Obr. 6 Činnosť palubnej jednotky ETCS

Mobilná časť ETCS

Mobilná časť ETCS je umiestnená na hnacom, prípadne riadiacom vozidle vlaku. Prijíma správy odosielané traťovou časťou – časovo nepremenné dáta opisujúce trať pred vlakom a časovo premenné dáta informujúce o povolení na jazdu vlaku. Okrem toho musí snímať a vyhodnocovať informácie o skutočnom pohybe (smere a rýchlosti vlaku) a polohe vlaku. Na základe porovnania informácií prijatých zo stacionárnej časti ETCS a informácií zo senzorov na vozidle môže mobilná časť kontrolovať činnosť rušňovodiča a v prípade ohrozenia bezpečnosti buď rušňovodiča upozorniť na potrebu znížiť rýchlosť, alebo núdzovo zastaviť vlak.

Vlak sa po dopravnej ceste môže pohybovať len za predpokladu, že prijal platné povolenie na jazdu (MA). Povolenie na jazdu môže vydať zabezpečovacie zariadenie alebo RBC. V závislosti od implementovanej aplikačnej úrovne sa MA na vlak prenáša bodovo pomocou prepínateľných balíz, čiastočne líniovo pomocou slučiek alebo úplne spojito pomocou telegramov Eurorádia (komunikačný systém využívajúci prenosový systém GSM-R). MA je obmedzené priestorovo (platí len na presne definovanú vzdialenosť) a v prípade líniového prenosu sieťou GSM-R je obmedzené aj časovo (platí len v definovanom časovom intervale). Po prijatí platného MA má vlak dovolený pohyb len do určitej vzdialenosti, po ktorej prekonaní musí zastaviť alebo prijať ďalšie MA. Ak vlak po uplynutí časovej platnosti MA nedostane do určeného času ďalšie MA, povolenie na jazdu zanikne a vlak musí zastaviť. Ďalší pohyb vlaku je podmienený prijatím ďalšieho MA.

MA umožňuje jazdu vlaku s určitými rýchlostnými obmedzeniami. Tie sú dané stavebným usporiadaním železničnej trate, aktuálnou trasou jazdy vlaku (napríklad pri jazde vlaku cez výhybky bude iná dovolená rýchlosť na jazdu priamym smerom a iná pri jazde do odbočného smeru cez tú istú výhybku) a vlastnosťami vlaku. Aktuálne zabezpečená trasa jazdy vlaku súčasne určuje aj cieľovú rýchlosť. MA môže umožniť jazdu vlaku s nulovou alebo nenulovou cieľovou rýchlosťou. Povolenie na jazdu s nenulovou cieľovou rýchlosťou smie byť odoslané na vlak len v prípade, ak je za cieľovým miestom zabezpečená jazdná cesta minimálne na zábrzdnú vzdialenosť odvodenú z predchádzajúcej cieľovej rýchlosti.

Spracovanie prenesených informácií palubnou jednotkou ETCS znázorňuje obr. 6. Zo statických informácií o trati, maximálne dovolenej rýchlosti vlaku a prijatom MA vypočíta mobilná jednotka najviac obmedzujúci rýchlostný profil, z ktorého na základe informácií o vlastnostiach vlaku (hmotnosti, brzdových schopnostiach a ďalších) mobilná jednotka vypočíta dynamický rýchlostný profil, ktorý určuje maximálnu dovolenú rýchlosť v každom okamihu jazdy vlaku.

V priebehu jazdy vlaku mobilná jednotka zisťuje aktuálnu polohu a rýchlosť vlaku a porovnáva ju s vypočítaným dynamickým rýchlostným profilom. Ak je skutočná rýchlosť menšia ako rýchlosť určená dynamickým rýchlostným profilom, mobilná jednotka do riadenia vlaku nezasahuje; ak sa rýchlosť približuje k limitnej rýchlosti v danom okamihu, mobilná jednotka upozorní rušňovodiča na potrebu znížiť rýchlosť a podľa spôsobu implementácie mobilnej jednotky na konkrétny typ hnacieho vozidla prípadne aktivuje prevádzkové brzdenie. Po dosiahnutí požadovanej výstupnej rýchlosti sa prevádzkové brzdenie ukončí a jazda vlaku pokračuje ďalej pod kontrolou rušňovodiča. Ak v danom okamihu skutočná rýchlosť prekročí rýchlosť dovolenú dynamickým rýchlostným profilom, mobilná jednotka upozorní rušňovodiča na prekročenie rýchlosti  a súčasne aktivuje núdzové brzdenie vlaku, ktoré je zväčša intenzívnejšie ako prevádzkové brzdenie.

Mobilná časť ETCS (obr. 7) je konštruovaná modulovo, pričom jednotlivé moduly sa implementujú podľa zvolenej aplikačnej úrovne a spôsobu prenosu dát z traťovej časti. Základom mobilnej jednotky je centrálny počítač EVC (European Vital Computer), ktorý riadi činnosť mobilnej časti a vykonáva všetky funkcie potrebné na kontrolu a riadenie jazdy vlaku. Ide o základný modul aplikovaný vždy. Ďalšími modulmi, ktoré môžu alebo nemusia byť implementované, sú nasledujúce:

  • Modul merania rýchlosti a prejdenej vzdialenosti SDMU (Speed and Displacement Measurement Unit) – meria rýchlosť a prejdenú dráhu a určuje smer pohybu. Modul je implementovaný vždy. V závislosti od technického vybavenia vozidla, na ktorom je palubná jednotka ETCS inštalovaná, môže modul získavať vstupné dáta o rýchlosti a smere pohybu vozidla z týchto snímačov:
    • snímača otáčok, ktorý je inštalovaný na vybranej náprave hnacieho vozidla (obr. 10),
    • radarového merača rýchlosti (obr. 9). Na zaistenie bezpečnej informácie o smere pohybu a skutočnej rýchlosti vozidla sa požaduje, aby jednotka SDMU mala dva navzájom nezávislé zdroje dát (dva snímače otáčok namontované na rôznych podvozkoch vozidla alebo snímač otáčok a radarový merač rýchlosti, prípadne dva nezávislé radary)
  • Prenosový modul balízy BTM (Balise Transmission Module) – zabezpečuje napájanie antény a snímanie dát prenášaných z balíz. Informácie z balízy sníma anténa (obr. 8). Modul je implementovaný vždy.
  • Prenosový modul slučky LTM (Loop Transmission Module) – zabezpečuje príjem a spracovanie dát prenášaných euroslučkou. Modul sa inštaluje len v prípade, ak sa ako doplnkový kanál prenosu dát vo funkcii in-fill používa euroslučka.
  • Rádiový prenosový modul RTM (Radio Transmission Module) – zabezpečuje dátovú komunikáciu v rádiovej sieti GSM-R. Implementuje sa len v prípade, že sa predpokladá komunikácia v sieti GSM-R vo funkcii prenosu in-fill údajov alebo pri komunikácii palubnej jednotky s RBC. Rádiový prenosový modul môže byť doplnený aj o jednotku na spracovanie pozičných dát z antény navigačného systému GPS.
  • Špecifický prenosový modul STM (Specific Transmission Module) – modul zabezpečujúci prenos a spracovanie informácií z traťovej časti pôvodného národného vlakového zabezpečovača. Slúži na zaistenie funkčnosti palubnej jednotky aj v situácii, ak sa vlak pohybuje po trati vybavenej traťovou časťou národného systému vlakového zabezpečovača a nie traťovou časťou ETCS. Konštrukcia snímača informácií (LS) závisí od typu národného vlakového zabezpečovača.
  • Zobrazovací a ovládací modul DMI (Driver Machine Interface) [8] – poskytuje rušňovodičovi vo vhodnej grafickej a textovej podobe informácie potrebné na bezpečné riadenie jazdy vlaku (aktuálnu a povolenú rýchlosť vlaku, rýchlostný profil ap.) a súčasne prijíma vstupy rušňovodiča, pomocou ktorých sa vkladajú údaje do systému a ovláda sa celý systém; niekedy sa označuje aj ako MMI (Man Machine Interface) alebo HMI (Human Machine Interface).
  • Záznamový modul JRU (Juridical Recorder Unit) – poskytuje hodnoverný záznam vybraných prevádzkových informácií v prípade ďalšej analýzy priebehu jazdy vlaku alebo mimoriadnych udalostí. Plní funkciu tzv. čiernej skrinky.
  • Modul rozhrania na vlak TIU (Train Interface Unit) – zabezpečuje komunikáciu palubnej jednotky ETCS s riadiacim systémom vlaku. Ak je vlak vybavený vlakovou zbernicou, komunikácia prebieha po tejto zbernici; ak vlak nie je vybavený vlakovou zbernicou, rozhranie medzi palubnou jednotkou a riadiacim systémom vlaku sa realizuje prvkami projektovanými individuálne pre konkrétny typ vozidla.

Základné aplikačné úrovne ETCS

Podľa požadovanej funkčnosti ETCS si prevádzkovateľ môže zvoliť rozdielne vybavenie komponentmi traťovej a následne aj mobilnej časti ETCS. Podľa vybavenia traťovej časti a jej funkcionality možno systém ETCS budovať v nasledujúcich základných aplikačných úrovniach:
1. aplikačná úroveň – označovaná ako ETCS L1 (level 1),
2. aplikačná úroveň – označovaná ako ETCS L2 (level 2),
3. aplikačná úroveň – označovaná ako ETCS L3 (level 3).

Charakteristika systému ETCS L1

ETCS L1 (obr. 11) je koncipovaný ako nadstavba konvenčných zabezpečovacích zariadení. Svojou podstatou predstavuje vlakový zabezpečovač s bodovým prenosom dát a so spojitou kontrolou rýchlosti.

Stacionárnu časť ETCS L1 (obr. 12) tvoria balízové skupiny, prostredníctvom ktorých získava mobilná časť ETCS informácie potrebné na bezpečné riadenie jazdy vlaku. Balízy sa súčasne využívajú ako referenčné body na odovzdávanie informácií o aktuálnej polohe vlaku a o polohe nasledujúcej balízy, resp. balízovej skupiny. Prepínateľné balízy okrem toho prenášajú informácie o návestných znakoch na návestidlách v smere jazdy vlaku, na základe ktorých dokáže mobilná časť vygenerovať MA pre ďalšiu jazdu vlaku. Informácie pre prepínateľné balízy generujú traťové jednotky LEU pripojené káblom k príslušnému staničnému alebo traťovému zabezpečovaciemu zariadeniu.

Bodový spôsob prenosu informácií prináša určité prevádzkové obmedzenia. Výraznou nevýhodou je potreba ďalej znižovať rýchlosť pri jazde vlaku k návestidlu napríklad k návesťou Stoj aj vtedy, keď sa návestný znak medzičasom zmenil na znak dovoľujúci jazdu. V prípade aplikácie systému ETCS možno toto obmedzenie eliminovať použitím technických prostriedkov na prenos doplňujúcich informácií, tzv. in-fill funkcie. Ako prenosový prostriedok môže byť použitá jedna alebo viac prepínateľných balíz alebo euroslučka pokrývajúca úsek pred návestidlom, alebo dátový kanál GSM-R (tzv. in-fill rádio).

Charakteristika systému ETCS L2

ETCS L2 (obr. 13) tiež predstavuje nadstavbu konvenčných zabezpečovacích zariadení, ale od 1. aplikačnej úrovne sa odlišuje použitím dátového kanála systému GSM-R na prenos časovo premenných informácií namiesto prepínateľných balíz. Systém ETCS L2 teda predstavuje vlakový zabezpečovač s rádiovým prenosom informácií a so spojitou kontrolou rýchlosti.

Rozdiel oproti úrovni L1 spočíva v tom, že informácie potrebné na riadenie vlaku nevysiela staničné alebo traťové zabezpečovacie zariadenie na vlak priamo pomocou LEU, ale prostredníctvom rádioblokovej centrály (RBC). Informácie o polohe vlaku, stave jazdnej cesty, návestných znakoch a ďalšie informácie odovzdáva zabezpečovacie zariadenie prostredníctvom špeciálneho rozhrania RBC. RBC na základe týchto informácií vypočíta povolenie na jazdu vlaku pre jednotlivé vlaky a systémom Eurorádio ich odošle na vlak.

Stacionárna časť ETCS L2 (obr. 14) je tvorená rádioblokovou centrálou, systémom Eurorádio s obojsmernou komunikáciou a neprepínateľnými balízami. Pretože má RBC obmedzenú oblasť pôsobnosti, bezpečná jazda vlakov na rozhraní pôsobnosti rôznych RBC vyžaduje vzájomnú spoluprácu medzi týmito RBC (vzájomné odovzdávanie a preberanie riadenia vlakov).

Porovnanie funkčných vlastností ETCS L1 a L2

Ako už bolo uvedené, ETCS L1 sa radí medzi systémy s bodovým prenosom informácií z trate na hnacie vozidlo. To znamená, že aktualizácia časovo premenných informácií je možná iba na diskrétnych miestach trate, na ktorých je umiestnená prepínateľná balíza. Pokiaľ hnacie vozidlo idúce traťovou rýchlosťou vT prijme na zábrzdnú vzdialenosť lZ pred cieľom informáciu, že cieľová rýchlosť je nižšia ako aktuálna rýchlosť vozidla (v krajnom prípade, že cieľová rýchlosť je nulová), musí znižovať rýchlosť podľa príslušnej brzdnej krivky.

Ak sa v čase po prenesení informácie o cieľovej rýchlosti na hnacie vozidlo zmenil aktuálny stav v riadenej oblasti (napríklad po povolení ďalšej jazdy vlaku, keď stacionárne zabezpečovacie zariadenie už umožňuje zvýšenie cieľovej rýchlosti), ETCS nemôže zmeniť režim jazdy ihneď, ale až po aktualizácii príslušných dát uložených v palubnej jednotke vozidla. Táto aktualizácia sa však môže uskutočniť až po prenesení ďalšej informácie na mieste nasledujúcej prepínateľnej balízy (obr. 15). Takéto riešenie vynucuje reštriktívnejšie správanie sa rušňovodiča, ako je podľa reálnej situácie na trati potrebné. Dôsledkom je častejšie a dlhšie trvajúce brzdenie a z toho plynúce predlžovanie jazdného času a zvýšená spotreba energie potrebnej na jazdu vlaku.

Túto základnú nevýhodu systému ETCS L1 možno čiastočne vylepšiť použitím in-fill technických prenosových prostriedkov (jedna alebo viacero prídavných prepínateľných balíz, euroslučka pre in-fill,  dátový prenos GSM-R). Takéto riešenie bude približne zodpovedať jazde podľa rozhľadu rušňovodiča, ak umiestnime in-fill balízu na vzdialenosť predpísanej dohľadnosti ldohl pred návestidlo N2. Pri použití systému ETCS L2 môže aktualizácia informácie v palubnej jednotke vlaku nastať veľmi krátko po zmene stavu. Časové oneskorenie je dané len časom potrebným na spracovanie informácie v RBC a na prenos informácie zo zabezpečovacieho systému  do RBC a prenosom aktualizovaného povolenia na jazdu z RBC  do palubnej jednotky príslušného vlaku.

Náklady na budovanie ETCS L1 sú nižšie ako náklady na budovanie ETCS L2, ale ETCS L2 poskytuje lepšie prevádzkové vlastnosti  a umožňuje lacnejšiu a rýchlejšiu implementáciu prípadných budúcich zmien súvisiacich napríklad so zmenou koľajiska, rýchlostných charakteristík trate alebo zabezpečovacieho zariadenia.
V ďalšej časti seriálu sa budeme venovať charakteristike ETCS L3 a ďalším aplikačným úrovniam ETCS.

Ing. Peter Nagy, PhD.
prof. Ing. Karol Rástočný, PhD.
Žilinská univerzita v Žiline
Elektrotechnická fakulta
Katedra riadiacich a informačných systémov
karol.rastocny@fel.uniza.sk