Nový systém řízení vlaků pro druhou generaci vozidel s naklápěcím ústrojím u akciové společnosti Německé dráhy (DB AG) Bernd Müller, Uwe Rosenkranz a Ulrich Lehmann, Braunschweig Po úspěšném provozním nasazení hnacích souprav s naklápěcím ústrojím v Itálii a Švédsku zahájily Německé spolkové dráhy v r. 1992 provoz hnacích souprav s naklápěcím ústrojím konstrukční řady 610 jako regionální rychlodráhy ve východním Bavorsku. O pět let později uvedly Německé dráhy do provozu hnací soupravy řady 611 na tratích okolo Saarbrückenu a Heidelbergu. Výhodná aplikace naklápěcí techniky má u Německých drah dále pokračovat, a to v příměstském provozu nasazením strojů řady 612 a v dálkovém provozu použitím elektrických hnacích souprav ICE T a ICE TD. Poté, co byly v r. 1999 nasazeny hnací soupravy s inovovanou technikou řízení, byly systémy vlakového řízení pro kontrolu naklápěcího ústrojí přezbrojeny na tuto techniku ovládání. Vhodné tratě byly systematicky vybavovány traťovými prvky. Nový systém řízení vlaku ZUB 262 je dimenzován pro aplikaci nových přenosových prvků podle specifikací Evropského systému řízení vlaků (ETCS). Tento článek přináší popis konstrukce a funkcí tohoto systému řízení vlaků a jeho pilotní provoz na zkušební trati. Je rovněž uveden přehled výstavby traťové sítě s kontrolní regulací vlaků s naklápěcím ústrojím. 1. Úvod Vlaky s naklápěcím ústrojím dosahují na tratích s mnoha zatáčkami vyšších cestovních rychlostí a kratších oběhových časů, aniž je tím ovlivněn komfort přepravy. Traťový svršek musí být přizpůsoben vyšším rychlostem, vedení trasy může však zpravidla zůstat nezměněno. Zavedení naklápěcí techniky ve spojení s taktovým jízdním řádem přineslo podle zprávy [1] tyto výsledky: - úspora cestovní doby o cca 20 % a - nárůst provozu o 15 až 22 % Vyšší přípustné rychlosti však vyžadují kontinuální ovládání rychlosti. 2. Ovládání rychlosti u vlaků vybavených naklápěcím ústrojím Pro splnění požadavku kontinuálního ovládání rychlosti byl na bázi systému řízení vlaků ZUB 100 firmy Siemens Verkehrstechnik Braunschweig vyvinut systém s funkcí „Ovládání rychlosti pro vlaky vybavené naklápěcím ústrojím“ (GNT) a provozně nasazen na vozidlech řady 610 a 611 akciové společnosti Německé dráhy (DG AG) [2],[3] a na elektrické hnací soupravě ETR 470 italské společnosti CISALPINO. Na trati byly přitom pro přenos dat pro rychlostní profil s regulovaným bočním zrychlením (RS) a pro rychlostní profil se zvýšeným bočním zrychlením (ES) instalovány datové body pro bodové řízení vlaku, které tato data přenášejí na vozidlo ve formě telegramů. Energie k tomu potřebná se přenáší z vozidla na datový bod. Data pro ovládání profilů RS a ES na předsunutém úseku trati se ukládají v přístroji vozidla a vyhodnocují se v závislosti na trase. Při překročení přípustné rychlosti se aktivuje provozní
brzdění nebo samočinné brzdění, až dojde k nastavení přípustné rychlosti těsně pod její limitní hranicí. Systém pro ovládání rychlosti u vlaků vybavených naklápěcím ústrojím má tyto úkoly: -
permanentní ovládání (kontrola) maximální rychlosti přípustné pro určitý úsek trati, signalizaci změn přípustné rychlosti při jejím poklesu, ovládání změny rychlosti, vyřazení funkce bodového řízení vlaku (PZB), pokud jsou změny rychlosti zabezpečovány systémem INDUSI, registrace vlaků do GNT na každém prvním datovém bodu a opětná registrace na předchozím výstupu z GNT na následujícím datovém bodu, permanentní ovládání rychlostního profilu vlaků ES a při zpětném odstupňování rychlostního profilu vlaků RS, při překročení rychlosti podle rozsahu překročení spuštění akustické výstrahy, příp. provozního nebo samočinného brzdění až do dosažení přípustné rychlosti, automatické brzdění vlaku při chybějící nebo nesprávné informaci z traťového zařízení GNT anebo při funkční poruše zařízení GNT na vozidle, snížení přípustné rychlosti vlaku s naklápěcím ústrojím na profil RS v případě defektního naklápěcího ústrojí nebo na maximální rychlost 130 km/h při poruchách brzdové techniky, ovládání (kontrolu) maximální rychlosti na 100 km/h při výpadku systému INDUSI a ukončení GNT přenosem signálu na poslední datový bod.
3. Nové mezní podmínky pro provozní nasazení souprav ICE-T Provoz podle jízdního řádu byl zahájen pěti hnacími soupravami v květnu 1999 na trati Stuttgart – Curych. Německé dráhy daly u příležitosti světové výstavy EXPO 2000 do provozu 40 hnacích souprav ICE-T vybavených naklápěcím ústrojím pro dálkový elektrifikovaný provoz. Novinkou u těchto hnacích souprav je řídící systém s drátovou vlakovou sběrnicí (Wire Train Bus – WTB), který je na koncových vozidlech pomocí hradel spřažen s vozovou sběrnicí pomocí vícefunkční vozové sběrnice MVB-Standard. Aby bylo možno plnit tuto úlohu rozhraní a aby byla současně souprava vyzbrojena pro další nová rozhraní v evropském přeshraničním provozu, byl pro nasazení v hnacích soupravách vyvinut vozový přístroj systému pro regulaci rychlosti ZUB 262. Tento přístroj ZUB s funkcí GNT je napojen na MVB. Obr. 1 přináší přehled příslušných prvků. Přes sběrnici MVB se vyměňují informace mezi vozovým přístrojem ZUB 262 a displejem na stanovišti strojvedoucího, mezi modulární indikací stanoviště strojvedoucího MFA, mezi paměťovou kazetou dat DSK 20, mezi LSB 80 a mezi řízením vozidla svorkovnicí pro inteligentní obvod KLIP a aktivuje se provozní brzda. Nápadný je přípoj druhé antény pro příjem traťových dat přes návěstidlo (balisa) EURO, jakož i neexistence vysílače impulsů trasy. Informace o trase a rychlosti je z centrální registrace trasy a rychlosti (ZWG) s vysokou disponibilitou a značnou přesností dávána k dispozici v MVB. V rámci projektu standardizace systému řízení vlaků a sladění s evropským systémem řízení vlaků ETCS (European Train Control System), který byl zahájen v r. 1992 Mezinárodním
svazem železnic, byl m.j. vyvinut nový systém pro bodový přenos mezi vozidlem a tratí, návěstidlo (balisa) EURO. Německé dráhy počítají v budoucnu při aplikaci systémů řízení rychlosti s bodovým přenosem dat s využitím přenosové techniky návěstidel EURO. Protože však již existují trati GNT vybavené přenosovou technikou konstrukční skupiny ZUB 100, musí být přístroj ZUB 262 vybaven přijímači pro oba přenosové systémy. Tím bude v traťové síti Německých drah umožněno zachovat zatáčkové rychlosti nezávisle na stávajícím vybavení tratí GNT. 4. Aspekty budoucnosti 4.1 Struktura ETCS Aby bylo v budoucnu možno kontrolovat dodržování rozdílných provozních řádů evropských železničních správ funkčně na jedné vozové jednotce v jednotných bezpečnostních zařízeních, byla v rámci prací na ETCS v jednotlivých železničních společnostech vyvinuta funkční struktura ETCS s definovanými rozhraními. Při tom byly realizované funkce, jako je registrace přenosu, trasy a rychlosti, rozhraní člověk – stroj nebo bezpečnostní technické kontrolní funkce koncipovány jako zapouzdřené funkční stavebnicové prvky, které spolu vzájemně komunikují přes definované datové kanály. Tím jsou funkce realizovatelné nejen v jednom přístroji, ale teoreticky doplnitelné v četných rozdělených přístrojích a přes definovaná datová rozhraní. 4.2 Funkcionální integrace Prvním krokem k provozuschopnému vozovému přístroji ETCS je společná funkcionální integrace systému ZUB 122 a přenosového kanálu návěstidla EURO do jednoho přístroje, který provádí funkci GNT jako kontrolní úkol. Podle typu traťového vybavení pro řízení vlaků lze tím aktivovat identickou kontrolní funkci přes různé přenosové kanály a zásobovat ji informacemi. Přepojení na příslušný přenosový kanál se děje automaticky. Cílem druhého kroku je funkcionální integrace kontrolních funkcí systému ZUB 121, který používají Švýcarské spolkové dráhy (SBB), do jediného vozového přístroje pro Německé dráhy. Tím má být automatizováno systémové připojení mezi ovládáním rozdílných provozních řádů, má dojít ke zrychlení a větší plynulosti přeshraničního provozu a mají být redukovány náklady na technická zařízení. Integrace těchto funkcí probíhá v současné době na hnacích soupravách ICE TD a ICE 3. 5. Přístrojová technika 5.1 Návrh struktury Jestliže byl dosavadní vozový přístroj ZUB 122 s funkcí GNT dimenzován pouze pro ovládání rychlostních profilů ES a RS a vybaven jen přenosem spojovací cívkou ve frekvenčním rozsahu 850 kHz, vysílačem impulsů trasy a bez signalizace na stanoviště strojvedoucího, dovoluje nový vozový přístroj ZUB 262 aplikaci dalších funkcí. To si vyžádalo odklon od dosavadní rozsáhlé komplexní struktury přístroje jak v hardwaru, tak i v oblasti softwaru. Při návrhu nového systému byly cílem nové funkční moduly.
Hardware by měl dovolovat rozdílné přenosové kanály do trati a jejich volitelné nebo paralelní zapojení v případě potřeby. Počítalo se s prostorem pro různé sériové přenosové kanály k periferním přístrojům vozidla, aby bylo možno podle okolností vybavit stanoviště strojvůdce různými obslužnými a indikačními přístroji. Dále bylo nutno sladit proudové napájení přístroje s mezinárodně běžným normovaným napětím a v případě potřeby je dimenzovat pro další nástavbu. Konečně pak bylo nutno udržet konstrukci přístroje pro popsané funkce a v rámci stávajících hranic 19“ - konstrukčních řádků v kompaktním tvaru a koncipovat ji tak, aby bylo možno přístroj GNT pro provoz v obtížně větratelných prostorách doplnit ventilátorem. Flexibilita funkcí vyžadovala při uspořádání softwarové techniky rovněž i odklon od dosavadní lineární struktury programování typu assembler. Rozdílní aplikační požadavky vyžadují jednoduše přizpůsobitelnou strukturu softwarových funkčních modulů. 5.2 Realizovaná technika Výsledkem tohoto funkčně variabilního návrhu byla přístrojová řada ZUB 200, která na základě vyvinutých hardwarových a softwarových modulů umožňuje široký funkční a provozní rozsah v městské tramvajové dopravě a v příměstském a dálkovém provozu. Jako signální technicky bezpečně pracující přístroje obsahují dva kanály, přičemž každý z nich zahrnuje jeden stavebnicový nosič 19“. Jádrem přístroje ZUB 200 jsou zpracovatelské jednotky SIMIS 3116 ve 2 dvoufiguracích (SIMIS – Bezpečný mikropočítačový systém Siemens) s 80486 procesory. Toto jádro doplňují v každém kanálu konstrukční skupiny pro zpracování přerušení, rozhraní a signálů a paměť diagnostických dat pro reléová rozhraní s optickými spoji, jakož i rozhraní pro datový přenos a proudové napájení. Obr. 2 ukazuje variantu osazení vozového přístroje ZUB 262 s přenosovým kanálem pro návěstidlo EURO a pro 850 kHz. V softwaru bylo lineární programování assembler nahrazeno provozním systémem COSPAS a programováním v jazyce PASCAL za použití stavebnicové platformy pro systém řízení vlaku. Provozním systémem mohou být zřizovány a spravovány nezávislé softwarové moduly přes definovaná datová rozhraní. Stavebnicová platforma umožňuje zřizování a spravování zapouzdřených funkcí. Jednotlivé funkce, jako je kontrola (ATP) a přenos nebo registrace trasy (SDM) jsou dimenzovány jako separátní konstrukční prvky a s konečným programem jsou spojeny nadřazeně definovanými průběhovými strukturami stavebnicové platformy. 5.3 Integrace návěstidlového kanálu a vícefunkční vozové sběrnice Kompaktní konstrukce vozového přístroje ZUB 262 umožnila vedle přenosového kanálu 850kHz doposud používaného v GNT integrovat do přístroje přenosový kanál návěstidla (balisy) EURO podle ETCS včetně přídavného proudového napájení. Odděleně od přístroje se na otočném podvozku vozidla montuje spojovací cívka vlaku a příjmová anténa ETCS. Dále byl v rámu přístroje ponechán prostor pro vestavbu konstrukční skupiny se sériovým sběrnicovým rozhraním podle protokolu MVB. Rozhraní je jednokanálově obslužné. Nadto je vedle aktivace obslužných povrchů a registračních přístrojů možná i komunikace s centrální registrací trasy a rychlosti (ZWG) a s LZB 80 za účelem bezpečnostně-technické kontroly.
6. Migrační koncepty k zavedení návěstidla EURO S21 Návěstidlo EURO se nasazuje na všech funkčních stupních ETCS. Dodatečně se vyžaduje tam, kde je nutno nahradit běžné bodové přenosové systémy. To vyžaduje pro případ aplikace upravené migrační koncepty pro zavedení systému. Nedávno odsouhlasené investice je nutno respektovat a chránit, zejména když přípustné sériové výrobky nemohl dát průmysl k dispozici do r. 1999. Dráhy nemohly otálet se zavedením nových systémů a s obnovou vozového parku. Firma Siemens se soustředila na tyto podstatné body rozhodující pro zavedení návěstidla EURO: - migrační koncept pro zvedení návěstidla EURO na tratích Německých drah s provozem vlaků s naklápěcím ústrojím a - migrační koncept pro zavedení systému ETCS u Švýcarských spolkových drah. Strategie zavádění systému ETCS u Švýcarských spolkových drah (SBB) je podrobně popsána v [4]. Těžištěm je provozní nasazení návěstidla EURO u SBB jako signálem řízeného návěstidla. V dlouhodobém horizontu bude kolejová spojovací cívka ZUB 121 nahrazena návěstidlem EURO. V krátkodobém až střednědobém horizontu proto musí být vyvinut koncept, který umožní společné používání návěstidla EURO a kolejové spojovací cívky ZUB 121. Pro ochranu již vložených investic musí být možné uskutečnění tohoto řešení doplněním stávajících vozových zařízení ZUB 121. S obdobným problémem jsou konfrontovány Německé dráhy při urychlené výstavbě dopravní sítě pro vlaky vybavené naklápěcím ústrojím. V roce 1992 byla adaptována první regionální trať pro tento typ vlaku v oblasti Norimberk-Hof, na níž je v provozu 20 vozidel. Moderní hnací soupravy řady BR 610 s vysokým cestovním komfortem a zkrácenou dobou jízdy znatelně zvýšily přitažlivost vlakové přepravy v tomto regionu. To přineslo Německým drahám, stejně jako už u ICE, lépe vytížené vlaky. Německé dráhy se rozhodly pro další výstavbu tratí pro vlaky s naklápěcím ústrojím. Jako systém pro řízení rychlosti vlaků pro kontrolu rychlé jízdy v zatáčkách byl nasazen systém ZUB 122 firmy Siemens. Kolejové spojovací cívky systému ZUB 122 přenášejí data na trať bez elektrického spojení. V budoucnu mohou toto úlohu vyřešit návěstidla EURO S21 typu 2. I zde se ukazuje, že doplněním stávajících vozových zařízení ZUB 122 lze šetrně zacházet s již realizovanými investicemi. 7. Pilotní provoz na trati Donauwörth-Roth V létě 1999 byla provozně vyzkoušena přenosová technika s návěstidly EURO na trati Donauwörth-Roth, kde byly sledovány tyto ukazatele: -
funkce a spolehlivost přenosového kanálu návěstidla, montáž návěstidel na různých typech pražců, projektování a programování návěstidel s pevnými údaji, projektování jednokolejových tratí a provoz s výměnou kolejí, přechody mezi tratěmi se systémem GNT s kolejovými spojovacími cívkami a vybavením návěstidly EURO (balisy), a přechod tratí GNT na tratě LZB a obráceně.
Přitom se prokázala vysoká spolehlivost a výkonnost přenosového kanálu EURO.
Nevýhoda směrové selektivity, která zde ve srovnání s kolejovými spojovacími cívkami chybí, musí a může být vyrovnána příslušnými opatřeními (sdružení datových bodů) a přeložením párových návěstidel EURO. Teoreticky propočtené vyšší pravděpodobnosti přetížení návěstidel EURO v důsledku výpadku na sousedních kolejích se čelí preventivními kroky (sdružování návěstidel GNT, projekční předpisy). Účinnost a úplnost těchto opatření vyzkoušených v ověřovacím provozu bude nutno prokázat zkušenostmi z provozu. 8. Provozní zkušenost ICE T Od změny jízdního řádu v květnu 1999 jsou hnací soupravy ICE-T v provozu na trati Stuttgart – Curych. Jízdu v síti Německých drah zajišťují zabezpečovací systémy GNT LZB 80. Jízdu vlaků v oblasti SBB zajišťuje systém INTEGRA a ZUB 121. Národní zabezpečovací vlakové systémy se na hraničních nádražích Schaffhausen nebo Singen přepínají manuálně. V počáteční fázi provozu byly odhaleny a odstraněny ještě existující nedostatky ve vybavení trati. Traťové vybavení bylo neúplné a nedostatečně udržované. Od té doby je provoz systému GNT do značné míry bezporuchový. 9. Výstavba tratí se systémem GNT u Německých drah Na první trati vybavené systémem GNT mezi Norimberkem a Bayreuthem, příp. mezi Norimberkem a Hofem jsou od května 1992 v provozu vozy řady BR 610. O rok později byla dána do provozu trať mezi Norimberkem a Weidenem, resp. trať Norimberk – Furth im Wald. Od června 1997 jsou v provozu trati Heidelberg – Heilbronn a Saarbrücken – Gerolstein a Gerolstein – Kolín nad Rýnem. Tabulka 1 uvádí trati Německých drah, které jsou již vybaveny systémem GNT. 10. Výhled Funkční integrace řídících funkcí ZUB 121, jak je používána u SBB, do vozového přístroje ZUB 262 pro Německé dráhy v kombinaci s návěstidlem EURO a rovněž i s funkcí ETCE. Modulový řídící systém (SMM) umožňuje automatické přepojení systému na provozní řád sousedních drah v přeshraniční dopravě. Tím vzniká výhoda rychlejšího a plynulejšího chodu přeshraniční přepravy, protože odpadá zastavení vozů při výměně signálního systému. Navíc se zde naskýtá možnost minimalizace nákladů na přístrojovou techniku. Aplikace této funkce umožní od podzimu 2000 hnacím soupravám ICE TD průběžnou jízdu Švýcarskem, budou-li splněny traťové předpoklady zřízením nezbytných tranzitních míst vybavených pro tyto účely návěstidly EURO. Bez možnosti automatického přepojení systému jsou od března 1998 v provozu na trati Milán – Stuttgart přes Curych vlakové soupravy CISALPINO vybavené naklápěcím ústrojím. Zde již dokázaly Italské státní dráhy (FS) a SBB ve společné akciové společnosti využít přednosti přeshraniční přepravy i z jiných drážních správ. Další zrychlení drážního provozu mezi Německem, Švýcarskem a Itálií umožní nasazení nové vlakové soupravy s naklápěcím ústrojím ICN Švýcarských spolkových drah, která má být začleněna do jízdního řádu v roce 2000.
Použitím přenosového kanálu návěstidla EURO v systému ZUB 262 vznikají další možnosti zařazení dodatečných funkcí do softwaru vozového přístroje. Zde se využije výhoda velkého datového objemu přenosového kanálu. Tak se již nyní plánují pro telegram návěstidla EURO tři rychlostní profily ES, přičemž doposud byl využíván prakticky pouze profil ES. Tak bude kupř. v budoucnu možné optimálně zohlednit specifické vlastnosti rozdílných vozidel. Pro tento účel jsou nezbytné softwarové adaptace ve vozidlech v rámci konstrukčních změn vozů a traťové úpravy při projektování traťového vybavení. Nadto umožňuje přenosový kanál EURO nezávisle na funkci GNT, že kupř. u ICE 3 jsou traťové informace z návěstidla EURO přenášeny přímo přes MVB do techniky řízení provozu vozového přístroje. Při respektování bezpečnostního hlediska lze tak přímo vyvolat reakce vozidla (např. spuštění proudového sběrače, přepojení vlakového radiového kanálu, informace pro cestující, aktuální strana výstupu). To však předpokládá, že návěstidla jsou vzájemně „propojena“, že dojde k nasazení „přepínacích návěstidel“ a budou k dispozici příslušné přesně reagující „přístroje pro větrnou výstrahu“. Několik uvedených příkladů prokázalo, že vozové přístroje se systémem ZUB 262 na bázi přenosového kanálu návěstidla EURO umožňují rozšíření funkcí podle specifických přání zákazníků.
Obr. 1. Vozidlové a traťové prvky řízení rychlosti u vlaků vybavených naklápěcím ústrojím MFA Fahrzeug-Steuerung ZSG (ZWG) ZUB 123 Registrierung DSK 20 KLIP-Station Busanschaltung Multifunction Vehicle Bus (MVB)
modulární indikace na stanovišti strojvedoucího řízení vozidla systém ovládání rychlosti záznam na paměťové kazetě dat DSK 20 svorkovnice pro inteligentní obvod zapojení sběrnice vícefunkční vozová sběrnice
Fahrzeugausrüstung Bordnetz Überspannungsschutz + Neztfilter Klemmenleiste interne Kabel SIMIS-3116 Lüfter Führerstands-Schalter Zwangsbremsungsausgabe Kontakt oder Sicherheitsventil ZUB-Störschalter
vybavení vozidla panelová síť svodič přepětí a síťový filtr svorkovnice pro vnitřní kabely bezpečný mikropočítačový systém Siemens s procesory 80486 ventilátor spínač na stanovišti strojvedoucího výstup samočinného brzdění kontakt nebe bezpečnostní ventil poruchový spínač systému řízení rychlosti ZUB
Volitelné zařízení: Zugkoppelspule–A Wegimpulsgeber Streckenausrüstung Zugkoppelspule Gleiskoppelspule EURO-Balisen S21 – Antenne GNT ZWG
spojovací cívka vlaku vysílač impulsů trasy vybavení trati spojovací cívka vlaku spojovací cívka koleje evropské návěstidlo S21 – anténa regulace rychlosti pro vlaky s naklápěcím ústrojím centrální registrace trasy a rychlosti
Obr. 2.
Vozový přístroj systému ZUB 262
Sende-Empfangseinrichtung für Euro-Balisen Zařízení pro vysílání a příjem pro návěstidla EURO Stromversorgung proudové napájení 5 Volt für Rechner 5 voltů pro počítač (Snímky 1 a 2: firma Siemens)
Literatura [1] Häfner, F. a Weigelt, H.: Tempo und Takt mit dem „Pendolino.“ (Tempo a takt s vlakem Pendolino.) Der Nahverkehr, 11 (1993), č. 3. [2] Lange, H.–A.: ZUB 122 überwacht den Pendolino (Systém ZUB 122 řídí vlak Pendolino). Signal + Draht, (1993), č. 10. [3] Bolten, K.-A.: Der InterCity Triebwagen. (Hnací souprava Intercity.) EI, 48 (1997), č. 4. [4] Lehmann, U.: Aktivitäten von Siemens zur Einführung der Euro-Balise S21. (Činnost firmy Siemens pro zavedení návěstidla EURO S21.) Signal + Draht, (1996), č. 12.
Zdroj: ZEV + DET Glas. Ann. 124 (2000), č. 7., s. 401 – 406. Překlad: Jan Svoboda Korektura: ODIS
