Princip fungování systému ETCS
Hlavním úkolem traťové části je vytvoření popisu tratě před vlakem, k čemuž jsou využívány především rychlostní profily a oprávnění k jízdě, ale i další parametry tratě, jako jsou například sklonové poměry. Tyto informace jsou předávány mobilní části, která na základě údajů o příslušném vlaku provede výběr nejvíce omezujících hodnot, tzv. nejvíce omezující rychlostní profil, pro který dle brzdných schopností vlaku vypočte brzdnou křivku. Další údaje (mj. rychlost, zrychlení, poloha) jsou získávány ze samotné jízdy vlaku, přičemž systém porovnává tyto hodnoty s vypočtenou brzdnou křivkou. Hrozí-li překročení limitů, dochází k předání varovné informace strojvedoucímu a při jejím nerespektování provede ETCS zásah do řízení vlaku.
Získávání informací z trati probíhá pomocí technických prostředků umístěných na trati. Rozsah jejich použití se odvíjí podle toho, jaká úroveň systému ETCS je na dané trati implementována. Systém ETCS má 2 základní aplikační úrovně, označované jako ETCS úrovně 1 (Level 1) a ETCS úrovně 2 (Level 2). V dříve platných specifikacích pro interoperabilitu bylo definováno i ETCS úrovně 3 (Level 3), který ale byl v poslední aktualizaci specifikací pro interoperabilitu zakomponován do ETCS úrovně 2.
ETCS úrovně 2 (Level 2)
ETCS úrovně 2 je liniové vlakové zabezpečovací zařízení, které je založené na obousměrné rádiové komunikaci traťové a mobilní části prostřednictvím rádiového systému GSM-R nebo FRMCS. Traťovou část tvoří ve druhé aplikační úrovni Radiobloková centrála (RBC) a Eurobalízy. Radiobloková centrála je navázána do dalších zabezpečovacích zařízení (staničních, traťových a přejezdových) a v závislosti na získaných informacích od nich vydává vlaku tzv. oprávnění k jízdě, které je na vlak přenášeno rádiovým systémem.
Schématické zobrazení instalace na infrastrukturu (ETCS L2 bez benefitů)
RBC průběžně sleduje jednotlivé vlaky a komunikuje s nimi. Vlaky do RBC průběžně předávají svou aktuální polohu, směr jízdy a rychlost. V závislosti na těchto informacích RBC vyhrazuje pro jejich další jízdu volný a bezpečný prostor. Mobilní část ETCS sleduje, zda strojvedoucí vlaku dodržuje rychlost jízdy a reaguje správně na situaci na trati. V případě nerespektování omezení umí zastavit vlak před návěstí Stůj či jiným dohlíženým místem nebo při indispozici strojvedoucího. Vzájemná komunikace mezi RBC a vlakem probíhá kontinuálně po dobu jízdy vlaku. Aby byla zajištěna maximální možná míra zabezpečení jízd vlaků, je potřeba na vybavených tratích provozovat výhradně vozidla vybavená systémem ETCS. Z tohoto důvodu se na konkrétních tratích zavádí tzv. výhradní provoz, který na tyto tratě zakazuje vjezd vozidlům, která nejsou vybavena schválenou a aktivní mobilní částí sytému ETCS.
ETCS ve druhé aplikační úrovni má dvě základní varianty provozu, a to buď s hlavními konvenčními návěstidly, nebo bez konvenčních hlavních návěstidel (tzv. s benefity). Projev vůči strojvedoucímu při jízdě pod ETCS je však vždy shodný.
ETCS L2 s benefity
ETCS L2 s benefity se odlišuje provedením technických úprav infrastruktury. Tyto úpravy spočívají především v hustějším vybavení infrastruktury detekčními prvky vlaků (čítače náprav) a odstranění konvenčních světelných návěstidel a jejich nahrazení Stop značkami ETCS a Lokalizačními značkami ETCS, což umožní rozdělit traťový úsek do více oddílů.
Právě to umožní využití plného potenciálu systému ETCS mimo jiné v podobě zvýšení rychlosti vlaků a možného zvýšení kapacity dráhy díky optimalizaci rozmístění návěstí ETCS (Stop značka ETCS a Lokalizační značka ETCS).
Schématické zobrazení instalace na infrastrukturu (ETCS L2 s benefity)
V souvislosti s těmito úpravami dojde k redukci proměnných i neproměnných (světelných) návěstidel, což umožní snížit náklady na údržbu a omezí případné rozpory mezi informacemi z tratě (světelných návěstidel) a informacemi z DMI.
Pro umožnění jízdy vlaku v provozních módech nezajišťujících jízdu pod plným dohledem ETCS (zejména při zahájení mise nebo při poruchách či výlukách ETCS) budou ke Stop značkám ETCS doplněny tzv. doplňkové návěstní svítilny (DNS), které umožňují návěstit zjednodušenou návěstní soustavu pro jízdu vlaku rychlostí do 40 km/h. DNS poslouží i k zabezpečení jízd posunových dílů, pro které bude i nadále využíváno konvenční návěstění, a proto budou v omezeném rozsahu v dopravnách ponechána i některá seřaďovací návěstidla (zejména na manipulačních kolejích). Význam návěstí na DNS je shodný s jejich významem na konvenční infrastruktuře.
Návrh – Stop značka ETCS s DNS
Návrh – Stop značka ETCS s DNS
K dalšímu zvýšení bezpečnosti železničního provozu na tratích s ETCS L2 s benefity přispějí i přísnější projekční normy pro tyto tratě, které stanovují například rozsáhlejší aplikaci přímé boční ochrany vlakových cest či přísnější požadavky pro posunové cesty.
ETCS úrovně 1 (Level 1)
U ETCS úrovně 1 je provedení traťové části odlišné. ETCS úrovně 1 funguje jako bodový vlakový zabezpečovací systém, což znamená že informace na vlak jsou přenášeny pouze při jízdě vozidla nad přepínatelnou balízou, která vlaku předá aktuální informace. Eurobalízy jsou napojené do stávajícího zabezpečovacího zařízení prostřednictvím traťových elektronických jednotek LEU a hlavní návěstidla zůstávají vždy v činnosti. První aplikační úroveň nevyžaduje rádiový systém pro komunikaci s vlaky. Nejde tak o kontinuální výměnu informací jako u ETCS úrovně 2. Z těchto důvodů se ETCS úrovně 1 implementuje zejména na méně zatížené tratě s traťovou rychlostí do 120 km/h. Na síti Správy železnic jsou aplikovány verze ETCS úrovně 1 LS (L1 Limited Supervision) a ETCS STOP s cílem zvýšení bezpečnosti provozu za nižší náklady oproti druhé aplikační úrovni.
ETCS úrovně 1 LS (L1 Limited Supervision)
ETCS úrovně 1 kontroluje na pozadí chování strojvedoucího. Na základě vypočtených brzdných křivek zajišťuje neprojetí návěsti Stůj a v omezené míře i nepřekročení dovolené rychlosti. Brzdné křivky jsou nicméně dohlíženy na pozadí a strojvedoucí se řídí dle konvenčních návěstidel. Pomocí textových zpráv na displeji také umožňuje informovat strojvedoucího o omezeních infrastruktury v podobě pomalých jízd či poruchách významných přejezdů. Tato verze systému ETCS je určená především pro více zatížené vedlejší tratě (celostátní, regionální) do rychlosti 120 km/h.
Schématické zobrazení instalace na infrastrukturu (ETCS L1 LS)
ETCS STOP
Zajišťuje nouzové zastavení vlaku při minutí zakazující návěsti a kontroluje nepřekročení nejvyšší dovolené rychlosti mezi dopravnami a v dopravnách. Pakliže vozidlo mine návěst zakazující jízdu, dojde k jeho automatickému zastavení po načtení příslušné balízy. Zároveň v případně vyhodnocení takovéto nedovolené jízdy z dopravny začnou balízy před vjezdovým návěstidlem do stanice také předávat příkaz k zastavení vlaku, aby došlo také k zastavení protijedoucího vlaku.
Schématické zobrazení instalace na infrastrukturu (ETCS STOP)
Tato verze systému ETCS je určena především pro tratě D3 a málo zatížené tratě D1 s traťovou rychlostí do 100 km/h a intenzitou železničního provozu do 45 vlaků denně.
Mapa výhledu implementace ETCS
Plán implementace ETCS na české železnici – předpokládaný stav v roce 2040
ETCS a výluky
Během pracovních úprav, rekonstrukcí či dlouhodobých výluk je žádoucí, aby nedošlo k zásadnímu snížení bezpečnosti oproti běžnému provozu, kdy je systém ETCS v provozu. V průběhu rozsáhlejších stavebních prací a úprav železniční dopravní cesty, není ekonomicky ani technicky možné udržet systém ETCS úrovně 2 v provozu. Zejména z důvodů nedostatečného popisu infrastruktury jsou nutné úpravy SW (radioblokové centrály) v traťové části systému ETCS úrovně 2, v závislosti na jednotlivých stavebních postupech a změnách v uspořádání kolejiště, které se často mění několikrát během stavby. Každá změna by se musela do SW zanést (s aktuální zaměřenou polohou jednotlivých prvků v kolejišti) a každá změna SW se musí bezpečnostně ověřit a otestovat před nasazením. Časově by tak nebylo možné vytvářet aktualizovaný SW pro jednotlivé stavební postupy, případně by to bylo neúměrně nákladné.
Pro tyto případy tak přišla SŽ se systémem založeným na prvcích systému ETCS. Jedná se o “Provizorní prostředek k zastavení vlaku při výlukách ETCS” zkráceně PZV (prostředek zastavení vlaku). Tento systém počítá s využitím prvků systému ETCS – balíz a mobilní části systému ETCS, a proto se s jeho využitím počítá zejména na tratích s výhradním provozem, kde budou v provozu jezdit vozidla vybavená ETCS.
Navrhovaný systém funguje na principu bodového zabezpečení jízdy vlaku. K přenosu informací závislých na návěstech hlavních návěstidel dochází pomocí přepínatelných balíz v určitých bodech. Přepínatelné balízy budou umístěny ve 2 polohách. Přímo u návěstidla (BG Stop) a druhá (BG PRE) v určité vzdálenosti před návěstidlem (v řádech vyšších desítek metrů), viz následující schéma. Vzdálenější balíza od návěstidla (BG PRE) předá vlaku informaci o návěsti na návěstidle. Pokud půjde o návěst zakazující jízdu, dojde k předání rychlostního omezení na vozidlo, které si bude hlídat dodržení této rychlosti. Pokud vozidlo pojede vyšší rychlostí, systém automaticky spustí brzdění, aby vlak zastavil. Balíza umístěná u návěstidla (BG Stop) pak slouží k zastavení vlaku při nedovolené jízdě kolem návěstidla s návěstí zakazující jízdu vlaku, přičemž spustí nouzové brzdění a vlak zastaví.
Displej strojvedoucího a brzdné křivky
Veškeré důležité informace strojvedoucí vidí na displeji DMI (Driver Machine Interface). Strojvedoucímu se zde zobrazuje aktuální maximální dovolená rychlost a také případná změna rychlosti. V případě že se přiblíží oblasti se snížením rychlosti, dojde k indikaci tohoto snížení na displeji, viz obrázek.
Displej DMI při dodržení stanovené brzdné křivky (vlevo) a při jejím nedodržení (vpravo)
Žlutou barvou je strojvedoucímu indikovaná brzdná křivka pro snížení rychlosti, v tomto případě ze 100 km/h na 0 km/h. Jde pouze o vizuální indikaci a pokud strojvedoucí udrží rychlost pod rychlostí naznačenou žlutým zobáčkem (zde rychlost 100 km/h), vše bude v pořádku a systém do řízení nezasáhne. S blížící se oblastí s rychlostí 0 km/h se pak zobáček posouvá k žádané rychlosti.
Pokud však strojvedoucí nereaguje nebo nesnižuje rychlost adekvátně a rychlost vlaku bude tak vyšší než naznačená brzdnou křivkou (obrázek s oranžovým zobáčkem), spustí displej DMI vizuální i zvukovou indikaci o nutnosti snížení rychlosti.
Pokud ani v tomto případě strojvedoucí nezačne dostatečně zpomalovat a neodstane rychlost vlaku pod žlutou křivku, dojde současně se zvukovou a vizuální indikací ke spuštění automatického nouzového brzdění, to indikuje symbol v levém dolním rohu na následujícím obrázku.
Displej DMI při nedodržení brzdné křivky ETCS
Brzdné křivky ETCS
Dohled nad vozidlem vybaveným mobilní částí ETCS spočívá v dohledu tzv. brzdných křivek. Tyto křivky vznikají na základě výměny informací mezí traťovou a mobilní částí ETCS. Jedná se o maximální rychlost, kterou vlak může v danou chvíli jet, a to buď konstantní rychlost nebo v případě blížícího se místa zastavení (návěsti stůj např.) se dovolená rychlost po křivce snižuje (viz následující popis a obrázky).
Sestavení brzdných křivek začíná předáním informací z traťové části systému ETCS na vozidlo. Mobilní část obdrží informace o traťové rychlosti, rychlostních omezeních dle aktuální situace (jízdní cesty), dočasných omezeních rychlosti, rychlostním profilu, sklonových poměrech trati, délce obdrženého povolení k jízdě a dalších dodatečných informacích o trati před ní. Tyto data tak poskytují vozidlu popis tratě před ním.
Následně mobilní část vybere i v závislosti na datech, která strojvedoucí zadal do systému o vlaku, jako jsou jeho maximální rychlost, délka, brzdící procenta, typ trakce atd., nejvíce omezující rychlostní profil (oranžová přerušovaná v obr. - MRSP). Do takto vytvořeného rychlostního profilu vytvoří mobilní část dynamický rychlostní profil (červená křivka v obr.) pro dané vozidlo a ten následně dohlíží a porovnává s aktuální rychlostí a ujetou vzdáleností.
Nejvíce omezující rychlostní profil vozidla (vzhledem k profilu tratě)
Do takto vytvořeného dynamického rychlostního profilu (DSP) dopočítá mobilní část také další 2 křivky. Křivku indikace, a výstrahy, které indukují strojvedoucímu nutnost začít snižovat rychlost. Červená křivka je pak křivka nouzového brzdění, která zajišťuje, že nedojde k projetí požadovaného místa zastavení nebo jízdy rychlostí vyšší než maximální dovolenou.
Omezující rychlostní křivky vypočítané systémem ETCS (vzhledem k profilu tratě)