Wprowadzenie

Specyficzne metody monitorowania znajdują zastosowanie w kolejnictwie. Bardzo istotnym problemem jest w tym przypadku bezpieczeństwo kolei oraz pasażerów. Pojęcie to dotyczy nie tylko systemów automatycznego sterowania pociągami ale również realizacji określonych funkcji bezpieczeństwa za pośrednictwem pakietowej transmisji radiowej jaką jest GSM-R. Tak więc bezpieczna kolej to nie tylko nowoczesny tabor zapewniający określony komfort jazdy czy też zmodernizowane szlaki kolejowe przystosowane do dużych prędkości (w Polsce 160 km/h, maksymalnie 200 km/h). Ważnymi czynnikami wpływającymi na bezpieczeństwo transportu kolejowego są: skuteczna i niezakłócona komunikacja, dzięki której szybko i sprawnie przepływać mogą informacje niezbędne do zarządzania i sterowania ruchem oraz do obsługi pasażerskiej, jak również pewne opcje naprawcze.

Ogromne i dotąd niespotykane możliwości w tym zakresie daje nowa generacja komórkowego systemu cyfrowej łączności ruchomej zwanej GSM-R (GSM for Railways). Pierwsze prace nad tym nowym systemem łączności dla potrzeb kolejowych podjęto w 1993 r. Pracowała nad nim Międzynarodowa Unia Kolejowa UIC. Za podstawę przyszłego cyfrowego systemu łączności ruchomej wybrano wówczas standard GSM. Zapoczątkowało to projekt EIRENE (European Integrated Railway Radio Enhanced Network), którego celem była koordynacja prac nad nowym systemem łączności oraz opracowanie jego standardów. Aktualnie system GSM-R jest wdrażany na terenach Francji, Włoch, Szwecji, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii i Niemiec. Tamtejsze korporacje kolejowe zdecydowały się na powszechne stosowanie tego systemu w swoich pociągach. Warto również nadmienić, co zyskują przewoźnicy kolejowi dzięki funkcjonalności systemu GSM-R. Zakres usług jest szeroki i obejmuje między innymi:

• transmisję danych cyfrowych (sterowanie ruchem pociągów, informacje dla załóg i pasażerów),
• wywołanie grupowe na danym obszarze (a więc zawiadomienie wszystkich służb),
• wywołanie funkcyjne (np. wg grup ważności albo funkcji pełnionej w danym pociągu),
• szeregowanie w dowolnej kolejności połączeń przychodzących i wychodzących, jak również możliwość określenia pozycji odbiorcy (w tym przypadku pociągu) na szlaku (o stosowanych w tym celu metodach pisano już w cz.1 niniejszego artykułu),
• programowanie zakresów dostępów użytkowników do całości lub części połączeń w sieci,
• automatyczny wybór języka komunikatów,
• możliwość łączności z publicznymi sieciami komórkowymi (w szczególności wtedy, gdy następuje awaria GSM-R).

Europejski System Zarządzania Ruchem Kolejowym składa się z:

• Europejskiego Systemu Sterowania Pociągiem (European Train Control System - ETCS),
• systemu transmisji radiowej GSM-R,
• Europejskiej Warstwy Zarządzania Pociągami (European Train  Management Layer -ETML).

• radiotelefoniczne sieci stacyjne,
• sieć spisywaczy (odprawiaczy),
• sieć zbiorowa,
• współpraca sieci stacyjnych,
• sieć pociągowa,
• sieć ratunkowa,
• sieć dyspozytora zasilania elektroenergetycznego,
• sieć drogowa i utrzymania,
• sieć Służby Ochrony Kolei.

Obecnie w kolejnictwie europejskim działają różne systemy łączności szlakowej, stosowane są różne częstotliwości pracy i technologie. Ponadto większość pracującego sprzętu analogowego przekroczyła czas żywotności. Biorąc pod uwagę wymienione względy, Międzynarodowa Unia Kolejowa UIC podjęła w 1997 roku decyzję o wprowadzeniu jednolitego systemu radiokomunikacji kolejowej, wykorzystującego standard GSM. Przełomowym momentem była decyzja 18 krajowych zarządów kolejowych, dotycząca implementacji systemu GSM-R najpóźniej w 2003 roku. 

Sieć GSM-R jest zasadniczo przeznaczona tylko do celów służbowych. Założono zatem, że system zapewni pokrycie radiowe wyłącznie obszarów kolejowych, tzn. linii, terenów stacji i obiektów kolejowych leżących poza terenami stacji, a łączność radiowa na innych terenach będzie realizowana za pośrednictwem publicznego systemu GSM. GSM-R działa w paśmie częstotliwości wydzielonym dla kolei, poniżej częstotliwości publicznych systemów GSM (876-880 MHz oraz 921-925 MHz).

Budowa sieci GSM-R

Przewidziano trzy typy komórek pokrycia przestrzennego:

1. obsługujące tylko linie kolejowe,
2. obsługujące linie kolejowe i tereny stacyjne,
3. obsługujące inne tereny kolejowe.

Typy tych komórek różnią się głównie kształtem: komórki liniowe mogą być wydłużone, pozostałe - zazwyczaj koliste. Każda komórka może obsługiwać wszystkie radiotelefony GSM-R. Ewentualne ograniczenia mogą wynikać z organizacji systemu, a głównie z ustalonego systemu priorytetów, klas dostępu i podziału na grupy.

Rys. 1. Organizacja sieci GSM-R dla potrzeb PKP

Polskie Koleje Państwowe (PKP) są przedsiębiorstwem o strategicznym znaczeniu w kraju. Ponieważ współpracują z kolejami Unii Europejskiej, należy dostosować normy polskie i branżowe do standardów europejskich. Kolej ma charakter ponadpaństwowy, tzn. do Polski wjeżdża tabor zagraniczny, a Polskę opuszcza nasz tabor, w związku z czym zapewnienie właściwej łączności jest niezbędne. Aby móc oferować klientom usługi na poziomie porównywalnym z tym, jaki jest w Unii Europejskiej, sieć telekomunikacyjna powinna być niezawodna, a usługi łatwo dostępne i tanie. Jest to możliwe wyłącznie w sieciach cyfrowych. Stosowane dotychczas systemy analogowe są przestarzałe, co było powodem podjęcia programu modernizacji sieci telekomunikacyjnej PKP, w tym sieci radiołączności pociągowej. Na rys. 1 przedstawiono organizację sieci dla potrzeb PKP. Sprzęt stosowany do budowy sieci GSM-R jest podobny do typowego sprzętu GSM. Stacje bazowe BTS-R niewiele różnią się zakresem częstotliwości roboczych od stacji GSM, natomiast elementy sieci, takie jak sterowniki stacji bazowych BSC-R i człon sieciowy NSS, którego głównymi elementami są centrale radiowe MSC-R, są zbliżone do urządzeń standardu GSM. Kolejowy człon sieciowy ma dodatkową bazę danych, związaną z adresowaniem funkcyjnym, oraz bardziej rozbudowane bazy połączeń grupowych i efektywne algorytmy zestawiania połączeń wysokopriorytetowych (z czasami poniżej 1 s). Połączenia pomiędzy kolejowymi centralami radiowymi MSC-R odbywają się poprzez kolejową sieć teletransmisyjną.

W skład sieci GSM-R wchodzą standardowe elementy sieci GSM:

• centrala radiowa MSC,
• sterownik stacji bazowych BSC,
• stacja bazowa BTS-R (stacje bazowe kolejowe różnią się zakresem częstotliwości od stacji systemu publicznego),
• rejestr abonentów własnych HLR,
• rejestr abonentów przyjezdnych VLR,
• centrum autoryzacji AuC,
• rejestr terminali ruchomych EIR,
• centrum eksploatacji i utrzymania OMC,
• centrum krótkich komunikatów SMSC,

• rejestr adresowania funkcyjnego,
• podzespoły współpracujące z systemem ATC,
• centrala obsługująca dyspozytorów.

Funkcje i usługi systemu GSM-R

Praca nad udoskonalaniem systemu GSM-R prowadzona jest w następujących kierunkach:

• zwiększenie niezawodności wywołań ogólnych wszystkich abonentów, jak również wywołań grupowych,
• zwiększenie szybkości wywołań połączonych z priorytetem natychmiastowej wykonalności,
• adresowanie funkcyjne, charakterystyczne dla kolejnictwa oraz tablicy operacyjnej - dyspozytorskiej (access matrix),
• praca w oddzielnych zakresach częstotliwości,
• spełnienie wymagań stawianych przez ETCS (Europejski System Sterowania Pociągami).

1. zapewnienia interoperacyjności na liniach międzynarodowych,
2. zwiększenia bezpieczeństwa ruchu pociągów,
3. zmniejszenia kosztów utrzymania urządzeń i działania całej sieci,
4. zwiększenia szybkości przewozów,
5. zwiększenia przepustowości (pojemności) sieci kolejowej.

System GSM-R zapewnia przewoźnikom kolejowym większe bezpieczeństwo ruchu pociągów, umożliwiając: diagnostykę pociągu, sterowanie jego ruchem (w tym prędkością), utrzymanie pożądanej odległości między pociągami oraz ich alarmowe zatrzymywanie,
a także monitorowanie wagonów i przesyłek. W odróżnieniu od analogowej radiołączności pociągowej, system GSM-R oferuje wiele nowych funkcji (wymieniono je we wprowadzeniu). Zalety nowej technologii są wielorakie. Dzięki eliminacji obszarów bez pokrycia radiowego zapewnia ona bardzo dużą niezawodność komunikacji. Równie wysoka jest niezawodność systemu. Uszkodzenie jednej stacji bazowej nie powoduje przerw w łączności. Znakomita jest jakość transmisji mowy (brak zakłóceń, zniekształceń itp.). Dzięki GSM-R wiele zyskają również pasażerowie, którzy będą mogli dokonywać rezerwacji i kupować bilety u konduktora w pociągu. Bardzo łatwy stanie się dostęp do informacji o połączeniach kolejowych, lotniczych i autobusowych. Inne możliwości to: rezerwacja taksówki, hotelu, uzyskiwanie informacji o ewentualnym opóźnieniu pociągu, prędkości jazdy, najbliższej stacji itp.

Wprowadzenie systemu GSM-R zapewnia realizację wszystkich funkcji spełnianych przez dotychczasową radiokomunikację analogową. System ten znacznie rozszerza takie usługi, jak rozmowa, krótkie wiadomości, dane, faks, wideotekst i teletekst. Zarządy kolejowe chcące odnowić swój sprzęt analogowy, który jest drogi w utrzymaniu, powinny rozważyć rozwiązanie alternatywne, którym jest zastosowanie standardu GSM-R jako odpowiedzi na obecne i przyszłe potrzeby.

W ostatnich latach obserwuje się szybki postęp w modernizacji radiokomunikacji kolejowej, która była opóźniona pod względem nowoczesności rozwiązań w stosunku do sieci publicznych. Coraz więcej kolei na świecie wykorzystuje zintegrowany system radiowy GSM-R, który łączy w sobie zalety cyfrowej łączności głosowej i przesyłania danych w postaci pakietowej, zastępując wszystkie stosowane dotychczas systemy analogowe. System ten łączy wszystkie istniejące kolejowe służby radiowe, zapewniając realizację dotychczasowych usług, jak również przyszłych wymagań.

3. Podsumowanie

Część 2. niniejszego artykułu przedstawia możliwości i korzyści, jakie można uzyskać wykorzystując system GSM-R do zarządzania ruchem kolejowym również w aspekcie bezpieczeństwa. Krótkie podsumowanie przedstawiono poniżej. Można teraz dokonać krótkiego podsumowania.

Sieć radiołączności PKP powinna wykorzystywać nowoczesną, interoperacyjną platformę cyfrową.

Zalety systemów cyfrowych, a w szczególności wciąż malejące koszty zakupu i eksploatacji, stanowią o ich niepodważalnej wyższości nad systemami analogowymi (np. RASZ). Nawet najbardziej atrakcyjny, lecz analogowy system skazuje dziś użytkownika, który zdecydował się na jego wdrożenie czy użytkowanie, na niższą od przeciętnej jakość i zakres usług oraz konieczność modernizacji sieci w ciągu najbliższych kilku lat.

Istniejące na PKP sieci radiowe zrealizowane są w sposób klasyczny, wynikający z możliwości technicznych systemów radiokomunikacyjnych poprzedniej generacji. Sieć tego typu to określona grupa radiotelefonów ruchomych i stacjonarnych oraz przydzielony im na stałe kanał częstotliwościowy (kanałów może być więcej). W większości przypadków systemy służą do transmisji mowy na jednej, wspólnej dla wszystkich abonentów częstotliwości (jednokanałowe sieci simpleksowe). Najbardziej zaawansowany system sieci zarządzania RASZ umożliwiał transmisję sygnałów sterujących za pomocą kodu wieloczęstotliwościowego i realizował w ograniczonym zakresie operacje trunkingowe. Konkurencyjność innych systemów tego typu, a zwłaszcza cyfrowych systemów komórkowych GSM, zmusiła PKP do zaprzestania eksploatacji systemu RASZ.

Obecny system radiołączności PKP jest realizowany przez dużą liczbę wyodrębnionych, daleko wyspecjalizowanych sieci, praktycznie ze sobą nie powiązanych. Utrzymanie takich sieci jest kosztowne, sieci te nie są rozwojowe. Przyszła sieć powinna stanowić jednolitą cyfrową sieć wielofunkcyjną, pozwalającą na precyzyjne definiowanie zasad dostępu i uprawnień poszczególnych abonentów. Powinna być siecią „inteligentną".

W PKP centrale telefoniczne posiadają system sygnalizacyjny DSS1, który operuje na najniższej warstwie abonenckiej. W części komutacyjno-sieciowej systemu GSM poszczególne elementy połączono ze sobą przy wykorzystaniu SS7 - systemu sygnalizacyjnego nr 7 (ang. Signalling System No. 7), stosowanego także w sieciach ISDN. Sygnalizacja ta działa na wyższej warstwie. W związku z tym zachodzi trudność w powiązaniu GSM-R z siecią telekomunikacyjną stałą, działającą na PKP.

Grupa PKP powinna więc jak najszybciej podjąć decyzję w sprawie modernizacji systemu łączności radiowej, a szczególnie radiołączności pociągowej. Wydaje się, że utrzymanie obecnego stanu organizacji łączności, nawet z uwzględnieniem wymiany radiotelefonów, jest niecelowe; w takim przypadku poniesione nakłady nie dają perspektyw poważnego rozwoju i podniesienia jakości usług przewozowych. Wiele osób związanych z kolejnictwem w naszym kraju uświadomiło już sobie, że jeśli nie zmienią się stosowane rozwiązania, to powstanie technologiczna przepaść pomiędzy rozwiązaniami publicznymi a kolejowymi.

Decyzja o przyjęciu GSM jako bazy dla przyszłościowego standardu radiokomunikacji ruchomej UIC była wynikiem obszernych studiów. Potwierdziły one możliwość pracy systemu w środowisku kolejowym przy określonych warunkach, a także fakt, iż praktycznie wszystkie usługi kolejowe dają się zintegrować w istniejącej architekturze systemowej GSM.

Ponadto zastosowanie systemu GSM-R to realizacja działań zmierzających do osiągnięcia takich celów, jak:

• nowoczesność,
• elastyczność,
• rozwojowość,
• miniaturyzacja,
• oszczędność energetyczna,
• bezpieczeństwo,
• lokalizacja pociągu,
• bezpieczne sterowanie ruchem pociągów,
• dostosowanie do standardów europejskich.

dr inż. Waldemar Szulc 

Bibliografia:

1. Biuletyn Komunikacji Miejskiej nr 30, wybrane artykuły.
2. T. Janyszka, K. Wincencik: DEHN chroni stacje GSM-R, DEHN, Szczyrk, 2006.
3. W. Szulc: Systemy monitorowania w transporcie, prace naukowe, własne, Politechnika Warszawska, Warszawa, 2005.
4. W. Przeździak: Zastosowanie standardu GSM-R w systemach zarządzania ruchem kolejowym, praca magisterska pod kierunkiem S. Gago, Warszawa, 2004.
5. M. Pawlik, R. Markowski: Dalsze kroki we wprowadzaniu Europejskiego Systemu Zarządzania Ruchem Kolejowym (ERTMS/ETCS) na linii E-20 Warszawa – Kunowice, TTS, 1998.