Framtida tågtrafikstyrning. Att styra tågtrafik i framtiden ett forskningsprojekt

Transkript

1 Framtida tågtrafikstyrning Rapport, Projektsammanfattning Att styra tågtrafik i framtiden ett forskningsprojekt Banverket Avd. för människa-datorinteraktion Inst. för informationsteknologi ppsala universitet Rev

2 Framtida tågtrafikstyrning - Bakgrund Att planera och styra tågtrafik är komplexa arbetsuppgifter. Människan, i rollen som operatör (tågledare och tågklarerare), måste kunna fatta snabba och korrekta beslut och effektivt genomföra dem. tvecklingen går mot snabbare och tätare trafik samt fler trafikutövare på banan, vilket också leder till att kraven på trafikledaren och de tekniska systemen förändras. För att få underlag för utformningen av morgondagens trafikledningssystem driver Banverket forsknings- och utvecklingsprojektet Framtida tågtrafikstyrning (FTTS). Arbetet är fokuserat på människans roll i styrningen av tågtrafikprocessen samt på gränsytan mellan människan/trafikledaren och de tekniska systemen, dvs deras användargränssnitt och beslutsstöd. Resultaten från projekten ska utgöra en grund för kommande teknisk utveckling. Som underlag för förslagsarbetet har omfattande intervjuer och observationer av erfarna trafikledare genomförts och analyserats. En arbetsgrupp av erfarna trafikledare har aktivt deltagit i arbetet. Dagens tågtrafikstyrning Grundprinciperna för hur dagens tågtrafikstyrning går till framgår av följande figur: Olika informationssystem Fjärrtågklarerare Centrala Tåglednings- Auto. system Omgivning Lokförare Banarbetare Tågklarerare Trafikinformatörer Tågledare Elledare Bandriftledning Trafikutövare m fl Lokala Auto. Tid-sträckagraf på papper Körplanebaserade automater Tågtrafikprocessen --

3 Med tågtrafikprocessen menar vi hela den infrastruktur som tågtrafiksystemet består av, inklusive de i infrastrukturen inbyggda signalsystemen, ställverken m.m. Tågtrafikprocessen innehåller automatiska funktioner som utför trafikstyrningsåtgärder, oftast genom lokala automater inbyggda i ställverken. Tågledningssystemet är det system som håller reda på tågtrafikprocessens status, förmedlar styråtgärder till tågtrafikprocessen och som fjärrtågklarerare och andra interagerar med. Manöversystemet innehåller en rad olika funktioner, varav läggandet av tågvägar är den centrala. Manöversystemet innehåller centrala automater som en del av den inbyggda funktionaliteten. I en del fall finns dessutom separata körplanebaserade trafikstyrningsautomater som samverkar med manöversystemen (t ex TLS). Fjärrtågklarerare interagerar med manöversystemet via dess gränssnitt. Gränssnittet kan se lika olika ut i olika generationer av manöversystem. Ett annat av fjärrtågklarerarens viktiga instrument i styrarbetet är den idag pappersbaserade tid-sträckagrafen. Denna används dels som plan för tågföringen och verktyg för omplanering, dels för att dokumentera hur trafiken styrts och hur till exempel banarbeten planerats och utförts. Fjärrtågklareraren använder sig också av ett antal olika andra informationssystem, för att få information från och om tågtrafiksystemet, för att kommunicera med omgivningen samt för att kunna registrera och dokumentera en rad olika saker. Trafikledare utför sina trafikstyrande uppgifter under kontinuerlig interaktion med manöversystem, andra informationssystem, omgivningen m.m. Arbetet är mycket komplext och dynamiskt. Vad är problemen med dagens arbetssätt? Arbetet med att styra tågtrafik, så som det görs idag, har noga beskrivits och analyserats inom projektet. Några viktiga aspekter på problemen med dagens arbetssätt, som en grund för att motivera våra förslag till nya styrprinciper och användargränssnitt, är i korthet följande: Arbetet är komplext och starkt dynamiskt, och därmed svårt att lära samt mentalt krävande. Det är svårt att få en god överblick vid komplexa situationer och störningar. Möjligheterna till mer optimala lösningar är små. Informationsinhämtningen har stora brister och är kognitivt krävande. Mycket av den information man behöver finns inte tillgänglig eller har för dålig precision. Information kommer ofta sent, vilket gör det svårt att hitta de bästa lösningarna. ppbyggnad av mentala modeller är svår, eftersom mycket liten dynamisk information presenteras. Autonoma automater gör processen svår att förutsäga. Vid större störningar tvingas man stänga av automaterna. Gränssnitten är dåligt integrerade. Flera olika informationssystem ska hanteras samtidigt. Styrmöjligheterna har begränsningar. Det finns ofta få möjligheter till mer långsiktig planering. Trafiksituationerna varierar mycket, och olika situationer kräver olika lösningar. Man har, sammanfattningsvis, mycket fokus på styrningen av den tekniska infrastrukturen på kort sikt, och mycket litet fokus på att planera för bra trafikflöden på längre sikt! --

4 Behov av nya principer för trafikstyrning Ett huvudargument för att införa ett nytt sätt att styra tågtrafik i framtiden är att underlätta för dem som ansvarar för trafikstyrningen, genom att skapa styrsystem som bättre än idag stödjer de kognitiva processer som är grunden för informationsinhämtning, bedömningar, beslut, åtgärder m.m. tvecklingen leder också till ett antal andra argument för att nya system är nödvändiga. Några viktiga sådana argument är: Den framtida tågtrafiken med ökande trafik, snabbare tåg, många separata trafikutövare, höjda krav på punktlighet m.m. kräver förbättrad trafikstyrning. Idag styrs inte trafiken på ett optimalt sätt. Det finns vinster att göra om man kan styra så att man utnyttjar infrastrukturen bättre. Det finns mer eller mindre uttalade visioner om att förändra sättet att styra. Man vill ha fokus på trafikflöden snarare än styra infrastrukturen. Dessa visioner har inte tidigare utvecklats så att de har kunnat utgöra underlag för experiment och teknisk utveckling. Den kommande utvecklingen inom E innebär bl a att lokförarens gränssnitt mot framtida ATC-system kommer att förändras (ETCS-standarder etc.). I samband med denna utveckling måste man även utveckla sättet för samverkan mellan lokförare och trafikledningscentralerna, TLC. Även den tekniska utvecklingen i övrigt ger förbättrade möjligheter att utveckla nya principer och teknik för trafikstyrning. Exempel är tekniker för att få information om tågs exakta position och hastighet eller automatisk dataöverföring mellan lok och trafikledningscentral. Den nya styrprincipen Styra genom att planera Syftet med förslaget är att åstadkomma en styrning på trafiknivå, där man så lite som möjligt behöver tänka och ta hänsyn till hur styrningen tekniskt ska kunna genomföras. Man ska också, genom att få bättre överblick, så effektivt som möjligt kunna utnyttja tillgängliga resurser i infrastrukturen. Detta kan man åstadkomma genom att man flyttar fokus från att styra de tekniska förutsättningarna för hur tågen ska framföras till ett se till att man ständigt har en uppdaterad och fungerande plan för hur man vill att trafiken ska flyta. Vi kallar detta för att styra genom att planera. Den plan som man således ständigt håller aktuell kan sedan oftast exekveras automatiskt. På detta sätt kan man flytta koncentrationen framåt i tiden och se de konflikter och störningar som håller på att byggas upp, samt vidta åtgärder så att man hanterar dessa i god tid. Därigenom kan man förebygga vissa typer av störningar samt begränsa deras effekter istället att ägna tid åt att reda ut dem när de redan inträffat. Andra mål med förslaget är att öka processens förutsägbarhet, dvs genom att presentera utförlig och tydlig information skapa möjligheter till att kunna förstå och förutsäga vad som kommer att ske i framtiden, så att inga onödiga överraskningar dyker upp som omkullkastar de tågföringsplaner man har. Eftersom arbetet med att styra tågtrafik även i framtiden kommer att vara komplext finns ett behov att utveckla effektiva beslutsstöd. Dessa ska, i alla fall till en början, vara --

5 enkla och ha som mål att på ett effektivt sätt ge förbättrat beslutsunderlag för planering och styrning. Det nya arbetssättet innebär att arbetet med trafikstyrning omvandlas till att ständigt se till att det finns en aktuell fungerande plan för hur man vill att trafiken ska flyta. Omgivning Tågförare Banarbetare Trafikinformatörer Bandriftledning Trafikutövare m fl Tågtrafikledare Planerare Exekverare Beslutsstöd Operatörsgränssnitt Tid-sträckagraf Spårplan Tågledningssystem Automatisk exekveringsfunktion Realtidsdatabas Trafikplan Processtatus Tågtrafikprocessen Den nya principen, att styra genom att planera. Trafikprocessen är som förut det totala trafik- och signalsystemet. En realtidsdatabas håller kontinuerligt reda på processens status samt på den likaledes ständigt uppdaterade trafikplanen. Trafikplanen är den plan som anger hur man för närvarande vill att trafiken ska flyta. I gränssnittet visas kontinuerligt den totala och samlade information som trafikledaren behöver för att kunna följa skeendet samt göra den omplanering och manuella styrning som fordras. Gränssnittet innehåller också de beslutsstödjande funktioner som hjälper trafikledaren i arbetet. Vi ser två olika roller för trafikledarens arbete: planerare och exekverare. Planeraren har ansvaret för att det hela tiden, dvs. i realtid, finns en aktuell och fungerande trafikplan. nderlag för arbetet kommer från gränssnittet samt från eventuellt andra informationssystem, samverkan med andra personer m.m. Beslut om förändrade planer fattas och anges i gränssnittet. Den nya förändrade planen kommer således alltid att finnas dokumenterad i realtidsdatabasen. Planeraren kan genomföra detta arbete så --

6 länge det inte inträffar sådana störningar som innebär att planen inte längre kan exekveras automatiskt. När man inte längre kan formulera en trafikplan som kan exekveras automatiskt måste man gå in och manuellt styra trafiken på tekniknivå, vilket då görs av exekveraren. Också exekveraren får sin information från gränssnittet, men kan i vissa fall ha behov av en mer detaljerad visning. Exekveraren utför ett styrarbete som mer motsvarar dagens tågtrafikstyrning. Så länge som det planerande sättet att styra trafiken fungerar exekveras planen automatiskt. I gränssnittet finns olika funktioner, beslutsstöd, inbyggda som hjälper trafikledaren att förstå den aktuella trafiksituationen, analysera den, göra prognoser, identifiera konflikter i god tid samt ge stöd i arbetet med att omplanera trafikplanen så att den kan genomföras på ett önskat sätt under de aktuella förhållandena. De automatiska funktionerna, som ska se till att den framtagna planen blir genomförd, exekverad, måste uppfylla ett antal viktiga krav för att våra mål med detta sätt att styra ska kunna realiseras. Automaterna måsta vara dumma och bara strikt utför planen, dvs fungera som en automatisk exekverare. Det innebär t ex att automaterna inte själv får ändra spåranvändning eller tågordning. Exekveringsfunktionen kan däremot utföra en rad nyttiga och avancerade funktioner för att i förväg testa att planen kan utföras. Detta sker genom att exekveringsfunktionen i så god tid som det är möjligt testar genomförandet av planen genom att förbereda anläggningen, bokar tågvägen, vilken sedan när tiden är inne exekveras, dvs. tågvägen läggs av trafikledaren och låses av ställverket. Nya gränssnitt för trafikledare Det nya sättet att styra genom att planera fordrar nya slags gränssnitt och beslutsstöd. En slutsats från kartläggningen av tågtrafikprocessen är att förutsättningarna för trafikledarens arbete varierar starkt med trafiksituation och anläggning. Därför måste arbetssätt, arbetsplats och användargränssnitt anpassas till sin unika omgivning. Här beskriver vi ett exempel på en gränssnittsprototyp för planering och styrning som är anpassad för flerspår och tät blandad trafik. Målen för det nya gränssnittet innebär bl a att: Det skall vara möjligt för trafikledaren att koncentrera sig på att styra genom att planera om i realtid. Systemets automatiska funktioner skall ge trafikledaren stöd även vid störningar. Arbetsplatsen, arbetssättet och användargränssnittet skall utgöra en integrerad helhet där trafikledarens samtliga arbetsuppgifter kan utföras. För operatörsgränssnittet gäller att trafikledaren samtidigt skall se all den information som är väsentlig för att fatta beslut om hur trafiken skall styras. Det krävs en stor visningsyta. Om man inte ser all relevant information samtidigt ökar den kognitiva belastningen. Den övre delen av ytan utgör en planeringsvy. Den innehåller information som kontinuerligt ger överblick över tidsaspekter av trafikprocessens historia, aktuella tillstånd och planerade utveckling. Tid-sträcka-diagrammet, som visat sig vara ett effektivt hjälpmedel, används för att visa den aktuella tidtabellen, planen. nder planeringsvyn, och samtidigt synlig, presenteras en ögonblicksbild av trafikprocessens och trafikanläggningens momentana tillstånd (banan och tågen) i en förenklad spårplan. Den utgör en exekveringsvy där trafikledaren manuellt kan förbereda -6-

7 fredag januari PP-spår Eby - Säy Myn - Kn Sol 0 90 Hgv 806 anläggningen, lägga och utlösa tågväg samt även övervaka att automatiska funktioner fungerar enligt planen. Tågledningssystemets (styrsystemets) alla olika egenskaper och tillstånd visas parallellt i denna vy. Det handlar främst om beläggning, tågväg, testad tågväg och återkoppling från styråtgärder, men även felfunktioner och avspärrningar presenteras. Ett nödvändigt komplement till dessa båda vyer planeringsvy och exekveringsvy är en yta där detaljinformation om tågs och stationers egenskaper kan visas. Omplaneringen görs genom att man ändrar den planerade tågföringen (uppehållstider, möten, spåranvändning m.m.) direkt i planeringsvyn Cst Y Ke i 806 Ni NY So dl NEDspår 6 min 06:0-06:6 Sjöström PPspår 09 9 min 09 06: - 06: Hytter PPspår -0 6 min.0 06: - 06: Gustafsson NEDspår YTTER min kvar.0 klart 06: 6 Byström NY N Hel Sol Nvk Kmy Hgv R pv Skby Nola Rs Mr Myn 80 0 Eby Säy PPspår min 0: - 0: Kn V Ax NED-spår N NY 06.0 Gt RC My n - Kn R - P V -9 SS RST RC SS - / V Ax m 886 ton 6 m 80 ton 9. km fr. Cst 6.6 km fr. Cst 0 90 Cst Ke So dl Hel Sol Kmy Nvk Hgv R pv Skby Rs Nola Mr Myn Kn Eby Säy Ett exempel på det nya gränssnittet. Planeringsvyn syns överst, baserad på en tidsträcka-graf. Exekveringsvy syns därunder, med den förenklade spårplanen. Annan detaljinformation om tåg och stationer syns på sidorna. --

8 Beslutsstöd I ett annat projekt inom Banverkets Fo-program, CATD-projektet, har grunderna för hur vi ser på behovet av beslutsstöd utvecklats. Vi har antagit en pragmatisk syn på hur beslutsstöd bör utformas och integreras, vilket innebär att de beslutsstöd vi har arbetat med inte är så teoretiskt avancerade, men avser att ge ett förbättrat beslutsunderlag för trafikledarna i praktiken. Huvudsyftet är att hjälpa till med att identifiera konflikter och störningar på ett så tidigt stadium som möjligt, visa på det handlingsutrymme som finns, identifiera alternativa lösningar samt via prognoser utvärdera effekterna av föreslagna åtgärder. Vi ser idag inga behov eller möjligheter att automatisera beslutsfattandet utan anser att trafikledaren alltid ska ha full kontroll över vad som sker. Automatiska funktioner Som nämnts ovan har dagens automater i tågledningssystemet vissa nackdelar. De stödjer inte trafikledarna på ett effektivt sätt i samband med större störningar och de är autonoma genom att de självständigt kan ändra på gällande trafikplaner m.m. De automatiska funktioner vi föreslår är av en annan art. Normalsättet att genomföra en trafikplan är enligt vårt förslag att automatiskt exekvera den. Detta sker med hjälp av en automatisk funktion, en automatisk exekverare, som slaviskt följer den av trafikledaren fastställda planen och som förbereder anläggningen och lägger den planlagda tågvägen utifrån fastställda kriterier. Den automatiska exekveraren är ingen automat i vanlig mening, utan en automatisk funktion som testar och lägger tågväg helt, och utan undantag, enligt den aktuella planen. Den påverkar inte den ordningsföljd tågen går eller vilka spår tåg skall använda. Samverkan mellan trafikledare och omgivningen En viktig del av trafikledarnas arbete är att i olika sammanhang samverka med befattningshavare i sin omgivning. Exempel på sådana är kollegor på den egna eller angränsande TLC, lokförare, trafikutövare, ban- och eldriftledning, banarbetare, tillsynsmän, räddningstjänst, polis m fl. I detta projekt har vi främst tittat lite mer på samverkan med lokförarna. Denna kan förbättras på många punkter, vilket skulle kunna bidra till bättre effektivitet i trafikstyrningen. En förutsättning för detta är att mer information kan utbytas automatiskt mellan loken och TLC. Viktiga delar av detta är information till TLC om position och hastighet för tågen, information om förseningar av olika slag m.m. Från TLC till loken är det viktigt att man kan överföra information om förändrade trafikplaner och om störningar i tågets omgivning. Om lokförarna får mer kunskap om den aktuella situationen och om de aktuella planerna, ges de förutsättningar att planera och köra mer optimalt. Testarbetsplats Arbetet med att utforma den framtida arbetsplatsen är inte slutfört, likaså återstår en hel del arbete med att testa och utvärdera de framtagna förslagen. För att kunna genomföra en del tester av förslagen har vi utformat en försöksarbetsplats där vi kan genomföra trafikstyrningsexperiment. För att möjliggöra experiment har ett annat projekt inom Banverkets Fo-program, TOPSim, tagit fram en tågtrafiksimulator. Denna består av ett programsystem som simulerar tågtrafiken i ett angivet bansystem samt det gränssnitt, beslutsstöd m.m. som vi vill testa i experimentet. -8-

9 TOPSim/TTS Simuleringsmodell Försöksperson Gränssnitt (trafikledare) Tågtrafiksimulatorn bestående av simuleringsmodell och gränssnitt, som försökspersonen kan interagera med under experimentet. Försöksarbetsplatsen har utformats enligt de riktlinjer som hittills tagits fram inom projektet och de resurser som varit tillgängliga. Resultatet av detta har blivit en försöksarbetsplats där användaren sitter framför en stor duk på vilken gränssnittet projiceras med hjälp av två takmonterade videoprojektorer. Experimenten, där försökspersoner får styra den simulerade trafiken med hjälp av de nya styrsystemen och gränssnitten, kan spelas in för senare analys. Projicerat gränssnitt ( projektorer) m Försöks -person m Tangentbord, mus Den uppbyggda försöksarbetsplatsen, med projicerad bild och försöksperson. -9-

10 Vad har vi lärt oss hittills? Resultatet av forskningsarbetet hittills, styrprinciperna, gränssnitten, beslutsstöden, simulatorn m.m., har till viss del kunnat testas. En hel del återstår dock vad det gäller slutgiltig utformning av prototyper samt mer omfattande tester och utvärderingar. Den framtagna försöksarbetsplatsen och simulatormiljön kommer att vara värdefull i detta arbete. Av det som framkommit hittills tror vi att resultaten är en viktig grund för framtida teknisk utveckling av nya trafikstyrningssystem. Styrprincipen, att styra genom att planera, förslagen till nya gränssnitt för planerare och exekverare, grunderna för praktiskt fungerande beslutsstöd, riktlinjer för automatiska exekveringsfunktioner m.m. finns tillgängliga i versioner som möjliggör realistiska experiment. En viktig del av resultatet från projektet är också den bakgrundskunskap som tagits fram. En del av detta utgör den kartläggning och tolkning av olika kunskapsområden med relevans för de studerade frågeställningarna. Här finns viktiga områden att beakta när man ska förstå människans roll i den komplexa och dynamiska trafikstyrningsprocessen samt vid utformningen av de tekniska system som människan ska interagera med. En annan del utgör den kartläggning och analys, genom intervjuer och observationer, av arbetet med att styra tågtrafik som genomförts. Detta har varit nödvändigt för att få en faktagrund för arbetet med förslag och prototyper. Projektfakta Arbetet har genomförts vid avdelningen för människa-datorinteraktion, inst. för informationsteknologi vid ppsala universitet, i nära samarbete med Banverket. En stor del av framtagandet av idéerna, utformningen och utvärderingen har gjorts i samverkan med en arbetsgrupp. Därför ett stort tack till Peter Book, Lars Elner, Jonny Gustafsson, Kent Erik Hytter, Åke Lundgren och Karin Sjöström. Tack också till Peter Hellström, Banverket Projektering och Thomas Kvist, Högskolan Dalarna, för gott samarbete inom forskningsprojekten. Simulatorsystemet har utvecklats i samarbete med ÅF/Industriteknik AB. Jan Byström och Anders Gideon har varit våra uppdragsgivare och kontaktpersoner mot Banverket, men har också på ett mycket aktivt sätt deltagit i projektarbetet. Projektet har finansierats av Vinnova (tidigare KFB, Kommunikationsforskningsberedningen) samt Banverkets Fo-program. ppsala 00 Arne W Andersson Bengt Sandblad -0-

11 Projektet FTTS, Framtida tågtrafikstyrning, har genomfört forskning om morgondagens tågtrafikstyrning. Syftet har dels varit att kartlägga viktiga grundläggande kunskaper som fordras för att utforma morgondagens lösningar, dels att ta fram och utvärdera prototyper till nya system för trafikstyrning. Resultatet utgörs nu av förslag till framtida styrprinciper, användargränssnitt, beslutsstöd, arbetsorganisation, arbetsplatsutformning m.m. Resultaten från projektet sammanfattas i följande rapportserie. Rapport. Rapport. Rapport. Rapport. Rapport. Rapport 6. Rapport. Att styra tågtrafik i framtiden ett forskningsprojekt - En informationsbroschyr Sammanfattande slutrapport Grundläggande teorier och utgångspunkter. En kunskapsbas för utformning av framtida styrsystem och användargränssnitt för tågtrafikstyrning Framtida tågtrafikstyrning. Principer, gränssnitt och stödsystem. Riktlinjer och designregler för gränssnittsutformning. Kommunikation mellan TLC och omgivningen. FTTS-projektets arbetsformer. Rapporterna kan erhållas från MDI, Inst. för informationsteknologi, ppsala universitet. Kontaktperson: Bengt Sandblad (Bengt.Sandblad@hci.uu.se) De finns även tillgängliga elektroniskt via Projektet har finansierats av: - VINNOVA - Banverkets Fo-program ppsala 00 --