II edició del curs d’especialització en: ENGINYERIA …€¦ · Evitar una velocidad peligrosa...

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II edició del curs d’especialització en:

ENGINYERIA FERROVIÀRIA

MÓDULO 3: EXPLOTACIÓN FERROVIARIA TEMA 6: Señalización y sistemas de protección ferroviaria Subtema: ATO, driverless y unattended FECHA: 25 de abril de 2014 PROFESOR: Adrina Bachiller Saña


Del 7 de març al 20 de juny 2014

Contenido

Sistemas ATP de Control de Velocidad Supervisión puntual de la velocidad Supervisión continua de la velocidad

Justificación de la conducción automática Desarrollo histórico ATO: Automatic Train Operation Driverless Unattended Driverless versus Unattended CBTC Consideraciones finales

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Control de velocidad: Sistemas ATP

En los sistemas de señalización convencionales únicamente existen equipos de control en la vía. En ese caso, el maquinista recibe la información a partir de la señalización lateral. En estas circunstancias, toda la seguridad recae en el maquinista, ya que si éste no consigue detenerse ante una señal en rojo (rebase) puede ocurrir un accidente.

Para evitarlo, es necesario instalar sistemas que eviten situaciones de riesgo por los errores humanos.

Control de velocidad: sistemas ATP

Los sistemas de control de trenes ATP (Automatic Train Protection) protegen los movimientos de los trenes.

Funciones principales: Impedir el alcance entre trenes

Complementar la señalización lateral Avisar al conductor

Impedir actuaciones incorrectas de conducción Evitar rebases de señales en rojo Evitar que un tren rebase agujas en posición incorrecta

Evitar una velocidad peligrosa de trenes, activando los frenos de emergencia en caso de peligro: Garantizar el cumplimiento de las limitaciones de velocidad

Informar al conductor con antelación suficiente: Presentarle aspectos de las señales Dar instrucciones

Mejorar las prestaciones de la línea Mayor velocidad Mayor capacidad Conducción automática


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Los sistemas ATP pueden clasificarse en función de la supervisión de velocidad en: Supervisión puntual de la velocidad: Son sistemas de ayuda a la conducción

en los que tan sólo se informa al tren de la velocidad a respetar en unos puntos geográficos concretos, por ejemplo, frente a una señal. El sistema aplica frenado de emergencia en caso de rebase de una señal en rojo.

Supervisión continua de la velocidad: Son sistemas automáticos en los cuales se transmite información al tren de la velocidad máxima a respetar a lo largo de todo un trayecto. En caso de sobrepasarla se aplican los frenos de emergencia, y nunca se puede rebasar una señal en rojo.

En todos los casos hay una serie de elementos comunes: Sistema de comunicaciones tren-infraestructura. Ha de poder constituir un

canal robusto para garantizar el intercambio de información entre el tren y el sistema de señalización en tierra para una circulación segura.

Sistema de señalización en cabina de conducción. La existencia de un canal de comunicaciones permanente permite informar con antelación al maquinista de la velocidad y del aspecto de las señales laterales antes de visualizarlas.

Sistema embarcado de control de velocidad. Se trata de un equipo electrónico a bordo del tren que procesa la información que recibe de la infraestructura, transmite información a los equipos en tierra, controla la conducción del maquinista y ordena la aplicación del frenado de emergencia en caso de no respetarse las velocidades máximas impuestas.


Supervisión puntual de velocidad

Frenado puntual: El sistema de frenado puntual es un elemento de protección que tiene

por objetivo la protección frente al rebase de una señal lateral que indica ‘stop’. En caso de detectar velocidad inadecuada, el sistema da una orden de frenado de emergencia al tren. En España se denomina ASFA (Anuncio de Señales y Frenado Automático).

Siempre que se rebase la velocidad establecida en el punto de control se producirá un frenado de emergencia. Para facilitar al conductor el cumplimiento de estos controles se presentarán en el panel repetidor las informaciones necesarias. El sistema ASFA mantiene su eficacia para trenes con velocidad de hasta 160 km/h.


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Supervisión continua de velocidad

Los sistemas de supervisión continua de la velocidad son sistemas automáticos de protección de tren, que proporcionan al conductor información del punto de parada y de la velocidad máxima que debe llevar en todo momento. En caso de sobrepasarla aplicarán los frenos de servicio o los de emergencia.

Los sistemas ATP de supervisión continua pueden clasificarse atendiendo al tipo de información manejada: Sistemas con códigos de velocidad Sistemas de distancia objetivo Sistemas de cantón móvil


Curvas de frenado


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Códigos de velocidad: La vía está dividida en cantones de bloqueo

En cada cantón sólo puede haber un tren

Los trenes están separados por un cantón como mínimo

La longitud y número de cantones hacen variar la capacidad y flexibilidad del sistema

La velocidad máxima en cada cantón viene determinada por las limitaciones de la infraestructura

Para el diseño de los cantones se debe tener en cuenta: El caso peor en cuanto a las características de los trenes

Futuras mejoras del intervalo


Distancia objetivo: La vía está dividida en cantones de bloqueo

En cada cantón sólo puede haber un tren

La separación entre trenes depende de la posición del tren precedente y de la distancia de frenado necesaria

El tren calcula la velocidad instantánea en cada punto en función de los datos transmitidos por la instalación fija

Mejora el intervalo, permitiendo un mayor acercamiento entre trenes

Mejora del tiempo de recorrido, al no existir escalones de velocidad


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Cantón móvil:

El cantón de bloqueo que protege al tren no está asociado con puntos fijos en la vía

El cantón de bloqueo se desplaza con el tren (de ahí el nombre de bloqueo móvil)

La separación entre trenes depende de la posición del tren precedente y de la distancia de frenado necesaria

El tren calcula la velocidad instantánea en cada punto en función de los datos transmitidos por la instalación fija


Cantón móvil: En un cantonamiento móvil, no hay segmentación alguna de la vía. El

blanco del tren ‘A’ sigue la posición, continuamente informada, de la parte de atrás del tren ‘B’ (menos un margen de seguridad).

La curva de frenado de seguridad sigue continuamente a este «blanco móvil».

El distanciamiento entre trenes, y el intervalo, se reduce a un mínimo.


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Justificación de la conducción automática

Evolución del concepto de operación versus automatización


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Grados de automatización según IEC 62290-1

GOA = Grado de automatización


¿Para qué sirve el ATP y el ATO?

ATP te da la seguridad ATO te permite optimizar la operación


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¿Para qué sirve el ATP y el ATO?

ATP te da la seguridad ATO te permite optimizar la operación


Ventajas de la conducción automática (ATO-DTO-UTO) Explotaciones altamente flexibles:

Permite ajustar el parque de material móvil en operación

Permite ajustar la frecuencia Todo ello redunda en una mayor eficiencia del sistema de transporte y

una mejor calidad del servicio.

Mayor nivel de seguridad y protección de los pasajeros: Eliminación de errores humanos

Alta disponibilidad y seguridad

Velocidad muy limitada de los trenes en modo degradado

Protección de los pasajeros en las estaciones (por ej: puertas de andenes).

Procedimientos de evacuación en casos de emergencia seguros

Comunicaciones permanentes altamente fiables


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Ventajas de la conducción automática (ATO-DTO-UTO)


Modo de operación ATO/DTO/UTO – Control de velocidad


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Desarrollo histórico

A finales de los 50 y en los años 60: Desarrollo del ATO con los primeros prototipos

En los años 70: Implementación de sistemas ATO Desarrollo de sistemas pequeños

completamente automatizados.

En los años 80: Metros completamente automatizados

En los años 90: Metros de alta capacidad driverless

En los años 2000: Continuidad Mejora de líneas convencionales migrando a

driverless


A principios de 1959, Charles Patterson, presidente de la New York City Transit Authority predijo en una conferencia el concepto de transporte automático de vehículos sin conductor.

Ingenieros de General Electric captaron su mensaje y le informaron que disponían de la tecnología necesaria.

Unos meses más tarde, en una reunión entre Patterson, General Electric, Westinghouse, General Railway Signal, Union Swicht and Signal y Westinghouse Air Brake (Wabco) se decidió automatizar una corta línea de metro: la lanzadora entre Times Square y Grand Central.

El diseño y las primeras pruebas duró hasta el verano de 1962 y se inauguró el 4 de enero de 1962. Aunque no era necesario, siempre había un maquinista en cabina.

El sistema adoptado enviaba las órdenes a través de los carriles (tren estacionado con puertas abiertas, cerrar puertas, marcha a 30 mph, marcha a 6 mph, parada y abrir puertas).

El tren circuló hasta el 21 de abril de 1964 en qué un incendio llegó a afectar la misma estructura de la estación de la calle 42.

Este es el primer precedente de los sistemas ATO de San Francisco (Bart) y la línea Lindenwold.


Antecedentes en América

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Antecedentes en Europa

Las primeras pruebas en Paris para conseguir un tren automatizado se iniciaron en el año 1956, en el servicio de lanzadora entre las estaciones Pré St. Gervais y Porte des Lilas.

El sistema adoptado utilizaba uno o más cables situados en la caja de la vía de forma que activando un cable u otro se conseguían diversas velocidades, incluyendo deriva y parada. Este sistema reconocía también las señales y daba las órdenes pertinentes. Siempre iba un maquinista en cabina.

En Londres, en abril de 1962 se quería poner en servicio un tren automatizado en una parte de la línea District.

El sistema adoptado enviaba las órdenes a través de los carriles permitiendo, arrancar, acelerar, decelerar, deriva y parada. Además se enviaban señales para evitar que se sobrepasaran señales cerradas. Maquinista en cabina.

Finalmente, la primera línea equipada con ATO en el mundo fue la Victoria Line del metro de Londres. La citada línea tiene un tráfico muy importante (200 millones de viajeros por año) y fue inaugurada en 1967. Fue automatizada de forma gradual entre 1968 y 1971.

El primer metro del mundo completamente automático y sin conductor fue inaugurado en Lille en 1983. Con tecnología VAL (Vehículo

Automático Ligero) de Matra (empresa francesa, actualmente de Siemens)


Hitos más destacados

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UTO’s en el mundo en 2011


Fuente: UITP

UTO’s en el mundo

Se trata de líneas con una longitud media de 23,5 km (solamente el 25% tienen una longitud superior a los 20 km)

Sólo se incluyen las líneas UTO y con una capacidad mínima de los trenes de 100 viajeros.


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Realiza las labores de conducción de una manera automática sin intervención humana y para ello realiza automáticamente: La regulación de la velocidad del tren durante la marcha entre

estaciones.

La parada en un punto fijo en las estaciones.

La implantación de un sistema de ATO permite: Aumentar la velocidad comercial.

Disminuir la frecuencia de paso de trenes (intervalo).

Regular de forma automática el movimiento de los trenes desde el CTC.

Introducir programas de marcha con fines de ahorro de energía.

ATO (Automatic Train Operation)

ATO, Automatic Train Operation

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Desde un punto de vista estricto debería llamarse STO (Semi-automatic Train Operation, STO)


Así como el sistema ATP sólo controla el sistema de frenado, el sistema ATO controla todas las fases de la operación del tren: Aceleración Frenado Parada de precisión Control de velocidad permanente

La función del conductor queda relegada a operaciones auxiliares y actuaciones en casos excepcionales: Apertura / Cierre de puertas Supervisión sistema ATP/ATO Detección incidencias tren: puertas, climatización, incendios, iluminación,

... Detección incidencias en vía: obstáculos, descarrilamientos, colisiones, ... Ayuda al pasaje en caso de evacuación de emergencia



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Conducción automática

Sistemas tecnológicos que incorpora:

ATS (Automatic Train Supervision)

Sistema para la gestión del transporte y las infraestructuras

ATP (Automatic Train Protection)

Sistema responsable de la seguridad básica: evita colisiones, rebases de señales de parada, limita la velocidad excesiva

mediante la aplicación de frenado automáticamente


Sistema que permite la conducción automática de estación a estación; el conductor supervisa el movimiento de los

pasajeros. El sistema es responsable de la optimización de la operación y de la regulación.

ATC (Automatic Train Control)

Sistema que permite la operación totalmente automatizada; no se requiere para ello conductor

ATC = ATS + ATP +ATO


Conducción automática

La tecnología ATC actúa en varios niveles

Supervisióny gestión de la operación

Control de la operación

Seguridad de laoperación

Supervisión de los procedimientos operacionales

Supervisión de las instalaciones técnicas

Procesamiento de los datos de operación

Política de resolución de problemas

Formación de trenes

Gestión de la circulación

Horarios

Información al staff y a los viajeros

Espaciamiento entre trenes

Supervisión de la velocidad

Supervisión del gálibo

Parada de emergencia en estación

Medidas escepcionales de seguridad

Bloqueo de secciones de vía


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Se trata de conducción desatendida.

UTO (Unattended Train Operation)

UTO, Unattended Train Operation

Driverless vs Unattended

Decidir el grado de automatización a aplicar sobre una línea existente y en servicio requeriría un estudio específico para cada caso particular.

Es altamente probable que la conclusión fuera desaconsejar un sistema completamente automático (Unattended) debido a los grandes costes y dificultades de implantación.

Por el contrario, sí se puede asegurar que, de forma general, la implantación de un Sistema Driverless es posible con mucha mayor probabilidad sin grandes modificaciones y costes económicos (pero no siempre).

Driverless vs Unattended

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Driverless

El Sistema DRIVERLESS exige menos requerimientos de adaptación en el resto de sistemas e instalaciones ajenos al ATC: ANDENES: Barreras anti – intrusión en vía (Puertas de Andén)

en el caso que se quiera disponer el cierre de puertas automático.

MATERIAL MÓVIL: Preparado para la realización de inversiones de marcha automáticas.

…

Una cuestión importante en el Driverless es decidir si el cierre de puertas es manual o automático.

Driverless

Unattended

El Sistema UNATTENDED exige, además de las funciones específicas propias del sistema ATC, un conjunto de requisitos imprescindibles que deben cumplir el resto de sistemas e instalaciones: INFRAESTRUCTURA: Adaptación de túnel y estaciones para

situaciones de emergencia (incendios, desalojo de viajeros ante averías…)

ANDENES: Barreras anti – intrusión en vía (Puertas de Andén) COCHERAS: Diseñadas para el funcionamiento automático MATERIAL MÓVIL: Preparado para la realización de inversiones

de marcha automáticas, evacuación de viajeros y telecontrol DISPONIBILIDAD: Para el conjunto de sistemas vía y tren TELEVIGILANCIA: En estaciones y material móvil MANTENIMIENTO: Más especialización y mayores exigencias

Unattended

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Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Mayor velocidad, menor tiempo de viaje

Unattended


Menores intervalos, menor tiempo de espera

Altas frecuencias

Unattended

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Altas frecuencias

Mejora en seguridad (safety & security)

Unattended



Altas frecuencias

Mejora en seguridad (safety & security)

Mejor confort en incrementos bruscos de demanda

El staff se dedica un servicio orientado al cliente

Unattended

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Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Gestión flexible de la operación

Unattended


Fiabilidad

Unattended

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Fiabilidad

Seguridad operativa

Menos errores humanos

Unattended


Fiabilidad

Seguridad operativa

Menos errores humanos

Aumenta la eficiencia y productividad

Menor consumo energético

Unattended

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Tecnología CBTC (Communication Based Train Control)

Es el sistema actualmente más avanzado de control de la circulaciónde trenes.

El sistema CBTC fue definido inicialmente en la norma IEEE 1474 (USA, 1999).

Definición normativa del CBTC: Sistema de control y mando de trenes de Seguridad Detección continua del tren por su localización, independiente de los

circuitos de vía. Comunicación continua, bi-direccional y de alta capacidad entre trenes y

equipos fijos. Capacidad de los Equipos fijos y embarcados para realitzar las funciones

ATP (protección), y opcionalmente las de ATS (supervisión) y ATO (operación).

El canton de bloqueo que protegí al tren no està asociado con puntós fijosen la vía. Se desplaza con el tren (bloqueo móvil)

Seguimiento de perfiles definidos de “velocidad” de forma manual o automática, con o sin conductor, atendido o no atendido. Sin embargo, habitualmente la conducción es automática.

CBTC, Communications Based Train Control


La tecnologia CBTC permite: Acercar los trenes en condiciones de seguridad, para lograr una alta

capacidad de transporte, o aumentarla en caso de renovaciones.

Reducir la cantidad de equipos en la vía

Mejorar las actividades de mantenimiento con supervisión avanzada

Su aplicación más adecuada es para líneas con tráfico muy elevadode trenes. Por ello se está aplicando en líneas de metro pesado.

Con su utilización se busca: Mejoras en la seguridad Aumento de la capacidad de transporte Aumento de la velocidad comercial Mejoras en la regularidad Mejoras en mantenimiento y disponibilidad


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Principio de funcionamiento


El Límite de Movimiento Autorizado (LMA) se transmite a los trenes desde el MBP vía radio (el LMA tiene como referencia la cola del tren precedente). El equipo de a bordo calcula la distancia de protección y genera las instrucciones

para conducir al tren hasta el LMA con la velocidad objetivo. A medida que el tren avanza hacia su LMA la velocidad objetivo se reduce

progresivamente y el equipo de a bordo ajusta su velocidad a la velocidad objetivoa fin de conducir el tren dentro de los límites de protección hasta su parada de forma segura. La actualización continua del Límite de Movimiento Autorizado permite que cada

tren cumpla la distancia mínima de Seguridad.

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El sistema CBTC se basa en: Cantón móvil

Alta resolución en la localización del tren, independientemente del circuito de vía.


El tren debe ser capaz de situarse a lo largo de la línea mediante la odometría (velocidad, espacio, etc.)

Para corregir errores se disponen balizas a lo largo de la línea que son leídas por el tren cuando se les transmite energía por la antena de a bordo.



Alta resolución en la localización del tren, independientemente del circuitode vía.

Comunicación tren-tierra continua y bidireccional basada en radio de alta capacidad de datos: Redundancia en frecuencia: en cualquier punto cada radio del tren realiza la

misma transmisión en dos frecuencias distintas

Redundancia en espacio: hay dos radios por tren, separadas por una ciertalongitud permite varios caminos de propagación de la señal sin interferencia.


Redundancia en contenido: Codificación.

Redundacia en tiempo: cada telegrama se transmite dos veces.

Redundancia en los equipos de vía y tren.

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Alta resolución en la localización del tren, independientemente del circuito de vía.

Comunicación tren-tierra continua y bidireccional basada en radio de alta capacidad de datos.

Procesadores en vía y tren con capacidad para funciones críticas de seguridad de circulación

Conexión permanente con el Centro de Control de Tráfico.


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CBTC en el mundo

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Consideraciones finales

Los fabricantes nos dicen...

Pero al final, es importante proyectar la señalización necesaria para las prestaciones que debe ofrecer la línea en función de la demanda y de las características del servicio...

Referencias A Review of the Effects of CBTC and ECP Brakes on Railroad Capacity. Dingler et al, 2010.

Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. March 2010.

ACRP REPORT 37: AIRPORT COOPERATIVE RESEARCH PROGRAM. Sponsored by the Federal Aviation Administration. Guidebook for Planning and Implementing Automated People Mover Systems at Airports. http://onlinepubs.trb.org/onlinepubs/acrp/acrp_rpt_037.pdf

IRSE INTERNATIONAL TECHNICAL COMMITTEE: “ATO for Suburban and Main Lines”. Written and edited by Jacques Poré, IRSE-ITC on behalf of the International Technical Committee of the IRSE. http://www.irse.org/knowledge/publicdocuments/2010_04_30_ATO_for_Suburban_and_Main_Lines.pdf

IRSE SEMINAR ON COMMUNICATIONS BASED TRAIN CONTROL Written and edited by Alan RUMSEY, IRSE-ITC on behalf of the International Technical Committee of the IRSE. http://www.irse.org/knowledge/publicdocuments/2009_10_01_IRSE_Seminar_on_Communications_Based_Train_Control.pdf

El metro de la innovación L9/L10. “El primer metro completamente automatizado”. César Losada Martín. Siemens.

“La tecnología más puntera en enclavamientos viaje en metro”. Juan Carlos Antón García y Antonio González Vidal.

Twenty Years of Experiences with DRIVERLESS METROS in France. J.M. Erbina,1 and C. Soulas. http://www.trafficforum.ethz.ch/vwt_2003/beitraege/VWT19proceedings_contribution_10.1-10.33.pdf

Soulas, C, 2001, Evolution of guided transport systems for urban and suburban applications , WCRR World Congress on Railway Research, Köln (Publisher of the electronic proceedings: UITP Brussel).

Signalisation et automatismes ferroviaires. Railway signalling and Automation. 2013. Éditions La Vie du Rail. Tome 1 ISBN: 978-2-918758-48-8, Tome 2 ISBN: 978-2-918758-63-1, Tome 3 ISBN: 978-2-918758-64-8.

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ENGINYERIA FERROVIÀRIA


Del 7 de març al 20 de juny 2014

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