Цифровизация Штутгартского железнодорожного узла

Цифровизация Штутгартского железнодорожного узла, включая городскую железную дорогу (S-Bahn), является пилотным проектом программы цифровой трансформации железных дорог Германии (DB). После изучения вариантов внедрения европейской системы управления движением поездов ETCS на S-Bahn Штутгарта с учетом их технической реализуемости и влияния на эксплуатационный процесс (см. «ЖДМ», 2019, № 9, с. 63 – 70) решено остановиться на ускоренном развертывании этой системы к 2025 г. на опорной части сети Штутгартского узла.

Содержание

1. Исходный проект
2. Пересмотр концепции
3. Реализация проекта: первые шаги
4. ETCS без напольных светофоров на участках опорной сети
5. Цифровая МПЦ
6. Перспективы

Исходный проект

Первоначально в рамках комплексного проекта модернизации Штутгартского железнодорожного узла Stuttgart 21 предусматривалось внедрить традиционные устройства СЦБ. В частности, намечалось заменить три устаревшие системы централизации тремя новыми системами микропроцессорной централизации (МПЦ) и установить путевую аппаратуру точечной АЛС PZB в сочетании с комбинированными светофорами, а также с традиционными основными и предупредительными напольными сигналами. Кроме того, для обеспечения эксплуатационной совместимости и высокоскоростного движения предполагалось развернуть ETCS уровней 1 и 2 поверх светофорной сигнализации на некоторых участках (рис. 1).

Рис. 1. Исходная концепция оборудования Штутгартского узла и новой высокоскоростной линии Штутгарт — Ульм системами управления движением поездов в рамках проекта Stuttgart 21

При этом даже не обсуждалось развертывание ETCS на высокозагруженном подземном участке в центре города, по которому проходят несколько маршрутов городской железной дороги. Проведенный в 2011 г. анализ такого проектного решения подтвердил возможность повышения интенсивности движения региональных и междугородных поездов на 30 % по сравнению с имевшейся инфраструктурой при выполнении требований к качеству транспортных услуг.

Вместе с тем в 2015 г. Университет Штутгарта представил отчет об исследовании, в котором было показано, что внедрение ETCS уровня 2 на общем участке городской железной дороги позволит существенно повысить качество эксплуатационного процесса по сравнению с традиционной технологией интервального регулирования движения поездов. Имитационное моделирование, выполненное специалистами железных дорог Германии, подтвердило эти выводы.

Пересмотр концепции

В 2017 г. из‑за задержек с выполнением строительных работ по проекту Stuttgart 21 появилась возможность переосмыслить концепцию средств обеспечения безо­пасности и управления движением поездов в Штутгартском узле. Поводом для этого стал быстрый рост пассажиропотока и интенсивности движения поездов в регионе, который сопровождался падением показателей соблюдения графика движения поездов на городской железной дороге. Стало ясно, что простой замены имеющихся устройств на более современную технику недостаточно для обеспечения устойчивой работы S-Bahn в условиях роста объема перевозок.

Среди специалистов возникла острая дискуссия о целесообразности применения ETCS на городской железной дороге Штутгарта, в результате которой было инициировано исследование вариантов развертывания ETCS на опорной сети S-Bahn Штутгарта. Даже по консервативной оценке, при использовании ETCS уровня 2 и частично автоматизированном режиме движения (автоведение с уровнем автоматизации GoA2) минимальный интервал попутного следования на общем участке может быть уменьшен примерно на 20 % по сравнению с исходным проектным решением на основе традиционных технологий. Это дает запас времени почти 30 с при тактовом графике с интервалом 150 с и позволяет существенно уменьшить опоздания поездов.

По результатам исследования было решено до 2025 г. включить в зону действия цифровой МПЦ Штутгартского узла не только новые линии и участки, строящиеся в рамках проекта Stuttgart 21, но и станции и участки общей протяженностью 60 км (рис. 2), управление которыми осуществляется сейчас при помощи четырех старых постов централизации, а также оборудовать их системами ETCS уровня 2 и автоведения (ATO). При этом потребуется установить соответствующее оборудование примерно на 400 моторвагонных поездах, занятых в региональных и дальних сообщениях. Столь радикальный пересмотр концепции потребовал интенсивного взаимодействия всех участников проекта, включая компании, входящие в состав концерна DB, Министерство транспорта земли Баден-Вюртемберг и Объединение региона Штутгарта.

Рис. 2. Принятая пересмотренная концепция, ориентированная на развертывание цифровой МПЦ и ETCS уровня 2 на участках общей протяженностью 125 км и их подготовку к внедрению ATO с уровнем автоматизации GoA2 к 2025 г.

Цифровизация Штутгартского узла включена в так называемый стартовый пакет программы «Цифровые железные дороги Германии» (Digitale Schiene Deutschland) и финансируется из ее бюджета. При этом до 2030 г. намечено завершить цифровизацию железных дорог во всем регионе Штутгарта (рис. 3), причем предус­мотрено дальнейшее повышение пропускной способности сети за счет внедрения, в частности, системы автоматизации диспетчерского управления движением поездов (TMS) и обмена информацией в реальном времени через сеть радиосвязи стандарта FRMCS, который придет на смену действующему стандарту GSM-R.

Рис. 3. Концепция цифровизации к 2030 г. железных дорог в регионе Штутгарта, включая всю сеть S-Bahn

Реализация проекта: первые шаги

Проект цифровизации до 2025 г. опорной сети Штутгартского узла охватывает 125 км участков пути, новую цифровую МПЦ с 19 концентраторами напольного оборудования и свыше 2000 напольных устройств, включая более 400 стрелок (преимущественно новых), и примерно 5000 путевых приемоответчиков. Эти технические средства должны быть установлены как на новых наземных участках, так и на подземном общем двухпутном участке с интенсивным движением поездов в центральной части города. Кроме того, предстоит построить центр управления, а также выполнить увязку с соседними системами централизации.

По договору с компанией DB Netz — оператором инфраструктуры железных дорог Германии за формирование концепции, стратегию и управление проектом отвечает компания DB Projekt Stuttgart-Ulm (DB PSU). Задачи проектирования и сопровождения выбора поставщиков возложены на компанию DB Engineering & Consulting. В проект вовлечены и представители многих других подразделений концерна DB, в том числе специалисты по системам ЖАТ, эксплуатации, подвижному составу, закупкам, финансированию и т. п.

Тендерные процедуры в масштабе Евросоюза были запущены в октябре 2019 г., конкурсную документацию в январе 2020 г. отправили претендентам, прошедшим квалификационный отбор. Переговоры с поставщиками должны завершиться размещением заказов осенью 2020 г.

Поэтапный пуск новой цифровой МПЦ должен начаться в конце 2023 г. К эксплуатационным испытаниям ETCS на первых участках планируют приступить в начале 2024 г. Они продлятся 18 мес, после чего во второй половине 2025 г. также поэтапно будет проводиться ввод в коммерческую эксплуатацию в опорной части Штутгартского узла — на общем участке городской железной дороги и новой станции Штутгарт-Главный. Систему автоведения ATO будут вводить в эксплуатацию годом позднее.

ETCS без напольных светофоров на участках опорной сети

DB совместно с партнерами по проекту стремятся добиться максимального повышения пропускной способности участков и станций Штутгартского узла. С этой целью на подходах к платформам станций общей линии городской железной дороги предусмотрены блок-участки предельно малой длины (до 30 м), чтобы прибывающий поезд мог как можно ближе подойти к платформе вслед за отправляющимся поездом.

Новая станция Штутгарт-Главный спроектирована таким образом, чтобы она при необходимости могла работать в высокопроизводительном режиме S-Bahn, т. е. с возможностью отправления поездов с пятиминутным интервалом от каждой из восьми платформ. Примыкающие к станции участки спроектированы в расчете на средний межпоездной интервал 2 мин (рис. 4). Распределение блок-участков оптимизируется благодаря использованию новых методов и технологий с учетом местных условий (уклоны, допустимая скорость, возможное сочетание поездов разных категорий) таким образом, чтобы минимизировать интервалы попутного следования всех курсирующих по участку поездов.

Рис. 4. Сокращение межпоездных интервалов при использовании ETCS L2oS по сравнению с другими технологиями

При современном уровне развития технологий максимальная пропускная способность обеспечивается при внедрении ETCS уровня 2 без напольных светофоров (ETCS L2oS). Эта модификация системы ETCS уже несколько лет успешно эксплуатируется на высокоскоростной линии Эрфурт — Галле/Лейпциг (подробнее см. «ЖДМ», 2017, № 3, с. 72 – 75). Ее важным достоинством является отсутствие негативного влияния традиционных технологий на пропускную способность участков и станций. Вместо установки светофоров в качестве средства резервирования ETCS, которое все равно влечет за собой значительные ограничения эксплуатационного процесса, основное внимание уделено созданию в Штутгартском узле максимально отказоустойчивой системы управления движением поездов. Для этого предусмотрено полное резервирование компонентов сети GSM-R, распознавание на раннем этапе поездов с неисправным бортовым оборудованием ETCS и применение на опорных участках узла раздельных центров радиоблокировки (RBC) для путей движения поездов дальнего следования и поездов S-Bahn.

В отличие от опорной сети, для которой запроектирована ETCS L2oS, примыкающие участки с менее жесткими требованиями к пропускной способности планируют оборудовать системой ETCS с сохранением ограниченного числа напольных светофоров (рис. 5). При этом по участкам с ETCS L2oS будут курсировать только пассажирские поезда.

Рис. 5. Распределение участков, на которых планируют внедрять ETCS L2oS и ETCS с сохранением напольных светофоров

Реализация ETCS L2oS в крупном железнодорожном узле потребует доработки технических требований, что уже нашло свое отражение в тендерной документации и повлечет за собой кооперацию между будущим поставщиком системы и структурами DB, направленную на выработку соответствующего инновационного технического решения.

Поверх системы ETCS в Штутгартском узле будут в дальнейшем работать такие системы, как ATO и TMS, соответственно, подготовительные мероприятия для этого должны быть спланированы уже сейчас. Кроме того, необходимо реализовать функции, которые решающим образом влияют на пропускную способность участков, в частности, предусмотреть заложенную в ETCS возможность устанавливать разрешенную скорость движения с шагом 5 км/ч и отказаться от жестко устанавливаемых минимальных расстояний между сигнальными знаками ETCS и границами участков контроля свободности пути.

DB видят также большой потенциал в оптимизации кривых скорости при торможении, которые рассчитываются бортовыми компьютерами системы ETCS. Эти кривые могут быть более крутыми, чем в применяемой в Германии системе непрерывной автоматической локомотивной сигнализации LZB с передачей информации через уложенный между рельсами индуктивный шлейф. Для новых поездов, которые способны обеспечить высокое замедление при торможении и обладают более высокой эксплуатационной готовностью, возможно значительное сокращение задаваемого системой ETCS тормозного пути с соответствующим сокращением межпоездного интервала.

Цифровая МПЦ

Идеология цифровых МПЦ в Германии основана на следующих основных принципах:

• стандартизация интерфейсов между компонентами МПЦ и открытость стандартов;
• тестирование на основе спецификаций сценариев;
• разделение подачи электропитания к напольному оборудованию и обмена данными с ним (это позволяет снять ограничения по радиусу действия поста централизации);
• унифицированное автоматизированное рабочее место оператора (аппаратное обеспечение с уровнем безопасности SIL0);
• проектирование, не зависящее от изготовителя техники;
• централизованное размещение аппаратуры уровня обеспечения безопасности МПЦ;
• развитая диагностика.

Последовательное применение этих принципов позволяет снизить расходы на приобретение МПЦ, ее техническое обслуживание и эксплуатацию, перейти к выполнению испытаний в лабораторных условиях и обслуживать устройства на основе данных об их фактическом состоянии. Стандартизация усилит конкуренцию между поставщиками и откроет рынок для малых и средних предприятий.

Архитектура цифровой МПЦ и основные стандартные интерфейсы между ее компонентами в упрощенном виде показаны на рис. 6. Значительная часть стандартных интерфейсов, в том числе с центром радиоблокировки ETCS (SCI-RBC), соседней МПЦ (SCI-ILS), со стрелками (SCI-P), светофорами (SCI-LS) и системами счета осей (SCI-TDS), была опробована и введена в эксплуатацию в разных проектах в период с 2013 по 2018 г. (подробнее см. «ЖДМ», 2018, № 8, с. 63 – 67). До конца 2019 г. планировалось ввести в эксплуатацию стандартизированные интерфейсы с АРМ оператора (SCI-CC), переездной сигнализацией (SCI-LX) и цифрового ввода-вывода (SCI-IO). В 2020 г. намечено перейти к применению серийных устройств со стандартными интерфейсами, что позволит проводить тендеры на поставку отдельных компонентов цифровых МПЦ по отдельным лотам.

Рис. 6. Архитектура цифровой МПЦ

В цифровой МПЦ напольными устройствами (стрелками и светофорами) управляют модули FeAk, размещенные в путевых ящиках и включающие в себя объектные контроллеры. Эти объектные контроллеры обмениваются информацией с концентратором напольного оборудования (GFK). Он, в свою очередь, через сеть передачи данных подключен к посту централизации.

Концентраторы GFK располагаются в бетонных киосках и содержат модули железнодорожной автоматики, телекоммуникаций и электроснабжения переменным током частотой 50 Гц. Они сопоставимы с исполнительными постами централизации. Стрелочные и светофорные объектные контроллеры соединены с концентратором GFK посредством волоконно-оптического кабеля, что обеспечивает также связь с вышестоящими устройствами цифровой МПЦ в центре управления.

Модуль железнодорожной автоматики концентратора GFK отвечает прежде всего за распределенный контроль свободности пути, с этой целью к нему напрямую подключают устройства счета осей подвижного состава. Результаты обработки данных от счетчиков осей передаются в центр управления по железнодорожной сети передачи данных, использующей протокол IP. В более современных системах счета осей возможно размещение вычислительных модулей непосредственно в напольных модулях FeAk с анализом обработки данных от путевых датчиков в центре управления.

Для энергоснабжения аппаратуры FeAk служит устройство электропитания, которое в Штутгартском узле будет выполнено с резервированием и подключено к кольцевой шине среднего напряжения.

В целом в период до завершения тендерных процедур разработчики проектной документации были вынуждены делать определенные допущения, поскольку внедряемая техника все равно отчасти зависит от конкретного поставщика. В связи с этим приходится исходить из наихудшего сценария, например, ориентироваться на сечение кабеля эксплуатируемых систем при сохранении кабельных каналов, которые не допускают дальнейшего наращивания. Следует также учитывать, что в тоннеле городской железной дороги новые кабели придется укладывать в дополнение к существующим, поскольку демонтаж эксплуатируемых старых систем будет осуществляться позднее. Это создает дополнительные трудности в реализации проекта.

В общем случае подключать аппаратуру FeAk к концентраторам GFK планируют по звездообразной схеме. При этом до пяти модулей FeAk может быть подсоединено к одному световоду в волоконно-оптическом кабеле. От резервирования с использованием кольцевой схемы отказались из‑за высоких требований к распознаванию ошибок. В зонах с повышенными требованиями к эксплуатационной готовности устройств предусмотрено дублирование трактов передачи с использованием двух разных кабелей, в остальных случаях запланирован резервный канал с использованием соседнего световода в том же кабеле. Из-за стесненных условий в тоннелях не всегда возможно пространственное разнесение дублированных кабелей, соединяющих концентраторы GFK и напольные модули FeAk. По этим же причинам путевые ящики не всегда можно разместить в оптимальных местах рядом с напольными устройствами.

Перспективы

К моменту ввода в эксплуатацию европейской системы ETCS и цифровой МПЦ число поездов, курсирующих по участкам Штутгартского узла, достигнет 1500 ежесуточно с тенденцией к быстрому дальнейшему росту. Новый комплекс средств управления движением поездов, который будет к 2030 г. развернут в масштабах всего Штутгартского узла и дополнен системами автоведения и TMS, позволит сократить межпоездные интервалы, оптимизировать кривые скорости при торможении и повысить точность соблюдения расписания движения поездов.

В Штутгартском узле будут отработаны технологии, которые в дальнейшем распространят на другие крупные железнодорожные узлы Германии. Накопленный здесь опыт будет использован при цифровизации всей сети DB, которую планируют завершить до 2040 г.

А. Ефремов

В статье использованы материалы железных дорог Германии (www.deutschebahn.com), Объединения региона Штутгарта (www.region-stuttgart.org); Eisenbahningenieur, 2020, № 4, S. 14 – 19.

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2020, № 7.