Control de trenes basado en comunicaciones

Los sistemas de señalización tradicionales detectan los trenes en secciones discretas de la vía llamadas « bloques », cada una protegida 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 . ^{[ 8 ]}

En un sistema CBTC de bloque móvil, la sección protegida para cada tren es un "bloque" que se mueve con él y lo sigue, y proporciona comunicación continua de la posición exacta del tren a través de radio, bucle inductivo, etc. ^{[ 9 ]}

Como resultado, Bombardier inauguró el primer sistema CBTC basado en radio del mundo en el sistema de transporte automatizado de pasajeros (APM) del aeropuerto de San Francisco en febrero de 2003. ^{[ 10 ]} Unos meses más tarde, en junio de 2003, Alstom introdujo la aplicación ferroviaria de su tecnología de radio en la línea North East de Singapur . El CBTC tiene sus orígenes en los sistemas basados ​​en bucle desarrollados por Alcatel SEL (más tarde Thales , ahora Hitachi Rail ) para los sistemas de tránsito rápido automatizado (ART) de Bombardier en Canadá a mediados de la década de 1980.

Estos sistemas, también conocidos como control de trenes basado en transmisión (TBTC, por sus siglas en inglés), utilizaban técnicas de transmisión por bucle inductivo para la comunicación entre la vía y el tren, ofreciendo una alternativa a la comunicación basada en circuitos de vía . Esta tecnología, que opera en el rango de frecuencia de 30 a 60 kHz para la comunicación entre trenes y equipos de vía, fue ampliamente adoptada por los operadores de metro a pesar de algunos problemas de compatibilidad electromagnética (CEM), así como otras dificultades de instalación y mantenimiento (consulte SelTrac para obtener más información sobre el control de trenes basado en transmisión). 

Como ocurre con cualquier nueva aplicación tecnológica, al principio surgieron algunos problemas, principalmente debido a aspectos de compatibilidad e interoperabilidad. ^{[ 11 ] [ 12 ]} Sin embargo, desde entonces se han producido mejoras relevantes y, actualmente, la fiabilidad de los sistemas de comunicación por radio ha aumentado 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 mantenernos en línea con las soluciones de vanguardia para los requisitos del operador, ^{[ 12 ]} este artículo solo cubre las soluciones CBTC más recientes basadas en el principio de bloque móvil (ya sea bloque móvil real o bloque virtual , por lo que no depende de la detección de trenes basada en la vía) ^{[ 1 ]} que utilizan comunicaciones por radio .

Los sistemas CBTC son sistemas modernos de señalización ferroviaria que se pueden utilizar principalmente en líneas ferroviarias urbanas (tanto ligeras como pesadas ) y APM , aunque también podrían implementarse en líneas de cercanías . Para las líneas principales , un sistema similar podría ser el Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario ERTMS Nivel 3 (aún no completamente definido ). En los sistemas CBTC modernos, los trenes calculan y comunican continuamente su estado por radio al equipo de vía distribuido a lo largo de la línea. Este estado incluye, entre otros parámetros, la posición exacta, la velocidad, la dirección de desplazamiento y la distancia de frenado .

Esta información permite calcular el área que el tren podría ocupar en la vía. También permite que el equipo de vía defina los puntos de la línea que los demás trenes que circulan por la misma vía nunca deben sobrepasar. Estos puntos se comunican para que los trenes ajusten su velocidad de forma automática y continua, manteniendo los requisitos de seguridad y confort ( reducción de la sacudida ). De esta manera, los trenes reciben información constante sobre la distancia 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 que va en cabeza, incluyendo todos los bloques en los que se encuentra. Esto se debe a que el sistema no puede saber con exactitud dónde se ubica el tren dentro de estos bloques . Por lo tanto, el sistema de bloques fijos solo permite que el tren que le sigue avance hasta el límite del último bloque desocupado.

En un sistema de bloqueo móvil como el que se muestra en la segunda figura, la posición del tren y su curva de frenado se calculan continuamente y se comunican por radio al equipo de vía. De esta forma, el equipo de vía puede establecer zonas protegidas, cada una denominada límite de autorización de movimiento (LMA), hasta el obstáculo más cercano (en la figura, la cola del tren que va delante). La autorización de movimiento (AM) es el permiso para que un tren se desplace a una ubicación específica dentro de las limitaciones de la infraestructura y con control de velocidad. ^{[ 13 ]}

El final de la autoridad es la ubicación hasta la cual se permite que el tren avance y donde la velocidad objetivo es igual a cero. El final del movimiento es la ubicación hasta la cual se permite que el tren avance según una MA. Al transmitir una MA, es el final de la última sección indicada en la MA. ^{[ 13 ]}

Es importante mencionar que la ocupación calculada en estos sistemas debe incluir un margen de seguridad por incertidumbre de ubicación (en amarillo en la figura), sumado a la longitud del tren. Ambos elementos conforman lo que se conoce como huella . 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 según las actualizaciones continuas de la ubicación y la velocidad del tren, manteniendo así los requisitos de seguridad . Esto se traduce en una menor separación entre trenes consecutivos y una mayor capacidad de transporte .

Los sistemas CBTC modernos permiten diferentes niveles de automatización o grados de automatización (GoA), tal como se definen y clasifican en la norma IEC 62290-1. ^{[ 14 ]} De hecho, CBTC no es sinónimo de "trenes sin conductor " o "trenes automatizados", aunque se considera una tecnología habilitadora básica para este propósito.

Existen cuatro grados de automatización disponibles:

• GoA 0 – In situ, sin automatización 
• GoA 1 – Manual, con un conductor que controla todas las operaciones del tren. 
• GoA 2 – Operación semiautomática (STO), el arranque y la parada están automatizados, pero un conductor que se sienta en la cabina opera las puertas y conduce en caso de emergencia. 
• GoA 3 – Operación de trenes sin conductor (DTO), el arranque y la parada están automatizados, pero un miembro de la tripulación opera las puertas desde el interior del tren. 
• GoA 4 – La operación del tren sin tripulación (UTO), el arranque, la parada y las puertas están completamente automatizados, sin necesidad de personal a bordo. 

Los sistemas CBTC permiten un uso óptimo de la infraestructura ferroviaria, así como lograr la máxima capacidad y el mínimo intervalo entre trenes en circulación, manteniendo los requisitos de seguridad . Estos sistemas son adecuados para las nuevas líneas urbanas de alta demanda, pero también pueden integrarse en líneas existentes para mejorar su rendimiento. ^{[ 5 ]}

Por supuesto, en el caso de la modernización de líneas existentes, las etapas de diseño, instalación, prueba y puesta en marcha son mucho más críticas. Esto se debe principalmente al desafío de desplegar el sistema superpuesto sin interrumpir el servicio comercial . ^{[ 15 ]}

La evolución de la tecnología y la experiencia adquirida en su funcionamiento 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 suelen tener menos equipos en vía y sus herramientas de diagnóstico y monitorización se han mejorado, lo que facilita su implementación y, sobre todo, su mantenimiento. ^{[ 16 ]}

La tecnología CBTC está evolucionando, utilizando las técnicas y componentes más recientes para ofrecer sistemas más compactos y arquitecturas más sencillas. Por ejemplo, con el avance de la electrónica moderna, ha sido posible incorporar redundancia para que los fallos puntuales no afecten negativamente a la disponibilidad operativa.

Además, estos sistemas ofrecen total flexibilidad en cuanto a horarios operativos, lo que permite a los operadores ferroviarios urbanos responder a la demanda de tráfico específica de forma más rápida y eficiente, y resolver los problemas de congestión. De hecho, los sistemas de operación automática tienen el potencial de reducir significativamente el intervalo entre trenes y mejorar la capacidad de tráfico en comparación con los sistemas de conducción manual. ^{[ 17 ] [ 18 ]}

Finalmente, es importante mencionar que los sistemas CBTC han demostrado ser más eficientes energéticamente que los sistemas tradicionales de conducción manual. ^{[ 16 ]} El uso de nuevas funcionalidades, como estrategias de conducción automática o una mejor adaptación de la oferta de transporte a la demanda real, permite un ahorro energético significativo al reducir el consumo de energía.

El principal riesgo de un sistema electrónico de control de trenes radica en que, si se interrumpe el enlace de comunicación entre alguno 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 la reducción temporal de la velocidad de los vehículos, su detención o su funcionamiento en modo degradado hasta que se restablezcan las comunicaciones. Si la interrupción de la comunicación es permanente, debe implementarse algún tipo de operación de contingencia , que puede consistir en la operación manual mediante bloqueo absoluto o, en el peor de los casos, la sustitución por un medio de transporte alternativo . ^{[ 19 ]}

En consecuencia, la alta disponibilidad de los sistemas CBTC es crucial para su correcto funcionamiento, especialmente si se utilizan para aumentar la capacidad de transporte y reducir la frecuencia de paso. Por lo tanto, es fundamental verificar exhaustivamente la redundancia del sistema y los mecanismos de recuperación para lograr una alta robustez operativa. Con la mayor disponibilidad del sistema CBTC, también es necesario brindar capacitación exhaustiva y actualizaciones periódicas a los operadores sobre los procedimientos de recuperación . De hecho, uno de los principales riesgos de los sistemas CBTC es la probabilidad de error humano y la aplicación incorrecta de los procedimientos de recuperación en caso de que el sistema no esté disponible.

Las fallas en las comunicaciones pueden deberse a mal funcionamiento del equipo, interferencia electromagnética , señal débil o saturación del medio de comunicación. ^{[ 20 ]} En este caso, una interrupción puede provocar la aplicación del freno de servicio o del freno de emergencia , ya que la información situacional en tiempo real es un requisito de seguridad fundamental para el CBTC y, si estas interrupciones son lo suficientemente frecuentes, podrían afectar gravemente el servicio. Por esta razón, históricamente, los sistemas CBTC implementaron por primera vez sistemas de radiocomunicación en 2003, cuando la tecnología requerida estaba lo suficientemente madura para aplicaciones críticas.

En sistemas con mala visibilidad o limitaciones de espectro/ancho de banda, puede ser necesario un número de transpondedores mayor al previsto para mejorar el servicio. Esto suele ser más problemático al aplicar el CBTC a sistemas de transporte existentes en túneles que no fueron diseñados inicialmente para soportarlo. Un método alternativo para mejorar la disponibilidad del sistema en túneles es el uso de cable alimentador con fugas que, si bien tiene costos iniciales más elevados (material + instalación), logra un enlace de radio más fiable.

Con la aparición de servicios en las bandas de radio ISM abiertas (es decir, 2,4  GHz y 5,8  GHz) y la posible interrupción de los servicios críticos de CBTC, existe una creciente presión en la comunidad internacional (véase el informe 676 de la UITP, «Reserva de un espectro de frecuencias para aplicaciones críticas de seguridad dedicadas a los sistemas ferroviarios urbanos») para reservar una banda de frecuencias específicamente para sistemas ferroviarios urbanos basados ​​en radio. Esta decisión contribuiría a estandarizar los sistemas CBTC en todo el mercado (una demanda creciente por parte de la mayoría de los operadores) y garantizaría la disponibilidad de dichos sistemas críticos.

Dado que un sistema CBTC debe tener alta disponibilidad y, en particular, permitir una degradación gradual, se podría proporcionar un método de señalización secundario para garantizar cierto nivel de servicio sin degradación en caso de indisponibilidad parcial o total del CBTC. ^{[ 21 ]} Esto es particularmente relevante para implementaciones en terrenos contaminados (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. ^{[ 22 ]}

Por ejemplo, la línea BMT Canarsie en la ciudad de Nueva York se equipó con un sistema de señalización automática de bloqueo de respaldo capaz de soportar 12 trenes por hora (tph), en comparación con los 26 tph del sistema CBTC. Si bien esta es una arquitectura bastante común para proyectos de renovación de señalización, puede anular parte del ahorro de costos del CBTC si se aplica a líneas nuevas. Este sigue siendo un punto clave en el desarrollo del CBTC (y aún se debate), ya que algunos proveedores y operadores argumentan que una arquitectura totalmente redundante del sistema CBTC puede, sin embargo, lograr altos valores de disponibilidad por sí misma. ^{[ 22 ]}

En principio, los sistemas CBTC pueden diseñarse con sistemas de supervisión centralizados para mejorar el mantenimiento y reducir los costos de instalación. Sin embargo, esto aumenta el riesgo de un punto único de falla que podría interrumpir el servicio en todo el 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, es fundamental realizar un análisis exhaustivo de las ventajas y los riesgos de la arquitectura CBTC elegida (centralizada o distribuida).

Cuando se aplica el CBTC a sistemas que antes funcionaban bajo control humano total 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 menor certeza posicional que la visión 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 del tranvía del centro de Filadelfia resultó inicialmente en un marcado aumento del tiempo de viaje y la correspondiente disminución de la capacidad en comparación con la conducción manual sin protección. Esto fue la compensación para finalmente erradicar las colisiones de vehículos que la conducción a la vista no puede evitar y muestra los conflictos habituales entre operación y seguridad.