В июне 2019 г. горнодобывающая компания Rio Tinto объявила об успешном завершении проекта Autohaul, который предусматривал автоведение тяжеловесных поездов с уровнем автоматизации GoA4, т. е. без машинистов на борту, на железнодорожной сети протяженностью 1700 км. По этой сети железная руда перевозится от рудников в регионе Пилбара в порты на западном побережье Австралии.
Содержание
Сейчас на железнодорожной сети компании Rio Tinto в Западной Австралии курсируют одновременно до 50 беспилотных тяжеловесных поездов (рис. 1). В состав каждого поезда длиной 2,4 км и массой 28 тыс. т входят 240 вагонов и от двух до трех локомотивов. Поезда перевозят руду из 16 принадлежащих Rio Tinto шахт в четыре терминала двух портов — Дампьер и на мысе Ламберт. Каждый поезд длиной 2,4 км оборачивается между рудником и портом в среднем за 40 ч (включая время на погрузку и выгрузку), преодолевая в среднем расстояние 800 км. Погрузка и разгрузка вагонов поезда осуществляется в автоматическом режиме, ручное управление с участием машиниста требуется только при следовании поезда по территории порта.
Рис. 1. Тяжеловесный поезд компании Rio Tinto
Всего в настоящее время парк подвижного состава Rio Tinto насчитывает 224 тепловоза и 13 тыс. вагонов, из которых формируются 57 поездов (рис. 2).
Рис. 2. Железнодорожная сеть компании Rio Tinto в Западной Австралии
Проект Autohaul запущен в 2012 г. с бюджетом 518 млн долл. США, однако по состоянию на 2018 г. расходы на его реализацию достигли 940 млн долл. США, т. е. выросли на 80 %. Полный переход к автоматическому управлению поездами состоялся в июне 2019 г. — на четыре года позже первоначально запланированной даты.
Реализация проекта Autohaul обусловлена увеличением парка подвижного состава на 30 % и открытием нового портового комплекса, способного перерабатывать 120 млн т руды в год. В результате с 2012 г. объем перевозок по сети в регионе Пилбара возрос с 230 млн т в год примерно до 330 млн т.
Autohaul является частью обширной программы Mine of the Future, в рамках которой также автоматизирована работа рудников (их обслуживают беспилотные крупнотоннажные самосвалы) и портов, включая операции погрузки и выгрузки руды (рис. 3).
Рис. 3. Беспилотные самосвалы на одном из рудников Rio Tinto
История проекта
Компания Rio Tinto занимается добычей железной руды в регионе Пилбара (Западная Австралия) с 1966 г. В это же время начались железнодорожные перевозки руды в порты, при этом долгое время объем добычи оставался сравнительно невысоким. В последующий период открывались новые рудники и увеличивался объем добычи. В 1996 г. компания уложила в путь железобетонные шпалы и оборудовала сеть рельсовыми цепями. Последующее внедрение системы автоматической локомотивной сигнализации в сочетании с диспетчерской централизацией позволило отказаться от напольных светофоров и перейти к вождению поездов в одно лицо.
В 2006 – 2007 гг. были созданы условия для выполнения первых рейсов поездов в полуавтоматическом режиме с использованием бортового устройства автоведения. Эксплуатационные испытания этого режима прошли в 2007 г. при участии компании Ansaldo STS (ныне Hitachi Rail STS) на малозагруженном участке, оборудованном применявшейся на всей сети системой сигнализации.
В 2008 г. осевая нагрузка на сети была увеличена с 32 до 36 т.
Дальнейшее развитие системы автоведения было приостановлено из‑за глобального финансового кризиса 2008 г. и возобновлено в 2010 г. При этом была пересмотрена стратегия внедрения системы — Rio Tinto решила развертывать ее сразу в масштабе всей сети. В 2010 г. управление перевозками было полностью перенесено в расположенный в Перте интегрированный центр, из которого осуществляется руководство всей производственной деятельностью на рудниках, железнодорожной сети и в портах (рис. 4 и 5). Ключевое значение имел выбор в пользу системы АЛС на основе радиоканала вместо эксплуатировавшейся в то время локомотивной сигнализации с передачей показаний на локомотив по рельсовым цепям. Радиоканал позволяет обмениваться с локомотивами информацией большего объема, включая данные о временных ограничениях скорости.
Рис. 4. Диспетчерский зал интегрированного центра управления в Перте
Рис. 5. Планировка рабочих мест диспетчерского персонала в интегрированном центре управления в Перте
В рамках подготовки к переходу на автоведение поездов в 2013 – 2014 гг. подвижной состав был оборудован электропневматическими тормозами.
Управление движением поездов
Развернутая в рамках проекта Autohaul система АЛС эквивалентна европейской системе ETCS уровня 2. Она была разработана и смонтирована компанией Hitachi Rail STS по контракту, подписанному в 2012 г. по рамочному соглашению с Rio Tinto от 2010 г. Сервер обеспечения безопасности VSS выполняет в этой системе те же функции, что и центр радиоблокировки RBC в системе ETCS. Показания бортовых устройств определения местоположения поезда корректируются при проходе установленных на пути приемоответчиков (рис. 6).
Рис. 6. Архитектура комплекса систем управления движением поездов на сети компании Rio Tinto
В отличие от стандартной ETCS уровня 2 система управления движением на железной дороге Rio Tinto использует для передачи данных не сеть радиосвязи GSM-R, а сеть стандарта TETRA. Сеть TETRA была построена еще до запуска проекта Autohaul. Она включает 60 базовых станций, распределенных вдоль железнодорожных линий. В ходе внедрения системы управления по радиоканалу она была модернизирована и подвергнута интенсивному тестированию, в ходе которого проверялась надежность ее работы в условиях высокой загрузки. На случай отказа компонентов сети TETRA предусмотрено несколько уровней резервирования, в том числе переключение на резервную магистральную сеть связи и спутниковую сеть, способную обеспечить бесперебойный обмен информацией с локомотивами.
Кроме того, для определения местоположения поездов и персонала в зоне путей в качестве резервного средства применяется система спутниковой навигации.
АЛС использует данные об установленных маршрутах, поступающие от систем централизации, которые подключены к системе диспетчерского управления движением поездов. Сервер VSS на основе этой информации передает на поезд разрешение на движение. При этом возможно внесение изменений в действующее разрешение на движение. Например, если обнаружено нарушение условий безопасности на переезде, то соответствующее тревожное сообщение передается в сервер VSS, где формируется и отправляется по радиоканалу на локомотив откорректированное разрешение на движение.
Бортовое устройство автоведения получает информацию по двум каналам — из центра управления и от бортового устройства АЛС. При этом система ATO получает от АЛС информацию о параметрах впередилежащего участка, скорости и местоположении поезда. В расчетах используются также передаваемые по радиоканалу данные из центра управления, который расположен в Перте — в 1500 км от железнодорожной сети Rio Tinto. Эти данные не влияют на безопасность, но необходимы для оптимального выполнения рейса. Они включают график движения поезда и сведения, требуемые для формирования стратегии управления поездом: электронную карту участка, базу данных о всей сети и алгоритм выполнения и контроля рейса. Еще одним источником информации являются данные от локомотивных систем — тяги, торможения и др.
Локомотивы оборудованы датчиками обнаружения препятствий, датчиками движения и средствами видеонаблюдения. Техническое состояние локомотивов контролируется из центра управления в Перте.
Особое внимание было уделено имеющимся на сети переездам, которые при разработке проекта Autohaul были идентифицированы как места наибольшего риска. Переезды оснастили средствами освещения, видеонаблюдения и лазерными системами обнаружения препятствий, которые подключены к системе АЛС. При этом использованы видеокамеры высокого разрешения (4К), позволяющие хорошо контролировать ситуацию на переезде из центра управления.
Что касается обеспечения безопасности путевых бригад, работающих на пути, то электронная система предупреждения была внедрена еще 20 лет назад и сейчас интегрирована в состав комплекса систем управления движением поездов.
После развертывания комплекса новых систем все действия, которые ранее выполнял машинист в ручном режиме, берет на себя система автоведения или оператор в центре управления, который может контролировать состояние всех поездов и локомотивов на сети. При разработке технического решения в рамках проекта Autohaul компания Hitachi Rail STS объединила в единый комплекс системы других изготовителей, в том числе сеть радиосвязи, бортовые устройства компании Wabtec для управления электропневматическим тормозом и существующую инфраструктуру АЛС, внедренную Hitachi Rail STS в 1990‑е годы и эквивалентную ETCS уровня 1. Эта АЛС была модифицирована для удовлетворения новым требованиям.
Для бортового устройства автоведения предусмотрены четыре возможных режима работы:
- пассивный, при котором поездом управляет машинист, но под контролем новой системы АЛС на базе радиоканала;
- режим советчика — система информирует машиниста об оптимальной скорости;
- автоведение под контролем машиниста; в этом режиме машинист в любой момент может вмешаться в управление поездом;
- автономный — система автоведения берет на себя все функции управления, работая под контролем АЛС; машиниста на борту нет.
При переходе в беспилотный режим машинист связывается с центром управления, контролирует наличие обмена данными между стационарными устройствами и локомотивом, после чего производит переключение на автоматическое управление. После этого он покидает кабину локомотива и включает режим автоведения с внешнего пульта. Для повышения безопасности на локомотиве предусмотрена внешняя индикация, позволяющая персоналу контролировать его штатную работу в беспилотном режиме, находясь вне поезда.
Этапы внедрения
Компания Hitachi Rail STS приступила к разработке автоведения поверх ETCS задолго до того, как было принято решение о создании общеевропейских спецификаций в этой области (CCS TSI), поэтому ее система основана не на общепринятых стандартах, а на опыте компании в сфере метрополитенов с уровнем автоматизации GoA4. К реализации проекта Autohaul в качестве партнера была привлечена компания New York Air Brake (входит в состав Knorr Bremse), которая на основе своей системы-советчика LEADER разработала технологию управления тяжеловесным поездом, обеспечивающую минимизацию в составе продольных сил.
На первом этапе внедрения комплекса систем по проекту Autohaul вся сеть Rio Tinto была переведена на новую АЛС с передачей данных по радиоканалу в качестве основного средства обеспечения безопасности движения поездов.
Второй этап предусматривал работу системы автоведения в режиме советчика и предоставление на пульте машиниста информации об оптимальной стратегии ведения поезда. На третьем и четвертом этапах систему автоведения подсоединили к локомотивным системам тяги, торможения и др., что позволило перейти к полностью автоматическому управлению поездом. При этом на третьем этапе машинист все еще находился в кабине локомотива и контролировал работу системы, а на четвертом поезд уже работал в беспилотном режиме. Этап, при котором машинист выполнял чисто контрольные функции и был готов вмешаться в управление поездом, двигавшимся в полностью автоматическом режиме, начался весной 2017 г. и продолжался сравнительно долго, поскольку было важно убедить все причастные стороны, что система способна выполнять необходимые действия самостоятельно. Первая опытная поездка первого поезда в автоматическом режиме без машиниста на борту состоялась на участке длиной 100 км в начале октября 2017 г. (рис. 7).
Рис. 7. Первая опытная поездка беспилотного поезда
Для выработки оптимальной стратегии вождения поезда потребовалось большое число итераций, причем каждый шаг сопровождался тестированием с целью достижения максимальной эффективности поездной работы.
В мае 2018 г. компания Rio Tinto получила официальное разрешение от регулятора на эксплуатацию беспилотных поездов, и 10 июля того же года состоялся первый коммерческий рейс беспилотного тяжеловесного поезда с вагонами, груженными рудой. В третьем квартале 2018 г. по сети ежесуточно обращались в среднем 34 беспилотных поезда. В январе 2019 г. Rio Tinto сообщила об успешном завершении проекта AutoHaul и переходе на автоматический режим 90 % тяжеловесных поездов, выполняющих перевозку железной руды в порты на западном побережье Австралии. Оставшиеся 10 % поездов работают на относительно короткой линии, и их перевод в беспилотный режим экономически не оправдан, поскольку смена машинистов во время рейса не требуется.
Поезда курсируют в автоматическом режиме на магистральной части сети и по участкам, расположенным в зоне рудников. При движении по путям в портах (рис. 8) и станциям, расположенным на побережье, поездами управляют машинисты. Кроме того, машинист находится в кабине при выполнении некоторых передвижений, включая подачу поезда на путь погрузки, на пяти рудниках из 16.
Рис. 8. Разгрузка вагонов рудовозного поезда в порту на мысе Ламберт
После пуска беспилотных поездов некоторые машинисты продолжили работу в стратегически важных пунктах сети, чтобы взять на себя управление поездами в случае возникновения проблем с системой автоведения. Полностью автоматическое управление поездами повысит эффективность работы сети за счет снижения расхода топлива на тягу и устранения необходимости в смене локомотивных бригад в ходе выполнения рейсов (ранее на эту операцию требовался в среднем 1 ч). Ранее пробег автомобилей при доставке машинистов к местам смены локомотивных бригад составлял 1,5 млн км ежегодно.
Перспективы
По данным Rio Tinto, реализация проекта Autohaul позволила повысить среднюю скорость движения поездов на 5 – 6 %, и компания рассчитывает, что сможет добиться повышения этого показателя и в будущем. Значительно уменьшился разброс по времени хода поездов. Например, время следования по одному из перегонов составляет в среднем 25 мин, при этом разброс по времени хода при ручном управлении составляет 5 мин, при автоматическом — лишь 30 с. Это позволяет строить более эффективный график движения поездов, повышает производительность сети и сокращает число конфликтов между поездами.
Rio Tinto и Hitachi Rail STS продолжат совместно совершенствовать комплекс систем, развернутых в рамках проекта Autohaul. В первую очередь это касается оптимизации стратегии управления поездами, чтобы, например, минимизировать их торможения при подходе к пунктам скрещения.
Rio Tinto располагает изолированной железнодорожной сетью, на которой обращается только принадлежащий компании однородный подвижной состав, поэтому воспроизвести реализованные в регионе Пилбара технические решения на железных дорогах с иными условиями проблематично. На некоторых железных дорогах Австралии с участием Hitachi Rail STS разрабатываются схожие проекты.
Примером может служить компания Roy Hill, которая также добывает железную руду в регионе Пилбара и располагает однопутной линией длиной 344 км. Она уже внедрила систему АЛС на основе радиоканала с применением спутниковой навигации для определения местоположения поездов. Компания планирует также перейти в будущем к беспилотным поездам.
Железные дороги первого класса Северной Америки консультируются с Hitachi Rail STS и Rio Tinto, изучая возможность адаптации разработанных технологий к своим потребностям. Осенью 2019 г. компания New York Air Brake провела успешные испытания системы LEADER AutoPilot на опытном участке протяженностью 77 км на полигоне Центра транспортных технологий TTCI в Пуэбло, штат Колорадо. Цель испытаний состояла в подтверждении возможности применения LEADER AutoPilot для надежного управления грузовыми поездами с пневматическими тормозами.
А. Ефремов
В статье использованы материалы компаний Hitachi Rail STS (sts.hitachirail.com), Rio Tinto (www.riotinto.com) и Knorr-Bremse (www.knorr-bremse.com); International Railway Journal, 2019, № 8, pp. 14 – 18; Railway Gazette International, 2019, № 11, pp. 48 – 50.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2020, № 1.
