Системы интервального регулирования и обеспечения безопасности движения поездов: эволюция от автоблокировки до ETCS

С момента зарождения железнодорожного транспорта одной из первостепенных задач стало определение и поддержание безопасного интервала попутного следования поездов. Под этим термином понимается расстояние между головой движущегося состава и хвостом впереди идущего поезда, которое гарантирует возможность экстренной остановки без столкновения [22]. Величина этого интервала напрямую зависит от тормозного пути, необходимого следующему поезду в случае внезапной остановки лидера.

Традиционным решением задачи интервального регулирования стали системы автоблокировки. Принцип их работы основан на разделении перегонов на изолированные участки — блок-участки, состояние которых (занят/свободен) контролируется с помощью рельсовых цепей. Анализируя количество свободных блок-участков впереди, путевые устройства формируют сигнальные показания на проходных светофорах (зеленый, желтый, красный и др.), каждое из которых регламентирует допустимую скорость проследования впередилежащего участка.

Для улучшения условий работы локомотивных бригад и наращивания пропускной способности линий автоблокировка дополняется системами автоматической локомотивной сигнализации (АЛС). Эти системы транслируют показания путевых светофоров непосредственно в кабину машиниста. Комплекс АЛС включает путевое (передающее) оборудование и бортовые локомотивные устройства безопасности (ЛУБ), которые не только декодируют полученные команды о допустимой скорости, но и могут автоматически вмешиваться в управление поездом, отключая тягу или инициируя торможение при превышении установленного порога.

Все электровозы на сети железных дорог оснащены ЛУБ, которые прошли несколько этапов эволюции, различаясь элементной базой и функциональными возможностями. До 1993 года основным каналом связи была система АЛСН (непрерывного типа) , а ЛУБ выступали в роли приемников-дешифраторов. Однако низкая информативность АЛСН (передача лишь 3-4 команд) стимулировала появление дополнительных бортовых устройств безопасности, таких как регистратор ЗСЛ2М, устройство контроля торможения «Дозор» (Л 132) или устройство контроля бдительности машиниста УКБМ (Л77, Л159, Л116).

На современных линиях, особенно скоростных и высокоскоростных, применяются наиболее совершенные ЛУБ с прецизионным контролем скорости. Источником данных о допустимой скорости для них служат системы локомотивной сигнализации — точечного (АЛСТ) или непрерывного (АЛСН) типа, что обеспечивает безопасность ведения поезда в любых условиях.

Европейский опыт построения систем безопасности. В 1980-х годах на высокоскоростных линиях Франции (SNCF), где поезда развивали скорость до 300 км/ч с интервалом всего 4 минуты, была внедрена система АЛС типа TVM 300. Например, на линии Париж — Лион (390 км, 270 км/ч) напольные светофоры отсутствуют полностью. Сигналы передаются в ЛУБ по рельсовым цепям с использованием частотной модуляции: несущие частоты 1700/2300 Гц для четного пути и 2000/2600 Гц для нечетного модулируются тональными частотами (10,3...29 Гц), формируя до 18 команд о допустимой скорости.

Для более скоростной «Северной» линии (320 км/ч, интервал 3 мин) разработана система TVM 430 с увеличенным числом градаций скорости (320, 300, 270, 230, 170 км/ч). Для компенсации инерционности восприятия в TVM 430 введена мигающая индикация, предупреждающая машиниста о возможном снижении скорости на следующем блок-участке, в то время как немигающий сигнал означает сохранение текущего разрешенного значения. ЛУБ непрерывно сравнивает фактическую скорость с бортовой моделью, инициируя экстренное торможение при нарушении.

Система TVM 430 отличается высокой информационной емкостью: передача данных осуществляется 27-битными телеграммами, где каждый бит кодируется наличием или отсутствием модулирующей частоты. Это позволяет передавать на борт информацию о максимальной скорости на текущем блок-участке и другие параметры. Приемное устройство локомотива с двумя независимыми катушками и каналами обработки гарантирует достоверность: сообщение принимается к исполнению только после идентичной обработки сигнала в обоих трактах.

На железных дорогах Германии и Австрии для скоростей выше 160 км/ч с 1980-х годов внедрялась система LZB, основанная на индуктивных шлейфах, проложенных вдоль пути. Эта система обеспечивает непрерывный двусторонний обмен данными между поездом и центром управления, позволяя контролировать скорость, автоматически снижать ее на ограничивающих участках, останавливать состав перед запрещающим сигналом и поддерживать оптимальный режим движения с учетом безопасного расстояния до впереди идущего поезда.

Информационный обмен в LZB реализован по путевому шлейфу: на поезд данные передаются на частоте 36 кГц, обратно — на 56 кГц. Используется кодирование с длиной слова 83,5 бит и скоростью передачи 1200 Бод. Это позволяет точно определять местоположение и передавать команды, необходимые для автоматического ведения поезда.

Фирма Сименс разработала семейство систем интервального регулирования ZUB-100, включающее модификации для магистралей (ZUB-121, ZUB-122 и др.). В них используются точечные индукторы: поездная антенна (100 кГц) питает путевой индуктор, который в ответ передает информационную посылку. Кодирование по принципу «2 из 7» позволяет передавать до 20 сообщений и эффективно бороться с помехами.

Позднее появилось семейство ZUB-200 с расширенной функциональностью и повышенными требованиями к безопасности. Бортовое устройство строится по двухканальной схеме, ядром каждого канала служит вычислительный блок SIMIS-3116 на базе процессора 80486. Связь с датчиками пути и скорости осуществляется по шинам MVB, IBIS или интерфейсам RS232/RS485.

В зависимости от модификации, обмен данными в ZUB-200 может вестись в тональном диапазоне (ZUB-212), на частоте 850 кГц (ZUB-222) или через канал «Евробализ» (ZUB-242). Система ZUB-222 рассчитана на скорости до 230 км/ч, а ZUB-242 — до 350 км/ч. Для повышения помехозащищенности в ZUB-212 используется ВСН-код длиной 750 бит.

Современным этапом развития в Германии стала система FZB, интегрирующая радиоканал (GSM-R) и точечные каналы связи. Центральный пост системы непрерывно моделирует поездную ситуацию на участке, используя путевой атлас и данные о стрелках, сигналах и местоположении составов. На основе этой модели для каждого поезда формируется индивидуальная команда-разрешение на движение, передаваемая по радио.

Бортовой компьютер FZB сопоставляет полученную от центра информацию (координаты цели, время прибытия) с данными от датчиков пути и скорости, а также с коррекцией от путевых бализ. На основе этих данных строится программная кривая скорости, обеспечивающая движение точно по расписанию. При отклонении от кривой машинист получает предупреждение, а в критической ситуации система инициирует принудительное торможение.

Система FZB поддерживает двусторонний обмен не только критической, но и вспомогательной информацией. С центра на поезд могут передаваться данные о профиле пути, длине свободного участка, команды на подъем/опускание пантографов. Обратная телеграмма содержит координаты, длину и тормозные характеристики состава, что позволяет центру точно планировать маршрут, например, заблаговременно готовить маршрут приема на станцию.

Единая европейская система управления поездами ETCS. На первом этапе внедрения ETCS информация на поезд передается через напольные приемоответчики «Евробализ». Для совместимости с национальными системами АЛС разных стран Европы в состав бортового оборудования введен специальный модуль — ядро ЕВ1САВ2000 от Бомбардир Транспортейшен, которое управляет торможением, измеряет путь и скорость, а также взаимодействует с пультом машиниста.

Ключевым элементом архитектуры ETCS являются специальные передающие модули (STM). Каждый модуль STM отвечает за преобразование сигналов конкретной национальной системы локомотивной сигнализации в стандартизированный формат телеграмм ETCS. Эти данные передаются в ядро системы, где на их основе, а также с учетом плана пути и фактической скорости, формируется контролируемая кривая скорости.

Примером реализации принципов ETCS является система ATLAS 100 от компании Алстом. Она интегрирует традиционные средства контроля свободности пути (рельсовые цепи, счетчики осей), светофоры и посты централизации с новыми технологиями. Электронные напольные модули (LEU) считывают показания светофоров и передают их в напольные приемоответчики, откуда информация считывается бортовыми антеннами поездов, оснащенных ETCS.

Для новых линий разработана система ATLAS 200, где от напольных сигналов отказались полностью. Функции управления и безопасности сосредоточены в постах централизации, которые интегрированы с центром блокировки на базе радиосвязи (RBC). Центр RBC собирает информацию от постов, формирует команды-разрешения на движение и регулярно транслирует их по радиоканалу на все поезда в зоне своего действия.

Бортовое оборудование в системах уровня ETCS базируется на европейском вычислительном комплексе EVC (European Vital Computer). EVC отвечает за выполнение критических функций безопасности и организует интерфейсы со всем бортовым оборудованием: системой пользовательского интерфейса, регистратором, антенной для приема сигналов бализ, измерителем пути и скорости (включая доплеровский радар) и аппаратурой радиосвязи стандарта GSM-R.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Анисимов П.С., Винокуров В.А., Воробьев В. И., и др.

Источник: Подвижной состав железных дорог

Данные публикации будут полезны студентам железнодорожных специальностей (эксплуатация железных дорог, подвижной состав), начинающим специалистам в области локомотивостроения и эксплуатации тягового подвижного состава, а также всем, кто интересуется устройством, классификацией и современными тенденциями развития железнодорожной техники.