EGNOS hlídá letadla, brzy i železnice, říká docent Aleš Filip

24. 5. 2021

Zajistit modernější a bezpečnější řízení železniční dopravy v Evropě pomocí satelitního navigačního systému EGNOS, který se zatím využíval jen v civilním letectví. Díky satelitnímu určení polohy vlaku snížit i náklady na provoz. Za návrh řešení získal docent Aleš Filip z Fakulty elektrotechniky a informatiky prestižní cenu Galileo Masters 2020. „Satelitní určení polohy vlaku umožní instalovat zabezpečovací zařízení i tam, kde to v současné době z finančních důvodů není možné a kde bezpečnost železničního provozu závisí na lidské chybě,“ říká.

Výzkum kolem navigačního systému EGNOS jste dotáhli do úspěšného konce. Trvalo to deset let. Proč tak dlouho?

Do úspěšného konce jsme ještě nic nedotáhli. Zatím jsme jen navrhli postup. EGNOS byl původně navržen pro řízení bezpečnostních operací v civilním letectví. Navrhli jsme, jak přijmout a schválit něco, co nebylo navrženo v souladu se standardy bezpečnosti na železnici, i pro účely řízení železniční dopravy prostřednictvím evropského systému řízení železniční dopravy ERTMS (European Railway Traffic Management System).

Po letech přešlapování na místě jsme rozsvítili světlo na konci tunelu. Řekli jsme, kudy je nutné se ubírat. A to za vzájemné spolupráce všech zainteresovaných hráčů na evropské úrovni. Na myšlenku týkající se certifikace EGNOSu, za kterou jsme získali jako univerzita ocenění v mezinárodní soutěži Galileo Masters 2020, je nutné se dívat jen jako na jeden z malých střípků z mozaiky, která dláždí dlouhou a nesnadnou cestu k modernímu a bezpečnějšímu řízení železniční dopravy v Evropě.

Jak systém EGNOS zlepší bezpečnost na železničních tratích?

Navrhujeme, aby na evropské úrovni vznikla bezpečnostní příručka pro EGNOS určená pro železnice. Tedy jakýsi návod, ve kterém bude přesně popsané, jak bezpečně integrovat, tedy propojit EGNOS s již zmíněným evropským systémem řízení železniční dopravy ERTMS. Bude to v podstatě nový evropský železniční standard.

To je to světlo na konci tunelu?

Ano. Posvítí na cestu návrhářům systému a integrátorům z průmyslu, jak mají správně ve své práci postupovat, aby navrhli a vyrobili dostatečně bezpečný a spolehlivý výrobek, systém pro bezpečné určení polohy vlaku na základě EGNOSu. Příručka pomůže také orgánům, které budou vyrobený lokátor vlaku s využitím bezpečnostní služby EGNOS SoL (Safety of Life) certifikovat a schvalovat. Rozhodující slovo v tomto by měla mít Evropská agentura pro železnice (ERA), Agentura pro evropský GNSS (GSA) sídlící v Praze a Evropská kosmická agentura (ESA) a samozřejmě Evropská komise.

Zabezpečení jízdy vlaků se odvíjí od jeho známé polohy a rychlosti v daném čase. To jsou základní veličiny, které je potřeba s velmi vysokou jistotou určit právě s využitím EGNOSu. A to je nutné často zajistit i ve velmi obtížném provozním prostředí, kde například jen samotný reliéf okolní krajiny nebo objekty kolem trati nevytváří vůbec optimální podmínky pro šíření navigačního signálu od navigačních satelitů směrem k vlaku. Negativně na bezpečnost se může také projevit průmyslové nebo záměrné rušení navigačního signálu v okolí tratí, erupce na slunci ovlivňující vlastnosti šíření navigačního signálu v ionosféře atd. Se všemi těmito příčinami nebezpečí a dalšími vlivy musí návrháři a výrobci zařízení počítat.

EGNOS, který sestává z řady pozemních monitorovacích stanic a dalších zařízení umístěných prakticky po celé Evropě, vyhodnocuje kvalitu satelitního signálu GPS (a v blízké budoucnosti i signálu Galileo) a v případě poruchy podá uživateli prostřednictvím geostacionárního satelitu zprávu, že něco není v pořádku. Potom je nutné přijmout taková bezpečnostní opatření, aby se nehodě zabránilo. Tak to funguje v případě letadel i vlaků.

Lze si vůbec požadovanou bezpečnost na železnici nějak představit? Například, že k selhání dojde jednou maximálně za…

Je to asi tak, že nebezpečná porucha v systému v důsledku chybně určené polohy vlaku, která by mohla způsobit nehodu, může vzniknout jen jednou za 100 tisíc let či méně. Lze si představit časový interval 100 let a velmi stěží si lze představit časový úsek 1000 let. Představit si stonásobně delší časový úsek než 1000 let je nemožné. Přesto i takto vysokou bezpečnost při určení polohy vlaku s využitím systému EGNOS musíme být schopni prokázat. A proto také ta cesta vedoucí k zavedení satelitní navigace na železnici zdaleka není přímočará, a tak dlouho trvá.

Jak se bezpečnost na železnicích hlídala do teď?

Poloha vlaku se určovala pomocí nákladných zařízení umístěných podél tratí. Na řadě regionálních tratí je často zabezpečovací technika zastaralá nebo úplně chybí. Proto se očekává, že satelitní určení polohy vlaku sníží náklady na provoz a údržbu tratí a umožní tak instalovat zabezpečovací zařízení i tam, kde to v současné době z finančních důvodů není možné a kde bezpečnost železničního provozu závisí na lidské chybě. Nejedná se ale jen o zajištění funkce určení polohy vlaku u zastaralých železničních zabezpečovacích systémů, ale i u systému ERTMS, kde se určuje poloha vlaku pomocí tzv. balíz umístěných na trati. Cílem je tyto fyzické balízy na trati nahradit tzv. balízami virtuálními, detekovanými s využitím EGNOSu.

Popište prosím, jak to celé funguje…

Systém ERTMS využívá pro určení polohy vlaku tzv. balízy umístěné v kolejišti, jejichž poloha je známá. Mívají tvar, který je podobný dlaždici nebo krabici od velké bonboniéry a jsou často žluté barvy. Balízy jsou obvykle řazeny do skupin po dvou nebo více kusech. Vzdálenost mezi skupinami balíz bývá v průměru několik set metrů, nejvíce 2.5 km nebo i mnohem méně v závislosti na aplikaci.

Zařízení na lokomotivě umožňuje během jízdy jednotlivé balízy číst a určit tak absolutní polohu lokomotivy. V případě, že se použije vlakový lokátor na základě EGNOSu, bezpečná poloha vlaku se určí na základě zpracování informace z přijímače signálu EGNOS a dalších palubních senzorů. V tomto případě známá poloha virtuálních balíz je uložena v palubním počítači. V případě, že poloha lokomotivy bude souhlasit s danou tolerancí s polohou virtuální balízy, je tato balíza detekovaná.

O vaše výsledky je jistě zájem i v zahraničí. S kým nyní spolupracujete?

Myšlenku přijetí a certifikace EGNOS-u pro účely ERTMS jsme vypracovali v rámci dvou mezinárodních projektů. Spolu s dalšími odborníky v Evropě jsme se pohybovali po více než 10 předchozích let jakoby v začarovaném kruhu. Na jedné straně tu byl EGNOS navržený pro potřeby letectví a spolu s ním důkaz bezpečnosti EGNOS. Na druhé straně tu byly a jsou železniční standardy bezpečnosti CENELEC, podle kterých však důkaz bezpečnosti EGNOS vypracovaný pro účely letectví nelze na železnici přijmout, protože koncepce bezpečnosti na železnici a v letectví jsou zcela odlišné. Evropská kosmická agentura potřebovala konečně nějaké řešení.

Kde v zahraničí tento systém testujete?

Jako expert GSA jsem se účastnil zkoušek ERTMS s virtuální balízou detekovanou na základě GNSS v Itálii na Sardinii. Závěrečné testy se uskutečnily na trati Cagliari – Decimomannu v roce 2017. Projekt vedla společnost Ansaldo STS, nyní Hitachi Rail. Toto však nebyla první implementace ERTMS s virtuální balízou. ERTMS na základě GNSS měl premiéru v západní Austrálii v oblasti Pilbara na trati dlouhé 344 km vedoucí z přístavu Port Hedland k dolům železné rudy v Roy Hill těžební společnosti Rio Tinto. Společnost Ansaldo STS na této trati realizovala řešení ERTMS s lokální augmentací GNSS a na úrovni systému demonstrovala integritu bezpečnosti SIL 4. Jedná se o komerční aplikaci.

Další komerční aplikací ERTMS na základě GNSS v osobní dopravě připravuje italský správce železniční infrastruktury RFI na traťovém úseku Novara – Rho poblíž Milána. Zde se bude jednat o první využití satelitní navigace pro zabezpečení a řízení vlaků v osobní dopravě. Tato iniciativa v severní Itálii má sloužit i jako výkladní skříň pro tyto nové technologie v Evropě. Významně ji podporuje Italská kosmická agentura (ASI), Agentura pro evropský GNSS (GSA) a Evropská kosmická agentura (ESA).

Kdy očekáváte, že se bude návrh realizovat?

Myšlenka přijetí a certifikace EGNOSu pro účely ERTMS je stále ještě velmi čerstvá. ESA přijala námi navrhnuté řešení na podzim 2020. Je potřeba si ještě nějaký čas počkat. Skutečností je, že žádné jiné perspektivní řešení zatím nikdo nepředložil. Bylo by samozřejmě pro nás velmi zajímavé podílet se spolu s ostatními evropskými partnery na dalším řešením, například na vypracování námi navržené bezpečnostní příručky pro EGNOS pro účely ERTMS.

Kam dál byste ještě váš výzkum chtěli posunout?

V současné době se snažíme využít naše dlouholeté zkušenosti z oblasti bezpečnostních aplikací GNSS na železnici i v oblasti samořiditelných automobilů. Využít synergický efekt v obou těchto oblastech. Železnice má dlouhodobé zkušenosti při budování zabezpečovacích a řídicích systémů, které se snažíme využít. Předpokládá se, že samořiditelné automobily by měly mít alespoň takovou úroveň bezpečnosti, která se v současné době dosahuje například při cestování letadlem nebo vlakem. Teprve potom budou zákazníci samořiditelným a autonomním vozidlům věřit, koupí si je a budou plně využívat jejich bezpečnostní funkce.

S kým na Fakultě elektrotechniky a informatiky spolupracujete?

Na fakultě je řada šikovných a pracovitých mladých vědeckých pracovníků, kteří se využitím satelitní navigace v pozemní dopravě věnují. Provádějí experimenty, spolupracují s průmyslem, např. s Výzkumným ústavem železničním v rámci národního projektu PosiTrans (2018-2022), jehož koordinátorem je právě FEI. Tito mladí odborníci vědí, že to dělají pro sebe i pro ostatní. I zde platí to známé přísloví – voják se stará, voják má. Na FEI mají v současné době také pracoviště i moji bývalí kolegové z našeho pracoviště LIS na starém nádraží, přestože dnes již patří k jiné firmě. Jsou to nejlepší odborníci v dané oblasti v České republice a jsou také kvůli své výtečné práci dobře hodnoceni i v zahraničí.

Na řadě regionálních tratí je často zabezpečovací technika zastaralá nebo úplně chybí. Proto se očekává, že satelitní určení polohy vlaku sníží náklady na provoz a údržbu tratí a umožní tak instalovat zabezpečovací zařízení i tam, kde to v současné době z finančních důvodů není možné a kde bezpečnost železničního provozu závisí na lidské chybě.

Kolik let vy sám se tomuto výzkumu věnujete?

Dvacet pět let. Když jsem se v roce 1995 vrátil z dvouletého studijního pobytu na Tokijské univerzitě, začal jsem pracovat na Českých drahách. Na starém nádraží v Pardubicích jsme v té době za podpory našeho vedení založili Laboratoř inteligentních systémů (LIS), kde jsme spolu s kolegy začali spřádat první myšlenky týkající se využití satelitní navigace (GNSS) pro bezpečnou lokalizaci vlaků za účelem dosažení vyšší bezpečnosti na železnici. Naší snahou bylo především zvýšit bezpečnost na vedlejších tratích. V roce 1998 nás pozvali jako mladé nadšence ze starého nádraží v Pardubicích partneři z Francie (Thales Navigation), Nizozemí (European Railway Research Institute), Španělska (TIFSA RENFE), Itálie (SAB WABCO) a Velké Británie (RAILTRACK) do našeho prvního evropského projektu s názvem APOLO (Advanced Train Position Locator).

Co to bylo za projekt?

Účelem projektu APOLO bylo rozpracovat metody pro určení polohy vlaků na principu satelitní navigace. Také jsme měli experimentálně ověřit tehdy nově vznikající satelitní systém EGNOS. Byl to projekt čtvrtého rámcového programu. Tedy projekt, o kterém se tehdy mnohým českým vysokým školám či výzkumným ústavům mohlo jen zdát. Poslal jsem tehdy fax evropskému ministrovi pro dopravu do Bruselu s prosbou, že bychom se chtěli projektu účastnit. Oni nás pozvali na jednání do Evropské komise, a bylo to. Česko tehdy nebylo ještě členem Evropské unie. O to bylo naše vyjednávání o začlenění do projektu APOLO obtížnější. Ale povedlo se to.

A vaše další kroky?

Získali jsme peníze na nákup potřebného zařízení, abychom mohli provádět experimenty s vlaky na trati a mohli se také účastnit mezinárodních jednání. Jen pro zajímavost, tehdy to ještě nebyl grant v eurech, nýbrž v tzv. ECU (European currency unit). Naše malé pracoviště v Pardubicích se stalo jedním z prvních pracovišť v Evropě, kde se systém EGNOS začal zkoušet pro účely určování polohy vlaků. Vybavili jsme elektrickou lokomotivu příslušným zařízením včetně přijímačů GPS a EGNOS a začali ji používat pro zkoušky ve východních Čechách.

Kde?

V oblasti Pardubice-Hradec Králové-Týniště nad Orlicí-Choceň. Tuto trať jsme vybavili vlastní rádio modemovou sítí pro přenos údajů mezi naší laboratoří a vlakem. Provedli jsme zkoušky EGNOSu na traťovém úseku v údolí řeky Divoké Orlice mezi stanicemi Potštejn – Litice nad Orlicí. Tehdy jsme například telefonovali z lokomotivy z Litic mobilním telefonem do francouzského národního kosmického centra CNES v Toulouse a oni odtamtud nastavovali podle naší potřeby parametry na geostacionárních družicích. Bylo to nádherné pionýrské období. Začala o nás psát Evropská kosmická agentura ve svém zpravodaji ESTB News.

Když o vás začali psát, muselo být hodně zajímavé to, čemu se věnujete.

Také prestižní časopis GPS Word v USA mě v roce 1998 požádal o příspěvek. Ten článek si přečetl jeden ze šéfů rozsáhlého severoamerického projektu PTC (Positive Train Control), ve kterém se pro lokalizaci vlaků v USA využíval GPS. Byl tehdy pracovně v Mnichově, poslal fax, domluvili jsme se a na starém nádraží v Pardubicích nás navštívil. Tak jsme začali spolupracovat s TTCI (Technology Transportation Center Inc.) v americkém Pueblu. S kolegy z TTCI jsme se společně účastnili konferencí v USA i ČR. Jako pracoviště LIS jsme byli přizváni do mezinárodní skupiny expertů v Bruselu s názvem GNSS Rail Advisory Forum, kde jsme spolu s ostatními specifikovali první požadavky na využití satelitní navigace pro potřeby železnice v Evropě.

V této spolupráci a koordinování aktivit zaměřených na využití systémů GPS, Galileo, EGNOS v Evropě ve prospěch železnice jsme pokračovali několik dalších let i v rámci expertní skupiny s názvem Galileo Applications for Rail v Mezinárodní unii železnic (UIC) v Paříži. Publikovali jsme články a přednášeli na evropských univerzitách. Získali jsme granty. Jen málokdo ví, že poprvé jsme naše získané zkušenosti také prakticky využili při technicko-bezpečnostní zkoušce všech sedmi souprav řady 680 Pendolino, než je České dráhy začaly používat v osobní dopravě.

Co pro vás ocenění Galileo Masters znamená?

Zejména ocenění práce vedení naší fakulty za posledních několik let. Že zde na fakultě máme velmi dobré podmínky pro tvůrčí vědeckou práci a že se mladé vedení fakulty stará o to, abychom se mohli na řešení zajímavých a smysluplných projektů podílet i v budoucnosti. Když společnost DHL doručila balík s cenou Galileo Masters 2020 od organizátora soutěže AZO z bavorského Oberpfaffenhofenu, tak jsem organizátorům soutěže kromě poděkování sdělil, že tu cenu věnuji naší fakultě.

Tento text najdete v exkluzivním vydání zpravodaje Univerzity Pardubice My UPCE, v tištěné i on-line podobě.

 

Text: Věra Přibylová/FOTO: Milan Reinberk