Jste zde

Vzdálený monitoring stavu kolejových obvodů v londýnském metru

Londýnské metro obslouží každý rok 1,7 miliardy cestujících, z čehož 213 milionů připadá na trasu Victoria Line. Každoročně tato linka ve špičce přepraví 89,1 milionů pasažérů a stává se tak nejvytíženější trasou.
V průběhu posledních 8 let proběhl investiční program v celkovém rozsahu 1 miliardy liber, v jehož rámci byl obnoven vozový park na této trase a všechny zabezpečovací systémy. Tím bylo dosaženo kapacity více než 33 vlaků za hodinu. Nový zabezpečovací systém využívá 385 obvodů JTC (Jointless Track Circuit), které sledují pozice vlaků, udržují bezpečné rozestupy mezi nimi a umožňují tak zajistit i velice náročný jízdní řád.
 
Kolejové obvody představují jediný způsob sledování souprav a hrají kritickou roli v bezpečnosti a spolehlivosti provozu dráhy, nicméně při jejich návrhu a instalaci se vůbec nepočítalo s monitorováním stavu obvodů samotných. Kvůli vysoké důležitosti tohoto zařízení má selhání kolejového obvodu zásadní vliv na celou službu a představuje nejvýznamnější zdroj problémů pro cestující na trase Victoria Line. Dopady takovýchto selhání byly od uvedení linky do provozu vyčísleny na 1,5 milionu liber (databáze London Underground CuPID obsahující selhání kolejových obvodů od roku 2012).
 
Tým zabývající se monitorováním stavu na Victoria Line, který se skládá ze šesti odborníků (na železnice, software, elektroniku, mechaniku a sítě), přinesl řešení. Společnost Simplicity AI, člen programu National Instruments Silver Alliance Partner, tento projekt podpořila dodatečnými službami v oblasti softwarových konzultací. Díky množství zkušeností této společnosti jsme dokázali dodat systém na železniční trať bez přerušení provozu za jediný rok od prvotního návrhu konceptu.
 
Obr. 1: Struktura systému pro vzdálený monitoring stavu kolejových obvodů
 
Tento projekt zahrnoval návrh, integraci a samotnou montáž inteligentního systému pro vzdálený monitoring. Ten by měl dokázat v reálném čase analyzovat napětí a frekvenci pro všech 385 obvodů JTC napříč 45 km tunelu metra a předvídat tak problémy a následné výpadky dopravních služeb. Využili jsme přesnosti, spolehlivosti a flexibility hardwaru a softwaru od NI pro vytvoření inovativního systému, sloužícího k omezení výpadků na trase Victoria Line. Systém by měl podle odhadů ušetřit cestujícím 39 000 hodin zmeškaných kvůli výpadkům dopravy za rok, což pro ně představuje odhadovanou úsporu nákladů souvisejících s výpadky o £350 000 za rok.
 
 

Naše řešení

 
Na trase Victoria Line se používají frekvenčně rozlišené kolejové obvody JTC s proměnnou délkou. Obvody jsou zapínány a vypínány podle toho, jak se na trati pohybuje vlak. Každý obvod JTC má svůj vlastní elektronický přijímač, který je nastaven na frekvenci konkrétního kolejového obvodu (4 až 6 kHz, FSK) a který zpracovává příchozí signál a tím dodává monitorovacímu bodu informace, které lze použít ke sledování stavu kolejového obvodu.
 
Před zavedením tohoto systému jsme museli pravidelně kontrolovat stav každého kolejového obvodu ručně na místě s pomocí digitálního multimetru. Po instalaci systému NI CompactRIO nyní můžeme sledovat signály ze všech obvodů JTC na trati současně, což znamená, že údržbové čety mohou proaktivně předvídat a předcházet selhání techniky ještě před tím, než k němu dojde.
 
Obr. 2: Uživatelské rozhraní s podrobnostmi ze stanice Blackhorse Road s porouchaným kolejovým obvodem a data ze čtyř kolejových obvodů v reálném čase

Hodnotili jsme různé dodavatele produktů pro sběr dat a došli k závěru, že ačkoliv i další produkty splňovaly stanovené požadavky, žádný jiný nenabízel flexibilitu, výkonnost a dodatečnou možnost rozšíření jako platforma CompactRIO. Široká nabídka snímacích modulů a možnost snadno upravovat softwarovou aplikaci pomocí platformy NI LabVIEW znamenaly, že bychom byli schopni dodat stejný systém i pro další projekty. Zkrátíme tak čas potřebný k návrhu a vývoji hardwaru a softwaru pro větší rozsah vstupních dat.
 
Kvůli požadavkům na bezpečnost kolejových obvodů (SIL4) jsme museli vytvořit nezávislou izolaci mezi přijímačem a zařízením CompactRIO. Spolupracovali jsme se společností Dataforth ze Spojených států na návrhu izolačního modulu SCM5B, který zajišťuje galvanické oddělení CompactRIO od sledovaných kolejových obvodů. Izolační moduly SCM splnily přísné požadavky na testovací vybavení pro přijímač a zároveň poskytují věrnou a kompatibilní repliku výstupního signálu pro měření na systému CompactRIO. Izolační vrstva spolu s nízkou poruchovostí hardwaru NI zajistila, abychom mohli systém nainstalovat bez narušení bezpečnostní integrity SIL4 zabezpečovacího systému na trase Victoria Line. Abychom pak zajistili schválení našeho návrhu, provedli jsme důkladnou bezpečnostní analýzu v souladu s normami CENELEC pro železniční aplikace schválenými příslušnými autoritami.
 
Obr. 3: Data z kolejových obvodů na dotykové obrazovce v dozorčí místnosti a na displeji telefonu a tabletu
 
Rozdělili jsme sběr dat ze zařízení CompactRIO na 14 geograficky oddělených lokací, které jsou propojeny širokopásmovou optickou sítí nainstalovanou speciálně pro tuto aplikaci. Flexibilita hardwaru CompactRIO ve spojení se softwarem NI LabVIEW také umožnila přenášet data na centrální server zajišťující monitoring stavu v reálném čase prostřednictvím jednoduchého protokolu pro přenos dat. To byl klíčový požadavek při návrhu a dodávce systému pro skutečný vzdálený monitoring.

Centrální server nepřetržitě zpracovává datový tok (10 Hz) z každého zařízení CompactRIO, což v součtu znamená více než 7 000 vzorků za sekundu. Protokol pro přenos dat ze systému CompactRIO umožňuje serveru rychle analyzovat data a monitorovat kolejové obvody z hlediska odchylky sledovaných parametrů od ideálního stavu. Systém porovnává každou přijatou sadu vzorků s  definovanými standardními hodnotami frekvence a napětí a server nezávisle rozhoduje o stavu každého kolejového obvodu připojeného k systému. Kromě toho server ukládá všechna data do místní i vzdálené databáze, takže můžeme z velkého množství dat analyzovat dlouhodobé trendy.
 
Obr. 4: Po instalaci systému NI CompactRIO můžeme nyní současně monitorovat všechny kolejové obvody JTC na celé trati
 
Centrální server dokáže odesílat varování o stavu zařízení na uživatelské rozhraní, jímž je velká dotyková obrazovka, která přesně zobrazuje konfigurace kolejových obvodů na trase Victoria Line. Uživatel může intuitivně procházet zobrazené informace pomocí dotykového ovládání, jednoznačně hodnotit stav bezpečnostního zařízení a také sledovat výstrahy k předpokládaným problémům.

Plánujeme nasadit dvě uživatelská rozhraní kvůli rychlejší reakci na případnou chybu – jedno v řídicím centru Victoria Line a druhé pak v řídicím centru údržby. Obě mohou být využívány zaměstnanci provádějícími údržbu zabezpečovacího zařízení. Dokážeme vzdáleně získat informace z každého kolejového obvodu pomocí jediného kliknutí a zobrazit uživateli grafickou reprezentaci aktuálního efektivního napětí, frekvence a informaci o obsazení trati, kterou získává ze zařízení CompactRIO.
 
Kromě uživatelského rozhraní lze data ze systémů CompactRIO zobrazovat na řadě zařízení s dotykovým displejem v dozorčích budkách podél trati a prostřednictvím chytrého telefonu či tabletu. To znamená, že data ze systémů CompactRIO budou prostřednictvím připojení k nové síti pro monitorování stavu dostupná kdekoliv podél trasy Victoria Line.

 

Závěr
 

Dle plánu jsme projekt dokončili za jediný rok od začátku vývoje, včetně návrhu, ověření, schválení a rovněž instalace. Podařilo se nám také ušetřit část rozpočtu. Systém je postaven na softwarové architektuře s využitím obvodů FPGA a charakteristik v reálném čase a představuje tak univerzální platformu pro začlenění do sítě londýnského metra. Dodali jsme spolehlivý systém pro vzdálený monitoring, který umožňuje údržbě proaktivně předcházet poruchám dříve, než nastanou, a dává managementu dobrý přehled o životním cyklu zařízení.
 
Po instalaci tohoto systému máme lepší přehled o skutečném chování obvodů JTC. To nám pomohlo lépe porozumět kriticky důležitému vybavení, rozpoznat chování porouchaného kolejového obvodu, identifikovat obvody, které by mohly selhat a upozornit údržbu dříve, než k tomu dojde.
 
Více informací o systému NI CompactRIO.
Hodnocení článku: