Università degli Studi di Padova Facoltà di Ingegneria Dipartimento di Elettronica ed Informatica

TESI DI LAUREA
Sistemi GSM in ambito ferroviario secondo
il progetto europeo ERTMS/EURORADIO

Marcello Scatà

 

Cap.4 - EUROPEAN TRAIN CONTROL SYSTEM

 

4.1 Introduzione

Il sistema ETCS [24], European Train Control System, promosso dalla Comunità Economica Europea e sviluppato dalle Compagnie Ferroviarie di Stato dei membri della comunità e dalle principali industrie di segnalamento ferroviario, sta per diventare a tutti gli effetti operativo. Progettato con criteri che lo rendono un sistema totalmente standardizzato e interoperabile, ETCS renderà più veloci ed efficienti i trasporti su rotaie, consentendo ai progettisti dei sistemi di controllo del traffico di vincere una delle sfide più importanti: ottimizzare la capacità delle linee ferroviarie.

È il primo passo verso la creazione di un sistema comune ed integrato per il controllo e la gestione del traffico ferroviario, European Rail Traffic Management System, ERTMS, già illustrato nel capitolo introduttivo.

 

4.2 Il sottosistema EuroBalise

Il sottosistema EuroBalise permette una comunicazione unidirezionale e discontinua da terra a treno sfruttando dei dispositivi di segnalamento, dette tecnicamente boe o balise, disposti sui binari lungo la linea ferroviaria. Il passaggio del treno al di sopra di una boa determina una breve trasmissione di dati, utilizzando la moderna tecnologia a transponder magnetici, dalla balise al treno; in questo senso si indica la trasmissione come "discontinua".

Un'antenna, montata sotto il locomotore, riceve i messaggi, che vengono decodificati, elaborati dal computer vitale di bordo ed infine visualizzati su display al conduttore.

Il treno, conoscendo la dislocazione delle balise disposte lungo la tratta che sta percorrendo e l'identità della balise con cui sta comunicando, può risalire alla sua precisa posizione lungo la linea ferroviaria.

 

Figura 3 - Una balise (a destra). Alcune balise installate lungo i binari (sopra a sinistra). Antenna posta sotto al locomotore (qui a sinistra). Fonte: Catalogo pubblicitario ADTranz.

 

Le balise non richiedono alimentazione esterna, ma sono telealimentate dal treno stesso al suo passaggio. Quest'ultimo attiva la balise con un segnale a 27MHz, la balise risponde inviando il messaggio in modulazione FSK a 3.9-4.5MHz con un transfer rate di circa 564 kbit/s. I messaggi hanno una lunghezza variabile tra 341 e 1023 bit e le trasmissioni sono garantite nella loro correttezza per velocità del treno fino a 500 Km/h. Generalmente le balise sono installate a coppie, a distanza di qualche metro, così da determinare oltre alla posizione anche la direzione del treno ed in modo tale da aumentare, per mezzo della ridondanza, l'affidabilità del sistema. Esistono già alcune linee in Europa equipaggiate con il sistema EuroBalise.

 

4.3 Architettura semplificata del sistema ETCS

Il sistema ETCS prevede tre gradi di sofisticazione:

Level 1. Il treno riceve le informazioni soltanto dalle balise (EuroBalise); permangono ancora i tradizionali segnali visivi disposti lungo la linea.

Level 2. Il sistema è potenziato da una trasmissione radio continua (EuroRadio), basata sullo standard GSM-R, che si somma alla precedente trasmissione discontinua. Il macchinista non è più dipendente dai segnali visivi tradizionali.

Level 3. La trasmissione terra-treno avviene esclusivamente via radio; le balise sono utilizzate solamente per fornire il riferimento della posizione ai treni che vi transitano al di sopra. Possono essere inviate al treno, sempre attraverso le balise anche altre informazioni fisse, riguardanti la tratta, ovvero non modificabili runtime, ma solo attraverso un intervento manuale del personale addetto. L'utilizzo della modalità di trasmissione via radio consente di evitare la posatura di un cavo coassiale di comunicazione lungo tutta la linea per connettere tra loro le varie le balise.

Nell'ambito della presente tesi verrà considerato il caso di un sistema ETCS level 3, quindi con trasmissione terra-treno via radio (GSM-R) e con EuroBalise utilizzate come ausilio per la localizzazione del treno.

Per facilitarne l'analisi, si può scomporre ETCS in grossi sottosistemi:

• il sottosistema di bordo, Trainside SubSystem, comprendente il complesso delle apparecchiature installate a bordo del locomotore;

• il sottosistema di terra, Trackside SubSystem, controparte del sottosistema di bordo, con funzione di gestore e controllore di tutto il sistema.

È inoltre possibile considerare come un sottosistema a parte la rete GSM-R, che permette la connessione radio tra i sottosistemi di bordo e di terra. La Figura 4 evidenzia questa scomposizione ed il canale di trasmissione tra bordo e terra.

 

Figura 4 - I sottosistemi: Trainside, Trackside e GSM-R network. In evidenza il canale di trasmissione tra bordo e terra.

 

4.3.1 Trackside SubSystem

Si considerano facenti parte del sottosistema Trackside tutte le apparecchiature non installate direttamente a bordo del treno. Il componente centrale è rappresentato dal Radio Block Center (RBC) che comunica direttamente con il treno via radio ed è dedicato alla gestione e al controllo del traffico ferroviario.

Il sottosistema di bordo di ciascun treno, ricava la posizione del treno stesso, sulla tratta percorsa, dalle informazioni ricevute dalle balise incontrate, e quindi informa, via radio, RBC.

RBC raccoglie i dati da tutti i treni che percorrono la linea e, dopo averli elaborati, invia i risultati a ciascun treno così che questi possa calcolare con continuità la velocità da mantenere nella tratta, in considerazione (e nel rispetto delle norme di sicurezza fissate) della distanza dal treno che lo precede.

Per garantire una trasmissione sicura e senza errori tra treno e RBC, i dati vengono trasmessi in forma codificata. I problemi relativi alla sicurezza e gli algoritmi utilizzati verranno trattati approfonditamente nel seguito.

 

Trainside SubSystem

A bordo del treno trovano posto diverse apparecchiature così come evidenziato in Figura 5.

Figura 5 - Architettura semplificata del sottosistema di bordo. In evidenza il flusso informativo trasmesso da EVC a MT e quindi a RBC via link radio.

 

I moduli RTM, BTM, SDMU, EVC e TIU, le cui funzionalità sono brevemente descritte nel seguito, trovano posto all-interno di un unico rack, detto rack EVC o CAB cubicle. Una serie di connettori frontali o disposti sul back-plane, permette di collegare il rack EVC alle altre periferiche (antenne, sensori, MT, ecc.).

 

Figura 6 - Overview del rack EVC MASC.

 

European Vital Computer (EVC)

Il componente centrale del sistema è il computer vitale o European Vital Computer; è suo compito sorvegliare il corretto e sicuro movimento del treno. EVC riceve sia i dati provenienti da terra, sottosistemi EuroBalise ed EuroRadio, che dalle periferiche di bordo (ad esempio SDMU, TIU).

Data la funzione critica di questa apparecchiatura per la sicurezza del treno, il suo progetto e la sua realizzazione sono stati guidati da particolari criteri improntati a garantirne la massima; si parla in questo caso di apparecchiatura safe.

L'architettura hardware scelta da MASC prevede l'utilizzo di tre moduli separati, ognuno a singolo processore; tutti elaborano sincronizzati gli stessi input in parallelo e devono raggiungere il medesimo risultato perché, in base a quest'ultimo, prendano inizio le successive azioni previste. Ognuno dei tre moduli dispone di un bus di trasmissione dedicato per comunicare con le periferiche.

EVC implementa la filosofia 2 out of 3, ovvero il sistema è progettato in modo tale che un risultato venga considerato corretto solo se ottenuto da almeno due dei tre moduli operanti. Tutte le apparecchiature che comunicano direttamente con EVC, ad esempio RTM (responsabile del sottosistema EuroRadio) e BTM (responsabile del sottosistema EuroBalise), implementano necessariamente la stessa filosofia. Devono quindi gestire, sia in trasmissione che in ricezione, una comunicazione contemporanea sui tre bus.

Per sviluppare il codice che implementa EVC MASC ha scelto il linguaggio ADA. L'utilizzo di un compilatore cosiddetto safe permette inoltre di ottenere versioni eseguibili leggermente differenti dal medesimo sorgente: ogni istruzione del linguaggio ad alto livello non viene sempre codificata con la medesima sequenza di istruzioni macchina, ma la codifica avviene scegliendo una sequenza tra più varianti equivalenti. Questo modo di procedere garantisce la generazione di codici eseguibili funzionalmente identici tra loro, ma implementati in modo diverso. Attivando un eseguibile differente per ciascun modulo si garantisce che eventuali errori dovuti al processo di compilazione ed alla particolare sequenza di istruzioni macchina eseguita vengano evitati, inoltre l'allocazione della memoria sarà sicuramente differente.

Tutto il codice viene prima sottoposto ad un processo di precompilazione che evidenzia al programmatore l'uso di istruzioni o costrutti che potenzialmente potrebbero innescare comportamenti dubbi in esecuzione. L'analisi è ovviamente rivolta al contenuto semantico del codice, dato che errori sintattici sarebbero comunque rivelati dal compilatore. Sempre nella stessa ottica il set di istruzioni a disposizione del programmatore è ridotto al minimo indispensabile; in questo caso si parla di linguaggi minimali e, nel caso MASC, di ADA minimali.

Automatic Train Control e Automatic Train Protection

I sistemi di Automatic Train Protection hanno come principale scopo integrare il sistema di segnalamento di linea per garantire che il macchinista rispetti le indicazioni dei segnali. Quest'ultimo riceve, visualizzate su un display a bordo del locomotore, molte informazioni utili: la massima velocità permessa (Target Speed) e la velocità effettiva istante per istante.

Le informazioni fornite con un certo anticipo al conducente, lo aiutano ad impostare efficacemente le manovre di frenatura, così che il treno possa mantenere un velocità media elevata, la più alta possibile.

ATP inoltre informa il conducente nel momento in cui viene superata la massima velocità permessa, attivando automaticamente il sistema frenante nel caso il conducente non vi abbia già provveduto tempestivamente.

Va tenuto presente che nelle reti ferroviarie tradizionali il conducente riceve le informazioni operative dai segnali visivi disposti lungo la tratta. Alle alte velocità però possono esserci delle difficoltà nel riuscire ad interpretare correttamente i segnali, che rimangono chiaramente visibili all'occhio solo per qualche frazione di secondo. ATP risolve questo problema visualizzando le informazioni direttamente sul display a bordo del locomotore.

Balise Transmission Module (BTM)

Il Balise Transmission Module costituisce l'interfaccia tra il sistema EuroBalise ed il computer vitale di bordo EVC. Ha il compito di ricevere, attraverso il dispositivo radio montato sotto il locomotore, i messaggi dalle balise, di elaborarli e quindi di inviarli ad EVC.

Speed and Distance Measurement Unit (SDMU)

L'unità SDMU grazie all'uso di alcuni sensori fornisce informazioni sulla velocità e sulle distanze percorse dal treno.

SDMU contiene un odometro, strumento di misura utilizzato per stabilire la precisa posizione del treno tra due balise successive. Quest'ultimo consiste in un contagiri applicato ad una delle ruote della motrice e permette di ottenere la distanza percorsa moltiplicando la circonferenza della ruota per il numero dei giri indicati dal contagiri. L'odometro, per sua natura, è uno strumento non preciso e potrebbe accumulare nel tempo un errore significativo nella misura. Per ridurre questo eventuale errore il contagiri viene azzerato ad ogni passaggio al di sopra di ciascuna boa, in modo tale che lo strumento fornisca l'offset di distanza rispetto all'ultima balise incontrata.

Train Interface Unit (TIU)

L'unità TIU permette ad EVC di interfacciarsi con tutti gli altri sottosistemi di bordo, tra cui il freno di emergenza, il controllore automatico dell'apertura/chiusura porte o il controllore del pantografo. Tutte queste periferiche sfruttano dei bus proprietari, differenti dal bus adottato da EVC; TIU deve quindi fornire un meccanismo per comandare, in modo trasparente, le diverse periferiche.

Radio Transmission Module (RTM) e Mobile Termination (MT)

Radio Transmission Module, e Mobile Termination GSM-R costituiscono l'interfaccia del computer vitale verso il Radio Block Center. Saranno entrambe analizzate in modo approfondito nel seguito del presente capitolo.

Man Machine Interface (MMI)

Nel locomotore trova posto anche una complessa MMI che consente al macchinista di interagire con i vari sottosistemi di bordo ed in particolare con EVC.

Una seconda MMI, connessa ad una Mobile Termination GSM-R dedicata, permetterà al macchinista di effettuare o ricevere chiamate in voce sfruttando i nuovi servizi sviluppati per le esigenze ferroviarie (ASCI features).

In Figura 7 è ritratta una MMI prodotta da MASC ed installata attualmente e fino all'entrata in funzione del sistema ERTMS a bordo dei locomotori ad alta velocità italiani ETR500. Consente al macchinista di interagire con la radio di bordo, attualmente ancora analogica 450 MHz oppure 900 MHz.

 

Figura 7 - Esempio di MMI. La versione ritratta in figura è attualmente installata a bordo del locomotori ETR500. Fonte: catalogo MASC.

 

Legal Recorder Unit (LRU)

L'unità LRU registra tutti gli eventi di bordo, quali: le comunicazioni vocali da con il conduttore, le istruzioni di RBC per la gestione del traffico, la velocità istantanea del treno, permettendo un'analisi a posteriori in caso di incidente. Ha funzionalità analoghe alle cosiddette scatole nere installate a bordo degli aerei.

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