Aktuální vydání

celé číslo

08

2018

MSV 2018 v Brně

celé číslo

Řídicí systémy vlaku

Pro systémy ve vlacích je podstatnou požadovanou vlastností interoperabilita, neboť vozidla mohou být různých typů a od různých výrobců, a mají-li být provozována jako vlak, musí být jejich palubní systémy schopny spolupracovat. Článek se zaměřuje na tu část celkového řídicího systému moderního interoperabilního vozidla označovanou jako systém nadřazeného řízení, která zajišťuje rozhraní k lokálním systémům, ke strojve­doucímu, k ostatním vozidlům vlaku a na stacionární stranu. Jeho podstatnou součástí je standardizovaná vlaková komunikační síť TCN. Aby čtenář získal základní představu o problematice řídicích systémů pro kolejová vozidla, jsou zmíněny i některé další prvky a funkce celkového řídicího systému vlaku.

Klíčová slova: řídicí systém vlaku, systém nadřazeného řízení, interoperabilita, vlaková komunikace, vlaková komunikační síť, vlaková sběrnice, TCMS, TCN, WTB, MVB, ETB.
 
Interoperability is an important property required for control systems in because vehic­les can be of different types and made by various manufacturers, and when they have to operate as a train, their on-board systems must be able to co-operate. The article focu­ses on the part of overall control system of a modern interoperable vehicle called Train Control and Monitoring System, which serves the interface to local subsystems, a dri­ver, other vehicles of the train and to ground. It includes the standardized train commu­nication network TCN as its essential element. Further, for the reader to get the basic insight into the area of control systems for rail vehicles some other elements and functi­ons of the overall train control system are mentioned.
Keywords: train control, Train Control and Monitoring System, interoperability, Train Communication Network, train bus, train backbone, TCMS, TCN, WTB, MVB, ETB
 

1. Úvod

I přes velkou snahu, kterou vyvíjejí pří­slušné orgány EU, není jednotný evropský železniční prostor stále realitou – mimo jiné i proto, že v sektoru železnice přetrvává pří­liš mnoho rozdílů na národní úrovni. K jejich postupnému odstranění vydaly evropské or­gány směrnici o interoperabilitě transevrop­ských železničních systémů. Při rozdělení železničního systému na segmenty (vozidla, infrastrukturu, komunikační a informační sys­témy železničních podniků), znamená intero­perabilita, požadovaná směrnicí, kompatibili­tu systémů jak v rámci segmentu, tak i mezi systémy v různých segmentech. Pro palubní řídicí systémy to znamená interoperabilitu řídicích systémů vozidel různých výrobců, různých typů a generací – překračují-li rá­mec vlaku, tedy i standardizovaného propo­jení se systémy v jiných segmentech. Na ří­dicí systémy ve vlacích je tudíž třeba nahlí­žet ve výše uvedeném kontextu, tj. v kontextu interoperability.
 
Pro porozumění architektuře celkového řídicího systému moderního interoperabil­ního vozidla je třeba nejprve popsat některé zvláštnosti vlaku jako řízeného systému, které musí být při navrhování jeho řídicích systé­mů respektovány, vysvětlit slovní spojení in­teroperabilita vozidel a popsat architekturu a funkce vlakové komunikační sítě. Článek dále pokračuje popisem systému nadřazené­ho řízení a vybraných prvků a funkcí celko­vého řídicího systému vlaku. Pod označením řídicí systém vlaku se často rozumí vlakový zabezpečovací systém, jehož úkolem je zajiš­tění bezpečné jízdy vlaku, tedy i aktivní zásah do řízení vlaku při selhání nebo omylu stroj­vedoucího. Uvedeným řídicím systémem se tento článek nezabývá.
 

2. Vlak jako dynamický objekt

Uveďme nejdříve základní definice. Vlak je kompozice jedné nebo více pevných se­stav, která může být provozována jako auto­nomní jednotka, jež obsahuje pohony a ales­poň jedno stanoviště strojvedoucího. Pevná sestava je vozidlo (např. lokomotiva nebo osobní vůz) nebo skupina vozidel, která není rozpojována během běžného provozu – je neměnně spojena v dílenském prostředí. Podstatné je, že vlak je dynamickým objek­tem. Z toho vyplývá, že např. jeho kompozi­ce se může během běžného provozu změnit připojením nebo odpojením vozů (přesněji pevných sestav). Přechodem strojvedoucího na stanoviště v druhém čelním voze (změ­nou vedoucího vozu vlaku) se změní orien­tace vozů k orientaci vlaku, tj. ke směru jíz­dy. Jestliže např. trakční vůz původně inter­pretoval povel strojvedoucího „jízda vpřed“ jako příkaz ke skutečné jízdě vpřed (jeho orientace byla shodná s orientací vlaku), bude jej nyní interpretovat jako příkaz k jíz­dě vzad. Jestliže vůz dosud interpretoval po­vel strojvedoucího „otevři levé dveře“ jako příkaz k otevření svých levých dveří, bude jej nyní interpretovat jako příkaz k otevře­ní pravých dveří. Také vůz, který dříve sou­pravu řídil, se musí začít chovat jako vůz ří­zený a naopak.
 
Řídicí systémy vlaku musí být schopny okamžité reakce na změnu provozní situace. Potřebnou informaci získají z dynamických atributů vozů (pozice vozu v kompozici vla­ku, orientace, vedoucí vůz), jejichž hodnoty musí naprosto spolehlivě stanovit komuni­kační systém vlaku.
 

3. Interoperabilita vozidel

Interoperabilita vozidel je zajištěna, je-li jí dosaženo na třech úrovních.
  • Na fyzické úrovni: vyhláškou UIC je stano­ven osmnáctižilový kabel pro vzdálené řízení a přenos dat. Jeho žíly jsou určeny pro vlako­vou sběrnici, ovládání dveří, osvětlení a pa­lubní rozhlas. Dále je určen kabel pro ovlá­dání elektropneumatické brzdy a pro pře­klenutí záchranné brzdy. Drátovými vodiči jsou obecně přenášeny signály, jež se vzta­hují k funkcím se vztahem k bezpečnosti.
  • Na komunikační úrovni: zde je interope­rabilita zajištěna zavedením normy IEC 61375, která definuje TCN (Train Communication Network, vlakovou komunikační síť). Specifikuje mechanismy pro výmě­nu telegramů provozních dat a zpráv mezi koncovými zařízeními komunikační sítě v témže voze nebo v různých vozech, ne­specifikuje však přenášený obsah.
  • Na aplikační úrovni: vozidlo lze chápat jako množinu programových bloků (hovo­rově aplikací), označovaných jako funkce. Jsou to např. bloky pojmenované jako dve­ře, osvětlení, řízení pohonů, řízení brzd. Normy, které navazují na TCN (komuni­kační profil a aplikační profily), specifikují externí rozhraní funkcí. Popisují zejména způsob interakce, typy a význam přená­šených dat v telegramech provozních dat a ve zprávách a dále adresy funkcí (tzv. funkční adresy, např. adresa 10 pro funkci dveře). Znamená to, že lze adresovat funk­ce v cílovém voze a není třeba adresovat konkrétní zařízení, která tyto funkce rea­lizují. Jestliže je např. lokomotiva řízena z řídicího vozu, funkce řízení vlaku v ří­dicím voze nekomunikuje přímo s řídicí jednotkou subsystému pohonů lokomoti­vy, ale s funkcí řízení pohonů. Funkce tak zakrývá skutečnou realizaci subsystému řízení pohonů, která může být u různých typů trakčních vozidel zcela odlišná.

     

4. Vlaková komunikační síť TCN

 

4.1 Architektura a možnosti řešení TCN

Norma IEC 61375 definuje architekturu TCN jako hierarchii sítí dvou úrovní: úrov­ně páteřní sítě vlaku a úrovně sítě sestavy (obr. 1). Na úrovni páteřní sítě vlaku jsou spojovány uzly páteřní sítě vlaku TBN (Train Backbone Node, vlakové páteřní uzly), které jsou umístěny v pevných sestavách, tvořících vlak. Síť sestavy propojuje koncová zaříze­ní, umístěná v téže pevné sestavě. Uzel TBN má dvojí určení – propojuje obě sítě (posky­tuje funkce komunikační brány) a současně realizuje funkce vyplývající z dynamického charakteru vlaku. Z nich je zásadní funkcí inaugurace vlaku. Výsledkem inaugurace je datová struktura – adresář vlakové sítě. Ob­sahuje informace o aktuální topologii vlaku (pozice a orientace uzlů) a uživatelem daná data, která popisují vlastnosti a funkce jed­notlivých pevných sestav a jejich vozů. Inau­gurace je provedena po zapnutí napájení vla­ku, je-li detekováno jeho prodloužení nebo zkrácení či změní-li vlak orientaci. Inaugu­race proběhne současně ve všech aktivních uzlech páteřní sítě vlaku, přičemž všech­ny uzly musí dospět k identickému adresáři vlakové sítě, tj. k identickému obrazu vlaku. Adresář, který je uložen v TBN, je přístup­ný všem programovým blokům (aplikacím) v pevné sestavě, ve které je tento TBN umís­těn. Znamená to, že pro programové bloky (aplikace) je kompletní informace o vlaku vždy dostupná lokálně. Existují tři hlavní důvody, pro které byla zvolena dvouúrov­ňová architektura.
 
a) Síť sestavy je statickou, předem zkon­figurovanou sítí. Naproti tomu je páteřní síť vlaku dynamickou sítí, která mění svou topo­logii s každou změnou kompozice (konfigu­race) vlaku. Komunikace na páteřní síti vlaku může být během její rekonfigurace přerušena (páteřní síť musí být rekonfigurována do 1 s), avšak po dobu tohoto přerušení nesmí být ko­munikace v síti sestavy narušena.
b) Zhroucení sítě sestavy (způsobené např. výpadkem napájecího napětí v pevné sesta­vě) nesmí ohrozit komunikaci mezi ostatní­mi pevnými sestavami vlaku.
c) Páteřní síť vlaku nemůže být zatížena celkovým datovým provozem ve vlaku, pro­to interní data pevné sestavy (a těch je vět­šina) musí zůstat v dané pevné sestavě lo­kálními daty. Pouze data směrovaná do ji­ných pevných sestav jsou přenášena páteřní sítí vlaku.
 
Podle normy IEC 61375 může být síť TCN realizována jako sběrnice nebo jako přepína­ná síť: první případ tvoří sběrnice, do kte­rých patří sběrnice WTB (Wire Train Bus, vlaková sběrnice), MVB (Multifunction Ve­hicle Bus, multifunkční vozidlová sběrnice) a známá sběrnice CAN s aplikačním proto­kolem CANopen. Druhou třídou jsou přepí­nané sítě, do kterých patří sítě ETB (Ether­net Train Backbone, páteřní Ethernet vlaku) a ECN (Ethernet Consist Network, etherne­tová síť sestavy). Z uvedených sítí jsou WTB a ETB určeny pro realizaci páteřní sítě vla­ku, ostatní pro realizaci sítě sestavy. Páteřní síť v obou případech musí zajistit komunikaci na zdvojeném přenosovém médiu a také to, že uzly TBN, jsou-li bez napětí nebo v poruše, nepřeruší linku. Znamená to, že uzel ovládá kontakty relé, které v těchto případech zajis­tí jeho přemostění.
 
Při inauguraci mohou uzly TBN získat ji­nou adresu v důsledku změny topologie sítě. Síť TCN musí zaručit, že za žádných okolnos­tí nebudou data odeslaná před změnou topo­logie předána uzlu, který nově získal adresu původního adresáta – a tedy nebudou předá­na jinému koncovému zařízení, než bylo při vysílání původně zamýšleno. Tento požada­vek patří (vedle požadavku správné interpre­tace příkazů či stavů závislých na orientaci – např. vpřed, vzad, vlevo, vpravo) k základ­ním požadavkům na síť TCN. Zatímco síť TCN založená na sběrnicích se používá již mnoho let, proces standardizace ETB a ECN není ještě ukončen. Nicméně vlaky se sítí TCN, která je založena na standardu Ether­net, jsou již nejvýznamnějšími výrobci kole­jových vozidel (např. Siemens, Bombardier a Alstom) nabízeny.
 

4.2 TCN první generace

Specifikace vlakové komunikační sítě, kte­rá byla přijata v roce 1999 jako norma IEC 61375 (Train bus – Train communication network) byla vytvářena s cílem zajistit interoperabilitu vozidel různých výrobců. S na­vazujícími vyhláškami UIC, které specifikují komunikační a aplikační profily, bylo možné dosáhnout úrovně aplikační interoperability. Norma obsahuje specifikace vlakové sběrni­ce WTB a vozidlové sběrnice MVB. Uvedené sběrnice lze charakterizovat takto:
Sběrnice WTB: přenosovým médiem je kroucený metalický pár s maximální délkou 860 m (22 vozů), maximální počet uzlů je 32, přenosová rychlost je 1 Mb/s, délka datové­ho rámce je maximálně 132 bytů, minimální perioda přenosu provozních dat je 25 ms (pro více než sedm uzlů je tato hodnota 100 ms), každý uzel může exportovat pouze jeden rá­mec provozních dat.
 
Sběrnice MVB: propojuje zařízení uvnitř vozu nebo v neseparovatelné skupině vozů, přenosovým médiem je kroucený metalický pár nebo optické vlákno (délky 200 m pro metalický vodič nebo 2 000 m pro optické vlákno), umožňuje připojit až 256 zařízení, minimální perioda přenosu rámců provoz­ních dat je 1 ms (v praxi 8 ms), přenosová rychlost je 1,5 Mb/s, délka datového rámce je max. 32 bytů.
 
Přenosové rychlosti sítě WTB/MVB jsou postačující pro realizaci řídicích funkcí vozi­dla (vlaku), základní diagnostiky a (ze sou­časného pohledu) minimalistické verze in­formačního systému pro cestující. Protokoly jsou proprietární pro oblast železnice. Hard­ware a software sběrnic WTB a MVB nelze tedy převzít z jiných sektorů průmyslu, a jsou proto drahé.
 

4.3 TCN druhé generace

Obdobně jako v jiných oblastech průmys­lu, jsou i v železničním průmyslu přebírány a adaptovány nové komunikační prostřed­ky, které vznikly a masově se rozšířily mimo obory průmyslu: bezdrátové komunikace, Ethernet a na ně navazující komunikační me­toda IP. Nová, rozšířená norma IEC 61375 je sadou specifikací, které zahrnují původní WTB a MVB (neboť síť WTB/MVB je v sou­hlasu i s architekturou rozšířené TCN) a dále již zmíněné sítě ETB a ECN na bázi Etherne­tu. Zahrnuta je zde i komunikace mezi vla­kem a stacionární stranou realizovaná bezdrá­tovými sítěmi. Oproti původní normě jsou ko­munikační a aplikační profily integrální částí jejího nového, rozšířeného vydání. V součas­né době zbývá dopracovat právě tyto profi­ly a část specifikující komunikaci mezi vla­kem a stacionární stranou. Dokončení proce­su standardizace je plánováno na rok 2016.
 
Hovoří-li se o síti Ethernet na palubě že­lezničních vozidel, rozumí se plně duplex­ní přepínaný Ethernet s přenosovou rychlos­tí 100 Mb/s podle norem ISO/IEC8802-2/3 a ISO/IEC15802-1 (obr. 2). Délka segmen­tu sítě je nejvýše 100 m. Komunikační me­todou IP se rozumějí postupy, které využíva­jí protokoly sady TCP/IP k zajištění přenosu dat různých tříd (provozní data, zprávy, au­dio- a videoproudy, soubory). Tato data jsou přenášena jako sekvence paketů. Protokoly TCP/IP jsou nezávislé na přenosovém médiu, mohou být použity nad linkovou a fyzickou vrstvou různých protokolů. Tato skutečnost je podstatná pro integraci palubní a pozemní sítě, neboť IP mohou pracovat nad kabelový­mi (Ethernet) i bezdrátovými (GSM, WLAN) datovými spoji.
 
Pro přenos provozních dat a zpráv byl v rámci standardizačního procesu navržen a také ověřen nový protokol TRDP (Train Re­al-time Data Protocol, vlakový datový proto­kol reálného času), byť počáteční úvahy smě­řovaly k použití některého z protokolů stan­dardizovaných v oblasti řízení průmyslových systémů. Skutečnost, že navržený protokol je jediný (na rozdíl od mnoha protokolů z ob­lasti řízení průmyslových systémů), usnadní situaci především výrobcům koncových za­řízení, neboť postačí implementovat pouze rozhraní jednoho typu. Navíc bude zdrojový kód implementace protokolu TRDP poskyto­ván zdarma. Za účelem údržby a správy pro­tokolů TCN byla zřízena iniciativa TCNopen.
 
O tom, jak bude síť TCN v konkrétním vlaku realizována, rozhoduje vesměs zákaz­ník. Může např. požadovat síť WTB/MVB pro systémy řízení vlaku a současně síť ETB/ECN pro kamerový systém, multimediální infor­mační systém pro cestující a pokročilou dia­gnostiku. Může ale použít např. dvě odděle­né sítě ETB/ECN – jednu pro řízení (operační síť) a druhou pro multimediální a telematic­ké aplikace (multimediální síť) podle obr. 2. Obecně se může vlaková komunikační síť skládat až ze čtyř sítí ETB/ECN. Na obr. 2 jsou také uvedeny dvě topologie sítě ECN. Jestliže nesmí jedna porucha vyřadit síť TCN z provozu (což je požadavek kladený na ope­rační síť), je nutné volit kruhovou topologii a také zálohovaný uzel TBN. V opačném pří­padě lze použít lineární topologii. Pohotovost (availability) koncových zařízení je možné zvýšit jejich připojením do dvou různých pře­pínačů (tzv. dual homing).
 
Norma EN 50159 klasifikuje komuni­kační systémy v oblasti železnice z hledis­ka informační bezpečnosti. Rozeznává tři kategorie. Do kategorie 1 patří uzavřené systémy, pro které platí, že počet účastní­ků a charakter provozu jsou předem známy a že riziko napadení je zanedbatelné. Je žá­doucí, aby operační síť vlaku byla systémem této první kategorie. Vzhledem k tomu, že multimediální síť do této kategorie nepatří, ale mezi sítěmi je nutné přenášet data, jsou sítě odděleny komunikační branou obsahu­jící bránu firewall.
 

5. Systém nadřazeného řízení

 

5.1 Základní pojmy

Dekompozicí moderního interoperabilní­ho vozidla na subsystémy vznikne řada sub­systémů, které realizují určitou část souboru funkcí vozidla, např. trakční subsystém, brzd­ný subsystém, které mají v moderním vozi­dle vlastní řídicí jednotku. Lze je (s trochou nadsázky) označit jako „inteligentní“ nebo „chytré“. Dále zde ale existuje subsystém, který jednotlivé subsystémy vozidla integruje a realizuje funkce nebo části funkcí, které se vztahují k vozidlu a vlaku jako celku (obr. 3). Nazývá se systém nadřazeného řízení (TCMS – Train Control and Monitoring System, do­slovně vlakový řídicí a monitorovací systém). Vzhledem k tomu, že zahrnuje i palubní ko­munikační systém (čili síť TCN), rozhodu­je o interoperabilitě daného vozidla. Spolu­práci s inteligentními systémy realizuje pro­střednictvím sítě sestavy. Na svém rozhraní tyto inteligentní systémy nabízejí služby pro řízení, monitorování, diagnostiku a údržbu (např. nastavení parametrů, nahrání softwaru).
 
Funkce, které TCMS realizuje, vyplývají ze základních vysokoúrovňových funkčních požadavků, zejména zajistit řízení (např. předání hodnoty požadovaného tahu brz­dy z řídicí páky do všech řídicích jednotek pohonů vlaku) a monitorování, diagnosti­ku a preventivní údržbu (např. uchovává­ním dat o stavu elektrických a jiných kom­ponent subsystémů, jako jsou doba provo­zu, počet sepnutí a vypnutí). Potřebné je rovněž uchovávat a poskytovat data (např. diagnostická data v diagnostické databá­zi), kontrolovat integritu systému (monito­rovat celistvost vlaku), radit strojvedoucí­mu v řízení vlaku (např. zobrazením infor­mací na displejích), umožnit provozování vlaku v různých provozních režimech včet­ně nouzových, zajistit dostupnost, spolehli­vost a bezpečnost provozování vlaku použi­tím zálohování a izolace vadných zařízení, zajistit spojení vlaku s pozemním systé­mem za účelem jeho monitorování a ob­sluhy. Dále by měl systém TCMS napomá­hat ve fázích integrace, uvedení do provozu a validace (např. implementace servisních služeb, které mohou být vyžádány ze ser­visního prostředku připojeného do komuni­kační sítě vlaku). Funkce TCMS je nutné zajistit v různých typech vlaků (lokomoti­va a osobní vozy a popř. řídicí vůz, vlako­vé jednotky, kdy vlak tvoří jedna, popř. více spřažených jednotek).
 
K realizaci uvedených funkcí TCMS vy­užívá především zařízení, která jsou z po­hledu sítě TCN koncová: řídicí jednotku vozidla, která v aktuálně vedoucím vozidle plní i funkci řídicí jednotky vlaku, displej strojvedoucího nebo několik displejů, jež tvoří inteligentní displejový (vizualizační) systém strojvedoucího, moduly vzdálených vstupů a výstupů (I/O), které umožňují pří­stup k prvkům vozidla a které nenáležejí k žádnému inteligentnímu řídicímu subsys­tému vozidla (např. ovládací a indikační prv­ky na pultu strojvedoucího). Systém TCMS dále obsahuje síťová zařízení, která jsou ak­tivními prvky sítě TCN, včetně mobilní ko­munikační jednotky, jež zajišťuje spojení vlaku se stacionární stranou. Pro zajištění vysoké pohotovosti musí být všechny klí­čové komponenty k dispozici v zálohova­né konfiguraci.
 

5.2 Vytvoření systému nadřazeného řízení

O efektivnosti aktivit souvisejících s vy­tvořením, zavedením a údržbou kompletní­ho řídicího systému kolejového vozidla roz­hodují také nástroje, které jsou k dispozici pro jednotlivé fáze životního cyklu systému. Software v zařízeních systému nadřazeného řízení lze rozdělit zhruba do dvou vrstev. Niž­ší vrstvu tvoří systémový software, do vyšší úrovně patří aplikační programy. Firmy, kte­ré dodávají systémy nadřazeného řízení, ob­vykle disponují generickým systémem, který je adaptován pro konkrétní projekt. Konkrét­ní varianty systému TCMS vytvářejí úprava­mi typového systémového softwaru specialis­té na software. Systém je pak připraven pro aplikační programování.
 
Aplikační programy jsou obvykle vytváře­ny v jazycích pro PLC podle normy IEC EN 61131-3, nejčastěji v grafickém jazyce blo­kových schémat (FBD, Function Block Di­agram), v jazyce strukturovaného textu (ST, Structured Text) nebo s využitím nástroje sekvenčního programování (SFC, Sequen­tial Function Chart). Obvykle je tvoří speci­alisté na technické systémy vozidla. Vývoj i běh aplikačního programu jsou tak odděleny od systémové úrovně a případné chyby v aplikačním programu nenaruší software na niž­ších úrovních – zůstanou izolovány pouze ve své vrstvě a nemohou způsobit zhroucení celého systému. Velké množství chyb je na­víc odhaleno specializovanými kontrolními funkcemi vývojového prostředí. Znamená to také, že při postupném vytváření aplikačního programu (obvyklá praxe) není nutné po kaž­dé iteraci provádět komplexní validaci funkč­nosti celého zařízení.
 
Platforma TCMS zpravidla obsahuje ná­stroje pro aplikační programování a pro tvor­bu konfigurací – integrované vývojové pro­středí. Dodávány jsou s k němu i knihovny funkčních bloků (FB). Obsahují jak bloky pro všeobecné použití, tak i bloky specializova­né pro použití v systémech TCMS – např. pro komunikaci TCN, pro generování diagnostic­kých záznamů a manipulaci s nimi. Obvyk­lé je, že nástroj aplikačnímu programátoro­vi poskytuje alespoň tuto podporu pro různé fáze vývoje: simulovaný běh a ladění apli­kačních programů, ladění aplikačních progra­mů na cílovém zařízení (především sledová­ní a záznam proměnných, vnucení hodnoty, krokování programu) a monitorování běhu aplikačních programů v operačním prostředí v cílových zařízeních.
 

6. Vybrané prvky řídicího systému vlaku

 

6.1 Jízdní režimy

Zvláštnosti řídicích systémů pro kolejová vozidla jsou ilustrovány na příkladech řeše­ní systému modernizované dvousystémové lokomotivy řady 363. Moderní trakční vo­zidla Českých drah mohou být provozována ve třech jízdních režimech: manuální řízení (tažná a brzdná síla se zadávají hlavní jízd­ní pákou), automatická regulace rychlosti (automatické navedení na hodnotu zvolené rychlosti, stabilizace rychlosti a decelerace do zastavení; rychlost je volena na klávesni­ci), automatické vedení vlaku (ATO, Automa­tic Train Operation).
 

6.2 Automatické vedení vlaku (ATO)

Smyslem režimu automatického vede­ní vlaku (ATO) je snižování spotřeby elek­trické energie, a tím i ekologické zátěže, zpřesněné dodržování jízdních řádů, zlepše­ní plynulosti jízdy, a tím také jízdní pohody cestujících a ulehčení práce strojvedoucích. Pro systém ATO je charakteristické, že pra­cuje s databází map tratí, která zahrnuje ze­jména topologické informace, údaje o po­délných sklonech a vlivu oblouků na traťo­vé jízdní odpory, odometrické vzdálenosti mezi významnými traťovými body a ge­ografické souřadnice těchto bodů, popisy výhybek, světelných návěstidel, rychlost­níků, prvků zabezpečovacích zařízení, ná­stupišť, napájecích systémů a dalších prvků železniční infrastruktury. Pracuje s databá­zí jízdních řádů, zpracovává vstupy z pul­tu strojvedoucího a z opakovače návěstních signálů, ovládá dveře vagonů. Vyhodnocu­je parametry vlaku a hnacího vozidla, např. délku a hmotnost soupravy, parametry mo­delu vozidlových jízdních odporů, charak­teristik vlakových brzd, trakční a brzdo­vé charakteristiky. Podle okamžité polohy a času generuje aktuální hodnoty optimál­ního rychlostního profilu, který respektuje všechny dostupné informace o trati, vlaku a lokomotivě a je zaměřen na ekonomii jíz­dy a dodržení jízdních řádů. Řídí rozjezd vlaku, jeho akceleraci a stabilizaci rych­losti, deceleraci výběhem a cílové brzdě­ní do zastavení u nástupišť nebo vyvolané rychlostními limity či aktuálním stavem návěstidel. Údaj o aktuální poloze systém ATO získává ze subsystému určování polo­hy využívajícího přijímač GPS, snímač ba­líz a odometrický systém. Systém ATO ale nezajišťuje bezpečnostní funkce – se za­bezpečovacím systémem ATP (Automatic Train Protection, automatickou ochranou vlaku) sice spolupracuje, ale neovlivňuje jeho funkce.
 

6.3. Rozhraní strojvedoucího

Rozhraní strojvedoucí­ho tvoří hlavní jízdní páka, ovládací a indikační prv­ky a displeje displejového systému. Všechny tyto prv­ky jsou součástí pultu stroj­vedoucího. Návrh jednotné­ho pultu strojvedoucího byl předmětem několika nava­zujících evropských projek­tů a je nyní specifikován vy­hláškou UIC 612. Je sche­maticky zobrazen na obr. 4. Jeho displejový systém tvo­ří čtyři displeje. Provozní displej zobrazuje informa­ce vztahující se k jízdě vla­ku. Technický a diagnostický displej zobrazuje provozní stav vozidel a vlaku a dia­gnostické informace. Displej elektronického jízdního řádu zobrazuje jízdní řád a infor­mace o trati, je určen rovněž k interakci dispečera a stroj­vedoucího (jízdní příkazy). Displej vlakového rádia je vyhrazen k ovládání vlako­vého rádia. Displeje o úhlo­příčce obrazovky 10,4" umožňují automatic­ky i manuálně regulovat jas. Lze volit ze dvou variant ovládání: externí klávesy nebo doty­kové ovládání. Norma také určuje zálohová­ní displejů. Například při poruše provozního displeje přebírá jeho funkci technický a dia­gnostický displej.
 
Strojvedoucí také může mít k dispozici obraz z kamer ve funkci zpětných zrcátek, obraz z dohledového kamerového systému nebo může např. ovládat informační systém pro cestující. Pro interakci s těmito systémy je možné použít další displej nebo (jako je tomu v případě lokomotivy řady 363) vyu­žít technický a diagnostický displej. Hlav­ním úkolem strojvedoucího je bezpečně vést vlak, což znamená sledovat především trať. Proto jsou na provozním displeji zobrazová­ny jen informace, které jsou podstatné pro jízdu. Jejich nejvhodnější reprezentací je gra­fická reprezentace (ručkové měřidlo, sloupec, ikona). Totéž platí i pro informace zobrazené na ostatních typech displejů. Na obr. 5 je zná­zorněna základní obrazovka provozního dis­pleje lokomotivy řady 363 v manuálním reži­mu. Ve vymezeném poli obrazovky jsou zob­razeny poslední nekvitované alarmy.
 

6.4 Řízení pohonů a brzd

Řídicí systémy pohonů brzd jsou složité sa­mostatné systémy, které jsou připojeny do sítě TCN. Základním řídicím signálem je poměr­ný tah (hodnota +127 před­stavuje 100 % tahu, hodno­ta –127 reprezentuje 100 % brzdění), který je generován podle jízdního režimu funk­cí, jež zapracovává signály z hlavní jízdní páky, regulá­toru rychlosti, popř. systému ATO. První z nich je imple­mentována v řídicí jednot­ce vozidla VCU, ostatní též ve VCU nebo v samostatné řídicí jednotce. Kolejová vo­zidla jsou vybavena různý­mi typy brzdové výzbroje. Pro elektrickou lokomotivu to jsou typicky: mechanic­ká ruční brzda, pneumatic­ká brzda přímočinná (me­chanicky ovládaná přímo z pultu strojvedou­cího), pneumatická brzda samočinná (hlavní průběžné potrubí) a elektrodynamická brzda (EDB). U lokomotivy řady 363 jsou ve skříni na střeše lokomotivy uloženy dva brzdové od­porníky (rezistory), chlazené čtyřmi axiálními ventilátory, které pohánějí elektromotory napá­jené z úbytku napětí na odpornících. Regulace výkonu elektrodynamické brzdy EDB je zde plynulá, intenzita brzdění je řízena na zákla­dě sledování polohy hlavní jízdní páky a tlaku za rozváděčem samočinné brzdy. U lokomo­tivy řady 363 je EDB funkční v rychlostním rozmezí 140 až 15 km/h. Při poklesu rychlos­ti pod 15 km/h se EDB odpojuje a je nahraze­na pneumatickou brzdou.
 
Každé vozidlo vlakové soupravy brzdí sa­mostatně pneumatickou samočinnou brzdou. Lokomotiva má navíc možnost brzdit elek­trodynamicky. Použití EDB má přednost před brzděním pneumatikou (méně se opotřebová­vají komponenty frikčních brzdových systémů, např. nákolky), ale její účinek není v celém roz­sahu rychlostí konstantní. Proto je třeba zapojit v určitém okamžiku pneumatiku, což zajišťuje funkce řídicího systému součinnost brzd. Kaž­dé hnací vozidlo musí být vybaveno ochranou proti prokluzu jednotlivých náprav při zábě­ru (protismyk) a při brzdění (protiskluz). Tyto funkce obvykle realizuje samostatná řídicí jed­notka, která zpracovává signály ze snímačů otá­ček jednotlivých náprav. Z rozdílu hodnot na­měřených otáček a úhlového zrychlení náprav stanovuje nutnost a velikost regulačního zása­hu, tj. omezení požadované tažné (protismyk) nebo brzdné síly (protiskluz).
 

6.5 Diagnostika

Nedílnou součástí systému nadřazeného řízení je monitorovací a diagnostický systém (MDS), který spolupracuje s prvky diagnos­tiky dalších subsystémů vozidla. Platforma TCMS obvykle poskytuje sadu programo­vých komponent, které usnadňují vytvoření MDS pro konkrétní vozidlo a vlak. Většinou k nim patří funkční bloky pro použití v pro­gramech PLC, které vyhodnocují diagnostic­ké události a generují diagnostické záznamy. Dále jsou využívány funkční bloky pro načte­ní diagnostických záznamů, jejichž zdrojem jsou jiné subsystémy vozidla, pro vyhodnocení zpráv z komunikační sítě a pro jejich konver­zi do formátu diagnostických záznamů MDS.
 
Palubní databázový systém (ODBS) ucho­vává diagnostické záznamy v diagnostické databázi DDB. Je-li ve vozidle více DDB tvo­řících hierarchii, zajišťuje automatický přenos záznamů z nižší do vyšší hierarchické úrov­ně. Dále poskytuje data lokálním i vzdále­ným klientům. Ke komponentám diagnostic­kého systému patří webový server pro lokál­ní i vzdálený přístup z webového prohlížeče, webová služba pro nahrání (upload) zázna­mů DDB na pozemní server a nástroj pro aplikační programování a konfiguraci MDS. Monitorovací a diagnostický systém obvyk­le generuje a v DDB uchovává diagnostické záznamy různých typů. Především to jsou: záznamy o událostech. Obsahují běžné atri­buty mimořádných událostí, např. kód po­ruchového stavu, jeho závažnost, popis, čas vzniku a čas zániku události, čas potvrzení hlášení a geografická pozice v okamžiku de­tekce poruchového stavu. Navíc záznamy ob­sahují údaje o prostředí, získané ve zvolených intervalech, které se vztahují k okamžikům vzniku a zániku poruchového stavu (typicky to jsou hodnoty trakčních proudů a napětí),
záznamy aktuálních hodnot (typicky hodnot čítačů počtu sepnutí a vypnutí a doby provo­zu zařízení) a trasovací záznam, který obsa­huje periodicky ukládané hodnoty zvolené sady proměnných. Na obr. 6 je znázorněno umístění diagnostických databází v MDS lo­komotivy řady 363. Databáze jsou umístěny v jednotce elektrických ochran, v řídicí jed­notce vozidla (VCU) a v komunikační jed­notce (MCU). Tato DDB je databáze nejvyš­ší hierarchické úrovně. Do ní přistupují apli­kace běžící na displejích strojvedoucího a její obsah je přenášen na pozemní server.
 

7. Výhled

V prosinci 2013 schválila Evropská komise společnou technologickou iniciativu (JTI, Jo­int Technological Initiative) s názvem SHIFT­2RAIL, kterou iniciovaly vedoucí firmy že­lezničního průmyslu. Od tohoto sedmiletého soustředění výzkumných a vývojových kapa­cit a finančních prostředků (téměř 1 miliar­da eur) si EU slibuje vývojový skok ve všech segmentech železničního systému a dosažení tří hlavích cílů: zvýšení kapacity evropského železničního systému, zlepšení spolehlivosti a kvality služeb a podstatnou redukci nákla­dů životního cyklu celého železničního systé­mu. V rámci projektů SHIFT2RAIL by měla vzniknout i bezdrátová verze systému TCMS (Wireless TCMS), ve které by měly být bez­drátové přenosy použity na všech úrovních, od snímačů a akčních členů až po spojení mezi vozy vlaku.
 
Literatura:
[1] ČSN EN 61375-1 Elektronická drážní zařízení – Vlaková komunikační síť (TCN) – Část 1: Obecná architektura. 2013.
[2] ČSN EN 61375-2-1 Elektronická drážní zaří­zení – Vlaková komunikační síť (TCN) – Část 2-1: Vlaková sběrnice (WTB). 2013.
[3] ČSN EN 61375-3-1 Elektronická drážní zaříze­ní – Vlaková komunikační síť (TCN) – Část 3-1: Multifunkční vozidlová sběrnice (MVB). 2013.
[4] UIC 556 Information transmission in the train (train bus). 5th edition, 2009.
[5] UIC 612-0 Driver Machines Interfaces for EMU/DMU, Locomotives and driving coa­ches – Functional and system requirements associated with harmonised Driver Machine Interfaces. 1st edition, 2011.
[6] NENUTIL, D.: Interoperabilita drážních vozidel. Železniční magazín, 10/2007.
[7] NENUTIL, D. – ŠKODÁČEK, M.: Řídicí systé­my modernizované elektrické lokomotivy řady 362/363. In: Sborník přednášek z 9. technické konference ARaP 2013, s. 41–50.
[8] Atlas lokomotiv. [on-line]. URL: <www.atlaslo­komotiv.net/loko-363.html>.
[9] Interní dokumenty pracovní skupiny IEC/TC9//WG43 týkající se normy IEC 61375.
Dobromil Nenutil,
UniControls a. s., Praha
 
Obr. 1. Architektura komunikační sítě TCN
Obr. 2. Komunikační síť TCN se sítěmi ETB a ECN
Obr. 3. Hierarchie řídicích systémů vlaku
Obr. 4. Jednotný pult strojvedoucího podle UIC 612
Obr. 5. Základní obrazovka pro manuální režim na provoz­ním displeji lokomotivy řady 363
Obr. 6. Diagnostické databáze v lokomotivě řady 363 a hlavní „konzumenti“ jejich dat