BESER Lucyna 1 ORUŃ Andrzej 2 Analiza opóźnień w transmisji komunikatów w systemie dodatkowego ostrzegania kierowców na niestrzeŝonych przejazdach kolejowych WPROWADZEIE Zgodnie z klasyfikacją przejazdów kolejowych przyjętą na kolejach polskich, przejazdy kolejowe kategorii D zaliczane są do grupy przejazdów niestrzeżonych, tzn. takich, które nie są wyposażone w automatyczne systemy ostrzegania kierowców. Brak wyposażenia technicznego w systemy samoczynnej sygnalizacji przejazdowej (ssp) na tego typu przejazdach drogowo kolejowych, wiąże się z realnym czynnikiem zagrożenia bezpieczeństwa ruchu drogowego podczas przejeżdżania pojazdów kołowych przez przejazd. Mimo prowadzenia przez PKP PLK S.A. od wielu lat (od 2005r.) kampanii społecznej Bezpieczny Przejazd Zatrzymaj się i żyj mającej na celu podnoszenie świadomości o zagrożeniach wynikających z niezachowania szczególnej ostrożności na przejazdach kolejowych, a w konsekwencji prowadzącej do ograniczenia liczby wypadków, corocznie na przejazdach kolejowych dochodzi do ponad 200 zdarzeń, w których ginie kilkadziesiąt osób rocznie. Zjawisko to ma swoje odzwierciedlenie w analizie przyczyn wypadków, do których dochodzi głównie z powodu niezachowanie przez kierujących szczególnej ostrożności. Rzadziej z powodu ograniczonej widoczności czy warunków atmosferycznych (deszcz, mgła). Z jednej strony duże znaczenie ma uświadamianie kierowców o skutkach niezachowania ostrożności, ale równie istotne są działania związane z modernizacją przejazdów kolejowych, które aktualnie są realizowane przez Polskie Linie Kolejowe w ramach projektu unijnego "Poprawa bezpieczeństwa i likwidacja zagrożeń eksploatacyjnych na przejazdach kolejowych etap I, 2014-2015". Ograniczenie liczby wypadków na przejazdach niestrzeżonych można także osiągnąć, poprzez instalację systemów dodatkowego ostrzegania kierowców. W odróżnieniu od typowych systemów samoczynnej sygnalizacji przejazdowej, są to urządzenia dodatkowo informujące kierowcę o pojawieniu się pociągu w obrębie przejazdu, ale nie zastępujące dotychczasowych zasad bezpieczeństwa realizowanych poprzez oznakowanie przejazdu znakami drogowymi G1, G2, G3, B20 (SOP) [10, 12]. W referacie autorzy przedstawili koncepcję systemu dodatkowego ostrzegania kierowców znajdujących się w obrębie przejazdu kolejowego o zbliżającym się pociągu. Istotą proponowanego systemu jest wykorzystanie do transmisji komunikatów ostrzegawczych powszechnie dostępnych standardów sieci bezprzewodowych, takich jak bezprzewodowe sieci sensorowe WS (Wireless Sensor etwork) i standardu Wi-Fi (Wireless Fidelity). Ponieważ transmisja radiowa oparta o standardy publicznych sieci otwartych podatna jest na różnego rodzaju zagrożenia [1, 2, 3, 4, 9], mające wpływ na dostępność i wydajność systemu, a referacie autorzy dokonali analizy i oszacowania wpływu opóźnień w transmisji na poprawną pracę systemu dodatkowego ostrzegania kierowców. 1 KOCEPCJA SYSEMU IFORMOWAIA KIEROWCÓW A PRZEJAZDACH IESRZEŻOYCH Wdrożenie na polskich kolejach nowoczesnych systemów zabezpieczających przejazdy kolejowe uwarunkowane jest koniecznością dostosowania ich do obowiązujących norm kolejowych, w szczególności P-E 50126:2002 [5, 6], P-E 50128:2002/AC:2010[7], P-E 50129:2007[8], P-E 50159:2011[9], tak aby spełniały wysokie wymagania bezpieczeństwa dla poziomu SIL 4. 1 Uniwersytet echnologiczno-humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział ransportu i Elektrotechniki; 26-600 Radom; ul. Malczewskiego 29. el: + 48 48 361-77-22, Fax: + 48 48 361-77-42,e-mail: l.bester @uthrad.pl 2 Instytut Kolejnictwa, Zakład Sterowania Ruchem i eleinformatyki ul. Józefa Chłopickiego 50, 04-275 Warszawa. el: (22) 47 31 490 fax: (22) 47 31 360, e-mail: atorun@ikolej.pl 1856
Dlatego też, dla poprawy bezpieczeństwa na przejazdach kolejowych, podejmowane są kierunkowe działania zmierzające do zmodernizowania przejazdów i wyposażenie ich w samoczynne systemy sygnalizacji przejazdowej. Systemy te ze względu na koszty instalacji nie są instalowane na przejazdach o niskich współczynnikach ruchu, ponieważ nie jest to uzasadnione ekonomicznie. W referacie autorzy zaproponowali alternatywne rozwiązanie mające na celu poprawę bezpieczeństwa na przejazdach kolejowych kategorii D, przy wykorzystaniu bezprzewodowego systemu ostrzegania kierowców zbliżających się do przejazdu, działającego w systemach transmisji otwartej. Zasadą pracy systemu jest wysyłanie komunikatów o zbliżającym się pociągu do pojazdu, dzięki czemu kierowca słyszy i widzi komunikat np. na desce rozdzielczej samochodu (rysunek 1). Realizacja ostrzegania kierowców rozpoczyna się, gdy sieć sensorowa rozmieszczona wzdłuż torów wykryje obecność taboru, ta sytuacja inicjuje wysyłanie telegramów do punktu zbiorczego informacji o zbliżającym się pociągu. Punkt ten przekierowuje dalej komunikaty ostrzegawcze do pojazdów znajdujących się w obrębie przejazdu kolejowego. System ten skutecznie ostrzeże kierowcę z wyprzedzeniem, co pozwoli na wyhamowanie samochodu i bezpieczne zatrzymanie go przed przejazdem. Koncepcja proponowanego systemu wydaje się być idealnym rozwiązaniem ostrzegania w każdych warunkach pogodowych i w zastosowaniu na odległych terenach pozamiejskich pracując, jako system uzupełniający istniejące metody ostrzegania lub jako samodzielny system. Rys. 1. Przykład realizacji dodatkowego systemu ostrzegania kierowców na niestrzeżonych przejazdach kolejowych [źródło: opracowanie własne] Architektura transmisyjna przewiduje transmisje informacji w konfiguracji punkt-punkt i punkt wielopunkt, co w odniesieniu do rozproszonych systemów przejazdów kolejowych może w istotny sposób wpłynąć na poprawę komunikacji pomiędzy pojazdami a istniejącą już infrastrukturą przytorową. 2 AALIZA OPÓŹIEŃ W RASMISJI ELEGRAMÓW W SYSEMIE OSRZEGAIA KIEROWCÓW a opóźnienie transmisji telegramów w sieci wpływa czas, jaki potrzebuje węzeł na zapamiętanie i wysłanie pakietu. W przypadku, gdy transmisja odbywa się na duże odległości na opóźnienie pakietu wpływa opóźnienie propagacji, natomiast wraz ze wzrostem natężenia ruchu opóźnienie wynika z przebywania telegramów w kolejkach w poszczególnych węzłach, w których pakiety oczkują na 1857
nadanie. Do analizy opóźnień wynikająca z kolejek wykorzystano teorię masowej obsługi, jako narzędzie do analizy możliwości sieci bezprzewodowych. System masowej obsługi M/M/1 posłużył do modelowania procesów transmisji telegramów z sieci sensorowych do punktów zbiorczych informacji systemu ostrzegania kierowców opisując ich oczekiwanie na obsługę, oraz obsługę i transmisje. Duża liczba niezależnych węzłów sieci sensorowej w analizowanym systemie transmisji pozwala na przyjęcie wykładniczego rozkładu prawdopodobieństwa czasu między chwilami przybycia telegramów (wzór 2), założono poissonowski proces zgłoszeń (wzór 1) oraz wykładniczy rozkład czasów obsługi [11]. n ( λt) λt pn ( t) e, n 0,1,2... n! (1) λ λ t e dla t 0, f ( t) 0 dla t < 0, λ > 0, λ > 0 (2) Kolejnymi parametrami charakterystycznymi dla mechanizmu czasu obsługi jest: maksymalna liczba pakietów obsługiwanych jednocześnie, dostępność, która określa częstotliwość i czas pomiędzy kolejnymi zgłoszeniami w przypadku systemów obsługujących jeden pakiet w jednostce czasu. organizacja kolejek według typu FIFO (ang. First in First out), pierwszy zgłoszony pierwszy obsłużony lub LIFO (ang. Last in First out) ostatni zgłoszony pierwszy obsłużony. Przypadkowy wybór pakietu z kolejki, lub według priorytetu niezależnie od kolejności zgłoszeń. Założenie w systemie masowej obsługi (M/M/1) wykładniczego rozkładu czasu obsługi pakietów, oznacza, że prawdopodobieństwo wysłania pakietu z węzła sensora w kolejnych jednostkach czasu jest stałe. Wykorzystując do analizy transmisji procesy Markowa, otrzymujemy średnią liczbę pakietów w systemie [11]: λ µ λ gdzie: λ intensywność wysyłanych pakietów w jednostce czasu µ intensywność obsługi pakietów Po wyznaczeniu średniej liczby pakietów w systemie stosując twierdzenie Little a możemy oszacować średni czas oczekiwania telegramów w systemie [11]: 1 1 µ λ µ λ 1 (4) gdzie: 1/λ średni czas pomiędzy zgłoszeniami pakietów 1/µ średni czas obsługi pakietów a poniższym rysunku 2 została przedstawiona realizacja rozmieszczenia sieci sensorowej i anteny nadawczej w obrębie przejazdu kolejowego. λ µ (3) 1858
Rys.2. Ilustracja rozmieszczenia sieci sensorów w obrębie przejazdu kolejowego [źródło: opracowanie własne] Opisany powyżej proces transmisji pozwolił na opracowanie modelu systemu transmisji pozwalającego na analizę opóźnień w sieci rysunek 3. Rys. 3. Model procesu transmisji w systemie dodatkowego ostrzegania kierowców na niestrzeżonych przejazdach kolejowych [źródło: opracowanie własne] W modelu tym wyróżniamy stany: Stan 0 transmisja telegramów bez opóźnień (lub opóźnienia pomijalnie małe) Stan P brak komunikacji (zanik transmisji, opóźnienia, przekłamanie) Stan Pi stan oczekiwania telegramów w kolejce λ intensywność zgłoszeń telegramów µ - intensywność obsługi telegramów Równania stanu w postaci operatorowej dla modelu z rysunku 3 mają następującą postać (z uwzględnieniem warunku normującego): s P0 1 λ ' P0 + µ ' P1 λp0 + µ P s P λp0 µ P Rozwiązując układ równań (5) obliczono prawdopodobieństwo wystąpienia stanu P0 i P : P 0 P P 0( t ) P ( t ) t t 1 + P1µ ' λ ' λ + P1λµ ' µλ ' (5) (6) 1859
Do analizy bezpieczeństwa systemu transmisji, niezbędne było oszacowanie granicznego prawdopodobieństwa znalezienia się w stanie P. Przyjmując typowe wartości współczynników λ λ 50 ms -1 oraz µ µ 10 µs -1 wyliczone graniczne prawdopodobieństwo wynosi P 19 10-6. Bezpieczeństwo bezprzewodowego systemu ostrzegania kierowców wymaga, aby czas transmisji komunikatów odbywał się w odpowiednio krótkim czasie. Dlatego też należy w procesie transmisji telegramów od węzła sensorowego do odbiornika w samochodzie uwzględnić opóźnienia w transmisji pakietów. Powstawanie opóźnień w transmisji jest sumą cząstkowych opóźnień wynikających np. z czasu obsługi pakietów w węzłach czy czasu transmisji pakietu. Do obliczenia średniego czasu obsługi telegramów wysyłanych z n liczby sensorów skorzystano z zależności (4) i przyjęto następujące wartości intensywności wysyłania telegramów λ 100 sek. i λ 10 sek., oraz czas obsługi telegramu µ 100 ms oraz µ 10ms. Wyniki obliczeń zamieszczono w tabeli 1. ab. 1. Średni czas oczekiwania telegramów w systemie w zależności od liczby sensorów [źródło: opracowanie własne] Liczba zgłaszających się sensorów w czasie 100 i 10 sek. λ 1 (dla czasu 100 sek.) λ2 (dla czasu 10 sek) λ 1, µ100 ms -1 s -1 [s] λ 2, µ10 ms -1 s -1 [s] 5 0,05 0,5 1,0 10-2 1,01 10-2 10 0,1 1 1,0 10-2 1,01 10-2 20 0,2 2 1,0 10-2 1,02 10-2 40 0,4 4 1,0 10-2 1,04 10-2 60 0,6 6 1,0 10-2 1,06 10-2 a rysunku 4 przedstawiono w formie wykresu różnice w średnim czasie przebywania telegramów w systemie w zależności od liczby sensorów w sieci. Rys. 4. Średni czas przebywania telegramów w systemie w funkcji liczby n sensorów wysyłających pakiety. [źródło: opracowanie własne] Odczytując przykładowe wartości z wykresu przedstawionego na rysunku 4, w przypadku, gdy 40 sensorów będzie wysyłało pakiety do jednego węzła zbiorczego w badanym czasie 100 i 10 sekund, to czas oczekiwania tych pakietów w systemie wynosi ponad 10 ms. Czas przebywania pakietów wynoszący ok 10 ms można pominąć, ponieważ nie wnosi on opóźnień 1860
w procesie transmisji telegramów ostrzegawczych do kierowcy. Dla porównania urządzenia sieci sensorowej dopuszczają czas obsługi pakietów w węźle do 200 ms, oczywiście wartości te określają dane w specyfikacji technicznej danej sieci. Poniżej w tabeli 2 przedstawiono uzyskane w wyniku obliczeń czasy transmisji pakietów w zależności od przepustowości łącza i wielkości pakietu. ab. 2. Czas transmisji pakietu p Wielkość pakietu Przepustowość łącza 1 Mb/s 10 Mb/s 100 Mb/s 8 [B] 64 µs 6,4 µs 0,64 µs 16 [B] 128 µs 12,8 µs 1,28 µs 32 [B] 256 µs 25,6 µs 2,56 µs Dokonując oceny wpływu opóźnień transmisji na poprawność pracy analizowanego systemu, autorzy wzięli pod uwagę czynniki biorące udział w dostarczeniu informacji do kierowcy. Uwzględniono, iż w czasie dostarczania komunikatu powstają opóźnienia i czasy wynikające głównie z czasu transmisji, reakcji człowieka na komunikat oraz błędów wynikających z transmisji, ale również liczby sensorów w sieci. Sumując wielkości towarzyszące w procesie transmisji takie jak: czas transmisji pakietu ( p ), czas reakcji człowieka od momentu otrzymania komunikatu ( c 0,8), opóźnienie transmisji wynikające z medium transmisyjnego ( ot 3 ms) oraz opóźnienie związane z transmisją pakietów z liczby sensorów ( n ) wyznaczony został czas (opóźnienie) realizacji funkcji bezpiecznego ostrzegania systemu. Podstawiając wartości wymienione powyżej, otrzymujemy następujący wynik: S S p + C + ot 10 µ s + 0,8 s + 3ms + 12 ms + n 0,815 s (7) Jak widać, istotny wpływ na czas s ma jedynie czas reakcji kierowcy. Pozostałe czasy mają wartość rzędu mikro sekund, co przy prędkości poruszania się pojazdu równej nawet 40 km/h (11.1 m/s, przed przejazdem kolejowym) i nie dostarczeniu dziesięciu kolejnych telegramów ostrzegających nie wpływa na bezpieczeństwo kierującego. Chwilowe zaniki w transmisji (lub opóźnienie) na odcinku ostrzegania kierowcy 500 metrów przed przejazdem, nie mają wpływu na bezpieczeństwo kierującego, ponieważ jeśli to jest zanik w transmisji to znaczy, że kierowca odebrał przynajmniej jeden komunikat ostrzegający, czyli został ostrzeżony o zbliżającym się do przejazdu pociągu. PODSUMOWAIE Zaprezentowana przez autorów koncepcja systemu dodatkowego ostrzegania oparta o wykorzystanie sieci sensorowych i publicznych systemów transmisji otwartej, oraz przeprowadzone analizy wpływu opóźnień transmisji na skuteczność ostrzegania kierowców, wykazały iż możliwe jest podniesienie bezpieczeństwa na przejazdach kolejowych kat. D bez konieczności instalowania systemów samoczynnej sygnalizacji przejazdowej, a jedynie poprzez odpowiednio wczesne przekazanie informacji do pojazdu. Analiza opóźnień w transmisji danych występujących w publicznych sieciach otwartych przeprowadzona w wykorzystaniem analizy matematycznej i procesów stochastycznych wykazała iż opóźnienia te nie mają wpływu na skuteczność dostarczenia informacji do pojazdu. Podkreślić należy, iż przyjęta koncepcja bezpieczeństwa opiera się o oznakowanie drogowe w szczególności o znak B20 (SOP) [10, 12], nakazujący kierowcy bezwzględne zatrzymanie pojazdu 1861
przed przejazdem, niezależnie czy kierowca otrzymał informacje z systemu dodatkowego ostrzegania czy też nie. Streszczenie W artykule autorzy podjęli problem poprawy bezpieczeństwa na niestrzeżonych przejazdach kolejowych typu D. Rozwiązaniem problemu jest zastosowanie systemu dodatkowego ostrzegania wykorzystującego do przekazywania informacji do pojazdu sieci sensorowe oraz systemu publicznej transmisji danych. Przeprowadzone z wykorzystaniem procesów stochastycznych, analizy wpływu opóźnień w transmisji telegramów do pojazdów, wykazały, iż opóźnienia te nie mają wpływy na skuteczne dostarczenie informacji o zbliżających się pociągu do pojazdu. Analysis of delays in the transmission of messages in the system of additional warning of drivers on unguarded level crossings Abstract In this paper the authors have a problem improving safety at unguarded railway level crossings D-type. Solution to this problem is to use an additional warning system based on the transmission of information to the vehicle sensor networks and the system of public data. Carried out with the use of stochastic processes, analysis of the impact of delays in the transmission of telegrams to the vehicle, showed that these delays do not have influence on the effective delivery of information about the upcoming train to the vehicle. BIBLIOGRAFIA 1. Bester L., Analiza zintegrowanego systemu bezpieczeństwa w transporcie lądowym na przykładzie przejazdów kolejowych, Rozprawa Doktorska, Uniwersytet echnologiczno- Humanistyczny im Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Radom 2012 2. Lewiński A., Bester L., oruń A., Sposoby realizacji transmisji otwartej w systemach sterowania ruchem kolejowym Logistyka 3/2011. 3. Lewiński A., Bester L., Zastosowanie nowych standardów transmisji bezprzewodowej w systemach zarządzania i sterowania ruchem kolejowym., Zeszyt 62 Prace aukowe ransport Politechnika Warszawska ISS 1230-9265, Warszawa, 2007. 4. Lewiński A., oruń A., Bester L. he Safety Analysis in the Open ransmission Standards in Railway Application, ARCHIVES OF RASPOR SYSEM ELEMAICS, Vol. 4 r 4/2011. 5. orma P-E 50126:2002 (U) Zastosowania kolejowe. Specyfikacja niezawodności, dostępności, podatności utrzymaniowej i bezpieczeństwa. 6. orma P-E 50126:2002 (U) Zastosowania kolejowe. Specyfikowanie i wykazywanie ieuszkadzalności, Gotowości, Obsługiwalności i Bezpieczeństwa (RAMS). Część 1: Wymagania podstawowe i procesy ogólnego przeznaczenia. 7. orma P-E 50128:2002 (U) Zastosowania kolejowe. Łączność, sygnalizacja i systemy sterowania. Oprogramowanie dla kolejowych systemów sterowania i zabezpieczenia. 8. orma P-E 50129:2007 Zastosowania kolejowe. Systemy łączności, przetwarzania danych i sterowania ruchem. Elektroniczne systemy sygnalizacji związane z bezpieczeństwem. 9. orma P-E 50159: 2011. Zastosowania kolejowe. Systemy łączności, sterowania ruchem i przetwarzania danych Łączność bezpieczna w systemach transmisyjnych (oryg.). 10. Rozporządzenie Ministrów Infrastruktury oraz Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 31 lipca 2002r. w sprawie znaków i sygnałów drogowych Dz. U. r 170 2002 poz. 1393 z późn. zm. 11. anenbaum A.S.: Computer etworks.prentice Hall PR, ew Jersey 1996. 12. Ustawa Prawo o ruchu drogowym Dz. U. 2012 poz. 1137 z późn. zm. Dz. U 2012 poz. 1448, Dz. U. 2013 poz. 700 i 991. 1862