Version 2015-05-12 VTI Tågsimulator Lägesbeskrivning 1
Innehåll Förkortningar... 4 2 Bakgrund... 5 Användning... 5 Forskning... 5 Utbildning... 5 Införande av ERTMS... 6 Projektering ERTMS... 6 Olika versioner av VTIs tågsimulator... 7 Förarplats... 9 Simulatorns delkomponenter... 10 Tåget... 10 Motorvagnståg... 10 Mätning av energi... 11 Längre tåg (vidareutveckling)... 11 Marksystem... 11 Yttre signalering... 11 Banor... 12 Jönköpingsbanan (ATC, System H)... 12 Citytunneln i Malmö (ATC, tvåskensignalering)... 13 Ådalsbanan (ERTMS,E2)... 13 Botniabanan (ERTMS)... 15 Södra Stambanan (Linghem Vikingstad)... 15 Signalsystem... 15 ATC (System H)... 15 ERTMS (System E2)... 16 STM... 17 System M... 17 Tågledare/RBC... 17 Tågväg (MA)... 17 Tågmöten... 17 Händelser och Datainsamling... 18 Scenario/Händelser... 18 Lektioner... 18 Loggning av data... 19 Fortsatt arbete... 19
Andra fordonstyper... 19 ERTMS... 19 STM... 19 Nya bansträckningar... 19 Utbildningsmodul/Tågledare... 20 VTI:s Simulator... 20 Simulator för godståg... 20 Fordonet... 20 Drivning... 21 Linjespänning... 21 Låg friktion slip... 21 Broms... 21 Återmatande broms... 21 Pneumatisk broms... 21 Luftmotstånd... 21 Rullmotstånd.... 21 Lutningsinverkan.... 22 Kopplingskrafter... 22 Förarpanel... 22 Säkerhetspedal... 23 Ljud... 23 Bana... 23 Utbildning/Mätning... 23 Referenser... 24 3
Förkortningar (kompletteras) ATC ATP BIS CSM DMI ERTMS ETCS LIOr MA PIM RBC RSM STM STH TSM Driftlägen SH SB SR FS TR PT NL SL RV IS UN SF OS TSR TAF Automatic Train Control Automatic Train Protection BanInformationsSystemet Driver Machine Interface European Rail Traffic Management System European Train Control System LIA (Lärarande i Arbetet) i plural Movement Authority (Körtillstånd) Radio Block Center (Radioblockcentral) Specific Transmission Module Största Tillåtna Hastighet Shift StandBy Staff Responsible Full Supervision Trip Post Trip OnSight Temporary Speed Reduction Track Ahead Free (Spåret Hinderfritt) 4
Bakgrund VTI har sedan lång tid använt simulatorer för att studera bilförares beteenden i olika körsituationer. Från att ha varit dyra och komplexa system har simulatorerna i IT-åldern blivit betydligt billigare att tillverka och möjliga att använda i allt fler tillämpningar. VTI erbjuder skräddarsydda lösningar eftersom vi arbetar med en öppen källkod och att detta resulterat i att vi levererat ett antal mindre simulatorer som nu används i olika sammanhang. Eftersom en järnvägsmiljö till vissa delar påminner om en vägmiljö bägge följer en korridor på marken bedömde vi det möjligt att använda samma programvaror och simulatortekniker även på järnvägssidan. Arbetet med en järnvägssimulator påbörjades och har fortsatt parallellt med arbetet med bilsimulatorer. Att utföra försök i en simulator innebär andra krav på försöksupplägg än om försöket utförs i verklig trafik. I simulatorn har man fullständig kontroll över sin situation, mötande bilar, ljusförhållanden, händelser med mera. På samma sätt förhåller det sig om man använder simulatorer i utbildning. De speciella förhållanden som gäller kräver därför att utbildningen anpassas och tar tillvara de möjligheter som en simulator erbjuder, men även att man inser var den har begränsningar. Här beskrivs de tekniska förutsättningarna för att bygga upp en fungerande simulatormiljö, utvecklingsmöjligheter och nuvarande innehåll programvaran till VTI:s tågsimulator. Behov att utveckla ett simulatorverktyg för signalprojektering har framkommit i flera studier genomförda inom ramen för detta forskningsprojekt samt baserat på erfarenheter från andra uppdrag som MTO Säkerhet utfört. Resultaten visar att för att en god körbarhet ska kunna uppnås på främst reinvesterade E2-banor krävs det att det finns möjlighet att testa projekteringslösningar i relation till hur de blir presenterade på DMI. Detta för att säkerställa kapaciteten på kommande E2- banor samt att information stödjer förarens mål med trafiksäkerhet, tidhållning, komfort och miljöekonomisk körning. Användning Forskning Ett huvudsyfte för VTI:s simulatorverksamhet är att bedriva olika forskningsprojekt t.ex. inom fordonsteknik, samspelet mellan operatör och teknik, trafiksäkerhet, utbildning/träning och fysiologi (trötthet, stress, funktionshinder). Simulatorer erbjuder möjligheter att genomföra studier under kontrollerade förhållanden och möjlighet att studera/utvärdera/träna säkerhetskritiska situationer som inte låter sig göra i verkligheten. Man kan exempelvis studera olika utformningar av DMI med avseende på funktion, säkerhet och acceptans. Utbildning Vid kontakter med operatörer och utbildningsanordnare märker vi ett stort intresse att använda simulatorer som ett hjälpmedel i lokförarutbildningen. Det stora problemet verkar vara att utbildningarna är utspridda på ett antal mindre utförare som var för sig inte har resurser att bekosta den utveckling som behövs för att ta fram fungerande utbildningspaket där man använder simulatorer. Vidare kräver simulatorer att man tänker igenom hur man anpassar pedagogiken till det nya verktyget. 5
Bland exemplen på lämpliga utbildningsavsnitt där en simulator kan användas, kan nämnas: grundläggande utbildning på ATC, STM och ERTMS, träning på ovanliga händelser exempelvis balisfel, backning och växling vid ERTMS samt övning på energiekonomisk körning. Införande av ERTMS För närvarande finns det nya signalsystemet ERTMS infört på två bansträckor Ådalsbanan/Botniabanan mellan Sundsvall och Umeå och Haparandabanan mellan Boden och Haparanda. På sikt skall de större järnvägsstråken utrustas med ERTMS vilket kommer att kräva en avsevärd utbildning av förare och elever på det nya systemet. Nuvarande utbildningar bygger på att en stor del kunskap inhämtas via praktiska övningar på befintliga banor, så kallade LIOr, men existerande banor inte kan användas mer än till en liten del för att ge samtliga förare den nödvändiga praktiken. Därför borde man undersöka om lämpligt utformade simulatorer i varje fall delvis kan ersätta eller komplettera de praktiska övningarna så att övergångarna sker så smidigt som möjligt. Vidare kan simulatorer användas för att varva teori och praktik och på så sätt göra utbildningen mer effektiv. Projektering ERTMS Vid projektering av en ATC-bana begränsas antalet hastighetsändringar beroende på att för varje ändring tillkommer kostnader för skyltning och baliser. Eftersom all hastighetsinformation överförs via radio och ingen extra utrustning placeras ut längs banan så är det tekniskt möjligt med ERTMS att projektera banans STH så att varje kurva får en egen hastighet. Detta har praktiserats på den gamla delen av Haparandabanan. På de tio milen mellan Boden och Kalix ändras hastigheten cirka 140 gånger. Så länge som banan i huvudsak trafikeras av godståg med låga sth-hastigheter så märks inte alla hastighetsändringar. Men om man sätter in tåg med sth kring 200 km/h på banan så kommer alla hastighetsändringar att visas på DMI:t vilket dels ökar arbetsbelastningen för föraren, dels döljer framtida hastighetsändringar eftersom ERTMS inte, som ATC, kan visa flera hastighetsändringar samtidigt. Det har inte varit möjligt att testa framtagen signalprojektering med hänsyn till hur hastighetsprofilen hanteras av fordonet och hur den presenteras för föraren på DMI:t, vilket är avgörande för förarens möjlighet att köra tåget. Det saknas verktyg för att iterativt testa projekteringslösningar för ERTMS innan ett implementeringsstadie. Avsaknaden av en testmiljö har bland annat bidragit till att Haparandabanan måste projekteras om då den implementerade hastighetsprofilen inte är hållbar ur körbarhetssynpunkt. Genom att testa lösningar kan förbättringar i projekteringslösningar upptäckas i ett tidigt skede vilket minskar åtgärdskostnader. Med ett simulatorverktyg, anpassat för testverksamhet av signalprojektering, kan signalprojektören bland annat se hur hastighetsprofilen blir presenterad på DMI eller vilken kapacitetspåverkan profilen har beroende på fordonstyp. Projekteringen kan antingen testas genom automatisk körning eller med hjälp av förare för att få information om hur förarna upplever informationen på DMI och körbarheten i hastighetsprofilen. 6
Olika versioner av VTIs tågsimulator För närvarande har simulatorn utrustats i olika versioner. Figur 1. Endast den yttre vyn. Bombardier använder den yttre banbeskrivningen (Ådalsbanan) tillsammans med egen programvara för eget bruk. Figur 2. PC/Laptop version. Endast en dator med tillräcklig kapacitet krävs för simuleringen. Reglagen ersätts med datorns tangentbord och mus. 7
Figur 3. Stationär simulator (Järnvägsskolan). Simulatorn består av dator med ljudsystem samt körkontroll från Regina, touchskärm för ETCS-DMI, bildskärm för att visa den omgivande vyn samt en säkerhetspedal. En fungerande ATC-panel kan även användas till simulatorn. Figur 4. Transportabel simulator (MTO). Simulatorn består av dator samt körkontroll från Regina, touchskärm för ETCS och en projektor/bildskärm för den yttre vyn. ATC-information kan presenteras i samma bildskärm som visar den yttre vyn. 8
Figur 5. Stationär simulator (SJ/ProTrain). Körkontroll från Regina och touchskärm för ETCS, fast monterade på ett förarbord med bilder av paneler, och en bildskärm för den yttre vyn. Den har även ett separat ljudsystem. ATC kan simuleras i samma bildskärm som visar den yttre vyn. Figur 6. Simulator med förarhytt (VTI). Körkontroll från Regina, touchskärm och yttre vy är inbyggda i en hytt som motsvarar förarplatsen för en Regina, komplett med paneler, säkerhetspedal och ett separat ljudsystem. En fungerande ATC-panel är kopplad till simulatorn. Förarplats De olika simulatorernas förarplatser har utformats olika beroende på tillämpning. I grundutformningen består platsen av en bildskärm som visar omvärld med spår, optiska signaler etc. Den kan även visa en ATC-panel i bildens underkant. En mindre bildskärm, oftast av touch-typ visar ETCS-DMI:t alternativt en hastighetsmätare. En körspak, i de flesta fall en Regina-körspak för gas/broms alternativt för farthållare/broms. I vissa fall har en fiktiv förarplats byggts upp i form av falska paneler med någon eller några fungerande funktioner, exempelvis Tyfonen. 9
Det är även möjligt att använda systemet direkt på en dator utan yttre reglage eller bildskärmar. I detta fall används tangentbordet som ersättning för reglaget och musklick ersätter touchtryckningar. Simulatorns delkomponenter Simulatorn är uppbyggd av separata enheter för att beskriva Tågledaren/RBC, Marksystemet och Tåget. Dessutom tillkommer en enhet, Scenarios, för att skapa händelser under körning. De olika enheterna hanteras separat och kan var för sig utvecklas mer eller mindre beroende på behov. Stor vikt har lagts vid modelleringen av Signalsystemet som ingår i samtliga enheter. Både ATC2 och ERTMS, E2 är implementerade. ATC2 även i form av tvåskenssignalering. Det går även att köra utan vare sig ATC eller ERTMS och enbart förlita sig till de optiska signalerna. Tåget Tåget består av en matematisk modell som beskriver dess huvudsakliga komponenter: Drivning, bromssystem, luft- och rullmotstånd, visst kurvmotstånd och inverkan på banans lutning. Fordonet styrs av fordonstypiska reglage för drivning och broms, samt av eventuella ytterligare pedaler och knappar. Vidare kan det påverkas av tågets ATP-system och yttre förhållanden som låg friktion (lövhalka). Vid vissa tillämpningar, exempelvis vid test av signalprojektering, skulle tåget även kunna automatstyras utifrån en given hastighetsprofil från signalprojektören. Detta för att ge projektörer en uppfattning om hur en given projektering skulle fungera på den specifika banan med en viss fordonstyp. Baserat på fordonets tillstånd beräknas dess acceleration, hastighet och position på banan. Dessutom kan en fordonstypisk ljudbild presenteras via simulatorns ljudsystem. Tillförd och förbrukad energi kan beräknas. Motorvagnståg För närvarande används en modell av ett motorvagnståg, typ Regina. Modellen innehåller dess huvudsakliga funktioner. Drivning och broms påverkas av Reginans körspak. Drivningen kan styras genom att spaken antingen konfigureras som farthållare eller kontrollerar tågets effektuttag. Utformningen av drivningen styrs av en separat omkopplare som endast är installerad i vissa simulatorversioner, i annat fall gäller farthållarversionen. Farthållaren beskrivs av ett intervall, kring inställd hastighet, där tåget frirullar. Intervallet kan ställas in med indata. Ovan intervallet ansätts dynamisk broms för att nedbringa hastigheten och under intervallet ansätts drivning för att öka hastigheten. Broms och drivning ökar successivt tills inställd hastighet uppnås. Därefter övergår kontrollen till frirullning. Bromssystemet är uppdelat i ett dynamiskt system som beräknar drivmotorns förmåga att återmata effekt till elnätet och i ett mekaniskt system med skivbromsar. Systemet utnyttjar i första hand det återmatande systemet och kompletterar det med det mekaniska för att uppnå önskad bromseffekt. Driv- och bromsegenskaper är baserade på uppgifter hämtade från tekniska specifikationer över Regina samt litteraturuppgifter. Luft- och rullmotstånd beräknas utgående från data på motsvarande tågtyper som hämtats från litteraturen. Inverkan av lutning bestäms endast i en punkt, ej längs tågets hela längd. 10
Kurvmotstånd beräknas med hjälp av generella metoder som hämtats från litteraturen. Ingen hänsyn tas till eventuella effekter av slirning, koppling mellan enheter eller tågets gång i växlar. Säkerhetspedalen påverkar om sådan är inkopplad i systemet. Mätning av energi I modellen beräknas energiåtgången för att driva tåget samt bromsad energi i form av dels till elnätet återförd dynamisk energi och dels av bromsenergi som använts av det mekaniska bromssystemet. Förbrukad och återförd energi kan även visas för föraren i form av en display. Längre tåg (vidareutveckling) Andra fordonstyper, speciellt längre tåg, som består av lok och ett antal vagnar, kräver att fordonsmodellen utvecklas. De viktigaste punkterna bedöms vara följande. Drivsystemet behöver anpassas till lämplig loktyp, som förslag har Traxx-loket nämnts. Bromssystemet behöver kompletteras framför allt med funktioner för bromsning per vagn med de tidsfördröjningar det medför. Driv- och bromssystemet bör dessutom hanteras med de reglage som motsvarar det modellerade loket. Luft- och rullmotstånd bör utvecklas och beskrivas per vagn i tåget. Lutningsinverkan bör beräknas per vagn i tåget. Se även nedan Simulator för Godståg Marksystem Marksystemet beskriver alla fasta installationer längs banan. Spår, signaler, baliser, plankorsningar men även banans omgivningar i form av omgivande terräng och olika objekt. De järnvägsnära delarna modelleras med stor omsorg medan den omgivande terrängen utförs mer schematiskt men tillräckligt detaljerat så att de olika platserna kan kännas igen. Att bygga upp en bansträcka kräver information från ett antal olika källor. Ur BIS hämtas positionsbestämda data över spår, växlar (typ), geometrier, signaler, tavlor, kontaktledning, plankorsningar, broar, plattformar m.m. Dessa data kompletteras sedan med filmade sekvenser i bägge riktningar av bansträckan och med projekteringsinformation om sträckan. Vid mer komplicerade avsnitt behöver man även komplettera med linjeritningar och kopplingsscheman över ATC-baliser. För ERTMS-banan, där mycket information överförs via radio, har även banans projekteringshandlingar och signaltekniska funktionskrav varit av stort värde. Yttre signalering Simulatorns omvärldsmiljö visar yttre signaler och tavlor som de beskrivits i BIS eller annan information. Signalernas tillstånd anpassas till vald tågväg men kan även ställas av det valda händelseschemat. Om inte ATC är inkopplat baseras signalbilderna på växellägen och signalens position i tågvägen. Med ATC används i stället de optiska signalbilder som bestäms av balisinformation. Förutom den vanliga signalsekvensen kan även tvåskenssignalering, som används i citytunneln i Malmö, simuleras. 11
Även dvärgsignaler finns tillgängliga och kan styras för att bygga upp en växlingsväg. Banor En stor del av bygget av en bana sker manuellt genom att data förs in i en databas. Att bygga en bansträcka är givetvis olika tidskrävande beroende på banans komplexitet, på linjen kan 1-5 km byggas per dag, en enkel trafikplats kräver någon dag medan komplicerade platser kan kräva flera veckors arbete. Dessutom kräver logiken i ATC-baliser extra tid för inmatning och testning. En stor arbetsinsats kan även göras för den omkringliggande miljön i form av terräng, hus, broar, skog etc. Beroende på hur igenkännbar miljön skall vara, kan arbetet vara allt från marginellt till större än övrig arbetsinsats på banan. Sträckan kan även presenteras i olika ljusförhållanden och i dis eller dimma. För närvarande kan inte en mörkermiljö efterliknas. Jönköpingsbanan (ATC, System H) Figur 7. Jönköpings station Mellan Bankeryd och Forserum längs Jönköpingsbanan (bandel 711) har en fungerande ATC-bana byggts upp. Modellen baseras på information från BIS, fotografier och filmupptagning längs banan. Stationerna Bankeryd, Jönköping C, Huskvarna, Tenhult och Forserum är avbildade i tillräckligt bra kvalitet för att kunna kännas igen. Modellen har finansierats från olika håll bland annat i ett EU-projekt Iterate och med VTI-medel för studier av energieffektiv körning. Banan kan förlängas till Nässjö och påbörjas redan i Falköping om behov finns. Den kan även användas för studier av en STM-miljö eller körning med godståg. 12
Citytunneln i Malmö (ATC, tvåskensignalering) På uppdrag av Järnvägsskolan togs det fram en bansträckning mellan Malmö C, via Triangeln och Hyllie, via Lernacken och Öresundsbron till Peberholm (bandelar 990, 960 och 919). Banan är utrustad med ATC och tvåskensignalering. Figur 8. Citytunneln och Öresundsbron Eftersom modellen av banan byggdes upp innan banan tagits i bruk, användes i huvudsak projekteringsunderlag som dataunderlag. Speciellt projekteringen av baliser är alltför komplicerad för att kunna utföras utan detta underlag. I ett senare skede har banan kompletterats med ytterligare detaljer hämtade från filmer. Det finns även ett påbörjat avsnitt mellan Malmö GBG och Malmö C som kan tillföras sträckningen efter vissa kompletteringar. Ådalsbanan (ERTMS,E2) Figur 8 Ådalsbanan Mellan Härnösand och Dynäs via Kramfors (bandel 233, 232) har en detaljerad modell av Ådalsbanan byggts upp. Basdata har hämtats från BIS, kompletterat med ett antal filmsekvenser av sträckan. Data på hastigheter, frisläppshastigheter, signalpunkter, TAF-avstånd, backningsområden och balispositioner har hämtats från BIS, banans Signaltekniska Funktionskrav och banans Linjeplan. Samtliga trafikplatser, plankorsningar, tunnlar och broar längs sträckan är modellerade. 13
Det finns planer att utöka sträckningen till Västeraspby, där övergång till STM, alternativt system E0, mot Långsele skulle kunna implementeras. Ådalsbanan har byggts upp inom ett projekt som finansierats av Trafikverket. 14
Botniabanan (ERTMS) Figur 10. Botniabanan Även en del av Botniabanan, sträckan mellan Örnsköldsvik och Husum har byggts upp. En del av anslutningen mot Mellansel finns också med, speciellt avsnittet där ATC tar vid. Sträckan kräver dock ytterligare arbete med ett antal kompletteringar. Eftersom bansträckningen representerar en nyprojekterad bana med hög standard är den mindre intressant ur ett utbildningsperspektiv. Södra Stambanan (Linghem Vikingstad) För att studera en sträcka med dubbelspår och en större station (Linköping) byggdes sträckan Linghem Vikingstad (bandel 502). Den är för närvarande utrustad med bana, kontaktledning, skyltar och optisk signalering men inte komplett med omgivning och ATC. Den är körbar, dock utan ATCfunktion. Signalsystem Stor vikt har lagts vid modellering av tågets Signalsystem. Tågmodellen kan köras med ATC, med ERTMS eller utan påverkan av ATP. ATC (System H) ATC-funktionaliteten utgår från beskrivningen i ATC-handboken BVH 544.3. Endast helutrustade bansträckor hanteras. Förutom normalt ATC-beteende inkluderande P och A-bortflyttning kan växling och balisfelen BF1, BF2, BF3 samt Balisöverstämmelsefel (Baliskongruensfel) simuleras. ATC:n består av en funktionsenhet och en presentationsenhet. Funktionsenheten (ATC-onboard) är en separat enhet som modellerar ATC-funktioner, läser in information från baliser, hanterar olika systemtillstånd, kan påverka tågets systembroms och skickar ljudsignaler och information till presentationsenheten. Baliser definieras i enlighet med data från BIS eller ur projekteringsunderlag. Figur 11. ATC panel 15
Presentationsenheten består av en avbildning av en ATC-panel. Den kan visas på en bildskärm och kontrolleras från datorns tangentbord, eller vara en verklig ATC-panel som anpassats till simulatorn. Systemet har validerats av lokförarskolan i Mjölby för sträckan mellan Bankeryd och Forserum längs Jönköpingsbanan. ERTMS (System E2) Systemet baseras på ERTMS version 3.3 (Baseline 3). Den är modellerad så att informationsdelningen mellan tågledare/rbc, tåg och förare (DMI) blir så realistisk som möjligt. Tågledaren/RBC styr tågvägar, MA (Movement Authority), byte av driftlägen m.m. Funktionsenheten (ERTMS-onboard) modellerar ERTMS-funktioner, läser in baliser och hanterar ERTMS olika driftlägen. Den kan påverka tågets systembroms och skickar ljudsignaler och information till presentationsenheten. Huvudvikt har lagts vid att ett körpass skall kunna presentera korrekt hantering av hastighetsändringar och korrekt information på DMI med övergångar mellan tillstånden CSM, PIM, TSM och RSM. Uppstart med inmatning av Förar-Id, Nivå (med RBC), Tågnummer och Tågdata är möjlig men kan uteslutas om önskvärt. Driftlägena SB (StandBy), SR (Staff Responsible), SH (Shift). OS (OnSight), FS (Full Supervision), TR (Trip), PT (Post Trip) simuleras för närvarande. Inom kort kommer även driftläget RV (backning) att simuleras. Även TSR (Temporary Speed Reduction) och TAF (Track Ahead Free)-funktionerna är modellerade. Figur 12. ETCS DMI Presentationsenheten (ETCS-DMI) bygger på specifikationen ETCS (DMI - Driver Machine Interface v 3.4. Förutom hastighets-, broms- och planeringsinformation för körpasset hanterar den för 16
närvarande en uppstartprocess, där föraren skall acceptera/ändra data för tåg, tågnummer och förar-id samt koppla upp sig mot RBC. Rutinen för bromsprov saknas för närvarande. DMI:t är uppbyggt på en bildskärm med minst 800 x 600 upplösning och helst med touch-funktion. Alternativt kan den placeras tillsammans med den yttre vyn och hanteras med datormusen. ERTMS är implementerad på Ådalsbanan mellan Härnösand och Dynäs och på Botniabanan norr om Örnsköldsvik. Synpunkter har inhämtats från förare från SJ och utbildare från TCC Boden, men ytterligare validering behöver utföras efter hand. STM I och med att nya lok utrustas för ERTMS behöver dessa även utrustning för att kunna framföras på banor med ATC. STM har därför framtagits där ATC-information kan presenteras på ETCS-DMI:t. För närvarande finns ingen STM-funktionalitet implementerad i simulatorn. Dock kommer en sådan implementation att påbörjas under hösten 2015. System M Simulatorn kan även konfigureras för körning utan ATC. I detta fall måste föraren följa de yttre signalerna, men inga ingrepp utförs vid otillåten körning. STH blir i detta fall 80 km/h om inget annat angivits. Tågledare/RBC Tågledaren/RBC styr tågvägar, MA (Movement Authority), byte av driftlägen m.m. För närvarande är funktionen modellerad som en automat som ger förbestämda besked till tåget. Den kan kompletteras med muntliga besked från en utbildnings/försöksledare och på sikt utvecklas så att en separat försöksledarmodul tillförs simulatorn. Behovet av en automatisk tågledare torde dock kvarstå i vissa tillämpningar när simulatorn används som ett fristående övningsmoment. Tågväg (MA) En tågväg byggs upp genom att en sekvens av signaler, signalpunkter och/eller balisnummer anges. Programmet genererar tågvägen och ställer alla växellägen. Optiska signaler ställs i enlighet med information från baliser eller signalens position längs tågvägen. Tågmöten Andra tåg modelleras som styrbara objekt i miljön. Varje lok och vagntyp modelleras som separata 3d-modeller som kopplas ihop till tågsätt. För närvarande finns följande lok och vagntyper: Regina (SJ) är implementerad (se bild nedan) Figur 13. Regina tåg 17
Följande enheter finns tillgängliga men är ännu inte anpassade till simuleringen. Ytterligare lok/vagnar kan beställas från externa 3d-modellerare. Rc2 (Green Cargo) Personvagn a2 Godsvagn ekklos Godsvagn med timmerlast Händelser och Datainsamling Scenario/Händelser Ett körpass kan innehålla ett antal händelser, förlängd/förkortad tågväg, TAF, TSR, felfunktion vid plankorsning m.m. Systemet innehåller en händelsebeskrivning i form av ett script som kan beskriva händelser som aktiveras när tåget passerar vissa förbestämda positioner. Scenariobeskrivningen baseras på att händelserna kan utföras i sekvens. Om någon händelse inte utförs som planerat kommer senare händelser inte utföras. Händelsebeskrivningen definieras i förväg i formatet XML. Föraren eller försöksledaren kan välja mellan ett antal varianter av händelsesekvenser som definierats i förhand. Exempel på händelser kan vara: Uppstartssekvens Byte av drifttillstånd Mötande tåg TAF Plötsligt ändrad MA Plötsligt ändrad signalbild Lektioner Genom att skapa ett antal händelsesekvenser kan man bygga upp separata lektionspass. För närvarande finns i den nuvarande ERTMS-versionen har fyra lektionsexempel: 1. Uppstart med SH till efter första balis. Därefter SB och ny uppstart, OS och FS. Körning mellan Härnösand och Kramfors enligt projekterad hastighet med avbrott för avsnitt med OS och TAF-anmälan samt Plankorsningar i ogiltigt läge. 2. Uppstart på sträcka med SR. Därefter OS och FS. Körning som ovan men mellan Kramfors och Härnösand. Tågmöte. 3. Körning mellan Kramfors och Dynäs med start i FS och med ett avsnitt med OS som innehåller en TAF-anmälan. 4. Körning mellan Frånö och Kramfors med en plankorsning i ogiltigt läge vilket innebär passage i maximalt 20 km/h. På samma sätt finns ett antal lektionspass för ATC på Jönköpingsbanan: 1. Start och körning Forserum Bankeryd med stopp vid samtliga stationer. Energiåtgång kan registreras. 2. Start och körning Bankeryd _Forserum med stopp vid samtliga stationer. Energiåtgång kan registreras. 3. Körning som avslutas med BF1. 4. Körning som avslutas med BF2 5. Körning som avslutas med BF3 6. Växling med dvärgsignaler i Jönköping 18
Motsvarande lektionspass finns även för Malmöbanan. Loggning av data Två typer av loggningar: En datalog som kontinuerligt loggar bestämda data med en angiven datafrekvens samt en händelselog som noterar position och typ för vissa händelser, t.ex. byte av systemtillstånd eller förändrad sth. Fortsatt arbete Hur vidareutvecklingen av simulatorn kommer att fortskrida beror på i vilken utsträckning den kan finansieras. Den befintliga utrustningen har byggts upp successivt med medel från olika projekt med hänsyn till respektive projekts behov. För att göra en mer samlad satsning krävs ett mer långsiktigt riktat utvecklingsprojekt. I ett sådant projekt skulle följande delar kunna ingå: Andra fordonstyper För närvarande har endast en fordonstyp tagits fram motorvagnen Regina/X55. Den är väl dokumenterad och tåget är relativt enkelt att modellera med fokus på tågets köregenskaper. Att modellera ett längre tågsätt kräver en större insats. Förutom loket måste bromssystem och gångmotstånd beskrivas för varje vagn. För varje loktyp bör även relevanta reglage användas. För varje fordonstyp kan även yttre förhållanden, i första hand friktionen, varieras. ERTMS Fokus för ERTMS-modellen har varit att kunna genomföra körsekvenser där driftlägena SH, SB, SR, OS och FS används. Vid passage av signal i stopp genomlöps även driftlägena TR och PT. Övriga driftlägen NL, SL, RV, IS, UN och SF är ännu ej implementerade. Under körning visas hastighetsinformation och eventuella målavstånd och frisläppshastighet enligt ERTMS version 3.3. Även planeringsytan innehåller all relevant information. STM För närvarande är inte STM implementerad. Vi har fått starka indikationer från vissa utbildare att en STM-simulering vore önskvärd. VTI har planer att modellera en STM under hösten 2015. En STM-modul baseras på ATC-modulen, där ATC-information skickas till ett utvecklat ETCS-DMI. Dessutom skall övergång mellan ERTMS och STM kunna utföras. Nya bansträckningar De befintliga bansträckningarna torde vara användbara för utbildning och studier med ATC, STM och ERTMS. Genom att komplettera med större stationer kan även viss växling utföras. I Dynäs finns även dvärgsignaler. Även i Örnsköldsvik på Botniabanan kan växling utföras. På Jönköpingsbanan kan en utökning till Jönköpings godsbangård ge samma möjligheter. Viss växling kan även ske i Hyllie längs Malmöbanan. För studier av projekteringskriterier för ERTMS torde del av Haparandabanan, mellan (Boden), Buddbyn och Kalix vara lämplig. Banan innehåller för närvarande (enligt linjeboken) ca 140 hastighetsändringar per riktning längs den ca 100 km långa sträckan med 11 trafikplatser. För godståg har sträckan mellan Hallsberg och Borlänge föreslagits. Längs en godstågsbana bör även inverkan av varierad linjespänning och diskontinuiteter kring sugtransformatorer tas med. 19
Utbildningsmodul/Tågledare Programvaran som används i simulatorn består för närvarande av ett program som innehåller omvärldsgrafik, ETCS-grafik, tågmodell, scenariohantering m.m. Genom att allt är samlat i ett gemensamt program krävs endast en fristående PC för hela simulatorn. För en mer utvecklad version, där en försöksledare/utbildare skall kunna påverka körförhållandena under körning, krävs dock att programmet kan delas upp i en enhet som hanterar tågledarens roll och även kan hantera utbildningsspecifika uppgifter som att bedöma köruppgiften, spela upp körsekvenser, kommunicera med föraren i egenskap av tågledare etc. VTI:s Simulator Den simulator som byggts upp på VTI är den mest kompletta av de olika simulatorutrustningarna. Här finns kompletta paneler från en Regina, vilka kan kopplas in och innehålla ytterligare funktioner som ljudsignal, magnetskensbroms, pådrag som hastighetsreglage eller kraft m.m. För studier där en mer komplett simuleringsmiljö är eftersträvansvärt kan VTI:s simulator med fördel användas. Simulator för godståg Vid kontakter med flera tågoperatörer och utbildare har det framkommit önskemål om att VTI ska utveckla simulatorer så att det går att köra godståg. Här sammanfattas ett antal aspekter på godståg som man behöver ta hänsyn till vid en utveckling av en godstågssimulator. Ett godståg består av ett eller flera draglok samt ett antal vagnar med en total längd på maximalt 630 meter. Att modellera godståget kräver att nuvarande modell kompletteras på ett antal punkter. För varje enhet, lok och vagn, krävs data över enheten: längd, vikt, last, broms, rull- och luftmotstånd. För lok tillkommer dessutom information om ljud, drivning, återmatande elbroms, magnetskensbroms, hyttutrustning med mera. Skall det dessutom kunna visas som mötande tåg krävs en grafisk 3d-modell av varje enhet. Här beskrivs ett förslag till simulering av ett godståg bestående av ett Traxx-lok (Hector Rail 241, Green Cargo Re m.fl) samt ett antal godsvagnar med konventionellt pneumatiskt bromssystem. Fordonet Fordonsmodellen måste utvecklas från en enstaka enhet till en kombination av flera enheter. Drivenheten hanteras enbart av loket, anpassning behöver göras till lokets uppsättning av reglage. Kunskap krävs hur effektuttaget påverkas av linjespänningens nivå. Broms fördelas över hela tåget. Modell av det pneumatiska bromssystemet behöver utvecklas och valideras. Kunskap krävs om tidsåtgång för att fylla/tömma huvudledning och huvudtank beroende på tåglängd. Tabeller över rull- och luftmotstånd för olika typer av vagnar behöver tas fram. Viss information kan hittas i litteraturen. Filmning från lokhytt krävs och upptagning av typiska lokljud. I första hand får vi använda en flygspak för att simulera lokreglaget, i första hand pådrag, elbroms och pneumatisk broms. Om korrekta reglage finns tillgängliga så krävs viss anpassning av dessa till datormiljön. På samma sätt kan instrument antingen visas på lämplig display eller riktiga instrument användas om sådana finns tillgängliga. ATC kan antingen bestå av en anpassad hårdvarupanel eller presenteras på bildskärmen och kontrolleras från ett tangentbord. 20
Systemet kommer även att kräva validering i form av testkörningar med förare. Drivning Loket kan styras med farthållare eller med pådrag som kontrollerar tågets effektuttag. För närvarande tas ingen speciell hänsyn till att loket är utrustat med flera motorer. Effektuttaget baseras på antingen uppmätta effektkurvor för loktypen eller ett idealiserat samband mellan maximal uttagbar effekt, maximal kraft och hastighet. Effekten, omräknad till uttagen ström från kontaktledningen kan visas på en display. Med ytterligare kunskap om varje enskild drivenhet och loket kan även en mer komplex modell byggas upp. Linjespänning Ett samband mellan uttagbar effekt och linjespänning behöver tas fram. En uppgift (x2000) anger att effektuttaget varierar linjärt mellan 10 och 12 kv, mellan ingen effekt och maximal effekt. Om linjespänningen skall varieras under körning måste en modell tas fram över hur den varierar längs en sträcka. På samma sätt bör effekten av diskontinuiteter vid sugtransformatorer byggas in i linjemodellen. Låg friktion slip Låg friktion simuleras som att lägre friktion och därmed lägre kraft kan överföras mellan hjul och räl. Slirningseffekter kan simuleras om modellen innehåller beräkning av slipet mellan hjul och räl. För närvarande beräknas inte slirningseffekter i lokmodellen. För att beräkna slip krävs att modellen kompletteras med beräkningar av skillnaden mellan hjulets rotation och fordonets hastighet. För att förhindra instabilitet i beräkningarna behöver dessa göras oftare än i nuvarande modell vilket ökar kapacitetskravet på beräkningsenheten. Med slip torde även anti-slip funktioner bli aktuella att simulera. Broms Bromssystemet antas bestå av ett lok med möjlighet till återmatande broms samt ett antal vagnar som är kopplade med ett pneumatiskt bromssystem. Återmatande broms Den återmatande bromsen fungerar på samma sätt som för motorvagnen. En del av tillgänglig driveffekt kan användas som återmatande broms, som styrs av ett separat reglage. Pneumatisk broms Den pneumatiska bromsen består av en huvudledning som försörjer enheter i varje vagn. Huvudledningstrycket påverkas av reglage och laddas med tryck från en huvudbehållare. Längden på tåget påverkar ansättningstiden för bromsen, som kan uppgå till över 10 s för ett långt tåg. Huvudbehållaren laddas med övertryck från en kompressor. Vid bromsning behöver en bromskraft beräknas per vagn. Luftmotstånd Luftmotståndet påverkas starkt av vagntyp och last. Viss data kan hittas i litteraturen. Motståndet måste beräknas per vagn. Rullmotstånd. På samma sätt beräknas rullmotståndet. Om detta kan generaliseras till hela tåget eller måste beräknas per vagn är för närvarande oklart. 21
Lutningsinverkan. Inverkan av lutning kan variera längs tågsättet beroende på lutningsförhållandet per vagn. Detta måste därför beräknas per vagn. Kopplingskrafter Att beräkna kopplingskrafter mellan varje vagnsenhet komplicerar modellen kraftigt. Även i detta fall måste beräkningarna utföras tätare för att undvika att de blir instabila och genererar icke önskade svängningar. För närvarande planeras inte att dessa skall inkluderas i modellen. Förarpanel I exemplet ett traxx-lok har föraren fyra spakar för drivning och broms. Separata spakar för farthållare, pådrag, elbroms och pneumatisk broms. Eftersom förarens intryck av hur loktypen simuleras till stor del baseras på att styrreglagen fungerar som i loket, krävs en efterlikning av det verkliga förarbordet i så stor utsträckning som möjligt. Om inte detta är möjligt så är en ordinär flygspak ett alternativ. I denna finns tre reglage som kan konfigureras som pådrag, broms samt ett antal knappar för olika ändamål. Instrument för att visa huvudledningstryck, ledningsspänning och ström kan byggas in i de olika bildskärmarna eller bestå av riktiga instrument. En ATC-panel visas antingen i bildskärmen och 22
kontrolleras via ett tangentbord eller får bestå av en ombyggd panel som datoranpassats. Ett annat alternativ är att bygga in en STM-modul. Säkerhetspedal Pedalen består av en verklig pedal som anpassats till simulatorns datormiljö. Alternativt kan pedalen uteslutas. Ljud Ett ljudsystem får presentera relevanta ljudintryck till föraren. Hastighetsljud och eventuella ljud från kompressor, med mera, spelas in från mätningar i loket och styrs av modellen. Ljud från ATC och ETCS presenteras. Bana För närvarande kan bansträckningen mellan Bankeryd Jönköping Forserum användas för godstågskörning med ATC. Den kan förlängas mot Nässjö eller Falköping och även innehålla en eller flera godsbangårdar. På samma sätt kan ådalsbanan användas med ERTMS. Som alternativ för godståg har sträckan mellan Hallsberg och Borlänge nämnts. Vald bana bör kompletteras med information över strömlösa avsnitt och funktioner för att kunna variera matningsspänningen längs sträckan. Utbildning/Mätning För närvarande samlas data in i form av löpande data från vissa parametrar som hastighet, position, effektuttag, med mera, samt i form av en händelselogg där ändringar i tågets tillstånd registreras. Dessa data kan sedan ligga till grund för utvärderingar i efterhand. Ett alternativ är att utveckla en lärarmodul där en lärare kan styra och mäta körprestationen under gång. 23
Referenser Fordon Järnvägssystem och spårfordon. Evert Andersson, Mats Berg, 2001 Järnvägsgruppen KTH. Elektrisk Traktion. Stefan Östlund 2002 KTH Fysikalisk modellering av järnvägsfordon för realtidssimulering, examensarbete Erik Wall KTH Driving Resistance from Railroad Trains, ARTEMIS 2005 Energy Consumption and Running Time for Trains. Piotr Lukaszewicz 2001 Järnvägsgruppen KTH Energy Consumption of passenger train X2 with regenerative braking and induction motors. Jonas Fors 2001 KTH 3EST_87-591_Fordonsbeskrivning_Regina 3EST000204-2097 Tågmanual Regina 3EST_93-580 Förarmiljö Regina ATC ATC Handbok, BVH 544.3 1993 STM Förarmanual STM EOS3, Green Cargo EBI Cab 2000 ATC-2 STM Förarhandbok för områdestypen ATC-2, Bombardier. Internal Papers from Bombardier for VTI use MMI Requirement Specification Generic ETCS Functionality. ETCS MMI. Interface specification. MMI Requirement specification. Generic ETCS Functionality. ETCS MMI Interface specification. ETCS DMI ETCS Driver Machine Interface 3.4.0, ERA 2014 EBI Cab 2000 Förarhandbok för områdestypen ETCS. ERTMS System Requirement Specification 3.3.0 SUBSET-023 Glossary of Terms and Abbreviations SUBSET-026-2 Basic system description SUBSET-026-3 Principles. SUBSET-026-4 Modes and Transitions. SUBSET-026-5 Procedures. SUBSET-026-7 ERTMS/ETCS language. SUBSET-026-8 Messages. Introduction to ETCS Braking Curves version 1.2 Nationella värden i ERTMS, Trafikverket ERTMS Operationella Scenarier 1.9.1 Introduktion 1.9. Körning ut från ett ERTMS E2 (E3) område 1.9.4 Körtillstånd. 1.9.5 Uppstart och registrering av ETCS- ombordsystem i nivå 2. 1.9. Backning. 1.9.10 Växling. 24
1.9.16 Plankorsningar inuti ett ERTMS område 1.9.1 Operational scenario Introduction 1.9.2 OS 2 Entrance to ERTMS_ level 2 area 1.9.3 Operational scenario - Exit from ERTMS Level 2 area 1.9.4 Operational scenario - Movement authority. 1.9.5 Operational scenario - Registration and start up. 1.9.6 Operational scenario Reversing 1.9.7 Operational scenario - Splitting and joining 1.9.8 Operational scenario - Temporary speed restrictions 1.9.9 Operational scenario - Staff protection 1.9.10 Operational scenario Shunting. 1.9.11 Operational scenario - Special train route. 1.9.12 Operational scenario - Emergency situations. 1.9.13 Operational scenario - Track descriptions. 1.9.14 Operational scenario - Degraded situations. 1.9.15 Operational Scenario - Message transactions at an RBCRBC border 1.9.16_OS_Level_crossing_inside_an_ERTMS_area 1.9.17_OS_Level_crossing-Entrance_and_exit Ådalsbanan Signaltekniska funktionskrav, linjen Härnösand Västeraspby. Ådalsbanan, Signaltekniska funktionskrav. Linjeplan Ådalsbanan Sundsvall Västeraspby. 25