Управление поездами на основе связи ( CBTC ) — это железнодорожная сигнальная система, которая использует телекоммуникации между поездом и путевым оборудованием для управления движением и контроля инфраструктуры. CBTC позволяет точнее определять местоположение поезда, чем традиционные системы сигнализации. Это может сделать управление железнодорожным движением более безопасным и эффективным. Скоростная транзитная система (и другие железнодорожные системы) способны сокращать интервалы движения , сохраняя или даже повышая безопасность.
Система CBTC представляет собой «непрерывную, автоматическую систему управления поездом , использующую определение местоположения поезда с высоким разрешением, независимо от рельсовых цепей ; непрерывную, высокопроизводительную, двунаправленную передачу данных от поезда к перегону; и процессоры на борту поезда и на перегоне, способные реализовывать функции автоматической защиты поезда (ATP), а также дополнительные функции автоматического управления поездом (ATO) и автоматического надзора за движением поезда ( ATS )», как определено в стандарте IEEE 1474. [1]
CBTC — это стандарт сигнализации, определенный стандартом IEEE 1474. [1] Первоначальная версия была представлена в 1999 году и обновлена в 2004 году. [1] Целью было создание согласованности и стандартизации между цифровыми железнодорожными системами сигнализации, которые позволяют увеличить пропускную способность поездов с помощью того, что стандарт определяет как определение местоположения поезда с высоким разрешением. [1] Таким образом, стандарт не требует использования подвижной блоковой железнодорожной сигнализации, но на практике это наиболее распространенная схема. [2] [3] [4] [5] [6] [7]
Традиционные системы сигнализации обнаруживают поезда на отдельных участках пути, называемых « блоками », каждый из которых защищен сигналами, которые не позволяют поезду войти в занятый блок. Поскольку каждый блок представляет собой фиксированный участок пути, эти системы называются системами фиксированных блоков .
В системе подвижного блока CBTC защищенная секция для каждого поезда представляет собой «блок», который движется вместе с ним и следует за ним, а также обеспечивает непрерывную связь с точным местоположением поезда по радио, индукционной петле и т. д. [8]
В результате Bombardier открыла первую в мире радиосистему CBTC в автоматизированном пассажирском транспортере (APM) аэропорта Сан-Франциско в феврале 2003 года. [ 9 ] Несколько месяцев спустя, в июне 2003 года, Alstom представила железнодорожное применение своей радиотехнологии на северо-восточной линии Сингапура . CBTC берет свое начало в кольцевых системах, разработанных Alcatel SEL (теперь Thales ) для систем автоматизированного скоростного транспорта (ART) Bombardier в Канаде в середине 1980-х годов.
Эти системы, которые также назывались управлением поездом на основе передачи (TBTC), использовали методы передачи на основе индуктивной петли для связи между рельсами, представляя альтернативу связи на основе рельсовых цепей . Эта технология, работающая в диапазоне частот 30–60 кГц для связи поездов и путевого оборудования, была широко принята операторами метрополитена , несмотря на некоторые проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС), а также другие проблемы установки и обслуживания (см. SelTrac для получения дополнительной информации о управлении поездом на основе передачи).
Как и при новом применении любой технологии, вначале возникли некоторые проблемы, в основном из-за аспектов совместимости и взаимодействия. [10] [11] Однако с тех пор произошли существенные улучшения, и в настоящее время надежность систем радиосвязи значительно возросла.
Более того, важно подчеркнуть, что не все системы, использующие технологию радиосвязи , считаются системами CBTC. Поэтому для ясности и для соответствия самым современным решениям для требований операторов [11] в этой статье рассматриваются только новейшие решения CBTC , основанные на принципе подвижного блока (либо настоящий подвижный блок , либо виртуальный блок, поэтому не зависящий от обнаружения поездов на основе пути) [1] .
Системы CBTC — это современные системы железнодорожной сигнализации, которые в основном могут использоваться на городских железнодорожных линиях ( легких или тяжелых ) и APM , хотя их также можно развернуть на пригородных линиях . Для основных линий аналогичной системой может быть Европейская система управления железнодорожным движением ERTMS уровня 3 (еще не полностью определена [ когда? ] ). В современных системах CBTC поезда непрерывно вычисляют и передают свой статус по радио на путевое оборудование, распределенное вдоль линии. Этот статус включает, среди прочих параметров, точное местоположение, скорость, направление движения и тормозной путь .
Эта информация позволяет рассчитать площадь, потенциально занимаемую поездом на пути. Она также позволяет путевому оборудованию определять точки на линии, которые никогда не должны пересекаться другими поездами на том же пути. Эти точки сообщаются, чтобы поезда автоматически и непрерывно корректировали свою скорость, сохраняя при этом требования безопасности и комфорта ( рывок ). Таким образом, поезда непрерывно получают информацию о расстоянии до предыдущего поезда и затем могут соответствующим образом корректировать свою безопасную дистанцию.
С точки зрения системы сигнализации , первый рисунок показывает общую занятость ведущего поезда, включая целые блоки , на которых находится поезд. Это связано с тем, что система не может точно знать, где именно находится поезд в пределах этих блоков . Поэтому система фиксированных блоков позволяет следующему поезду двигаться только до границы последнего незанятого блока .
В системе подвижных блоков , показанной на втором рисунке, положение поезда и его кривая торможения непрерывно рассчитываются поездами, а затем передаются по радио на придорожное оборудование. Таким образом, придорожное оборудование способно устанавливать защищенные зоны, каждая из которых называется Limit of Movement Authority (LMA), вплоть до ближайшего препятствия (на рисунке хвост поезда впереди). Movement Authority (MA) — это разрешение поезду двигаться в определенное место в рамках ограничений инфраструктуры и с контролем скорости. [12]
Конец полномочий — это место, до которого поезду разрешено следовать, и где целевая скорость равна нулю. Конец движения — это место, до которого поезду разрешено следовать в соответствии с MA. При передаче MA это конец последнего раздела, указанного в MA. [12]
Важно отметить, что заполняемость, рассчитанная в этих системах, должна включать запас прочности на неопределенность местоположения (желтый на рисунке), добавленный к длине поезда. Оба они формируют то, что обычно называют «Footprint». Этот запас прочности зависит от точности системы одометрии в поезде.
Системы CBTC на основе подвижного блока позволяют сократить безопасное расстояние между двумя последовательными поездами. Это расстояние изменяется в зависимости от непрерывных обновлений местоположения и скорости поезда, поддерживая требования безопасности . Это приводит к сокращению интервала между последовательными поездами и увеличению пропускной способности .
Современные системы CBTC допускают различные уровни автоматизации или степени автоматизации (GoA), как определено и классифицировано в IEC 62290–1. [13] Фактически, CBTC не является синонимом « беспилотных » или «автоматизированных поездов», хотя он рассматривается как базовая технология обеспечения для этой цели.
Доступны четыре степени автоматизации:
Системы CBTC позволяют оптимально использовать железнодорожную инфраструктуру, а также достигать максимальной пропускной способности и минимального интервала между действующими поездами, сохраняя при этом требования безопасности . Эти системы подходят для новых городских линий с высокими требованиями, но также могут быть наложены на существующие линии с целью повышения их производительности. [5]
Конечно, в случае модернизации существующих линий гораздо более критичны этапы проектирования, установки, тестирования и ввода в эксплуатацию. Это в основном связано с проблемой развертывания вышележащей системы без нарушения обслуживания доходов . [14]
Развитие технологий и опыт, накопленный в эксплуатации за последние 30 лет, означает, что современные системы CBTC более надежны и менее подвержены отказам, чем старые системы управления поездами. Системы CBTC обычно имеют меньше путевого оборудования, а их диагностические и контрольные инструменты были улучшены, что делает их более простыми в реализации и, что еще важнее, более простыми в обслуживании. [15]
Технология CBTC развивается, используя новейшие методы и компоненты для создания более компактных систем и более простых архитектур. Например, с появлением современной электроники стало возможным встраивать избыточность, чтобы отдельные сбои не оказывали отрицательного влияния на эксплуатационную готовность.
Более того, эти системы предлагают полную гибкость в плане операционных графиков или расписаний, позволяя операторам городских железных дорог реагировать на конкретный спрос на движение более быстро и эффективно и решать проблемы с заторами на дорогах. Фактически, автоматические системы управления имеют потенциал для значительного сокращения интервалов и улучшения пропускной способности по сравнению с ручными системами управления. [16] [17]
Наконец, важно отметить, что системы CBTC оказались более энергоэффективными, чем традиционные системы с ручным управлением. [15] Использование новых функций, таких как автоматические стратегии вождения или лучшая адаптация транспортного предложения к фактическому спросу, позволяет значительно экономить энергию, сокращая потребление электроэнергии.
Основной риск электронной системы управления поездом заключается в том, что если связь между любым из поездов нарушена, то вся система или ее часть могут перейти в отказоустойчивое состояние до тех пор, пока проблема не будет устранена. В зависимости от серьезности потери связи это состояние может варьироваться от временного снижения скорости транспортных средств, остановки или работы в ухудшенном режиме до восстановления связи. Если сбой связи постоянный, необходимо реализовать некую аварийную операцию , которая может состоять из ручного управления с использованием абсолютной блокировки или, в худшем случае, замены альтернативного вида транспорта . [18]
В результате высокая доступность систем CBTC имеет решающее значение для правильной работы, особенно если такие системы используются для увеличения пропускной способности и сокращения времени ожидания. Затем необходимо тщательно проверить резервирование и механизмы восстановления системы для достижения высокой надежности работы. С повышением доступности системы CBTC также возникает необходимость в обширном обучении и периодическом обновлении знаний операторов системы о процедурах восстановления . Фактически, одной из основных опасностей систем CBTC является вероятность человеческой ошибки и неправильного применения процедур восстановления, если система становится недоступной.
Сбои в работе связи могут быть вызваны неисправностью оборудования, электромагнитными помехами , слабым сигналом или перегрузкой среды связи. [19] В этом случае прерывание может привести к применению рабочего или аварийного тормоза , поскольку ситуационная осведомленность в реальном времени является критически важным требованием безопасности для CBTC, и если эти прерывания происходят достаточно часто, это может серьезно повлиять на обслуживание. Вот почему исторически системы CBTC впервые внедрили системы радиосвязи в 2003 году, когда требуемая технология была достаточно зрелой для критических приложений.
В системах с плохой прямой видимостью или ограничениями спектра/полосы пропускания для улучшения обслуживания может потребоваться большее, чем предполагалось, количество транспондеров. Обычно это больше проблема применения CBTC к существующим транзитным системам в туннелях, которые изначально не были спроектированы для его поддержки. Альтернативным методом повышения доступности системы в туннелях является использование излучающего кабеля питания, который, несмотря на более высокие начальные затраты (материал + установка), обеспечивает более надежную радиосвязь.
С появлением услуг в открытых радиодиапазонах ISM (т. е. 2,4 ГГц и 5,8 ГГц) и возможным нарушением критически важных услуг CBTC в международном сообществе (см. отчет 676 организации UITP, Резервирование спектра частот для критически важных приложений безопасности, предназначенных для городских железнодорожных систем) растет давление с целью резервирования полосы частот специально для городских железнодорожных систем на основе радиосвязи. Такое решение помогло бы стандартизировать системы CBTC на рынке (растущий спрос со стороны большинства операторов) и обеспечить доступность этих критически важных систем.
Поскольку система CBTC должна иметь высокую доступность и, в частности, допускать постепенное снижение производительности, может быть предусмотрен вторичный метод сигнализации для обеспечения некоторого уровня неснижаемого обслуживания при частичной или полной недоступности CBTC. [20] Это особенно актуально для внедрений на уже существующих объектах (линии с уже существующей системой сигнализации), где невозможно контролировать проектирование инфраструктуры и требуется сосуществование с устаревшими системами, по крайней мере временно. [21]
Например, линия BMT Canarsie в Нью-Йорке была оснащена резервной автоматической системой блокировки , способной поддерживать 12 поездов в час (т/ч) по сравнению с 26 т/ч системы CBTC. Хотя это довольно распространенная архитектура для проектов по пересигнализации, она может свести на нет часть экономии затрат CBTC, если ее применить к новым линиям. Это по-прежнему ключевой момент в разработке CBTC (и все еще обсуждается), поскольку некоторые поставщики и операторы утверждают, что полностью избыточная архитектура системы CBTC может, однако, сама по себе достичь высоких значений доступности. [21]
В принципе, системы CBTC могут быть спроектированы с централизованными системами контроля для улучшения ремонтопригодности и снижения затрат на установку. В таком случае повышается риск возникновения единой точки отказа, которая может нарушить обслуживание всей системы или линии. Системы с фиксированными блоками обычно работают с распределенной логикой, которая обычно более устойчива к таким отключениям. Поэтому при проектировании системы необходимо провести тщательный анализ преимуществ и рисков данной архитектуры CBTC (централизованной или распределенной).
Когда CBTC применяется к системам, которые ранее работали под полным контролем человека с операторами, работающими на виду, это может фактически привести к снижению пропускной способности (хотя и с повышением безопасности). Это связано с тем, что CBTC работает с меньшей позиционной определенностью, чем человеческое зрение, а также с большей погрешностью , поскольку для проектирования применяются параметры поезда наихудшего случая (например, гарантированная скорость экстренного торможения по сравнению с номинальной скоростью торможения). Например, внедрение CBTC в троллейбусном туннеле центра города Филадельфии изначально привело к заметному увеличению времени в пути и соответствующему снижению пропускной способности по сравнению с незащищенным ручным вождением. Это стало компенсацией, чтобы окончательно искоренить столкновения транспортных средств, которых невозможно избежать при вождении на виду, и демонстрирует обычные конфликты между эксплуатацией и безопасностью.
Типичная архитектура современной системы CBTC включает в себя следующие основные подсистемы:
Таким образом, хотя архитектура CBTC всегда зависит от поставщика и его технического подхода, в типичной архитектуре CBTC обычно можно обнаружить следующие логические компоненты:
Технология CBTC была (и успешно) внедрена для различных приложений, как показано на рисунке ниже (середина 2011 г.). Они варьируются от некоторых реализаций с короткими путями, ограниченным количеством транспортных средств и несколькими режимами работы (например, APM в аэропортах Сан-Франциско или Вашингтона ), до сложных наложений на существующие железнодорожные сети, перевозящие более миллиона пассажиров каждый день и с более чем 100 поездами (например, линии 1 и 6 в метро Мадрида , линия 3 в метро Шэньчжэня , некоторые линии в метро Парижа , Нью-Йорка и Пекина или подземная сеть в метро Лондона ). [4]
Несмотря на трудности, таблица ниже пытается обобщить и сослаться на основные системы CBTC на основе радио, развернутые по всему миру, а также на те текущие проекты, которые разрабатываются. Кроме того, таблица различает реализации, выполненные на существующих и действующих системах ( brownfield ) и те, которые были предприняты на совершенно новых линиях ( Greenfield ).
[позиция видео 1:56] Поезда смогут ходить с частотой 1 минуту 55 секунд вместо текущего ограничения в две с половиной минуты. [2:19] Когда установка будет завершена по всей линии в 2019 году, это позволит увеличить пропускную способность на 25%. [2:33] ATC будет запущена на всей линии 1 поэтапно к концу 2019 года, начиная с части линии 1 между станциями Spadina и Wilson и с расширением линии 1 в
регион Йорк,
которое откроется в конце этого года.