Konvenční vlakové zabezpečovače v železničním provozu na síti SŽDC historický vývoj a současný stav
Ivan Konečný, ZČU Plzeň
1. Úvod V letošním roce uplynulo již 50 let od zavedení nízkofrekvenčního liniového vlakového zabezpečovače (LVZ) do provozu v železniční síti bývalých ČSD. Provozní nasazení LVZ na většině hlavních tratí bývalých ČSD významným způsobem přispělo ke zvýšení bezpečnosti vlakové dopravy a zavedený LVZ ve své době patřil k špičkovým vlakovým zabezpečovačům na evropských železnicích. Vzhledem k tomu, že snad již po mnoha odkladech dojde na koridorových tratích SŽDC ke generační výměně provozovaného LVZ za jednotný systém evropského vlakového zabezpečovače ETCS je účelem tohoto příspěvku popsat historii vývoje LVZ až po jeho současný stav. Počátky vzniku LVZ lze podle lit.[1] datovat do roku 1953, kdy byl do plánu v tehdejším nově zřízeném Vědecko výzkumném ústavu dopravním (jeho pokračovatel Výzkumný ústav železniční má tedy 60-tileté výročí od doby jeho vzniku) zařazen výzkumný úkol s cílem vyřešit univerzálně použitelné vlakové zabezpečovací zařízení s přenosem čtyř návěstních informací s kontrolou bdělosti strojvedoucího. Vlakový zabezpečovač byl řešen ve dvou pracovních kolektivech, kdy pracoviště, které vedl Ing. Oldřich Poupě (později Prof. Ing. Oldřich Poupě Dr.Sc., profesor na VŠDS v Žilině) předložilo řešení nízkofrekvenčního liniového VZ s induktivním přenosem informace na nosném kmitočtu 50Hz. Druhé pracoviště, které vedl Ing. Jan Suchánek, (viz. lit.[2]) předložilo řešení s bodovým přenosem informace (BVZ) pomocí permanentních magnetů jako traťových vysílačů informace. Přitom se předpokládalo, že LVZ bude zaveden na hlavních tratích v té době modernizovaných elektrifikací a autobloky a BVZ bude využit na vedlejších tratích a jako doplněk LVZ. Přestože obě řešení VZ se při provozním ověření osvědčila byla počátkem 60-tých let dána priorita řešení LVZ, kterým byly postupně vybaveny ( ze současného pohledu během velmi krátké doby cca 5 let) všechny tratě s autobloky včetně všech hnacích vozidel na těchto tratích.
2. Počátky liniového vlakového zabezpečovače typu LS s induktivním přenosem informace Vlakové zabezpečovače s liniovým nízkofrekvenčním přenosem informace z trati na hnací vozidlo se počaly používat na železnicích v širším měřítku v USA počátkem 30-tých let minulého století. Koncepce tohoto typu vlakového zabezpečovače (VZ) vyvinutá např. firmou „UNION SWITCH“ (viz. lit.[3]) využívala tehdy nejmodernější reléovou zabezpečovací techniku v celosvětovém měřítku na infrastruktuře – reléové autobloky a kolejové obvody. Přenos informace z trati na vozidlo byl koncipován vzhledem k technickým možnostem v době realizace VZ pomocí induktivního přenosu nízkofrekvenčních kolejových
proudů na nosném kmitočtu průmyslové sítě (v USA 60Hz), který byl klíčován informačními signály z trati na vozidlo, na kterém jsou umístěny snímače kolejových proudů. Rozlišení (kódování) jednotlivých informačních signálů přenášených z trati na vozidlo bylo opět dáno tehdejšími technickými možnostmi a bylo realizováno odlišnými klíčovacími kmitočty nosného kmitočtu. Pozn.: V Evropě vývoj vlakových zabezpečovačů v tehdejší době probíhal odlišným způsobem daným především tím, že na infrastruktuře se využívaly především obsluhovaná elektromechanická zabezpečovací zařízení. V širším měřítku se uplatnil systém bodového vlakového zabezpečovače (BVZ) vyvinutý počátkem 30-tých let minulého století německými firmami pod názvem INDUSI, který přenáší jednobitovou informaci z trati na vozidlo pomocí laděných rezonančních obvodů LC (traťových induktorů), který byl hromadně aplikován zejména jako nástavba k elektromechanickým zab. zařízením. Tento systém se rozšířil zejména na DB, OBB a v dalších evropských železničních správách a po řadě technologických inovací se používá u těchto železničních správ doposud. Liniové VZ s nízkofrekvenčním induktivním přenosem používané v USA posloužily jako vzor pro vyvíjené VZ u železničních správ, které počaly v širším měřítku modernizovat železniční zabezpečovací techniku reléovými technologiemi původně používanými v USA. Byly to zejména země bývalého východního bloku ovládané SSSR. V SSSR byly již v meziválečném období nakoupeny licence na reléové zabezpečovací technologie v USA. Počátkem 50-tých let byly v tehdejším období enormního růstu nároků na výkonnost železniční dopravy reléové technologie (staniční zab. zař. a autobloky) převzaté z SSSR hromadně budovány na hlavních tratích bývalých ČSD. Systém LVZ vyvinutý ve Výzkumném ústavu dopravním (VÚD) pro ČSD využívá principy osvědčených nf. VZ, které mají původ v systémech zavedených v železničních společnostech v USA, jeho řešení je ale originální a v době svého vzniku vysoce progresivní. Vyvinutý LVZ byl postupně zaváděn na hlavních tratích ČSD vybavených autoblokem od počátku 60-tých let pod označením LSII až LSIV. Zavedený systém LVZ využívá pro přenos informace z trati na vozidlo induktivní přenos s dodatečně kódovanými kolejovými obvody s nosným kmitočtem 50Hz a (po elektrifikaci hlavních tratí střídavým trakčním systémem 25kV/50Hz) s nosným kmitočtem 75Hz. Nosný kmitočet 50Hz, resp. 75Hz je modulován (klíčován) informačními kmitočty 0.9Hz (červená), 1.8Hz (žluté mezikruží), 3.6Hz (žlutá), 5.4Hz (zelená). Klíčované kolejové proudy jsou pomocí indukční vazby přenášeny do mobilní části LVZ na hnacím vozidle. V mobilní části LVZ jsou informační kmitočty dekódovány a převedeny do znaků návěstního opakovače. Při příjmu povolujících návěstních znaků není vyžadována obsluha tlačítka bdělosti strojvedoucím, při příjmu zakazujících návěstních znaků je vyžadována periodická obsluha tlačítka bdělosti (TB) strojvedoucím. Podrobný popis systému LVZ typu LSII -IV je uveden v lit.[1], podrobný popis inovované mobilní části VZ typu LS90 je uveden v lit.[4]. Principielní blokové schéma VZ systému LS je naznačeno na obr.1.
Vysílač
Přenosový kanál
Přijímač
Obr.1. V následující části příspěvku jsou na vybraných unikátních fotografiích z konce 50-tých let zachyceny počátky ověřování LVZ v laboratořích VÚD a v provozním nasazení. Fotografie byly autorovi příspěvku poskytnuty díky laskavosti pana Jaroslava Červenky (člena vývojového týmu Prof. Poupěho) z jeho osobního archivu.
Obr.2. Prototyp induktivních snímačů kódu
Obr.3. Induktivní snímače namontované na lokomotivě ř. 475.1133
Obr.4. Přístrojové skříně VZ pod ochozem, bateriová skříň na ochozu
Obr.5. Traťová část VZ – elektromechanický kodér
Obr.6. Měření a oživování kodéru v laboratoři VÚD
Obr.7. VZ na stanovišti motorové jednotky M 296.0
Obr.8. Panel usměrňovačů mobilní části VZ
Obr.9. Panel reléového dešifrátoru mobilní části VZ
Obr.10. Originální provedení návěstního opakovače
3. Provozní nasazení LVZ a jeho inovace Zařízeni přenáší 4 znaky (5 při 'kmitavé červené") odvozené z hlavního návěstidla, ke kterému se vlak blíží. Dva znaky jsou restriktivní ( „červená“ a „žluté mezikruží"), dva znaky jsou povolující („zelená" a „žlutá"). V případě přenosu restriktivního pojmu nebo při přerušení přenosu musí strojvedoucí periodicky (cca každých 20 s) obsluhovat tlačítko bdělosti, při příjmu povolujících informací není obsluha vyžadována. Zařízení smí strojvedoucí vyloučit (pomocí přepínače funkcí) vždy, když hnací vozidlo nejede v čele vlaku (posun, postrk atd.), v takovém případě se na opakovači rozsvítí modré světto, přeruší se vstupní kanál a vyloučí se kontrola bdělosti. Kromě této manuální výluky má zařízení ještě výluku automatickou, ke které dochází automaticky vždy při současném poklesu rychlosti pod 10 km/h a zvýšení tlaku v potrubí přídavné brzdy nad 1,5 atm. Při automatické výluce není přerušen vstupní kanál a na opakovači dále svítí přijímaný znak doprovázený modrým světlem, kontrola bdělosti je vyloučena. Zásahy do řízení vozidla provádí VZ pouze nouzovým brzděním, tj. otevřením hlavního potrubí pneumatické brzdy pomocí elektromagnetického ventilu a to v případě, že není přenášen ani povolující znak, ani není řádně obsluhováno tlačítko bdělosti či není zřízena nekterá z výluk. Vlakový zabezpečovač ČD tedy nepřenáší informace o stupni návěštěného omezení rychlosti a nedohlíží na skutečnou rychlost vlaku – vyžaduje pouze periodické potvrzování bdělosti strojvedoucího v oblasti zábrzdné vzdálenosti před hlavními návěstidly omezujícími jízdu vlaku. Zařízení se také žádným způsobem nepodílí na dohledu nad dodržováním ostatních omezení rychlosti - z titulu stavu tratě, vlaku atd. Zařizením tohoto typu jsou vybaveny téměř všechny lokomotivy a všechny tratě vybavené autoblokem (coa 1500 km hlavních, převážně dvojkolejných tratí). Při zavádění systému LS II-IV se předpokládalo, že • traťová část zařízení bude postupně nasazována v ucelených úsecích, v místech doposud traťovou částí nevvbavených bude kontrolní funkce zvláštním úkonem zrušena a bude znovu zavedena po obnovení přenosu kódu • strojvedoucí bude svou činnost vykonávat zodpovědně, se znalosti předpisů a vůlí se jimi řídit a bude v základních projevech dodatečně kontrolován. • zařízení bude využíváno v rozsahu existujícího návěstního systému, •zařízení bude kontrolovat bdělost strojvedoucího při jízdě bez povolujícího znaku a zároveň bude strojvedoucím kontrolováno Po padesáti letech provozování VZ typu LS lze konstatovat, že pro tyto předpoklady byl zvolen optimální systém, kdy řadě zahraničních správ se to ve stejné době nebo i později nepodařilo. V Evropě jsou železniční správy, které vlakový zabezpečovač dodnes využívají v malém rozsahu, nebo jen v jednodušší podobě, jiné železniční správy dodnes provozují i několik nekompatibilních systémů, vznikajících postupně během let proto, že původně zvolený systém nebyl vyhovující. Při hodnocení VZ typu LS je však třeba také posoudit, do jaké míry jsou původní předpoklady oprávněné a do jaké míry se kryjí s dnešní realitou. Je zapotřebí konstatovat, že traťová část vlakového zabezpečovače nebyla u ČSD budována spojitě, nedostatečně vybavena dodnes zůstala většina stanic. Přes nevybavené úseky byla zavedena výluka funkce kontroly a tlačítko bdělosti bylo využito ve funkci periodické kontroly bdělosti strojvedoucího (tzv.
živák) nejen na takovýchto krátkých nevybavených úsecích, ale po zavedení jednomužné obsluhy hnacích vozidel počátkem 70-tých let minulého století i na celých nevybavených traťových ramenech. Toto „zneužití“ tlačítka bdělosti bylo ve své době motivováno snahou ušeřit vyvinutý a ověřený zjednodušený bodový zabezpečovač určený pro tratě bez autobloků. Se zvyšováním rychlosti na tratích SŽDC nastal problém s využitím vlakového zabezpečovače nad rámec stávajícího návěstního systému. Informace "žlutá" pro vyšší rychlosti jak 120km/h ztrácí význam povolujícího znaku, protože pro tyto případy je vzdálenost mezi předvěstí a hlavním návěstidlem kratší, než je zábrzdná vzdálenost Nelze pak ani uvažovat o tom, že strojvedoucí může korigovat chybu zařízení, protože při "zelené“ nemá srovnatelnou informaci z trati včas. Přenos informace z trati na vozidlo a její vyhodnocení na vozidle by tedy mělo být provedeno plně podle zásad zabezpečovací techniky. Přesun informace "žlutá" do skupiny zakazujících znaků dále způsobí zvětšení počtu vynucovaných obsluh tlačítka bdělosti. Nerealizovaná systémová modernizace vlakového zabezpečovače pro ČSD V druhé polovině 80-tých let minulého století počala být vybavována hnací vozidla u ČSD ve značné míře automatickými regulátory rychlosti a dalšími nástavbovými automatizačními prvky řízení hnacích vozidel jako je cílové brzdění a optimalizátor jízdy vlaku. Jde o domácí zařízeni, vzniklá na základě mnohaleté práce v oblasti řízení hnacích vozidel a ke své činnosti potřebují informace o aktuální dopravní situaci přenesená z trati na vozidlo. Předpokladem kvalitního a bezpečného provozu vozidel řízených pomocí automatizačních prvků je rovněž odpovídající dohled vlakovým zabezpečovacím zařízením. Tuto úlohu není stávající vlakový zabezpečovač s kontrolou bdělosti strojvedoucího schopen na potřebné úrovni zastávat. Proto bylo navrženo rozšíření stávajícího liniového vlakového zabezpečovače typu LS o bodový přenosový kanál a o bezpečnou kontrolu rychlosti vlaku. V roce 1989 byl na ŽZO VÚŽ Praha vyzkoušen na lokomotivě ř.363.001 systém BVZ typu ALSK-2 (ERICAB JZG703) v té době zaváděný na základě licence u BDŽ. Ve spolupráci s LS-90 měly být aktivovány přenosové funkce obou systémů, kontrolní a výkonné funkce pouze u systému bodového. Ten by bral v úvahu i informace přijaté liniovým systémem a s patřičnými prioritami by zajišťoval kontrolu rychlosti. Při ověřování navrženého řešení se prokázalo, že navržený způsob modernizace VZ splňuje všechny předpokládané parametry. V kritické fázi, kdy se rozhodovalo o modernizaci VZ bodovým přenosovým kanálem došlo v roce 1990 ke změně politických poměrů v bývalé ČSSR a další úvahy o spolupráci při modernizaci VZ v tehdejší RVHP se staly bezpředmětné. Úvahy o dalších modernizacích VZ se v té době odvíjely od tehdejších optimistických vizí brzkého zavedení ETCS, ke kterému dochází až nyní, (24 let od ověření zabezpečovače JZG703 u ČSD s kladným výsledkem) ze kterého vychází koncept systému ETCS L1.
Dílčí modernizace funkčních bloků systému LVZ LS. Vlakový zabezpečovač LS byl vyvinut na tehdy moderních technologiích dostupných v padesátých letech minulého století, v traťové části (vysílači) byly použity výhradně elektromechanické prvky, mobilní část VZ obsahovala elektronkový zesilovač, elektromechanická relé a transduktory. Přenos informace mezi vysílačem a přijímačem je realizován induktivním kanálem jednoduchým kódem bez jakéhokoliv zabezpečení.
Většina funkčních bloků systému LS byla během padesátiletého provozování VZ postupně modernizována. Dílčí modernizace byly vyvolány jednak dostupností modernějších obvodových prvků, dále požadavky na zvýšení spolehlivosti systému, provozními požadavky a přechodem na střídavou trakční soustavu 25kV/50Hz. Základní principy generace kódů a přenosu informace z vysílače do přijímače nebyly těmito dílčími modernizacemi dotčeny a jsou tedy poplatné době vzniku systému LS, tedy cca 30-tým letem 20 století. Dílčí modernizace se týkaly jak traťové, tak mobilní části systému. V traťové části byly ve výkonové části vysílače kódu (modulátoru) použity počátkem 70-tých let místo impulsně pracujících relé při generaci kódu tyristorové spínače (Typ BS2, později řada TYS). Další významnou modernizací v traťové části byl přechod z elektromechanických prvků při generaci kódů na plně elektronickou součástkovou základnu, kdy původní elektromechanický kodér znázorněný na obr.5. byl nahrazován od počátku 80-tých let min. století elektronickým kodérem EK-1. (Viz. následující obr.11).
Obr.11. Elektronický kodér EK-1 Mobilní část VZ LS byla počátkem 70-tých let modernizována jednak v napájecí části, kdy původní rotační měnič napětí byl postupně nahrazován elektronickým měničem BM, dále byl původní elektronkový zesilovač vstupního signálu postupně nahrazován tranzistorovou verzí. Mobilní část VZ LS byla zásadně modernizována v 90-tých letech minulého století, kdy byla vyvinuta v tehdejším VÚŽ Praha plně elektronická verze typu LS-90 s dvoukanálovým zpracováním vstupní informace s bezpečnou komparací zpracované informace, která se vyráběla ve firmě AŽD Praha do roku 2013. Další inovace mobilní časti LVZ proběhla koncem 90-tých let minulého století po rozdělení republiky na Slovensku. Firma HMH s.r.o. Bratislava vyvinula na základě zadání ŽSR
moderně řešenou procesorově orientovanou mobilní část LVZ s typovým označením MIREL VZ1. Mobilní část VZ MIREL VZ1 je vybavena přídavnými funkcionalitami, jako je např. měření rychlosti a ujeté dráhy. Firma AŽD Praha s.r.o. vyvinula rovněž procesorově orientovaný stykový modul STM na bázi architektury JAZZ a mobilní část VZ typu LS-06 rovněž na bázi JAZZ. Na tomto místě je zapotřebí zdůraznit, že technologické inovace mobilních částí LVZ vyhovující současným standardům a jejich přídavné funkcionality neřeší zásadní problém, kterým je malá informační kapacita přenosového kanálu z trati na vozidlo, který není nijak zabezpečen, nesplňuje tedy požadavky současné normy ČSN EN 50 159-1. Proto je zapotřebí pečlivě uvážit, zda přídavné funkcionality, které se realizují v současných mobilních částech systému LVZ nevedou ve svém důsledku k nežádoucímu snížení bezpečnosti systému. 4. Závěr Během provozování výše popsaného systému VZ s přenosem informace z trati na vozidlo pomocí nízkofrekvenčního přenosového kanálu se zásadním způsobem změnilo prostředí, ve kterém je systém provozován zejména z hlediska vnějších rušivých vlivů (EMI). Systém, který byl navržen v době, kdy se provozovaly trakční prostředky nezávislé trakce (parní lokomotivy, resp. motorové vozy) a vnější prostředí téměř neobsahovalo zdroje rušení v nízkofrekvenční spektrální oblasti ve které je doposud provozován nebyl přenosový kanál prakticky rušen z cizích zdrojů. Proto při dostatečně vysoké úrovni vysílaného nosného signálu a jeho klíčování informačními signály jejichž klíčovacím kmitočtem je vyjádřena přenášená informace nebyla tato informace napadána cizími rušivými signály. Na tomto místě je zapotřebí zdůraznit, že použitý kód, který vyjadřuje přenášenou informaci (klíčovací kmitočty 0.9Hz, 1.8Hz, 3.6Hz a 5.4Hz) má nulovou redundanci a není nijak zabezpečen proti změně přenášené informace cizími vlivy. Tento systémový nedostatek nelze žádným jednoduchým způsobem změnit tak, aby systém z tohoto hlediska splňoval současné požadavky na bezpečný přenos informace použitým přenosovým kanálem. Po elektrifikaci hlavních tratí na kterých se převážně používá VZ typu LS stejnosměrnou a posléze střídavou trakční soustavu a při postupném nasazování moderních vozidel s tyristorovou, posléze pulsní regulací a vozidel s pohonem asynchronními motory se rapidně zvýšila úroveň EMI, které ruší nízkofrekvenční přenosový kanál VZ typu LS. V praktickém provozu se projevilo rušení přenosového kanálu VZ vyvolané nesymetrií zpětných trakčních proudů, rušení vyvolané činností impulsně pracujících kolejových obvodů a rušení od magnetického pole asynchronních trakčních motorů. Zvýšení odolnosti VZ LS proti výše uvedenému rušení je v současných podmínkách možné pouze na straně přijímače (mobilní části) např. zdokonaleným vyhodnocením přijímaných informačních kódů. Při silném rušení v přenosovém kanále lze výstupy převést do pasivního stavu, což je sice potenciálně bezpečný stav, snižuje se ale provozuschopnost (dostupnost) systému. Přes výše popsané systémové možnosti a z nich vyplývající omezení při současném provozování LVZ typu LS je zřejmé, že během jeho 50-tiletého provozování systém výrazným způsobem přispěl ke zvýšení bezpečnosti železniční dopravy. Je zřejmé, že požadované vlastnosti systému bylo možné dosáhnout pouze při jeho liniovém vybudování na infrastruktuře, odpovídající údržbě a při dosazení mobilní části VZ na všechna hnací vozidla provozovaná na vybavených tratích. Jakékoliv nevybavené hnací vozidlo VZ provozované na vybavených tratích degraduje zvýšení bezpečnosti dosažené přenosem informace z trati na hnací vozidlo.
Literatura: [1] Oldřich Poupě: Liniový vlakový zabezpečovač NADAS Praha 1965 [2] Jan Suchánek: Vlakové bodové zabezpečovače (autostopy) pro ČSD Dopravní nakladatelství 1960 [3] Oldřich Poupě a kol.: Zabezpečovací technika v železniční dopravě II, str.566 až 569. NADAS Praha 1990 [4] V. Chudáček, J. Jakl, L. Lochman: Vlakové zabezpečovací systémy ČD-VÚŽ Praha 1999 [5] http://www.hmh.sk/zoznam-produktov/36-vlakovy-zabezpecovac-mirel-vz1.html
