2. Uluslar arası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempozyumu (ISERSE 13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye DEMĠRYOLU TRAFĠĞĠ YÖNETĠMĠ ĠÇĠN MERKEZĠ OLMAYAN KONTROL SĠSTEMĠ a* Mustafa Cengiz SAVAŞ, ve Tolgay KARA, a a* Gaziantep Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Gaziantep e-mail: cengizsavas@hotmail.com a* Gaziantep Üniversitesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Gaziantep e-mail: kara@gantep.edu.tr Özet Artan demiryolu trafiği ile değişik trafik kontrol sistemleri geliştirilmiştir. Tren trafiği yönetim metotlarının dünyada birçok farklı merkezi tren trafik kontrol yöntemi vardır. Bu çalışmada ülkemizde ve dünyadaki demiryolu trafiği kontrol yöntemlerinin gelişimi ve genel yapıları incelenmiş, merkezi ve merkezi olmayan kontrol sistemleri araştırılmış, merkezi tren trafiği kontrol yöntemlerine alternatif yeni bir merkezi olmayan tren trafiği yönetim sistemi üzerinde çalışılmıştır. Tren trafiği kontrolü birçok ülkede tek merkezden yapılmaktadır. Ülkemizde ise tren trafiği farklı bölgelerdeki bağımsız kontrol merkezlerinden yönetilmektedir. Bu ayrı kontrol merkezleri bir başkasının bölgesini izleyemez ve kontrol edemez durumdadır. Ülkemiz demiryollarının çoğunluk bölgesinde, günümüz teknolojik koşullarına göre çok geride kalmış, değişik merkezi tren trafik kontrol sistemleri bulunmaktadır. Bu çalışma ile pratik ve düşük maliyetle uygulanabilecek, diğer tüm merkezi sistemlerden farklı olan yeni bir merkezi olmayan trafik yönetim sistemi geliştirilmiştir. Anahtar kelimeler: Tren Kontrolü, Demiryolu Trafiği Yönetimi, Merkezi Olmayan Kontrol, Dağıtılmış Kontrol, Merkezi Olmayan Trafik Yönetim Sistemi (DTMS). 1. Giriş Ülkemizde ve dünyada kullanılan ve geliştirilen tren trafiği kontrol yöntemleri incelendiğinde bunların neredeyse tamamının merkezi kontrol yöntemleri olduğu görülmektedir. Değişik sistemlere uygulanan merkezi olmayan kontrol yöntemi dünyada yeni bir trend olarak uygulanmaya başlamıştır. Uygulamadaki kolaylık, maliyetin düşük olması ve diğer sistemlere kolay adapte edilmesi bu sistemin avantajları arasındadır. Günümüz teknolojilerine göre çok geride kalan ve ülkemiz demiryollarının çoğunluğunu oluşturan kısımların acilen modernize edilmesi gerekmektedir. Demiryolu trafiği yönetimi için Merkezi olmayan kontrol sistemi (DTMS - Decentralized Traffic Management System); düşük maliyetli, pratik, geliştirilebilir, kullanılan diğer sistemlere kolaylıkla uyum sağlayabilir bir sistem olarak geliştirilmiştir [1]. Farklı ülke ve bölgelerde kullanılan tren trafiği kontrol yöntemleri ve tren kontrol sistemlerinin belli bir standarda kavuşturulması zorunlu hale gelmiştir. ERTM/ETCS (Avrupa Demiryolu Trafik Yönetim Sistemi/ Avrupa Tren Kontrol Sistemi) birçok ülkenin ve ülkemizin kabul ettiği bir standarttır. Ülkemizde yeni yapılan tüm demiryolları bu standartlara göre yapılmaktadır. Ancak, yaklaşık 12 000 kilometre olan ülkemiz demiryollarının yaklaşık 8000 kilometrelik kısmı herhangi bir elektrikli sinyal sistemine sahip olmayıp, TMİ (Trenlerin Merkezden İdaresi) sistemi ile idare edilmektedir. Yaklaşık 500 kilometrelik kısımda, GSM haberleşmesinin kullanılması ile TMİ sisteminin bir değişik versiyonu olan TMİ-GSM sistemi kullanılmaktadır [2, 3]. Sinyalsiz kısımların modernizasyonu için TCDD, TÜBİTAK-BİLGEM ve İTÜ işbirliği ile UDSP (Ulusal Demiryolu Sinyalizasyon Projesi) üzerinde çalışılmaktadır. Elektrikli sinyal kullanılan kısımlarda sadece merkezi trafik kontrol (CTC - Centralized Traffic Control) sistemleri mevcuttur. Farklı bölgelere ayrılan ve birçok merkezden idare edilen trafiğin ülke genelinde bütün olarak izlenmesi ve kontrolü yapılamamaktadır. DTMS sadece sinyalsiz kesimlerde değil tüm demiryollarında destekleyici bir sistem olarak da kullanılabilir [4].
2. Demiryolu Trafiği Yönetimi Demiryolu trafiği yönetimi için kullanılan sistemler merkezi kontrol sistemleri olup, kontrolörler (dispeçer) tarafında idare edilmektedir. Ülkemizde bulunan ERTMS/ETCS, CTC (TSİ), TMİ ve TMİ- GSM sistemleri yaklaşık 200 kilometrelik kısımları olan merkezi trafik kontrol yöntemleridir. Yapılan tren trafiği kontrolünde, kazaların önlenmesi için insan faktörünü en aza indirebilmek için bazı tren kontrol yöntemleri geliştirilmiştir. ATC (Automatic Train Control), ATP (Automatic Train Protection), ATS (Automatic Train Stop), TDS (Tren Denetleme Sistemi) gibi tren kontrol sistemleri komut ve sinyal ihlali durumlarında istenmeyen olayları engellemek için geliştirilmiştir. Bu emniyet sistemlerinin ülkemizce de kabul edilmiş olan ortak standardı ETCS olmasına rağmen tüm hatlarımızda bu standarda bir anda geçiş mümkün değildir. Her birine ait araç üstü ekipmanı ve yol boyu ekipmanı farklıdır. Bu yüzden bir trenin farklı tren kontrol sistemi olan bölgeler arasında güvenli bir şekilde geçişi imkânsızdır [5, 6]. Haberleşmenin önemi kullanılan sistemlerde tartışılmazdır. Gelişen teknoloji ile iletişimde kullanılan en son sistem demiryolları için geliştirilen GSM ve GSM-R sistemleridir. Ülkemizdeki merkezi tren trafiğinin kontrol edilmesinde, elektrikli sinyal sistemlerinin kullanıldığı en modern sistem ERTMS ve mekanik sinyallerin kullanıldığı en modern sistem TMİ-GSM sistemleridir. 2.1. ERTMS Şekil 1. ETCS Seviye 3 En gelişmiş tren trafiği yönetim metotlarından olan ERTMS sistemi, GSM-R ve ETCS 'in birleşimi olarak düşünülebilir. Farklı seviyeleri (Seviye 0, 1, 2, 3) olan sitemin ülkemizde uygulamaları yüksek hızlı tren hatlarında mevcuttur. Merkez komutlarının iletilmesinde demiryolu için geliştirilen GSM-R haberleşmesi kullanılmaktadır (Şekil-1). Yaklaşık 20 kilometrede bir yerleştirilen 900 MHz sistemindeki baz istasyonları bulunmaktadır. Balise denilen yol boyu elemanları ile trene gerekli seyir bilgileri iletilir. Değiştirilebilir ve sabit olmak üzere iki türü bulunan bu elemanlar, tren tarafından yüksek frekans ile enerjilendirilmek suretiyle trene kablosuz bilgi vermesi sağlanır. Makinist kabin içerisinde bulunan ekran vasıtası ile seyir bilgilerine ulaşır. Balise' den alınan yol bilgileri ve merkezi kontrol biriminden gelen komutlar ile tren trafiği idare edilir. Seyir emniyetini tehdit eden durumlar ETCS tarafından kontrol edilir ve gerektiğinde otomatik olarak müdahale edilir [7]. Konvansiyonel hatlarda kullanılan ERTMS/ETCS Seviye-0 CTC(TSİ) olarak kabul edilebilir. Bu sistemde yol kenarında bulunan sinyal direkleri Seviye 3 de olmayıp sinyal bilgileri kabin içerisinde bir ekranda gösterilmektedir. ERTMS/ETCS seviyeleri aşağıya doğru uyumludur, yani Seviye 2 ile donatılmış bir tren Seviye 1 ile tesis edilmiş bir hatta güvenli bir şekilde seyahat edebilir fakat Seviye 1 ile donatılmış bir trenin Seviye 2 ile tesis edilmiş bir hatta güvenli bir şekilde ilerlemesi beklenemez. Bir bölgede tesis edilmiş tren kontrol sisteminde, üzerinde başka bir sistem bulunan trenin seyri emniyetli değildir [8].
2.2. TMĠ-GSM Elektrikli sinyal sisteminin bulunmadığı çoğunluk kesimlerde TMİ sistemi kullanılmaktadır [9]. Belirli bir demiryolu kesimine ait bir merkezden yapılan tren trafiği kontrolü, telefon haberleşmesi ile dispeçer ve hareket memuru vasıtasıyla yapılır. TMİ sisteminde, yol boyunda tren şefinin dispeçer ile görüşmesi telefon prizleri ile sağlanır (Şekil 2). Hareket halindeki trenin istasyonlar ve kontrol merkezi ile iletişimi yoktur. Dispeçer istasyonlardaki hareket memuru vasıtası ile seyir bilgilerini trene iletir. İstasyonlar arasındaki yolun boş olduğu hareket memurunun vereceği sözlü teminat ile sağlanır. İstasyonlar arasında bulunan trenin tam yeri belli değildir. Yapılan konuşmalar dispeçer merkezinde kayıt altına alınmaktadır. Tren hareketleri orer denilen bir grafik üzerine işlenerek kontrol edilir. Önceden belirlenen tarifeler dışındaki trenlerin yönetilmesinde dispeçer karar verir. Şekil 2. TMİ Sisteminde Haberleşme Gelişen telekomünikasyon sistemleri ile ülkemiz demiryollarının az bir kısmında, TMİ sisteminde kullanılan tek devreli telefon hattı yerine GSM kullanılarak TMİ-GSM sistemine geçilmiştir. Uygulamanın yapıldığı demiryolu hat kesiminde tam kapsama alanı olan bir GSM şirketinden temin edilen hatlar ile haberleşme sağlanmaktadır. İstasyonların ve dispeçerin bağlantısı FCT 'ler ile seyir halindeki trenlerin dispeçer ile irtibatı cep telefonları ile sağlanmaktadır (Şekil 3). TMİ sisteminde havai hat üzerinden yapılan telefon görüşmelerinin kalitesi GSM kullanılarak artırılmış, hareket halindeki trenlere ulaşılması sağlanmış, bakım maliyeti minimize edilmiş, arızi durumlarında devre dışı kalan istasyon/istasyonların önüne geçilmiştir. İstasyonlar arasındaki irtibatın olmadığı karanlık bölgelerin önüne geçilmiştir. Şekil 3. TMI-GSM Sistemi TMİ-GSM sisteminde tren trafiği kontrolü TMİ sisteminde olduğu gibi merkezi kontroldür. Personel yetersizliğinden kapalı durumdaki istasyonlarda tren buluşmaları ve geçiş bildirileri yapılabilmektedir.
3. DTMS - Merkezi Olmayan Trafik Yönetim Sistemi Merkezi olmayan trafik kontrolü ile dağıtılmış trafik kontrol sistemi her ne kadar birbirine çok benzese de ciddi farklılıklar bulunmaktadır [10]. Merkezi olmayan kontrol sisteminde kontrolöre gelen geri besleme bilgileri dağıtılmış kontrol yönteminde olduğu gibi diğerlerinden gelmemektedir (Şekil 4). Merkezi kontrole göre birçok avantaja sahiptir [11]. Kontrol sistemi ilgi alanına girmeyen gereksiz bilgiler ile meşgul edilmemektedir. Verilerin daha hızlı değerlendirilmesi, kullanılan işlemcilerin daha ucuz olması, bilgi paylaşımının olması, esnek bir yapıya sahip olması ve yenilenebilir olması avantajları arasında sayılabilir. Dezavantajları arasında yazılımın bozulması, ağ yapısının dış tehditlere açık olması sayılsa da, günümüzde finansal işlemlerin bile bu yolla yapılması artık bunların ne kadar göz ardı edilebileceğini göstermektedir. Şekil 4. Merkezi Olmayan Kontrol ve Dağıtılmış Kontrol Sisteminin Yapısı Merkezi olmayan trafik yönetim sistemi ile tren trafiğinin yönetilmesinde, bahsedilen mevcut sistemler göz önünde bulundurulmuştur. Uygulama bölgesinde kullanılan GSM şirketi uzun süredir kesintisiz hizmet sağlamaktadır. Aynı şekilde uygulama bölgesinde internet erişimi mevcuttur. 3.1. Sistemin Elemanları Sistemin elemanlarının tamamı birbirine uyum sağlayabilen ve kolaylıkla temin edilebilir seçilmiştir. Her yerde bulunabilecek internet erişimi olan tablet, bir dizüstü bilgisayar veya kolaylıkla geliştirilebilecek araç üstüne monte edilmiş bir bilgisayar (ERTMS/ETCS de EVC European Vital Computer) hatta akıllı bir cep telefonu sistemin ana parçasıdır. Kullanılan yazılım internete bağlı bilgisayarlar tarafından kolaylıkla indirilebilir büyüklüktedir. Trenlerin konum bilgisinin alınması için, program ve GSM/GPRS bilgileri ile güçlendirilen, USB den bilgisayara bağlanan bir GPS cihazı diğer elemandır. Konum bilgisinin kesinliği önem taşımaktadır. Yeni geliştirilen sistemler ile (yönlendirme cihazlarında, askeri sistemlerde, sürücüsüz araçlarda kullanılan yer bulma sistemlerinde) hata payı çok azalmıştır. Çift hatlarda ve istasyon yollarında demiryolunun yakın olmasına bağlı olarak konum bilgisinde hata yapılacağı düşünülebilir. Ancak yazılımsal olarak hangi yollara sapıldığı bilindiğinden, ilave konum bilgilendiricileri kullanılabileceğinden (internet/intranet bağlantılı hat boyu ekipmanları) böyle bir hataya mahal verilmeyecektir [10]. Uygulama bölgesinde kontrol edilebilir hat boyu elemanlarının bulunmayışı nedeni ile bunlar programa dâhil edilmemiştir. Kontrol edilebilir yol boyu ekipmanlarının bulunduğu kısımlarda bunların (bir modem ile internet erişiminin sağlanarak) sisteme bağlanması mümkündür. Programa basit ilaveler ile DTMS bunları kontrol edebilir. 3.2. Sistemin Uygulaması İnternete bağlı bir bilgisayarda çalıştırılan aynı program da bir giriş ekranı açılır. Süpervizör olarak ya da tren olarak kullanıcı adı ve şifresi girilir (Şekil 5). Süpervizör olarak giriş yapıldığında izleme, tren olarak giriş yapıldığında kontrol ekranı açılır. Çizginin altında bulunan butonlar girişi kolaylaştırmak amaçlı geçici yerleştirilmiştir.
Şekil 5. DTMS Giriş ekranı Açılacak yeni pencerede sürücü tren bilgilerini ve izleyeceği yol bilgilerini sisteme girer. DTMS tanımlanan bu bilgilere göre tüm kontrollerini yaparak sürücüye görsel olarak tüm komutları aktarır (Şekil 6). İstenirse bu komutlar programa yapılacak ilave ile sesli hale de getirilebilir. C A 35 Şekil 6. DTMS Ekran Görüntüsü Tren ekranında güzergahında bulunan tüm trenleri görmektedir. Bu ekran üzerinde hareketli sinyal uygulaması yapılabileceğinden tren mevcut görülen sinyal dışında ileride göreceği sinyal durumlarını ekranda takip edebilecektir. DTMS yolcu trenleri vb. için planlanan güzergâh ve zaman bilgilerini göz önünde bulundurmaktadır. Yol durumu uygun olsa da zamanı gelmeden sinyali açmayacaktır. Programa yapılacak basit ilaveler ile yol boyu ekipmanlarının (bariyer, makas motoru vb.) kontrolü yapılabilir. Bunun için gerek ve yeter şart ekipmanların direk ya da istasyonlar üzerinden internet erişimin sağlanmasıdır. Aynı şekilde araç üstü tren emniyet sistemleri (ATS, ATP, ATP vb.) kablosuz olarak DTMS üzerine bağlanarak kontrol edilebilir.
4. Sonuçlar DTMS de en kritik, kaza (karambol) ihtimali olan senaryolar uygulanmıştır. Hepsinde istasyonlar arası yolda yada aynı istasyon yolunda buluşma (karambol) olmamıştır. Tüm trenler belirlenen hedef istasyonlara ulaşmıştır. Süpervizör/süpervizörler durumu gözlemlemişlerdir. Trene ilave birçok bildirimde bulunulmuştur. Yapılan bu çalışma ile, çok düşük bir maliyetli, pratik, hızlı, personel tasarrufu ve insan hatalarını en aza indiren, en azından takviye bir emniyet sistemi olarak uygulanacak yeni bir sistem tasarlanmıştır. Dünyada yeni trend olan merkezi olmayan kontrolün demiryolu trafiğine uygulaması yapılmıştır. Geliştirilen sistemin en modern sistem olan ERTM/ETCS 'den belirgin iki farkı bulunmaktadır. Birincisi, merkezi kontrol sistemi yerine merkezi olmayan bir kontrol sistemi tasarlanmıştır. Bu ise farklı kullanıcıların, şirketlerin, trenlerin kolaylıkla sisteme girişini mümkün kılmaktadır. Tüm sistemi kontrol eden güçlü işlemci yerine basit işlemcilerden oluşması maliyeti düşürmektedir. Diğer fark ise internet iletişiminin kullanılmasıdır. Yeni geliştirilen bulut teknolojilerinin kullanılmaya başladığı günümüzde bu teknolojiye bir an önce geçilmelidir. Finansal ve askeri uygulamaları olan internet iletişiminde farklı şifreleme teknikleri kullanılabilir. 5. Tartışma DTMS 'in kurulum ve işletme maliyeti çok düşüktür. ERTMS/ETCS 'in çok yüksek maliyetleri olması ve dışa bağımlı hale getirmesi ile UDSP üzerinde çalışılmalar başlamıştır. UDSP' in bir istasyon için maliyeti (merkez ve istasyon arası yol boyu teçhizatları hariç) yaklaşık olarak 861 000 TL 'dır. Sadece kablo maliyeti 270 000 TL 'dır. DTMS 'in 28 istasyonlu bir bölge için yaklaşık maliyeti 255 000 TL 'dır. Bir o kadar yedek ünitenin bulundurulması ile abartılan 510 000 TL 'lık maliyet bile bu yeni sistemin ne kadar ucuz olduğunu göstermektedir. Elektrikli ray devrelerinin vazgeçilmez olmasının nedeni olarak gösterilen ray kırıklarının tespitinin başka metotlar ile yapılması mümkündür. Isı değişimlerinde rayların izolasyon noktalarında birleşmesi, ray devrelerinin çalınması vb. nedenlerden çok sık aralıklarda bakım ve onarım ekiplerinin sürekli hazır bulundurulma zorunluluğu ortadan kalkmaktadır. Tren seyir bilgilerinin sistemde toplanması ile genel takip yapılabilecektir. Başka ülkelerde, demiryolu ve havayollarında olduğu gibi halka açık bilgilerin internet üzerinden verilmesi mümkün olacaktır. Sisteme dahil olan tüm DTMS kullanıcıları arasında mesajlaşma, sesli ve görüntülü görüşme yapılabilecektir. Günümüzde bunun için yeni uygulamalar mevcuttur. Bakım elemanları için ayrı kanalların kullanılması, trafik dışı iletişimlerin kolaylıkla yapılması sağlanabilir. Sistemin doğal afetler, terör saldırıları karşısında etkilenmesi en az olacaktır. Yol boyunca sinyal, kablo ve kanalı vb. bulunmadığından (ERTMS/ETCS seviye 3 de olduğu gibi) bakım ve onarım maliyeti olmayacaktır. Kötü hava şartlarına bağlı sinyal görülmeme durumu ortadan kalkacaktır. 6. Teşekkür Demiryolu trafiğinin merkezi olmayan kontrol sistemi ile yönetilmesi konusunda katkılarını esirgemeyen herkese, fikir ve desteklerini esirgemeyen değerli hocalarıma, kıymetli demiryolu çalışanlarına ve meslektaşlarıma teşekkür ederim.
Kaynaklar [1] M. C. Savaş. T. Kara. (2013). A Decentralized Control System for Railway Traffic Management. Gaziantep Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği. [2] What is the ERTMS/ETCS system. (2008). http://www.demiryolcuyuz.biz /forum/ertmsetcs-nedirt753.0.html, 11.11.2012. [3] TC Mili Eğitim Bakanlığı. (2011). Raylı Sistemler Teknolojisi: TMİ sistemi. Ankara. [4] Ulusal Demiryolu Sinyalizasyon Projesi (UDSP). (2012). www.tcdd.gov.tr /demiryolu/temmuzagustos2012. 28, 6-8. [5] Y. Çetin. (2008). Demiryollarında ATC ve ATO Sistemler. İnönü Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği. [6] C. Aral. (2009). TDS 3000 (Tren denetim sistemi). Savunma Sanayii Gündemi. 65-67. [7] Railway Technical Web Pages. (2012). Railways Systems, Technologies and Operations Across the World. http://www.railway-technical.com, 15.10.2012. [8] AnsaldoSTS Academy. (2013). Training Course for Employer s Engineers Staff. Yenice/Mersin. [9] TC Milli Eğitim Bakanlığı. (2011). Raylı Sistemler Teknolojisi: TMİ ve TSİ (CTC) Sistemindeki Düzensizlikler. Ankara. [10] T. Kara, M. C. Savaş. (2012). A Distributed Control System For Railway Traffic Management. International Federation of Automatic Control (IFAC), Turkish National Meeting on Automatic Control, TOK '12, Niğde University. 349-354. [11] L. Bakule. Decentralized Control: An Overview. (2008). Annual Reviews in Control. 32, 87-98.