El control de trenes basado en comunicaciones ( CBTC ) es un sistema de señalización ferroviaria que utiliza telecomunicaciones entre el tren y el equipo de vía para la gestión del tráfico y el control de la infraestructura. El CBTC permite conocer la posición de un tren con mayor precisión que con los sistemas de señalización tradicionales. Esto hace que la gestión del tráfico ferroviario sea más segura y eficiente. El sistema de tránsito rápido (y otros sistemas ferroviarios) pueden reducir los intervalos de paso manteniendo o incluso mejorando la seguridad.
Un sistema CBTC es un " sistema de control de trenes automático y continuo que utiliza la determinación de la ubicación de los trenes con alta resolución, independientemente de los circuitos de vía ; comunicaciones de datos bidireccionales, continuas y de alta capacidad, entre el tren y la vía; y procesadores a bordo del tren y en la vía capaces de implementar funciones de protección automática de trenes (ATP), así como funciones opcionales de operación automática de trenes (ATO) y supervisión automática de trenes ( ATS )", tal como se define en el estándar IEEE 1474. [2]
El objetivo principal del CBTC es aumentar la capacidad de las vías reduciendo el intervalo de tiempo ( distancia ) entre trenes.
Los sistemas de señalización tradicionales detectan trenes en secciones discretas de la vía denominadas " bloques ", cada uno de ellos protegido por señales que impiden que un tren entre en un bloque ocupado. Dado que cada bloque es una sección fija de la vía, estos sistemas se denominan sistemas de bloque fijo .
En un sistema CBTC de bloques móviles, la sección protegida de cada tren es un "bloque" que se mueve con él y lo sigue, y proporciona una comunicación continua de la posición exacta del tren a través de radio, bucle inductivo, etc. [3]
Como resultado, Bombardier inauguró el primer sistema CBTC basado en radio del mundo en el sistema automatizado de transporte de personas (APM) del aeropuerto de San Francisco en febrero de 2003. [4] Unos meses más tarde, en junio de 2003, Alstom introdujo la aplicación ferroviaria de su tecnología de radio en la línea noreste de Singapur . El CBTC tiene su origen en los sistemas basados en bucle desarrollados por Alcatel SEL (ahora Thales ) para los sistemas de tránsito rápido automatizado (ART) de Bombardier en Canadá a mediados de los años 1980.
Estos sistemas, también conocidos como control de trenes basado en transmisión (TBTC), utilizaban técnicas de transmisión por bucle inductivo para la comunicación entre las vías y los trenes, lo que suponía una alternativa a la comunicación basada en circuitos de vía . Esta tecnología, que funciona en el rango de frecuencia de 30 a 60 kHz para comunicar trenes y equipos de vía, fue ampliamente adoptada por los operadores de metro a pesar de algunos problemas de compatibilidad electromagnética (EMC), así como otras cuestiones de instalación y mantenimiento (consulte SelTrac para obtener más información sobre el control de trenes basado en transmisión).
Como ocurre con cualquier nueva aplicación de tecnología, al principio surgieron algunos problemas, principalmente debido a aspectos de compatibilidad e interoperabilidad. [5] [6] Sin embargo, desde entonces se han producido mejoras relevantes y actualmente la fiabilidad de los sistemas de comunicación basados en radio ha crecido significativamente.
Además, es importante destacar que no todos los sistemas que utilizan tecnología de comunicación por radio se consideran sistemas CBTC. Por lo tanto, para mayor claridad y para mantenerse en línea con las soluciones de última generación para los requisitos del operador, [6] este artículo solo cubre el último principio de bloque móvil (ya sea bloque móvil real o bloque virtual, por lo que no depende de la detección de los trenes en la vía) [2] que hacen uso de las comunicaciones por radio .
Los sistemas CBTC son sistemas de señalización ferroviaria modernos que pueden emplearse principalmente en líneas ferroviarias urbanas (ya sean ligeras o pesadas ) y APM , aunque también podrían desplegarse en líneas de cercanías . Para líneas principales , un sistema similar podría ser el Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario ERTMS Nivel 3 (aún no totalmente definido [ ¿cuándo? ] ). En los modernos sistemas CBTC los trenes calculan y comunican continuamente su estado vía radio a los equipos de vía distribuidos a lo largo de la línea. Este estado incluye, entre otros parámetros, la posición exacta, la velocidad, el sentido de la marcha y la distancia de frenado .
Esta información permite calcular la superficie que puede ocupar el tren en la vía y permite también que los equipos de vía definan los puntos de la vía que nunca deben ser sobrepasados por los demás trenes que circulan por la misma vía. Estos puntos se comunican para que los trenes ajusten de forma automática y continua su velocidad manteniendo los requisitos de seguridad y confort ( tirón ). De este modo, los trenes reciben continuamente información sobre la distancia con respecto al tren precedente y pueden ajustar su distancia de seguridad en consecuencia.
Desde la perspectiva del sistema de señalización , la primera figura muestra la ocupación total del tren líder incluyendo todos los bloques en los que se encuentra el tren. Esto se debe a que es imposible para el sistema saber exactamente dónde se encuentra realmente el tren dentro de estos bloques . Por lo tanto, el sistema de bloques fijos solo permite que el tren siguiente avance hasta el límite del último bloque desocupado.
En un sistema de bloques móviles como el que se muestra en la segunda figura, la posición del tren y su curva de frenado son calculadas continuamente por los trenes y luego comunicadas por radio al equipo de vía. De esta manera, el equipo de vía puede establecer áreas protegidas, cada una de ellas denominada Límite de Autorización de Movimiento (LMA), hasta el obstáculo más cercano (en la figura, la cola del tren que va delante). La Autoridad de Movimiento (MA) es el permiso para que un tren se desplace a una ubicación específica dentro de las limitaciones de la infraestructura y con supervisión de la velocidad. [7]
El fin de la autoridad es la ubicación a la que se le permite avanzar al tren y donde la velocidad objetivo es igual a cero. El fin del movimiento es la ubicación a la que se le permite avanzar al tren según una MA. Al transmitir una MA, es el final de la última sección dada en la MA. [7]
Es importante mencionar que la ocupación calculada en estos sistemas debe incluir un margen de seguridad por incertidumbre de localización (en amarillo en la figura) sumado a la longitud del tren. Ambos forman lo que se suele llamar “Footprint”. Este margen de seguridad depende de la precisión del sistema de odometría del tren.
Los sistemas CBTC basados en bloques móviles permiten reducir la distancia de seguridad entre dos trenes consecutivos. Esta distancia varía en función de las actualizaciones continuas de la posición y velocidad del tren, manteniendo los requisitos de seguridad . Esto se traduce en una menor distancia entre trenes consecutivos y un aumento de la capacidad de transporte .
Los sistemas CBTC modernos permiten diferentes niveles de automatización o grados de automatización (GoA), según se define y clasifica en la norma IEC 62290-1. [8] De hecho, CBTC no es sinónimo de " trenes sin conductor " o "trenes automatizados", aunque se considera una tecnología habilitadora básica para este propósito.
Hay cuatro grados de automatización disponibles:
Los sistemas CBTC permiten un uso óptimo de la infraestructura ferroviaria, así como la obtención de la máxima capacidad y la mínima distancia entre trenes en circulación, manteniendo los requisitos de seguridad . Estos sistemas son adecuados para las nuevas líneas urbanas de alta exigencia, pero también para superponerse a las líneas existentes con el fin de mejorar sus prestaciones. [9]
Por supuesto, en el caso de modernizar las líneas existentes, las etapas de diseño, instalación, prueba y puesta en servicio son mucho más críticas. Esto se debe principalmente al desafío de implementar el sistema superpuesto sin interrumpir el servicio de ingresos . [10]
La evolución de la tecnología y la experiencia adquirida en la operación durante los últimos 30 años hacen que los sistemas CBTC modernos sean más fiables y menos propensos a fallos que los sistemas de control de trenes más antiguos. Los sistemas CBTC normalmente tienen menos equipamiento en la vía y sus herramientas de diagnóstico y monitorización se han mejorado, lo que los hace más fáciles de implementar y, lo que es más importante, más fáciles de mantener. [11]
La tecnología CBTC está evolucionando y utiliza las últimas técnicas y componentes para ofrecer sistemas más compactos y arquitecturas más sencillas. Por ejemplo, con la llegada de la electrónica moderna ha sido posible incorporar redundancia para que fallos aislados no afecten negativamente a la disponibilidad operativa.
Además, estos sistemas ofrecen una flexibilidad total en cuanto a horarios de funcionamiento, lo que permite a los operadores ferroviarios urbanos responder a la demanda de tráfico específica con mayor rapidez y eficiencia y resolver los problemas de congestión del tráfico. De hecho, los sistemas de operación automática tienen el potencial de reducir significativamente la distancia entre vías y mejorar la capacidad de tráfico en comparación con los sistemas de conducción manual. [12] [13]
Por último, es importante mencionar que los sistemas CBTC han demostrado ser más eficientes energéticamente que los sistemas tradicionales accionados manualmente. [11] La utilización de nuevas funcionalidades, como estrategias de conducción automática o una mejor adaptación de la oferta de transporte a la demanda real, permite importantes ahorros energéticos reduciendo el consumo eléctrico.
El principal riesgo de un sistema electrónico de control de trenes es que si se interrumpe el enlace de comunicaciones entre cualquiera de los trenes, todo o parte del sistema podría tener que entrar en un estado de seguridad hasta que se solucione el problema. Dependiendo de la gravedad de la pérdida de comunicación, este estado puede variar desde una reducción temporal de la velocidad de los vehículos hasta su parada o su funcionamiento en un modo degradado hasta que se restablezcan las comunicaciones. Si la interrupción de la comunicación es permanente, se debe implementar algún tipo de operación de contingencia que puede consistir en una operación manual mediante bloqueo absoluto o, en el peor de los casos, la sustitución de una forma alternativa de transporte . [14]
Como resultado, la alta disponibilidad de los sistemas CBTC es crucial para el funcionamiento adecuado, especialmente si dichos sistemas se utilizan para aumentar la capacidad de transporte y reducir la distancia entre ejes. La redundancia del sistema y los mecanismos de recuperación deben comprobarse a fondo para lograr una alta solidez en el funcionamiento. Con la mayor disponibilidad del sistema CBTC, también existe la necesidad de una amplia formación y actualización periódica de los operadores del sistema sobre los procedimientos de recuperación . De hecho, uno de los principales riesgos del sistema CBTC es la probabilidad de error humano y la aplicación incorrecta de los procedimientos de recuperación si el sistema deja de estar disponible.
Las fallas de comunicación pueden ser resultado de un mal funcionamiento del equipo, interferencia electromagnética , baja intensidad de la señal o saturación del medio de comunicación. [15] En este caso, una interrupción puede resultar en la aplicación del freno de servicio o del freno de emergencia , ya que el conocimiento de la situación en tiempo real es un requisito de seguridad crítico para CBTC y si estas interrupciones son lo suficientemente frecuentes, podrían afectar gravemente al servicio. Esta es la razón por la que, históricamente, los sistemas CBTC implementaron por primera vez sistemas de comunicación por radio en 2003, cuando la tecnología requerida estaba lo suficientemente madura para aplicaciones críticas.
En sistemas con una línea de visión deficiente o limitaciones de espectro o ancho de banda, puede ser necesario un número mayor de transpondedores de lo previsto para mejorar el servicio. Esto suele ser un problema mayor cuando se aplica CBTC a sistemas de tránsito existentes en túneles que no fueron diseñados desde el principio para soportarlo. Un método alternativo para mejorar la disponibilidad del sistema en túneles es el uso de un cable de alimentación con fugas que, si bien tiene costos iniciales más altos (material + instalación), logra un enlace de radio más confiable.
Con la aparición de servicios en bandas de radio ISM abiertas (es decir, 2,4 GHz y 5,8 GHz) y la posible interrupción de servicios CBTC críticos, existe una presión cada vez mayor en la comunidad internacional (ref. informe 676 de la organización UITP, Reserva de un espectro de frecuencias para aplicaciones críticas de seguridad dedicadas a sistemas ferroviarios urbanos) para reservar una banda de frecuencias específicamente para sistemas ferroviarios urbanos basados en radio. Esta decisión ayudaría a estandarizar los sistemas CBTC en todo el mercado (una demanda creciente de la mayoría de los operadores) y garantizar la disponibilidad de esos sistemas críticos.
Como se requiere que un sistema CBTC tenga alta disponibilidad y, en particular, permita una degradación gradual, se podría proporcionar un método secundario de señalización para garantizar un cierto nivel de servicio no degradado en caso de indisponibilidad parcial o total del CBTC. [16] Esto es particularmente relevante para implementaciones en áreas industriales abandonadas (líneas con un sistema de señalización ya existente) donde el diseño de la infraestructura no se puede controlar y se requiere la coexistencia con sistemas heredados, al menos temporalmente. [17]
Por ejemplo, la línea BMT Canarsie en la ciudad de Nueva York fue equipada con un sistema de señalización automática de bloqueo de respaldo capaz de soportar 12 trenes por hora (tph), en comparación con las 26 tph del sistema CBTC. Aunque se trata de una arquitectura bastante común para proyectos de reubicación de trenes, puede anular algunos de los ahorros de costos del CBTC si se aplica a nuevas líneas. Este sigue siendo un punto clave en el desarrollo del CBTC (y aún se está discutiendo), ya que algunos proveedores y operadores argumentan que una arquitectura completamente redundante del sistema CBTC puede, sin embargo, lograr altos valores de disponibilidad por sí sola. [17]
En principio, los sistemas CBTC pueden diseñarse con sistemas de supervisión centralizados para mejorar la capacidad de mantenimiento y reducir los costos de instalación. De ser así, existe un mayor riesgo de que se produzca un único punto de fallo que pueda interrumpir el servicio en todo un sistema o línea. Los sistemas de bloques fijos suelen funcionar con lógica distribuida que normalmente es más resistente a este tipo de interrupciones. Por lo tanto, durante el diseño del sistema se debe realizar un análisis cuidadoso de los beneficios y los riesgos de una determinada arquitectura CBTC (centralizada frente a distribuida).
Cuando se aplica el CBTC a sistemas que antes funcionaban bajo control humano completo con operadores trabajando a la vista, puede resultar en una reducción de la capacidad (aunque con un aumento de la seguridad). Esto se debe a que el CBTC opera con menos certeza posicional que la vista humana y también con mayores márgenes de error , ya que se aplican parámetros de tren en el peor de los casos para el diseño (por ejemplo, tasa de frenado de emergencia garantizada frente a tasa de frenado nominal). Por ejemplo, la introducción del CBTC en el túnel de tranvía del centro de Filadelfia resultó inicialmente en un marcado aumento del tiempo de viaje y una disminución correspondiente de la capacidad en comparación con la conducción manual sin protección. Esta fue la compensación para erradicar finalmente las colisiones de vehículos que la conducción a la vista no puede evitar y muestra los conflictos habituales entre operación y seguridad.
La arquitectura típica de un sistema CBTC moderno comprende los siguientes subsistemas principales:
Así, aunque una arquitectura CBTC siempre depende del proveedor y de su enfoque técnico, en una arquitectura CBTC típica se pueden encontrar generalmente los siguientes componentes lógicos:
La tecnología CBTC se ha implementado (y se está implementando) con éxito para una variedad de aplicaciones, como se muestra en la figura siguiente (mediados de 2011). Van desde algunas implementaciones con vías cortas, números limitados de vehículos y pocos modos de operación (como los APM de los aeropuertos de San Francisco o Washington ), hasta superposiciones complejas en redes ferroviarias existentes que transportan más de un millón de pasajeros cada día y con más de 100 trenes (como las líneas 1 y 6 del metro de Madrid , la línea 3 del metro de Shenzhen , algunas líneas del metro de París , el metro de Nueva York y el metro de Pekín , o la red subterránea del metro de Londres ). [18]
A pesar de la dificultad, la siguiente tabla pretende resumir y referenciar los principales sistemas CBTC basados en radio desplegados en todo el mundo, así como aquellos proyectos en desarrollo. Además, la tabla distingue entre las implantaciones realizadas sobre sistemas existentes y operativos ( brownfield ) y las llevadas a cabo sobre líneas completamente nuevas ( greenfield ).
[video position 1:56]Trains will be able to operate as frequently as every 1 minute and 55 seconds instead of the current limit of two and a half minutes. [2:19]When installation is completed along the entire line in 2019, it will allow for as much as 25% more capacity. [2:33]ATC will come online on all of Line 1 in phases by the end of 2019 starting with the portion of Line 1 between Spadina and Wilson stations and with the Line 1 extension into York Region that opens at the end of this year.