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DISEÑO Y SIMULACIÓN DE LAS ESTRATEGIAS DE CONDUCCIÓN

MANUAL Y AUTOMÁTICA DE UN TREN EQUIPADO CON UN

SISTEMA DE ERMTS NIVEL 3 EN UNA LÍNEA DE ALTA

DENSIDAD DE TRÁFICO.

Autor: Jiménez Córdoba, Miguel Ángel.

Directores: Ponce de León, Fernando. González Arechavala, Yolanda.

Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

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Figura 1 Línea con señalización de 3 aspectos y localización por CV

RESUMEN DEL PROYECTO

Resumen:

El proyecto tiene el objetivo de diseñar un simulador de tren en conducción manual y

automática de un tren bajo parámetros de confort, moviéndose en Moving Block en una

línea equipada con ERTMS (European Rail Traffic Management System) Nivel 3, para

conseguir dar con soluciones que fomenten el confort de: los pasajeros, tanto en

conducción manual por el maquinista como en conducción automática.

Introducción: [Montes, 2011]

En la actualidad los usuarios de ciertas líneas ferroviarias exigen cada vez que el medio

de transporte sea más rápido, cómodo y que el servicio tenga una frecuencia más alta.

Uno de los factores que afectan a que el ferrocarril alcance estas exigencias son las

limitaciones de la señalización a pie de vía.

Los sistemas actuales de señalización funcionan en la mayoría de los casos con

señalización lateral y en todas las líneas la localización del ferrocarril está basada en

circuitos de vía. En la figura 1 se muestra la configuración actual explicada:

¿Qué impedimentos podrán aparecer con el sistema convencional para las fututas

explotaciones ferroviarias? La señalización lateral puede resultar no suficiente para las

exigencias futuras de mayores capacidades de transporte y reducción de intervalos, por

causas: físicas como la visibilidad o la atención continua del maquinista en situaciones

de intervalos muy pequeños, y además las indicaciones luminosas pueden ser

insuficientes para transmitir todas las informaciones requeridas por el maquinista para

conseguir una distancia de seguimiento próxima a la distancia de frenado.

Con la figura 1 se nota que existe una importante longitud de la línea es usada para

proteger a los trenes de una posible colisión, al implementar la señalización lateral y la

localización por circuitos de vía. Además de estas dos limitaciones se añade que cada

administración instala en sus líneas diferentes tipos de señalización, por lo que nace la

dificultad para circular trenes entre diferentes países.

¿Qué solución se propone? Para resolver el problema de la operatividad entre diferentes

líneas y países la implementación del sistema European Railway Train Management

System (ERTMS), siendo un sistema común de protección y señalización para los

trenes. Además este proyecto propone la implementación del nivel 3 de ERTMS, siendo

el nivel operativo que proporciona mayor capacidad de transporte definido hasta el

momento. Establece el modo de funcionamiento moving block: que permite aproximar

dos trenes a la distancia de frenado entre ellos, es decir, la autoridad de movimiento de

un tren se puede alargar hasta la posición de la cola del tren que está por delante,

realizando la localización por la odometría de a bordo del tren y comunicada por radio a

los equipos de vía, complementada por una señalización continua en cabina y

protección del tren en todo momento (siempre que el modo de operación lo permita). En

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la figura 2 se muestra cómo quedaría la línea de la figura 1 implementando el sistema

propuesto:

Metodología:

La programación de una herramienta de software que sea flexible y potente para la

investigación mediante simulación de la circulación de trenes en el sistema de

señalización ERTMS en nivel 3, y así poder estudiar las consecuencias de las estrategias

de conducción tanto manuales como automáticas sobre el confort de los pasajeros,

funcionando en moving block la línea.

Resultados:

¿Cómo se solucionan los problemas de confort provocados por el cantón móvil?

El simulador permite probar diferentes periodos de actualización de la información para

el DMI, que es fundamental para establecer una estrategia manual de conducción.

Mediante la experiencia en la conducción y los resultados que aporta el software, se

obtienen los valores de la tabla 1, que muestra el número de veces que se ha alcanzo el

límite de confort fijado en este proyecto de 0.6m/s3. La simulación de conducción

manual ha sido realizada en el tramo de Atocha_Cercanías hasta el punto kilométrico

2.8, con el tren precedente a una velocidad inicial de 60 km/h e iniciando la marcha

cuando la autoridad de movimiento es de 177 m y para diferentes periodos de

actualización.

Periodo de Actualización (s) Número de veces que se sobrepasan los

±0.6m/s3

1 11

0.5 8

0.2 4

0.08 4

Tabla 1 Periodos de actualización

Por lo tanto con periodos de muestreo por debajo de los 0.2s el confort se incrementa.

El simulador de este proyecto no tiene modelados los retardos reales en la tracción, o en

la comunicación de la información requerida por el sistema de señalización, mejoras

que deberán abordarse en futuros proyectos como se indica. [ADIF, 2005]

Los periodos de actualización por los que hay que decantarse son aquellos que aporten:

facilidad de control del tren y aumenten la seguridad en la conducción. Estas dos

premisas se logran cuando el cambio de datos del DMI es el suficiente para que

reaccione tanto el maquinista como los equipos.

Por estos resultados se propone la siguiente estrategia de conducción manual basada en:

Para iniciar el movimiento del tren, lo más rápidamente posible, el maquinista

debe alcanzar la máxima tracción en 5s, técnica demostrada gracias al piloto

Figura 2 Línea en modo de funcionamiento "moving block"

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automático, siendo capaz de alcanzar la máxima tracción en 5s sin sobrepasar el

límite de confort en ningún momento.

En la circulación a velocidad máxima en moving-block, importante que el

maquinista esté atento tanto a la velocidad recomendada y la actual del tren

como a la distancia de la autoridad de movimiento, para poder anticipar las

frenadas o aceleraciones.

En las frenadas no es necesario aplicar cambios bruscos del freno disponible si

se conduce el tren bajo la premisa expuesta en el punto anterior y en la parada

del tren prestar especial atención, teniendo una conducción conservadora en el

seguimiento de la velocidad permitida, es decir, circular al menos 5 km/h por

debajo de la velocidad permitida por el DMI es la mejor conducta, para evitar

frenazos finales.

Estrategia de conducción automática se ha programado un sistema que basa su control

en incrementos de tracción/freno que no superen nunca el límite de confort de ±0.6m/s3,

basado en los tres puntos siguientes:

En las aceleraciones alcanzar la velocidad máxima que imponga la velocidad

permitida calculada por el sistema de protección, y cuando es alcanzada

mantener la velocidad constante.

Tanto para la aceleración y el funcionamiento a velocidad máxima se permitirá

siempre que: para la velocidad y posición actual del tren no se sobrepase el perfil

dinámico de velocidad de aviso.

El sistema frenará o reducirá la tracción cuando se entre en la curva de frenado

del perfil dinámico de velocidad permitida, es decir, supere la velocidad

permitida.

Obteniendo las siguientes gráficas 3 y 4 (se muestran al final del resumen) de velocidad

actual del tren en comparación a la velocidad permitida y confort (“jerk”), en una

simulación del recorrido de Atocha_Cercanías-Chamartín, con el tren precedente a una

velocidad inicial de 60 km/h e iniciando la marcha cuando la autoridad de movimiento

es de 177 m, para modo manual y automático. Usadas para el análisis final.

Conclusiones:

El sistema automático apuesta por mantener la velocidad constante logrando mayor

velocidad media, mientras que el manual se ciñe al seguimiento más preciso de la

velocidad permitida, con mayores puntas de velocidad.

Analizando conjuntamente las gráficas de velocidad, el sistema automático alcanza el

final del trayecto antes de los 620 segundos, mientras que la conducción manual lo hace

a los 630 segundos, siendo por tanto más rápido el sistema automático, demostrando la

efectividad una conducción con una velocidad media alta.

En la regulación de la tracción y el freno queda patente que el sistema manual es más

regular, alcanzado valores más estables de fuerza, mientras que el control del piloto

automático es más variable y por tanto menos cómodo. En el análisis del confort se hace

patente como una regulación más abrupta de la fuerza es la causa de la falta de confort

en el pasajero, al alcanzar el valor de los ±0.6 m/s3 mayor número de veces que la

conducción manual.

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Por lo tanto ambos sistemas de conducción respetan los límites de jerk, pero se debe

apostar por el ATO diseñado en este proyecto para los casos donde es crítico el

mantener la frecuencia e intervalo de trenes en una línea, ya que facilita la regulación de

su velocidad, permitiendo cumplir los requisitos temporales. Y elegir la conducción

manual cuando se da mayor importancia al confort, pasando a un segundo plano el

cumplir con los requisitos temporales de la línea.

Simulación sistema automático de conducción: (Seguimiento de velocidad

permitida: línea azul es la velocidad permitida, línea naranja la velocidad real

del tren.)

Figura 3 Comparativa velocidad/jerk para conducción automática

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Simulación sistema manual de conducción: (Seguimiento de velocidad

permitida: línea azul es la velocidad permitida, línea naranja la velocidad real

del tren.)

Bibliografía:

[ADIF, 2005] “MC-24 Sistema Europeo de Circulación de Trenes”. Publicado por:

ADIF. Edición 1º (Provisional). 2005

[Montes, 2011] “Los Sistemas de Control de Tráfico y Señalización en el Ferrocarril”.

Autor: Fernando Montes Ponce de León. Publicado por Universidad Pontificia

Comillas. 2011.

Figura 4 Comparativa velocidad/jerk para conducción automática

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DESIGN AND SIMULATION OF STRATEGIES OF MANUAL AND

AUTOMATIC DRIVING OD A TRAIN EQUIPPED WITH ERTMS

LEVEL-3 SYSTEM IN A LINE WITH HIGH DENSITY OF TRAFFIC.

Author: Jiménez Córdoba, Miguel Ángel.

Directors: Ponce de León, Fernando. González Arechavala, Yolanda.

Assistant entity: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

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Figure 1 Line with conventional signalling and location

SUMMARY OF THE PROJECT

Summary:

This project has the objective of designing a railway simulator with manual and

automatic driving system, of a train under comfort parameters, in a line equips with

ERTMS Level-3, using moving block, in order to achieve solutions which promotes the

comfort of passengers and engine driver.

Introduction: [Montes, 2011]

Nowadays users demand: high frequency of train, comfortable and fast transport. One of

the most important factor which concerns to get these requirements is the conventional

signalling.

Current system of signalling function in the vast majority of cases with lateral signalling

and all lines the location of trains is based on track sections. The figure 1 shows the

current configuration:

What will obstacles appear with the current system for futures rail exploitation? The

lateral signalling can result insufficient for futures requirements of: high capacity of

transport and reduction of intervals, because of: physics restrictions as low visibility or

attention loss of the engine driver, and moreover the illuminated sign could be

insufficient to transmit all the information that the engine driver requires, and so getting

a short distance of following up near to the braked distance.

The figure 1 shows that there is an important longitude of the line which is meant to

protect from possible crashes, because of installing the lateral signalling and the

location by means of track sections. In addition of these two limitations, it adds

problems about interoperability between administrations and countries with different

signalling systems.

What is the solution which this project proposes? In order to solve the problem with the

interoperability between lines and countries the implementation of European Railway

Train Management System (ERTMS), it is a common system of protection and

signalling. Furthermore the simulator installs the level 3 of ERTMS, it is the operative

level that provide the biggest capacity that it is possible currently.

The level 3 stablishes the mode of function moving block, which allow the closeness of

two trains up to the distance break, that is, the movement authority of a train can be his

distance braked plus a security margin. For moving block the location is by means of

the on board odometer and it is communicated through the radio to the land equipment,

complemented by a continuous signalling in cab and protection of the train at all times

(if the operative mode allow it).

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The figure 2 shows a line which installs the proposed system:

Methodology:

The computer programming of a software which is nimble and powerful to the

researching by means of simulation of the traffic train with the system of signalling

ERTMS Level 3, and so we are be able to study the consequences of the driving

strategies (manual and automatic) relating to the comfort, operating in moving block.

Results:

What solutions are possible to solve the problem of comfort caused by moving block?

The simulator allows testing different periods of refresh of the information that DMI

shows, which is essential to stablish a manual driving strategy. By means of the

experience acquires with the manual driving and the results that the software provides, it

obtains the values of the table 1. This table contain information about the number of

times it has exceeded the limit of 0.6m/s3. The driving simulation has been made in the

stretch of railroad of Atocha_Cercanías up to kilometre point 2.3, with the preceding

train had an initial speed of 60 km/h and the engine driver began the movement of the

train when the authority movement was 177 m and testing different periods.

Period of refresh (s) Number of times that exceeds ±0.6m/s3

1 11

0.5 8

0.2 4

0.08 4

Table 1 Periods of refresh

Therefore with periods below 0.2s the comfort increases. The simulator of this project

has not modelling the real delays of the traction equipment or communications between

systems, they are future improvements.

The best periods of refresh have to accomplish two guidelines: ease to drive the train

and increasing the security of the driving. These two premises are achieved when the

changing of information in the DMI is enough to the engine machine and equipment

react. [ADIF, 2005]

Thanks to these results the manual driving strategy is based on:

To start the movement, the most effective is: the engine driver has to get the

maximum power of traction in 5s, the automatic driving proves that this

technique doesn´t exceed the value of ±0.6m/s3, and moreover is the fastest

strategy.

Figure 2 line with mode of function "moving block"

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When the train achieve de maximum allowed speed is important that the engine

driver pay attention to the following facets: the allowed speed and the magnitude

of the authority of movement, and so the engine driver can foresee the braked

and acceleration.

In order to brake, the engine driver must not apply abrupt changing about the

traction if he follows the previous point. In addition during the braked process it

is necessary that the engine driver pay special attention to the allowed speed, he

has to be conservative and at least he has to have a margin between his current

speed and the allowed speed of 5 km/h. This technique is the best way to avoid

sudden braking.

For the automatic train operation (ATO) the simulator has a system which is based on

respect the limit of comfort ±0.6m/s3 in every moment, the following point show the

main points that this simulator obeys:

The train achieve the maximum allowed speed, and when this speed is achieved

automatically the system tries to maintain a constant speed.

The ATO never exceeds the warning speed.

The system brakes or reduces the traction when the train gets the allowed speed,

that is, it exceeds the allowed speed.

The simulator has provided the figures 3 and 4 (attached at the end of summary) of

current speed of the train compared to the allowed speed and comfort (“jerk”), in a

simulation between the stretch of railroad of Atocha_Cercanías up to Chamartín, with

the preceding train had an initial speed of 60 km/h and the engine driver began the

movement of the train when the authority movement was 177 m and testing to manual

and automatic driving.

Conclusions:

The ATO bets on maintaining a constant speed getting higher average speed, while the

manual driving follow closely the allowed speed, therefore the manual driving gets

higher peaks of speed.

Analysing jointly the figures of speed, the ATO arrive at the final of itinerary before the

620 s, while the manual driving takes 630 s, that is, the average high value of speed is

more effective technique.

The manual driving is more regular, it manages softly the power of traction, however

the ATO is more irregular and consequently less comfortable. It is clear that a abrupt

control of traction causes more peaks of jerk.

Therefore both driving systems respect the limits of jerk, but with the current designed

ATO of this project we have to bet on it when the interval and capacity of the line is

critical. And we must choose the manual driving when the temporary request is not so

critical and the comfort turns into important premise.

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Simulation of automatic train operation: (Tracking of the allowed speed:

blue lines= allowed speed, orange line= real speed of the train)

Figure 3 Comparative speed/jerk to manual driving

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Simulation of manual driving: (Tracking of the allowed speed: blue lines=

allowed speed, orange line= real speed of the train)

Biblography:

[ADIF, 2005] “MC-24 Sistema Europeo de Circulación de Trenes”. Publicado por:

ADIF. Edición 1º (Provisional). 2005

[Montes, 2011] “Los Sistemas de Control de Tráfico y Señalización en el Ferrocarril”.

Autor: Fernando Montes Ponce de León. Publicado por Universidad Pontificia

Comillas. 2011.

Figura 4 Comparative speed/jerk to automatic train operation