Simulador de enclavamientos y bloqueos ferroviarios

Ibon Ruiz Escribano

Ingeniero Industrial del ICAI rama eléctrica, Promoción 2008. Actualmente trabaja como consultor tecnológicoo en práctica tecnológic prácticass en Accentur Accenture. e.

Yolanda Yoland a González Arechavala

Doctora por la Universidad Pontificia Comllas y Licenciada en Informática por la Universidad del PaísVasco.Actual-

Simulador de Enclavamientos y Bloqueos Ferroviarios

mente, es Profesora del Departamento de Sistemas Informáticos e Investigadora del Instituto de InvestigaciónTecnológica de la ETSI ICAI de la UPCo.

Fernando Montes Ponce de León

La seguridad es el factor clave en todos los aspectos relacionados con la gestión del tráfico ferroviario. ferroviario. Los sistemas de señalización ferroviaria ferroviaria son un componente fundamental para garantizar garantizar dicha seguridad. Los enclavamientos enclavamientos y bloqueos son los pilares de la señaliz señalización ación ferroviaria. ferroviaria. Emplea Emplearr herram herramientas ientas para simul simular ar el funciona funciona-miento de los distintos enclavamientos y bloqueos considerados para un determinado trazado ferroviario, permite evaluar el cumplimiento de las especificaciones de seguridad y testear diferentes configuraciones posibles previo a la realización del diseño definitivo definitivo e implantación sobre el campo. campo. En este artículo se describe el funcionamiento de una herramienta específica de simulación realizada en el marco de un proyecto fin de carrera y todas las posibilidades que ofrece.

Doctor Ingeniero Ingeniero del ICAI, Prom Promoción oción 1965.Ha sido DirectorTécnico DirectorTécnico en Dimetronic Signals y Director del Proyecto ERTMS dentro del grupo Invensys. Actualmente es miembro del IRSE (Institution of Railway Signal Engineers) y profesor en el Master de Sistemas Ferroviarios del ICAI. Comentarios Comenta rios a: [email protected] 28

Introducción El uso del tren para el transporte de personas y mercancías ha experimentado un crecimiento continuo en el último siglo y ha supuesto uno de los motores de desarrollo económico para un gran número de países. Actualmente la industria ferroviaria atraviesa por un momento importante importante de expans expansión. ión. La red ferroviaria se intensifica principalmente en

anales de mecánica mecánica y electrici electricidad dad / noviembr noviembre-dici e-diciembre embre 2008

torno a los núcleos urbanos, con el desarrollo continuo de las redes de cercanías y la inversión en ampliación y mejora de ferrocarriles metropolitanos. metropol itanos. En las líneas nacionales se mejoran los sistemas de señalización señalización y se desarrollan trenes más modernos lo que permite recorrer los itinerarios más rápidamente. Además destaca la fuerte inversión en ampliación de la infraestructura de alta velocidad.

El transporte de mercancías por carretera está cercano a la saturación. La intensificación del transporte de bienes por ferrocarril se baraja como una alternativa de reducción de costes debido al elevado precio de los carburantes y al aumento de capacidad que supone el ferrocarril. Por otro lado, el transporte de personas y mercancías por ferrocarril resulta más respetuoso con el medioambiente y supone una diversificación de la capacidad logística del país por lo que contribuye a un desarrollo sostenible. A nivel europeo se trabaja intensamente en el desarrollo del sistema de señalización, pro tección y automatización de la conducción ERTMS (European (European Rail Traffic Traffic Management System)) que constituye un estándar único de System señalización para todos los países europeos. Permite realizar itinerarios transnacionales sin necesidad, como ocurría hasta ahora, de cambiar en las fronteras de tren y/o conductor y mejorar considerablemente la eficiencia de explotación plota ción de las líne líneas as [1]. A nivel nacional nacional hay que destacar la apuesta decidida en los últimos años por el desarrollo de la alta velocidad. En este contexto se aborda la realización del proyecto fin de carrera “Simulador de Enclavamiento Encla vamientoss y Bloqueo Bloqueoss Ferrovi Ferroviarios” arios” [2]. En este artículo se presentan, en primer lugar, los conceptos fundamentales de señalización ferroviaria con el fin de conocer, sin ahondar en detalles, el funcionamiento de los enclavamientos y bloqueos. Posteriormente, se explica la herramienta de simulación realizada en el marco del proyecto de fin de carrera mencionado. mencionado.

Principales conceptos de señalización ferroviaria Si hay un factor determinante para la buena imagen social del ferrocarril y la apuesta decidida por su expansión es la elevadísima tasa de seguridad y fiabilidad que ofrece, muy superior a otros medios de transporte. Para poder analizar correctamente los sis temas de señalización y protección en el ferrocarril, es necesario describir en primer lugar los elementos más importantes que constituyen todo trazado ferroviario.

la presencia de trenes gracias a la aplicación de una tecnología denominada circuito de vía. Existen otros tipos de tecnología para la detección de trenes, pero los circuitos de vía son el sistema más empleado. La indicación de circuito de vía ocupado se mantiene desde que el primer eje del tren entra en el circuito de vía hasta que el último eje del mismo lo abandona. Esta tecnología permite determinar en todo momento la localización de los distintos trenes.

• Cambios El término cambio hace referencia al conjunto de elementos que posibilitan un cambio de dirección del tren en un determinado punto del trazado. trazad o. Exis Existen ten tres tipos de cambios: cambios: – Desvíos: cuando una vía se bifurca en dos, generando de esta forma una nueva dirección. – Travesías: una travesía es el cr uzamiento de dos vías. Permite que un tren que circula por una vía a la salida siga circulando por la misma vía o bien cambie a la vía contraria. – Escapes: los escapes consisten en un cambio saliente de una vía y entrante a otra, con objeto de abandonar la vía por la que el tren circulaba inicialmente. Las agujas son el elemento común presen te en todos los tipos de cambio. Disponen de un motor situado a pie de vía, mandado y controlado desde el correspondiente enclavamiento, que permite maniobrarlas a posición normal o invertida según sea requerido en cada caso.

• Señales de circulación Las señales de circulación de trenes cumplen la misión de autorizar y regular el movimiento de trenes por las distintas rutas que se van estableciendo. Se trata de señales de focos luminosos situadas generalmente en posición lateral a pie de vía y han de ser perFigura 1. Cambios de dirección en una estación. Agujas accionadas mediante motor eléctrico situado a pie de vía

Elementos del campo Se presenta aquí una breve descripción [3], de los elementos característicos característicos del campo.

• Circuitos de vía Las vías de tren se dividen en tramos independientes en los cuales es posible detectar Simulador Simul ador de Enclava Enclavamiento mientoss y Bloqueos Bloqueos Ferrovi Ferroviarios arios

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Figura 2. Relación puesto de mandoenclavamiento-campo

Puesto de mando Indicaciones

Mandos Enclavamiento

Comprobaciones

Órdenes Campo

fectamente visibles e identificables por el maquinista. Como norma general una señal en aspecto rojo indica paso prohibido, verde circulación circul ación permitida sin restricc restricciones iones y amarillo circulación con precaución a velocidad reducida y disposición a detenerse ante la próxima señal en rojo. Los tipos fundamentales de señales de circulación de trenes son: – Señales de entrada: son las señales situadas en los accesos a las estaciones y su misión es autorizar o denegar la entrada de trenes a la estación. estación. Además de los aspecaspec tos rojo, verde o amarillo incorporan el aspecto rojo-blanco indicando rebase autorizado por maniobra. – Señales de avanzada: se sitúan en los circuitos de vía de proximidad a una es tación y proporcionan información al maquinista sobre el estado de la señal de entrada a la que preceden y sobre el tipo de paso que va a efectuar el tren por la estación. Además de los aspectos rojo, cuando lo incorpora, y amarillo se distingue el aspecto verde que indica entrada directa a la estación sin realizar cambio de vía y el aspecto verde-amarillo como anuncio de entrada permitida a la estación con precaución porque se efectúa un cambio de vía. – Señales de salida: están situadas situadas dentro de la estación, normalmente al final de los circuitos de vía de andén que es donde quedan parados los trenes tras entrar a la estación. Las señales de salida son las que autorizan el movimiento de salida de un tren de una estación. Pueden mostrar aspecto rojo, verde o rojo-blanco autorizando autorizando la salida para ejecución de una maniobra. – Señales de maniobra: situadas en puntos estratégicos de la estaci estación ón desde 30


donde se contempla el inicio de maniobras. Autorizan las rutas de maniobra de los trenes indicando si existe o no paso por vía desviada. Estas señales no mues tran los aspectos típicos del resto de señales. Están formadas por un foco rojo y uno o tres focos blancos adicionales que permiten distinguir los distintos tipos de maniobra que se realizan en el interior de la estación. – Señales de bloqueo: Regulan la circulación de trenes por los tramos de bloqueo entre estaci estaciones. ones. Incorporan Incorporan los aspec aspectos tos rojo, verde y amarillo. Su funcionamiento se describe detalladamente en el apartado de bloqueos.

Enclavamientos El sistema encargado de controlar el establecimiento seguro de rutas y movimientos de trenes por el interior de una estación recibe el nombre de enclavamiento. En este apartado se expone el funcionamiento de los sistemas de enclavamiento en base a la normativa de RENFE [4]. El enclavamiento recibe mandos procedentes de un puesto de mando local o remoto, cada vez que los operadores encargados de gestionar el tráfico ferroviario, o en su caso el correspondiente sistema au tomático, desean establecer una nueva ruta o movimiento de un tren o bien si desean actuar de alguna manera sobre cualquiera de los elemento elementoss del campo campo.. El enclavamiento recoge continuamente la información correspondiente al estado de todos los elementos de campo en la estación que controla y genera las indicaciones necesarias en el puesto de mando. El enclavamiento recibe el estado de ocupación de todos los circuitos de vía y la posición de todas las agujas además de la comprobación proba ción de que los focos de todas las señales se encuentran operativos y no están fundidos.También recibe la información de todas las rutas que se encuentran establecidas y enclavadas en cada momento. El enclavamiento actúa en todo momento como in termediario entre el puesto de mando y el campo. Cuando se solicita la formación de una nueva ruta, el enclavamiento sigue una compleja secuencia de estab establecim lecimiento iento con obje to de garantizar que la ruta que se quiere establecer cumple con todos los requisitos de seguridad y no pone en peligro la circulación de otros trenes. En el proceso de esta-

blecimiento de una ruta se pueden distinguir las siguientes fases: • Fase de exploración: en la fase de exploración se verifica que la ruta a establecer no sea incompatible con el resto de rutas en formación, ya establecidas o en proceso de disolución. Dos rutas son incompatibles cuando alguna algu na de las agujas que comparten comparten requ requiera iera estar en posiciones contrarias para cada una de las rutas o si tienen tienen alg algún ún circuito circuito de vía vía en común o bien si existe incompatibilidad por motivos de deslizamiento y/o protección de flancos. El deslizamiento es la distancia de seguridad adicional que se contempla al crear una ruta en previsión de que un tren pueda rebasar de manera no autorizada la señal en rojo de final de ruta. La protección de flancos implica maniobrar las agujas necesarias para asegurar cada vez que se establece una nueva ruta que no existe constituida ninguna vía de acceso lateral a la ruta que pueda poner en peligro la circulación. • Maniobra y enclavamiento de aparatos: si la exploración resulta positiva se procede a maniobrar las agujas, incluidas las de protección por deslizamiento y flancos, a la posición requerida y seguidamente se enclavan. Cuando un elemento se enclava significa que no puede ser maniobrado por ningún procedimiento eléctrico o manual mientras persis ta el enclavamiento. • Autorización de movimiento: en la última fase del proceso de establecimiento se comprueba nuevamente que todas las agujas es tén enclavadas en la posición requerida y se verifica que todos los circuitos de vía que componen la ruta están libres. Entonces se abre la señal que autoriza el movimiento y el tren ya puede acceder a la ruta. La disolución de rutas se realiza cuando el tren llega al final del recorrido o bien de forma progresiva a medida que el tren va avanzando. Al disolver una ruta se desenclavan las agujas correspondientes de tal forma que pueden volver a ser maniobradas para establecer nuevas rutas. Además del procedimiento de disolución normal existe un procedimiento de disolución artificial y un procedimien proced imiento to de diso disolución lución de emergenci emergencia. a. La disolución artificial sirve para disolver ru tas ya autorizadas antes de que el tren comience a recorrerlas. Se activa el proceso de disolución de emergencia en caso de fallo al aplicar el procedimiento de disolución artificial o cuando un tren por avería queda detenido dentro de la ruta sin completar su recorrido.

Figura 3. Bloqueo automático en vía doble

Bloqueos Las vías de unión entre dos estaciones reciben el nombre de bloqueos. bloqueos. Se dividen en tramos denominados denominados cantones. cantones. Cada cantón está compuesto por uno o más circuitos de vía y existe una señal de bloqueo al comienzo de cada cantón. En los tramos de bloqueo la circulación de trenes se regula de manera automática, mediante las señales de bloqueo correspondientes, correspondi entes, por ocupación/desocupación de los canto cantones. nes. A título general [5], se puede pued e consi considerar: derar: • Rojo: el cantón posterior está ocupado. Amarillo: o: el cantón posterior posterior está está libre, pe• Amarill ro el siguiente cupado. • Verde: al menos dos cantones tras la señal están libres. Según el número de vías y el sentido de circulación de los trenes se distingue entre bloqueo automático en vía única, en vía doble o en vía doble banalizada. • Bloqueo automático en vía única (BAU): un bloqueo automático instalado entre dos estaciones con una única vía para los dos sentidos senti dos de circul circulación. ación. Existe señalización señalización en ambos sentidos. Bloqueo eo autom automático ático en vía doble (BAD) (BAD):: • Bloqu entre estaciones con mayor volumen de circulación, establece una vía distinta para cada sentido. El bloqeo automático en cada vía dispone de señales para el sentido de circulación correspondiente. • Bloqueo automático en vía doble banalizada (BAB): la vía doble banalizada permite la circulación de trenes en los dos sentidos por cada vía. Se consigue una disponibilidad mejor mej or de la capacidad capacidad de trans transporte porte entre estaciones puesto que se puede regular el tráfico en uno u otro sentido o en los dos simultáneamente según las necesidades. Cada vía cuenta con la señalización de bloqueo correspondiente en los dos sentidos.

Tablas de movimientos e incompatibilidad Las rutas de los trenes de transporte de personas y/o mercancías en su entrada y salida de la estación reciben el nombre de itinerarios. Simulador Simul ador de Enclava Enclavamiento mientoss y Bloqueos Bloqueos Ferrovi Ferroviarios arios

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Además se consideran las rutas de maniobra, que engloban una gran cantidad de movimientos distintos orientados a reordenar los trenes, vagones y en general el ma terial t erial rodante dentro de la estación. Las maniobras pueden estar motivadas por necesidad cesid ad de efect efectuar uar reparaciones reparaciones en la vía o para cambiar la posi posición ción relativa relativa de los trenes o su configuración (el número de vagones). Si se clasifica el movimiento de trenes en base al número de señales que intervienen en el recorrido se distinguen dos tipos: • Rutas simples: aquellos movimientos básicos del tren, autorizados de señal a señal sin que exista ninguna señal intermedia en el mismo sentido de circulación. Las rutas simples pueden ser tanto de itinerario como de maniobra. compuestas: las rutas compue compuestas stas • Rutas compuestas: están constituidas por un cierto número de rutas simples superpuestas y permiten movimientoss más complejos miento complejos de los trenes. Las ru tas compuestas siempre son itinerarios. En la Figura 4 se aprecia el esquema de una estación con su señalización asociada. Un ejemplo de ruta simple es la establecida desde ENa(1) hasta SAa(3) o la ruta desde SAa(3) hasta T1M. Una ruta compuesta correspondiente a un itinerario de un tren que llega a la estación y la atraviesa sin parar para dirigirse a la próxima estación, desviándose en el interior por una vía secundaria sería: desde ENa(1) hasta SAa(3) y desde allí vuelta vuel ta a la vía principal principal y has hasta ta T1M para acceder al bloqueo. Para gestionar el establecimiento de rutas los enclavamientos se apoyan en una serie de tablas denominadas tablas de movimien tos e incomp incompatibi atibilidad lidad.. La defi definició nición n correcta Figura 4. Esquema de la estación ‘Enclavamiento ICAI I’ y su señalización asociada

de estas tablas es por tanto un factor crítico para garantizar la seguridad. Las tablas de movimientos e incompatibilidad son: • Tabla de Rutas Simples (TRS): para un de terminado terminado trazado ferrovia ferroviario rio en base a la configuración de vías, la situación y tipo de las distintas señales y las necesidades de explotación de tráfico se establece la denominada tabla de rutas simples (TRS). Esta tabla refleja todas las rutas simples consideradas y muestra información con el número y tipo de la ruta, señal origen y señal final, todos los circuitos de vía que la componen, la posición que han de tener las agujas involucradas y el aspecto aspect o que deben adopt adoptar ar todas las señales que afectan directa o indirectamente a la circulación cula ción por la ruta cuando se autori autoriza za el movimiento. • Tabla de Deslizamientos: en la Tabla de Deslizamientos (TD) deben aparecer asociados a cada ruta simple los circuitos de vía que hay que dejar libres y la posición en que deben ser enclavadas las agujas necesarias, para garantizar la protecci protección ón por deslizamiento y protección de flancos de la ruta. • Tabla de Incompatibilidad (TI): en base a la TRS y laTD se elabora laTabla de Incompatibilidad bili dad (TI). En la TI se comparan una a una todas las rutas consideradas y se establece si son compatibles o no, es decir, para cada par de rutas consideradas se determina si se puede establecer la nueva ruta garantizando la seguridad cuando la otra está ya autorizada, en proceso de formación o disolución. disolución. En caso negativo refleja los motivos de incompatibilidad. La tabla de incompatibilidad es absolutamente unívoca, el hecho de que dos rutas sean o no compatibles no depende de las circunstancias como por ejemplo el nivel de tráfico, sino que esa incompatibilidad se da en todo momento.

El simulador El simulador que aquí se presenta ha sido realizado en el contexto de un proyecto fin de carrera. Se partió de otro proyecto [6] previo, que se mejoró y amplió significativamente hasta obtener la aplicación aquí descrita. El “Simulador “Simulador de Encla Enclavamient vamientos os y Bloqueos Ferroviarios” permite diseñar dis tintos trazados ferroviarios con sus enclavamientos y bloqueos asociados para luego simularlos y probar su correcto funcionamiento. Está estructurado en tres entornos distintos para tratar por separado y de manera específica cada una de las partes del problema.Toda

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la información sobre la que se apoyan los tres entornos para extraer y almacenar en cada momento la información requerida se almacena en una base de datos relacional común a toda la aplicación. La aplicación se ha diseñado de forma modular estructurando el programa en distintas clases ordenadas por paquetes, y se ha utilizado Java como lenguaje de programación.

Entorno de diseño gráfico Con esta herramienta el usuario puede dibujar el trazado ferroviario que desee. Se dispone de una paleta de elementos para dibujar circuitos de vía, agujas y los distintos tipos de señales de circulación. Cada vez que el usuario crea un nuevo elemento, se le pide que introduzca los datos particulares de ese elemento, como por ejempl ejemplo o longitu longitud d de las ramas normal e invertida al crear una aguja, orientación de la señal que se crea, etc. Al terminar el dibujo se pulsa sobre un botón que establece una rutina de comprobación para verificar que no existen errores: por ejemplo, que no haya nombres duplicados, plicad os, que la continuidad del trazado ferroviario quede perfectamente definida o que los tramos de bloqueo cumplan con una serie de especificaciones. Si la comprobación bació n resul resulta ta posit positiva iva el diseñ diseño o evolu evoluciona ciona al estado de “dis “diseño eño gráfico terminado” terminado” y se puede pasar ya al entorno de generación de tablas.

Entorno de generación de tablas Permite generar autom Permite automáticam áticamente ente la TRS, TD y TI para cualquier diseño que se cargue cuya parte gráfica esté ya “terminada”. Las tablas se van generando de manera secuencial y se van mostrando al usuario por pantalla. Esta aplicación es sin duda uno de los puntos fuertes del simulador puesto que se basa en unos algoritmos suficientemente genéricos y potentes como para generar las distintas tablas para cualquier trazado ferroviario dibujado por el usuario. Tras generar todas las tablas el estado del diseño cambia a “diseño completo” y ya puede ser simulado.

pantalla y el usuario, a través de una barra de herramientas situada en la parte superior,, puede establecer itinerarios y maniorior bras de tren y simular el paso de trenes por las rutas que estén establecidas en cada momento. El establecimiento de rutas se realiza seleccionando en pantalla las señales origen y final del movimiento. Para establecer una ruta el simulador sigue el proceso expuesto en el apartado “Enclavamientos”. Si la exploración resulta negativa, se abor ta el proceso de establecimiento y el programa genera los mensajes correspondientes indicando los motivos: incompatibilidad con otras rutas, existencia de agujas enclavadas en posición contraria a la requerida, bloqueo bloqueo establecido en sentido contrario, etc. Si la exploración es positiva se procede a la maniobra de agujas y posterior enclavamiento. Finalmente Final mente se autoriza el movi movimiento miento mediante la apertura de la señal origen de la ruta. Todo este proceso se lleva a cabo de forma secuencial y se puede seguir perfectamente por pantalla porque a medi medida da que tiene lugar el proceso se iluminan los indicadores correspondientes de circuitos de vía y agujas y se aprecia cómo cambia el aspecto de las señales. Se pueden establecer varias rutas simultáneamente, en los dos sentidos de circulación. También se puede simular el paso de trenes por las rutas que estén establecidas: el usuario introduce los datos de velocidad y longitud del tren y éste comienza a recorrer la ruta. Como se aprecia en la Figura 6 los circuitos de vía ocupados por un tren en cada momento aparecen iluminados en rojo. El Figura 5. Captura de pantalla del entorno de diseño gráfico

Entorno de simulación El entorno de simulación representa lo que en la realidad sería el puesto de mando y permite simular y probar los distintos diseños realizados por el usuario. Al cargar un diseño dise ño se dibu dibuja ja el trazado ferroviario ferroviario en Simulador Simul ador de Enclava Enclavamiento mientoss y Bloqueos Bloqueos Ferrovi Ferroviarios arios

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color amarillo significa que los circuitos de vía corresponden a una ruta ya establecida y autorizada. Cuando el tren llega al final de la ruta comienza automáticamente el proceso de disolución, desenclavando las agujas implicadas y apagando los visores de circuitos de vía. Como se aprecia en la Figura 6 es posi posible ble simular el paso de distintos trenes por dis tintas rutas. El tiempo de recorrido de los trenes se calcula en base a la longitud de los circuitos de vía y agujas que componen la ruta, la longitud del propio tren y la velocidad del mismo. Por defecto el tiempo de recorrido corresponde al tiempo real para los datos introducidos, pero es posible acelerar la simulación introduciendo un factor de escala. Cuando un tren procedente de una ruta de salida de una estación llega al tramo de bloqueo, comienza a circular automáticamente por el mismo regulando su marcha según el aspecto que muestran las señales de bloqueo que afectan a su sentido. Al establecer una ruta de salida que da acceso a un tramo de bloqueo, se reserva el bloqueo en el sentido de la marcha y no se permite establecer ninguna otra ruta de acceso al bloqueo en sentido contrario. Las señales de bloqueo correspondientes al sentido contrario pasan a dar automáticamente el aspecto rojo. Además de todas las posibilidades nombradas anteriormente el simulador implementa funciones para la maniobra, enclavamiento y desenclavamiento manual de agujas. Figura 6. Captura de pantalla del entorno de simulación

Conclusiones Aun teniendo en cuenta las simplificaciones realizadas en este proyecto final de carrera, el resultado es un simulador muy completo, fiel a la realidad y de uso sencillo e intuitivo por parte del usuario. El simulador no pretende equipararse a los simuladores empleados por las empresas especializadas en señalización ferroviaria, que han de verificar unas especificaciones de seguridad muy estrictas, como es lógico. Sin embargo el nivel de profundidad y realismo alcanzado sí que permite emplear el simulador con fines didácticos. Supone una herramienta interesante no sólo de apoyo a la docencia en cursos base de ferrocarriles sino que abre las posibilidades de futuros caminos de investigación desde la Universidad en el campo de la automatización de la gestión y preparación de datos para el mundo de la señalización ferroviaria. En este artículo se ha realizado una introducción ducció n al mundo de los enclavamiento enclavamientoss y bloqueos ferroviarios y se han mostrado las posibilidades que tiene una herramienta de simulación aplicada a este contexto.También se ha visto cómo desde un proyecto fin de carrera se puede abordar satisfactoriamente un problema complejo y dirigir el trabajo hacia la obtenc obtención ión de resul resultados tados concretos y con aplicación en el mundo real.

Bibliografía

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Simulador de enclavamientos y bloqueos ferroviarios

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