Пассажиропоток на городской железной дороге (S-Bahn) Гамбурга устойчиво повышался в период до пандемии COVID-19 и, очевидно, продолжит рост после ее завершения. Кроме того, к середине 2020‑х годов в городе с населением примерно 1,9 млн чел. откроются новые линии S-Bahn. Кроме того, сенат Гамбурга намерен наращивать долю общественного транспорта в том числе за счет перехода к тактовому графику его движения. Все это требует повышения пропускной способности S-Bahn, особенно ее опорной части, что в перспективе можно обеспечить только за счет цифровизации сети.
Содержание
- Цифровизация S-Bahn Гамбурга
- Пилотный проект
- Проект Sensors4Rail
- Дальнейшее развертывание цифровых систем на S-Bahn Гамбурга
Городская железная дорога Гамбурга существует и непрерывно растет уже более 100 лет. По сети S-Bahn, которая формирует основу системы общественного транспорта города и его окрестностей, перевозится около 250 млн пассажиров ежегодно. Население города в течение последних десятилетий непрерывно растет, что ведет к увеличению спроса на перевозки. Так, за последние 10 лет пассажиропоток на городской железной дороге вырос на 30 %.
Инфраструктура S-Bahn уже приблизилась к исчерпанию возможностей дальнейшего повышения объема перевозок. С открытием новой линии S4 в восточной части Гамбурга и его пригородах с населением 250 тыс. чел., а также удлинением линии S21 на север до Кальтенкирхена на территории федеральной земли Шлезвиг-Гольштейн S-Bahn станет еще более привлекательной для пассажиров и нагрузка на сеть и ее опорную часть еще более возрастет. Точно так же увеличатся пассажиропоток и загрузка сети и с открытием еще одной линии в южном направлении.
S-Bahn Гамбурга нуждается в повышении не только пропускной способности линий, но и стабильности их работы в условиях растущей интенсивности движения поездов. Уже сейчас через станцию Гамбург-Главный пропускается около 1300 рейсов поездов. В будущем их число увеличится примерно на треть. Соответственно сеть должна обладать достаточными производительностью и гибкостью, чтобы в случае сбоев быстро восстанавливать нормальную поездную ситуацию.
В настоящее время на сети городской железной дороги Гамбурга эксплуатируются преимущественно устаревшие системы централизации, в том числе механические, электромеханические и релейные, требующие повышенных расходов на техническое обслуживание. Возраст некоторых систем приближается к 100 годам, они чаще выходят из строя. Кроме того, наличие систем разных поколений требует наличия разнообразных запчастей, а персонал приходится обучать методам устранения неисправностей систем централизации разных типов и разных поколений. Некоторые запчасти уже недоступны на рынке, и их производство требует высоких затрат.
Из 17 систем централизации на городской железной дороге только две построены на основе микропроцессорной техники, их ввели в эксплуатацию соответственно в 1997 и 2008 гг.
Цифровизация S-Bahn Гамбурга
В ходе модернизации инфраструктуры городской железной дороги Гамбурга предполагается постепенно заменить существующие механические, электромеханические и релейные системы на системы микропроцессорной централизации (МПЦ) и цифровые МПЦ, а также внедрить на высокозагруженных участках с интенсивным движением поездов европейскую систему управления движением поездов ETCS и систему автоведения поездов ATO.
Обновление систем централизации
На первом этапе необходима замена существующих систем централизации и сопутствующих устройств ЖАТ на современную технику. МПЦ имеют большую дальность действия, более компактны и позволяют реализовать расширенные функции. Цифровые системы централизации представляют собой следующее поколение МПЦ и основаны на стандартной архитектуре с применением стандартных интерфейсов, что позволяет исключить зависимость от конкретного изготовителя. Это повышает уровень конкуренции на рынке и дает возможность упростить приобретение запасных частей.
Цель реализуемой на железных дорогах Германии (DB) программы Digitale Schiene Deutschland (DSD) состоит в развертывании в масштабах всей сети цифровых МПЦ к 2040 г., что позволит существенно сократить число сбоев устройств ЖАТ, повысить пропускную способность линий и транспортных узлов, а также значительно упростить и снизить расходы на техническое обслуживание систем. При этом необходимо определиться с выбором мест размещения центров обработки данных, в которых будет сконцентрировано центральное компьютерное оборудование МПЦ. Эти центры обработки данных будут управлять всеми напольными устройствами централизации, такими как стрелки, устройства счета осей и светофоры.
Объектные контроллеры, размещаемые в непосредственной близости от напольных устройств, будут подключены к центру управления через сеть волоконно-оптической связи с применением протокола IP и концентраторы напольного оборудования GFK. Кроме того, концепция цифровых МПЦ предусматривает создание центров управления с автоматизированными рабочими местами операторов МПЦ. Обмен информацией между концентраторами GFK и напольным оборудованием по сети волоконно-оптической связи позволит сэкономить значительные средства на прокладке кабелей.
Автоведение поверх ETCS
Европейская система управления движением поездов ETCS должна заменить национальные системы автоматической локомотивной сигнализации более 20 типов, до сих пор применяемые в разных странах континента, и обеспечить эксплуатационную совместимость при трансграничных перевозках. В системе ETCS уровня 2 для обмена информацией между бортовым и стационарным оборудованием используется радиоканал, что позволяет сократить число напольных устройств и повысить пропускную способность линий и железнодорожных узлов.
Внедрение системы автоведения, работающей поверх ETCS, позволяет минимизировать интервал попутного следования поездов и расход энергии на их тягу. В настоящее время готовятся единые европейские спецификации на систему ATO, в которой также предусмотрен обмен информацией между бортовым компьютером и распорядительным центром. Унификация интерфейсов позволит использовать автоведение при трансграничных перевозках. При этом система ATO отвечает за управление поездом, а ETCS — за безопасность его движения. Машинист по‑прежнему остается на борту, контролирует ситуацию и может в случае необходимости вмешаться в управление поездом.
Пилотный проект
В 2018 г. власти Гамбурга, железные дороги Германии (DB) и компания Siemens подписали соглашение о совместной реализации пилотного проекта цифровизации городской железной дороги к проведению Всемирного конгресса по интеллектуальным транспортным системам (Intelligent Transport Systems, ITS), который пройдет в городе осенью 2021 г. (рис. 1). В рамках пилотного проекта стоимостью 60 млн евро предусмотрено разработать, испытать и продемонстрировать новые цифровые технологи, который затем будут развернуты в масштабе всей сети S-Bahn.
Рис. 1. Пилотный проект внедрения цифровых МПЦ, систем ETCS уровня 2 и автоведения ATO в Гамбурге
Пилотный проект охватывает участок длиной 23 км на востоке города. DB и Siemens взяли на себя соответствующие НИОКР и проектирование. В проекте задействованы поезда постройки компании Bombardier (с конца января 2021 г. входит в состав Alstom), поэтому она привлечена к проекту в качестве партнера и отвечает за реализацию интерфейсов с поездной системой управления. В августе 2020 г. состоялась презентация первого поезда, переоборудованного для эксплуатации в режиме автоведения (рис. 2), а осенью того же года устройствами ETCS и ATO оснастили еще три поезда.
Рис. 2. Презентация первого поезда S-Bahn Гамбурга, оборудованного бортовыми устройствами ETCS и ATO
Компания Siemens в составе бортового устройства ETCS применяет компоненты, разработанные немецким изготовителем DEUTA-WERKE, — терминал MFTRS1080kwa на пульте машиниста и регистрирующее устройство REDBOXtop Safe+.
Внедрение системы ATO поверх ETCS позволит впервые в Германии проверить применимость европейских спецификаций в реальной эксплуатации. Поезда будут курсировать в полностью автоматическом режиме под контролем машиниста, который сможет взять на себя управление поездом при нарушениях в работе системы. Кроме того, машинист будет активировать и деактивировать режим автоведения в местах перехода между пилотным и обычным участками. Дополнительно для поездов линии S2 предусмотрен оборот в полностью автоматическом режиме без машиниста на борту на станции Бергедорф. Для обмена информацией между поездами и стационарным оборудованием будет использоваться сеть 5G, построенная компанией Nokia.
Проект Sensors4Rail
В рамках проекта Sensors4Rail, запущенного в декабре 2020 г., подвижной состав городской железной дороги Гамбурга оборудуется интеллектуальными датчиками для контроля обстановки перед поездом и на примыкающей местности. В проекте, которым управляют DB, участвуют компании Siemens Mobility, Bosch, Here Technologies и Ibeo Automotive Systems. При этом Siemens участвует в интеграции оборудования на подвижном составе, отвечает за комплексное тестирование и средства определения местоположения головы поезда с применением современных средств одометрии, включающих спутниковую навигацию. Компания Bosch предоставит радары и инфракрасные камеры среднего и дальнего радиуса действия, а также стереокамеры, объединение данных от которых позволяет надежно распознавать окружающую обстановку ночью или в тумане, а компания Ibeo — твердотельные лидары. Here Technologies отвечает за трехмерные электронные карты высокого разрешения с указанием объектов — строений, деревьев, краев платформ и т. п., по которым положение поезда на пути идентифицируется с сантиметровой точностью. Объекты на этой карте будут использовать также для определения координат головы поезда с применением технологий компаний Bosch и Ibeo. Для тестирования новых технологий проекта Sensors4Rail в октябре 2020 г. один из старых поездов S-Bahn Гамбурга оборудовали соответствующими датчиками (рис. 3). Испытания с использованием этого поезда проходят с начала 2021 г.
Рис. 3. Датчики на испытательном поезде городской железной дороги Гамбурга
Результаты выполнения проекта Sensors4Rail будут представлены на конгрессе ITS.
Дальнейшее развертывание цифровых систем на S-Bahn Гамбурга
Одновременно с внедрением цифровых систем на пилотном участке и оборудованием четырех поездов бортовой аппаратурой ETCS и ATO ведется проектирование новых МПЦ, которые придут на смену устаревшим системам централизации.
В течение ближайших 5 лет на западном участке городской железной дороги будет внедрена МПЦ вместо пяти существующих систем. Кроме того, планируется расширить зону действия поста МПЦ на станции Бад-Ольдорф, включив в нее станции, которыми сейчас управляют электромеханические системы, и новый участок линии S4 на северо-востоке города. Обычная или цифровая МПЦ заменит также существующие релейные системы на южных участках в направлении Харбурга и Нойграбена. Соответствующий проект уже готовится, в нем учитывается потребность в наращивании пропускной способности для будущей линии S32.
В 2020 г. сенат Гамбурга выделил 1,5 млн евро на проектирование МПЦ и разработку новых концепций графика движения.
Развертывание новых систем МПЦ будет осуществляться без прерывания движения поездов. Напольное оборудование систем ETCS и ATO смонтируют в ночные часы или во время окон, запланированных для выполнения других работ. В имеющемся парке подвижного состава городской железной дороги Гамбурга почти нет резервов, позволяющих выводить поезда из эксплуатации для их дооснащения бортовыми устройствами ETCS и ATO, поскольку по действующим правилам поезда затем нельзя сразу вернуть в эксплуатацию, а сначала необходимо получить для них соответствующий допуск. Специфика S-Bahn Гамбурга не позволяет арендовать подвижной состав у других городских железных дорог страны для поддержания требуемого размера парка. В связи с этим в процессе развертывания ETCS и ATO в Гамбурге потребуется нарастить парк поездов S-Bahn.
Для цифровизации всей городской железной дороги Гамбурга необходимо проработать концепцию внедрения цифровой МПЦ на опорной части сети в центральной части города, а также выполнить исследование с целью подтверждения технической возможности развертывания цифровых систем на всей сети S-Bahn.
На опорной части сети предполагается замена систем релейной централизации на крупнейших в городе станциях Гамбург-Альтона и Гамбург-Главный на цифровую МПЦ с внедрением ATO поверх ETCS. Зоны действия этих релейных систем охватывают опорную часть сети городской железной дороги, по которой курсируют поезда всех имеющихся линий S-Bahn, причем в ближайшие годы к ним добавятся поезда новых линий. Соответственно при проектировании цифровой МПЦ необходимо учесть потребность в повышении пропускной способности и обеспечении стабильного перевозочного процесса.
В ходе исследования технической возможности цифровизации всей сети S-Bahn Гамбурга будут учитываться результаты выполнения пилотного проекта. Основное внимание будет уделено проектированию напольных устройств системы ETCS в расчете на повышение пропускной способности участков сети. Готовность целевой системы к удовлетворению требований в отношении точности соблюдения расписания и стабильной работы проверят, используя имитационное моделирование. Важным элементом исследования станет оценка стоимости оборудования цифровой техникой инфраструктуры и подвижного состава. На последнем этапе оценят стоимость развертывания новых технологий.
В дальнейшем будет разработан предварительный план внедрения с детальной информацией о конструктивном исполнении систем централизации, ETCS и ATO, альтернативными вариантами и анализом затрат. Параллельно с учетом результатов исследования разработают технические задания на напольные и бортовые компоненты ETCS и ATO. При этом будут сформулированы эксплуатационные сценарии и предварительно рассмотрены аспекты функциональной безопасности систем.
Руководство S-Bahn Гамбурга рассчитывает, что внедрение цифровых технологий позволит повысить пропускную способность сети как минимум на 20 % без строительства дополнительных путей.
Городская железная дорога Гамбурга является в значительной мере изолированной транспортной системой, что дает значительные преимущества с точки зрения быстрого достижения эффектов в отношении роста пропускной способности и надежности за счет внедрения цифровых технологий. На сети S-Bahn Гамбурга обращаются поезда только двух серий, что упрощает задачу их дооснащения устройствами ETCS и ATO. Создаваемая система ATO поверх ETCS разрабатывается как универсальное решение, которое может использоваться не только в Гамбурге, но и на других городских железных дорогах, а также в региональном, междугородном пассажирском сообщении и в грузовых перевозках. Цель состоит в создании модульной архитектуры, рассчитанной на разные программы эксплуатации железных дорог в Германии и других европейских странах.
Материалы железных дорог Германии (www.deutschebahn.com), городской железной дороги Гамбурга (s-bahn.hamburg), компаний Siemens Mobility (www.mobility.siemens.com) и DEUTA-WERKE (www.deuta.de); Der Nahverkehr, 2020, № 12, S. 14 – 19.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2021, № 5.
