II edició del curs d especialització en: ENGINYERIA FERROVIÀRIA Del 7 de març al 20 de juny 2014

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1 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

2 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. 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 2

3 Control de velocidad: sistemas ATP 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. Control de velocidad: sistemas ATP 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

4 Control de velocidad: sistemas ATP 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 Control de velocidad: sistemas ATP Curvas de frenado 4

5 Control de velocidad: sistemas ATP 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 Control de velocidad: sistemas ATP 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 5

6 Control de velocidad: sistemas ATP 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 Control de velocidad: sistemas ATP 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

7 Control de velocidad: sistemas ATP Justificación de la conducción automática Justificación de la conducción automática Evolución del concepto de operación versus automatización 7

8 Justificación de la conducción automática Grados de automatización según IEC GOA = Grado de automatización Justificación de la conducción automática Para qué sirve el ATP y el ATO? ATP te da la seguridad ATO te permite optimizar la operación 8

9 Justificación de la conducción automática Para qué sirve el ATP y el ATO? ATP te da la seguridad ATO te permite optimizar la operación Justificación de la conducción automática 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 9

10 Justificación de la conducción automática Ventajas de la conducción automática (ATO-DTO-UTO) Justificación de la conducción automática Modo de operación ATO/DTO/UTO Control de velocidad 10

11 Desarrollo histórico 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 Desarrollo histórico 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 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

12 Desarrollo histórico 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. Desarrollo histórico 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 Fue automatizada de forma gradual entre 1968 y El primer metro del mundo completamente automático y sin conductor fue inaugurado en Lille en Con tecnología VAL (Vehículo Automático Ligero) de Matra (empresa francesa, actualmente de Siemens) 12

13 Desarrollo histórico UTO s en el mundo en 2011 Fuente: UITP Desarrollo histórico 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. 13

14 Desarrollo histórico 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

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

16 ATO, Automatic Train Operation 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 ATO (Automatic Train Operation) 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 ATO, Automatic Train Operation Conducción automática 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 16

17 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). 17

18 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 18

19 Unattended Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Mayor velocidad, menor tiempo de viaje Unattended Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Mayor velocidad, menor tiempo de viaje Menores intervalos, menor tiempo de espera Altas frecuencias 19

20 Unattended Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Mayor velocidad, menor tiempo de viaje Menores intervalos, menor tiempo de espera Altas frecuencias Mejora en seguridad (safety & security) Unattended Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Mayor velocidad, menor tiempo de viaje Menores intervalos, menor tiempo de espera Altas frecuencias Mejora en seguridad (safety & security) Mejor confort en incrementos bruscos de demanda El staff se dedica un servicio orientado al cliente 20

21 Unattended Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Gestión flexible de la operación Unattended Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Gestión flexible de la operación Fiabilidad 21

22 Unattended Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Gestión flexible de la operación Fiabilidad Seguridad operativa Menos errores humanos Unattended Ventajas teóricas de los sistemas Unattended Gestión flexible de la operación Fiabilidad Seguridad operativa Menos errores humanos Aumenta la eficiencia y productividad Menor consumo energético 22

23 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. CBTC, Communications Based Train Control Tecnología CBTC (Communication 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 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

24 CBTC, Communications Based Train Control 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. 24

25 CBTC, Communications Based Train Control Tecnología CBTC (Communication Based Train Control) 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. CBTC, Communications Based Train Control Tecnología CBTC (Communication Based Train Control) El sistema CBTC se basa en: 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

26 CBTC, Communications Based Train Control Tecnología CBTC (Communication Based Train Control) El sistema CBTC se basa en: 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

27 CBTC, Communications Based Train Control CBTC en el mundo 27

28 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, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board. March ACRP REPORT 37: AIRPORT COOPERATIVE RESEARCH PROGRAM. Sponsored by the Federal Aviation Administration. Guidebook for Planning and Implementing Automated People Mover Systems at Airports. 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. 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. 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. 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 Éditions La Vie du Rail. Tome 1 ISBN: , Tome 2 ISBN: , Tome 3 ISBN:

29 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 29