На железных дорогах Германии реализуются пилотные проекты стартового пакета программы цифровизации Digitale Schiene Deutschland (DSD), охватывающие полигоны с разными эксплуатационными условиями, в том числе высокоскоростную линию Кёльн — Франкфурт-на-Майне, международный коридор, связывающий Скандинавию с Италией через Гамбург, Лейпциг, Нюрнберг и Мюнхен, а также крупный Штутгартский железнодорожный узел с интенсивным движением поездов разных категорий.

Содержание

Целевая модель

Эксплуатационно-техническая целевая модель BTZ занимает центральное место в программе DSD, охватывая функциональные требования как к эксплуатационному процессу с точки зрения диспетчерского и оперативного управления им, так и к необходимым для этого техническим системам. При создании модели сначала был сформирован каталог с эксплуатационными сценариями, которые разрабатывали, преследуя две стратегические цели: повышение пропускной способности имеющейся сети и упрощение эксплуатационного процесса.

На втором этапе исходя из этих эксплуатационных сценариев были сформулированы технические требования к задействованным компонентам — цифровым системам микропроцессорной централизации (МПЦ), европейской системе управления движением поездов ETCS, интегрированной системе автоматизированных рабочих мест, телекоммуникационной системе и т. п. При этом придерживались жесткой процедуры администрирования, что позволило четко увязать конкретные эксплуатационные и технические требования. Это означает полное изменение подхода, практиковавшегося в прошлом, когда заложенные в технические системы процедуры управления требовали соответствующей адаптации эксплуатационных процессов.

В итоге компания DB Netz — оператор инфраструктуры железных дорог Германии (DB) должна предоставить изготовителям цифровых систем управления и обеспечения безопасности движения поездов полный набор требований в форме технических заданий на разрабатываемую продукцию, чтобы обеспечить ее соответствие целевой модели. Для этого на основе целевой модели разработан еще один важный документ — план развития технологий, в котором прописан охватывающий все системы график выхода версий продуктов. Такое общее планирование версий обеспечивает гармонизацию технических заданий на отдельные системы (например, ETCS и цифровые МПЦ) и совместимость этих систем.

План развития технологий TEP пока разработан на период до 2030 г., чтобы создать необходимые условия для подготовки технических заданий, позволяющих приступить к массовому развертыванию цифровых систем на сети DB. К этому сроку должны быть завершены работы по стартовым пакетам программы DSD, опыт реализации которых ляжет в основу дальнейшего развертывания систем и может при необходимости использоваться для уточнения целевой модели и плана развития технологий.

Для того чтобы уложиться в жесткий календарный план реализации проектов стартового пакета, следует сократить не только сроки подготовки технических заданий, но и время, необходимое компании-изготовителю для разработки и сертификации требуемых систем. Добиться этого можно, обеспечив прозрачность процесса разработки технических заданий и подключив к нему на раннем этапе представителей компаний-изготовителей, включая тех из них, которые планируют выйти на немецкий рынок ЖАТ.

Такая форма сотрудничества успешно практиковалась с 2016 г. в период подготовки технических заданий для предсерийных проектов цифровых МПЦ в форме регулярных заседаний совместных рабочих групп. В ходе этих заседаний в короткий срок были сняты все вопросы по предварительным версиям технических заданий, что позволило быстро согласовать технические задания и технические условия.

Такой подход опробуется в проекте цифровизации Штутгартского железнодорожного узла, в рамках которого предусмотрено впервые реализовать унифицированное управление цифровой МПЦ и системой ETCS уровня 2 без напольных светофоров (в Германии систему ETCS в этой конфигурации обозначают ETCS L2oS) при помощи интегрированной системы АРМ. Для этого требуется подготовить до середины 2023 г. технические задания на основе целевой модели BTZ, причем параллельно будут формулироваться и технические условия, а компания-изготовитель должна будет разработать соответствующее техническое решение и получить для него допуск к эксплуатации.

Гармонизация на европейском уровне

Существующие версии целевой модели BTZ и развития технологий TEP, ориентированные на период до 2030 г., не предполагают остановки в технологическом и техническом совершенствовании цифровых систем сигнализации и управления движением поездов. Напротив, уже существующие проекты на европейском уровне, такие как EULYNX (см. «ЖДМ», 2017, № 5, с. 66 – 70) и RCA (см. «ЖДМ», 2019, № 6, с. 54 – 58), реализуемые при участии операторов железнодорожной инфраструктуры, нацелены на долгосрочное развитие в сфере ЖАТ с целью создания унифицированной архитектуры таких систем. Уже сейчас технические задания на цифровые МПЦ полностью гармонизированы со спецификациями EULYNX. Использование унифицированных спецификаций будет способствовать разработке в странах Европы единообразных эксплуатационных и технических требований к цифровым системам ЖАТ, упростит обеспечение эксплуатационной совместимости при выполнении трансграничных перевозок и позволит компаниям-изготовителям разрабатывать и внедрять системы, основанные на единой технологической платформе, которая может быть использована в масштабах европейской железнодорожной сети.

Целевая модель BTZ предполагает выполнение требований спецификаций EULYNX в их текущей редакции. На следующем этапе и целевая модель BTZ, и план развития технологий TEP будут доработаны в расчете на период после 2030 г., чтобы сформулировать эксплуатационные и технические требования к будущим цифровым системам ЖАТ в Германии в соответствии с целевой архитектурой, разрабатываемой в рамках проекта RCA.

Проект цифровизации транспортного узла в Штутгарте

Проект в Штутгарте — наиболее сложный в стартовом пакете программы DSD. Впервые в Германии крупный узел полностью оборудуется цифровыми системами микропроцессорной централизации (МПЦ), европейской системой управления движением поездов ETCS уровня 2 и системой автоведения с уровнем автоматизации GoA2 (см. «ЖДМ», 2020, № 7, с. 62 – 67). Кроме того, здесь предус­мотрено опробовать и внедрить такие новые технологии, как гибридная ETCS уровня 3 с системой контроля целостности поезда бортовыми средствами, система автоматизированного диспетчерского управления пропускной способностью и перевозочным процессом (CTMS — Capacity & Traffic Management System), а также система железнодорожной радиосвязи FRMCS, которая придет на смену GSM-R и основана на стандарте 5G.

В этом проекте из федерального бюджета впервые будет финансироваться оснащение подвижного состава цифровыми бортовыми системами (ETCS, автоведения и т. п.), что позволит в том числе накопить опыт скоординированного переоборудования инфраструктуры и подвижного состава и определить размеры повышения пропускной способности линий.

Текущая ситуация

В конце 2020 г. компания Thales выиграла тендер на поставку и внедрение цифровых систем ЖАТ на опорной части Штутгартского узла (первая и вторая очереди). Сразу после этого началось детальное проектирование с учетом опыта других проектов, в том числе внедрения предсерийных цифровых МПЦ в Германии и развертывания ETCS в Дании. К монтажу напольного оборудования планируется приступить летом 2022 г., а с конца 2023 г. начнется поэтапный ввод в эксплуатацию цифровых МПЦ и системы ETCS.

В середине 2021 г. компания Alstom получила заказ на дооснащение бортовыми устройствами ETCS 333 поездов городской железной дороги и региональных поездов, эксплуатируемых разными операторами. В их числе 52 поезда Talent 3 оператора Abellio, 66 поездов FLIRT 3 и FLIRT 3 XL оператора Go-Ahead, 60 поездов серии 423 и 155 поездов серии 430 оператора DB Regio. Устройства будут построены на основе новой технологической платформы EVC3, специально оптимизированной для работы в условиях интенсивного движения без использования напольных светофоров. В ней предусмотрены три вычислительных канала, работающих по схеме «2 из 3», и новые средства диагностики. В 2022 и 2023 гг. предполагается дооснастить большую часть из 14 пред­серийных поездов разных типов, а в 2024 г. — приступить к серийному дооснащению. Для этого из эксплуатации будет выводиться до 48 поездов с временной заменой на резервный подвижной состав. В период с 2025 по 2027 г. бортовые устройства модифицируют, чтобы обеспечить выполнение требований новых версий спецификаций ETCS, ожидаемых в 2022 г. При этом предусмотрен переход от сети GSM-R к системе радиосвязи нового поколения FRMCS.

И Thales, и Alstom прошли перед получением заказов через жесткий конкурсный отбор, в ходе которого необходимо было не только выполнить установленные требования и предложить конкурентную цену, но и представить новые идеи и технические решения. В ближайшее время будут проведены тендеры на поставку до 230 региональных двухэтажных поездов, рассчитанных на скорость 200 км/ч, систем радиосвязи и телекоммуникационного оборудования. Кроме того, разрабатываются и будут опробованы в рамках пилотного проекта в Штутгарте новая инструкция по движению поездов для условий эксплуатации с использованием цифровых систем ЖАТ, а также так называемый цифровой диспетчерский приказ.

При заказе новых двухэтажных поездов используется техническое задание, предусматривающее их оснащение следующими компонентами:

ETCS в соответствии с базовой версией 3 R2 (спецификация SRS 3.6.0), включая контроль перемещений поезда при отключенной ETCS (Cold Movement Detection), расчета тормозных характеристик по Gamma-модели с их оптимизацией, управление ключами шифрования в режиме онлайн, ускоренным вводом данных о поезде и сокращенным временем реакции бортовой системы;

  • ATO с уровнем автоматизации GoA2 и передачей фактических данных о коэффициенте сцепления;
  • ETCS уровня 3 с контролем целостности поезда и последующим обновлением для соответствия спецификации TSI CCS 2022 г. (включая радиосвязь стандарта FRMCS);
  • средствами контроля состояния поезда с передачей соответствующих данных в систему CTMS;
  • стандартизированными интерфейсами в соответствии с эталон­ной архитектурой OCORA (см. «ЖДМ», 2021, № 1, с. 43 – 45).

Все эти мероприятия преследуют цель обеспечить своевременный ввод в эксплуатацию во второй половине 2025 г. новой техники на опорной части сети и на новых участках проекта Stuttgart 21 с обеспечением устойчивого движения под управлением ETCS без напольных светофоров (рис. 1). После предварительного тестирования в лаборатории планируется уже с конца 2023 г. организовать разносторонние эксплуатационные испытания, которые будут продолжаться 1,5 года и помогут выявить и устранить «детские болезни» новых систем. В этот период планируется ознакомить с новой техникой более 1000 сотрудников DB.

21103 1Рис. 1. Цифровизация опорной части сети Штутгартского узла к 2025 г.

Для того чтобы не нарушать коммерческую эксплуатацию железнодорожного узла, предусмотрено на время испытаний оборудовать светофорами некоторые участки, по которым уже с 2024 г. поезда должны следовать под управлением ETCS. Также планируется включить в испытания ряд новых участков, строящихся в рамках проекта Stuttgart 21.

Наряду с выполнением текущих задач оператор DB Netz приступил к проектированию третьей очереди цифровизации Штутгартского узла (рис. 2), которая охватывает еще примерно 400 км путей, включая оставшуюся часть городской железной дороги, участки трансъевропейских коридоров и сортировочную станцию Корнвестхайм. Третья очередь будет поэтапно реализована во второй половине 2020‑х годов и предусматривает также опробование и внедрение следующих систем:

  • ATO с уровнем автоматизации GoA2;
  • автоматизированное диспетчерское управление пропускной способностью и перевозочным процессом CTMS;
  • гибридная ETCS уровня 3;
  • цифровая радиосвязь FRMCS стандарта 5G.

21103 2Рис. 2. Цифровизация Штутгартского узла к 2030 г. (третья очередь)

Прежний опыт внедрения МПЦ и ETCS в Германии не внушает оптимизма, поскольку срок подготовки и реализации проектов зачастую достигал 10 лет. При таком подходе своевременно завершить проект цифровизации Штутгартского узла и последующее развертывание цифровых систем в масштабах сети железных дорог Германии невозможно.

В связи с этим предпринимаются усилия по тщательной координации работы всех участников и реализации комплексного подхода, при котором эксплуатация, подвижной состав и инфраструктура рассматриваются как единая система и максимально оптимизируются все процессы.

Повышение пропускной способности

От перехода к цифровым системам ЖАТ ожидают значительного роста пропускной способности железных дорог. Однако для выполнения этой задачи недостаточно просто заменить старую технику на новую и сократить длины блок-участков, как это было сделано несколько десятилетий назад при внедрении системы АЛС LZB, в которой обмен информацией с поездом осуществляется через индуктивный шлейф.

В проекте цифровизации Штутгартского узла предприняты, в частности, меры по оптимизации разбиения линий на блок-участки при использовании ETCS уровня 2 (рис. 3), совершенствованию кривых торможения, снижению времени реакции напольных и бортовых систем, точному заданию разрешенной скорости движения в системе ETCS, сокращению длин защитных участков за виртуальными светофорами.

21103 3Рис. 3. Плотная расстановка путевых приемоответчиков с целью оптимизации длин блок-участков на станции Мерклинген строящейся высокоскоростной линии Штутгарт — Ульм

Особое внимание в проекте уделяется работе городской железной дороги Штутгарта. В 2019 г. Объединение региона Штутгарта (VRS) заказало оператору DB Netz исследование возможности увеличения интенсивности движения поездов по опорному участку S-Bahn до 30 пар поездов/ч в среднесрочной перспективе и до 36 пар поездов/ч — в долгосрочной. По этому опорному участку проходят поезда шести линий S-Bahn, и при пропуске 36 пар поездов/ч появляется возможность перейти к тактовому расписанию с сокращенными до 10 мин межпоездными интервалами на всех линиях (вместо 15 мин в настоящее время).

Для обеспечения устойчивой работы S-Bahn Штутгарта важно также в рамках третьей очереди проекта внедрить цифровые системы ЖАТ на участках, примыкающих к опорной части сети. Кроме того, должны быть учтены и другие аспекты, в том числе в отношении тягового электроснабжения на опорном участке, организации пассажиропотоков, составления расписания движения и действий в случае нарушений. Цифровая техника позволяет при этом обеспечить прогнозное регулирование поездопотока за счет использования системы CTMS и высокую точность остановки поездов на станциях при помощи системы ATO. В сочетании с модернизацией путевой инфраструктуры, включая строительство новых и удлинение существующих обгонных путей, а также стрелок, рассчитанных на более высокую скорость движения, создаются условия для обгона поездов S-Bahn во время их остановки на станциях длительностью 30 с. Оптимизация трасс участков и станционных путей, а также оптимизация динамики движения поездов при помощи ATO в сочетании с новым подвижным составом с улучшенными характеристиками разгона и торможения должны обеспечить стабильную эксплуатацию сети в условиях повышенной интенсивности перевозок без снижения скорости движения поездов по сравнению с текущей ситуацией.

Федеральная земля Баден-Вюртемберг приняла стратегию по развитию региональных перевозок, в рамках которой закупки подвижного состава и инфраструктурные мероприятия увязываются с программой цифровизации железных дорог Германии DSD. Целью стратегии является удвоение числа пассажиров общественного транспорта к 2030 г. и достижение его климатической нейтральности к 2040 г.

Финансирование

По мере реализации проекта цифровизации Штутгартского узла на первый план выходят вопросы его финансирования. Инфраструктурные мероприятия, предусмотренные этим проектом, финансирует преимущественно федеральное правительство Германии при участии DB и других партнеров по проекту Stuttgart 21.

В федеральном бюджете выделены средства на финансирование стартового пакета программы DSD, включая проект в Штутгарте. Расходы на дооснащение подвижного состава бортовыми системами взяли на себя земля Баден-Вюртемберг (как владелец поездов) и DB, причем финансовую поддержку оказывают правительство Германии и Евросоюз. Объединение региона Штутгарта оплачивает проведение сопутствующих работ.

В целом определены источники финансирования 90 % расходов по проекту цифровизации Штутгартского узла. Оставшиеся 10 % средств потребуются для реализации расширенных функций цифровых систем, позволяющих сделать выбранное техническое решение более эффективным с точки зрения федеральной земли Баден-Вюртемберг. Кроме того, в ходе развертывания систем по программе DSD возникают разовые расходы, связанные с внедрением CTMS, ATO и других сопутствующих систем, которые в значительной мере не зависят от конкретных проектов.

21103 table

В отличие от традиционной инфраструктуры ЖАТ, при использовании которой даже небольшое повышение пропускной способности требует значительных дополнительных инвестиций, в цифровые системы заложен большой потенциал дальнейшего развития. В то же время внесение принципиальных изменений в такие системы после их внедрения значительно превышает по затратам инвестиции в разработку и реализацию оптимального решения изначально с выбором подрядчика по результатам конкурентного отбора.

Для более полного раскрытия резервов пропускной способности при развертывании цифровых систем в рамках программы DSD важно совершенствовать доступные финансовые инструменты. Увеличение инвестиций на 10 % может дать значительный эффект в будущем, например, за счет внедрения подвижных блок-участков в гибридной ETCS уровня 3 с соответствующим сокращением числа элементов напольной инфраструктуры. То же касается эффекта масштаба, который возникает при оснащении тысяч единиц подвижного состава бортовыми устройствами ETCS, соответствующими целевой модели BTZ. На тех участках и станциях, где нет прямой потребности в повышении пропускной способности, появляется возможность существенно повысить качество эксплуатационного процесса за счет формирования резерва пропускной сопособности с небольшими дополнительными затратами.

Уже накопленный опыт работ по проекту цифровизации Штутгартского узла позволяет рассчитывать, что вполне реально значительно увеличить пропускную способность железнодорожной сети Германии примерно за 15 лет за счет развертывания современных технологий управления движением поездов.

А. Ефремов

В статье использованы материалы железных дорог Германии (www.deutschebahn.com), Объединения региона Штутгарта (www.region-stuttgart.org); Eisenbahningenieur, 2021, № 11, S. 6 – 11; Deine Bahn, 2021, № 3, S. 6 – 10..

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2022, № 1.