2. Uluslararası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempozyumu (ISERSE 13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye

Transkript

1 2. Uluslararası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempozyumu (ISERSE 13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye TÜRKİYE DE KULLANILAN TREN KONTROL SİSTEMLERİNİN BİRLEŞTİRİLMESİ İLE OLUŞTURULMASI ÖNERİLEN TÜRKİYE TREN KONTROL SİSTEMİ (TTCS) KAVRAMI İÇERİSİNDE BİR ALT- SİSTEM OLARAK: YENİLİKÇİ BARİYERLİ HEMZEMİN GEÇİT TASARIMI Arda B. KUŞ a* ve Celal KORAŞLI a a* Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Gaziantep Üniversitesi, Türkiye akus@ilbank.gov.tr a Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü Gaziantep Üniversitesi, Türkiye korasli@gantep.edu.tr Özet Bu çalışmada Türkiye de kullanılmakta olan tren kontrol sistemlerine yenilikçi bir alt-sistem olarak; bir hemzemin geçit tasarımı önerilmektedir. Önerilen bu alt-sistemde, yatay hareket eden ve hareketi için güneş enerjisinden faydalanabilen bariyerler ve bariyerlerin verimli ve güvenli bir şekilde çalışmasını sağlayan iletişim hiyerarşisi tasarımın temel basamaklarını oluşturmaktadır. Bariyerlerin bir merkez tarafından kontrol edilmesi ve ilgili hareketli demiryolu araçlarına olası kazaların önlenmesi amacıyla aktartılabilmesi sistemin yenilikçi özelliklerindendir. Bu özellikleri ile kullanılmakta olan bariyerlere oranla daha verimli ve daha güvenli bir alt-sistem oluşturulması amaçlanmıştır. Bu sistemin şehir içi hafif raylı sistemlerde, tramvay hatlarında ve şehirlerarası hatlarda yaygın kullanabilirliliği, sistemin kendi karakteristiğinden kaynaklanan avantajları ve bakım onarım giderlerinin yerli sermayeye dönüştürebilirliği sayesinde, belediyeler ve raylı sistem işletmelerine ve ülke ekonomisine katkı sağlanmış olacaktır. Anahtar kelimeler: En fazla 5 kelime 1. Giriş Bariyerler, üzerinde mekanik ve yerçekimsel kuvvetlerin karşılıklı olarak etkileşiminin olduğu elektromekanik ekipmanlardır. Herhangi bir enerji kesintisinde, yedek bir kaynak olmaması veya sistem içerisindeki tüm kaynakların çalışmaması durumunda, bariyerlerin yerçekimi kuvveti yardımıyla kapalı pozisyona gelmesi ETCS (European Train Control System) de olduğu gibi, TTCS için de sistemin sorumluluğu altındadır. TTCS in bir parçası olarak öngörülen, yatay hareketli bariyer sistemi; temel olarak kırmızı ışık ve çan ile ilişkili olarak hareket eden çubuktan oluşmaktadır. Motor sürücüleri, sistemin güvenilirliğini kontrol altında tutan, güç kaynaklarının kullanılabilirliğini ve hangi kaynağın kullanılacağına karar veren elektronik devreler ve süreç yönetimleri için gerekli olan yazılımlar sistemin tamamlayıcı unsurlarıdır.. 2. Yatay Hareketli Bariyerlerin Yenilikçi Özellikleri Yatay Hareketli Bariyerlerin tasarımı evresinde, ETCS (European Train Control System), den farklı olarak tasarımın yenilikleri aşağıda özetlenmiştir. Tren hız algılaması ve diğer tüm güvenlik önlemleri ERTMS altyapısına uygun olacaktır. Yatay hareket ile sürücüler ve yayalar için görünebilirliği daha yüksek güvenli bariyerler. Yatay hareket ile daha az enerji tüketimi ve güneş enerjisiyle çalışan çevreci ve doğaya dost sistemlerden elde edilmesi. Herhangi bir tür bariyer arızasını bölgedeki diğer trenlere bildiren ve bu sayede diğer trenleri ve yayaları korumayı amaçlayan güvenli haberleşme mimarisini içermesi. Güneş enerjisi tabanlı ve şebeke enerjisi yedekliliği ile elektrik kesintilerinden minimum düzeyde etkilenmesi.

2 3. Sistem İçin Kullanılacak Güç Kaynakları ve Kaynakların Hiyerarşik Kontrolü Sistemin enerji kesintilerine karşı, güvenilirliğini artırmak amacıyla entegre güneş pilleri ve akümülatör grupları birincil güç kaynağı olarak görev yapacak, birincil kaynağın yetersiz kalması veya arızalanması halinde ikincil kaynak olarak şebeke enerjisi kullanılacaktır. Sistemin aktivasyonu için güneş enerjisi ve mevcut şebekenin birlikte kullanılması ile enerji kesintilerinden en az seviyede etkilenmesi amaçlanmıştır. Tasarlanan elektronik donanım ile güneş enerjisi veya şebeke enerjisi kullanımı yönlendirilecek ve bariyer hareketini gerçekleştirebilecek seviyede depolanan enerjinin kullanımı sağlanacaktır. Yeterli seviyede depolanmanın gerçekleşmemesi durumunda şebeke enerjisi kullanılacaktır. Kullanılabilecek tüm güç kaynaklarında arıza meydana gelmesi durumunda bariyerler trenlerin güvenli geçişini sağlayacak şekilde yerçekimsel etki altında herhangi bir gecikme olmadan en kısa sürede kapalı hale gelebilecektir (Şekil 1). Şekil 1. Güç Kaynakları Hiyerarşisi Diyagramı 4. Yatay Hareketli Bariyerlerin Temel Çalışma Prensibi Verimli ve güvenli bir sistem olarak tasarlanan yatay hareketli bariyerler ve sistemin iletişim hiyerarşisi klasik bariyer yaklaşımlarının dezavantajlarını gidermeyi amaçlamıştır. Sistemin çalışmasına ait temel çalışma basamaklarını içeren akış şeması Şekil 2 de ve hareket evreleri ise Şekil 3 de çizimlerle gösterilmiştir. Şekil 2 de verilen akış şeması ile sistemin önceden tanımlanmış hız aralıklarında daha verimli çalışması için oluşturulan yazılım özetlenmiştir. Bu yazılım ile 120 km/s hızla hareket eden trene kıyasla, km/s hız aralığındaki hızlarda gelen trenler içinse tetiklemeyi geciktirecek, bu sayede daha uzun süre yaya ve lastik tekerli araç geçişine izin verecektir

3 1. Evre: Tetikleme Bu evrede trenin B giriş fazı olarak adlandırılan bölgede olması durumunda; hemzemin geçit sinyallerinin, demiryolunu kesen yaya veya lastik tekerli araçlara kapatılması için sesli ve görsel diğer sinyallerle birlikte kırmızıya dönecektir. Demiryolunun yapısı, ray devrelerinin uzunlukları ve trenin muhtemel hızına ve bariyerlerin muhtemel kapanma süresi gibi farklı değişkenlere bağlı olarak, her hemzemin için bağımsız bir şekilde yapılacak hesaplamalardan sonra, önceden sistem tarafından tanımlanan bir bekleme süresi kadar beklenecek ve yatay hareketli bariyerler hareketlerine başlayacaklardır. 2. Evre: Güvenlik Kontrol Evresi Güvenlik kontrol evresi olarak adlandırılan bu evre; tren geçiş güvenliği için büyük önem teşkil eden A giriş fazına, trenin girişinden önce bariyerin sağlıklı bir biçimde kapanıp kapanmadığı trenin kısıtlamalı geçiş ile yada normal seyrinde edeceğine karar verilen aşamadır. Bu aşamada, Tablo 1 de gösterilen giriş sinyallerinden güvenlik ile ilgili olanlar, Tekli Bariyer Kontrol Devresi tarafından algılanacak ve Bariyerler Ana Kontrol Devresine Hatasız Çalışma Sinyali gönderilecektir. Hatasız Çalışma Sinyali bildirimi herhangi bir sebepten dolayı gerçekleşmezse, araç üstü ekipmanlar yardımı ile tren, hız kısıtlamalı hemzemin geçişine zorlanacaktır. Eğer sistem Hatasız Çalışma Sinyalini algılarsa tren daha önceden belirlenmiş güvenli hız aralıklarında geçişine devam edebilecektir. 3. Evre: Tren Güvenli Geçiş Evresi Bu adımda trenin güvenli geçişi sağlanacak ve trenin A giriş fazından A çıkış fazına geçtiği sistem tarafından algılanacaktır. 4. Evre: Yaya ve Lastik Araçlar Geçiş Evresi Son aşama olarak değerlendiren bu evrede, bariyerler hareketlerini ters yönde gerçekleştirerek yaya ve lastik araç trafiğini açacak şekilde hareket edecek ve hemen ardından sinyaller yeşile dönecektir. Yaya ve lastik aracına açılan trafik sistem yeni bir tetikle alana kadar bu haliyle kalacaktır. Şekil.2. Yatay hareketli bariyerlerin 120km/s ve 100km/s hızlara tanımlanmış çalışma prensibi

4 1. Evre 2. Evre 3. Evre 4. Evre Şekil 3. Yatay hareketli bariyerlerin çalışma evreleri 4.1. Hemzemin Geçit İçin Tekli Bariyer Kontrol Devresi Tasarımı Elektronik devre tasarımının temelleri için gerekli adımlar aşağıda açıklanmıştır. 1) DM bilgisi Bariyerler Ana Kontrol Merkezinden alınacak ve ilgili bariyer kartına transfer edilecektir. 2) Giriş sinyali ile sistem tetiklenecektir.

5 3) Kırık bariyer bilgisi kontrol edilecektir. -Eğer bariyer kırıksa veya Hatasız Çalışma bilgisi alınırsa (WP), sistem kısıtlamalı geçişe izin verecektir. -Eğer bariyer kırık değilse ve Hatasız Çalışma (WP) sinyali aktifse; süreç figür 3 de gösterilen 4 evrede ile sonlandırılacaktır. Tasarım için ana girdi verileri Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Hemzemin Geçit için Tasarlanan Bariyer Kontrol Devresi giriş verileri Sinyalin Adı Genel Kodu Bilgi Uzunluğu Sinyal Tipi Faz A Giriş A_EN 1 bit Dijital Faz A Çıkış A_EX 1 bit Dijital Faz B Giriş B_EN 1 bit Dijital Faz B Çıkış B_EX 1 bit Dijital Giriş Sinyali EN 2 bit Dijital Çıkış Sinyali EX 2 bit Dijital İşgal Sinyali OS 1 bit Dijital Bariyer Sürücüsü BD 1 bit Dijital Kırık Bariyer Sinyali BBD 1 bit Dijital Bariyer Pozisyon Bilgisi BP 2 bit Dijital Mevcut Şehir Sinyalizasyon Sistemi EDSSI 2 bit Dijital Entegrasyon Sinyali Kırmızı Işık Ve Çan Kontrol Sinyali BTS 1 bit Dijital Yedekler bit Dijital 4.2. Bariyerler Ana Kontrol Devresi Tasarımı Herhangi bir hat boyunca birbirinden bağımsız kontrol edebilen Tekli Bariyer Kontrol Devreleri, bu yeni üst devre ile tümleşik hale getirilmiştir. Arıza durumunda bölgeden geçmesi muhtemel demiryolu araçları ile haberleşme ana kontrol devresi üzerinden sağlanır. Bariyerler Ana Kontrol Devresi giriş sinyalleri ve bu sinyallere göre tepki veren sistemin basamakları aşağıda belirtilmiş ve ilgili akış şeması Şekil 4 de gösterilmiştir. 1) Tren Pozisyonu ve Tren kimlik numarası sistem tarafından algılanır. 2) Tren Hareket Yönleri (Ray devreleri yardımıyla) sistem tarafından algılanır. 3) Önceden belirlenmiş Bölgesel Hız tanımları ve tekli bariyer tetikleme sürelerine göre sistem çalışır. - Hız ve Pozisyon bilgileri eşleşmiyorsa trenler kontrollü geçişe zorlanacaktır. - Eğer Tren ve Pozisyon Bilgileri eşleşiyorsa, süreç tek bariyer kontrol devresince yürütülecektir.

6 Şekil 4. Bariyerin ana kontrol akış şeması. Bariyer Ana Kontrol Devresinin giriş ve çıkış bilgileri Çizelge 2 ve 3 de özetlenmiştir. Şekil 4 te gösterilen Tren Hızı-Tren Kimliği bilgileri GSM-R yardımıyla, Bariyer Ana Kontrol Devresinde bulunan veri tabanına göre eşleştirilir ve doğru olarak yorumlanırsa, ayrıca Tekli Kontrol Devresince Hatasız Çalışma Sinyali merkeze sorunsuz bir biçimde transfer edilmişse, trenin hemzemin geçitten geçişinin tekli kontrol devresince güvenli aralıklarda yürütülmesi sağlanır. Sistemle ilgili bir arıza tespiti gerçekleştiğinde ise, merkez tarafından bilinen bu arıza, arızalı bariyerden geçme ihtimali olan tüm trenlere iletilir. Bu sayede trenlerin arızalı bariyerin olduğu hemzemin geçitlerden, kısıtlamalı hızlarda ve güvenli bir şekilde geçmesi sağlanır. Ayrıca Merkezde oluşacak herhangi bir arıza durumunda, fiziksel olarak bağlı bulunduğu tekli bariyer devresi rutin operasyonuna yalnız başına devam edebilecektir. Çizelge 2. Bariyerler Ana Kontrol Devresi Giriş Verileri Sinyalin Adı Genel Kodu Bilgi Uzunluğu Sinyal Tipi Trenin Pozisyonu PT 8 Dijital Trenin Yönü DT 2 Dijital Trenin Hızı ST 1 Dijital Tren Kimliği TID 5 Dijital

7 Çizelge 3. Bariyerler Ana Kontrol Devresi Çıkışları Sinyalin Adı Genel Kodu Bilgi Uzunluğu Sinyal Tipi Hatasız Çalışma Sinyali WP 4 bit Dijital Sistem Hata Sinyali SF 2 bit Dijital Bariyerler Ana Kontrol Devresi Tablolarda gösterilen bilgileri içeren Giriş-Çıkış Sinyalleri ve bu bilgilere ait sistem karar ve yorumları GSM-R üzerinden ilgili tüm demiryolu araçlarına transfer edilecektir. 5. Sonuç Bu çalışma ile demiryollarında kullanılmakta olan hemzemin geçit sistemleri için ortak bir haberleşme hiyerarşisi içinde çalışabilecek prototip bir hemzemin geçit sistemi önerilmiştir. Prototip üzerinde yapılan testler sonucunda bu alt-sistemin güneş enerjisini kullanabilme yeteneği, arıza durumunda geçidi yerçekimsel etki altında lastik araç trafiğine kapatabilme ve yenilikçi haberleşme yetenekleri itibariyle başarılı sonuçlar verdiği gözlenmiştir. Bu sistemin yaygın kullanımı sonucunda ise; TTCS işletmelerinde önemli yararlar sağlayabileceği önerilebilir. Kaynaklar [1] B. Ning, T. Tang, K. Qiu, C. Gao & Q. Wang(2010). Advanced Train Control Systems. CTCS- Chinese Train Control Systems. Department of Control Engineering, School of Electronics and Information Engineering, Northern Jiaotong University, P. R. China