Význam popisu infrastruktury pro inteligentní dopravní systémy na železnici

• Foto

ÚVOD

Železnice představuje systém, který je již historicky podroben rozsáhlému popisu, a to na různých stupních podrobnosti, přesnosti a stavu z hlediska procesů projektování a výstavby. V kontextu rozvoje inteligentních dopravních systémů vyžadujících informaci o železniční infrastruktuře však vzniká otázka, zda disponibilní data, která doposud složila víceméně k evidenčním účelům a pro potřeby zajištění údržby jednotlivých objektů a subsystémů, mohou být využita též pro aplikace, u nichž má míra přesnosti určení polohy těchto entit v prostoru (zejména ovšem ve vazbě na průběh vlastní dopravní cesty) mnohdy i bezpečnostně relevantní charakter.

Z aplikací, pro které se popis infrastruktury stává klíčovým, můžeme již nyní jmenovat systémy automatického vedení vlaku (AVV) a zabezpečení jízdy vlaku (ETCS), které byly instalovány na některých úsecích železniční infrastruktury v ČR a jejichž další rozšiřování se plánuje. Každý z těchto vzájemně se doplňujících systémů však
v současnosti využívá vlastní popis (a vlastní referenční body v kolejišti, které se zpětně i v širším kontextu stávají předmětem popisu). To v praxi znamená, že je každý z nich svým rozsahem omezen právě na danou aplikační oblast. Jakékoliv rozšíření nějakého z těchto systému tak vyžaduje nové zaměření prvků v kolejišti.

Pokud má železnice nadále směřovat k plně automatizovanému provozu, musí být dále využívány také takové systémy operativního řízení železničního provozu, které na základě predikce polohy všech železničních vozidel v čase umožní optimalizovat jejich pohyb a eliminovat vzájemné konflikty, plynulost provozu negativně ovlivňující. Takovéto systémy se neobejdou nejen bez detailních dat o jízdním řádu a složení vlaků, ale ani bez precizního popisu železniční dopravní cesty. Jedná se o data týkající se široké škály prvků železniční infrastruktury, jichž je využíváno také v kontextu se znalostí o přesné aktuální poloze vozidel v rámci (zjišťované např. též s využitím systému odometrie). Tato data zároveň představují důležité vstupy z hlediska samotné tvorby grafikonu vlakové dopravy a mohou se stát podkladem pro automatizovanou tvorbu různých grafických dokumentů a počítačových vizualizací (včetně GIS).

Nejen z důvodu optimalizace nákladů na provoz databázových a dalších informačních systémů, ale zejména s ohledem na synchronizaci navazujících aplikací je žádoucí, aby tato data byla čerpána ze společného průběžně aktualizovaného zdroje.

Tento článek se pokouší přinést vhled do problematiky popisu železniční infrastruktury, jak je v současnosti praktikována v rámci SŽDC, a konfrontovat tyto postupy s jednotlivými požadavky, které pro standardizovaný datový popis využitelný pro uvedené účely plynou.

VHLED DO PROBLEMATIKY POPISU ŽELEZNIČNÍ INFRASTRUKTURY V PODMÍNKÁCH ČR

Způsob popisu železniční sítě České republiky je do značné míry poplatný rozdělení na jednotlivá služební odvětví. Informační systémy SŽDC, vycházející z tradice ČD a ČSD, které vznikaly pro jejich potřebu, jsou tak orientovány většinou na konkrétní cíle a úkoly, které měly v rámci dané odbornosti plnit. Od této skutečnosti se odvíjí i jejich obsah, úroveň podrobnosti, rozsah, struktura, úroveň a způsob provázanosti s jejich informačním okolím, resp. původ dat v nich obsažených. Data o objektech železniční infrastruktury z hlediska jejich polohopisných a popisných charakteristik jsou evidována v následujících databázových systémech:

• Pasport železničního svršku
• Pasport železničního spodku
• Mostní evidenční systém
• Pasport tunelů
• Pasport přejezdů
• Pasportní evidence prvků zabezpečovací a sdělovací techniky

V textové a grafické formě jsou pak některá data zachycena také v následujících materiálech:

• Jednotná železniční mapa
• Tabulky traťových poměrů
• Plánky stanic
• Schémata prvků elektroenergetiky (jako součást staničních řádů)

Patrně jediným všeobecně platným způsobem, kterým je možné objektu železniční infrastruktury přiřadit jeho popisné parametry evidované v různých informačních systémech a materiálech, je znalost jeho lokalizace (čili polohopisných parametrů), která je zároveň základním předpokladem pro jednoznačnou identifikaci objektu v železniční síti. V rámci působnosti SŽDC lze objekt takto identifikovat na základě znalosti hodnoty jeho staničení (průmětu jeho definičního bodu do osy staničení), čísla koleje, ke které přísluší, a traťového definičního úseku (TUDU). Touto problematikou se blíže zabývají následující předpisy SŽDC:

• Předpis pro jednotné označování tratí a kolejišť v informačním systému ČD (M12)
• Předpis pro staničení železničních tratí (M21)

Vedle přiřazení polohy objektům železniční infrastruktury z hlediska jejich příslušnosti k jednotlivým tratím a kolejím je klíčová také znalost celkové topologie sítě. Na úrovni tratí je tato problematika popsána ve formě grafu, jehož vrcholy představují drážní lokality (dopravny, zastávky, jednotlivé obvody rozsáhlejších železničních stanic atd.) a jehož hrany reprezentují topologické vazby mezi nimi. Uvedené lokality byly původně definovány pro tarifní potřeby sloužícího Číselníku železničních stanic, dopravně zajímavých a tarifních míst (SR 70). Tento model je v současnosti používán například pro aplikace operativního řízení provozu.

Pasport železničního svršku je mimo jiné i jedním ze zdrojů informace o topologii sítě na detailní úrovni. Jednotlivé objekty v něm evidované (výhybky typizované dle Řídícího číselníku výhybek a koleje ve stavebním smyslu dále popsané prostřednictvím tzv. neúsekových resp. úsekových dat) jsou vzájemně identifikačně propojeny a zřetězeny v kolejové trasy. Takto nastavený systém pak umožňuje generovat výstupy např. ve formě:

• Topologických schémat kolejišť
• Digitálních přehledových map
• Nákresného přehledu železničního svršku
• Výstupních sestav ze zpracování základních tras a supertras

Z důvodu dosažení úplnosti datové základny pro uvedená účelová zpracování jsou součástí tohoto pasportu kromě vlastního popisu objektů železničního svršku také další entity, jako např. traťové rychlosti, polohy tunelů a přejezdů a některé údaje týkající se trakční proudové soustavy, což jej činí zřejmě nejkomplexnějším systémem tohoto druhu v rámci SŽDC.

POŽADAVKY INTELIGENTNÍCH DOPRAVNÍCH SYSTÉMŮ NA DATOVOU ZÁKLADNU

Jak je zřejmé z předcházejícího textu, správné fungování jednotlivých systémů automatického zabezpečení železničního provozu, automatizovaného provozu železničních vozidel, systémů operativního řízení železničního provozu a dalších, je závislé na datech, které mají tyto systémy k dispozici. Také data popisující železniční infrastrukturu musí vykazovat patřičnou kvalitu. Především je požadována vysoká přesnost, garantovanost a komplexnost dat.

Přesnost datového popisu infrastruktury se promítá např. do přesnosti popisu určení polohy železničního vozidla. U systémů automatizovaného provozu železničních vozidel s cílovým bržděním plynou požadavky na přesnost dat např. z požadované přesnosti zastavení vlaku u nástupiště. Příliš velká nejistota může vést nejen k nutnosti budovat delší nástupiště, ale např. v případě nástupišť s úrovňovým přístupem může mít vliv i na bezpečnost. Automatizované zabezpečovací systémy by měly být schopny zajistit bezpečné zastavení vlaku před místem ohrožení a adekvátní snížení rychlosti vlaku před místem s rychlostním omezením. V takových případech je nutné uvažovat vždy méně příznivou variantu, co se odhadované polohy týče, což opět s ohledem na náklady různého druhu (stavební délka kolejí, provozní intervaly) vyžaduje vysokou přesnost i co se polohy prvků infrastruktury týče.

Z obdobných důvodů jako přesnost dat je vyžadována i jejich garantovanost. Chybně zadaný nebo nepravdivý údaj (např. o poloze nějakého prvku, délce koleje) by v kontextu uvažovaných systémů mohl mít velice vážné následky. I proto je důležité mít k dispozici také informaci o prvotním zdroji dat a musí existovat subjekt, který za kvalitu dat z tohoto hlediska ručí a je schopen je garantovat. Toto se týká nejen polohopisné složky dat a takových popisných složek, které vyjadřují délku úseku, po který je platná určitá skutečnost. Klíčové je také správné přiřazení kvalitativních vlastností danému úseku nebo bodu (např. průjezdný průřez, napěťová soustava, umístění nástupní hrany atd.).

Neméně důležitým požadavkem je komplexnost. Databáze popisu železniční infrastruktury by měla obsahovat všechny související entity (ať již se jedná o hmotné objekty nebo nehmotné vlastnosti, jimiž je infrastruktura popsána). Není přípustné, aby se v rámci datového modelu vyskytl úsek, který není příslušným způsobem popsán nebo ve skutečnosti obsahuje prvky, které nejsou v datovém popisu zahrnuty. Pro uvedené systémy je důležitá právě vzájemná prostorová vazba mezi jednotlivými prvky. Ty proto musí být v rámci sítě reprezentovány jednotně. Rovněž nežádoucí je duplicitní evidence téhož prvku.

Kromě těchto požadavků je dále nezbytné udržovat datovou základnu neustále aktuální a zajistit synchronizaci změn datového obrazu reality s realitou samotnou, a to ve všech jeho složkách. S tím souvisí např. i poskytování aktuálních informací o dočasných omezeních infrastruktury.

ÚROVEŇ NAPLNĚNÍ POŽADAVKŮ ZE STRANY STÁVAJÍCÍCH INFORMAČNÍCH SYSTÉMŮ

Kilometrická poloha prvků evidovaných v informačních systémech SŽDC je zpravidla udávána s přesností na tři desetinná místa, tedy na celé metry. Takováto přesnost by sama o sobě mohla být považována za dostačenou, ovšem vlastní hodnota staničení rozhodně není údajem, na jehož základě by bylo možné určit např. vzájemnou vzdálenost definičních bodů dvou objektů železniční infrastruktury. Z důvodu rozdílných směrových poměrů v definiční koleji, která je nositelkou soustavy staničení příslušné trati, a v kolejích ostatních a také z důvodu nepravidelností způsobených stavebními úpravami (skoky ve staničení) není obecně možné tuto vzdálenost zjistit pouhým odečtením hodnot staničení. Za účelem omezení dopadů této skutečnosti používají některé informační systémy vlastní interní souřadné soustavy. V principu lze na hodnotu vzdálenosti skutečně ujeté vozidlem usuzovat na základě stavebních délek jednotlivých objektů železničního svršku – kolejí a příslušných větví výhybek. Pasport železničního svršku umožňuje tyto evidovat s přesností na centimetry, byť v případě výhybek se pro jednotlivé typizované konstrukce jedná o hodnoty vytyčovací.

Reálná přesnost disponibilních údajů je ovšem také otázkou skutečného naplňování databází. I v rámci jednotlivých informačních systémů se jedná o data získávaná různým způsobem, ať již v terénu nebo z příslušné dokumentace, která též nabývá rozmanitých podob, např. v závislosti na konkrétním zpracovateli nebo době vzniku. Nelze také vyloučit chybný přepis dat při manuálním opisu ze zdrojového dokumentu. Pro další využití této rozmanité datové základny s různorodou polohovou garancí by proto bylo nejspíše tak jako tak nezbytné polohu objektů verifikovat zaměřením v terénu a v případě nutnosti ověřit taktéž soulad popisné složky dat se skutečností. V rámci probíhající implementace Strategie rozvoje infrastruktury pro prostorové informace v České republice (GeoInfoStrategie) sice existují tendence zajistit garantovaná data také o železniční infrastruktuře, primárně se však jedná o data geograficky orientovaná, jejichž využití pro účely diskutované problematiky by se v případě nevyhovujícího počátečního uchopení mohlo stát komplikovaným.

Otázka komplexnosti je úzce spjata s tématem struktury databází, v nichž jsou data o železniční infrastruktuře uchovávána. Z rozdílnosti informačních systémů orientovaných na dílčí úkoly v rámci jednotlivých služebních odvětví plyne také rozdílnost těchto struktur. Většinou se jedná o pevně strukturované databáze, jejichž rozšíření za účelem evidování nových skutečností je proto dosti složitou záležitostí. Snahu vytvořit s využitím dat v nich obsažených jednotnou datovou základnu pro popis železniční infrastruktury mohou komplikovat právě rozdíly v datové struktuře, formátu dat, jejich kompletnosti a přesnosti vyjádření napříč různými informačními systémy, což vede k závěru, že v současnosti používané informační systémy v podstatě komplexnost dat ani neumožňují.

V rámci této problematiky je dále třeba řešit způsob aktualizace datových podkladů. V současnosti toto probíhá v různých systémech různě a obecně nezávisle na sobě. Přitom je však vždy třeba zajistit takový soulad, aby nedocházelo k anomáliím např. v podobě k chybnému přiřazení polohy prvku na základě při rekonstrukci změněného průběhu osy staničení. Specifickým úkolem k řešení je tak vyjádření časové platnosti prvku, tj. existence popisovaného objektu v reálném světě, a způsob vedení souvisejících (i dalších) metadat. Je totiž žádoucí mít možnost pohledu na datový obraz reality v rámci širšího časového horizontu, tj. nikoli jen na aktuální stav, ale také na stav v určitém časovém okamžiku v minulosti (např. pro statistické účely) a na stav výhledový (např. pro účely přípravy GVD).

MOŽNOST POPISU ŽELEZNIČNÍ INFRASTRUKTURY POMOCÍ RAILML A RAILTOPOMODELU

S problematikou popisu železniční infrastruktury se v minulosti potýkala řada železnic nejen v rámci Evropy. Pro účely jednotlivých aplikací je často nutné data o infrastruktuře převádět do různých modelů, které svým rozhraním umožňují datovou komunikaci s příslušnou aplikací. Řešení toho problému je využití standardizovaného formátu, prostřednictvím kterého si mohou jednotlivé modely data vzájemně vyměňovat.

Tento cíl se do značné míry podařilo naplnit konsorciu railML, v jehož rámci je průběžně vyvíjena otevřená specifikace jazyka založeného na XML určená pro aplikace v oblasti železniční dopravy. Železniční značkovací jazyk railML původně vznikl pro potřeby výměny dat o jízdním řádu, avšak z důvodu nutnosti důkladného popsání entit, s nimiž je sestava GVD úzce spjata, byly jeho specifikace dále rozšířeny na oblast železničních vozidel a železniční infrastruktury. Výhledově by tímto jazykem mělo být možné popsat též funkci zabezpečovacího zařízení a v přípravě je též exkurs do dalších odvětví, jako je např. plánování směn personálu v rámci železniční dopravy.

Hierarchicky uspořádané elementy struktury jazyka railML jsou prostřednictvím svých atributů zároveň nositeli dat. Pro každý typ elementu, který může reprezentovat např. nějaký druh prvku v kolejišti nebo i topologické propojení, jsou definovány atributy povinné (typicky zejména poloha – např. v rámci nadřazeného elementu) a volitelné. Jazyk tedy na rozdíl od pevně strukturované databáze umožňuje popsat danou skutečnost s ohledem na prakticky libovolné uživatelské potřeby ve formě neustále otevřené dalším rozšířením.

S přihlédnutím k těmto skutečnostem bylo však nutné najít jednotný způsob, jak železniční infrastrukturu pomocí jazyka railML popisovat. Za tímto účelem začal vznikat RailTopoModel, který by se měl stát mezinárodním standardem datového modelu pro popis železniční infrastruktury z hlediska topologie a souvisejících dat, založený právě na railML (a též zpětně způsob vývoje railML formující). Tento systémový, z hlediska měřítka přizpůsobitelný a několik různých rozlišovacích úrovní nabízející jádrový model by měl disponovat i mechanismem pro předdefinovaná a uživatelsky specifická rozšíření, spravovaná předem stanoveným způsobem. Vzájemná vertikální provázanost mezi jednotlivými rozlišovacími úrovněmi má být zajištěna díky principům agregace a disagregace, které umožňují např. skutečnost popsanou na úrovni jednotlivých prvků kolejiště odpovídajícím způsobem vyjádřit také např. na úrovni tratí.

Některé objekty lze popsat nejen příslušnými atributy, ale též z hlediska jejich validity (tj. zda se jedná o objekt aktivní či nikoliv), varianty (umožňující vyjádřit různé aktuální stavy) a verze (reprezentující platnost v čase). Také vzhledem k tomu, že je možné popsat jak bodové, tak lineární a plošné objekty, nabízí model vedle vlastních obecně datových výstupů i řadu možností z hlediska výstupů grafických, od podélného profilu trati až po zobrazení v podobě GIS, což má význam nejen pro koncového uživatele, ale také s ohledem na možnost verifikace zadaných dat.

Nejen pro úlohy týkající se systémů automatizovaného provozu a zabezpečení jízdy železničních vozidel je přitom klíčové, že systém staničení je chápán jenom jako jeden z několika způsobů vyjádření polohy a jednotlivé prvky kolejiště lze vyjádřit formou stavebních délek a zakotvit je též v geodetických souřadnicích. Polohu objektu o témže staničení lze tak např. promítnut do několika různých kolejí, jejichž stavební délka měřená od jiného definovaného bodu je různá. 

ZÁVĚR

Stávající podoba informačních systémů SŽDC nabízejících data o železniční infrastruktuře není pro potřeby inteligentních dopravních systémů na železnici vyhovující. Různě strukturované databáze jsou jednou z překážek z hlediska možnosti zajištění požadované komplexnosti datové základny. Možným způsobem řešení tohoto problému je implementace popisu infrastruktury prostřednictvím jazyka railML, který by vedle zajištění předpokladů pro vznik komplexní datové základny pro potřeby popisu železniční infrastruktury umožnil i funkční provázání s ostatními subsystémy železničního odvětví. Výhodou akceptace railML by byla také možnost standardizované komunikace se zahraničními subjekty tohoto formátu využívajícími. Samostatnou otázkou ovšem nadále zůstává úroveň přesnosti a garantovanosti disponibilních dat s ohledem na využití v navazujících aplikacích, jimiž by měla být centralizovaná databáze naplňována.

Importance of Infrastructure Description for Intelligent Railway Transportation Systems
One of the fundamental prerequisites for the development of railway transport in order to decrease the operating costs and increase the overall efficiency of the railway transportation is the implementation of intelligent transportation system principles. These may be conveniently implemented mainly within automation systems of the railway transportation, predominantly on the level of operational management of the rail transport. The execution of these systems is, besides other factors, conditioned by a thorough description of the infrastructure. To implement the intelligent transportation system, it is necessary to provide a physical description, a description of the topology of their own routes, as well as an identification of the position of all relevant trackage elements, i.e. those influencing the requirements for the parameters of driving a vehicle in this section of the railway track. Given the fact that the data might often be of a safety-relevant nature, they must be highly accurate, guaranteed and comprehensive. Therefore, it is quite obvious that this question must be also tackled in the environment of the Czech Republic.

Autor

• Doc. Ing. Leso Martin Ph.D.