Vlakové zabezpečovací systémy na vysokorychlostních tratích

Vlakové zabezpečovací systémy na vysokorychlostních tratích Úvod Při rychlostech nad 200 km/h, jimiž se pohybují vlaky po vysokorychlostních tratích, je nemyslitelné, aby se strojvedoucí řídil pouze sledováním klasických návěstidel a nebyl ve svém konání nijak kontrolován. Z tohoto důvodu je při vyšších rychlostech nutné zabezpečit jak přenos návěstí přímo na hnací vozidlo, tak i dohled nad adekvátními reakcemi strojvedoucího. Víceméně všechny železniční správy provozující vysokorychlostní dopravu si postupně vyvinuly své vlastní vlakové zabezpečovače, které jsou navzájem nekompatibilní a nesplňují tedy zásady interoperability. V současné době je snaha tento problém vyřešit zaváděním jednotného evropského vlakového zabezpečovače ETCS (European Train Control System). Protože však například dva největší evropští provozovatelé vysokorychlostních vlaků (DB a SNCF) používají na většině vysokorychlostních tratí své vlastní zabezpečovací systémy, lze předpokládat, že v nejbližších letech nebudou tyto zřejmě systémem ETCS nahrazeny.

Německo, Španělsko – LZB Systém LZB (Linienzugbeeinflussung - liniový zabezpečovací systém) byl poprvé použit na síti Deutsche Bahn v šedesátých letech dvacátého století a od té doby byl zaváděn na všech německých tratích s rychlostí vyšší než 160 km/h. Jsou jím vybaveny i všechny vysokorychlostní soupravy ICE. Kromě Německa se LZB používá například v Rakousku na trati Wien – Salzburg a ve Španělsku na trati Madrid – Sevilla. Traťová část Hlavním viditelným prvkem traťové části je kabel, položený v koleji. Jedna jeho žíla je upevněna na kolejnicových podporách v ose koleje, zatímco druhá běží při patě jedné z kolejnic. Každých sto metrů se žíly kříží, čímž je umožněno hrubé určování polohy vlaku. Ke komunikaci s mobilní částí slouží vždy ta žíla, která je právě ve středu koleje. Funkci systému řídí centrály LZB, z nichž každé připadá zhruba padesát až sto kilometrů tratě. V těchto centrálách se nacházejí jak všechna pevná data o charakteristikách úseku (směrové a sklonové poměry, trvalé pomalé jízdy, polohy návěstidel a železničních přejezdů, místní povolené rychlosti, hranice obvodů), tak i proměnné informace (stavy výhybek, návěstidel a železničních přejezdů či příkazy k nouzovému zastavení). Opačným směrem, tj. od vozidla k centrále se přenášejí informace o délce vlaku, poloze, aktuální rychlosti („IstGeschwindigkeit“), brzdících procentech a maximální rychlosti vlaku. Počítače v centrále LZB tyto informace vyhodnocují a vysílají vlaku kabelem informace o cílové a požadované rychlosti (závisí na

1

Ondřej Havlena

brzdných křivkách), délce volného úseku před soupravou (sled vlaků se děje jízdou v pevných prostorových oddílech), očekávaných sníženích rychlosti a další údaje.

Obr.1 – kabel LZB s křížením žil Mobilní část Komunikace mezi datovým kabelem a vedoucím vozidlem vlaku je zajištěna anténou na spodku přední části vozidla (obr. 2), která si nepřetržitě s traťovou částí systému vyměňuje informace. Ty jsou na vozidle zpracovávány počítačem a strojvedoucímu zobrazovány pomocí zařízení rozhraní MFA (Modulare Führerraumanzeige). Na něm vidí aktuální rychlost, cílovou rychlost („ZielGeschwindigkeit“), vzdálenost k místu počátku cílové rychlosti, požadovanou rychlost (SollGeschwindigkeit“; dle brzdných křivek), další údaje o řízení jízdy vlaku a informace o stavu LZB. Na velké části vozidel je systém LZB provázán se systémem AFB („Automatische Fahr- und Bremssteuerung“ – „automatické řízení jízdy a brždění“). Ten dokáže s pomocí dat od LZB sám přímo ovládat brždění a zrychlování soupravy a do jisté míry tak nahradit práci strojvedoucího.

2

Ondřej Havlena

Obr. 2 – anténa mobilní části LZB Na obrázku č. 3 je zobrazen panel MFA, na němž se nacházejí informace od systému LZB. Na rychloměru vpravo znázorňuje dlouhá žlutá ručička aktuální rychlost (V-ist), malá červená ručička ukazuje požadovanou rychlost (V-soll) a číslo 000 na displeji ukazuje cílovou rychlost (V-zeil, v tomto případě znamená návěst „Stůj“). Svislý prosvícený proužek s číselným displejem uprostřed oznamuje, jak daleko je k místu změny rychlosti – v tomto případě 8000 m. Jak se vlak blíží k místu snížení rychlosti, klesají nejprve čísla na displeji a od 4000 m se začne zmenšovat žlutý proužek. Současně s tím se pohybuje malá červená ručička, která znázorňuje, jaká rychlost (V-soll) nesmí být pro dodržení průběhu brzdných křivek překročena. Pokud je aktivován automatický systém AFB, zpomaluje vlak podle informací od LZB sám. V opačném případě musí strojvedoucí respektovat požadovanou rychlost (V-soll), jinak dojde k nouzovému brždění. Vzdálenost, na kterou LZB „vidí“, se liší podle typu hnacího vozidla, resp. jeho konstrukční rychlosti. Na hnacích vozidlech s konstrukční rychlostí do 160 km/h se zobrazují informace do maximální vzdálenosti 4000 m, na vozidlech s konstrukční rychlostí do 200 km/h je to 7000 m a u vozidel s konstrukční rychlostí nad 250 km/h se „dohled“ zvyšuje až na 9900 m. Zvláštností jsou jednotky ICE 2, kde je strojvedoucí zpraven o situaci na úseku o délce 12 000 metrů (pro nejnovější jednotky, tj. ICE-T a ICE 3, se informace o vzdálenostech nezdařilo dohledat).

3

Ondřej Havlena

Obr.3 – zařízení MFA se zobrazením informací od LZB

Obr.4 – umístění MFA na stanovišti strojvedoucího v jednotce ICE-T (DB 411)

4

Ondřej Havlena

Francie, Belgie, Velká Británie - TVM Na francouzských vysokorychlostních tratích (LGV) je jako vlakové zabezpečovací zařízení využíván systém TVM (Transmission Voie-Machine - „přenos kolej-lokomotiva“) ve dvou modifikacích. Starší verze TVM 300 se používá na vozidlech typů TGV-PSE a TGV Atlantique, zatímco TVM 430 se používá na ostatních (novějších) soupravách. Oba systémy pracují na obdobném principu, přičemž TVM 430 ze svého předchůdce vychází. Rozdíly mezi oběma systémy jsou především v množství přenášených dat, z čehož vyplývají další skutečnosti, jako například odlišné minimální odstupy vlaků. Při řízení dopravy s využitím TVM 430 je možné při rychlosti 320 km/h dosáhnout intervalu mezi soupravami 3 minuty, v případě TVM 300 je to o dvě minuty více. Na rozdíl od německého LZB, užívaného i na běžné železniční síti, je TVM nasazeno výhradně na vysokorychlostních tratích a v tunelu pod průlivem La Manche. Protože se po těchto tratích nepohybují klasické vlaky, nejsou vybaveny klasickými návěstidly a hranice oddílu jsou označeny informativní tabulkou (obr.5).

Obr. 5 - Hranice oddílu na VRT ve Francii

5

Ondřej Havlena

Traťová část Na rozdíl od německého LZB nejsou informace mezi tratí a vozidly přenášeny žádným zvláštním prvkem, ale pomocí kolejnic. Každý kolejový obvod (na LGV o délce 1500 m, u TVM 300 obvykle delší) má připojeno kódování TVM. Každé desítce obvodů pak přísluší jeden z traťových „hubů“, jež jsou svedeny do centra řízení dopravy. Vlastní komunikace tedy probíhá pomocí kolejnic, kam jsou kódované informace přenášeny signály o čtyřech různých nosných frekvencích (1700, 2300, 2000 a 2600 Hz) tak, aby se v žádné dvojici ze čtyř paralelních kolejnic na dvoukolejné trati nevyskytovala stejná frekvence. Na těchto signálech může být namodulováno 27 samostatných frekvencí, z nichž může být libovolný počet využit najednou. Starší systém TVM 300 využívá 18 frekvencí, které však nemohou být využity najednou. Každý kolejový obvod je vybaven přijímačem a vysílačem signálu. Při vstupu vlaku do oddílu se obvod signálu uzavře přes první nápravu hnacího vozidla. Před ní jsou nad kolejnicemi umístěny dvě „antény“, které signál snímají a předávají k dalšímu zpracování ve vozidle. Přenášené kódy se dělí do pěti základních skupin. Rychlostní kódy obsahují informace o aktuální maximální rychlosti v daném oddílu, o cílové rychlosti na jeho konci a o cílové rychlosti na konci příštího oddílu. Každá z těchto proměnných může nabývat šesti hodnot, v případě vysokorychlostní trati obvykle 300, 270, 230, 170, 80 a 0. Druhou skupinu tvoří informace o průměrném sklonu oddílu, které jsou potřebné pro výpočty rychlostí. Ve třetí skupině kódů se nachází údaje o délce oddílu, neboť ta se může na různých tratích lišit. Čtvrtá skupina obsahuje síťové kódy, pomocí nichž může mobilní část interpretovat údaje rychlostních kódů. Na tratích s maximální rychlostí 300 km/h jsou rychlosti kódovány jinak, než například v Eurotunnelu, kde je maximální traťová rychlost 160 km/h. Poslední, pátou skupinu reprezentují kontrolní kódy ověřující celistvost vysílaných informací, jež jsou na vozidlo přenášeny ve formě 27-bitových slov. K liniovému nepřetržitému přenosu dat může být systém TVM doplněn o lokální přenosové smyčky. Ty jsou tvořeny kabelem o délce 7 nebo 4,5 metru položeným mezi kolejnicemi. Využívají stejné frekvence jako kolejové obvody a při průjezdu předávají vozidlu informace o vjezdu či opouštění VRT, aktivaci či deaktivaci TVM, uzavření průduchů klimatizace před vjezdem do tunelu, zdvižení nebo stažení sběrače a změně trakční soustavy. Mobilní část Jak je popsáno výše, mobilní část rozhraní trať-vlak je reprezentována dvojicí snímacích cívek, podobně jako je tomu například u českého systému LS. Přijaté informace se zpracovávají a přenášejí na stanoviště strojvedoucího. Zde se pod čelním sklem nachází zařízení, na němž jsou dvě nebo tři řady čtvercových indikátorů (obr.6). Na nich se zobrazují informace o rychlosti (tab.1; vždy se objevuje pouze jedna návěst). Dle závažnosti změny rychlosti jsou číslice různě podbarveny: maximální traťová rychlost zeleně; „stůj“ (resp. 000) červeně. Pod těmito displeji se nachází rychloměr, na němž se zobrazuje cílová a aktuální rychlost. Pro snížení zátěže strojvedoucího jsou při

6

Ondřej Havlena

nejvyšších rychlostech informace návěstěny několik oddílu dopředu - pokud je příští oddíl následován „pomalejším“ oddílem, příslušná kontrolka na třířádkovém displeji se rozbliká (tab.1). Navzdory vysokému stupni bezpečnosti systému TVM se jeho funkce nepoužívají i pro řízení vlaku, ale pouze pro zabezpečení jízdy.

Obr. 6 – stanoviště strojvedoucího v TGV Réseau ( panel TVM pod čelním sklem)

7

Ondřej Havlena

Tab.1 – Znaky vlakového zabezpečovače TVM Indication VL voie libre – „kolej volná“ Jízda povolena plnou traťovou rychlostí. Tato indikace je pouze na starších vlacích, na novějších je nahrazena číslem 270. Indication 300V Jízda povolena nejvyšší traťovou rychlostí - 300 km/h. Pokud bliká, znamená to, že v příštím oddíle bude návěst 270A nebo 220A.

Indication 270A (avertissement 270 – „očekávej 270“) Nařizuje strojvedoucímu, že při vjezdu do dalšího oddílu nesmí překročit rychlost 270 km/h. Indication 270V Jízda povolena nejvyšší traťovou rychlostí - 270 km/h. Pokud bliká, znamená to, že v příštím oddíle bude návěst 220A.

Indication 220A (avertissement 220 – „očekávej 220“) Nařizuje strojvedoucímu, že při vjezdu do dalšího oddílu nesmí překročit rychlost 220 km/h.

Indication 220E (exécution 220 – „provedení 220“) Nařizuje strojvedoucímu nepřekračovat rychlost 220 km/h.

Indication 160A (avertissement 160 – „očekávej 160“) Nařizuje strojvedoucímu, že při vjezdu do dalšího oddílu nesmí překročit rychlost 160 km/h. Indication 160E (exécution 160 – „provedení 160“) Nařizuje strojvedoucímu nepřekračovat rychlost 160 km/h.

Indication 80A, 80E - totéž pro 80 km/h

Indication zéro („návěst nula“) Nařizuje strojvedoucímu zastavit před první překážkou (? – repère rencontré). Může následovat po návěstech 80 A, 80E nebo 160E. Indication rouge („návěst červená“) Nařizuje strojvedoucímu jet „na dohled“ (à vue) a zastavit před první překážkou (? – repère rencontré). Zobrazuje se při vstupu vlaku do obsazeného oddílu.

8

Ondřej Havlena

ETCS – Evropský vlakový zabezpečovač Na předchozích stranách byly zmíněny dva nejrozšířenější evropské systémy. Podobně by se dalo hovořit i o odpovídajících zařízeních v dalších státech (Itálie, Japonsko, atd.) Podobně jako v Německu a Francii, byly i v těchto zemích vyvinuty vlastní, vzájemně nekompatibilní, systémy. V současné době odstraňovaní hranic a posunu k interoperabilitě se evropské státy snaží v co největší míře prosazovat nový systém ETCS (European Train Contol System), který již poněkud přesahuje obsah termínu „vlakový zabezpečovací systém“. Přestože je jeho implementace teprve v počátcích, lze předpokládat jeho postupné rozšiřování. Nasazení ETCS není uvažováno prioritně pro vysokorychlostní tratě, ale svými funkcemi je pro použití na nich vhodné. Podle spolupráce se stávajícím zabezpečovacím zařízením a principu přenosu informací je ETCS rozčleněno na tři úrovně

Obr .7 – balízová skupina (vlevo pevná, vpravo přepínatelná eurobalíza) První úroveň (ETCS Level 1; obr. 10) funguje sama o sobě jako bodový zabezpečovač a je vhodná jako nástavba stávajícího traťového zabezpečovacího zařízení, které hlídá volnost oddílů. Hlavním prvkem této úrovně jsou tzv. balízy či eurobalízy (z francouzského „balise“ – návěstidlo, bóje). Jde o bodové prvky, které slouží pro induktivní přenos informací mezi tratí a vozidlem. Balízy se dělí na pevné a přepínatelné. Pevné obsahují data o své poloze, trvalých změnách rychlosti a dalších stabilních charakteristikách tratě, zatímco přepínatelné balízy vysílají informace o návěstech a dočasných změnách rychlosti. Úroveň 1 může být opatřena i doplňkovou smyčkou „euroloop“, která formou vysokofrekvenčního kabelu částečně zprostředkovává kontinuální přenos signálu. To je vhodné například mezi předvěstí a hlavním návěstidlem, kdy může být strojvedoucí zpraven o změně signálu na hlavním návěstidle, což v případě změny ze „stůj“ na „volno“ zvyšuje plynulost jízdy. Balízy i smyčky jsou následně svedeny do tzv. LEU (Lineside Electronic Unit – „traťová elektronická jednotka“), které jsou napojeny na stávající zabezpečovací zařízení.

9

Ondřej Havlena

Druhá úroveň (ETCS Level 2; obr. 11) využívá již pouze balíz pevných, neboť informace o návěstech a dočasných změnách rychlosti jsou na vozidlo přenášeny pomocí sítě GSM-R (Global System for Mobile Communications – Railways). Stejně jako předchozí úroveň je Level 2 navržen jako nástavba stávajícího zabezpečovacího zařízení (kontrola volnosti oddílů a celistvosti soupravy), avšak je zde možný i provoz bez klasických návěstidel, neboť vlak nepřetržitě obousměrně komunikuje s traťovým zabezpečovacím zařízení přes tzv. centrálu radiobloku (RBC). Třetí úroveň (ETCS Level 3; obr. 12) se zatím pohybuje spíše v teoretické rovině. Na rozdíl od předchozích úrovní již nepotřebuje stávající zabezpečovací zařízení, ale prostřednictvím RBC přebírá všechny jeho funkce. Komunikace se soupravami se děje rovněž přes GSM-R, kontrola celistvosti vlaku je zajištěna zařízením přímo na soupravě. Protože na trati není zapotřebí klasických oddílů s kolejovými obvody či počítači náprav, vytváří RBC jakési fiktivní oddíly, jejichž délka může záviset na rychlosti a zábrzdné vzdálenosti vlaku, čímž lze zvýšit propustnost trati na maximum. Mobilní část ETCS je tvořena snímací anténou na spodku vozidla (obr. 8), počítači a rozhraním MMI (Man-Machine Interface, příp. DMI – Driver-Machine Interface; viz obr. 9). Na něm se strojvedoucímu zobrazují podobné informace jako na panelu MFA v případě LZB. Rovněž styl grafického provedení je LZB velmi podobný.

Obr. 8 – anténa ETCS

Obr. 9 – rozhraní MMI

10

Ondřej Havlena

Obr. 9 - Schéma ETCS Level 1

Obr. 10 - Schéma ETCS Level 1

Obr. 11 - Schéma ETCS Level 2

Obr. 12 - Schéma ETCS Level 3

11

Ondřej Havlena

ETCS na evropské vysokorychlostní železniční síti Zavádění ETCS na vysokorychlostních tratích je stále na počátku, neboť hlavní dvě železniční společnosti s vysokorychlostní dopravou, tj. DB a SNCF, mají své osvědčené systémy a bylo by pro ně riskantní (a finančně nákladné) je rázem vyměnit za jiné. Proto se ETCS uplatňuje převážně na nově budovaných vysokorychlostních tratích. Jedním z příkladů takovéto trati s ETCS je italská vysokorychlostní trať mezi Římem a Neapolí. Na 220 kilometrů dlouhém úseku (plánované uvedení do provozu v roce 2005) byla nainstalována úroveň 2 (bez klasických návěstidel). Trať je rozdělena na oddíly o délce 1800 m s kolejovými obvody. Komunikace ETCS s vlaky probíhá pomocí GSM-R se třemi centrálami radiobloku RBC rozmístěnými zhruba po 70 kilometrech. Jednotky ETR 500 dosahují na této trati se zabezpečením ETCS Level 2 rychlosti až 300 km/h a odstup mezi vlaky může být pouhých 5 minut. Dalším příkladem implementace ETCS může být i vysokorychlostní trať LGV-Est mezi Paříží (resp. Vaires) a Baudrecourt. Ta je taktéž vybavena úrovní 2 a jezdí po ní jak francouzské jednotky TGV POS (Paris-Ostfrankreich-Süddeutschland), tak i německé ICE 3M (DB 406). Maximální rychlost na trati je stanovena na 320 km/h, nicméně v rámci zkoušek zde bylo 3. dubna 2007 dosaženo rychlostního rekordu 574,8 km/h.

Závěr Vysokorychlostní jednotky v Evropě používají různé vlakové zabezpečovací systémy. Vlaky, které přejíždějí přes území více států (např. Thalys), musejí být vybaveny velkým množstvím přístrojů, což zvyšuje jejich hmotnost i náročnost údržby. Řešením je právě zavedení jednotného vlakového zabezpečovače. Oproti konvenčním železnicím je paradoxně výhodou, že síť mezistátních VRT se teprve buduje - implementace ETCS zde bude méně náročná. Nelze však zatím předvídat, kdy (a zda vůbec) ETCS na vysokorychlostních tratích plně nahradí stávající vlaková zabezpečovací zařízení.

12

Ondřej Havlena

Použité zdroje: http://pagesperso-orange.fr/geillon/trains/signaux/signaux4.htm http://www.wikipedia.org/ http://home.t-online.de/home/marco.wegener/technik/lzb.htm (4/2003) http://www.indusi.de/ http://home.t-online.de/home/grahnert/lzb.htm (4/2003) http://www.locorail.eu/TVM430.html http://www.tgv.pl/tgv/tvm.html UIC: Implementing the European Train Control System ETCS (12/2003) Železniční magazín 1/1999, str. 19-22 Signal + Draht 3/1997, 7/2002, 8/2002

13

Ondřej Havlena