EO-PTC: расширение функциональности системы управления движением поездов PTC

В течение 2 лет, с июля 2017 по июль 2019 г., Центр транспортных технологий (TTCI, штат Колорадо, США) по заданию Федеральной железнодорожной администрации США (FRA) занимался разработкой эксплуатационной концепции системы управления движением поездов с расширенной функциональностью EO-PTC. Эта система позволяет снять ограничения скорости, накладываемые показаниями проходных сигналов автоблокировки, для поездов с активными бортовыми устройствами системы PTC при безусловном сохранении приоритета остановки поезда перед светофором с запрещающим показанием. Таким образом, переход от оверлейной PTC к системе EO-PTC дает возможность сократить интервалы попутного следования, предотвратить ненужные остановки и торможения, оптимизировать скрещения поездов на разъездах.

Содержание

1. Архитектура системы PTC
2. Задачи проекта
3. Концепция эксплуатации
4. Анализ безопасности
5. Внедрение и расходы
6. Перспективы

В 2008 г. в США был принят закон RSIA 08, обязывающий железные дороги внедрить эксплуатационно и технически совместимые системы управления движением поездов PTC. Эта система должна обеспечить предотвращение столкновений поездов, сход с рельсов вследствие превышения допустимой скорости, несанкционированное проследование подвижного состава в зоны производства работ на пути и взрез стрелок.

Для реализации функций PTC создано и внедрено несколько систем, технические требования к которым представлены в стандартах по эксплуатационно-технической совместимости средств управления движением поездов (Interoperable Train Control, ITC). Эти стандарты разработаны действующими в США грузовыми железными дорогами первого класса.

Внедрение системы PTC на сети общей протяженностью 96 тыс. км должно быть завершено до конца 2020 г. Федеральное правительство поддерживает внедрение грантами, однако большая часть расходов ложится все же на железные дороги.

По состоянию на январь 2020 г. на железных дорогах США первого класса система PTC внедрена на 98,7 % протяженности участков, которые подлежат оснащению этой системой. 

Архитектура системы PTC

Архитектура системы PTC, отвечающей требованиям стандарта ITC, представлена на рис. 1. Бортовое устройство системы PTC определяет местоположение поезда, используя приемник спутниковой навигации GPS, тахометр, информацию о положении стрелок и электронную карту с данными об участке пути. Центральный сервер PTC передает на локомотив данные о маршруте и другую информацию.

Рис. 1. Архитектура системы PTC

Напольные интерфейсные модули (WIU) периодически транслируют в сеть передачи данных информацию о состоянии стрелок и светофоров (рис. 2 и 3). При подходе поезда к напольным устройствам на локомотиве по радиоканалу принимается информация об их состоянии. Сведения о зонах производства путевых работ, временных ограничениях скорости и т. п. из центрального сервера PTC также поступают на локомотив по радиоканалу.

Рис. 2. Напольный интерфейсный модуль WIU системы PTC производства компании Hitachi Rail

Рис. 3. Киоски с модулями WIU на железной дороге Alaska Railroad. Для питания аппаратуры используются солнечные батареи и топливные элементы

На основе принимаемой локомотивом оперативной информации бортовое устройство PTC формирует эксплуатационные ограничения — разрешение на движение и разрешенную скорость. Бортовое устройство регулярно обновляет данные о прогнозируемом тормозном пути поезда и предупреждает машиниста о необходимости снизить скорость (рис. 4). Если локомотивная бригада не реагирует на предупреждения, бортовое устройство инициирует торможение автоматически, чтобы остановить поезд перед препятствием.

Рис. 4. Дисплей бортового устройства системы PTC на пульте машиниста локомотива (слева на фото)

Нарушения в работе системы PTC влекут за собой опоздания поездов и снижение пропускной способности железных дорог. Такими нарушениями могут стать отказ аппаратных средств или программного обеспечения PTC, сбои в работе проводной или радиосвязи, ошибки в работе спутниковой навигации или недоступность сигналов от спутников, неправильные алгоритмы управления торможением, некорректные данные электронной карты, ошибки персонала при эксплуатации системы. Выход из строя компонентов системы PTC влечет за собой также снижение уровня безопасности движения поездов.

PTC является оверлейной системой, т. е. работает поверх существующей традиционной системы сигнализации. В случае использования четырехзначной светофорной сигнализации машинист при приближении к светофору с мигающим желтым огнем получает предупреждение о необходимости снизить скорость у светофора с непрерывно горящим желтым огнем (рис. 5). В дальнейшем поезд должен продолжить снижение скорости вплоть до значения, при котором разрешен проезд красного огня проходного светофора (эта скорость зависит от конкретных условий видимости, но не должна превышать 32 км/ч).

Рис. 5. Ограничения скорости при существующей оверлейной системе PTC и системе EO-PTC с расширенными функциями

Модификация функций PTC позволяет снять некоторые ограничения, накладываемые светофорной сигнализацией, и сократить межпоездной интервал, повысив тем самым пропускную способность линии. В результате оверлейная PTC преобразуется в систему EO-PTC, которая все еще остается оверлейной, но уже позволяет машинисту руководствоваться сигнальными показаниями, выводимыми на экран бортового устройства PTC, а не показаниями напольных светофоров. В частности, нет необходимости снижать скорость перед светофором с желтым огнем, если обеспечивается надежное торможение поезда до полной остановки перед следующим светофором с запрещающим показанием (или снижение скорости до величины, допускающей проследование красного огня проходного светофора).

Задачи проекта

Задачами проекта создания системы EO-PTC с расширенными функциями являлись:

• создание концепции EO-PTC, включая требуемые изменения в действующей системе PTC и методах ее эксплуатации;
• анализ безопасности EO-PTC (идентификация новых или изменившихся рисков, разработка методов их смягчения и изменений в правилах эксплуатации);
• предварительный план внедрения и анализ расходов;
• подготовка заключительного отчета.

Концепция эксплуатации

Фундаментальным новшеством системы EO-PTC является возможность отказа от ограничений скорости, диктуемых показаниями напольных светофоров, в пользу показаний на экране дисплея активного бортового устройства PTC в кабине машиниста локомотива. Требование об остановке поезда перед светофором с запрещающим показанием остается неизменным.

Напольные интерфейсные модули WIU транслируют через сеть передачи данных коды, соответствующие текущим показаниям светофоров. Бортовое устройство EO-PTC на основе этих полученных по радиоканалу кодов генерирует сигнальные показания, отображаемые на пульте машиниста.

Для перехода к EO-PTC необходимо модифицировать электронные карты, чтобы бортовой компьютер PTC воспринимал мигающий желтый и желтый огни светофоров как разрешающие показания без ограничений скорости (рис. 6 и 7). Это позволит всем поездам с активными бортовыми устройствами PTC следовать с разрешенной этой системой максимальной скоростью, при которой обеспечивается безо­пасная остановка перед светофором с запрещающим показанием.

Рис. 6. Пример отображения сигнальных показаний на экране бортового дисплея в оверлейной PTC

Рис. 7. Пример отображения сигнальных показаний на экране бортового дисплея в системе EO-PTC с расширенными функциями

Разработанная концепция не требует модификации программного обеспечения бортовых устройств PTC. Переход к системе EO-PTC может осуществляться постепенно по мере обновления бортовых электронных карт.

Необходимость внесения изменений в правила эксплуатации обус­ловлена тем, что сейчас при использовании оверлейной PTC машинист следит за показаниями напольных светофоров (в том числе за предупредительными — желтым и мигающим желтым огнями) и показаниями на пульте управления, руководствуясь наиболее запрещающим из них. При переходе к EO-PTC машинист отвечает только за остановку поезда перед светофором с запрещающим показанием (красный огонь).

Последний светофор на участке перед выездом из зоны действия системы EO-PTC конфигурируется так же, как в оверлейной PTC (т. е. его показания отображаются в кабине машиниста одинаково и в оверлейной PTC, и в EO-PTC).

Переход к EO-PTC дает эксплуатационные преимущества только на участках, где в бортовое устройство PTC в реальном времени поступает информация о показаниях напольных светофоров или свободности/занятости рельсовых цепей и положении стрелок.

На участках, оборудованных четырехзначной светофорной сигнализацией и АЛС, внедрение EO-PTC оправданно, если бортовое устройство АЛС не обеспечивает непрерывный контроль скорости поезда и на локомотиве имеется бортовое устройство PTC. При этом модифицированная в соответствии с требованиями EO-PTC бортовая электронная карта может быть использована для согласования показаний локомотивного светофора и дисплея бортового устройства PTC. Если в бортовом устройстве АЛС реализована функция непрерывного контроля скорости, то система EO-PTC не дает никаких эксплуатационных преимуществ.

На участках, не оборудованных системами сигнализации, машинисты локомотивов будут обязаны руководствоваться традиционными правилами эксплуатации.

Первоначально изучалась возможность отказа от напольных светофоров на участках в зоне действия EO-PTC, однако в окончательную версию концепции системы эту возможность было решено не включать, чтобы избежать ее усложнения и упростить регулирование движения поездов без действующих бортовых устройств PTC.

В случае отказа бортового оборудования PTC (включая нарушения в работе радиоканала) при движении поезда в зоне действия EO-PTC сохраняются те же процедуры, что и при оверлейной PTC. Машинисты руководствуются показаниями напольных светофоров, а свободность и занятость блок-участков контролируется рельсовыми цепями.

Анализ безопасности

Цель анализа безопасности состояла в выявлении рисков в системе EO-PTC, которые отличаются от рисков, возникающих при использовании оверлейной PTC. Подробные результаты анализа рисков приведены в отчете TTCI.

Всем железнодорожным компаниям США было поручено составить свои отчеты с анализом безо­пасности, учитывающие местные особенности: специфические правила, процедуры и имеющийся опыт внедрения, эксплуатации, обучения персонала и технического обслуживания PTC. Такой подход позволяет рассчитывать на корректную и безопасную реализацию EO-PTC на конкретных железных дорогах, осознающих возможные повышенные риски в результате внедрения этой системы.

Как было отмечено выше, концепция EO-PTC не предусматривает отказ от напольных светофоров, а потому связанные с этим риски не анализировались. Если в будущем такая опция будет добавлена в концепцию, потребуется проанализировать сопутствующие риски.

Согласно существующим правилам эксплуатации оверлейной PTC, при возникновении конфликта между сигнальными показаниями или положениями инструкций необходимо руководствоваться наименее разрешающим показанием или наиболее ограничивающим положением инструкции. При переходе к EO-PTC этот принцип будет сохранен, хотя правила эксплуатации придется изменить, чтобы исключить ограничения скорости, которые традиционно увязывались с желтым и мигающим желтым огнями светофоров. Машинисты будут ориентироваться на соблюдение текущего значения максимально допустимой скорости, чтобы обеспечить остановку у светофора с запрещающим показанием. Подобным образом машинисты должны действовать и сейчас при приближении к местам производства путевых работ или при движении по тупиковым путям.

Наиболее существенным различием между оверлейной PTC и EO-PTC в отношении безопасности является потенциально более высокий риск, связанный с повышением текущего значения разрешенной скорости на участках с трехзначной сигнализацией. С этой точки зрения критически важно своевременно и правильно ввести в бортовое устройство данные о составе поезда, а также убедиться в готовности бортового устройства PTC безопасно остановить поезд, если локомотивная бригада не реагирует на предупреждения о необходимости снизить скорость до разрешенной.

Моделирование различных эксплуатационных ситуаций (всего 288 сценариев) показало, что риски для безопасности движения при использовании EO-PTC вместо оверлейной PTC несколько возрастают в случае грубых ошибок при введении в бортовое устройство PTC данных о составности поезда. В частности, в TTCI на имитационных моделях воспроизводились ситуации, когда к поезду из 40 грузовых вагонов и семи локомотивов прицепляют еще 60 вагонов, но машинист забывает обновить поездные данные. Соответственно, не обновляются и алгоритмы управления торможением, что влияет на длину тормозного пути. В этом случае поезд проедет за установленное место препятствия примерно на 37 м при служебном торможении со скорости 48 км/ч и на 63 м при служебном торможении со скорости 97 км/ч. В случае включения экстренного торможения произойдет проезд места препятствия на 7 м при торможении со скорости 48 км/ч.

Наибольшие риски возникают при торможении перед препятствием более короткого поезда из четырех локомотивов и 40 вагонов, если в бортовое устройство ошибочно введена информация о четырех локомотивах и только десяти вагонах в составе. Результаты моделирования показали, что в случае служебного торможения со скорости 97 км/ч голова поезда окажется в 408 м за местом остановки. При экстренном торможении проезда светофора с запрещающим показанием не произойдет. По оценке TTCI, риск возникновения подобных ситуаций крайне мал.

Внедрение и расходы

Внедрять систему EO-PTC предполагается в два этапа. Первый этап предусматривает разработку и тестирование EO-PTC на ограниченном полигоне, второй — развертывание этой системы и переход к ее коммерческой эксплуатации.

Второй этап включает также сбор статистической информации об эксплуатационных показателях до и после перехода к EO-PTC, чтобы оценить ее преимущества. В некоторых случаях такая статистика может быть собрана и на первом этапе. Естественно, преимущества EO-PTC могут проявляться прежде всего в периоды пиковой загрузки участков железных дорог, обеспечивая более полное использование пропускной способности и увеличение средней скорости движения поездов (рис. 8).

Рис. 8. Тяжеловесный контейнерный поезд, ведомый несколькими тепловозами, на железной дороге Norfolk Southern (фото: NS)

Модифицировать программное обеспечение PTC не потребуется, поэтому основные расходы при внедрении EO-PTC связаны с внесением и верификацией изменений в электронные карты. Эти работы выполняются силами самих железнодорожных компаний. В некоторых случаях потребуется установить дополнительные напольные интерфейсные модули WIU для светофоров или изменить конфигурацию существующих WIU. Соответственно, потребуется закупить оборудование и выполнить его установку.

В рамках второго этапа целесообразно развертывать систему EO-PTC прежде всего на высокозагруженных участках, где разрешенная скорость движения грузовых поездов составляет 65 км/ч и более. Это позволит быстрее получить экономический эффект от применения EO-PTC. Конечной целью должно стать внедрение EO-PTC на всем полигоне, оборудованном оверлейной PTC.

Перспективы

Переход к EO-PTC не требует пересмотра основных принципов обеспечения безопасности, заложенных в концепцию эксплуатируемой ныне оверлейной PTC. Тем не менее выполненный TTCI анализ рисков показал, что при определенном сочетании неблагоприятных факторов возможно возникновение опасных ситуаций.

TTCI рассчитывает, что внедрение EO-PTC позволит с минимальными расходами и без ущерба для безопасности сократить межпоездные интервалы и увеличить среднюю скорость движения поездов, а также избегать их ненужных торможений и остановок при подходе к разъездам.

Развитие PTC от оверлейной системы, при которой показания напольных светофоров остаются основным средством сигнализации, к EO-PTC хоть и носит эволюционный характер, но демонстрирует тенденцию к постепенной передаче функций регулирования движения поездов от традиционной системы светофорной сигнализации (и традиционной АЛС) к PTC. Более того, с внедрением PTC появилась возможность отказаться от напольных светофоров в том числе на участках, не оборудованных локомотивной сигнализацией. В концепцию EO-PTC такая возможность пока не заложена, поскольку требует более значительной модификации PTC, но в ближайшем будущем можно ожидать дальнейших разработок в этом направлении.

А. Ефремов

В статье использованы материалы отчета Development of Enhanced Overlay Positive Train Control (EO-PTC), доступного на сайте Федеральной железнодорожной администрации США (railroads.dot.gov).  

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2020, № 3.