13

Signal- og sikringsanlegg

13.1 Innledning

Signalanlegget er jernbanens nervesystem. Hovedformålet er å forhindre togsammenstøt og avsporinger samtidig som linjekapasiteten utnyttes best mulig  [10, 68]. Dette kapitlet omhandler hovedkomponentene i et signalanlegg for jernbanen: forriglingsutrustning, togdeteksjon, veisikringsanlegg, automatisk togkontroll (ATC) [10] og overgangen til det moderne europeiske trafikkstyringssystemet ERTMS [30].

Tog er tunge kjøretøy som kjører med høy hastighet og har lang bremselengde. Et tog som kjører i 200 km/h, kan trenge mer enn 2 km for å stanse. Føreren kan ikke se rundt kurver, gjennom tunneler eller over bakketopper. Uten et system som hindrer at to tog samtidig befinner seg på samme sporavsnitt, ville sammenstøt vært uunngåelige.

Signalanlegget gir to grunnleggende garantier:

1. Sikkerhet: Høyst ett tog befinner seg på et gitt sporavsnitt om gangen, og togbevegelser i konflikt blokkeres av anlegget.

2. Effektivitet: Kapasiteten utnyttes best mulig ved at sporavsnittene frigis til neste tog så snart det foregående toget har forlatt dem.

Figur 13.1 viser eksempler på lyssignaler ved Skansen bru i Trondheim. Fotografiet brukes her som et visuelt eksempel på installert signalutstyr, ikke som en fullstendig tegning av signalanlegget.

Figur 13.1 Eksempel på lyssignaler ved Skansen bru i Trondheim.

Signalfunksjonene som behandles i dette kapitlet, omfatter:

• Forriglingsutrustning: sørger for at togveier i konflikt aldri stilles samtidig.

• Veisikringsanlegg: styrer planoverganger for veitrafikk.

• Fjernstyring: gir fjernovervåking og fjernstyring av jernbanenettet.

• Automatisk togkontroll (ATC): overvåker hastighet og signalinformasjon om bord og griper inn ved behov.

• Andre delsystemer: styring av skifteområder, rasdeteksjon, tunnelporter og forrigling av bevegelige bruer.

13.2 Forriglingsutrustning og sikringsanlegg

Forriglingsutrustningen er den sikkerhetskritiske delen av sikringsanlegget som håndhever signalreglene. Den hindrer at togbevegelser i konflikt godkjennes samtidig.

13.2.1 Prinsipp

Forriglingen er den sentrale sikkerhetslogikken i forriglingsutrustningen. Den er en tilstandsmaskin som håndhever avhengigheter og låseregler mellom signaler, sporveksler og sporavsnitt. En togvei er en fastlagt strekning i sporet som låses og sikres for ett bestemt tog, fra ett signal til det neste.

Sikkerhetslogikken kan realiseres med svært forskjellig maskinvare. Relésikringsanlegg realiserer togveiloggikken med fastkablede kontakter og spoler; hvis et relé mister spenningen, faller kontaktene tilbake til begrensende stilling. Elektroniske sikringsanlegg realiserer den samme logikken i sikkerhetssertifiserte prosessorer som er forbundet med signaler, sporveksler og sporfelt gjennom inn-/utgangsmoduler. De er mer kompakte og enklere å koble mot fjernstyring og ERTMS, mens relérom er fysisk større og senere endringer ofte krever omkobling. Figur 13.2 viser forskjellen mellom de to realiseringene.

Figur 13.2 Eksempler på utstyr i sikringsanlegg.(a) Skap for elektronisk sikringsanlegg; og (b) Relérom for sikringsanlegg.

Før en togvei kan stilles, må forriglingsutrustningen kontrollere at:

1. Alle sporavsnitt i togveien er frie.

2. Alle signaler som er i konflikt med togveien, viser «Stopp».

3. Sikkerhetssonen etter togveiens slutt er fri.

4. Alle sporveksler i og rett etter togveien ligger riktig og er låst.

Først når alle vilkårene er oppfylt, kan innkjørssignalet vise et kjørsignalbilde. Togveien utløses og låsingene oppheves først etter at toget har passert hele avsnittet, vanligvis med en kort utløsningsforsinkelse.

13.2.2 Teknologigenerasjoner

Teknologien i sikringsanlegg har utviklet seg gjennom tre generasjoner:

Mekaniske anlegg (før 1950-årene).

I mekaniske sikringsanlegg håndhevet håndtak, stenger og kammer avhengighetene. Det var umulig å endre stillingen til et signal eller en sporveksel uten at vilkårene var oppfylt.

Relésikringsanlegg (1950-årene–i dag).

Elektromagnetiske reléer realiserer logikken i relékretser. Omtrent 80% av de norske sikringsanleggene er fortsatt relébaserte (NSI-63, NSB-77 ved Oslo S, NSB-78 på Bergensbanen, NSB-84 på Østfoldbanen og NSB-87 på Rørosbanen)  [43]. Reléanlegg er i utgangspunktet feilsikre: Svikt i en reléspole etterlater kontakten i spenningsløs, sikker stilling.

Elektroniske sikringsanlegg (1990-årene–i dag).

Programvare erstatter relékretsene. Eksempler i Norge er NSB-94/Merkur, Ebilock 850, Ebilock 950, Siemens Simis-C og Thales L90-5  [28]. Datamaskinbaserte sikringsanlegg gir fleksibilitet og fjerndiagnostikk, men krever grundig formell verifikasjon for å oppnå samme sikkerhetsintegritet som reléanlegg.

13.2.3 Feilsikkerhetsprinsippet

Feilsikkerhetsprinsippet er grunnleggende for alle signalanlegg på jernbanen. Et signal kan bare vise et kjørsignalbilde etter en lang rekke positive kontroller; ethvert uavklart vilkår gjør at signalet blir stående på eller går tilbake til «Stopp» (rødt). Dette omtales som en signalfeil, selv om signalanlegget i seg selv ikke nødvendigvis har en feil. Årsaken kan være et belagt sporavsnitt, en sporveksel i feil stilling eller en kommunikasjonsfeil.

Feilsikker konstruksjon innebærer at maskinvarefeil, kabelbrudd, reléfeil og tapt kommunikasjon er utformet slik at de fører til det mest begrensende og sikreste signalbildet, ikke det mest tillatende.

13.2.4 Lyssignaler

Lyssignaler langs sporet i Norge er signalbildebaserte: Betydningen avhenger av signaltype, lyskombinasjon, togveiindikering og lokale regelverk, ikke av én enkelt farge alene. De enkelte signalbildene må derfor tolkes som helhet etter gjeldende regelverk.

Bane NORs operative regelverk inneholder visuelle eksempler for de enkelte signaltypene. Figur 13.3 gjengir noen vanlige eksempler på hovedsignaler og forsignaler fra regelverket  [57].

Hovedsignaler

Signal 20BStopp

Signal 21Fast grønt lys
kjør, redusert hastighet

Signal 22To faste grønne lys
kjør

Forsignaler

Signal 23Blinkende gult lys
vent stopp

Signal 24Gult og grønt blinklys
vent redusert hastighet

Signal 25Blinkende grønt lys
vent kjør

Figur 13.3 Utvalgte eksempler på norske lyssignaler.(a) 20B: stopp; (b) 21: kjør med redusert hastighet; (c) 22: kjør; (d) 23: vent stopp; (e) 24: vent kjør med redusert hastighet; og (f) 25: vent kjør.

Rødt

Stopp eller ingen tillatelse til å passere signalet.

Grønt

Et kjørsignalbilde; tillatt hastighet bestemmes av hele signalbildet, togveien og gjeldende hastighetsinformasjon.

Gult

Et begrensende kjør- eller forsiktighetssignalbilde; vær forberedt på lavere hastighet eller stopp ved et etterfølgende signal.

Hvitt

Brukes ved skifting og i hjelpesignaler.

Lilla

Det tilhørende planovergangssignalet viser «Stopp foran planovergangen».

De detaljerte reglene må hentes fra Bane NORs til enhver tid gjeldende operative regelverk.

13.2.5 ERTMS nivå 2 og stoppskilt

På konvensjonelle strekninger gir et lyssignal både et visuelt signalbilde og markerer en fysisk togveigrense. ERTMS nivå 2 skiller disse funksjonene. Kjøretillatelsen, målhastigheten og bremseovervåkingen håndteres i førerrommet, mens faste stoppskilt langs sporet fortsatt fungerer som fysiske referansepunkter for hvor en kjøretillatelse kan begynne eller slutte. Den fullstendige ERTMS-arkitekturen behandles senere i avsnitt 13.8; her er det viktige at stoppskiltet ikke er et lyssignal. Det viser ingen dynamisk hastighets- eller kjørsignalinformasjon. Det markerer et sted som brukes av forriglingsutrustningen, radioblokksentralen og de operative reglene.

I normal drift kan et tog bare passere et ERTMS-stoppskilt når førerpanelet viser en kjøretillatelse som tillater bevegelse forbi dette punktet. Uten en slik tillatelse er skiltet det fysiske referansepunktet for stopp. Bane NORs gjeldende regelverk illustrerer dette med Signal E35 stoppskilt; pilen viser hvilket spor skiltet gjelder for, som vist i figur 13.4  [56].

Venstre spor

Høyre spor

Sporet nedenfor

Figur 13.4 Signal E35 stoppskilt: faste stoppunkter på linjer med ERTMS.(a) Venstre spor; (b) Høyre spor; og (c) Sporet nedenfor.

13.3 Trafikkstyring og fjernstyring

Trafikkstyring er det operative laget over forriglingsutrustningen. Forriglingsutrustningen avgjør om en ønsket togvei er sikker; trafikkstyringen avgjør hvilken togvei som skal forespørres, for hvilket tog og på hvilket tidspunkt. Det er nyttig å skille mellom tre beslektede begreper:

Lokalstyring

En togekspeditør eller stasjonsoperatør stiller togveier fra et betjeningspanel på stasjonen. Stasjonens sikringsanlegg kontrollerer likevel togveien før et signal kan gå til kjør.

Fjernstyrt stasjon

Stasjonen har eget sikringsanlegg, sporveksler, signaler og togdeteksjonsutstyr, mens kommandoer og indikeringer overføres til en trafikkstyringssentral. Et lokalt panel (stillerapparat) kan beholdes for vedlikehold eller avvikssituasjoner.

Fjernstyring

Én togleder overvåker og styrer flere fjernstyrte stasjoner og strekninger fra en trafikkstyringssentral. Toglederen ser trafikksituasjonen, forespør togveier og håndterer avvik, mens hvert lokale sikringsanlegg fortsatt utfører sikkerhetskontrollene.

Figur 13.5 viser en moderne norsk trafikkstyringssentral, der togledere overvåker togbevegelser, kommuniserer med operativt personell og bruker de sentraliserte styringssystemene fra et felles operasjonsrom.

Figur 13.5 Trafikkstyringssentral for jernbanedriften i Oslo-området [67].

I praksis gir fjernstyringen et sanntidsbilde av trafikken: togposisjoner, sporbelegg, sporveksler, signaler, sikrede togveier, alarmer og konflikter. Den støtter også fjernstilling av togveier og funksjoner som forhåndsinnstilte eller tidsforsinkede kryssingssekvenser, der en kryssing forberedes på forhånd og utføres når de nødvendige sporavsnittene og togveivilkårene er tilgjengelige. Et trafikkstyringssystem (TMS) legger et planleggings- og reguleringslag over fjernstyringen og bruker rutedata, tognummerinformasjon og beslutningsstøtte for å hjelpe togledere med å prioritere tog og gjenopprette trafikken etter avvik. Norske anlegg har brukt ulike generasjoner av slike systemer, blant annet plattformer med navn som VICOS, EBICOS og Railmanager. Navnene er eksempler på plattformer, ikke det sentrale begrepet som skal huskes.

13.4 Veisikringsanlegg

Planoverganger er grensesnittet mellom jernbanen og veinettet, som vist ved den sikrede planovergangen med løftebommer og veisignaler i figur 13.6. Bane NOR skiller mellom flere former for sikrede planoverganger, blant annet helbomanlegg, halvbomanlegg og lys- og lydanlegg. Sikringsløsningene kan grupperes etter omfang som følger  [34]:

Helbomanlegg

Bommene sperrer hele veibanen og suppleres med lydvarsel og veisignaler. Brukes på sterkt trafikkerte veier.

Halvbomanlegg

Bommene sperrer bare høyre kjørefelt; kjøretøy i venstre felt kan ikke kjøre inn når en bom er nede. Lydvarsel og veisignaler inngår i anlegget.

Lys- og lydanlegg

Lydvarsel og veisignaler, men ingen bom.

Varsellampe

Minste sikringsnivå; brukes vanligvis ved landbruksoverganger med svært liten og forutsigbar bruk.

Figur 13.6 Eksempel på en sikret planovergang med løftebommer og veisignaler.

Bane NORs operative regelverk definerer også planovergangssignaler langs jernbanen for føreren. Eksemplene i figur 13.7 viser stopp- og passeringssignalene for toget ved en sikret planovergang og de tilhørende forsignalene.

Planovergangssignal

Signal 55
Stopp ved
planovergangen

Planovergangssignal

Signal 56A
Kan
passeres

Forsignal for planovergang

Signal 57
Vent stopp ved
planovergangen

Forsignal for planovergang

Signal 56B
Vent at den
kan passeres

Figur 13.7 Eksempler fra Bane NOR på planovergangssignaler og tilhørende forsignaler langs jernbanen [57].(a) Signal 55 Stopp ved planovergangen; (b) Signal 56A Kan passeres; (c) Signal 57 Vent stopp ved planovergangen; og (d) Signal 56B Vent at den kan passeres.

Anlegget aktiveres når et tog kjører inn i innkoblingsfeltet (innkoblingspunkt A), og deaktiveres etter at toget har passert planovergangen (utkoblingspunkt A, med tilsvarende punkter på den andre siden av planovergangen).

13.5 Togdeteksjon

Forriglingsutrustningen trenger ikke en kontinuerlig posisjonsbeskrivelse av toget; den trenger pålitelige tilstander for hvert sporavsnitt. Sporet deles i sporavsnitt, og hvert avsnitt meldes som fritt eller belagt før en togvei kan stilles. Figur 13.8 viser dette grunnprinsippet før de to vanlige deteksjonsteknologiene introduseres.

Figur 13.8 Grunnprinsippet for togdeteksjon: Hvert sporavsnitt meldes som fritt eller belagt.

De to vanligste deteksjonsmetodene i Norge er sporfelt og akseltellere  [10].

13.5.1 Sporfelt

Sporfelt ble introdusert i kapittel 8 som én av årsakene til at komponenter ved skinnesetet, befestigelser og isolerte skjøter må gi pålitelig elektrisk isolasjon. Det samme prinsippet behandles her fra signalsiden: Skinnene fører deteksjonsstrømmen, og forriglingsutrustningen bruker den resulterende avsnittstilstanden som en sikkerhetsinngang. Figur 13.9 viser fri og belagt tilstand i prinsippskissen.

Figur 13.9 Sporfelt i fri og belagt tilstand.

Signaltolkningen er feilsikker: Mottakeren er bare spenningssatt når avsnittet er fritt. Når toghjulenes aksler kortslutter skinnene, blir mottakeren spenningsløs, og avsnittet meldes som belagt. Tap av deteksjonsstrøm fører også systemet mot den begrensende tilstanden, ikke mot en feilaktig «fri»-melding.

På elektrifiserte strekninger bruker returstrømmen for banestrømforsyningen skinnene; sporfeltet må bruke en annen frekvens enn frekvensen i banestrømforsyningen (eller bruke kodede signaler) for å skille togdeteksjonsstrømmen fra returstrømmen. Isolerte skinneskjøter skiller tilstøtende sporfelt elektrisk.

Begrensningene ved sporfelt omfatter følsomhet for rust og oksidasjon på skinnen, som gir dårlig elektrisk kontakt, og forurensning som sand og løv, som kan gi en feilaktig «fri»-melding. I tillegg kreves isolerte skjøter, som øker vedlikeholdsbehovet.

13.5.2 Akseltellere

For akseltellere er den sentrale sikkerhetsinformasjonen balansen mellom aksler som er telt inn i og ut av et sporavsnitt. Figur 13.10 viser tellepunktene langs sporet, koblingsboksene, evalueringsenheten og utgangen til trafikkstyringssentralen som brukes til å fastsette avsnittstilstanden.

Figur 13.10 Akseltellersystem med tellepunkter langs sporet og evalueringsenhet [149].

En akselteller registrerer hver aksel gjennom forstyrrelsen den skaper i et magnetfelt som genereres over skinnehodet. Tellepunkter installeres i begge ender av et sporavsnitt. Systemet teller aksler som kjører inn og ut:

• Akselbalanse \(= 0\), og alle gyldighetskontroller er oppfylt: Avsnittet er fritt.

• Akselbalanse \(\neq 0\), eller tellingen er inkonsistent/ugyldig: Avsnittet er belagt eller har feil og indikeres derfor restriktivt.

• Balansen går gyldig tilbake til 0 etter at hele toget har kjørt ut: Avsnittet er fritt igjen.

Evalueringsenheten forsyner tellepunktet med strøm, bestemmer kjøreretningen og overfører akseltallet til forriglingsutrustningen. Akseltellere krever ikke isolerte skinneskjøter og er mindre følsomme for forurensning på skinnene  [148]. De kan imidlertid påvirkes av snøansamling og krever en tilbakestillingsprosedyre etter vedlikeholdsarbeid i sporet.

Et skinne-/veikjøretøy som kjører inn i sporavsnittet, må registreres som en belegning for å forhindre en feilaktig «fri»-melding. En spark eller en fotgjenger som krysser i skinnehøyde, vil på samme måte ikke bli detektert av et sporfelt, men heller ikke av en akselteller. Dette understreker at ingen av systemene detekterer personer i sporet.

13.6 Sporvekseldrivverk og dekning

Et sporvekseldrivverk er den elektromekaniske aktuatoren som beveger tungene i en sporveksel og gir forriglingsutrustningen en låst, kontrollert stilling. For signalanlegget er den viktige informasjonen ikke den fysiske typen sporvekseldrivverk, men om sporvekselen har nådd og er låst i den beordrede stillingen før en avhengig togvei kan stilles til kjør. Sporvekseltungene, stokkskinnene og krysskomponentene som styres av sporvekseldrivverket, beskrives som sporkomponenter i kapittel 16.

Figur 13.11 viser to eksempler på sporvekseldrivverk: et konvensjonelt åpent drivverk og en svillemontert enhet.

Figur 13.11 Eksempler på sporvekseldrivverk.(a) Konvensjonell åpen drivenhet; og (b) Svillemontert enhet.

Dekning hindrer løpske kjøretøy fra et sidespor i å kjøre inn i en belagt eller sikret togvei. To typer dekningsgivende objekter brukes:

• Sporsperre: En enkel innretning på skinnen som tvinger et kjøretøy av sporet før det kan kjøre inn i det beskyttede området. Figur 13.12 viser et skinnemontert eksempel. Godkjent bare for hastigheter opptil 40 km/h.

• Dekningsgivende sporveksel: En sporveksel som leder et løpsk kjøretøy bort fra den beskyttede togveien. Den er mer effektiv enn en enkel sporsperre, men krever mer plass  [20].

Figur 13.12 Skinnemontert sporsperre på et sidespor [125].

13.7 Automatisk togkontroll

Automatisk togkontroll supplerer signalanlegget langs sporet med overvåking om bord. Formålet er å begrense konsekvensene av oversette signaler eller for høy hastighet.

13.7.1 Prinsipper

Selv med et feilfritt signalanlegg og et signal som viser rødt, avhenger konsekvensene av om føreren ser og følger signalet. Automatisk togbeskyttelse (ATP) er sikkerhetsfunksjonen som overvåker om toget holder seg innenfor tillatt hastighet og kjøretillatelse, og griper inn med bremsing ved behov. I Norge ivaretas denne beskyttelsesfunksjonen av automatisk togkontroll (ATC), systemet om bord som overvåker at føreren følger signal- og hastighetsinformasjonen.

Det norske ATC-systemet bruker baliser langs sporet (radiotranspondere som er montert på svillene mellom skinnene). Når et tog passerer over en balise, aktiveres balisen av et magnetfelt fra antennen om bord, og kodede data overføres til datamaskinen om bord. Figur 13.13 viser baliser som er montert mellom kjøreskinnene i et stasjonsspor. De overførte dataene omfatter:

Figur 13.13 Baliser montert mellom skinnene.

• Hastighetsgrenser og signalbilder lenger framme.

• Signalrelatert tillatelses- eller begrensningsinformasjon for det utstyrte punktet.

• Stigningsinformasjon til beregning av bremsekurven.

Informasjonen vises på førerpanelet. I ETCS-/ERTMS-terminologi er dette førerromsdisplayet førerpanel (DMI): skjermen som viser hastighet, målavstand, tillatt hastighet, driftsmodus og profilinformasjon til føreren. Figur 13.14 viser et eksempel på utformingen av et førerpanel.

Figur 13.14 Eksempel på et ETCS-/ERTMS-førerpanel (DMI).

Systemet om bord overvåker at informasjonen etterleves. Hvis føreren ikke griper inn, for eksempel ved å redusere hastigheten eller kvittere for et begrensende signalbilde, setter ATC-systemet inn bremsene automatisk.

13.7.2 Utrustningsnivåer for ATC

Utrustningsnivåene for ATC skiller seg hovedsakelig etter hvor balisene er installert, og hvor fullstendig signalinformasjonen og hastighetsbegrensningene overvåkes. Tabell 13.1 oppsummerer utviklingen fra ingen inngrep om bord til punktvis nasjonal ATC-overvåking, full nasjonal ATC-overvåking og førerromsbasert ERTMS-overvåking.

Utrustningsnivå	Utstyr langs sporet	Viktigste overvåkingsvirkning
Ikke utrustet	Ingen ATC-baliser for togkontroll	Ingen automatisk togkontroll; sikkerheten avhenger av trafikkregler, signalregler og at føreren følger dem.
Delvis utrustet område (DATC)	Baliser ved hovedsignaler og utvalgte kontrollpunkter	Overvåker informasjon fra hovedsignaler og viktige begrensninger, men ikke alle mellomliggende hastighetsskilt.
Fullstendig utrustet område (FATC)	Baliser ved signaler og hastighetsskilt	Overvåker både signalbilder og tillatte hastigheter på den utrustede strekningen.
ERTMS nivå 2	Baliser som posisjonsreferanse og kjøretillatelse over radio fra radioblokksentralen (RBC)	Førerromssignalering og kontinuerlig overvåking av bremsekurven erstatter avhengigheten av tradisjonelle lyssignaler.

Tabell 13.1 Sammenligning av utrustningsnivåer for nasjonal ATC og ERTMS.

13.8 ERTMS: europeisk trafikkstyringssystem for jernbane

ERTMS introduseres her både som et teknisk fornyelsesprogram og som en standard for samtrafikkevne. Behovet følger av alderen og oppsplittingen i eldre signalanlegg.

13.8.1 Bakgrunn

ERTMS drives fram av fornyelsesbehovet i eldre signalanlegg. Norges eksisterende signalanlegg står overfor et grunnleggende problem:

• De fleste anleggene ble installert fra 1970- til 1990-årene og har passert prosjektert levetid.

• Reservedeler til eldre reléanlegg produseres ikke lenger.

• Leverandørstøtten har opphørt for flere systemtyper.

• Teknologien undervises ikke lenger, og spesialisert vedlikeholdskompetanse er i ferd med å forsvinne.

• Resultatet er flere feil og lengre feilrettingstid, noe som reduserer tilgjengeligheten og kapasiteten.

En omfattende fornyelse av hele den norske signalinfrastrukturen er derfor nødvendig [30]. Bane NOR har valgt ERTMS nivå 2 som nasjonal standard for denne fornyelsen [10].

13.8.2 ERTMS-arkitektur

ERTMS (European Rail Traffic Management System) består av tre komponenter:

1. ETCS (European Train Control System): det standardiserte delsystemet for togkontroll og -beskyttelse, som omfatter førerromssignalering, hastighetsovervåking og kjøretillatelser.

2. GSM-R (Global System for Mobile communications, Railway): det særskilte digitale radionettet som brukes til talekommunikasjon og dataoverføring mellom tog og radioblokksentralen (RBC). GSM-R fases ut i Europa og skal erstattes av FRMCS (Future Railway Mobile Communication System), en 5G-basert standard som utvikles av EUs jernbanebyrå (ERA). FRMCS gir betydelig høyere båndbredde, kortere latenstid og støtte for moderne krav til cybersikkerhet. Overgangen er planlagt fullført i europeiske jernbanenett omkring 2035; den norske utrullingsplanen for ERTMS tar høyde for denne overgangen.

3. Operative regler: harmoniserte regler som gjør det mulig for tog fra alle land med ERTMS-utrustning å kjøre på alle strekninger som er utrustet med ERTMS.

De viktigste ETCS-nivåene er oppsummert i tabell 13.2. Dette er en prinsipiell oversikt over hvordan kjøretillatelse og togkontroll endres fra konvensjonell signalering mot førerromssignalering og drift med bevegelig blokk.

Nivå	Overføring av kjøretillatelse	Signaler langs sporet	Togdeteksjon og integritet
Nivå 0	Bare konvensjonell signalering	Påkrevd	Ingen ETCS-overvåking; toget følger nasjonale lyssignaler og nasjonale togkontrollsystemer der slike er installert.
Nivå 1	Signal \(\rightarrow\) Eurobalise \(\rightarrow\) førerrom	Beholdes vanligvis	Systemer langs sporet kontrollerer togets posisjon og at toget er komplett.
Nivå 2	RBC \(\xrightarrow{\text{radio}}\) førerrom; baliser korrigerer posisjonen	Valgfrie; kjøretillatelsen vises på førerpanelet	Togdeteksjon langs sporet inngår fortsatt i beregningen av kjøretillatelsen.
Nivå 3-konsept	RBC \(\xrightarrow{\text{radio}}\) førerrom + integritetsmelding fra toget	Ikke nødvendige for kjøretillatelsen	Toget melder sin egen integritet, noe som muliggjør drift med bevegelig blokk.

Tabell 13.2 ETCS-nivåene og de viktigste driftsmessige forskjellene, tilpasset fra Europakommisjonens diagrammer over ETCS-nivåer [69].

ERTMS endrer både førerens informasjonskilde og måten kjøretillatelsen håndheves på, særlig ved overgangen fra lyssignaler til kontinuerlig radioovervåking.

Den norske utrullingen må forstås separat fra de generelle nivådefinisjonene i tabell 13.2. Bane NOR har valgt ERTMS nivå 2 som nasjonal standard for fornyelsesprogrammet [10], og Norge planlegger å installere ERTMS nivå 2 på hele det nasjonale jernbanenettet [96]. Gjøvikbanen nord og Østfoldbanens Østre linje er de første strekningene i inntektsgivende drift med det nye systemet. Raden for nivå 3 er derfor tatt med som et teoretisk konsept for bevegelig blokk og togintegritet, ikke som et eget norsk utrullingsmål.

13.9 Samtidig innkjør og sikkerhetsavstander

På en enkeltsporet jernbane kan tog i motsatt retning bare møtes på steder med mer enn ett brukbart spor. Et kryssingsspor (spor for togkryssing) er en kort dobbeltsporet del av en enkeltsporet strekning der to tog i motsatt retning kan kjøre inn på stasjonen, passere hverandre og deretter fortsette på enkeltsporet. Kapasiteten bestemmes av kryssingssporets fysiske lengde og av hva forriglingsutrustningen må reservere etter hver godkjente togvei. Hvis to motgående tog ikke kan kjøre inn på kryssingssporet samtidig, må det ene toget vente utenfor stasjonen til det andre toget har ankommet og togveien er utløst. Ventetiden bruker rutemargin og reduserer antallet tog som kan planlegges på strekningen. Figur 13.15 introduserer de grunnleggende begrepene for sporutformingen som brukes i forklaringen. Tog A og B er motgående tog som nærmer seg kryssingssporet fra hver sin ende. Et middel er frigrensen nær en sporveksel; forbi dette punktet vil et kjøretøy hindre det tilstøtende sporet.

Figur 13.15 Grunnbegreper i beregningen av samtidig innkjør. Tog A og tog B er motgående tog som nærmer seg kryssingssporet fra hver sin ende.

13.9.1 Sikring ved togveiens sluttpunkt

Etter hver sikrede togveis sluttpunkt ligger en sikkerhetssone som må holdes fri for aktivitet i konflikt med togveien. Sikkerhetssonens nødvendige lengde bestemmes av kravet til sikkerhetsavstand. Kravet er spesifikt for planløsning og system og påvirkes blant annet av frislippshastighet, bremseovervåking, togdeteksjon, sikring av togvei og Bane NORs gjeldende regler. Frislippshastigheten er den høyeste hastigheten som tillates når toget nærmer seg togveiens sluttpunkt. Verdiene i tabell 13.3 er eksempelverdier som brukes til å forklare beregningen av samtidig innkjør, ikke universelle konstanter.

I den forenklede kapasitetskontrollen som brukes her, sammenlignes den tilgjengelige avstanden fra objektet ved togveiens sluttpunkt (lyssignal eller stoppskilt) til nærmeste middel med den nødvendige sikkerhetsavstanden:

\[ d_{\text{tilgjengelig}} \geq d_{\text{sikkerhet}} . \]

Hvis ulikheten er oppfylt i begge ender av kryssingssporet, kan sikkerhetssonene slutte før midlene, og samtidig innkjør er geometrisk mulig. Hvis den nødvendige sikkerhetsavstanden er lengre enn den tilgjengelige avstanden, går den sikkerhetssonen forbi middelet, og den motgående innkjørtogveien kan ikke stilles samtidig. Den nyttige prosjekteringsmarginen er \(d_{\text{tilgjengelig}}-d_{\text{sikkerhet}}\).

System	Forutsetning for sikring i eksemplet	Driftsvirkning ved et kryssingsspor
Eldre sikringsanlegg	Lyssignal og sikkerhetsavstand; eksempel med frislippshastighet 40 km/h og sikkerhetsavstand 250 m.	Lange sikkerhetssoner kan overlappe omkring middelet. Forriglingsutrustningen kan tillate bare én innkjørtogvei, slik at det andre toget må vente utenfor stasjonen.
ERTMS nivå 2	Stoppskilt og kjøretillatelse i førerrommet; eksempel med frislippshastighet 20 km/h og sikkerhetsavstand 70 m.	Kortere sikkerhetssoner kan få plass før midlene. Begge innkjørtogveiene kan stilles samtidig.

Tabell 13.3 Eksempelforutsetninger for sikring ved togveiens sluttpunkt i forklaringen av samtidig innkjør.

Regneeksempel: kontroll av samtidig innkjør.

Anta at et mulig stoppskilt ved togveiens sluttpunkt står 95 m før middelet i den ene enden av et kryssingsspor. Med sikkerhetsavstanden på 70 m i eksemplet for ERTMS nivå 2 blir marginen

\[ d_{\text{tilgjengelig}}-d_{\text{sikkerhet}} = 95\,\mathrm{m}-70\,\mathrm{m} = 25\,\mathrm{m}. \]

Marginen er positiv, og sikkerhetssonen kan derfor slutte før middelet i denne enden. Hvis den samme planløsningen kontrolleres med sikkerhetsavstanden på 250 m i eksemplet for et eldre anlegg, blir marginen

\[ 95\,\mathrm{m}-250\,\mathrm{m} = -155\,\mathrm{m}. \]

Den negative marginen betyr at sikkerhetssonen vil gå forbi middelet, og den motgående innkjørtogveien kan derfor ikke stilles samtidig. For en fullstendig kontroll av stasjonen må den samme beregningen være oppfylt i begge ender av kryssingssporet.

13.9.2 Kapasitetsvirkning ved et kryssingsspor

Samtidig innkjør er en form for samtidig togbevegelse der forriglingsutrustningen kan stille to motgående togveier samtidig, slik at to tog kan kjøre inn på den samme kryssingsstasjonen samtidig i stedet for at det ene venter på det andre. Mekanismen er vist i figur 13.16. I tilfellet med et eldre anlegg overlapper de to sikkerhetssonene etter togveienes sluttpunkter nær midten av kryssingssporet. Hver togvei kan være sikker alene, men forriglingsutrustningen kan ikke godkjenne begge samtidig. I ERTMS-tilfellet slutter de kortere, sikkerhetssonene før midlene, slik at de to togveiene kan eksistere samtidig.

Figur 13.16 Driftsvirkningen av samtidig innkjør ved et kryssingsspor.

Den kortere prosjekteringsavstanden i ERTMS-eksemplet skyldes overvåket bremsing og håndheving av frislippshastigheten. ETCS-utstyret om bord beregner togposisjonen fra odometri og korrigerer den ved baliser, mens drift med nivå 2 fortsatt bygger på togdeteksjon langs sporet og fast forriglingslogikk. Samtidig innkjør er derfor en samlet egenskap ved plasseringen av stoppskiltene, kjøretillatelsen, frislippshastigheten, sikringen av togveien og utformingen av togdeteksjonen, fremfor utelukkende et spørsmål om å «kjenne togets nøyaktige posisjon».

13.9.3 Parvise stoppskilt

Den praktiske ERTMS-løsningen er å forkorte sikkerhetssonen og velge hvor stoppskiltene plasseres. Med en sikkerhetsavstand på 250 m i et eldre anlegg krever samtidig innkjør ofte enten en svært lang stasjonsplattform eller en dekningsgivende sporveksel som leder et løpsk kjøretøy bort før det når middelet. Figur 13.17 viser ERTMS-prinsippet som et valg av sluttpunkt for togveien til ett ankommende tog. Hvis et motgående tog må kjøre inn samtidig, velger forriglingsutrustningen den korte togveien. Hvis det ikke finnes noen motgående innkjørtogvei, kan anlegget velge den lengre togveien og gi det ankommende toget mer brukbar sporlengde.

Figur 13.17 Valg mellom indre og ytre stoppskilt ved et kryssingsspor.

De parvise skiltene brukes dermed ikke samtidig. De er to mulige sluttpunkter for kjøretillatelsen til det samme ankommende toget, og forriglingsutrustningen velger bare ett av dem for en gitt bevegelse. Det valgte skiltet er vist i blått, og det ubrukte skiltet i grått. I figur 13.17(a) holder det indre skiltet sikkerhetsavstanden foran middelet, slik at tog B kan kjøre inn på kryssingssporet samtidig. I figur 13.17(b) gir det ytre skiltet tog A større stopplengde, men den motgående togveien stilles da ikke.

13.10 Tilstandsbasert vedlikehold av signalanlegg

Moderne signalkomponenter har i økende grad sensorer som registrerer driftsdata kontinuerlig. Sporvekseldrivverk kan logge kraft–bevegelseskurver for hver omlegging; avvik fra normalsignaturen viser en feilutvikling før den fører til signalfeil. Sporfelt genererer spennings- og strømdata som avdekker svekkede isolerte skjøter eller forurensning på skinnene.

Ved å kombinere disse datastrømmene med maskinlæringsalgoritmer (Bane NOR har samarbeidet med Microsoft om slike systemer) kan vedlikeholdsfilosofien gå fra tidsbasert (skift ut hvert \(n\). år) til tilstandsbasert (skift ut når nedbrytningstrenden varsler nært forestående feil), og til slutt til prediktivt vedlikehold (skift ut før feilen utvikler seg til en driftsforstyrrelse). Denne tilnærmingen reduserer både vedlikeholdskostnadene og hyppigheten av signalfeil som forstyrrer driften.

13.11 Oppsummering av kapitlet

Kjøretillatelse. Tog kan ikke stanse innenfor siktavstanden på samme måte som veikjøretøy. Togbevegelser må derfor styres med signaler, kjøretillatelser, sikring av togveier og togdeteksjon. Signalanlegget må forhindre bevegelser i konflikt og samtidig frigi kapasitet så snart dette kan gjøres sikkert. Sikkerhet og effektivitet håndteres dermed av det samme tekniske systemet.

Forriglingsutrustning og sikringsanlegg. Forriglingsutrustningen kontrollerer at sporavsnittene er frie, sporvekslene ligger riktig og er låst, signaler i konflikt viser stopp, og den nødvendige sikkerhetssonen etter togveien er sikret. Først da kan et signal vise et kjørsignalbilde eller en kjøretillatelse utstedes. Mekaniske sikringsanlegg, relésikringsanlegg og elektroniske sikringsanlegg realiserer denne logikken på ulike måter, men feilsikkerhetsprinsippet er det samme: Usikkerhet skal føre til sikker tilstand.

Togdeteksjon. Sporfelt detekterer tog ved elektrisk kortslutning mellom skinnene, mens akseltellere teller aksler som kjører inn i og ut av et avsnitt. Begge metodene har fordeler og begrensninger: Sporfelt krever isolerte skinneskjøter og er følsomme for dårlig elektrisk kontakt, mens akseltellere krever tilbakestillingsprosedyrer og ikke i seg selv detekterer kjøretøy som ikke passerer tellepunktene. Kvaliteten på deteksjonen er derfor sentral både for sikkerhet og tilgjengelighet.

Avstander. Bremselengde, sikkerhetsavstand, sikring av togvei, utløsing av togvei, samtidig innkjør og dekning bestemmer både sikkerheten og stasjonskapasiteten. Lange sikkerhetsavstander kan redusere brukbar plattform- eller kryssingssporlengde. Ved kryssingsspor bevarer samtidig innkjør kapasitet ved å la motgående tog kjøre inn samtidig.

ERTMS. Norges overgang til ERTMS svarer på aldrende eldre utstyr, mangel på reservedeler, avtakende spesialistkompetanse og behovet for standardisert togkontroll. ERTMS endrer hvordan kjøretillatelsen overføres og overvåkes, særlig på nivå 2, der førerromssignalering og radiokommunikasjon erstatter konvensjonelle lyssignaler. Endringen er samtidig teknisk, operativ og organisatorisk.

Oppgaver

Oppgave 1: Feilsikkerhetsprinsippet og forriglingsutrustningen

Forriglingsutrustningen skal garantere at togveier i konflikt aldri stilles samtidig. Besvar følgende spørsmål om feilsikkerhetsprinsippet:

(a) Hvilket signalbilde skal vises hvis en signallampe svikter, og hvorfor er dette den feilsikre utgangen?

(b) Skal avsnittet meldes som belagt eller fritt hvis et sporfelt detekterer et skinnebrudd eller en svikt i mottakeren? Forklar hvorfor dette er den sikreste utgangen.

(c) Hva menes med normalstillingen til en sporveksel? Hva skal skje hvis sporvekseldrivverket mister spenningen mens en togvei stilles?

(d) Bruk regelen for stilling av togvei fra kapitlet: Et signal kan bare gå til kjør når sporet er fritt, de nødvendige sporvekslene er kontrollert, og ingen togvei i konflikt er stilt. Fyll ut tabellen ved å angi om signalet kan gå til kjør i hvert tilfelle. Her betyr kontrollerte sporveksler at sporvekslene er låst og detektert i den nødvendige stillingen.

Tilfelle	Sporet fritt?	Veksler sikret?	Ingen konflikt?	Kjør tillatt?
Alle nødvendige kontroller er oppfylt	ja	ja	ja
Tog detektert i togveien	nei	ja	ja
Sporvekselstillingen er ikke kontrollert	ja	nei	ja
Togvei i konflikt er allerede stilt	ja	ja	nei

Forklar kort for hvert «nei»-tilfelle hvorfor det ville være usikkert å la signalet gå til kjør.

Oppgave 2: ERTMS-sikkerhetsavstand og samtidig innkjør

Ved et kryssingsspor (en kort dobbeltsporet del av en enkeltsporet hovedstrekning) er den brukbare sporlengden 750 m. Middelet i hver ende av kryssingssporet ligger 120 m fra nærmeste mulige plassering av et stoppskilt (eller signal), det vil si at den tilgjengelige avstanden fra skiltplasseringen til middelet er 120 m i hver ende. Bruk kontrollen ved togveiens sluttpunkt og regneeksemplet fra avsnitt 13.9.1: Sammenlign \(d_{\text{tilgjengelig}}\) med \(d_{\text{sikkerhet}}\), og beregn marginen \(d_{\text{tilgjengelig}}-d_{\text{sikkerhet}}\).

(a) Bruk \(d_{\text{sikkerhet}}=250\,\mathrm{m}\) for eksemplet med det eldre anlegget. Er samtidig innkjør geometrisk mulig med denne stasjonsutformingen? Vis marginen og angi hvorfor eller hvorfor ikke.

(b) Bruk \(d_{\text{sikkerhet}}=70\,\mathrm{m}\) for eksemplet med ERTMS nivå 2. Er samtidig innkjør geometrisk mulig? Vis marginen og angi hvorfor eller hvorfor ikke.

(c) Forklar kvalitativt, basert på de to marginene, hvorfor den kortere, overvåkede sikkerhetsavstanden i ERTMS-eksemplet muliggjør samtidig innkjør ved stasjoner der et eldre signalanlegg ikke gjør det, og hvorfor dette er særlig viktig på en enkeltsporet linje med stor trafikk.

Oppgave 3: ETCS-nivåer og lyssignaler

Sammenlign ETCS nivå 1, nivå 2 og nivå 3 med hensyn til: (i) om lyssignaler langs sporet er påkrevd; (ii) hvordan kjøretillatelser overføres til toget; (iii) hvordan togets posisjon og integritet bestemmes; og (iv) hvilket nivå som bygges ut på det norske nasjonale jernbanenettet og hvorfor. Presenter sammenligningen som en tabell med én rad for hvert ETCS-nivå og kolonner for de fire sammenligningspunktene.