SATLOC — система управления движением поездов на базе спутниковой навигации для малодеятельных линий

SATLOC — система управления движением поездов на базе спутниковой навигации для малодеятельных линий

saltocИсследовательский проект SATLOC, реализуемый под руководством МСЖД и при поддержке Европейского агентства спутниковой навигации (GSA), направлен на изучение возможных вариантов создания экономически эффективной системы управления движением поездов на малодеятельных железнодорожных линиях. В системе используются бортовое устройство определения местоположения поезда на базе спутниковой навигации, сигнализация в кабине машиниста и технология пакетной передачи данных на основе ETCS уровня 3 с адаптированным центром радиоблокировки RBC.

Основная цель проекта SATLOC состоит в продвижении спутниковой навигации в качестве основной системы безопасного определения местоположения поездов на малодеятельных и региональных линиях. Доля таких линий категории Е по классификации МСЖД составляет примерно 40% в Европе, а за ее пределами — еще выше. Определение местоположения поездов на основе спутниковой навигации позволит создать экономически эффективную систему управления движением поездов на малодеятельных линиях. Еще одной целью проекта SATLOC является установление стандарта на подобные системы с позиций железных дорог.

Применение спутниковой навигации на железнодорожном транспорте может привести к отказу от значительной части напольного оборудования СЦБ, для работы которого необходимы дорогостоящие кабельные сети (рельсовые цепи и счетчики осей, светофоры, датчики точечной и непрерывной АЛ С).

Для обмена информацией между центром управления и поездами предусмотрено использовать радиосвязь. В европейской системе управления движением поездов ETCS уровня 2 для этой цели применяется подсистема Euroradio, построенная на основе сети радиосвязи GSM-R, инфраструктуру которой должна создавать и поддерживать железнодорожная компания. Поскольку SATLOC ориентируется на линии с низкой интенсивностью движения поездов, необходимо стремиться к использованию технических решений, лучше адаптированных к ним по сравнению с ETCS, а также устанавливать требования к качеству коммуникационной системы, соответствующие имеющимся потребностям. Поэтому в рамках проекта SATLOC реализуется стратегия пакетной передачи информации через общедоступные сети сотовой связи.

Вместе с системой спутниковой навигации тестируются усовершенствованные технологии определения местоположения поездов при помощи недорогих датчиков, которые позволяют при выходе из строя спутниковой навигации обнаруживать поезд селективно на конкретном пути.

Задача SATLOC состоит в достижении уровня безопасности, сопоставимого с ETCS (допускаемая интенсивность возникновения опасных ситуаций при выходе системы из строя THR, равная 10 в минус седьмой степени/ч). Для этого разрабатывается специальная технология, при которой поезд и центр управления взаимно проверяют безопасное состояние поезда при помощи замкнутого контура контроля. Так, центр управления может выявить значительное отклонение скорости поезда по временным характеристикам его движения, увязанным с эксплуатационными особенностями, и направить на поезд команду экстренной остановки. Эта технология дает возможность реализовывать отдельные функции с меньшим уровнем безопасности SIL и достигать таким образом экономии средств.

Архитектура системы

В системе SATLOC тяговые единицы определяют свое местоположение самостоятельно при помощи спутниковой навигации, одометров и приемоответчиков (пассивных RFID-датчиков), установленных перед стрелками или после них, и передают данные о местоположении в центр управления. Обмен информацией между центром управления и поездами осуществляется через общедоступную сеть сотовой радиосвязи, причем собственно обмен информационными телеграммами соответствует спецификациям ETCS. Основные компоненты системы показаны на рис. 1. В компьютерах центра управления и бортовых компьютерах хранится цифровой атлас линии, используемый как опорная информация для определения местоположения поездов.

Основные компоненты и функции системы SATLOC
Рис. 1. Основные компоненты и функции системы SATLOC

Опытный участок

В качестве опытного участка выбрана однопутная региональная линия Брашов — Зэрнешти в Румынии, которая ответвляется от линии Бра- шов — Сибиу железных дорог Румынии (CFR). Линия, эксплуатируемая компанией RCCF TRANS, включает две промежуточные станции и оборудована системами механической централизации, электромеханической блокировкой и точечной АЛС Indusi. На линии расположено девять остановочных пунктов, которые обслуживаются с часовым интервалом 15 парами поездов в сутки. Линия расположена на равнинной местности, вблизи нее почти нет строений и деревьев. На ней обеспечивается оптимальный прием сигнала спутника EGNOS PRN 126 и других навигационных спутников, а также полное покрытие сетью сотовой радиосвязи (2G и 3G) румынского оператора Vodafone Romania, что и стало причиной выбора линии для испытаний системы SATLOC. В рамках проекта на станциях установили отжимные стрелки в местах ответвлений.

Система радиосвязи

В системе ETCS для обмена информацией между поездом и центром управления предусмотрено использование подсистемы Euroradio, построенной на сети GSM-R. В связи с этим для внедрения ETCS уровней 2 и 3 необходимо создать соответствующую инфраструктуру и оборудовать бортовыми радиостанциями GSM-R все курсирующие по линии поезда. Система SATLOC рассчитана на малодеятельные линии, а потому нуждается в эксплуатационных процедурах и технических решениях, адаптированных к условиям, характерным для таких линий. Одним из таких технических решений является организация обмена информацией через общедоступные сети сотовой радиосвязи с пакетной коммутацией.

Бортовое оборудование

На поездах, курсирующих по опытному участку, установлено бортовое оборудование Trainguard STC, адаптированное для работы в системе SATLOC и включающее в свой состав бортовой компьютер ОВС, интерфейс пользователя на пульте управления машиниста, датчики местоположения, модем сотовой радиосвязи и интерфейсы с тормозным оборудованием поезда.

Бортовой компьютер отвечает за определение местоположения поезда (селективно на конкретном пути) при помощи средств спутниковой навигации, одометров и путевых приемоответчиков, контролирует передвижения поезда, обменивается информацией с центром управления и проверяет исполнение полученных разрешений на движение поезда. Адаптация оборудования Trainguard STC касалась преимущественно системы обмена информацией, которая ранее была реализована как проприетарное решение.

Система Trainguard STC, основанная на применении спутниковой навигации, была впервые внедрена в Австрии на одной из линий вблизи Зальцбурга. Программное обеспечение разрабатывалось в кооперации с высшей профессиональной школой в австрийском Вельсе. Система, введенная в постоянную эксплуатацию в 2011 г., позволила существенно увеличить интенсивность движения поездов на линии (до шести поездов в час) и повысить пассажиропоток на ней. При этом, расходы на внедрение Trainguard STC составили лишь 20% по сравнению со строительством традиционных систем сигнализации прежде всего за счет сокращения затрат на прокладку кабельной сети.

Центр управления

Центр управления выполняет те же функции, что и центр радиоблокировки RBC в системе ETCS, но адаптирован с учетом специфики SATLOC. На опытном участке установлен модернизированный RBC, который разработала Invensys, ныне входящая в состав Siemens. Диспетчер центра управления может контролировать зарегистрированные в системе поезда и их местоположение, устанавливать маршруты (их контролирует RBC) и устанавливать районы проведения маневровых работ.

Пакетная передача данных в системе SATLOC

При выборе технологии реализации транспортного уровня использовались предварительные результаты исследования рабочей группы консорциума UNISIG, посвященного изучению пакетной передачи данных системы ETCS по радиоканалу (технология GPRS). Пакетная передача данных используется во всех современных сетях сотовой связи.

Центр управления и поезда оборудованы модемами сотовой радиосвязи с опцией DualSIM в расчете на использование в дальнейшем сетей двух независимых операторов сотовой радиосвязи для повышения эксплуатационной готовности системы. Поскольку передача осуществляется по протоколу TCP/IP и через оператора сотовой связи с применением сети Интернет, такие соединения по стандарту EN 50159 считаются находящимися в открытых сетях. Соответственно для каждого поезда формируется своя виртуальная частная сеть VPN с центром управления, что позволяет передавать всю информацию между оконечными устройствами в зашифрованном виде и обеспечить защиту данных (рис. 2). Выбор конкретной технологии предлагается оставить на усмотрение поставщика, что позволит использовать новейшие разработки в сфере защиты данных и шифрования.

Архитектура коммуникационной системы
Рис. 2. Архитектура коммуникационной системы

Архитектура коммуникационной системы основана на иерархически разделенных уровнях и ориентирована на сетевую модель OSI. Вместо специализированного транспортного уровня ETCS применяется комбинация протоколов TCP/IP и интерфейсного слоя, инкапсулирующего систему TCP/IP таким образом, чтобы не оказывалось влияние на работу сеансового и прикладного уровней ETCS (рис. 3). Организованный таким образом обмен информационными телеграммами между поездом и центром управления осуществляется по процедуре, предусмотренной системой Euroradio, и учитывает требования безопасности ETCS, генерацию случайных ключей для каждого сеанса и применение алгоритма СВС- MAC. Все эти меры направлены на обеспечение безопасной передачи данных.

Сравнение уровней сетевой модели в системах ETCS (подсистема Euroradio) и SATLOC
Рис. 3. Сравнение уровней сетевой модели в системах ETCS (подсистема Euroradio) и SATLOC

Для их реализации центр радиоблокировки потребовалось лишь адаптировать к системе с пакетной передачей данных. Бортовой компьютер ОВС, изначально несовместимый с ETCS, пришлось модернизировать таким образом, чтобы обеспечить обмен данными с центром радиоблокировки. Наряду с реализацией интерфейсного слоя потребовалось внести изменения на других уровнях эталонной модели OSI и добавить модуль для преобразования информационных телеграмм.

Соединение между поездом и центром управления согласно спецификациям подсистемы Euroradio устанавливается, когда машинист завершает ввод поездных данных. Адрес центра управления (в виде IP-адреса или логического имени) хранится в конфигурационных данных поезда. Снятие соединения осуществляется путем отправления соответствующего запроса с поезда в центр управления.

Для повышения эксплуатационной готовности коммуникационной системы предусмотрена возможность подключения к нескольким операторам сотовой радиосвязи. Вместе с тем предусмотрены эксплуатационные и технические процедуры на случай прерывания соединения. Например, поезд, располагающий действующим разрешением на движение, должен иметь возможность двигаться до конечной точки маршрута, несмотря на прерывание соединения с центром управления, а в случае восстановления соединения полученное разрешение на движение должно продолжать действовать. При этом поезд несет ответственность за восстановление соединения с центром управления.

В связи с использованием пакетноориентированных средств передачи и протоколов TCP/IP необходимо непрерывно контролировать работоспособность соединения между поездом и центром управления. Для этого могут быть задействованы имеющиеся опции протокола TCP или функция интерфейсного слоя (она еще не реализована). Достоинством первого варианта является простота конфигурирования стека TCP, но при этом возникает зависимость от конкретной операционной системы. Стандартизированная процедура в интерфейсном слое могла бы обеспечить контроль не только наличия соединения, но и других его параметров, таких как джиттер или задержки. В проекте SATLOC соединение проверяется следующим образом:

  • из центра управления регулярно высылается контрольное сообщение всем поездам;
  • поезда регулярно отправляют в центр управления сообщения о своем местоположении. Отсутствие такого сообщения соответствующим образом распознается. Как только обнаруживается разрыв соединения, транспортный уровень и уровень безопасности завершают работу и запускаются вновь. Это не затрагивает работу прикладного уровня. Такой подход соответствует требованию спецификаций ETCS.

Эксплуатационные процедуры

Система SATLOC рассчитана на малодеятельные линии с упрощенными условиями эксплуатации, поэтому в ней поддерживаются только необходимые режимы ETCS (режим готовности, режим ответственности машиниста, полный контроль, режим маневров, аварийная остановка, восстановление после аварийной остановки, сбой в системе), а также телеграммы ETCS в ограниченном объеме. Этот набор позволяет выдавать и контролировать разрешения на движение, организовывать скрещения поездов и маневровую работу, причем режим маневров отличается от принятого в ETCS тем, что маневровые передвижения контролируются как на составе, так и в центре управления. Диспетчер может точно следить за передвижениями тяговой единицы в маневровом районе. Такой подход обусловлен отсутствием на большинстве малодеятельных линий систем централизации с напольными средствами контроля свободности пути, что делает особенно значимым возможность наблюдения в центре управления за передвижениями, которые осуществляются в режиме маневров. Подобная возможность была бы полезной и в стандартной системе ETCS. Основные различия между ETCS и SATLOC приведены в таблице.

Различия между системами ETCS и SATLOC

Действие ETCS SATLOC
Регистрация в системе и выход из нее Поезд начинает движение, не располагая информацией о своем местоположении до проезда первого путевого приемоответчика Поезд располагает данными о своем местоположении сразу после запуска системы
Выдача разрешения на движение Разрешение выдается для движения до определенного путевого приемоответчика или для проследования определенного расстояния Аналогично, но конечная точка всегда увязана с установленной в атласе пути позицией
Аварийная
остановка
Выполняется идентично в обеих системах
Контроль
скорости
Непрерывный с использованием предусмотренных ETCS кривых контроля скорости при торможении. Служебное торможение, а в случае необходимости — включение принудительного торможения Непрерывный и точечный с использованием упрощенных кривых контроля скорости при торможении. Включение при необходимости принудительного торможения с сигнализацией через пользовательский интерфейс машиниста
Режим
маневров
Границы маневрового района могут контролироваться тяговой единицей путем указания расположенных на них путевых ирие- моответчиков. Безопасность обеспечивается системой централизации Контроль маневрового района выполняется на тяговой единице, и диспетчер в центре управления может наблюдать за перемещениями состава. Системы централизации не предусмотрены

Испытательные поездки

Во второй половине 2013 г. на опытном участке в ходе его регулярной эксплуатации состоялись испытательные поездки с применением системы SATLOC. Уже первые испытания продемонстрировали хороший прием сигналов спутников навигационной системы и в сочетании с датчиками местоположения — достаточно точное определение местоположения поездов. На пользовательском интерфейсе машиниста отображались данные о местоположении и скорость движения поезда. Проверялась также точность повторяемости результатов позиционирования по спутниковой навигации. В первой половине 2014 г. планируется продолжить испытательные поездки и оптимизировать размещение датчиков на линии.

Во время испытаний устанавливалось соединение с центром управления, причем нарушения соединения не зафиксировано, что свидетельствует о сплошном покрытии участка сотовой радиосвязью.

Диспетчер мог детально контролировать поездные передвижения, поскольку в центр управления регулярно отправлялись данные о местоположении поездов. Задержка передачи информационных телеграмм составляла в среднем 200 мс (в подсистеме Euroradio максимально допустимая задержка передачи массива данных длиной 20 байт составляет 0,5 с в 99% случаев).

Испытания подтвердили, что удалось добиться совместимости двух разных подсистем — бортового оборудования и центра управления с выполнением процедур, установленных спецификацией системы ETCS, и пакетной передачей данных, а также обеспечить выдачу разрешений на движение, их администрирование и проверку для управления движением поездов на малодеятельных региональных линиях.

В дальнейшем планируется повысить точность определения местоположения поездов при помощи спутниковой навигации и обработки информации от системы EGNOS, а также оптимизировать эксплуатационные режимы системы SATLOC. Предварительные результаты испытаний подтверждают, что определение местоположения поездов и скорости их движения при помощи спутниковой навигации в сочетании с системой EGNOS создает хорошую основу для реализации системы обеспечения безопасности и управления движением поездов на малодеятельных линиях.

Железные дороги мира — 2014, № 6