enginyeria ferroviària

Transcripción

23/04/2014
II edició del curs d’especialització en:
ENGINYERIA FERROVIÀRIA
Del 7 de març al 20 de juny 2014





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
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
1
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Control de velocidad: sistemas ATP
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.


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:

Informar al conductor con antelación suficiente:




Garantizar el cumplimiento de las limitaciones de velocidad
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.
3
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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
4
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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.
6
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
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
8
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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
10
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
A finales de los 50 y en los años 60:


En los años 70:



Metros completamente automatizados
En los años 90:


Implementación de sistemas ATO
Desarrollo de sistemas pequeños
completamente automatizados.
En los años 80:


Desarrollo del ATO con los primeros prototipos
Metros de alta capacidad driverless
En los años 2000:


Continuidad
Mejora de líneas convencionales migrando a
driverless
Antecedentes en América







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.
11
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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.
Hitos más destacados

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)
12
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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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ATO, Automatic Train Operation
ATO (Automatic Train Operation)

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.
14
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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

15
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
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

La tecnología ATC actúa en varios niveles

Supervisión
y gestión de
la operación





Control de la
operación





Seguridad de la
operación



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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UTO, Unattended Train Operation
UTO (Unattended Train Operation)

Se trata de conducción desatendida.
Driverless vs Unattended
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).
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Driverless
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.
Unattended
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
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Unattended

Ventajas teóricas de los sistemas Unattended

Mayor velocidad, menor tiempo de viaje
Unattended




Menores intervalos, menor tiempo de espera
Altas frecuencias
19
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Unattended





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
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Unattended


Gestión flexible de la operación
Unattended



Fiabilidad
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Unattended





Fiabilidad
Seguridad operativa
Menos errores humanos
Unattended






Fiabilidad
Seguridad operativa
Menos errores humanos
Aumenta la eficiencia y productividad
Menor consumo
energético
22
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CBTC, Communications Based Train Control
Tecnología CBTC (Communication Based Train Control)



Es el sistema actualmente más avanzado de control de la circulación
de 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 fijos
en 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.

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 elevado
de 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

23
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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 objetivo
a 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.


Cantón móvil
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:






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 cierta
longitud 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.
25
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

Cantón móvil
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.

26
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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_Base
d_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: 978-2-91875864-8.
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II edició del curs d’especialització en:
ENGINYERIA FERROVIÀRIA
Del 7 de març al 20 de juny 2014
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MÓDULO 3: EXPLOTACIÓN FERROVIARIA
TEMA 6: Señalización y sistemas de protección ferroviaria
Subtema: ATO, driverless y unattended
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