Продвинутая цифровая инфраструктура ЖАТ железных дорог Германии

Одна из ключевых целей цифровизации железных дорог Германии (DB) состоит в повышении интенсивности движения поездов на существующей сети, которая в настоящее время ограничивается традиционными технологиями регулирования движения поездов при помощи фиксированных блок-участков. Новая логика безопасности, реализуемая посредством продвинутой цифровой инфраструктуры ADI (Advanced Digital Infrastructure), должна устранить это ограничение.

Содержание

1. Продвинутая цифровая инфраструктура ADI
2. Демонстрационный проект ETCS уровня 3 с подвижными блок-участками
3. Пилотный проект ADI на участке линии Remstalbahn
4. Эксплуатационные сценарии

Железные дороги в течение многих лет с настороженностью относились к новым подходам к управлению движением поездов, предпочитая постепенно совершенствовать традиционные технологии. Однако для предоставления транспортных услуг высокого качества с одновременным ростом интенсивности движения поездов необходимо значительно ускорить развертывание цифровых систем на сети железных дорог. Эту цель преследует отраслевая инициатива цифровизации железных дорог Германии Digitale Schiene Deutschland (DSD), реализуемая одноименной компанией.

Цифровизация железных дорог Германии осуществляется в несколько этапов. Первый этап охватывает создание базовой инфраструктуры — внедрение цифровых систем микропроцессорной централизации (МПЦ), которые характеризуются высоким уровнем стандартизации и раздельной передачей данных и подачи электроэнергии в напольные устройства, и европейской системы управления движением поездов ETCS. На последующих этапах предусмотрено развертывание технологий, обеспечивающих повышение пропускной способности, надежности перевозок и уровня их автоматизации. К ним относятся интеллектуальная система диспетчерского управления пропускной способностью и перевозочным процессом CTMS (Capacity and Traffic Management System), система автоведения ATO и интегрированная система управления движением поездов на основе поездоцентричной логики обеспечения безопасности, которая должна прийти на смену применяемым сегодня и основанным на традиционных технологиях системам централизации и автоблокировки.

Эта новая логика безопасности создавалась сначала в рамках швейцарской отраслевой программы SmartRail 4.0 (см. «ЖДМ», 2018, № 12, с. 52 – 58), затем разработки были продолжены в ходе реализации европейской инициативы RCA, направленной на создание эталонной архитектуры системы обеспечения безопасности и управления движением поездов (см. «ЖДМ», 2019, № 6, с. 54 – 58). После этого в 2023 г. компания DB InfraGO — оператор железнодорожной инфраструктуры Германии совместно с партнерами из железнодорожной отрасли приступила к проработке эксплуатационных сценариев, чтобы на их основе подготовить спецификации новой логики безопасности, получившей название APS (Advanced Protection System, см. также «ЖДМ», 2023, № 2, с. 38 – 43) (рис. 1).

Рис. 1. Создание и этапы внедрения продвинутой цифровой инфраструктуры ADI

Одновременно реализуется демонстрационный проект на испытательном полигоне в Рудных горах на юго-востоке Германии, где отрабатываются инновационные технические решения в сфере управления движением поездов и автоведения. Высокая эффективность APS может быть достигнута только в сочетании с другими системами продвинутой цифровой инфраструктуры ADI.

Продвинутая цифровая инфраструктура ADI

Наряду с системой безопасности APS в состав продвинутой цифровой инфраструктуры ADI входят цифровой регистр DR, который является центральным хранилищем данных железнодорожных приложений, и модуль исполнения графика PE (Plan Execution), обеспечивающий сопряжение с системой CTMS. Инфраструктура ADI использует отвечающие требованиям спецификации EULYNX стандартные интерфейсы с напольными устройствами — стрелками и переездами, а также обеспечивает взаимодействие с системой автоведения ATO (рис. 2).

Рис. 2. Упрощенная архитектура системы ADI и ее интерфейсы с другими системами

Концепция ADI предусматривает возможность непрерывного определения местоположения поезда. Непрерывный обмен данными с поездом в сочетании с высокопроизводительными средствами их обработки позволяет динамически разграничивать поезда блок-участками нужной длины, учитывающими скорость и длину поезда. При этом целостность поезда контролируется бортовыми средствами, а не при помощи традиционных напольных устройств (рельсовых цепей или систем счета осей). Передача бортовым устройством информации о местоположении хвоста поезда в систему ADI позволяет повысить плотность движения и пропускную способность линии. Количество напольного оборудования сводится при этом к минимуму, что способствует упрощению и повышению надежности системы, а также сокращению расходов.

Объединение функций систем централизации и локомотивной сигнализации

В настоящее время основными компонентами инфраструктуры ЖАТ являются система централизации, обеспечивающая установку и замыкание маршрутов, и система локомотивной сигнализации (например, ETCS, которая принята к внедрению в масштабе сети DB), отвечающая за регулирование межпоездных интервалов путем передачи в бортовые устройства данных о разрешенной скорости движения. Такое разделение функций сложилось исторически и приводит к усложнению разработки и проектирования систем ЖАТ.

При переходе к продвинутой цифровой инфраструктуре ADI функции централизации и центра радиоблокировки (RBC) системы ETCS объединяются в одну систему APS. В ней реализована базовая логика безопасности, использующая цифровые описания всех реальных элементов инфраструктуры на железнодорожной сети (таких как стрелки и переезды) и их свойств, например допустимых скорости движения и осевой нагрузки. Эти данные хранятся в едином банке данных — цифровом регистре и используются ADI и другими системами, в том числе не выполняющими ответственных функций и отвечающими, в частности, за диспетчерское управление движением поездов. В цифровом регистре содержатся в стандартном формате все необходимые топологические данные железной дороги. Применение единой информационной модели позволяет уйти от необходимости специально разрабатывать специфические проектные данные для каждой системы централизации. Требуемые проверки и функции безопасности могут выполняться в инфраструктуре ADI централизованно и независимо от конкретного реального напольного устройства. Кроме того, изменения в путевом развитии и соответствующую адаптацию устройств ЖАТ можно проверять изолированно и без влияния на допуск к эксплуатации самой логики безопасности.

Геометрическая логика безопасности

Еще одним важным свойством ADI является геометрическая логика. Существующие системы централизации устанавливают жестко спроектированные статичные маршруты между двумя пунктами на сети. Геометрическая логика предполагает, что поезда могут безопасно следовать по любым маршрутам из пункта А в пункт Б, причем эти маршруты формируются спонтанно и индивидуально для каждого поезда. 

Вместо установки заранее запроектированного статичного маршрута система ADI обследует запрашиваемый маршрут, изучая его геометрические пересечения с возможными препятствиями, определяет, свободен ли он от потенциальных опасностей, таких как другие поезда или закрытие путей, и находятся ли все причастные напольные устройства в требуемом положении. Для этого необходимо отслеживать в реальном времени местоположение всех поездов и обеспечить обмен данными с поездами через короткие интервалы времени, что предполагает надежную работу радиоканала, реализуемого как в сети радиосвязи GSM-R, так и в перспективной сети FRMCS стандарта 5G.

Развертывание продвинутой цифровой инфраструктуры

На крупных железнодорожных сетях, таких как сеть DB, внедрять новую технологию можно только поэтапно. В концепцию ADI заложена возможность перехода к новой инфраструктуре при разных уровнях оснащенности железнодорожных линий и подвижного состава.

На конечном этапе внедрения в ADI от бортовых устройств должны поступать ответственные данные о текущем местоположении всех поездов и их целостности. В настоящее время лишь немногие поезда располагают таким бортовым оборудованием. На переходном этапе концепция ADI предусматривает определение местоположения поездов как по сообщениям от бортовых устройств, так и при помощи традиционных напольных устройств — систем счета осей или рельсовых цепей. Гибкое применение всей доступной информации призвано добиться в имеющихся условиях максимально возможной пропускной способности, причем она будет увеличиваться по мере насыщения парка поездами с бортовыми средствами контроля целостности без внесения каких‑либо изменений в проектные данные системы.

Рис. 3. Основные эксплуатационные и технические преимущества инфраструктуры ADI

 Таким образом, к числу преимуществ ADI по сравнению с традиционными системами сигнализации относятся (рис. 3):

• сокращение сроков реализации проектов и снижение затрат за счет применения новой базовой логики безопасности со стандартными описаниями объектов (например, стрелок) для всех других систем;
• компактная распределенная архитектура с разделением уровней оперативного управления и безопас­ности;
• простая и быстрая адаптация инфраструктуры ЖАТ при внесении изменений в конфигурацию напольного оборудования;
• повышение пропускной способности линий за счет применения подвижных блок-участков;
• оптимальная адаптация инфраструктуры ЖАТ к текущей эксплуатационной ситуации, повышение уровня ее гибкости и производительности за счет применения геометрической логики безопасности;
• повышение надежности вследствие сокращения количества напольного оборудования;
• улучшение эксплуатационной совместимости железнодорожной сети на европейском уровне.

Демонстрационный проект ETCS уровня 3 с подвижными блок-участками

Железные дороги Германии, Швейцарии (SBB) и Австрии (ÖBB) совместно с бизнес-подразделением GTS компании Thales (ныне входящем в состав Hitachi Rail) выполняют демонстрационный проект Moving Block Demonstrator с ноября 2022 г. в рамках более широкого европейского проекта FP2‑R2DATO, охватывающего темы автоведения, беспилотного движения, цифрового регистра и другие аспекты продвинутой цифровой инфраструктуры. Координатором проекта FP2‑R2DATO стоимостью более 160 млн евро является Национальное общество железных дорог Франции (SNCF).

Целями проекта Moving Block Demonstrator являются:

• подтверждение реализуемости выбранной архитектуры системы и базовой логики безопасности;
• демонстрация преимуществ поездоцентричной логики безопасности APS с объединением в одну систему устройств централизации и ETCS по сравнению с традиционными техническими решениями;
• демонстрация возможности обращения на полигоне поездов с бортовыми устройствами ETCS;
• демонстрация гибкости системы в условиях разных воздействий на эксплуатационный процесс;
• демонстрация разграничения поездов подвижными блок-участками на имитационной модели и на испытательном полигоне в Рудных горах.

Демонстрационный проект реализуется поэтапно с постепенным нарастанием функциональности. Предусмотрен выпуск до пяти релизов с формированием спецификации, выполнением разработок и тестирования для каждого релиза. Выпуск каждого релиза сопровождается демонстрацией системы в среде имитационного моделирования и/или на испытательном полигоне. Завершить проект планируется в мае 2026 г.

Пилотный проект ADI на участке линии Remstalbahn

Для пилотного проекта по опробованию продвинутой цифровой инфраструктуры ADI выбран участок Вайблинген — Шорндорф на линии Remstalbahn, которая соединяет станцию Штутгарт-Бад Канштатт и расположенный к востоку от Штутгарта город Нёрдлинген на территории Баварии. Участок Вайблинген — Шорндорф входит в состав городской железной дороги (S-Bahn) Штутгарта (рис. 4). Срок реализации проекта — с 2024 по 2030 г.

Рис. 4. Станция Вайблинген

Пилотный проект ADI предусматривает интеграцию отдельных новых технологий в единый комплекс и призван продемонстрировать техническую возможность внедрения ADI и прежде всего — базовой логики безопасности. Планируется также подтвердить повышение пропускной способности линии при переходе к подвижным блок-участкам на 20 % по сравнению с традиционной сигнализацией, т. е. как минимум до уровня, принятого для ETCS уровня 2 без напольных светофоров. Для станционных путей межпоездной интервал составит при этом 5 мин, на остальных путях — 2 мин. Инфраструктура ADI должна обеспечивать заданное качество обслуживания в том числе при отклонениях от планового графика движения поездов. Также планируется продемонстрировать высокую эксплуатационную гибкость ADI без проектирования новых маршрутов и разрешение в полуавтоматическом режиме нарушений эксплуатационного процесса, связанных, например, с введением временных ограничений скорости на отдельных участках.

Эксплуатационные сценарии

Для создания технических спецификаций ADI необходимо определить эксплуатационные сценарии, которые будут использоваться после внедрения системы. Для этого оператор DB InfraGO проанализировал технологические процессы, которые изучались в рамках разнообразных исследований, выполненных в том числе другими европейскими железнодорожными компаниями. Цель состояла в формировании новых оптимизированных технологических операций, которые ранее оператором DB InfraGO не использовались. Для этого в технологическом процессе DB InfraGO (без диспетчерского управления и планирования перевозок, которые относятся к задачам CTMS) были выделены и классифицированы отдельные составляющие, включая движение поездов по плановому графику и при отклонениях от него, маневровые передвижения, эксплуатацию при ограничениях вследствие путевых работ, эксплуатацию сдвоенных поездов с их разделением на маршруте следования, нештатные ситуации, переходы между зонами действия ADI и традиционных систем и т. п.

В частности, оператор DB InfraGO изучал эксплуатационные сценарии, разработанные норвежским (BaneNor) и датским (Banedanmark) операторами железнодорожной инфраструктуры в связи с развертыванием ETCS уровня 2, и признал их высокую эффективность с точки зрения использования функций ETCS. Дополнительно изучался опыт железных дорог Швейцарии (SBB) и Австрии (ÖBB).

В результате в своих эксплуатационных сценариях оператор DB InfraGO решил использовать мобильные терминалы, концепция которых была разработана в Норвегии и Дании. Эти мобильные терминалы предназначены для обмена информацией между линейным персоналом на пути и оператором поста централизации, что будет способствовать повышению уровня безопасности в том числе при организации движения поездов при проведении работ на железнодорожной инфраструктуре и упрощению доступа персонала к напольным устройствам.

Эксплуатационные сценарии для системы ADI разрабатывали также с учетом директивы 400 (новой инструкции по движению поездов, созданной для цифровых систем ЖАТ в Германии) и требований целевой эксплуатационной модели BZB версии 1.2. Не все из этих требований применимы к системе ADI из‑за различий в подходах с моделью BZB.

Ожидается, что первый комплект эксплуатационных сценариев будет готов до конца 2024 г. и может быть использован при реализации первых проектов внедрения продвинутой цифровой инфраструктуры ADI в Германии.

А. Ефремов

В статье использованы материалы инициативы Digitale Schiene Deutschland (digitale-schiene-deutschland.de) и проекта FP2‑R2DATO (projects.rail-research.europa.eu/eurail-fp2); Eisenbahntechnische Rundschau, 2024, № 7 – 8, S. 14 – 18; Eisenbahn Ingenieur Kompendium, 2024, S. 189 – 208.

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2024, № 10.