Sisteme inteligente, cu mare răspundere funcțională în transportul feroviar

În cadrul sistemelor tehnice un loc aparte ocupă sistemele inteligente care au capabilitatea de a memora (stoca) informaţii (date) şi de a le utiliza la un moment dat în luarea unor decizii.

 

  1. Considerații generale

În cadrul sistemelor tehnice un loc aparte ocupă sistemele inteligente care au capabilitatea de a memora (stoca) informaţii (date) şi de a le utiliza la un moment dat în luarea unor decizii.

Aceste sisteme tehnice inteligente, dacă sunt caracterizate printr-un grad ridicat de exigenţă în ceea ce priveşte îndeplinirea funcţiunilor atribuite se numesc sisteme inteligente cu mare răspundere funcţională.

Din această categorie fac parte sistemele tehnice de transport (de dirijare a circulaţiei terestre şi a navigaţiei), dar şi cele de protecţie a centralelor nuclear electrice sau a altor obiective cu grad ridicat de periculozitate. În cazul acestora, orice defectare necontrolată poate conduce la evenimente catastrofice: pierderi de vieți omeneşti, contaminarea mediului cu efecte nebănuite şi pe termen lung etc.

De aceea în cazul sistemelor inteligente cu mare răspundere funcţională se iau în considerare două elemente definitorii: siguranţa funcţionării sistemului şi securitatea sistemului.

 

Siguranța funcționarii sistemului presupune respectarea condițiilor tehnice minime impuse tuturor elementelor care compun sistemul, precum și a reglementărilor specifice stabilite operatorului uman, pentru a nu duce sistemul în situaţii periculoase, în orice stare s-ar afla acesta (mai cu seamă în starea de defectare).

 

În cazul traficului feroviar siguranța presupune respectarea conditiilor tehnice minime impuse elementelor care participă în desfășurarea traficului (calea de rulare, instalațiile de alimentare a tracțiunii electrice, materialul rulant, instalațiile de semnalizare-centralizare-interblocare și de control al vitezei), precum și respectarea reglementărilor de siguranță stabilite la căile ferate.

Pentru realizarea unui nivel ridicat de siguranță, unele elemente care participă în desfășurarea traficului feroviar, respectiv: calea de rulare, materialul rulant și instalațiile de alimentare a tracțiunii electrice trebuie să respecte anumiți parametri tehnici de siguranță, cu toleranțe mecanice și electrice, cu elemente de geometrie, atât la fabricație și la punerea lor în funcțiune, cât și la întreținerea/repararea pe timpul exploatării.

În cazul instalațiilor de semnalizare-centralizare-interblocare și de control a vitezei trenurilor, pe lângă parametrii tehnici specifici, acestea trebuie să îndeplinească o serie de condiții de siguranță realizate prin scheme logice de incompatibilitate a parcursurilor vehiculelor feroviare, de aceea atât proiectarea, realizarea cât și întreținerea lor este cu mult mai complexă.

Reglementările de siguranță la căile ferate stabilesc cadrul operațional în toate situațiile posibile și au un caracter obligatoriu pentru personalul cu responsabilități în siguranța circulației.

 

Reglementările specifice sistemului de transport feroviar român au fost structurate după cum urmează:

  1. regulamente – care stabilesc regulile generale obligatorii pentru toți cei care participă la procesul de transport feroviar;
    b. instructiuni – specifice ramurilor de activitate, care detaliază elemente tehnice, măsuri, atribuții și responsabilitați specifice;
    c. norme și specificații tehnice – care stabilesc condițiile tehnice pe care trebuie să le îndeplinească o categorie de produse/servicii și, respectiv, condițiile tehnice pe care trebuie să le îndeplinească un produs/serviciu;
    d. planuri tehnice de exploatare a stațiilor – care stabilesc modul de utilizare a mijloacelor tehnice din stație și reglementează circulația și manevra vehiculelor feroviare;
    e. instructiuni de manipulare – pentru instalatiile de sigurantă utilizate de personalul cu responsabilităti în siguranta circulatiei în vederea executării operatiilor legate de circulatia și manevra vehiculelor feroviare;
    f. prescriptii de lucru – reglementări de amănunt elaborate pentru efectuarea unor lucrări la infrastructura feroviară;
    g. alte reglementari specifice.

 

Se poate considera astfel, că la siguranța traficului feroviar concură două categorii de factori:

-factorii permanenți, din interiorul sistemului feroviar, sunt: factorul tehnic și  factorul uman, însoțiți de reglementările corespunzătoare.

-factorii aleatori, din exteriorul sistemului feroviar, cei mai periculoși pentru că nu pot fi prevăzuți și, ca atare, de cele mai multe ori nici evitați, sunt determinați de incidența traficului rutier la pasajele la nivel cu calea ferată și/sau de calamitățile naturale.

 

Factorul tehnic include totalitatea sistemelor de siguranță ale traficului feroviar de la încuietori cu chei și tablouri mecanice, bariere mecanice, instalații de centralizare și interblocare mecanică, la instalații de centralizare și interblocare electrodinamică, instalații de bloc de linie automat, instalații automate de acoperire a pasajelor la nivel cu calea ferată – cu semibariere ori numai cu semnalizare optică și acustică – sau mai nou la instalații de centralizare electronică cu tehnică de calcul, de la instalația INDUSI de control a vitezei trenurilor la sisteme moderne tip ETCS și chiar sisteme de dirijare a traficului feroviar prin instalații dispecer cu tehnică de calcul de tip ERTMS.

Condițiile de siguranță satisfăcute de sistemele de siguranță ale traficului feroviar nu sunt aceleași la toate administrațiile feroviare, ele urmăresc o anume filozofie specifică de siguranță. În funcție de gradul de automatizare al sistemelor de siguranță ale traficului feroviar, condițiile de siguranță sunt din ce în ce mai complexe și mai complete, astfel încât ele să fie realizate prin instalații, diminuându-se în acest fel contribuția factorului uman și eliminându-se astfel o parte importantă din doza de risc.

Apreciind gradul de automatizare și condițiile de siguranță satisfăcute, sistemele de siguranță ale traficului feroviar sunt ierarhizate în patru niveluri de siguranță, nivelul SIL4 fiind cel mai evoluat.

De asemenea, factorul tehnic include linia de cale ferată, linia de contact și instalațiile de electroalimentare a acesteia, cu parametrii specifici pentru diferite trepte de viteză, operele de artă (poduri, podețe, tuneluri, viaducte, etc.) și nu în ultimul rând vehiculele feroviare cu caracteristicile tehnice stabilite pentru anumite condiții.

 

Factorul uman, din experiența acumulată de-alungul timpului, reprezintă elementul considerat subiectiv și vulnerabil, deși personalul care îndeplinește funcții cu responsabilități în siguranța circulației este atent selecționat, instruit și periodic verificat din punct de vedere profesional, medical şi psihologic. Acest personal acționează în baza reglementărilor stabilite pentru fiecare situație în parte, începând cu formarea trenurilor până la manipularea instalațiilor de siguranță a traficului feroviar pentru executarea circulației și manevrei, conducerea vehiculelor feroviare, conducerea traficului pe secții de circulație și situațiile, de loc neglijabile, ale întreținerii și reparării infrastructurii și a vehiculelor feroviare etc.

 

Incidența traficului rutier la pasajele la nivel cu calea ferată determină cele mai grave evenimente și accidente feroviare, pe seama neasigurării și nerespectării indicatoarelor de avertizare rutieră de către participanții la traficul rutier.

În cazul calamităților naturale, un alt segment al factorilor aleatori, de regulă se evită consecințele prin supravegherea și verificarea periodică a infrastructurii și suprastructurii căii, a operelor de artă, a liniei de contact și a celorlalte elemente ce concură în traficul feroviar.

 

 

Securitatea sistemului vizează capacitatea acestuia de a nu deveni vulnerabil în faţa unor factori perturbatori externi (fenomene naturale, vandalizări, furturi de componente etc), adică orice afectare datorită acestora să nu ducă sistemul în situații periculoase. 

 

Securitatea în traficul feroviar reprezintă capacitatea sistemului de transport feroviar de a duce la destinație, în stare de integritate, bunurile încredințate la transport.

Pentru asigurarea acestei capacități se pot lua în discuție tot două categorii de factori:

 

-factorii permanenți, din interiorul sistemului feroviar, sunt: factorul tehnic și factorul uman, însoțiți de reglementările corespunzătoare.

-factorii aleatori, din exteriorul sistemului feroviar, determinați ca și în cazul siguranței traficului feroviar de incidența traficului rutier la pasajele la nivel cu calea ferată și/sau de calamitățile naturale.

 

Factorul tehnic cuprinde totalitatea mijloacelor care concură la asigurarea integrității bunurilor încredințate la transport: de la starea și înălțimea peroanelor, închiderea/deschiderea automată a ușilor de vagon la pornirea/oprirea trenului -în cazul transportul feroviar de călători- la modul de încărcare, la starea rampelor și utilajelor de încărcare/descărcare, precum și a magaziilor – în cazul transportului feroviar de mărfuri- la securizarea vagoanelor atât pentru transportul feroviar de călători, cât și pentru transportul feroviar de mărfuri.

Factorul uman, considerat și în acest caz subiectiv și vulnerabil, acționează pe baza reglementărilor stabilite privind supravegherea urcării și coborârii călătorilor în și din tren -în cazul transportului feroviar de călători- supraveghează și verifică încărcarea mărfurilor -în cazul transportului feroviar de marfă.

 

În concluzie se poate spune că siguranța creează securitate, iar securitatea poate influența siguranța.

 

De menționat faptul că siguranța și securitatea sistemului de transport feroviar ocupă un loc aparte în preocupările Uniunii Internaționale a Căilor Ferate (UIC). Astfel, în anul 2002 a fost inițiată, într-o fază pilot, Baza de date de siguranță a UIC, la realizarea căreia au participat toate țările europene.

Operarea trenurilor în alte țări decât cele de unde provin este o afacere care va creste în cadrul definit de interoperabilitate și se va confrunta cu un număr mai mare de participanți, atât ca infrastructuri, cât și ca operatori; prin urmare, se are în vedere integrarea sistemelor naționale de transport feroviar în sistemul rețelelor transeuropene de transport feroviar, convenționale și de mare viteză. Această evoluție trebuie privită cu o precauție suplimentară în privința facilitării adaptării diferitelor categorii profesionale la noile condiții de muncă.

Pe seama celor prezentate și urmărind recomandările Platformei de siguranță, UIC a lansat un studiu cu privire la factorul uman și influența sa asupra siguranței în interoperabilitatea trenurilor pe rețelele transeuropene de transport feroviar.

Complementar și în paralel cu activitatea de siguranță, securitatea în operarea feroviară este obiectul cooperării internaționale considerat din ce în ce mai important de membrii UIC. Atât pentru transporturile feroviare, cât și pentru celelalte sectoare, securitatea este percepută acum ca o componentă esențială în activitatea de marketing.

O dată cu noile provocări apărute în urma atentatului de la 11 septembrie 2001, căile ferate caută împreună modalitățile de prevenire a unei serii de noi amenințări: acte de vandalism, de lipsa de respect și violența asupra pasagerilor și a personalului de tren, terorismul, protecția instalațiilor de siguranță, imigrația ilegală, modul de tratare a evenimentelor majore care pot provoca probleme de securitate etc.

Activitatea UIC în acest domeniu este coordonată de Grupul de securitate și este parte integrantă a dimensiunii de cooperare.

Realizarea integrării statelor în Uniunea Europeană a creat posibilitatea integrării și a rețelelor feroviare într-un sistem de transport feroviar european unitar în cele două forme ale sale: convențional (<200 Km/oră) și de mare viteză (>200 Km/oră).

De aceea la începutul anului 2006, Comisia Europeană a adoptat decizia sa de înființare a Agenției Europene a Căilor Ferate (ERA) mandatată de a elabora specificații tehnice de interoperabilitate, obiective comune de siguranță, metode comune de siguranță și cerințe comune de siguranță pentru certificare de siguranță, în temeiul Directivei 2004/49 /EC.

 

Iată, deci că atât Uniunea Internațională a Căilor Ferate (UIC) – ca organizație profesională cât și Agenția Europeană a Căilor Ferate (ERA) – ca organism european specializat au preocupări semnificative în realizarea unui climat comun pentru realizarea interoperabilității, asigurându-se condițiile necesare pentru deplina siguranță a traficului feroviar, pentru securitatea bunurilor transportate și fără pericol pentru mediul înconjurător.

 

  1. Principii de realizare tehnică a sistemelor inteligente, cu mare răspundere funcţională

                  

         Creşterea continuă a complexităţii sistemelor tehnice pe seama informatizării şi automatizării pe scară largă, precum şi a importanţei misiunilor pe care acestea urmează să le îndeplinească impun implementarea unor metode eficiente de minimalizare a riscurilor eventualelor defectări.

Aspectele referitoare la realizarea unui sistem sigur în funcţionare (din categoria sistemelor inteligente, cu mare răspundere funcţională) pot fi abordate în două moduri de lucru complementare:

 

evitarea defectării

şi

toleranţa la defectări.

 

Evitarea defectării, realizată încă din faza de proiectare a sistemului, presupune eliminarea sau cel puţin limitarea funcţionării anormale, prin utilizarea de componente cu fiabilitate ridicată, alegerea unor regimuri de lucru cu solicitare redusă a componentelor, eliminarea erorilor de concepţie şi execuţie cu diferite tehnici de verificare a proiectării şi funcţionării. Cu toate acestea, experienţa a demonstrat că defectările apar inevitabil în sistem, fie datorită solicitărilor acestuia, fie datorită îmbătrânirii în timp a componentelor, de aceea sistemul trebuie să funcţioneze pe principiul fail-safe: orice defectare aduce sistemul într-o stare mai restrictivă decât cea în care a fost (în cazul Instalaţiei de centralizare dintr-o staţie CFInterlocking system arderea unui bec la o unitate permisivă a unui semnal conduce la trecerea pe o indicaţie mai restrictivă decât cea în care a fost, de  ex.: din Verde în Galben, din Galben în Roşu etc.).

        

Toleranţa la defectări este o caracteristică structurală a sistemului care, prin arhitectura configurată, face posibilă funcţionarea sa, chiar în condiţiile apariţiei unor defecte. În sistem, realizarea toleranţei la defectări este posibilă prin multiplicarea componentei hardware şi/sau software, astfel încât funcţiile acestuia să nu fie afectate; în plus este necesară ca detectarea şi localizarea defectelor să fie afişată utilizatorului.

 

Există două concepte acceptate pe plan internaţional: principiul diversităţii şi principiul logicii majoritare, iar noţiunea de fail – safe se utilizează, în continuare, pentru nivelurile cele mai înalte de siguranţă.

 

         Principiul diversităţii utilizează un singur procesor, pe care se rulează, secvenţial, două programe diferite, scrise de echipe de programatori diferite, cu tehnici de programare diferite.

 

 

Principiul diversităţii – reprezentare

Dacă: E1 ≠  E2 – procesul nu se execută
E1 = E2 – procesul se execută

 

 

 

 

 

 

Software-ul de bază al aplicaţiei se axează pe un sistem de cicluri de lucru cu telegrame lungi şi cicluri mari de verificare. Software-ul de aplicaţie se bazează pe transpunerea în programe a ecuaţiilor booleene ale schemelor logice clasice cu relee.

Procesorul trebuie să aibă o mare răspundere funcţională.

 

Principiul logicii majoritare se bazează pe variantele 2 din 2 sau 2 din 3. Se folosesc, de exemplu, două sau trei procesoare pe care se rulează acelaşi program. În timpul funcţionării are loc testarea reciprocă a sistemelor pe diferite niveluri de evoluţie a procesului.

Dacă răspunsul la două sisteme este identic, atunci operaţiunea comandată este validată. Software-ul de bază are cicluri reduse de verificare, iar software-ul de aplicaţie se bazează pe implementarea unei logici proprii sistemului (de exemplu, sistemul de reguli al CFR).

Procesoarele folosite pot fi de tipul industrial, fără pretenţii deosebite.

 

                 

 

 

 

 

 

Principiul logicii majoritare 2 din 3 – reprezentare

 

Procesul se execută dacă:

  1. a) E1 = E2 = E3, semnalul E la ieşirea voterului va fi identic cu acestea;
  2. b) E1 incorect, adică E1 ≠ E2 = E3, semnalul E la ieşirea voterului va fi identic cu majoritatea, adică E2, E3;
  3. c) E2 incorect, adică E2 ≠ E1 = E3, semnalul E la ieşirea voterului va fi identic cu majoritatea, adică E1, E3;
  4. d) E3 incorect, adică E3 ≠ E1 = E2, semnalul E la ieşirea voterului va fi identic cu majoritatea, adică E1, E2.

 

În toate celelalte cazuri procesul nu se execută.

 

În viziune modernă, ingineria logisticii industriale, realizată în faza de creare a sistemului şi în condiţiile exigenţelor cerute de exploatare, asigură acestuia dimensionarea corectă şi siguranţa în funcţionare dorită, utilizând modelarea matematică probabilistică pentru reprezentarea proceselor de defectare şi pentru stabilirea structurilor arhitecturale, necesare funcţionării corecte.

La o comparaţie privind performanţele şi gradul de risc, în cazul sistemelor tehnice de management al traficului feroviar, pentru staţiile mari şi mijlocii administraţiile feroviare preferă principiul logicii majoritare, deoarece: sistemul are redundanţă proprie (ceea ce reduce mult posibilitatea de nefuncţionare); durata de realizare a parcursurilor este mai mică; riscurile în ceea ce priveşte siguranţa circulaţiei sunt mai mici (deoarece testarea sistemului este mult mai simplă), iar în cazul unor modificări ale dispozitivului de linii, realizarea modificării configuraţiei staţiei se face foarte simplu.   

 

  1. Concluzii

Sistemul de transport feroviar s-a remarcat, în evoluţia sa, ca un sistem complex şi foarte specializat, cu particularităţi remarcabile şi în condiţii de eficienţă economică superioare celorlalte forme de transport: cantităţi mari de mărfuri sau număr ridicat de persoane transportate în acelaşi timp şi în condiţii de siguranţă sporită, pătrunderea în zone în care alte forme de transport nu au acces, un rol strategic bine conturat şi, nu în ultimul rând, caracterul nepoluant al acestuia.

Pe de altă parte, tehnica feroviară a avut un rol determinant în dezvoltarea transporturilor de marfă şi de călători, astfel că, pornind de la viteza de circa 30 km/h, astăzi se circulă cu peste 250 km/h, limită ce poate fi depăşită pe linii speciale, în plus transportul pe calea ferată prezintă un grad ridicat de siguranţă, indiferent de anotimp.

Din aceste motive Comunitatea Europeană a hotărât să acorde prioritate dezvoltării transportului feroviar comunitar, cu atât mai mult cu cât, în ceea ce priveşte energia, costul pe unitatea transportată este de circa trei ori mai mic faţă de transportul auto.

Trecerea la economia de piaţă pune problema elaborării unei legislaţii corespunzătoare, care să ţină cont atât de noile condiţii apărute pe piaţa transporturilor, cât şi de politica socială şi ecologică a ţării pe de o parte şi de contextul european pe de altă parte.

Sistemul de transport feroviar, analizat din punct de vedere economic, strategic, social şi al mediului înconjurător, prezintă avantaje reale ce-i conferă un loc prioritar în economia unei ţări.

 

de Lector Univ. Dr. Ing. Ioan BUCIUMAN