Mobilitat Medi ambient Logística

Ferrocarril: la digitalització d’un transport estratègic

El ferrocarril és el transport terrestre més eficient. Per això la UE està dedicant molts recursos a augmentar la quota modal del transport de mercaderies amb tren. Però és urgent digitalitzar-ho i automatitzar-ho per a incrementar la seva seguretat i fiabilitat.

Publicat el 07.12.2022

Albert González

Albert González és cap de gestió de serveis TIC del Port de Barcelona.

Malgrat la solidesa del ferrocarril europeu, el sector es basa en part en sistemes antiquats que cada vegada són més difícils de mantenir. (Getty Images)

El ferrocarril, el transport de l'Europa descarbonitzada

Per què és més eficient el transport ferroviari? Per una combinació de factors tècnics.

Primer, per la mínima resistència a causa de la rodadura, la deformació elàstica del contacte roda-carril comparativament és molt baixa, ja que tots dos elements són d'acer.
En segon lloc, per una òptima resistència aerodinàmica als trens llargs, el fregament depèn principalment de la secció transversal del vehicle, no de la longitud. Això genera un consum energètic mínim.
Si a això li sumem la gran capacitat de transport d'un tren, especialment quan aconseguim els estàndards europeus de 740 m de longitud, i potenciem l'electrificació de les línies fèrries, obtenim una manera de transport molt més sostenible i competitiu que la carretera per a mitjanes i llargues distàncies.

Així, segons dades de CER , el transport genera el 31% del consum energètic de transport a la Unió Europea. El ferrocarril, per part seva, és set vegades més eficient que el transport per carretera. A nivell d'emissions, el tren representa el 0.4% del conjunt del transport.

Objectiu 2030. En el seu Llibre blanc de 2011 la Comissió Europea va fixar per a aquest any l'objectiu de traslladar el 30% del transport de mercaderies per carretera en trajectes de més de 300 km al ferrocarril. O al transport fluvial.

Per a 2050, el percentatge haurà d'augmentar fins al 50%. A més de donar suport a aquests objectius de descarbonització, el canvi alleujarà la congestió de les carreteres, reduirà la pressió sobre les infraestructures viàries de les càrregues més pesades i disminuirien els riscos relacionats amb el transport de mercaderies perilloses.

Però el tren no avança prou. Malgrat l'embranzida política, la quota del transport de mercaderies per ferrocarril roman entorn del 20%. I fins i tot s'ha reduït en alguns països de la Unió Europea.

La urgent digitalització del ferrocarril

Sistemes antiquats i tecnologia obsoleta. L'informe ‘Digitizing Europe’s railways: A call to action’ (McKinsey en 2020) afirmava que, malgrat la solidesa del ferrocarril europeu, el sector es basa en part en sistemes antiquats que cada vegada són més difícils de mantenir. Alguns grans ferrocarrils europeus tenen diversos tipus d'enclavaments, en alguns casos amb més d'un segle d'antiguitat, i amb tecnologia molt obsoleta.

Què és un enclavament ferroviari? És el sistema que s'encarrega de controlar el funcionament de tots els dispositius situats en la via perquè es compleixin amb seguretat la dependència, ordres d'accionament i restriccions, de manera que permetin la circulació o estacionament de trens en estacions o en trajectes amb unes condicions de seguretat.

Interoperabilitat de les xarxes entre països. La legislació sobre el Sistema Europeu de Gestió del Trànsit Ferroviari (ERTMS), aprovada l'any 2000, ha propiciat algunes millores tecnològiques, però els avanços fins avui han estat lents. L’ERTMS és resultat d'un projecte europeu sorgit en 1990 amb l'objectiu de desenvolupar un sistema comú d'ATP (Protecció Automàtica del Tren) que facilitarà la interoperabilitat entre les diferents xarxes, superant les diferències dels diferents sistemes nacionals.

Pilars del ERTMS i nivells de desenvolupament

El sistema ERTMS es basa en tres pilars: l'equipament a bord del tren, les balises i el sistema de transmissió via radio GSM-R. El seu funcionament, alhora, es basa en dos components:

El Sistema Europeu de Control de Trens, ETCS. Un ordinador a bord compara la velocitat del tren transmesa amb la velocitat màxima permesa i si aquesta se supera, redueix la marxa.
El Sistema Global de Comunicacions Mòbils per a Ferrocarril, GSM-R. Via radi, permet l'intercanvi d'informació via radio entre el tren i la via i els centres de control.

L'arquitectura ERTMS té quatre nivells de desenvolupament. Cada nivell del ERTMS milloraria les funcionalitats de l'anterior, permetent menors intervals entre trens. És a dir, augmentant la capacitat de la infraestructura i reduint els equipaments de camp:

El nivell 0 equival als sistemes convencionals (NO ERTMS). Proporcionen informació discontínua mitjançant balises de velocitat màxima que es completen amb senyalització lateral. El conductor ha d'atendre els senyals laterals i les indicacions de velocitat que rep en la pantalla del seu pupitre de conducció, si falla, s'equivoca o no respecta les limitacions o els senyals, l'equip aplica el fre automàtic.
El nivell 1 d’ERTMS és un sistema continu de distància objectiu en el qual la informació que rep el tren de les balises es completa amb la que es rep via GSM –R. La localització del tren en la via es continua realitzant per circuits de vial. La senyalització lateral és prescindible i només s'utilitza en situacions degradades. El conductor rep la informació en els panells de la cabina i només actua en funció d'elles. En cas que es desviï de les condicions d'operació definides per a la circulació del tren, el sistema ajusta els paràmetres i frena el tren si és necessari.

El ERTMS nivell 1 permet circulacions fins a l'entorn dels 300 km/h amb un tren cada cinc minuts i mig.

El nivell 2 d’ERTMS és un sistema de bloqueig mòbil continu en el qual el tren comunica la seva posició i rep les autoritzacions de moviment en funció de l'estat de la via mitjançant el sistema GSM-R. Aquest nivell imposa un cantó mòbil a la circulació, pot funcionar sense necessitat de circuits de via i senyalització lateral i teòricament amb les funcionalitats del nivell 1 millorades.

L’ERTMS nivell 2 permet fins als 350 km/h amb un tren cada dos minuts i mig.

Nivell 3, en fase de desenvolupament. Aquest nivell no té ni circuits de via, ni senyalització lateral. La situació de cada tren és generada per ell mateix gràcies al GNSS (Galileu, o GPS) o fins i tot el GSM-R. Cada tren crea el seu propi cantó mòbil (espai segur fins al tren anterior) en funció de la velocitat de tots dos.

L’ERTMS 3 de manera teòrica permet fins als 500 km/h amb un tren cada minut.

El tren de la digitalització va lent. Un informe de PricewaterhouseCoopers assenyala que en 2020 només el 14% de la xarxa ferroviària de la UE estava equipada amb infraestructura ERTMS (Nivell 1 o 2). Segons el ritme actual de creixement, la proporció serà del 25% en 2030 i del 35% en 2040. Això implica la necessitat d'acceptar finalment el repte de la digitalització.

La recomanació és implementar la digitalització i automatització per a modernitzar el sistema ferroviari i incrementar la seva seguretat, fiabilitat i comoditat.

Els 5 eixos per a digitalitzar el ferrocarril

Innotrans, la fira del ferrocarril celebrada a Berlín, va comptar amb la presència d'importants empreses del sector com Zedas, Siemens, Hitachi Rail, Alstom, Thales, CAFF, Rail Cube, SISCOG, GMV, Càrrec Rail, Indra, Hacon, Ericsson i Ardanuy.

Fruit d'una sèrie de reunions de treball, es van identificar cinc eixos principals en els quals s'estan duent a terme els avanços més importants en la digitalització del ferrocarril:

1. Digitalitzar i interconnectar les infraestructures

La infraestructura de transport no interconnectada ha arribat als seus límits, la digitalització és un canvi necessari.
Els enclavaments són la peça central de les infraestructures ferroviàries. Els enclavaments de relés que es van establir fa moltes dècades han evolucionat a una segona generació d'enclavaments electrònics...
…però actualment s'ha desenvolupat una tecnologia més nova i més moderna, l'enclavament digital, que presenta una arquitectura IP basada en interfícies estandarditzades, els comandos de commutació són enviats digitalment a l'equipament de senyalització en la via a través d'una xarxa IP.

Això presenta l'enorme avantatge de no necessitar quilòmetres de mànega de cables per a connectar cadascun dels enclavaments individuals, ja que mitjançant una xarxa IP es pot enviar i rebre informació de dispositius a distàncies majors (com a senyals i comptadors d'eixos), i a més es pot passar a una arquitectura d'enclavament centralitzat que passa a controlar un gran nombre d'elements de via.

La nova tecnologia d'enclavaments digitals i centralitzats és la base per a majors capacitats i millora de la puntualitat en el transport ferroviari.

2. L'automatització com a base

Els principals fabricants d'infraestructura ferroviària i sistemes de senyalització com Alstom, CAFF, Thales i Siemens, aposten amb força per continuar avançant en el desplegament d'aquests estàndards europeus com ERTMS/ETCS i tecnologies com ATO (Automatic Train Operation) sobre ETCS (European Train Control System), que es pot considerar com la base per al registre i automatització integral de dades.

Com funciona la tecnologia ATO sobre ETCS?

El sistema ATO en terra recopila dades estàtiques i dinàmiques sobre la línia i els horaris proporcionats pels sistemes de gestió del trànsit i els transfereix al vehicle.
En funció de les dades disponibles sobre la infraestructura, la via i els horaris, el sistema a bord calcula el perfil de viatge òptim en temps real, i controla els sistemes de tracció i frenat del vehicle en recorreguts automàtics de trens.

El maquinista està contínuament informat de tots els procediments a través d'una pantalla. Com a resultat, es redueix el consum d'energia i es millora significativament el flux de trànsit i la capacitat, a més el frenat automàtic d'ATO sobre ETCS escurça les distàncies de frenat

Xarxes 4G/5G

Si bé l'estàndard europeu ERTMS s'ha basat fins ara en les comunicacions GSMR, una tecnologia molt robusta però amb poca amplada de banda i molt limitada en l'intercanvi d'informació tren-terra, actualment s'estan realitzant les primeres connexions sense fil entre enclavaments a través de tecnologia 4G/5G.

No obstant això, està per veure en quina mesura aquestes xarxes hauran de ser d'operadors privats i/o públics de telefonia, ja que s'ha de tenir en compte la cobertura del territori en el qual circulen els trens i els estàndards de seguretat que s'apliquen a aquestes comunicacions.

Acoblament automàtic digital

Una altra línia d'automatització és la de l'acoblament automàtic digital (DAC) en els vagons de mercaderies, una iniciativa destinada a augmentar la connectivitat i l'eficiència en la composició dels combois de vagons per a trens en les terminals intermodals.
Aquesta tecnologia connectarà automàticament els vagons de mercaderies, així com les seves línies d'energia, dades i aire comprimit. Atès que la majoria dels trens de mercaderies es continuen acoblant manualment, el DAC fa que aquest procés sigui molt més eficient i alleuja la tensió dels treballadors ferroviaris.
El consorci DAC4EU encapçalat per Deutsche Bahn ha començat a provar l'ús de l'acoblament automàtic digital (DAC) en els vagons de mercaderies, el projecte s'està desenvolupant entre juliol de 2020 i desembre de 2022. DAC4EU és un consorci format per sis empreses públiques i privades de transport de mercaderies: RCG i DB Cargo (Alemanya), SBB Càrrec (Suïssa), així com el propietari de vagons de mercaderies Ermewa, GATX Rail Europe i VTG.

3. Processar i explotar les dades

Els grans volums de dades que pot proporcionar el ferrocarril han de ser accessibles per a ser analitzats i utilitzats per a i pels operadors i clients, per a això és necessari aplicar procediments intel·ligents d'anàlisis de dades, i s'ha de preparar de manera transparent els resultats més útils de l'anàlisi de dades ferroviàries per a estar disponibles en línia en qualsevol lloc.
Els sistemes al costat de la via i al costat del tren proporcionen una enorme quantitat de dades. Centenars de sensors i dispositius de control en trens, locomotores, edificis i sistemes ferroviaris; estan registrant grans quantitats d'informació, des de la temperatura dels coixinets de l'eix i dades de tracció als corrents de porta-acoblament en el vagó, passant per la informació de mecanismes operatius i informació sobre defectes en coixinets i amortidors.

Mitjançant tecnologies integrals d'emmagatzematge basades en el núvol es poden recopilar una gran quantitat de dades i guardar-los a llarg termini i en xarxa, a través de sistemes d'anàlisis IoT obtenir com a resultat un manteniment i operació optimitzats.

L'anàlisi de dades (big data) permet un manteniment predictiu precís, basat en la necessitat de reparació del vehicle i les vies, que permetrà reduir significativament el temps d'inactivitat no planificat i l'esforç de reparació.

Avui dia les últimes eines analítiques permeten una àmplia anàlisi en profunditat de la informació digital, obtenir KPIs perquè els operadors ferroviaris optimitzin el funcionament dels vehicles individuals, puguin monitorar i optimitzar la xarxa ferroviària.

4. Executar-ho tot en el núvol

S'han d'utilitzar sistemes oberts intel·ligents de gestió d'actius de la infraestructura ferroviària i solucions IOT aplicades a una infraestructura amb un potencial molt alt en la utilització de sensors.
La infraestructura ferroviària haurà d'estar connectada digitalment, en la qual tots els components possibles en el costat de la via es deurien virtualizar, és a dir, per sobre dels equips de via, com a abalisaments, accionadors d'encreuaments, desviaments i interseccions, s'hauran de digitalitzar i virtualizar, exemple d'ells serien els enclavaments i el programari CTC (Centre de Trafico Centralitzat)

El pilot de Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya. FGC està provant el sistema DS3 de Siemens que digitalitza els enclavaments. Aquest concepte que ha estat dissenyat en el centre de R+D+i de Siemens Mobility, consisteix en un enclavament digital que allotja en el núvol el sistema que gestiona els senyals i desviaments de cada estació de tren.

El pilot augmentarà la capacitat de la infraestructura ferroviària en agilitzar les operacions automàtiques que encara triguen un temps a comunicar-se del centre de control a l'enclavament.

A més, s'afegeixen sistemes complementaris que s'integren amb el CTC, com el planificador de rutes, gestió de maquinistes i operadors, i seguiment de mercaderies, el desenvolupament. El desplegament i integració de tots aquests sistemes s'agilitza en realitzar-lo en el núvol.

Enclavament digital del pilot DS3 de Siemens a Sant Boi de Llobregat. (FGC)

5. Seguretat i protecció com a màximes prioritats

La ciberseguretat és especialment important per a les xarxes en infraestructures ferroviàries. Solen estar protegides per tallafocs i/o mitjançant aïllament físic o espais d'aire (air gap).

Totes dues solucions tenen les seves febleses. Els tallafocs són propensos a errors de configuració i vulnerabilitats de seguretat. I amb els espais d'aire la transmissió de dades a un destinatari fora de la xarxa no és possible i això limita en gran manera els beneficis disponibles de l'abundància de dades.
Per aquestes debilitats els experts recomanen usar díodes de dades com a mesura de seguretat addicional per a xarxes IP ferroviàries que corren especial perill, perquè només permeten que les dades passin en l'adreça predefinida. El díode de dades es compon del maquinari que assegura la unidireccionalidad en el trànsit d'informació a través de transceptors de fibra òptica i de dos servidors, denominats proxies).

En resum, el tren de la digitalització no acaba d'agafar la velocitat punta esperada i per això la seva entrada en l'estació de destinació no sembla que vagi a complir amb el calendari previst per la UE. Són moltes les estacions intermèdies per la qual ha de passar i diversos els reptes tecnològics que ha d'anar aconseguint. Però la inèrcia de la seva transformació tecnològica és inapel·lable i la locomotora de la modernització del transport ferroviari acabarà sent un veritable tren bela.

Temes

A