IL TRENO DEL FUTURO
IL TRENO DEL FUTURO
Tratto da Telefoni Cellulari Magazine, n. 19 Autunno 1999.In futuro la tecnologia GSM ci accompagnerà indirettamente anche durante i nostri viaggi in treno. Tra qualche anno i telefoni GSM faranno parte dell’equipaggiamento base di tutti i treni di nuova progettazione. Sarà così possibile uno scambio continuo di dati ed informazioni tra treno e terra. Il loro utilizzo renderà più veloce ed efficiente il trasporto su rotaia.
Oggigiorno il trasporto ferroviario è sicuramente inadeguato e tecnologicamente obsoleto. Il materiale rotabile, sia locomotori che vagoni, spesso hanno un’anzianità di servizi di parecchie decine d’anni e le linee, progettate quasi un secolo fa, non permettono ai moderni convogli di viaggiare sfruttandone in toto le potenzialità.
Lo scenario è però destinato a cambiare radicalmente nei prossimi anni con l’introduzione delle linee ad alta velocità. I treni super veloci consentiranno di abbattere letteralmente i tempi di percorrenza a cui siamo abituati oggi, rilanciando i treni come mezzo di trasporto alternativo all’aereo. Già oggi in Francia i moderni TGV Thalys, prodotti dalla francese Alstom, permettono di raggiungere Bruxelles da Parigi in poco più di un’ora coprendo i circa 300 km che le separano ad un velocità prossima ai 280 km/h. E’ facile prevedere che la prossima generazione di High Speed Trains possa agevolmente superare i 400 km/h.
Non è però pensabile che simili prestazioni siano ottenibili senza un radicale ammodernamento di tutte le infrastrutture ferroviarie coinvolte. Si pensi che a 400 km/h un treno percorre ogni secondo oltre 100 m ed i tempi di reazione in caso di emergenza diventano strettissimi. Era quindi necessario iniziare a sviluppare delle nuove apparecchiatura che aiutassero il macchinista a condurre il treno in tutta sicurezza anche a velocità elevate.
UNA RIVOLUZIONE EUROPEA
Verso la fine degli anni ’80 la Comunità Europea ha promosso due progetti, sviluppati dalle principali aziende del settore in collaborazione con gli operatori delle Ferrovie di Stato dei singoli paesi europei, dedicati l’uno alla trasmissione dati e l’altro alle comunicazioni in voce tra bordo e terra, con l’intento di rivoluzionare l’intero sistema ferroviario europeo. Entrambi saranno basati sulla tecnologia GSM, opportunamente rivista e modificata per soddisfare le specifiche esigenze del mondo ferroviario (il nuovo standard è stato ribattezzato GSM Railway o GSM-R per sottolineare la sua vocazione rivolta al mondo delle ferrovie, Railway in inglese). Il primo progetto, denominano Ertms/Etcs (Sistema Europeo per la Gestione del Traffico Ferroviario/Sistema Europeo di Controllo del Traffico, European Rail Traffic Management System/European Traffic Control System), ha come obbiettivo lo sviluppo di uno sistema di segnalamento che armonizzi i diversi sistemi attualmente utilizzati nelle singole nazioni europee. Il progetto prevede una comunicazione continua tra bordo e terra per scambiare dati ed informazioni sfruttando il servizio di trasmissione dati GSM. Saranno installati a bordo dei locomotori dei computer "intelligenti" in grado di colloquiare con i centri di controllo del traffico ferroviario a terra e coadiuvare così il macchinista nel suo operato sorvegliandone il corretto comportamento.
Il secondo progetto, denominato Eirene/Morane (Rete Europea Avanzata ed Integrata per le Ferrovie, European Integrated Rail Enhanced Network/Mobile Radio Network), intende creare una rete mobile privata delle ferroviarie europee che permetta al personale di comunicare con semplicità. Anche questo servizio sfrutterà la tecnologia GSM (personale e treni disporranno di terminali GSM) saranno offerti tutti i servizi oggi già disponibili sulle reti commerciali (vedi avviso, trasferimento, sbarramento di chiamata oppure identificazione del chiamante), oltre ad una serie di servizi specifici, opportunamente pensati per le esigenze ferroviarie. Promotori, assieme alla Comunità Europea, dei progetti Ertms ed Eirene sono le Ferrovie di Francia (Sncf), Germania (DB), Italia (FS S.p.A.), Spagna (Renfe), Svezia (Banverket) e Danimarca (DSB). Tra le aziende costruttrici coinvolte nel progetti vi sono sia case specializzate nel settore ferroviario che case specializzate nella tecnologia GSM. Tra le prime troviamo: ADTranz (Germania), Alstom Transport (Francia) costruttrice tra l’altro dei treni ad alta velocità TGV e Thalys, Ansaldo Research (Italia), CSEE Transport (Francia), Dimetronic (Spagna) e Siemens (Germania). Tra le seconde troviamo: Ericsson (Svezia), Italtel (Italia), Nortel Networks (Francia) e ancora Siemens (Germania).
Attualmente lo sviluppo dei progetti Ertms ed Eirene si trova nella fase di test dei prototipi in laboratorio. Entro la fine dell’anno sarà avviata la sperimentazione sul campo con una sessione di prove comuni fra tutte le case costruttrici sulla linea ad alta velocità Madrid-Sevilla (Spagna) per verificarne il buon funzionamento e correggere eventuali anomalie. La loro entrata in servizio è prevista nei primi anni del 2000.
UN TELEFONINO PER IL FERROVIERE
Vi siete mai chiesti se il macchinista può comunicare con terra durante la marcia del treno? Non stupitevi, ma solo in una ristretta parte dei locomotori, i più moderni, sono installati dei telefoni radio, nella restante parte dei casi la possibilità è affidata al telefono cellulare che i macchinisti, e non tutti, hanno in dotazione.
La situazione in Italia è la seguente: solo alcuni anni fa le Ferrovie dello Stato hanno comprato da Telecom Italia la vecchia rete radiomobile veicolare funzionante a 450 MHz, ed hanno iniziato ad installare radio telefoni a bordo delle motrici per permettere la comunicazione tra treno e terra. Il personale viaggiante dispone di cellulari che sfruttano la rete commerciali analogica Etacs di Tim, mentre i manutentori e gli operatori di piazzale hanno a disposizione delle radio, simili a dei walky-talky.
Negli altri stati europei i singoli operatori delle Ferrovie hanno adottato soluzione differenti, in base a ciò che il mercato e le aziende costruttrici locali offrivano loro. Come risultato ci si ritrova con un panorama estremamente variegato di soluzioni, il più delle volte differenti e non compatibili fra loro. Un treno italiano internazionale equipaggiato con un radio telefono a 450 MHz quando passerà il confine di stato perderà la possibilità di comunicare con terra dato che all’estero non esistono reti radiomobili a 450 MHz e, quasi certamente, non potrà nemmeno utilizzare il proprio terminale di servizio Etacs, anche quest’ultimo sistema infatti non è compatibile con le altre reti analogiche esistenti.
Il fatto che la situazione negli altri stati europei fosse pressappoco analoga spinse, nei primi anni ’90, la Comunità Europea e le Ferrovie di Stato dei singoli paesi membri ad iniziare lo sviluppo di un nuovo sistema, ribattezzato Eirene, che consentisse la creazione di un'unica grande rete mobile paneuropea garantendo alle apparecchiature di bordo ed ai terminali cellulari personali la possibilità di funzionare senza problemi lungo le linee ferroviarie di un qualunque stato.
Eirene consentirà comunicazioni sia vocali che dati tra terra e treno; in aggiunta dovrà garantire un normale servizio di telefonia per il personale di terra, per i manutentori delle linee ferroviarie, per il personale addetto alle manovre dei treni, ai depositi, e così via. Le specifiche dovranno assicurare la compatibilità del sistema tra le diverse Ferrovie così da garantire la continuità del servizio su tutta la rete ferroviaria europea.
Come nucleo centrale per le comunicazioni radio si è scelto il sistema GSM: uno standard globale, collaudato, testato, e quindi tecnologicamente affidabile; utilizzato e appoggiato da costruttori, operatori e utenti, sia in Europa che nel resto del mondo. Le specifiche esigenze dei ferrovieri però mal si adattavano allo standard GSM già specificato. Quest'ultimo infatti era stato sviluppato da ETSI, l’istituto europeo per la standardizzazione nel settore delle telecomunicazioni (European Telecommunications Standard Institute), pensando soprattutto al servizio pubblico commerciale. Nascerà così il GSM-R o GSM-Railway, variante del GSM commerciale opportunamente modificata per l’utilizzo nelle ferrovie.
IL GSM RAILWAY
Con l'acronimo GSM-R si intende la variante dello standard GSM appositamente sviluppata per l'uso ferroviario. Il GSM-R conserva una piena compatibilità con il sistema GSM commerciale, differenziandosene solo per alcune caratteristiche:
Frequenze di utilizzo. Il sistema GSM-R trasmette e riceve in una banda appositamente riservata alle applicazioni ferroviarie (876-880 MHz, 921-925 MHz), però deve essere in grado di lavorare anche nella banda commerciale GSM estesa (880-915 MHz, 925-960 MHz).
Potenza dei terminali. I terminali GSM-R possono essere sia palmari (in dotazione al personale) che veicolari. Questi ultimi verranno installati a bordo dei locomotori e per offrire un miglior servizio dovranno essere in grado di trasmettere utilizzando una potenza massima di 8 Watt rispetto ai 2 Watt dei terminali commerciali.
Limite di velocità. Poiché i terminali verranno installati prevalentemente sui treni ad alta velocità, dovrà essere garantito il funzionamento corretto del sistema fino ad una velocità massima di 500 km/h, rispetto al limite di 250 km/h previsto nello standard GSM.
Nuovi servizi e funzioni. Il GSM-R prevede l'utilizzo di diverse funzionalità sviluppate ad hoc per le esigenze ferroviarie, comunque comprese anche nello standard commerciale (trasferimento e sbarramento di chiamata, chiamate di gruppo o in multiconferenza, accesso alla rete con priorità, identificazione del chiamante, ecc.), oltre a diverse funzioni specifiche (Railway specific functions), alcune delle quali sono illustrate sommariamente in seguito.
Servizio di Indirizzamento Funzionale (Functional addressing). Per Indirizzamento Funzionale si intende la possibilità di poter identificare un utente della rete EIRENE attraverso la funzione che sta svolgendo piuttosto che attraverso il numero telefonico del suo terminale. Ad esempio si può assegnare un numero funzionale ad un certo treno, così facendo si può contattare il macchinista di quel treno senza conoscere il numero telefonico del terminale installato nel locomotore, ma semplicemente digitando il numero funzionale associato al treno stesso. Questa funzionalità garantisce l'indipendenza del numero conosciuto dall'utente rispetto ai cambiamenti del terminale fisico avvenuti sia nello spazio che nel tempo. L’Indirizzamento Funzionale si basa sul servizio di Trasferimento di Chiamata, già previsto nello standard GSM. Ogni numero funzionale è visto dalla rete come un utente virtuale che ha un trasferimento incondizionato di chiamata attivo verso un numero telefonico reale.
Funzionalità di Indirizzamento in funzione della posizione (Location Dependent Addressing). Le entità ferroviarie di terra preposte al controllo del traffico o ad altre funzioni specifiche (controllore primario del treno, controllore dell'alimentazione elettrica, controllore del traffico, ecc.) devono poter essere chiamate da bordo semplicemente ricorrendo al loro numero funzionale. La mobilità del treno rende però necessaria la realizzazione di un meccanismo dinamico di instradamento delle chiamate bordo-terra, detto appunto Indirizzamento in funzione della posizione. Nel caso di una chiamata ad un controllore, la chiamata deve essere diretta proprio al controllore che al momento della chiamata è responsabile per quel treno. L’instradamento dovrà essere eseguito tenendo conto: del numero funzionale chiamato, della posizione, del numero identificativo e della direzione del treno, ed infine dell'ora e data della chiamata (ad es. durante la notte diminuisce il numero dei controllori e si estende la loro area di competenza). La localizzazione del treno può essere effettuata con strumenti appositi, ad esempio con dei transponder posti lungo la linea ferroviaria, oppure l’instradando la chiamata in base all'identità della cella da cui questa è stata originata. Quest'ultima modalità ovviamente garantisce delle prestazioni minori, sia perché l'area di copertura di una cella può essere molto estesa (fino ad un massimo di 35 km di raggio), sia perché le celle possono sovrapporsi creando ambiguità. Un po’ come avviene oggi per le chiamate dirette ai numeri di emergenza. Ad esempio quando si chiama il numero funzionale 112, risponde la centrale operativa dei Carabinieri più vicina al luogo di origine della chiamata, con la differenza che l’instadamento è fisso e stabilito una volta per tutte per la telefonia fissa, mentre deve essere totalmente dinamico, e quindi gestito in tempo reale, nell’uso ferroviario.
Nonostante l’utilizzo di uno standard commerciale molto diffuso, quale il GSM, esigenze di sicurezza hanno spinto i progetti a non utilizzare le reti commerciali già esistenti nelle singole nazioni. Ogni operatore ferroviario europeo disporrà quindi di una propria rete GSM-R che ovviamente coprirà solo le linee interessate dal progetto.
PER "CONDURRE" IL TRENO
Fino ad ora in Europa ogni singola rete ferroviaria ha stabilito quali dovessero essere i suoi sistemi di segnalamento. Il progetto Ertms ha lo scopo di superare tale situazione sviluppando un sistema europeo comune. Ciò consentirà ai treni di transitare sulle reti ferroviarie dei vari paesi senza dover cambiare i meccanismi di segnalamento. Al giorno d’oggi il macchinista non necessariamente al corrente dei regolamenti specifici del paese, deve essere sostituito; a volte è necessario sostituire anche le locomotive. In futuro grazie ad Ertms sarà necessario soltanto un tipo di apparecchiatura.
Prima di illustrare le prospettive future per il trasporto ferroviario, è importante introdurre a grandi linee cosa si intenda per segnalamento ferroviario e quale sia "il suo stato dell’arte" in questi giorni.
Per assicurare un servizio regolare e sicuro è necessario che il macchinista sia adeguatamente informato sulla distanza da percorrere e sulla velocità che può essere mantenuta. È inoltre necessario tenere in considerazione la distanza di frenatura, relativamente lunga nel caso di servizio ad alta velocità. La procedura convenzionale è quella di usare i segnali fissi di linea per fornire al macchinista indicazioni riguardanti lo spazio libero e la massima velocità consentita, esattamente come avviene per il normale traffico automobilistico.
Col passare del tempo sono stati introdotti sistemi di controllo della marcia del treno più sofisticati, al fine di integrare e sostituire completamente i segnali di linea. Il sistema di Controllo Automatico del Treno (ATC, Automatic Train Protection) ha come principale scopo l’integrazione del sistema di segnalamento di linea, per garantire che il macchinista rispetti le indicazioni dei segnali. Il sistema normalmente non interviene se la guida è corretta, interviene invece sempre per fermare il treno prima di un punto pericoloso, nel caso di errato comportamento del macchinista stesso.
L’obiettivo dei più recenti sviluppi del sistema di controllo treno consiste nell’installazione a bordo di alcuni dispositivi per la localizzazione del treno e per il controllo della sua integrità. Dispositivi che forniscano al macchina informazioni aggiuntive, quali ad esempio la visualizzazione della massima velocità ammessa in una certo punto della tratta.
L’efficienza e l’affidabilità di questi sistemi dipendono dal tipo di trasmissione dati utilizzato tra terra e treno. Attualmente si ricorre ad una trasmissione di tipo discontinuo, cioè attivata solo nel momento in cui il treno passa sulla corrispondente apparecchiatura di binario. Il sistema radio digitale sta però aprendo nuovi orizzonti fornendo la possibilità di realizzare con relativa semplicità una trasmissione di tipo continuo tra terra e treno.
E’ importante ricordare che per velocità inferiori ai 160 km/h, l’uso della ripetizione del segnalamento in cabina è opzionale e dipende dalle scelte di esercizio e da fattori tecnici e finanziari, mentre per velocità più alte il suo uso è obbligatorio poiché in generale non è possibile vedere i segnali di linea per un tempo adeguatamente lungo.
Poiché, in Europa, non esiste uno standard comune per ATC, fino ad oggi ogni Ferrovia ha deciso per proprio conto, basandosi su scelte concordate con enti legislatori e ditte di apparecchiature ferroviarie.
Ertms si prefigge come obiettivo: superare le limitazioni imposte dall’utilizzo di sistemi di segnalamento diversi nelle singole nazioni europee standardizzando sia le apparecchiature che l'interfaccia uomo-macchina all'interno della cabina di guida (compito non facile sia per le numerose concezioni di tale sistema che per i linguaggi differenti da un paese ad un altro).
Ertms si basa concettualmente su tre elementi: il sottosistema di bordo, comprendente il complesso delle apparecchiature installate a bordo del locomotore, il sottosistema di terra, controparte del sottosistema di bordo con il compito di gestire il traffico ferroviario, e la rete GSM-R di terra che fornisce la copertura radioelettrica lungo le tratte.
Ciascun treno sarà equipaggiato con uno o più terminali GSM-R. Un computer di bordo, detto Computer Vitale, sorveglierà il corretto e sicuro movimento del treno, scambiando informazioni via radio con le apparecchiature di terra. Data la criticità di questa apparecchiatura per la sicurezza del treno, il suo progetto e la sua realizzazione sono guidati da particolari criteri improntati a garantirne la massima affidabilità. Infine una console posta nel locomotore permetterà al macchinista di interagire con il sistema ricevendo in tempo reale, visualizzati su un display, tutti i dati di viaggio (velocità attuale, massima velocità permessa, posizione del treno, punto di inizio frenata, ecc.). Le informazioni, fornite con un certo anticipo al conducente, ed in particolare la velocità limite, lo aiuteranno ad impostare efficacemente le manovre di frenatura, così che il treno possa mantenere una velocità media elevata, la più alta possibile.
Prima di ogni viaggio verranno scaricate nel computer vitale di bordo tutti i dati utili sulla tratta che il treno andrà a percorrere, ed in particolare il profilo di velocità. Alcuni strumenti installati a bordo forniranno al computer vitale la posizione precisa del treno lungo tratta così che questo possa verificare se la velocità di percorrenza impostata dal macchinista rientri nei limiti di sicurezza; nel caso questi siano superati deve entrare in azione e, agendo sui freni, riportare la velocità al di sotto del limite. In tal modo si garantisce al treno una marcia sicura, lasciando al macchinista il completo controllo del treno, ma, allo stesso tempo, se ne sorveglia "intelligentemente" l’operato.
Ertms si pone però un altro obiettivo molto ambizioso: rendere dinamica e flessibile la gestione del traffico ferroviario. Oggi la marcia del treno è regolata, analogamente al traffico automobilistico, mediante semafori e cartelli indicatori posti a lato del binario. Ciò consente al centro di controllo del movimento ferroviario di rallentare o accelerare la marcia di un treno in funzione del traffico presente in quel momento sulla linea (ad esempio penalizzando un treno locale per farlo sorpassare da un treno "veloce", magari in ritardo). Gli ordini non sono però impartibili istantaneamente, in tempo reale, ma solo a tempi discreti, cioè solo in concomitanza con il passaggio del treno in prossimità dei semafori di binario. Non é invece possibile trasferire informazioni da bordo a terra.
Sfruttando la comunicazione radio GSM-R tra terra e treno diventa semplice ed istantaneo ricevere informazioni da bordo ed inviare ordini da terra. I centri di controllo del traffico possono così ricevere con regolarità informazioni (quali posizione, velocità, eventuale ritardo, ecc.) da tutti i treni in circolazione su una data linea. Tutta questa grande quantità di dati viene elaborata per stabilire il miglior piano di traffico, che ottimizzi sia la capacità della linea che i tempi di percorrenza. I risultati ottenuti sono inviati a ciascun treno così che il computer vitale di bordo possa calcolare a sua volta la giusta velocità da mantenere, nel rispetto delle norme di sicurezza fissate ed in considerazione della distanza dal treno che lo precede. Il macchinista vedrà visualizzato sul display il nuovo limite di velocità imposto dalle attuali condizioni di traffico così come richiesto da terra ed elaborato dal computer vitale. Se non lo rispetterà prontamente sarà ancora una volta il computer di bordo ad intervenire per riportare la marcia del treno entro i limiti imposti.
ERTMS E EIRENE COME STANDARD MONDIALE
Il sistema Ertms, quando entrerà pienamente in funzione, porterà una ventata di novità e di tecnologia avanzata in un settore, come quello ferroviario, tradizionalmente obsoleto e poco avvezzo ai cambiamenti e agli ammodernamenti.
Il suo sviluppo ha portato l’industria europea del segnalamento ferroviario in posizione di leadership mondiale. L’adozione del sistema da parte dei maggiori operatori ferroviari europei, sia appartenenti all’Unione Europea che non, ha suscitato l’interessamento anche degli altri operatori mondiali, tra questi quelli di India, Sud Africa, Cina e Stati Uniti. Tale interessamento offre l’opportunità di promuovere Ertms a futuro standard mondiale del trasporto ferroviario.
Il motto "Innovazione attraverso la cooperazione" riassume egregiamente la filosofia che ha accompagnato lo sviluppo di Ertms. La collaborazione tra le maggiori case costruttrici e gli operatori è un chiaro indicatore del processo di rinascita del settore ferroviario sempre più consapevole che il mercato globale del futuro sarà trainato da tre forze: attenzione al cliente, competizione e cambiamento.
Perché "pendolino"? In Italia i treni più moderni, prodotti dalla Fiat Ferroviaria, sono gli ETR. Attualmente sono in servizio tre tipi differenti di ETR: l’ETR 450 e l‘ETR 460/480, i "Pendolino" rispettivamente di 2a e 3a generazione, e l’ETR 500, destinato a essere utilizzato sulle linee ad Alta Velocità. Gli ETR 450, 460 e 480 devono il nome di "Pendolino" al fatto che sono "ad assetto variabile": durante la marcia in curva, la cassa si inclina di 8° verso il centro del tracciato, compensando l'accelerazione centrifuga. Ciò consente al treno di affrontare tracciati anche tortuosi a velocità più elevate del 35% rispetto a un treno InterCity tradizionale (al massimo 250 Km/h), senza che il comfort della marcia venga meno. L'inclinazione della cassa è gestita da un sistema di controllo basato su un microprocessore che acquisisce le informazioni e le invia a degli attuatori idraulici. L’ETR 500 invece, è stato progettato per circolare a velocità superiori a 300 Km/h sulle nuove linee ad Alta Velocità, mentre su quelle attuali raggiunge, in curva, velocità superiori del 15% rispetto ai treni InterCity tradizionali. |
Acronimi ATC Automatic Train Control |
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OPERATORI DELLE FERROVIE
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(Danimarca) FS S.p.A. (Italia) RENFE Ferrovie dello Stato spagnole
(Spagna) SNCF Ferrovie dello Stato francesi
(Francia) ALTRI ENTI ED ORGANIZZAZIONI EIRENE European Integrated Rail
Enhanced Network ERRI European Railway Research
Institute ETSI European Telecommunication
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de Fer |
Le informazioni riportate in questo articolo sono aggiornate al 30 giugno 1999.
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