Część 2: Pociągi autonomiczne. łączność nowej generacji

Transport szynowy można zautomatyzować na kilku poziomach (Grade of Automation, GoA), które zostały zestandaryzowane w normie IEC 62267 Railway applications, Automated urban guided transport, Safety requirements. Na poziomie zerowym według tej klasyfikacji maszynista prowadzi i obsługuje pojazd, m.in. otwiera i zamyka drzwi wagonów, samodzielnie, w oparciu tylko o własną obserwację i ocenę sytuacji na linii i w pociągu oraz sygnalizację przytorową. Poziom pierwszy (GoA 1) oznacza, 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, aby kierujący ignorował sygnały ostrzegawcze i przekraczał dopuszczalną prędkość, dzięki temu, że uruchamia w razie potrzeby automatyczne hamowanie.

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 otwieranie jego drzwi odpowiada system ATO. Kierujący może ewentualnie ingerować w sytuacji awaryjnej.

Na poziomie GoA 3 (Driverless Train Operation, DTO) natomiast pociąg jest sterowany, a jego ruch nadzorowany automatycznie, bez udziału człowieka. Zautomatyzowany jest więc rozruch, przejazd między stacjami, hamowanie, otwieranie drzwi. Obsługa pociągu zamyka drzwi i interweniuje 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.

Wyzwania do pokonania

Zanim pojazdy poruszające się po torach bez maszynistów będą rzeczywistością, należy rozwiązać szereg kwestii technicznych. Chociaż 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. Dlatego niestety nie można go rozwiązać przez przeniesienie wprost rozwiązań opracowanych na potrzeby innych systemów z pełną autonomią, jak na przykład autonomiczne samochody.

Jedną z głównych trudności jest konieczność zintegrowania wielu podsystemów, które odpowiadają za różne aspekty ruchu kolejowego, jak: monitorowanie stanu torów, kontrolowanie pozycji innych pociągów i fizycznej integralności 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 albo nawet zatrzymać skład. Taka zawodność systemu sterowania pociągiem i będące jej konsekwencją opóźnienia i przestoje z pewnością szybko zniechęciłyby pasażerów.

Kolejne wyzwanie to 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 również utrudnia prace nad uniwersalnym systemem autonomicznym. W tym zakresie jednak jest nadzieja na ułatwienia wraz z postępem we wdrażaniu systemu ERTMS (European Rail Traffic Management System). Jest to wprowadzany od kilku lat w Europie system zarządzania ruchem kolejowym, który zapewnia 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.

Oprócz tego środowisko kolei jest trudniejsze z punktu widzenia sterowania autonomicznego niż metro ze względu na m.in.: duże odległości między stacjami w otwartej przestrzeni, rozbudowaną sieć stacji oraz eksploatację przez wiele przedsiębiorstw kolejowych, pasażerskich i towarowych. Ważna jest również specyfika samych pojazdów. Na przykład droga hamowania pociągu, która jest funkcją jego wagi, ładunku oraz prędkości, w przypadku pociągu pasażerskiego składającego się z dziesięciu wagonów, poruszającego się z prędkością 100 km/h, wynosi aż około pół kilometra. Wykrywanie przeszkód i analizowanie stanu sygnalizatorów z takim wyprzedzeniem nie są proste do realizacji. Ponadto 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 starannie przetestowany pod kątem jego niezawodności i bezpieczeństwa pasażerów i otoczenia.

Nowe technologie na kolei

Systemy autonomiczne opierają się na schemacie działania, który obejmuje trzy etapy, powtarzające się cyklicznie. Są to: pozyskanie informacji, ich przetwarzanie, podjęcie na tej podstawie decyzji i konkretnych działań. Pierwsze to dane dotyczące m.in. stanu składu i sytuacji na trasie. Ich źródłem mogą być inne systemy i bezpośrednio czujniki na pokładzie pociągu i 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.

Żeby osiągnąć pełną autonomię, pociągi będą 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, dlatego sieci GSM-R prawdopodobnie w nieodległej przyszłości zastąpią sieci 5G, zapewniające 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). Pierwszych wdrożeń FRMCS będzie można oczekiwać prawdopodobnie około 2025 roku. Oznacza to, że przez pewien czas GSM-R i FRMCS będą działać równolegle. Operatorzy kolejowi już zaczynają planować migrację istniejących sieci do nowego standardu.

Niepewna przyszłość FRMCS

Przejście na FRMCS jest konieczne z dwóch powodów. Po pierwsze umożliwi cyfryzację kolei. Naciski na to pojawiają się już od dawna wraz z nowymi pomysłami na zagospodarowanie sieci o większej przepustowości, m.in. do automatyzacji pociągów, monitorowania infrastruktury w czasie rzeczywistym oraz strumieniowania rozrywki dla pasażerów. Po drugie, technologia 2G, na której bazuje GSM-R, jest już przestarzała i wkrótce dostawcy rozwiązań telekomunikacyjnych nie będą zapewniać dla niej wsparcia.

Z drugiej jednak strony spodziewany jest opór przed wdrażaniem standardu FRMCS. Jest bowiem jasne, że w obecnej globalnej sytuacji charakteryzującej się ciągłą niepewnością związaną z wojną i pandemią operatorzy kolejowi i zarządcy infrastruktury muszą wybierać między konkurencyjnymi potrzebami inwestycyjnymi. Istnieją w związku z tym obawy, że wydatki na ulepszenie majątku trwałego, modernizowanie infrastruktury, taboru kolejowego i systemów sygnalizacji mogą mieć wyższy priorytet niż inwestycje w łączność nowej generacji.