Влияние высокоскоростной железнодорожной разработки на системные требования к сигнализации

Растущие требования высокоскоростных железных дорог к сигнальной инфраструктуре

Системы высокоскоростных железных дорог (ВСМ) изменили межгородские перевозки, сократив время в пути и уменьшив углеродные следы по всей Европе, Азии и Ближнему Востоку. По мере расширения сетей и повышения скорости работы за 350 км/ч сигнальные системы, которые обеспечивают безопасность поездов, сталкиваются с беспрецедентными техническими и эксплуатационными проблемами. Традиционная сигнализация с фиксированным блоком, предназначенная для более медленных линий смешанного движения, не может надежно поддерживать тормозные расстояния, пробеги и частоты связи, требуемые современной ВСМ. В этой статье рассматривается, как развитие ВСМ непосредственно меняет требования к сигнальной системе, ключевые технологии, которые в настоящее время используются для удовлетворения этих потребностей, и возникающие препятствия, которые будут определять сигнализацию следующего поколения.

Почему СОГ требует радикально иного сигнала

Более высокие скорости сжимают реакцию Windows

При скорости 300 км/ч поезд проезжает более 80 метров в секунду. Расстояние досмотра водителя для сигнала на треке - часто менее 1000 метров - оставляет только 12 секунд для реакции и начала торможения. Это неприемлемо для безопасности. Следовательно, высокоскоростные линии не могут полагаться на сигналы на линии в качестве основного средства управления. Вместо этого сигнализация должна передаваться непосредственно в кабину, давая водителю непрерывные, скорость в реальном времени и инструкции по торможению. Такие системы, как Европейская система управления поездом (ETCS) Уровень 2 полностью устраняют сигналы на треке, используя радиоблоки и дисплеи в кабине, чтобы обеспечить органы управления движением с гораздо большей точностью.

Более длинные тормозные пути требуют более высоких пределов безопасности

Обычному пассажирскому поезду, тормозящему со 160 км/ч, требуется около 800 метров, чтобы остановиться. Высокоскоростному поезду со скоростью 300 км/ч требуется почти 4000 метров, а при 350 км/ч это расстояние увеличивается примерно до 5500 метров. Сигнализация с фиксированным блоком делит путь на секции (блоки) обычно длиной 1000-2500 метров. Чтобы поезд мог остановиться перед входом в занятый блок, длина блока должна быть по крайней мере тормозным расстоянием плюс запас прочности - требование, которое заставляет очень длинные блоки и соответственно длинные траектории. Операторы HSR хотят короткие траектории (2-3 минуты) для максимизации пропускной способности, поэтому переход к сигнализации с движущимся блоком или виртуальным блоком становится необходимым.

Более высокая плотность трафика увеличивает сложность

На выделенных линиях ВСМ, таких как японская Tōkaidō Shinkansen или Пекинско-Шанхайская высокоскоростная железная дорога, пиковые траектории в три минуты означают десятки поездов, пересекающих каждый маршрут в час. Каждое движение должно координироваться без конфликтов, задача, которая намного превышает возможности электромеханических ретрансляционных блокировок. Компьютерные блокировки и централизованные системы управления движением (ЦТК) являются обязательными, и они должны обмениваться данными с бортовым оборудованием с интервалами в секундах.

Основные изменения в сигнальной архитектуре

От фиксированных блоков к движущимся блокам

Традиционная сигнализация с фиксированным блоком использует обнаружение загруженности (цепи трека, счетчики оси) для определения дискретных секций. Положение поезда известно только разрешению длины блока. В сигнализации с движущимся блоком (или виртуальным блоком) каждый поезд непрерывно сообщает свое точное положение и скорость центральному контроллеру, который затем вычисляет безопасное управление движением для каждого следующего поезда в режиме реального времени. Это позволяет гораздо более плотные ходы - до 90 секунд на некоторых линиях метро и потенциально менее 2 минут на HSR. Стандарт управления поездом на основе связи (CBTC), широко используемый в метро, вдохновил подходы к движущемуся блоку для HSR, хотя полномасштабное развертывание на высоких скоростях остается ограниченным.

Непрерывные и прерывистые ссылки данных

На высоких скоростях перемежающиеся точки данных (балисы, транспондеры) не могут достаточно часто обновлять информацию. Например, на линии с балисами каждые 1000 метров поезд со скоростью 350 км/ч проходит одну каждые 10 секунд, но тормозной профиль может нуждаться в обновлениях каждые 2-3 секунды для поддержания безопасных кривых остановки. Поэтому сигнализация HSR требует непрерывной радиосвязи между поездом и центром управления. GSM-R (стандарт железной дороги для GSM) обеспечивает передачу голоса и данных со скоростью до 2,4 кбит/с для сигналов с низкой пропускной способностью, в то время как новые системы используют LTE или 5G для поддержки более высокой пропускной способности, необходимой для консультативных систем водителя на основе видео и удаленной диагностики.

Основные технологии, которые позволяют современные сигналы HSR

Европейская система управления поездами (ETCS)

ETCS является основой европейской совместимости ВСМ и была принята в Китае, Южной Корее и других странах ВСМ. Она существует на нескольких уровнях:

Автоматическая защита поездов (ATP)

Системы ATP отменяют действия водителя, если поезд превышает безопасную скорость или передает сигнал остановки. В контексте HSR ATP должен вычислять динамические кривые торможения на основе типа поезда, градиента, погоды и состояния пути. Немецкая система LZB (Linienzugbeeinflussung) - предшественница ETCS - обеспечивала непрерывный контроль скорости на высокоскоростных линиях в Германии и Австрии. Современные реализации используют бортовые цифровые карты и спутниковое позиционирование (GNSS) для проверки целостности.

Автоматическая эксплуатация поезда (ATO) и беспилотный HSR

В то время как большинство систем HSR сохраняют водителя для безопасности и уверенности пассажиров, степень автоматизации (GoA) 2 (полуавтоматическая с водителем) является обычным явлением - например, китайские поезда Fuxing CR400 имеют ATO на скорости Пекин-Шанхай HSR на скорости до 350 км / ч, автоматически ускоряясь, продвигаясь и торможение между станциями. Полная беспилотная (GoA 4) HSR тестируется на линии Пекин-Шэньчжэнь и на Jakarta-Bandung HSR. Полная автоматизация предъявляет крайние требования к надежности сигнализации - любой отказ должен быть обработан резервными системами без вмешательства человека.

Управление поездами на основе коммуникаций (CBTC)

Хотя CBTC в основном используется в городских системах метро, его принципы адаптируются для HSR. CBTC использует непрерывную беспроводную связь (Wi-Fi, LTE) для создания движущихся блоков. Французская система URBALIS, используемая на линии 1 Парижского метро, вдохновила исследования высокоскоростной CBTC. Основной проблемой является доплеровский сдвиг и надежность передачи на скоростях выше 200 км / ч. Ожидается, что новые радиотехнологии, такие как 5G NR, решат эту проблему, позволяя CBTC для региональных и HSR линий.

Реальные примеры обновления сигналов для HSR

Синкансен (Япония)

Японская сеть Shinkansen использует систему Digital ATC (DS-ATC), эволюцию оригинального аналога ATC. DS-ATC обеспечивает непрерывный мониторинг скорости с помощью сигналов кабины и поддерживает максимальную скорость 320 км / ч. На расширительном участке Hokuriku Shinkansen система интегрируется с системой обнаружения и сигнализации срочных землетрясений (UrEDAS), чтобы автоматически останавливать поезда до прибытия сейсмических волн. Это демонстрирует, как сигнализация должна включать внешнее обнаружение опасности в высокоскоростных средах.

TGV и LGV Network (Франция)

LGV Sud-Est и LGV Atlantique используют сигнализацию в кабинах TVM (Transmission Voie-Machine), которая передает коды команд скорости по трековым цепям. TVM-430, последняя версия, может обрабатывать 350 км/ч и предлагает автоматическое экстренное торможение. Франция в настоящее время мигрирует части своей сети на уровень ETCS 2 для улучшения трансграничной совместимости с Германией, Испанией и Италией - процесс, который стоит миллиарды евро и требует значительных замыканий линий или поэтапного развертывания.

Китайская высокоскоростная железная дорога

Китай управляет крупнейшей в мире сетью HSR (более 45 000 км). Его сигнализация основана на китайской системе управления поездами (CTCS), которая тесно связана с ETCS. CTCS-3 (эквивалент ETCS Level 2) использует GSM-R и RBCs и была развернута на линиях, работающих на скорости 300-350 км / ч. Китай в настоящее время разрабатывает CTCS-4, который движется в направлении блокировки движения и ATO на более высоких уровнях автоматизации. В HSR Пекин-Чжанцзякоу, открытой для зимних Олимпийских игр 2022 года, используется спутниковая система позиционирования в сочетании с 5G для работы виртуального блока.

Впереди немецкий пилот DVZ (виртуальная спаривание)

Виртуальная связь - это новая технология, в которой два или более поездов HSR движутся с очень коротким шагом (до десятков секунд) путем обмена данными о торможении и ускорении в режиме реального времени по радиосвязи - фактически движущийся блок, который рассматривает группу поездов как единую скриншот. Deutsche Bahn и Siemens протестировали виртуальную связь на испытательной трассе до 250 км / ч. Эта концепция, если ее довести до службы доходов, потребует задержки сигнала ниже 50 мс и отказоустойчивой координации торможения, подталкивая текущие стандарты к их пределам.

Проблемы внедрения передовых сигналов HSR

Высокие затраты на внедрение и интеграцию

Модернизация устаревшей линии от традиционной сигнализации до уровня ETCS 2 стоит от 1,5 до 3 миллионов евро за километр пути, согласно отчету Агентства Европейского союза по железным дорогам (ERA) за 2020 год. На линии 400 км это составляет 600 миллионов евро-1,2 миллиарда евро. Стоимость включает в себя новые РБК, базовые станции GSM-R, бортовое оборудование для сотен поездов и обширные испытания. Многие операторы изо всех сил пытаются обеспечить это финансирование, особенно в странах, которые еще не построили выделенные линии HSR, но хотят модернизировать существующие коридоры смешанного движения до 200-250 км / ч.

Риски кибербезопасности

По мере того, как сигнализация становится полностью оцифрованной и подключенной, поверхность атаки резко расширяется. Исследование 2023 года Бирмингемским университетом имитировало атаку спуфинга GSM-R — инъекцию сообщения, которая может привести к тому, что поезд перекроет сигнал остановки. Операторы теперь должны развернуть зашифрованные коммуникации, аутентификацию на основе сертификатов и системы обнаружения вторжений. Требования к кибербезопасности для сигнализации HSR определяются такими стандартами, как IEC 62443 и спецификации безопасности Европейской системы управления железнодорожным движением (ERTMS). Любое нарушение может вызвать катастрофические сбои, поэтому регулярное тестирование проникновения третьих сторон и управление патчами являются обязательными.

Совместимость через границы (и внутри)

Европейская цель создания единой системы ERTMS была затруднена из-за сосуществования нескольких национальных систем сигнализации (например, TVM во Франции, LZB в Германии, BACC в Италии). Даже с ETCS трансграничные операции требуют, чтобы поезда перевозили несколько бортовых систем (многосистемные локомотивы). На тоннеле Канала поезда должны соответствовать как британским, так и французским стандартам сигнализации. Испытания на совместимость для новой трансграничной линии HSR, такой как Лион-Турин, займут годы и будут стоить сотни миллионов.

Надежность и избыточность на высоких скоростях

Потеря сигнала даже на несколько секунд при скорости 350 км/ч может привести к тому, что поезд проедет более 500 метров без обновленного управления движением. Поэтому сигнализация HSR должна быть разработана с тройным избыточным радиоканалом, двойными бортовыми компьютерами и отказоустойчивой взаимосвязанной логикой. Сертификация SIL 4 (уровень целостности безопасности 4) требуется для любой системы, которая может вызвать опасное событие. Достижение SIL 4 для программно-интенсивных сигналов - особенно алгоритмов движущихся блоков - чрезвычайно сложно и ускоряет циклы разработки.

Будущие направления в сигнализации HSR

5G и будущая система мобильной связи (FRMCS)

GSM-R находится в конце своего срока службы; его скорость передачи данных 2,4 кбит/с недостаточна для отчетов о состоянии поезда с высоким разрешением, необходимых для движущегося блока. FRMCS, основанный на 5G, обеспечит скорость передачи данных 50-100 Мбит/с, низкую задержку (менее 10 мс) и надежную передачу на скоростях выше 500 км/ч. Испытания в коридорах Гамбург-Берлин и Париж-Лион продемонстрировали бесшовную потоковую передачу видео для консультирования водителя поезда и удаленной диагностики. 5G также позволяет вычислять края на обочине пути, сокращая время поездки между поездом и RBC.

Спутниковая локализация (GNSS)

ERTMS в настоящее время полагается на уравновешивания для обновлений позиции, подтвержденной целостностью. Для перехода на полный уровень 3 операторы хотят использовать GNSS (GPS, Galileo, BeiDou) с увеличением (GBAS, SBAS) для определения положения поезда без уравновешивания попутного пути. Это снижает затраты на инфраструктуру и обеспечивает гибкие направления. Проект ESA Integrity of GNSS for Rail (GINTO) показал точность положения в пределах 1 метра на линиях HSR со скоростью до 320 км / ч. Регуляторное принятие GNSS в качестве основного источника позиции все еще находится на рассмотрении, но пилотные проекты в Швеции и Великобритании генерируют данные для одобрения случаев безопасности.

Искусственный интеллект для прогнозирования сигналов

Современная сигнализация HSR генерирует массивную телеметрию — миллионы записей журнала в день на переплетение. Модели AI/ML могут анализировать эти данные для прогнозирования сбоев в точечных машинах, балисах и серверах RBC до их возникновения. Например, китайская сеть HSR использует глубокое обучение для обнаружения аномалий в сигнатурах тока трековой цепи. Раннее обнаружение предотвращает сбои в обслуживании и снижает затраты на обслуживание до 20%. Однако принятие решений ИИ в критически важной для безопасности сигнализации остается спорным; разрабатываются нормативные рамки, позволяющие «объяснимый ИИ» в рамках ограничений SIL 4.

Виртуальное соединение и взвод

Взяв концепцию очень коротких траекторий в крайность, виртуальная связь позволяет двум или более поездам путешествовать с разрывом всего 30–50 метров при 200 км/ч. Это требует связи с ультранизким временем задержки (менее 20 мс) и передовых алгоритмов координации торможения. Если коммерциализировать, виртуальная связь может увеличить пропускную способность линии на 30–50% без строительства новых путей. Проект Shift2Rail VICTOR (Virtual Coupling for Train Operations) завершил моделирование и в настоящее время планирует полевые испытания в голландской сети HSR.

Вывод: Сигнал как источник следующего скачка высокоскоростной железной дороги

Эволюция сигнализации HSR - это история компромиссов: между стоимостью и пропускной способностью, между безопасностью и гибкостью, между унаследованной совместимостью и инновациями. Каждый километр новой высокоскоростной трассы, проложенной сегодня, требует сигнализации, которая может обрабатывать более высокие скорости, более плотный трафик и большую автоматизацию, чем когда-либо прежде. Переход от фиксированного блока к блоку перемещения, от GSM-R до 5G и от уравновешенного позиционирования к GNSS определит следующее поколение HSR. Операторы и регуляторы, которые инвестируют сейчас в надежную, совместимую, защищенную от кибербезопасности сигнализацию, не только уменьшат траектории и увеличат пропускную способность линии, но и заложат основу для полностью автономных высокоскоростных поездов, которые движутся со скоростью 400 км / ч и за ее пределами.

Для дальнейшего чтения: изучите план развертывания ERTMS , страницу UIC Signaling and Telecoms и технический обзор CBTC для высокоскоростных железных дорог на IEEE Xplore .