A Control And Automation Engineering Approach To Railway Interlocking System Design

Abstract

Demiryollarının ilk inşaat maliyetleri oldukça yüksek olmasına rağmen diğer ulaşım sistemleri ile karşılaştırıldığında, demiryolu sistemleri daha ekonomik, güvenli ve çevrecidir. Tüm bu özelliklerine rağmen, diğer Avrupa ülkeleri ile karşılaştırıldığında yakın zamana kadar Türkiye’de demiryollarına yapılan yatırım oldukça kısıtlı kalmıştır. Son yıllarda demiryolu sektörüne yapılan yatırımların gözle görülür bir şekilde artmasıyla gelişimi hız kazanan demiryolu ulaşım sistemlerinde dışarıya bağımlılığın azaltılması gündeme gelmiştir. Bu bağlamda gerek uyum ve güncelleme sıkıntıları gerekse yüksek maliyetler nedeni ile yerli sinyalizasyon sistemlerinin geliştirilmesi Türkiye Cumhuriyeti Devlet Demiryolları (TCDD) tarafından bir ihtiyaç olarak belirtilmiştir. Bunun bir sonucu olarak Türkiye’nin ilk yerli demiryolu sinyalizasyon projesi TCDD, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) ve İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) ortaklığında tamamlanarak TCDD’ye teslim edilmiştir. Demiryolu sistemlerinde ulaşım ve taşımanın güvenli olarak gerçekleştirilmesini sağlayan en önemli bileşen anklaşman (interlock) sistemidir. Anklaşman sisteminin geliştirilmesinde izlenilecek olan temel adımlar Avrupa Elektroteknik Standardizasyon Komitesi (European Committee for Electrotechnical Standardization - CENELEC) gibi uluslararası komiteler tarafınca hazırlanan güvenlik standartlarında tanımlanmıştır. Geliştirilen sinyalizasyon sisteminin istenilen Güvenlik Bütünlüğü Seviyesi (Safety Integrity Level - SIL) seviyesini sağlayabilmesi için bu güvenlik standartlarınca tavsiye edilen yöntem, teknik ve mimarilerin kullanılması yüksek önem arz etmektedir. Uluslararası güvenlik standartlarının gereksinimlerine ek olarak, sinyalizasyon sisteminin kurulacağı ülkeye ait ihtiyaçlar ve güvenlik kriterleri de göz önünde bulundurulmalıdır. Yazılım geliştirme süreci başlangıcında yazılımdan beklenen çıktılar veya başka bir deyişle yazılım isterleri oluşturulmalıdır. Sonrasında güvenlik standartlarında tavsiye edilen yöntem ve mimarilerin istenilen SIL seviyesinin sağlanabilmesi için uygun bir şekilde seçilmesi gerekmektedir. Seçilen yöntem ve mimariler yazılım isterlerini eksiksiz sağlayacak şekilde tasarımı gerçekleştirecek olan grup tarafından yazılım geliştirme sürecinde kullanılmalıdır. Yazılım geliştirme sürecinde tasarımı gerçekleştirilen yazılım blok ve alt blokları (veya modülleri) yazılım test grubu tarafından oluşturulan test prosedürüne göre test edilerek doğrulanmalıdır. Test prosedüründe uygulanan adımlar yazılım isterlerini doğrulayacak şekilde oluşturmalıdır. Yazılım geliştirme ve test süreçleri eksiksiz şekilde tamamlandıktan sonra doğrulanmış yazılım Fabrika Kabul Testi ve Saha Kabul Testleri ile de doğrulanmalıdır. Yazılım testlerinde herhangi bir hata ile karşılaşılması durumunda hatalar raporlanmakta ve gerekli düzeltmelerin yapılması amacıyla yazılım geliştirme gruplarına sunulmaktadır. Gerekli düzeltmeler gerçekleştirildikten sonra tüm testler en baştan tekrar gerçekleştirilmelidir. Bu tezde, sabit-blok (fixed-block) demiryolu sinyalizasyon sistemlerine ilişkin fonksiyonel güvenlik gereksinimleri tanımlanmış ve en az SIL 3 seviyesine sahip bir demiryolu anklaşman sistemi tasarımında kullanılan biçimsel modelleme yöntemleri, yazılım mimarileri detaylı olarak anlatılmıştır. Özellikle, güvenlik-kritik yazılım geliştirme sürecinde kullanılan çoklu programlama (Diverse Programming, N-version Programming) tekniğinin kullanımında ortaya çıkan eşzamanlama (synchronization) problemleri tanımlanmış ve bunlara yönelik çözüm yöntemleri önerilmiştir. Karşılaşılan eşzamanlama problemleri tip-1 ve tip-2 olarak iki farklı gruba ayrılmıştır. Bu iki farklı problem için iki farklı çözüm önerilmiş ve programlanabilir mantıksal kontrolörler üzerinde uygulanarak doğrulanmıştır. 1800’lü yılların ortalarından bugüne kadar kullanılmakta olan sabit-blok sinyalizasyon sistemleri, yolcu ve taşıma yoğunluğun artması, trenler arası yolculuk sürelerinin (headway time) gerekenden yüksek olması nedeniyle özellikle metro sistemlerinde yerini hareketli-blok (moving-block) sistemlere bırakmaktadır. Hareketli-blok sistemlerin en bilinen örneği olan Haberleşme Tabanlı Tren Kontrolü (Communication Based Train Control - CBTC) uygulamaları ile mevcut metro ve şehir içi demiryolu hatları daha etkin ve verimli bir şekilde kullanılabilmektedir. Buna ek olarak, farklı Avrupa ülkelerinde uygulanan tren kontrol, sinyalizasyon yöntemleri ile güvenlik kriterlerinin tek bir çatı altında toplanması, bu kriter ve uygulamaların şehir içi şehirlerarası demiryolu hatlarında da kullanılabilmesi amacıyla Avrupa Raylı Ulaşım Yönetim Sistemi (European Rail Traffic Management System - ERTMS) tanımlanmıştır. ERTMS, Avrupa Demiryolu Trafik Kontrolü (European Rail Traffic Control - ETCS) ve Demiryolu Mobil İletişim için Küresel Sistem (Global System for Mobile communications - Railway - GSM-R) uygulamalarının bir araya getirilmesi sonucunda oluşturulmuştur. ETCS uygulama seviyesi 1 ve 2, ek güvenlik kriterleri getirilmiş olan sabit-blok sistemlerdir. ETCS uygulama seviyesi 3 ise seviye 1 ve 2’den farklı olarak hareketli-blok sistemler olarak tanımlanmaktadır. ETCS uygulama seviye 3’ün en önemli bir diğer avantajı ise, sabit-blok sistemlerde kullanılan yol boyu sinyallerin ve ray devrelerinin kaldırılmış olmasıdır. Güvenli tren hareketi için gereken tüm bilgiler tren üzeri bilgisayar ve trafik kumanda merkezi arasında GSM-R vasıtası iletilmektedir. Sabit-blok demiryolu sinyalizasyon sistemlerinde gerçekleştirilen çözüm ve uygulamalara ek olarak, hareketli-blok sinyalizasyon sistemlerinin temel bileşenleri ve kavramları da tez kapsamında açıklanmıştır. Hareketli-blok sistemlerde trenlerin birbirini güvenli bir şekilde takip edebilmeleri için göz önünde bulundurulması gereken kriterler tanımlanmıştır. Avrupa Demiryolu Ajansı (European Railway Agency - ERA) ve Uluslararası Demiryolu Sendikası (International Union of Railways - UIC) gibi kurumların konu hakkında tavsiye ve önerilerine uygun olarak tren frenleme eğrilerinin hesaplanması ve güvenli tren takip mesafesi gibi kavramlar da açıklanmıştır. ERA ve UIC tarafından tanımlanmış güvenli tren takip mesafeleri ve tren frenleme mesafeleri göz önünde bulundurularak, ETCS uygulama seviye 3 kriterlerine göre aynı demiryolu hattı üzerinde aynı yönde ilerleyen trenlerin birbirlerini güvenli olarak takip etmesini sağlayan bir çevrimiçi uyarlamalı kontrolör tasarım yönteminin uygulaması önerilmiştir. Önerilen bu kontrolörün doğrulanması amacıyla benzetim çalışmaları yapılmış ve kontrolörün doğruluğu gösterilmiştir.

Despite the high initial costs of railway constructions, railway systems are more economic, safer and more environment friendly than other ways of transport. Notwithstanding all these positive features, the investments in Turkey had been rather limited in comparison with other European countries until recent years. A need for reducing the dependency to other countries has arisen in line with the development in railway transportation after a visible increase in the investments on railway sector in recent years. Owing to high costs and problems in adaptation, development of local signaling systems has been required by TCDD. As a result, the first signaling system has been developed by the partnership of TCDD, TUBITAK and ITU. The most important component of railway systems that enables a safe transportation is interlocking. The safety basis of developing an interlocking system is described by standards developed by international committees like CENELEC. In order to provide the required SIL, using these techniques, methods and architectures has a great importance. Besides the international safety standards, the needs and safety rules of the country where the signaling system to be applied have to be considered. In this thesis, functional safety requirements related to fixed-block railway signaling systems are described, and formal modeling methods and software architectures used for a minimum SIL 3 railway interlocking system has discussed in detail. In particular, some of the problems that arise in using the diverse programming technique, which is used in developing failsafe software, have been determined and solution methods to these problems have been proposed. . Besides fixed-block signaling systems, moving-block signaling systems are also explained within the thesis. The implementation levels of European Rail Traffic Management System (ERTMS) are explained, and application of an online adaptive controller design method that guarantees the trains to follow each other within safe distances is proposed.