Mobilitatea și transportul au fost și sunt o problemă foarte importantă pentru omenire. În zilele noastre există o mulțime de opțiuni de transport: pe cale aeriană, pe apă și pe cale terestră. În afară de aceste metode generale avem și metode specializate de transport, precum țevile de gaz și combustibil hidranți sau cablurile de înaltă tensiune. Fiecare variantă de transport are avantajele și dezavantajele sale și fiecare metodă de transport utilizată corect are un rol important în asigurarea transportului ieftin, rapid și sigur a persoanelor și a mărfurilor.
O metodă terestră de transport care a jucat și joacă un rol important în dezvoltarea și industrializarea societății umane este trenul. Deși primele căi pentru vagoane au fost folosite de babilonieni și persieni, revoluția transportului cu trenuri s-a lăsat așteptată până la sfârșitul secolului al XVIII-lea. Această metodă de transport, cu toate că este veche, are calitatea de a fi și azi competitivă. În multe țări, unde infrastructura feroviară este dezvoltată, aceasta reprezintă alternativa la transportul rutier, fiind apreciată a fi mai comodă și mai previzibilă.
Printre aspectele pozitive al acestui tip de transport merită remarcată electrificarea căilor de transport care asigură energia necesară pentru mobilitate, fiind independentă oarecum de energiile provenite din surse fosile. Un alt aspect important este eficiența de rulare a trenurilor pe căile ferate care se datorează rezistenței mici de frecare și căilor cu pante foarte mici. Un al treilea aspect pozitiv se datorează căilor fixate care aduc un beneficiu major în asigurarea siguranței acestui mod de transport față de ceilalți competitori.
Totuși, se depun mari eforturi pentru dezvoltarea și întreținerea acestei infrastructuri și a elementelor mobile care circulă pe această infrastructură. O parte din acestea vizează elementele fizice ale căilor ferate, precum tunelele, stațiile și trenurile. Dar o mare parte a modernizării se canalizează asupra automatizării acestor sisteme. Motivul principal este cel de cost/ beneficii al acestor dezvoltări care sunt, în general, mai echitabile în momentul de față. Un aspect care merită subliniat este că și în România sunt multe companii care contribuie masiv la această dezvoltare, una din ele fiind divizia Industry X Accenture care are și divizie de dezvoltare în această direcție. Domeniile cele mai importante unde se face suport momentan în industria căilor ferate sunt următoarele: elemente de infrastructură și componente inteligente, semnalare și autoblocaj, controlul trenurilor și al elementelor mobile, planificare, controlul traficului, monitorizare și întreținere. Scopul nostru este de a prezenta modernizarea și digitalizare sistemelor de căi ferate din perspectiva dezvoltării. În rândurile următoare, vom analiza fiecare domeniu în parte, insistând asupra cu care ne confruntăm zilnic.
Prin domeniul "elementele de infrastructură și componente inteligente" noi înțelegem fabricarea și întreținerea componentelor de infrastructură cum ar fi căile ferate, cablul de electricitate și comunicație, macazurile, semnalele luminoase și mecanice, trecerile la nivel, elementele de comunicare și autoblocaj cum ar fi balizele (vezi în Fig. 1 elementele cu galben), circuitele de detectare al prezenței trenurilor ca numărătorul de axe, elemente de comunicație etc. Deși par componente banale, acestea trebuie să aibă o durată de viață îndelungată și un cost de întreținere foarte mică. Firmele care produc astfel de echipamente trebuie să livreze piese de schimb pentru reparații, pe o perioadă extinsă (câteva zeci de ani). În cazul elementelor de siguranță, cum ar fi semnale sau macazuri, dezvoltarea trebuie să satisfacă cerințe de siguranță foarte stricte, care impun ca toate componentele și echipamentele de dezvoltare să corespundă SIL4 (Safety Integrity Level 4 [1]). Chiar și procesele de dezvoltare și verificare trebuie să fie SIL4 pentru a putea crea un astfel de echipament. O altă problemă a acestor echipamente este nevoia de a fi conectate în rețele moderne de radio și cablu pentru control, monitorizare și întreținere, aspect care trebuie să respecte același nivel SIL4. Lista provocărilor ar putea continua la nesfârșit, extinzându-se la problemele de integrare ale acestor echipamente în infrastructuri vechi, schimbarea progresivă a acestora sau conformarea la regulile locale precum și la reguli impuse de standarde precum CENELEC [2] sau ETCS [3]. Acestea reprezintă doar câteva din chestiunile cotidiene care trebuie să se conformeze la aceste standarde de securitate.
Al doilea domeniu "semnalare si autoblocaj" [4] vizează controlul echipamentelor fixe direct sau indirect pentru asigurarea mișcării trenurilor în siguranță pe această infrastructură. Rolul acestor echipamente - care pe vremuri erau mecanice dar în ziua de azi, în țările dezvoltate, sunt digitalizate. ( Vezi exemplul din Fig. 2. Rolul acestui sistem este de a evita coliziunea necontrolată a trenurilor. Merită menționat că trenurile se conectează și se deconectează, implicând, de fiecare dată, o oarecare coliziune, care trebuie strict monitorizată. Aceste sisteme trebuie să satisfacă cerințele și regulile SIL4, similar problemelor mai sus menționate. Controlul accesului la infrastructură se realizează pe blocuri fixe sau mobile. Momentan o mulțime de companii încearcă să modernizeze autoblocajele trecând de la blocuri fixe la cele mobile. Un lucru merită menționat în legătură cu dezvoltarea acestor aplicații pentru blocuri fixe: sunt două abordări populare de dezvoltare ale acestor aplicații, una funcțională și cealaltă geografică. Cea funcțională consideră fiecare stație sau zonă ca un proiect separat. În cea geografică, se creează clase pentru fiecare element de infrastructură iar dezvoltarea în sine constă în crearea acestor obiecte din clasele predefinite. Conectarea lor adecvată trebuie să reflecte infrastructura unde este implementată. În general, pentru astfel de dezvoltări se utilizează limbaje de programare create special pentru autoblocajul căilor ferate, dar și programe de modelare care permit verificarea formală și care facilitează simularea, validarea virtuală și testarea automată și modulară. Controlul calității joacă un rol foarte important în astfel de proiecte deoarece greșelile pot costa vieți umane și pagube materiale mari.
Al treilea domeniu "controlul trenurilor și al elementelor mobile" [5] este responsabil ca locomotiva, trenul și alte echipamente de întreținere sau salvare să se conformeze la regulile impuse de către infrastructură. Cu alte cuvinte, trenul trebuie să fie compatibil cu infrastructura nu numai fizic, (adică, distanța între șine să fie identică cu distanța între roți a echipamentului mobil, sistemul de tracțiune al locomotivei să fie compatibil cu parametrii energiei electrice livrate prin sistemul catenar etc.) dar și din punct de vedere al controlului și siguranței. Aceasta înseamnă că trenul și conducătorul trenului înțelege toate mesajele trimise de către infrastructură și își conformează mișcarea trenului cu mesajele primite. Acest criteriu este esențial pentru a putea opera trenul în siguranță pe această infrastructură. Provocarea majoră în momentul de față este diversitatea echipamentelor și a modurilor de semnalizare între țări și regiuni. Când trenul trece astfel de granițe, atât conducătorul cât și locomotiva trebuie să se conformeze noilor reguli impuse de noua infrastructură, care este un proces costisitor și plin de probleme. Pentru a rezolva această problemă s-au impus niște standarde cum ar fi ETCS care se implementează progresiv. Un exemplu de rezultat: dacă un tren trece dintr-o regiune în alta unde parțial este implementat standardul ETCS, atunci trebuie să se conformeze la sistemul de infrastructură din țara din care vine, cu sistemul de infrastructură în țara în care intră, plus cu ETCS în zona în care este implementat ETCS. Merită menționat că sunt trenuri care traversează multe granițe și sunt utilizate de un număr mare de pasageri, grație confortului și vitezei.
Un alt domeniu interesant este "planificarea" [6] care, după cum știm din informatică în general, este o problemă NP completă de căutare a optimului. Pentru a putea face această căutare, se impune un set de reguli. Un exemplu de aplicație se poate vedea în Fig. 4. Aceste reguli trebuie să reflecte cerințele potențiale ale utilizatorilor finali care doresc să utilizeze aceste mijloace de transport. Aceasta este o provocare care momentan necesită o soluție. Cele două probleme menționate anterior sunt generale pentru toți operatorii de transport. Merită, totuși, menționat că planificarea în industria de transport pe căi ferate trebuie utilizată într-un scop mult mai larg, deoarece munca personalului care face operațiunea de transport posibilă trebuie, de asemenea, planificată, vizând întreținerea, modernizarea și toate celelalte operațiuni implicate. Aceste planuri trebuie să fie în concordanță unele cu altele și trebuie să fie corecte, deoarece fiecare abatere de la planul inițial generează costuri, câteodată enorme. Un alt aspect important este conectarea acestui sistem la celelalte sisteme de control care utilizează aceste date în timpul operării. Deoarece planificarea este un proces continuu în realitate, livrarea datelor trebuie realizată cât mai des posibil pentru a da timp sistemelor adiacente de a răspunde la aceste modificări de planuri. Ca o consecință a acestei livrări continue, validarea planului care se transmite, trebuie să fie rapidă și totodată detaliată ca să nu permită inconsistența datelor livrate.
Penultimul domeniu "controlul traficului" [7] este partea operațională a cărui rol principal este orchestrarea echipamentelor și a personalului, astfel încât obiectivele și planurile inițiale să fie îndeplinite într-un procent cât mai mare posibil, ținând, totodată, cont de nevoile călătorilor și transportatorilor. Un exemplu de aplicație se poate vedea în Fig. 5. Cu toate că acest pas pare banal și ușor de realizat, în practică, apar frecvent probleme neprevăzute, cauzate de călători neatenți, condiții meteo nefavorabile sau de apariția unor obstacole sau incidente pe traseul trenului care pot încetini deplasarea trenurilor. În aceste cazuri, replanificarea, necesară duce la o deviație de la planul inițial. Această replanificare este condiționată pe de o parte de timp, iar pe de altă parte, de complexitatea problemei de căutare a optimului. Dat fiind că, în general, sistemele mari nu reușesc să rezolve această cerință dificilă în timp real, sunt căutate și acceptate numai soluțiile suboptime. În consecință, în această etapă optimizarea locală în timp real este scopul principal al acestor sisteme informatice.
Ultimul domeniu pe care îl abordăm acum este "monitorizarea și întreținerea" [8]. Deși este o provocare comună tuturor industriilor care au infrastructură, întreținerea echipamentelor feroviare se remarcă prin particularități care necesită soluții specifice domeniului. De exemplu, infrastructura este poziționată, în general, pe o arie extinsă și poate fi afectată de o mulțime de condiții fizice, care nu reprezintă probleme în alte domenii. De pildă, căderea crengilor uscate pe căile ferate sau pe cablurile electrice așezate deasupra căilor ferate este o problemă specifică acestui domeniu, asemănător cu problema blocării unui tren în mijlocul unui tunel. Monitorizarea stării căilor ferate și a echipamentelor este o operațiune specifică acestui domeniu. Lucrările de reparații și modernizare trebuie realizate astfel încât să nu afecteze sau dacă afectează, atunci să aibă un impact minim asupra confortului călătorilor, menținând o calitate înaltă a infrastructurii pentru siguranța acestui mod de transport.
În paragrafele anterior abordate, am evidențiat o mulțime de provocări care așteaptă soluții inteligente. Cu toate acestea, industria feroviară are o mulțime de zone unde este foarte competitivă. În zonele urbane dense metroul și trenurile pot asigura un transport rapid și de încredere pentru călători navetiști. Pentru călătoriile pe distanțe medii, viteza și confortul sunt și vor rămâne punctele forte al acestui mod de transport.
Merită menționat și faptul că o mare parte a căilor ferate din Europa și din lume sunt electrificate, astfel că se îndeplinește și obiectivul global de a contribui la un transport fără emisii de gaze cu efect de seră.
În concluzie, acest mijloc de transport are segmentele de piață unde este și poate să rămână competitiv. Dacă vom găsi soluții la problemele sus menționate, vom reduce costurile de operare și de investiții, vom mări gradul de confort și siguranță al acestui mod de transport. Actualmente, echipele din divizia Industry X Accenture lucrează cu mare intensitate pentru a crea soluții moderne și stabile în aproape toate secțiunile menționate mai sus, livrând soluții pentru industria feroviară pe X continente, în Y țări pentru a face transportul feroviar un mod de transport ieftin, comod și sigur cu un efect negativ minim asupra planetei pe care dorim să o păstrăm și pentru generațiile viitoare.
de Ovidiu Mățan
