FACOLTÀ DI INGEGNERIA

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI SALERNO FACOLTÀ DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA ELETTRONICA TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA ELETTRONICA Una piattaforma per il monitoraggio delle prestazioni del sistema europeo di sicurezza ERTMS/ETCS per il distanziamento treni per le linee AV/AC italiane RELATORE CH.MO PROF. VINCENZO GALDI CANDIDATO GIAN NICOLA DE LISI MATR CO-RELATORE ING. GIORGIO BONAFÉ (RFI) ANNO ACCADEMICO 2009/2010

2 Introduzione Oggi il treno, grazie soprattutto alle linee alta velocità alta capacità (AV/AC), è diventato uno dei mezzi di trasporto più utilizzati, sia per lo spostamento di merci che di persone, ponendosi come valida alternativa al trasporto aereo anche sulle medio-lunghe distanze ( km) e con indici di performance più elevati, dove le prestazioni sono valutate in termini di sicurezza, velocità e capacità di trasporto. Inoltre, il trasporto ferroviario permette anche un minor impatto ambientale rispetto agli spostamenti su gomma o al trasporto aereo. A differenza del trasporto su strada, in cui i veicoli circolano a vista, una ferrovia richiede sistemi di distanziamento dei treni indipendenti dalla mutua visibilità dei convogli poiché gli spazi di frenata sono solitamente molto maggiori della distanza di visibilità stessa, a causa del basso attrito delle ruote del treno con i binari. Questa necessità, unita alla richiesta di prestazioni velocistiche sempre più elevate, ha portato nel corso soprattutto degli ultimi anni allo sviluppo di sistemi di controllo sempre più avanzati, capaci non solo di intervenire nel caso di errori del macchinista, ma anche di gestire in maniera completamente automatica la marcia del treno. Grosso impulso allo sviluppo di questi sistemi di sicurezza è stato dato, come detto, dal progressivo aumento di velocità dei convogli ferroviari, velocità oggi compresa tra km/h nel caso dei convogli tradizionali fino a 300 km per gli attuali treni ad alta velocità (360 km/h per i nuovi treni AV in fase sperimentale). La nascita delle linee AV/AC ha rappresentato una vera e propria rivoluzione nel mondo ferroviario, poiché si è passati da un controllo a vista dei treni, operato quasi del tutto dal macchinista in base alle segnalazioni visive poste lungo i binari, ad un controllo completo computerizzato della marcia del treno, in cui le informazioni compaiono sul banco di guida senza più la presenza di segnali luminosi lungo la linea. 5

3 1 La tecnologia a supporto della sicurezza ferroviaria 1.1 Dalla marcia a vista al sistema ETCS/ERTMS In ferrovia gli aspetti relativi alla sicurezza sono fin dall origine ritenuti fondamentali. Fin dalle prime ferrovie, infatti, si è avuta la necessità di disporre di sistemi di distanziamento che garantissero non solo spazi di frenata sicuri tra un convoglio e l altro, ma che permettessero anche di massimizzare la capacità di trasporto di una linea, in termini di convogli presenti contemporaneamente sullo stesso tratto, nonché la velocità dei convogli stessi. A tale scopo, col passare degli anni si è fatto ricorso a tecnologie sempre più sofisticate: in passato ogni singola nazione ha cercato di ottimizzare tali caratteristiche portando, quindi, alla nascita di diversi sistemi di sicurezza per il distanziamento dei convogli ferroviari, spesso incompatibili tra di loro; il livello di incompatibilità in passato si è spinto fin anche all armamento con l utilizzo di scartamenti differenti (distanza tra i binari) tra nazioni confinanti creando, in questo modo, una situazione di isolamento ferroviario con un conseguente freno allo scambio di merci e passeggeri. Con riferimento ai sistemi di sicurezza per il distanziamento dei treni, in Italia sono stati sviluppati i sistemi SCMT (Sistema Controllo Marcia Treno) e SSC (Sistema Supporto alla Condotta). Tuttavia, le sempre crescenti richieste nel settore ferroviario di tratte commerciali veloci sicure e ad alta capacità, unitamente alla esigenza di interoperabilità su scala sovranazionale hanno portato ad evidenzire a livello europeo la necessità di creare uno standard che garantisse l interoperabilità dei vari sistemi di trasporto ferroviario nazionali. A questo proposito, negli anni 90 si è dato inizio ai progetti EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network) ed ETCS (European Train Control System) nell ambito del ERTMS (European Transport 6

4 Management System) che hanno visto coinvolte le principali industrie ferroviarie europee. I vantaggi attesi da questi progetti sono sostanzialmente legati al miglioramento degli scambi merci/passeggeri tra i vari paesi, al miglioramento della sicurezza del trasporto ferroviario e all ottimizzazione del traffico, mirando a un aumento della capacità di trasporto delle linee ferroviarie attuali. Oltre a questi vantaggi di natura tecnico-economica va ricordato anche un obiettivo di tipo strategico, quale quello di affermare in maniera robusta la posizione delle ferrovie europee a livello mondiale fungendo da modello di riferimento per altri paesi. Il progetto EIRENE ha portato alla nascita dello standard di comunicazione GSM-R, basato sullo standard GSM ma ottimizzato per il trasporto ferroviario (deve supportare per es. velocità superiori ai 250 km/h, limite previsto nello standard GSM). Nel 1996 il Consiglio dell Unione Europea ha adottato la direttiva 96/48/EC che disciplina le condizioni per l interoperabilità del sistema ferroviario europeo ad Alta Velocità/Alta Capacità e che costituisce lo strumento per eliminare le barriere tecnologiche al traffico tra le frontiere dei vari paesi europei. Le amministrazioni ferroviarie e le industrie hanno lavorato insieme in ambito AEIF (Associazione Europea per l Interoperabilità Ferroviaria) per sviluppare le STI (Specifiche Tecniche per l Interoperabilità codificate nelle Subset UNISIG) dove sono stati definiti i requisiti essenziali (sicurezza, affidabilità, salute, protezione operatori, compatibilità tecnica, esercizio), i componenti per l interoperabilità e le interfacce, le procedure europee di valutazione di conformità/idoneità all impiego, le specifiche funzionali e tecniche e la strategia di migrazione verso l interoperabilità. Nel 2001, poi, il Consiglio dell Unione Europea ha adottato la direttiva 2001/16/EC relativa alla rete convenzionale alla quale vengono in sostanza applicate le stesse specifiche dei requisiti ERTMS/ETCS con, però, alcuni piccoli aggiornamenti. Con questa nuova direttiva ha assunto un ruolo fondamentale il processo di migrazione dai sistemi nazionali allo standard ERTMS/ETCS. Uno degli obiettivi della standardizzazione per l interoperabilità è quello di attivare e/o adeguare delle tratte ferroviari strategiche tra i vari paesi europei così come riportato in Figura 1. 7

5 Figura 1 Tratte ferroviarie europee di rilevante interesse strategico 1.2 Tecnologie attuali a supporto della sicurezza ferroviaria Alla base degli attuali sistemi di sicurezza ferroviaria vi è l obiettivo comune di assicurare distanze di sicurezza opportune tra i convogli in marcia riuscendo, al tempo stesso, a massimizzare, per quanto possibile, il numero di treni presenti contemporaneamente sullo stesso tratto di linea. L approccio seguito ha portato in sostanza a individuare due macrosistemi - il treno e la linea (infrastruttura fissa) - che interagendo in diversi modi a seconda del sistema di sicurezza utilizzato, vanno a realizzare il principio base della sicurezza ferroviaria sopra esposto. Ciascun sistema ferroviario nazionale, come pure quello europeo proposto, sono strutturati su due sottosistemi più o meno interagenti. Nel nostro Paese, i principali sistemi oggi utilizzati sono: SSC: Sistema di Supporto alla Condotta SCMT: Sistema Controllo Marcia Treno ETCS: European Train Control System 8

6 Questi sistemi differiscono sostanzialmente non solo per il tipo di tecnologia utilizzata e per i relativi costi, ma anche per grado di interoperabilità a livello europeo, divenuto oggi di importanza cruciale per lo sviluppo di reti di scambio globali Sistema Supporto alla Condotta (SSC) Il Sistema di Supporto alla Condotta (SSC), come dice l acronimo stesso, svolge la funzione di supporto alla condotta del treno senza fornire informazioni al guidatore. In sostanza si occupa di: Riconoscimento delle segnalazioni restrittive incontrate lungo la linea; Controllo del rispetto di determinate velocità di tetto associate alle segnalazioni restrittive incontrate; Controllo del superamento indebito di segnali fissi luminosi; Controllo della velocità massima ammessa dal rotabile attrezzato; Controllo della velocità massima ammessa dalla linea; Controllo della velocità massima ammessa in fase di manovra (30 km/h). I primi quattro punti presuppongono uno scambio di dati tra il treno e la linea, mentre gli ultimi due sono legati alle caratteristiche meccaniche del treno ed alle sue condizioni di lavoro. Prima di passare a un analisi dei modi di intervento caratterizzanti l SSC è opportuno distinguere all interno di questo sistema il Sottosistema di Terra (SST) e il Sotto Sistema di Bordo (SSB). Una rappresentazione di come tali sottosistemi si collocano all interno del sistema SSC è data in Figura 2. Figura 2 SSB e SST su linee SSC 9

7 Al SST appartengono i trasponder, trasmettitori che si attivano al passaggio del treno permettendo così l invio unidirezionale di informazioni dalla linea al treno. Questi trasmettitori sono sostanzialmente di due tipi: commutabili: sono collegati agli apparati di terra (i segnali) tramite apposite interfacce - gli encoder - e trasmettono, quindi, informazioni legate all aspetto del segnale incontrato; fissi: non sono collegati ad alcun apparato di terra e, quindi, trasmettono informazioni non legate all aspetto dei segnali ma riguardanti, di solito, le caratteristiche meccaniche della linea come, ad esempio, il livello di frenatura o la pendenza. Sono trasponder commutabili, ad esempio, quelli che si trovano in corrispondenza dei segnali di protezione e partenza di una stazione, mentre sono trasponder fissi quelli che, invece, svolgono per esempio il ruolo di tag per l attivazione delle così dette catene d appuntamento. Tali catene permettono al treno di conoscere la distanza dal trasponder successivo rendendo così possibili eventuali operazioni di diagnostica nel caso di malfunzionamenti (Figura 3). Figura 3 Catena di appuntamenti tra transponder I punti lungo la linea dove sono posizionati i trasponder sono detti punti informativi (PI). Un messaggio di 152 bit, detto telegramma, viene trasmesso da ogni punto informativo da terra a bordo. Va sottolineato che per quel che riguarda i trasponder commutabili e i relativi encoder questi non richiedono alimentazioni aggiuntive poiché sono alimentati dal cavo del segnale stesso a cui si riferiscono. Al SSB appartengono: Antenna di captazione: posta al lato del locomotore, è necessaria all attivazione dei trasponder e alla ricezione dei messaggi inviati da questi ultimi; 10

8 Elaboratore di bordo: apparecchiatura con logica a microprocessori necessaria per l analisi delle informazioni ricevute dal SST e per la supervisione del comportamento del macchinista; Cruscotto: è in sostanza l interfaccia con il macchinista ed è caratterizzata per esempio dall emissione di segnali acustici in caso di comportamenti scorretti (Figura 4); Figura 4 Cruscotto sistema SSC Antenna GPS/GSM: usata per inviare a terra, tramite canale GSM, informazioni diagnostiche. Per quel che riguarda le modalità di intervento del SSC si può affermare in poche parole che la logica di bordo controlla la condotta del macchinista andando ad imporre azioni restrittive in caso di errore; in particolare si ha il taglio della trazione e l attivazione della frenatura d emergenza nel caso di mancato rispetto di vincoli restrittivi incontrati lungo la linea o caratteristici del rotabile in uso (esiste, comunque, una fascia di tolleranza di ± 5 km/h). Inoltre, il sistema realizza un controllo della velocità tramite un profilo a gradini determinato in base all aspetto del segnale incontrato e in base a determinate distanze di applicazione (Figura 5). Figura 5 Profilo in velocità di un SSC 11

9 Oltre alle azioni sopra citate, il sistema SSC permette, in caso di azioni di frenata automatica, il riarmo del freno solo a treno fermo. Per quel che riguarda la condotta del treno è opportuno sottolineare che non si hanno significative modifiche rispetto al comportamento che il macchinista dovrebbe tenere su un rotabile sprovvisto del sistema SSC. Va infine notato che vista la struttura del SST il sistema SSC si basa su comunicazioni di tipo discontinuo con gli apparati di terra, i quali, come visto in precedenza, si attivano e trasmettono informazioni soltanto al passaggio del treno. La situazione attuale delle linee attrezzate in Italia con sistema SSC è riportata in Figura 6. Figura 6 Linee attualmente attrezzate con SSC Sistema di Controllo Marcia Treno (SCMT) Il Sistema di Controllo della Marcia del Treno (SCMT) è un sistema di sicurezza ferroviaria a livello europeo che attua la protezione della marcia del treno istante per 12

10 istante. Tale sistema è armonizzato con il nuovo standard europeo di interoperabilità tra le reti ferroviarie ERTMS (European Rail Traffic Management System). L SCMT interviene automaticamente nel caso in cui non vengano rispettati i limiti di controllo imposti sulla velocità e dipendenti da: Condizioni indicate dai segnali luminosi incontrati lungo la linea; Velocità massima consentita lungo il tratto di linea che si sta percorrendo; Velocità massima consentita nei confronti di eventuali rallentamenti; Velocità massima consentita dal rotabile attrezzato. I primi tre punti presuppongono uno scambio di dati tra il treno e la linea mentre l ultimo è legato alle caratteristiche meccaniche del treno stesso e alle sue condizioni di lavoro. Come già fatto per l SSC, prima di passare a un analisi dei modi di intervento caratterizzanti l SCMT, è opportuno distinguere all interno di questo sistema il Sotto Sistema di Terra (SST) ed il Sotto Sistema di Bordo (SSB). Una rappresentazione di come tali sottosistemi si collocano all interno del sistema SCMT è data in Figura 7. 1 Figura 7 SST ed SSB su linee SCMT Al SST appartengono le boe, trasponder posti sulle traverse tra i binari (non al lato della linea come nel SSC) che si attivano al passaggio del treno permettendo così l invio unidirezionale di informazioni dalla linea al treno. Le boe costituiscono i cosiddetti Punti Informativi (PI). Un PI è composto di solito da almeno 2 boe, 1 I.S. :Impianto di Segnalamento 13

11 quantità minima per permettere ai sistemi di bordo del treno di conoscere per quale senso di marcia è valida l informazione trasmessa. L utilizzo di 2 boe è legato anche a ragioni di sicurezza e disponibilità. I PI sono sostanzialmente di due tipi: commutabili: sono collegati agli apparati di terra (i segnali) tramite apposite interfacce - gli encoder - e trasmettono quindi informazioni legate all aspetto del segnale incontrato; fissi: non sono collegati ad alcun apparato di terra e quindi trasmettono informazioni non legate all aspetto dei segnali ma riguardanti, di solito, le caratteristiche meccaniche della linea, come ad esempio il livello di frenatura o la pendenza. Un messaggio di 255 bit - il telegramma - viene trasmesso da ogni punto informativo da terra a bordo. Anche nel caso del SCMT, come già visto per l SSC, viene utilizzata la logica delle catene d appuntamento, soprattutto per poter calcolare i profili dinamici in velocità e ottenere informazioni sul corretto funzionamento dei vari PI. Uno schema di funzionamento per il SST nel caso di boe commutabili è rappresentato in Figura 8. Figura 8 Gestione del SST su linee SCMT Nei sistemi SCMT ha grande importanza anche il cosiddetto air gap, che rappresenta la parte spaziale che si estende tra la boa, posta tra binari, ed il captatore delle boe posto sul fondo del rotabile di testa del treno. A livello europeo sono definite delle caratteristiche stringenti per: Tolleranza ammessa sulla distanza tra boa e captatore; 14

12 Assenza di masse metalliche superiori a certe dimensioni e in certe posizioni; Tolleranza ammessa sulle variazioni angolari della posizione della boa rispetto all asse del binario (in tutte e tre le dimensioni). Al SSB appartengono: Antenna di captazione: è posta sul fondo del rotabile di testa ed è necessaria per l attivazione delle boe e la ricezione dei messaggi inviati da queste ultime; Elaboratore di bordo: apparecchiatura con logica a microprocessori necessaria per l analisi delle informazioni ricevute dal SST e per la supervisione del comportamento del macchinista; Cruscotto: è, in sostanza, l interfaccia con il macchinista ed è caratterizzata dalla presenza di un display sul quale per esempio vengono date informazioni (legate ai codici RSC 2 ) sulla marcia del treno e sui segnali luminosi incontrati lungo la linea (Figura 9). Il cruscotto, oltre a permettere di interagire con l apparato di sicurezza (quando richiesto), permette anche l inizializzazione del sistema all inizio della marcia del treno. 2 Figura 9 Cruscotto sistema SCMT 2 RSC ( Ripetizione Segnali Continua): segnali analogici trasmessi lungo i binari caratteristici di tratti di linea attrezzati con il BACC (Blocco Automatico a Correnti Codificate). 15

13 Generatori tachimetrici: forniscono i dati di odometria necessari poi al computer di bordo per calcolare le grandezze cinematiche (spazio, velocità e accelerazione) e valutare il profilo dinamico di velocità. Per quel che riguarda la logica di funzionamento del SCMT si può dire in sostanza che il computer di bordo confronta la velocità istantanea del treno con quella massima imposta dai vincoli legati ai segnali incontrati lungo la linea, alle caratteristiche del rotabile stesso, alle caratteristiche della linea e alla presenza di eventuali rallentamenti. Il sistema sviluppa una curva di riferimento per la riduzione di velocità in base ai dati forniti dalle boe (comprese le distanze tra i PI fornite dalla configurazione delle boe a catena di appuntamenti) come quelle riportate per esempio nelle Figure 10 e 11. Figura 10 Profilo di velocità SCMT-1 R DOA S S R Figura 11 Profilo di velocità SCMT-2 16