Monitorování polohy kolejových vozidel na principu DGPS

Ing. Aleš Filip, CSc., Ing. Lubor Bažant, Ing. Martin Šalda, Mgr. Josef Cach
České dráhy, s.o., DDC-SŽT, Laboratoř inteligentních systémů v Pardubicích
adresa: České dráhy, OSŽT Pardubice, Nám. Jana Pernera 217, 530 28 Pardubice

I. Úvod

Fenoménem posledních let jsou rychle se rozvíjející telekomunikace a informační technologie (T&IT), které zasahují téměř všechny oblasti lidské činnosti. V dopravě a zejména pak na železnici to má za následek, že pomaleji se rozvíjející se zabezpečovací technika nebyla připravena na tento vývoj, a proto nemůže využívat výhody T&IT. Tato absence spojení T&IT a zabezpečovací techniky způsobila, že ačkoliv byla při selhání lidského faktoru dostatečně dlouhá doba pro odvrácení nehody, přece jen k nehodě došlo se ztrátami na lidských životech i materiálními. Ačkoliv jsou mnohé tratě vybaveny analogovým traťovým rádiem (150, 460 MHz), které může snížit četnost dopravních nehod, přece jen v informačním řetězci mezi strojvedoucím a dispečerem existuje lidský chybový faktor jako zdroj potenciální nehody.

Proto byly v nedávné minulosti v rámci evropských programů vyvinuty systémy pro automatické řízení vlaků (ETCS, ATC, ATP) a automatickou identifikaci vozidel (AVI), které jsou založeny na bodových prvcích (balisa, transponder/interrogator) umístěných v kolejišti. Potřebné informace mezi vozidlem a traťovými bodovými prvky se přenáší pomocí vysokofrekvenčního pole (27, 900, 2400 MHz). Ačkoliv tyto systémy přinesly řadu pozitivních rysů do železničního průmyslu, jako vyšší bezpečnostní standardy a vyšší účinnost při řízení provozních operací, existují stále důvody, které brání rozšíření těchto systémů na evropském kontinentu. Důvody jsou následující:


Proto železniční společnosti a výrobci zabezpečovacího zařízení na celém světě hledají nové cesty, jak tyto nedávno vyvinuté systémy zdokonalit. Jednou z možností je využití satelitních navigačních systémů.

V dopravě se používají zejména tyto dva satelitní navigační systémy - americký NAVSTAR a ruský GLONASS. Dále se očekává, že satelitní navigační systém GNSS1, který je kombinací systémů NAVSTAR, GLONASS a INMARSAT, může hrát důležitou úlohu v dopravní siti na evropském kontinentu. Proto nedávno Evropská komise ve spolupráci s ESA (European Space Agency) podpořila výzkumné projekty MAGNAT A, MAGNET B orientované na využití GNSS1 v dopravě. Dále Evropská komise DG-XIII v rámci programu TELEMATICS vypsala soutěž na řešení úlohy TR 5.9 TRAIN POSITION LOCATOR. Posléze vznikl projekt APOLO, jehož předmětem je vyvinout přesný vlakový lokátor na principu GNSS1 a inerciálních navigačních systémů (INS) pro budoucí využití v železniční zabezpečovací technice a manažerských informačních systémech pracujících v reálném čase. České dráhy, DDC-SŽT Laboratoř inteligentních systémů jsou členem konsorcia, které soutěž vyhrálo. Projekt bude na ČD zahájen v I. čtvrtletí 1998.

II. Potřeba moderních technologií pro regionální tratě

České dráhy vybavily v 60. letech hlavní tratě reléovým zabezpečovacím zařízením na principu pevných bloků (autobloku) a v současné době v rámci výstavby koridorů jsou tato zařízení obnovována a některá nahrazována moderními systémy s počítačovým ovládáním. Avšak odlišná situace je na regionálních a lokálních tratích, kde zabezpečovací technika je velmi zastaralá, často instalovaná před nebo během druhé světové války. Ačkoliv tato technika pracuje celkem spolehlivě, je již dávno morálně zastaralá, k obsluze vyžaduje relativně velký počet zaměstnanců a velké náklady na údržbu. Na druhé straně není možné očekávat, že České dráhy budou investovat značné finanční prostředky do obnovy této techniky, zejména před připravovanou privatizací vybraných regionálních tratí.

Budoucí soukromí provozovatelé budou muset vyřešit dva základní problémy: snížit počet zaměstnanců asi na jednu třetinu současného stavu a učinit přepravní služby atraktivnější za současného zvýšení bezpečnostních standardů. Aby bylo možné uvést tyto cíle v život, je nutné instalovat moderní a cenově výhodnou techniku. Jestliže skutečně chtějí udržet tyto tratě při životě, budou muset překonat tradičně konzervativní železničářské myšlení a poohlédnout se po netradičních řešeních. Tato řešení by mohla vést přes technologie založené na moderních telekomunikacích , které jsou minimálně závislé na stávající infrastruktuře, a umožnění propojení s informačními systémy automobilové dopravy, např. pro autobusy, nákladní dopravu, taxislužbu, atd., a tak vytvořit optimální regionální síť veřejné dopravy uspokojující potřeby obyvatel s minimálními negativními vlivy na životní prostředí.

Je rovněž zřejmé, že privátní provozovatelé nebudou potřebovat dva nezávislé systémy - jeden pro zabezpečení provozu vlaků a druhý jako manažerský informační systém, pro sledování oběhu vagónů a hnacích vozidel. Cílem bude integrovat oba dva systémy do jednoho tak, aby jednotlivé části subsystémů byly co nejvíce sdíleny současně pro obě aplikace. Není pochyb o tom, že jádrem tohoto jednotného systému bude vlakový lokátor, který určí polohu vlaku kdykoliv a kdekoliv na trati s velkou přesností (1-2 metry) a bude vlastně sloužit jako most mezi T&IT a zabezpečovací technikou. Informace o poloze vlaku spolu s dalšími provozními informacemi budou přeneseny prostřednictvím radiových digitálních linek do geograficky orientovaného prostředí (GIS) v centrálním počítači, zde zpracovány v reálném čase a zaslány do příslušných vrstev k uživatelům nebo ve formě řídících povelů zpět na vozidlo.

Je pravděpodobné, že vzhledem ke stále se zvyšujícím technickým parametrům GPS přijímačů a snižující se ceně je GPS technologie velkým favoritem pro řešení problémů zejména na regionálních tratích. Myslíme, že dále není tak odvážné tvrdit, že po úspěšném ověření právě na těchto tratích, kde jsou provozní podmínky obtížnější, by mohla migrovat na národní regionální tratě a tratě koridorové.

Je zřejmé, že pro spolehlivou lokalizaci vlaku na trati samotný GPS přijímač nestačí. Máme na mysli četné tunely, traťové zářezy, traťové oblouky, hojné porosty, atd., bránící příjmu signálu od GPS satelitů nebo signálu mobilní radiové datové sítě.V těch místech, kde nelze přijímat signál od GPS satelitů, je nutné nahradit absolutní určení polohy na základě DGPS tzv. měřením relativním pomocí dalších inerciálních snímačů. Lze využit např. akcelerometry, gyroskopy, Dopplerovy radary, atd., a data z těchto snímačů integrovat např. pomocí digitálních Kalmanových filtrů [1]. Je rovněž přirozené, že když má být některé zařízení použito pro účely zabezpečovací techniky, musí být důkladně prověřeno. Výhodou je, že navržený systém na principu GPS/INS lze instalovat jako překryvnou vrstvu nad stávající zabezpečovací zařízení a použít jej již ve fázích vývoje jako informační nástroj či pomůcku pro sledování vzájemného pohybu vlaků. Když dojde ke snížení vzdálenosti mezi vlaky pod minimální zábrzdnou vzdálenost, tj. v případě nebezpečí čelní srážky nebo najetí ze zadu, monitorovací systém automaticky upozorní obsluhu na dispečerském pracovišti o možném nebezpečí nebo automaticky dálkově zastaví příslušné vlaky.

V následujících odstavcích jsou popsána úvodní měření určování polohy kolejových vozidel na principu diferenční metody GPS, jejichž cílem bylo získat první experimentální zkušenosti pro vývoj výše uvedeného automatického monitorovacího systému pohybu vlaků.

III. Uspořádání experimentu

Schéma uspořádání experimentu spolu s blokovým schématem použitých zařízení jsou na obr. 1. Pro potřeby měření byla vybrána vlečková trať Nemošická-jižní v obvodu žst. Pardubice o celkové délce cca 5 km z toho důvodu, že obsahuje takové rysy, které mohou negativně ovlivnit přesnost měření a které jsou běžné v síti ČD - obsahuje přímý úsek otevřený bez postranních stromů a křovin, úsek obklopený stromy, oblouk v hlubokém zářezu zakrytý korunami stromů, kde lze velmi obtížně nebo vůbec ne přijímat signál od GPS satelitů, obsahuje úsek s trakčním vedením, úsek bez trakčního vedení, jednostranné výhybky, křížovou výhybku, úsek se třemi paralelními kolejemi vedle sebe, atd. Osa koleje byla zaměřena pomocí speciálního vozíku diferenční metodou GPS a postprocesingu. Výsledkem je digitální mapa osy koleje s přesností cca +/- 3 cm v souřadném systému ETRS-89.

Pro měření byly použity přijímače Ashtech G-12 pro satelitní systém NAVSTAR, a dále nejnovější kombinovaný přijímač Ashtech GG-24 pro satelitní systémy NAVSTAR/ GLONASS. Tyto přijímače byly začleněny do následujících dvou sestav měření:

  1. GPS přijímače - jednofrekvenční L1 (C/A kód) Trimble PFCBS (anténa stabilně situována na budově ČD Elektroúseku Pardubice) v režimu základny poskytující zprávu RTCM-104 a jednofrekvenční L1 (C/A kód) Ashtech G-12 v režimu rover. Bázová stanice byla nastavena na 1sec. výstup RTCM-104 zprávy, rover na 10Hz záznam NMEA-183 zprávy typu GGA. Přenos korekční zprávy byl prováděn za pomoci dvou dálkově konfigurovatelných radiomodemů MR25 RACOM v kmitočtovém pásmu 300MHz s přenosovou rychlostí v radiovém kanále 21kbit/s při kanálové rozteči 25kHz. Měřená data byla buď zaznamenávána přes PROCOMM (software obsluhující sériové rozhraní PC) do notebooku nebo použitím software Geographic Tracker na platformě MapInfo Professional zaznamenávána do notebooku a současně zobrazována na monitoru na podkladové mapě se zaměřeným referenčním úsekem kolejiště.
  2. GPS přijímače - jednofrekvenční L1 (C/A kód) Ashtech G12 jako první rover, dvojice zapůjčených jednofrekvenčních L1 (C/A kód) přijímačů Ashtech GG-24 s 2x12 kanály (12k. pro GPS satelity, 12k. pro GLONASS satelity), přičemž jeden z přijímačů GG-24 byl nastaven do režimu báze s 1sec. intervalem výstupu RTCM-104 zprávy a jeho anténa situována na budově ČD Elektroúseku Pardubice ve vzdálenosti 1m směrem na jih od antény již uváděné referenční stanice PFCBS Trimble. Druhý z přijímačů GG-24 byl nastaven do režimu rover. Oba přijímače v režimu rover byly nastaveny na 10Hz záznam zprávy NMEA-183 typu GGA. Přenos korekční zprávy byl zajištěn opět pomocí asynchronní linky, tvořené radiomodemy RACOM MR25. Na přijímací straně byl signál korekční zprávy paralelně rozbočen pro oba rovery. Měřená data byla zaznamenávána přes PROCOMM (software obsluhující sériové rozhraní PC) do dvojice notebooků.

Měření polohy pohybujícího se vozidla MUV-69 se prováděla tak, že drezína projížděla při daných rychlostech a podmínkách po zkušební trati a naměřená data byla zaznamenávána ve formě zprávy GGA do datových souborů na pevném disku notebooku. Naměřená data byla následně zpracována v laboratoři pomocí jednoduchých rutin v Excelu a výstupem byly informace o průměrné chybě v určení polohy v reálném čase, maximální a minimální chybě v určení polohy v reálném čase, minimálním, maximálním a průměrném počtu pro měření použitých satelitů a konečně o minimálním, maximálním a průměrném HDOP-u během měření na dané časti úseku. HDOP je mírou zhoršení horizontální přesnosti určení polohy v důsledku nerovnoměrného vzájemného geometrického uspořádání satelitů vůči přijímači. HDOP je nejmenší a tedy i chyba měření, jsou-li GPS satelity rovnoměrně rozloženy na obloze. Např. nejmenší hodnota HDOP pro 4 družice je cca 1.15, pro pět družic cca 1.00.

IV. Experimentální výsledky

Tabulka 1 a 2 udává hodnoty výše uvedených veličin pro diferenční měření přijímačem G-12 v rozdílných okolních podmínkách v celém úseku zkušební trati při konstantní rychlosti 30 km/hod. Pro představu o reprodukovatelnosti měření je dále v tabulkách uvedena pravděpodobnost určení polohy s chybou do 1,5 m. V Tab. 1 jsou uvedena měření na téměř přímém úseku zkušební trati ve směru východ - západ, kde je trať nesouvisle lemována budovami a stromy. Z této trati byl také vybrán krátký úsek, ve kterém jsou zachyceny trajektorie jednotlivých měření - obr. 2. Na obr. 3 jsou pak vidět trajektorie měření po jednotlivých paralelních kolejích v tříkolejné části nemošické trati z předešlého dne.

Tabulka 2 potom udává hodnoty ze stejného měření také z téměř přímého úseku zkušební trati ve směru severozápad - jihovýchod. Tato část trati ovšem leží v otevřené krajině. Jak je z jednotlivých tabulek vidět, pochopitelně příznivější výsledky při poměrně dostatečném počtu měření rozložených v časovém intervalu 9.00 až 12.00 hod (tj. při dostatečně proměnném počtu satelitů) byly dosaženy na otevřené části trati. Pozoruhodnější však je, že při podrobnějším rozboru naměřených dat se jeví, jakoby měl nezanedbatelný vliv i faktor směru pohybu vozidla. Tato domněnka je námětem na další měření s jiným typem přijímače, což by mělo buď tuto hypotézu potvrdit ( mohlo by to souviset s pohybem satelitů po obloze) nebo konstatovat, že GPS přijímač Ashtech G -12 je „lepší" v určování polohy při pohybu v určitém směru.

  30 km/hod
1234567 8
CHYBA [m] MIN. 0,32 0,01 0,01 0,00 0,00 0,14 0,04 0,32
MAX. 23,55 1,06 3,44 1,34 1,12 0,86 2,16 2,46
PRUM. 2,64 0,26 0,63 0,34 0,35 0,53 0,56 0,82
SATELITY MIN. 5 5 4 5 3 5 4 5
MAX. 6 6 6 6 6 7 7 7
PRUM. 5,8 6,0 5,9 5,9 5,1 6,0 5,8 6,2
HDOP MIN. 1,6 1,2 1,1 1,1 1,1 1,0 1,0 1,0
MAX. 1,2 1,5 1,9 1,5 2,8 1,6 2,2 1,8
PRUM. 1,2 1,2 1,1 1,1 1,6 1,2 1,5 1,4
Pravděpodobnost výskytu chyby do 1,5 m 0,58 1,00 0,92 1,00 1,00 1,00 0,95 0,95
Tabulka 1 Měření na úseku, kde je trať lemována budovami a stromy, ve směru východ-západ.

  30 km/hod
1234567 8
CHYBA [m] MIN. 0,13 0,21 0,03 0,01 0,06 0,00 0,00 0,01
MAX. 0,96 0,59 0,60 1,01 0,83 0,65 0,84 1,50
PRUM. 0,56 0,34 0,21 0,20 0,24 0,36 0,31 0,37
SATELITY MIN. 5 5 5 5 5 6 6 6
MAX. 6 6 6 6 6 7 7 8
PRUM. 6,0 5,6 5,9 5,6 6,0 6,9 6,0 7,5
HDOP MIN. 1,2 1,2 1,1 1,1 1,1 1,0 1,1 0,9
MAX. 1,6 1,5 1,5 1,5 1,5 1,1 1,1 1,4
PRUM. 1,2 1,3 1,2 1,2 1,1 1,0 1,1 1,0
Pravděpodobnost výskytu chyby do 1,5 m 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,98
Tabulka 2 Měření na úseku v otevřené krajině ve směru severovýchod-jihozápad.

Další měření byla provedena opět pomocí přijímače G-12 , avšak jejich účelem bylo zjistit vliv rychlosti na přesnost určení polohy. Z důvodu dosažení nejvyšší možné rychlosti byl zvolen úsek v členitějším úseku kolejiště východ-západ, kde je možné dosáhnout a udržovat konstantní rychlost až 60 km/hod. Naměřená data jsou zpracována pro rychlosti 30, 40, 50 a 60km/h v Tab 3. Z tabulky je patrné, že pro každou rychlost byly provedeny dva záznamy.

Více měření nebylo možné z časových důvodů uskutečnit. Nicméně už i tyto výsledky naznačují (ale nepotvrzují), že naše domněnka z předcházejících měření - tj. při vyšší rychlosti vzrůstá chyba v určení polohy - bude správná, alespoň u daného přijímače Ashtech G-12. Pro toto měření lze vyvodit následující závěr: v určení polohy v reálném čase se submetrovou přesností se díky pohybu kompenzuje chyba způsobená vícecestným šířením přijímaného signálu od GPS satelitů, tj. odrazy. Při vzrůstající rychlosti se však vliv této kompenzace snižuje, jak je dobře patrné z Tab. 3, především z řádku maximální a střední chyby v určení polohy při rychlosti 60km/h. Jedním možným vysvětlením může být skutečnost, že tento typ přijímače při vyšších rychlostech již nemá takovou dynamiku ve vyhodnocení polohy. Proto bude vhodné ověřit tuto vlastnost i u dalších typů přijímačů.

Na závěr jsou uvedena porovnávací diferenční měření přijímače G-12 a kombinovaného přijímače GG-24 (Tab.4). Protože přijímač GG-24 byl zapůjčen na krátkou dobu, podařilo se zkušební úsek projet drezínou dvakrát tam a zpět. Na získaných výsledcích jsou zajímavé dvě skutečnosti. Zaprvé, GPS přijímač Ashtech G-12 určoval při rychlosti 60km/h polohu s mnohem menší chybou než v předcházející den měření. Je tedy možné, že tvrzení výrobců GPS přijímačů, že k referenčnímu přijímači poskytujícímu korekční zprávu je nejvhodnější mobilní přijímač od stejného výrobce, je oprávněné. Za druhé, co se týká přesnosti určení polohy, není přijímač Ashtech GG-24 o nic lepší než přijímač Ashtech G-12. To však výrobce také uvádí v technických parametrech. Co však je pozoruhodné, je počet satelitů používaný k výpočtu určení polohy. Ten u přijímače Ashtech GG-24 jen zřídka přesahoval o víc jak jeden počet satelitů používaných přijímačem Ashtech G-12. Tato skutečnost byla pravděpodobně způsobena opomenutím z důvodu časové tísně rekonfigurovat přijímač GG-24 na oba dva systémy NAVSTAR a GLONASS, protože den před tím byl tento přijímač využíván pouze pro satelitní systém GLONASS.

Z naměřených hodnot v Tab.4 však nejsou patrné následující dvě skutečnosti. Projeli jsme s oběma přijímači tou dobou značně zarostlý zásek v oblouku testovací trati. První skutečnost - oba přijímače se přibližně stejnoměrně střídaly ve výpadcích určování polohy, způsobených ztrátou „viditelnosti" satelitů (ztrátou signálu od satelitů) pod 3 satelity, druhá - reakvizice (uzamčení satelitů) trvalo u obou přijímačů zhruba stejnou dobu, nicméně „návrat" na požadovanou přesnost v určení polohy zvládl GG-24 rychleji. To se potvrdilo i při průjezdu MUV- 69 pod nadjezdem. K tomuto měření lze na závěr dodat, že by celkové výsledky od přijímače GG-24 byly při správném nastavení zřejmě ještě o něco lepší, což však nebylo z časových důvodů možné ověřit.

Měření byla vedena za účelem získání prvních zkušeností s určováním polohy pohybujících se železničních vozidel, které jsou nutné pro další práce na vlakovém lokátoru a jeho aplikacích. Lze předpokládat, že cena GPS přijímačů se bude snižovat a jejich přesnost zvyšovat. Nicméně jejich použití na železnici pro účely zabezpečovací techniky má význam pouze ve spojení s dalšími senzory a to bude předmětem dalšího výzkumu v rámci připravovaných národních i mezinárodních projektů.

V. Závěr

Důležitou skutečností je, že pohyb vlaku lze považovat za jednorozměrnou úlohu, protože vlak se pohybuje podél předem známé trajektorie (s centimetrovou přesností). Naproti tomu při použití DGPS v automobilové dopravě se jedná o úlohu minimálně dvojrozměrnou, protože automobil se může pohybovat jak ve směru příčném, tak podélném. Jednorozměrná úloha určení polohy vlaku nevyžaduje extrémní submetrovou přesnost k rozlišení, zda se vlak nachází na jedné ze dvou paralelních kolejí (min. vzdálenost os sousedních kolejí je cca 3.5 m), protože je možné sledovat pohyb vlaku na principu DGPS/INS podél přechodové trajektorie, kterou je jazyk výhybky. To nabízí lepší výchozí podmínky, které se mohou promítnout v brzkých aplikacích GPS pro monitorování a řízení vlaků, než tomu bude v automobilové dopravě (ITS- Intelligent Transportation Systems, IVHS - Intelligent Vehicle Highway Systems). Regionální tratě nabízejí dobré podmínky pro zkušební ověření systémů pro monitorování polohy vlaků na principu DGPS. Nelze pochybovat o tom, že tato technologie znamená nový směr v železniční dopravě a že vývoj a implementace těchto systémů bude vyžadovat ještě nemalé úsilí v mezinárodním měřítku.

Literatura:

  1. Filip, A.-Bažant, L.-Šalda, M.: Vlakový lokátor na principu GPS a INS. Rukopis článku do časopisu Nová železniční technika, září 1997 - bude publikováno
  2. Filip, A. -Bažant, L.-Šalda, M.: První satelitní sledování polohy kolejového vozidla na ČD - I.díl, Železničář, č. 27, 9-15.července, 1997, str. 6, díl II. č. 28, 16-23.července, 1997.
  3. Vantuono, W. C.: Mapping new roles for GIS. Railway Age, March 1995, pp. 45-52. Welty, G.: Controlling the future. Railway Age, January 1995, str. 33-37.
  4. Vantuono, W.C.: Do you know where your train is? Railway Age, February 1996, str. 41-42.
  5. Lissner, A.- Kloss, N.: GPS Based Positive Train Control: Developments and Field Trials. Internal Report December/1996, Keyser - Threde GmbH, 8 pages.
  6. Stephanedes, Y- Douligeris, Ch. - Takaba, S.: Communications for the Intelligent Transportation System. IEEE Communications Magazine, October 1996, str 24-30.
  7. Rappaport, T.S - Reed, J.H.: Position Location Using Wireless Communications on Highways og the Future. IEEE Communications Magazine, October 1996, str. 33-41.
  8. Hurn, J.: Differential GPS Explained. Firemní literatura Trimble Navigation Ltd., 1993, 55 stan.
  9. Differential GPS: An Aid to Positive Train Control. Federal Railroad Administration, USA, June 1995, 13 stran.
  10. Takahashi, K: Safety Measures for Track Workers. International Railway Safety Seminar, Mainz, 9-11 October, 1995.
  11. Vantuono, W.: New York leads a revolution. Railway Age, September 1996, str. 89-92.
  12. Jochem, T.- Polmerleau, D.- Kumar, B.: PANS: A Portable Navigation Platform. IEEE Symposium on Intelligent Vehicle, September 25-26, 1995, 9 stran.
  13. Lockyear, M.: Changing track, moving-block railway signalling. IEE Review, January 1996, str. 21-25.
  14. Hasegawa, Y.: Computer and Radio Aided Train Control System (CART). Japanes Railway Engineering, No. 135, 1995, str. 14-16.
  15. Filip, A.: Globální sledovací systém v provozu Českých drah - díl I. Železničář, č. 24, 19 - 24. června, 1996, str. 3. , díl II, . Železničář, č. 25, 26.června - 1.července, 1996, str. 3.
  16. Filip, A.: Inteligentní dopravní systémy na ČD. Železničář, č. 38, ročník III, 2-7 října 1996, str. 6
  17. Filip, A.-Bažant, L-Šalda, M.: První satelitní sledování polohy kolejového vozidla na ČD. Technická zpráva úkolu RVT č. D 2373029/4 Českých drah , červen 1997, 20 stran.