania autonomicznego, niż na przykład metro, ze względu na m.in.: duże odległości między stacjami w otwartej przestrzeni, rozbudowaną sieć stacji oraz eksploatację przez wiele przedsiębiorstw kolejowych, w tym pasażerskich i towarowych.

Ważna jest także specyfika samych pojazdów. Przykładowo droga hamowania pociągu, będąca funkcją jego wagi, ładunku i prędkości, w przypadku pociągu pasażerskiego składającego się z dziesięciu wagonów, poruszającego się z prędkością 100 km/h, wynosi aż około 500 metrów. Wykrycie przeszkód i analiza stanu sygnalizatorów z takim wyprzedzeniem nie są proste do zrealizowania.

Oprócz tego pod uwagę trzeba wziąć trudności w dostępie do infrastruktury kolejowej, które są nieporównywalnie większe niż w przypadku zwykłych dróg. Tymczasem nie może być mowy o certyfikowaniu ani komercjalizacji systemu autonomicznego, który wcześniej nie zostanie bardzo starannie przetestowany pod kątem jego niezawodności oraz bezpieczeństwa pasażerów i otoczenia.

Systemy autonomiczne a nowe technologie

Wszystkie systemy autonomiczne opierają się na podobnym schemacie działania, który obejmuje trzy etapy, powtarzające się cyklicznie. Są to: pozyskanie informacji, ich przetwarzanie, podjęcie na tej podstawie decyzji i konkretnych działań. Te pierwsze to dane dotyczące m.in. stanu składu czy sytuacji na trasie. Ich źródłem mogą być inne systemy i bezpośrednio, czujniki na pokładzie pociągu oraz w elementach infrastruktury kolejowej. W procesie przetwarzania ważne jest to, jak skutecznie system autonomiczny jest w stanie rozpoznać wśród surowych informacji te użyteczne i je zinterpretować, by uzyskać obraz świata rzeczywistego wystarczająco dokładny do jego potrzeb. Przykładowo autonomiczny system sterowania pociągiem musi być w stanie bezbłędnie rozpoznać różnicę między zwierzęciem a człowiekiem, czy dostrzec różnicę między robotnikiem torowym a intruzem. Kolejny aspekt etapu przetwarzania informacji to podejmowanie decyzji w reakcji na bieżące okoliczności. Do tego niezbędne są kryteria, które znajdą zastosowanie do pozyskanych danych, wiedza w konkretnej dziedzinie oraz zdolność do uczenia się. W ten sposób system może podjąć decyzję samodzielnie. Ta następnie powinna zostać wdrożona przez wydanie instrukcji dla elementów automatyki, które decyzje systemu sterowania, jak hamowanie czy rozpędzenie pociągu wprowadzą w życie.

Aby osiągnąć pełną autonomię, pociągi będą zatem musiały być naszpikowane czujnikami. Do obróbki danych i podejmowania samodzielnych decyzji wymagane będzie wykorzystanie technik sztucznej inteligencji, jak uczenie maszynowe. Niezbędna będzie też szybka i niezawodna łączność, w czym sieci GSM- R prawdopodobnie w nieodległej przyszłości zastąpią sieci 5G, dzięki temu, że zapewniają większą prędkość transmisji i mniejsze opóźnienia. Dostrzegając ich potencjał, Międzynarodowy Związek Kolei UIC (Union internationale des chemins de fer) już rozpoczął prace nad standardem Future Railway Mobile Communications System (FRMCS). Przewiduje się, że pierwszych wdrożeń FRMCS można oczekiwać około 2025 roku. Oznacza to, że przez kilka lat GSM-R i FRMCS będą działać równolegle. Operatorom kolejowym zaleca się wcześniejsze planowanie migracji istniejących sieci do przyszłego standardu FRMCS, jeśli mają w pełni wykorzystać ich możliwości.

Podsumowanie

Wiele czynników może spowolnić wdrażanie i upowszechnianie się autonomicznego transportu szynowego. Nie ma jednak wątpliwości, że wkrótce nowoczesne technologie na to pozwolą, a liczne zalety pełnej autonomii (zwiększona przepustowość linii kolejowych, skrócenie czasu podróży, większa dostępność infrastruktury) będą czynnikiem zachęcającym. W przypadku autonomicznych pociągów pytanie zatem brzmi nie, czy?, ale kiedy? zapoczątkują one trzecią, po wprowadzeniu trakcji elektrycznej i upowszechnieniu się kolei dużych prędkości, kolejową rewolucję. Pierwsze próby w tym zakresie są już zresztą podejmowane od jakiegoś czasu, a przełomowymi mogą się okazać szczególnie najbliższe lata.

Przykładowo operator East Japan Railway (JR East) zamierza przetestować bezzałogowe szybkie (260 km/h) pociągi Shinkansen serii E-7. W tym celu przeprowadzonych zostanie kilka przejazdów próbnych 12-wagonowego składu na dystansie 5 km. Podczas testów maszyniści będą obecni na pokładzie, ale będą mogli jedynie reagować na ewentualne sytuacje awaryjne. Testy zaplanowano na październik i listopad przyszłego roku w prefekturze Niigata. JR East podejmuje starania w kierunku zautomatyzowania pracy kolei dużych prędkości ze względu na brak pracowników.

Podobnie firma Alstom jakiś czas temu ogłosiła szczegóły projektu przetestowania systemu ATO na poziomach GoA 3 oraz 4 w dwóch regionalnych pociągach Coradia Continental eksploatowanych w Dolnej Saksonii. Rozpoczął się on na początku 2021. Najpierw postanowiono dokonać oceny wybranych torów i sprzętu. Jesienią 2022 roku przeprowadzone zostaną testy linii, które mają potrwać dziewięć miesięcy. Na rok później z kolei zaplanowano próbne przejazdy z pasażerami. Poza tym na świecie działają już w pełni autonomiczne linie kolejowe (patrz: ramka).

Monika Jaworowska

W artykule wykorzystano informacje zamieszczone na stronie https://www.metro.waw.pl/.