Torowe urządzenia kontroli prowadzenia pociągów > Urządzenia odcinkowego lub ciągłego oddziaływania
W ramach systemów punktowego lub ciągłego oddziaływania wyróżnia się wiele eksploatowanych w Europie systemu automatyki bezpieczeństwa jazdy pociągów. Systemy te działają na zasadzie dwukierunkowej łączności pomiędzy infrastrukturą, a pojazdem w celu przesyłania informacji o aktualnej sytuacji ruchowej (np. wskazaniach semaforów), oraz na kontroli czujności prowadzącego i jego reakcji na przesyłane sygnały. W Europie działa ponad 20 systemów tzw. sygnalizacji kabinowej (np. PZB, LS90, LVZ, INDUSI itp.) Były one rozwijane przez poszczególne zarządy kolejowe w ramach infrastruktury kolejowej danych krajów. 
Czujniki pojazdowe systemów LS90 
System PZB - czujnik pojazdowy (1) i rezonator torowy czynny (2)
Czujniki pojazdowe innych systemów
Na początku lat 90 ubiegłego wieku rozpoczęły się prace nad opracowaniem wspólnego, zestandaryzowanego systemu zarządzania ruchem kolejowym w Europie, w celu zapewnienia interoperacyjności systemu kolei. Według definicji opisanej na stronie Urzędu Transportu Kolejowego "Interoperacyjność kolei" to: "zgodność techniczna systemów kolejowych w różnych państwach członkowskich Unii Europejskiej" (zobacz więcej tutaj). Narodowe systemy, o których wcześniej wspomniałem, poprzez ich opracowanie w ramach konkretnego obszaru użytkowania powodują, że nie są one interoperacyjne, gdyż przejazd pojazdów trakcyjnych pomiędzy krajami wymaga wyposażania pojazdów w systemy automatyki bezpieczeństwa jazdy pociągu dedykowane dla konkretnych krajów. Założeniem systemu interoperacyjnego jest ujednolicenie jego działania tak, by jeden wspólny system, obowiązywał na terytorium europejskich zarządów kolejowych, a ruch pociągów odbywał się w sposób nieprzerwany i bezpieczny po terytorium Wspólnoty. Czyli, że przykładowo podczas przejazdu przez granicę nie trzeba będzie zmieniać lokomotywy na taką, która jest dostosowana do systemów danego kraju, jak również personel obsługujący będzie pracował na tych samych zasadach i w oparciu o ujednolicone przepisy. Warto zauważyć, że obecnie eksploatowane pojazdy trakcyjne przystosowane do ruchu transgranicznego, w zależności w ilu Państwach uzyskały homologację, to mają na swoim pokładzie zabudowanych nawet kilka systemów bezpieczeństwa działających w danych krajach (systemów narodowych).
System ERTMS
Europejskim interoperacyjnym systemem automatyki bezpieczeństwa jazdy jest system ERTMS (European Railway Traffic Management System), czyli Europejski System Zarządzania Ruchem Kolejowym. Idea powstania takiego systemu była jak najbardziej słuszna i potrzebna. Niestety jak pokazuje obecne doświadczenie w skali nie tylko Polski, ale dużej części państw członkowskich UE, wdrażanie tego systemu idzie bardzo opornie. W mojej opinii z systemu, który powinien być maksymalnie zestandaryzowany, zunifikowany i działać na zasadzie "plug & play" powstało "monstrum" które chyba wymknęło się trochę spod kontroli. Ilość zawiłości, niedomówień prawnych i technologicznych, różnych komplikacji, wewnętrzne rozwiązania poszczególnych producentów systemu, doprowadziły do tego, że system ten jest trudny do wdrożenia, a dodatkowo wymaga bardzo dużych nakładów finansowych na takie inwestycje. Prawda jest taka, że jeszcze dobrze nie zaczęto wdrażać bazowej wersji systemu, a co krótki okres czasu pojawiają się kolejne modyfikacje, rozbudowy, całkowicie zaburzające pierwotną ideę oraz działanie systemu. Długi czas wdrażania doprowadził tez do tego, ze początkowo przyjęte technologie okazały się już archaiczne i trzeba myśleć nad kolejnymi poprawkami. Dowodem na problemy funkcjonowania systemu i kompatybilności urządzeń różnych producentów są wymagane kolejne testy funkcjonalne, potwierdzające zgodność działania systemu w całej tej skomplikowanej i niedoprecyzowanej strukturze. System ten powinien działać na ujednoliconych zasadach tak jak np. różnego rodzaju magistrale komunikacyjne, czyli według wspomnianej wcześniej zasady „pulg & play”. Producent pojazdu powinien podłączyć w pojedzie uniwersalną "skrzynkę” z urządzeniami i oprogramowaniem oraz doprowadzić do niej konkretne sygnały o ujednoliconych parametrach. To samo powinno się dziać po stronie infrastruktury. Obecnie niestety dochodzi do sytuacji, że systemy ERTMS różnych producentów nie chcą się ze sobą prawidłowo komunikować, przez różne niezestandaryzowane rozwiązania. Stąd wprowadza się wspomniane wcześniej kolejne testy, i testy testów (np. testy ESC/RSC).
Należy też zauważyć, że według obowiązujących przepisów każdy pojazd trakcyjny wyprodukowany po czerwcu 2017 roku musi być obowiązkowo wyposażony w system ERTMS. Problem polega na tym, że analogiczne wymogi nie są skorelowane z modernizacją infrastruktury. W efekcie tego pojazdy wożą na swoim pokładzie aparaturę za setki tysięcy złotych (koszt systemu w zakresie wyposażenia pokładowego jednego pojazdu, w zależności do rodzaju pojazdu, waha się mniej więcej w zakresie 0,5 - 1 mln zł), która nie jest wykorzystywana ze względu na brak zabudowanego systemu na obszarze infrastruktury. Wręcz kilka lat temu były sytuacje, że producenci pojazdów nie mogli dopuścić pojazdów do ruchu (uzyskać zezwoleń na wprowadzenie do eksploatacji), bo powyższe przepisy wymagały zabudowania i uruchomienia systemu ERTMS, a nie było infrastruktury, na której możliwe byłoby sprawdzenie poprawności jego działania, co było obowiązkowe w celu uzyskania zezwolenia i potwierdzenia pojazdu na zgodność z Technicznymi Specyfikacjami Interoperacyjności (TSI). Jednym słowem sytuację z zasadami wdrażania systemu ERTMS można określić jako absurdalną.
Wymagania szczegółowe dla systemu ERTMS zawarte są w rozporządzeniu Komisji Europejskiej TSI CCS (Techniczne Specyfikacje Interoperacyjności - Sterowanie) - zobacz rozporządzenie. Rozporządzenie to przypisuje omawiany system do systemów kategorii A. Systemy kategorii B to pozostałe narodowe systemy, działające w poszczególnych zarządach kolejowych przed kwietniem 2001 roku (w Polsce system SHP), które docelowo powinny zostać wyłączone po objęciu linii kolejowych systemem europejskim.
System ERTMS składa się zasadniczo z dwóch podstawowych podsystemów. Pierwszym z nich jest system ETCS (European Train Control System), a drugim GSM-R (Global System for Mobile Communications - Railway).
1) System ETCS
Działa na zasadzie transmisji danych pomiędzy torem, a pojazdem z wykorzystaniem połączeń cyfrowych. Przez wspomnianą łączność pojazd otrzymuje z infrastruktury rozkazy jazdy (tzw. MA czyli "Movement Authority". Rozkazy te tworzone są przez oprogramowanie na podstawie obliczania statycznych i dynamicznych profili prędkości jazdy. Bezpieczna prędkość jest obliczana w funkcji drogi. Jazda pod nadzorem systemu ETCS polega najpierw na obliczeniu krzywych hamowania i wydaniu odpowiedniego rozkazu MA, a następnie kontrolowaniu zgodności jazdy z wydanym rozkazem - kontrolowaniu krzywych hamowania w odniesieniu do bieżącej sytuacji ruchowej. Do tych obliczeń system przyjmuje dane wynikające z parametrów infrastruktury (charakterystyka linii kolejowej, dopuszczalne prędkości jazdy, rozmieszczenie balis) oraz pojazdu (np. masa pociągu, generowane siły hamujące itp.) Wyniki tych obliczeń system porównuje z aktualną prędkością jazdy. Jeżeli pojazd nie stosuje się do przekazanych rozkazów (maszynista nie dostosowuje się do nich) to system załącza automatycznie hamowanie. Aby powyższy sposób komunikacji działał prawidłowo konieczne jest też zapewnienie właściwej lokalizacji pojazdu na trasie, tak by obliczenia statyczne i dynamiczne, a w efekcie rozkaz MA był aktualizowany - aktualne położenie pojazdu w odniesieniu do punktu końcowego odcinka, na który rozkaz jazdy został wydany. Podsumowując - pojazd w rozkazie jazdy otrzymuje informację, że daną odległość może przejechać z określoną prędkością. Jeżeli przed końcem tej odległości pojazd nie otrzyma nowego rozkazu MA z pozwoleniem na kontynuację jazdy, według określonych parametrów, to zostaje zahamowany. Będzie mógł kontynuować jazdę dopiero po otrzymaniu rozkazu MA.
Sposób transmisji danych pomiędzy infrastrukturą, a pojazdem jest zależny od poziomu zastosowanego systemu ETCS (zobacz dalej).
2) System GSM-R
Służy do cyfrowej transmisji danych oraz zapewniania łączności głosowej pomiędzy dyżurnymi ruchu jak i maszynistami. System ten oparty jest na klasycznym rozwiązaniu komórkowej łączności GSM w paśmie 900 MHz, czyli takiej jaką wykorzystujemy w naszych telefonach komórkowych. Uzupełnienie nazwy systemu o literę "R - Railway" informuje o tym, że jest to sieć dedykowana dla potrzeb zarządzania ruchem kolejowym, przez co nie jest siecią publiczną. W systemie GSM-R, analogicznie jak w publicznych systemach GSM, łączność pomiędzy abonentami (w tym przypadku pomiędzy dyżurnymi, czy maszynistami) odbywa się zawsze za pośrednictwem stacji bazowej - tej która jest najbliżej danego abonenta. Zastosowanie łączności GSM-R pozwala na identyfikację użytkowników, tworzenie grup użytkowników, określanie pierwszeństwa (ważności) połączeń, zawieszanie, przekierowywanie, blokowanie połączeń itp., czyli analogicznie jak w sieciach komórkowych publicznych.
Pod względem obecnie wykorzystywanych funkcjonalności i zastosowanych rozwiązań technicznych systemu ERTMS wyróżnia się 3 poziomy działania: poziom 1, 2 i 3.
ERTMS (ETCS) poziom 1
W poziomie pierwszym rozkazy jazdy (MA) przekazywane są do pojazdu trakcyjnego z wykorzystaniem balis torowych czyli urządzeń nadawczo - odbiorczych (transmiterów), komunikujących się z antenami zamontowanymi pod nadwoziem pojazdu trakcyjnego. Rozróżnia się balisy aktywne i pasywne (bierne). Te pierwsze połączone kablowo z systemem zarządzania ruchem kolejowym przekazują do pojazdu informacje wynikające z rozkazu MA. Balisy bierne umożliwiają określenie kierunku jazdy a ich zasilanie jest realizowane z anteny, przejeżdżającego nad balisą pojazdu (nie mają połączeń kablowych). W związku z tym przesyłają one tylko stale zdefiniowane dane. W omówionym rozwiązaniu przekazanie rozkazu MA, czyli wytycznych dotyczących jazdy, odbywa się tylko w momencie najechania na grupę balis zlokalizowaną w obszarze międzytokowym toru. Po otrzymaniu rozkazu pociąg kontynuuję jazdę z określonymi parametrami, aż nie dojedzie do kolejnej grupy balis, które przekażą nowy rozkaz jazdy MA. Takie rozwiązanie powoduje pewne ograniczenia w przepustowości linii, ze względu na to, że informacja o aktualnej sytuacji ruchowej, a więc tym samym wydanie uaktualnionego rozkazu nie odbywa się na bieżąco. W celu zwiększenia przepustowości w zastosowanym ETCS poziomu 1 możliwe jest zwiększenie ilości grup balis, w celu częstszego uaktualniania rozkazu MA lub wyposażenia nawierzchni torowej w pętle torowe (tzw. europętle). Są to specjalne kable transmisyjne promieniujące, montowane na stopie szyny kolejowej, które przekazują do pojazdu rozkazy MA analogicznie jak balisy aktywne tylko na dłuższym odcinku. Ze względu na powyższe ograniczenia opracowany został poziom drugi.
Uproszczony schemat ETCS poziomu 1
A - antena ETCS
EVC - komputer pokładowy ETCS
SP - sterownik główny pojazdu
RJ - rejestrator jazdy (prawny)
DMI - interfejs na pulpicie maszynisty i radiotelefon GSM-R
HN - elektrozawór nagłego hamowania
x - balisa torowa przełączalna
y - obwody torowe kontroli niezajętości
Balisy torowe (tu: nieprzełączalne - pasywne)
Tabliczka znamionowa przykładowej balisy
Antena ETCS i radar do obliczania prędkości i drogi wykorzystujący efekt Dopplera pod nadwoziem pojazdu trakcyjnego (opis na 1 powiększeniu)
Przykładowy schemat wydawania rozkazu MA
MA-1 - wydany rozkaz MA dla odstępu blokowego
V-MA1 - prędkość jazdy zgodna z MA-1
Ph1 - punkt rozpoczęcia hamowania jeżeli nie ma możliwości jazdy na kolejny odcinek, czyli gdy rozkaz MA-2 będzie "hamuj"
Kh - krzywa hamowania dla MA-1
V-MA2 - prędkość dla kolejnego odstępu według rozkazu MA-2 jeżeli będzie możliwa jazda
ERTMS (ETCS) poziom 2
Podstawowa różnica poziomu 2 od poziomu 1 polega na tym, że w ETCS poziomu 2 rozkazy MA są przekazywane do pojazdu trakcyjnego w trybie ciągłym z wykorzystaniem pakietowej transmisji danych przez łączność GSM-R. Balisy torowe służą w tym przypadku jedynie do potwierdzania pozycji pojazdu oraz za przekazywanie danych dodatkowych. Nie biorą natomiast udziału w przekazywaniu rozkazów jazdy MA. Dwukierunkowa komunikacja cyfrowa pomiędzy pojazdem, a systemem zarządzania ruchem kolejowym odbywa się poprzez centra nadawczo-odbiorcze GSM zwane centrami RBC (Radio Block Centre). Centra RBC generują rozkazy MA analogicznie jak w poziomie pierwszym na podstawie obliczeń statycznych i dynamicznych profili prędkości (krzywych hamowania) w odniesieniu do rodzaju trasy i rodzaju pociągu, ale również w oparciu o informacje pochodzące z układów kontroli niezajętości odcinków torowych, zabudowanych w ramach infrastruktury torowej urządzeń sterowania ruchem kolejowym (liniowych i stacyjnych).
Uproszczony schemat działania ETCS poziomu 2
A - antena ETCS
EVC - komputer pokładowy ETCS
SP - sterownik główny pojazdu
RJ - rejestrator jazdy (prawny)
DMI - interfejs na pulpicie maszynisty i radiotelefon GSM-R
HN - elektrozawór nagłego hamowania
x - balisa torowa nieprzełączalna
y - obwody torowe kontroli niezajętości
RBC - centrum radiowe (RBC) i maszt stacji bazowej
LCS - lokalne centrum sterowania ruchem kolejowym
Maszt z nadajnikami GSM-R (RBC)
ERTMS (ETCS) poziom 3
Jest to rozwinięcie systemu poziomu 2 o funkcję polegająca na tym, że wydawanie rozkazu MA jest realizowane dodatkowo na podstawie informacji o aktualnym położeniu innych pociągów z wykorzystaniem dwukierunkowej transmisji danych w systemie GSM-R. W efekcie takiego rozwiązania powstaje tzw. ruchomy odstęp blokowy, czyli odstęp pomiędzy jadącymi pojazdami, a nie wynikający ze stałego podziału szlaku na odstępy. Zastosowanie tego poziomy wymaga jednak wyposażenia pociągu w dodatkowe rozwiązania bezpieczeństwa, zapewniające kontrolę ciągłości składu, tak, aby była pewność, że skład jedzie w całości. Dlatego też poziom 3 można spotkać przede wszystkim na liniach, na których eksploatowane są pociągi pasażerskie zespolone. W nich najłatwiej zastosować układ kontroli ciągłości jednostki, a jednocześnie mają analogiczne parametry eksploatacyjne, pozwalające na maksymalne wykorzystywanie przepustowości linii niż w przypadku kierowania ruchem pasażerskim i towarowym z różnego rodzaju charakterystyką taboru.
Animacja prezentująca działanie ETCS poziomu 1 i 2
Obecnie powszechnie wdrażany jest system poziomu 2. Jeżeli pojazd wyposażony jest w urządzenia pokładowe poziomu 2 lub 3 to muszą one umożliwiać jazdę po infrastrukturze wyposażonej w urządzenia torowe systemu 1. Czyli w takim przypadku nie jest wykorzystywana łączność GSM-R do przekazywania rozkazów MA. Jeżeli pojazd jest wyposażony w urządzenia pokładowe poziomu 1 to nie może być eksploatowany na infrastrukturze poziomu 2 i wyżej, gdyż nie będzie właściwie rozpoznawany przez urządzenia automatyki wyższych poziomów. W efekcie tego po najechaniu na grupę balis otrzyma rozkaz jazdy MA – „Stój”
Warto zauważyć, że przy systemach poziomu 2 i 3 możliwe jest wyeliminowanie sygnalizatorów przytorowych, gdyż prowadzenie pociągu odbywa się pod ciągłą kontrolą jazdy dzięki pakietowej transmisji danych w łączności GSM-R. Nie jest też w takim przypadku wymagana znajomość przez maszynistę znajomość sygnalizacji kolejowej danego zarządcy, gdyż wszystkie informacje dotyczące jazdy są mu przekazywane do kabiny. Zasadniczo jednak sygnalizatory pozostają przy torach, gdyż nie wszystkie pojazdy trakcyjne wyposażone są w omawiany system.
W przypadku gdy pojazd trakcyjny wyposażony jest w urządzenia ERTMS, ale porusza się po trasie niewyposażonej w urządzenia ERTMS, a dodatkowo jego system klasy B (narodowy) nie jest powiązany z systemem ERTMS, czyli działa od niego niezależnie (samodzielnie), to w takim przypadku odbywa się jazda na poziomie 0. W tym przypadku jazda kontrolowana jest przez system narodowy, a w zakresie ETCS kontrolowane jest, czy pojazd nie przekracza dopuszczalnej prędkości zdefiniowanej dla danego narodowego zarządcy infrastruktury. 
Komputer diagnostyczny i łączności GSM-R, główny bezpieczny komputer EVC (European Vehicle Computer) 
Terminal pulpitowy DMI systemu ETCS
EVC to główny komputer pokładowy ETCS, który przelicza odpowiednio dane otrzymane z balis / drogą transmisji radiowej i na ich podstawie ustala parametry jazdy przekazując informacje do sterownika głównego pojazdu, który odpowiada za sterowanie napędem i hamowaniem. Komputer ten również przesyła do infrastruktury informacje zwrotne o aktualnych parametrach jazdy. Dane z systemu ERTMS/ETCS zapisywane są w rejestratorze jazdy (prawnym) pojazdu trakcyjnego. W układzie hamulca pneumatycznego pojazdu trakcyjnego zabudowany jest również elektrozawór hamowania nagłego. Jeżeli na jego cewce nastąpi zanik zasilania (czyli sygnał wdrożenia hamowania nagłego) to spowoduje odpowietrzenie przewodu głównego (hamulcowego) i w efekcie wdrożenie hamowania nagłego. Zobacz opis układów hamulcowych - tutaj.
Elektrozawory dla wdrażania hamowania nagłego przez systemy automatyki bezpieczeństwa na tablicy pneumatycznej lokomotywy (tu: SIFA, ETCS, RADIOSTOP/SHP, LS90
Przykładowy rejestrator jazdy - prawny (JRU)
Według najnowszych wymagań terminale pulpitowe DMI systemu ETCS muszą być wykonane w wariancie redundantnym, czyli w ramach jednego terminalu zabudowane są dwie niezależne jednostki centralne z niezależnymi monitorami ciekłokrystalicznymi. W przypadku awarii jednej "połówki", pracę i wyświetlanie parametrów realizuje druga połówka. W normalnej pracują obydwie połówki, wyświetlając parametry o rzeczywistej prędkości, dopuszczalnej prędkości, profilach prędkości, danych dotyczących nachylenia toru oraz ostrzeżenia. 
Terminal pulpitowy DMI w wersji redundantnej (1) i przełącznik wyboru monitorów ETCS (2)
Łączność GSM-R wykorzystywana jest do omówionej wcześniej pakietowej transmisji danych (poziom 2 i 3 ETCS). Poza tym przy każdym poziomie służy do zapewnienia cyfrowej radiołączności kolejowej w paśmie GSM - 900 MHz. Obecnie eksploatowane pojazdy nawet przy braku systemu ETCS powinny być wyposażone w urządzenia radiołączności cyfrowej ERTMS GSM-R. Najprościej takie urządzenie rozpoznać po zastosowanej słuchawce radiotelefonu na pulpicie maszynisty. Założeniem docelowym jest wyłączenie narodowych systemów łączności (w tym polskiego systemu analogowej łączności VHF w paśmie 150 MHz) na rzecz pełniej łączności cyfrowej GSM-R.
Radiotelefon cyfrowy GSM-R
Radiotelefon analogowy VHF / cyfrowy GSM-R
słuchawka - łączność cyfrowa
mikrofon dłoniowy - łączność analogowa
Przykładowe moduły radiotelefonu VHF/GSM-R
Dla zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa, przykładowo dla pomiaru prędkości i drogi, wykorzystuje się dwa niezależne układy pomiarowe odometrii, na podstawie których określane są finalne dane do obliczeń dla krzywych hamowania rozkazów MA. Jednym układem pomiarowym są czujniki obrotów montowane na zestawach kołowych, a drugim może być na przykład zastosowanie radarów działających na zasadzie efektu Dopplera. 
Przykładowe czujnik obrotów na kadłubach łożysk osi zestawów kołowych
Radary Dopplera w pojeździe trakcyjnym