A pesar de la solidez del ferrocarril europeo, el sector se basa en parte en sistemas anticuados que cada vez son más difíciles de mantener. (Getty Images)
Ferrocarril: la digitalización de un transporte estratégico
El ferrocarril es el transporte terrestre más eficiente. Por eso la UE está dedicando muchos recursos a aumentar la cuota modal del transporte de mercancías en tren. Pero es urgente digitalizarlo y automatizarlo para incrementar su seguridad y fiabilidad.
Publicado el
07.12.2022
Albert González es Jefe de gestión de Servicios TIC del Port de Barcelona.
A pesar de la solidez del ferrocarril europeo, el sector se basa en parte en sistemas anticuados que cada vez son más difíciles de mantener. (Getty Images)
El ferrocarril, el transporte de la Europa descarbonizada
¿Por qué es más eficiente el transporte ferroviario? Por una combinación de factores técnicos.
- Primero, por la mínima resistencia debido a la rodadura, la deformación elástica del contacto rueda-carril comparativamente es muy baja, ya que ambos elementos son de acero.
- En segundo lugar, por una óptima resistencia aerodinámica en los trenes largos, el rozamiento depende principalmente de la sección transversal del vehículo, no de la longitud. Esto genera un consumo energético mínimo.
- Si a esto le sumamos la gran capacidad de transporte de un tren, especialmente cuando logramos alcanzar los estándares europeos de 740 m de longitud, y potenciamos la electrificación de las líneas férreas, obtenemos un modo de transporte mucho más sostenible y competitivo que la carretera para medias y largas distancias.
Así, según datos de CER , el transporte genera el 31% del consumo energético de transporte en la Unión Europea. El ferrocarril, por su parte, es siete veces más eficiente que el transporte por carretera. A nivel de emisiones, el tren representa el 0.4% del conjunto del transporte.
Objetivo 2030. En su Libro Blanco de 2011 la Comisión Europea fijó para ese año el objetivo de trasladar el 30% del transporte de mercancías por carretera en trayectos de más de 300 km al ferrocarril. O al transporte fluvial.
Para 2050, el porcentaje deberá aumentar hasta el 50%. Además de apoyar estos objetivos de descarbonización, el cambio aliviará la congestión de las carreteras, reducirá la presión sobre las infraestructuras viales de las cargas más pesadas y disminuirían los riesgos relacionados con el transporte de mercancías peligrosas.
Pero el tren no avanza lo suficiente. A pesar del empuje político, la cuota del transporte de mercancías por ferrocarril permanece en torno al 20%. E incluso se ha reducido en algunos países de la Unión Europea.
La urgente digitalización del ferrocarril
Sistemas anticuados y tecnología obsoleta. El informe ‘Digitizing Europe’s railways: A call to action’ (McKinsey en 2020) afirmaba que, a pesar de la solidez del ferrocarril europeo, el sector se basa en parte en sistemas anticuados que cada vez son más difíciles de mantener. Algunos grandes ferrocarriles europeos tienen varios tipos de enclavamientos, en algunos casos con más de un siglo de antigüedad, y emplean tecnología muy obsoleta.
¿Qué es un enclavamiento ferroviario? Es el sistema que se encarga de controlar el funcionamiento de todos los dispositivos situados en la vía para que se cumplan con seguridad la dependencia, órdenes de accionamiento y restricciones, de forma que permitan la circulación o estacionamiento de trenes en estaciones o en trayectos con unas condiciones de seguridad.
Interoperabilidad de las redes entre países. La legislación sobre el Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS), aprobada en el año 2000, ha propiciado algunas mejoras tecnológicas, pero los avances hasta la fecha han sido lentos. El ERTMS es resultado de un proyecto europeo surgido en 1990 con el objetivo de desarrollar un sistema común de ATP (Protección Automática del Tren) que facilitará la interoperabilidad entre las diferentes redes, superando las diferencias de los distintos sistemas nacionales.
Pilares del ERTMS y niveles de desarrollo
El sistema ERTMS se basa en tres pilares: el equipamiento a bordo del tren, las balizas y el sistema de transmisión vía radio GSM-R. Su funcionamiento, a la vez, se basa en dos componentes:
- El Sistema Europeo de Control de Trenes, ETCS. Un ordenador a bordo compara la velocidad del tren transmitida con la velocidad máxima permitida y si ésta se supera, reduce la marcha.
- El Sistema Global de Comunicaciones Móviles para Ferrocarril, GSM-R. Vía radio, permite el intercambio de información vía radio entre el tren y la vía y los centros de control.
La arquitectura ERTMS tiene cuatro niveles de desarrollo. Cada nivel del ERTMS mejoraría las funcionalidades del anterior, permitiendo menores intervalos entre trenes. Es decir, aumentando la capacidad de la infraestructura y reduciendo los equipamientos de campo:
- El nivel 0 equivale a los sistemas convencionales (NO ERTMS). Proporcionan información discontinua mediante balizas de velocidad máxima que se completan con señalización lateral. El conductor debe atender a las señales laterales y las indicaciones de velocidad que recibe en la pantalla de su pupitre de conducción, si falla, se equivoca o no respeta las limitaciones o las señales, el equipo aplica el freno automático.
- El nivel 1 de ERTMS es un sistema continuo de distancia objetivo en el que la información que recibe el tren de las balizas se completa con la que se recibe vía GSM –R. La localización del tren en la vía se sigue realizando por circuitos de vial. La señalización lateral es prescindible y sólo se utiliza en situaciones degradadas. El conductor recibe la información en los paneles de la cabina y sólo actúa en función de ellas. En caso de que se desvíe de las condiciones de operación definidas para la circulación del tren, el sistema ajusta los parámetros y frena el tren si es necesario.
El ERTMS nivel 1 permite circulaciones hasta el entorno de los 300 km/h con un tren cada cinco minutos y medio. - El nivel 2 de ERTMS es un sistema de bloqueo móvil continuo en el que el tren comunica su posición y recibe las autorizaciones de movimiento en función del estado de la vía mediante el sistema GSM-R. Este nivel impone un cantón móvil a la circulación, puede funcionar sin necesidad de circuitos de vía y señalización lateral y teóricamente con las funcionalidades del nivel 1 mejoradas.
El ERTMS nivel 2 permite hasta los 350 km/h con un tren cada dos minutos y medio
- Nivel 3, en fase de desarrollo. Este nivel no tiene ni circuitos de vía, ni señalización lateral. La situación de cada tren es generada por él mismo gracias al GNSS (Galileo, o GPS) o incluso el GSM-R. Cada tren crea su propio cantón móvil (espacio seguro hasta el tren anterior) en función de la velocidad de ambos.
El ERTMS 3 de forma teórica permite hasta los 500 km/h con un tren cada minuto.
El tren de la digitalización va lento. Un informe de PricewaterhouseCoopers señala que en 2020 sólo el 14% de la red ferroviaria de la UE estaba equipada con infraestructura ERTMS (Nivel 1 o 2). Según el ritmo actual de crecimiento, la proporción será del 25% en 2030 y del 35% en 2040. Esto implica la necesidad de aceptar finalmente el reto de la digitalización.
La recomendación es implementar la digitalización y automatización para modernizar el sistema ferroviario e incrementar su seguridad, fiabilidad y comodidad.
Los 5 ejes para digitalizar el ferrocarril
Innotrans, la feria del ferrocarril celebrada en Berlín, contó con la presencia de importantes empresas del sector como Zedas, Siemens, Hitachi Rail, Alstom, Thales, CAFF, Rail Cube, SISCOG, GMV, Cargo Rail, Indra, Hacon, Ericsson y Ardanuy.
Fruto de una serie de reuniones de trabajo, se identificaron cinco ejes principales en los que se están llevando a cabo los avances más importantes en la digitalización del ferrocarril:
1. Digitalizar e interconectar las infraestructuras
- La infraestructura de transporte no interconectada ha llegado a sus límites, la digitalización es un cambio necesario.
- Los enclavamientos son la pieza central de las infraestructuras ferroviarias. Los enclavamientos de relés que se establecieron hace muchas décadas han evolucionado a una segunda generación de enclavamientos electrónicos...
- …pero actualmente se ha desarrollado una tecnología más nueva y más moderna, el enclavamiento digital, que presenta una arquitectura IP basada en interfaces estandarizadas, los comandos de conmutación son enviados digitalmente al equipamiento de señalización en la vía a través de una red IP.
Esto presenta la enorme ventaja de no necesitar kilómetros de manguera de cables para conectar cada uno de los enclavamientos individuales, ya que mediante una red IP se puede enviar y recibir información de dispositivos a distancias mayores (como señales y contadores de ejes), y además se puede pasar a una arquitectura de enclavamiento centralizado que pasa a controlar un gran número de elementos de vía.
La nueva tecnología de enclavamientos digitales y centralizados es la base para mayores capacidades y mejora de la puntualidad en el transporte ferroviario.
2. La automatización como base
Los principales fabricantes de infraestructura ferroviaria y sistemas de señalización como Alstom, CAFF, Thales y Siemens, apuestan con fuerza por seguir avanzando en el despliegue de estos estándares europeos como ERTMS/ETCS y tecnologías como ATO (Automatic Train Operation) sobre ETCS (European Train Control System), que se puede considerar como la base para el registro y automatización integral de datos.
¿Cómo funciona la tecnología ATO sobre ETCS?
- El sistema ATO en tierra recopila datos estáticos y dinámicos sobre la línea y los horarios proporcionados por los sistemas de gestión del tráfico y los transfiere al vehículo.
- En función de los datos disponibles sobre la infraestructura, la vía y los horarios, el sistema a bordo calcula el perfil de viaje óptimo en tiempo real, y controla los sistemas de tracción y frenado del vehículo en recorridos automáticos de trenes.
- El maquinista está continuamente informado de todos los procedimientos a través de una pantalla. Como resultado, se reduce el consumo de energía y se mejora significativamente el flujo de tráfico y la capacidad, además el frenado automático de ATO sobre ETCS acorta las distancias de frenado.
Redes 4G/5G
- Si bien el estándar europeo ERTMS se ha basado hasta ahora en las comunicaciones GSMR, una tecnología muy robusta pero con poco ancho de banda y muy limitada en el intercambio de información tren-tierra, actualmente se están realizando las primeras conexiones inalámbrica entre enclavamientos a través de tecnología 4G/5G.
- Sin embargo, está por ver en qué medida estas redes deberán ser de operadores privados y/o públicos de telefonía, puesto que se ha de tener en cuenta la cobertura del territorio en el que circulan los trenes y los estándares de seguridad que se aplican a estas comunicaciones.
Acoplamiento automático digital
- Otra línea de automatización es la del acoplamiento automático digital (DAC) en los vagones de mercancías, una iniciativa destinada a aumentar la conectividad y la eficiencia en la composición de los convoyes de vagones para trenes en las terminales intermodales.
- Esta tecnología conectará automáticamente los vagones de mercancías, así como sus líneas de energía, datos y aire comprimido. Dado que la mayoría de los trenes de mercancías se siguen acoplando manualmente, el DAC hace que este proceso sea mucho más eficiente y alivia la tensión de los trabajadores ferroviarios.
- El consorcio DAC4EU encabezado por Deutsche Bahn ha comenzado a probar el uso del acoplamiento automático digital (DAC) en los vagones de mercancías, el proyecto se está desarrollando entre julio de 2020 y diciembre de 2022. DAC4EU es un consorcio formado por seis empresas públicas y privadas de transporte de mercancías: RCG y DB Cargo (Alemania), SBB Cargo (Suiza), así como el propietario de vagones de mercancías Ermewa, GATX Rail Europe y VTG.
3. Procesar y explotar los datos
- Los grandes volúmenes de datos que puede proporcionar el ferrocarril deben ser accesibles para ser analizados y utilizados para y por los operadores y clientes, para ello es necesario aplicar procedimientos inteligentes de análisis de datos, y se debe preparar de forma transparente los resultados más útiles del análisis de datos ferroviarios para estar disponibles on-line en cualquier lugar.
- Los sistemas junto a la vía y junto al tren proporcionan una enorme cantidad de datos. Cientos de sensores y dispositivos de control en trenes, locomotoras, edificios y sistemas ferroviarios; están registrando grandes cantidades de información, desde la temperatura de los cojinetes del eje y datos de tracción a las corrientes de puerta-acoplamiento en el vagón, pasando por la información de mecanismos operativos e información sobre defectos en cojinetes y amortiguadores.
- Mediante tecnologías integrales de almacenamiento basadas en la nube se pueden recopilar una gran cantidad de datos y guardarlos a largo plazo y en red, a través de sistemas de análisis IoT obtener como resultado un mantenimiento y operación optimizados.
El análisis de datos (big data) permite un mantenimiento predictivo preciso, basado en la necesidad de reparación del vehículo y las vías, que permitirá reducir significativamente el tiempo de inactividad no planificado y el esfuerzo de reparación.
Hoy en día las últimas herramientas analíticas permiten un amplio análisis en profundidad de la información digital, obtener KPIs para que los operadores ferroviarios optimicen el funcionamiento de los vehículos individuales, puedan monitorizar y optimizar la red ferroviaria.
4. Ejecutarlo todo en la nube
- Se deben utilizar sistemas abiertos inteligentes de gestión de activos de la infraestructura ferroviaria y soluciones IOT aplicadas a una infraestructura con un potencial muy alto en la utilización de sensores.
- La infraestructura ferroviaria deberá estar conectada digitalmente, en la que todos los componentes posibles en el lado de la vía se deberían virtualizar, es decir, por encima de los equipos de vía, como balizamientos, accionadores de cruces, desvíos y intersecciones, se deberán digitalizar y virtualizar, ejemplo de ellos serían los enclavamientos y el software CTC (Centro de Trafico Centralizado)
El piloto de Ferrocarrils de la Generalitat de Catalunya. FGC está probando el sistema DS3 de Siemens que digitaliza los enclavamientos. Este concepto que ha sido diseñado en el centro de I+D+i de Siemens Mobility, consiste en un enclavamiento digital que aloja en la nube el sistema que gestiona las señales y desvíos de cada estación de tren.
Este piloto aumentará la capacidad de la infraestructura ferroviaria al agilizar las operaciones automáticas que todavía tardan un tiempo en comunicarse del centro de control al enclavamiento.
Además, se añaden sistemas complementarios que se integran con el CTC, como el planificador de rutas, gestión de maquinistas y operadores, y seguimiento de mercancías, el desarrollo. El despliegue e integración de todos estos sistemas se agiliza al realizarlo en la nube.
5. Seguridad y protección
La ciberseguridad es especialmente importante para las redes en infraestructuras ferroviarias. Suelen estar protegidas por cortafuegos y/o mediante aislamiento físico o espacios de aire (air gap).
- Las dos soluciones tienen sus debilidades. Los cortafuegos son propensos a errores de configuración y vulnerabilidades de seguridad. Y con los espacios de aire la transmisión de datos a un destinatario fuera de la red no es posible, lo que limita en gran medida los beneficios disponibles de la abundancia de datos.
- Por esas debilidades los expertos recomiendan usar diodos de datos como medida de seguridad adicional para redes IP ferroviarias que corren especial peligro, porque solo permiten que los datos pasen en la dirección predefinida. El diodo de datos se compone del hardware que asegura la unidireccionalidad en el tránsito de información a través de transceptores de fibra óptica y de dos servidores, denominados proxies.
En resumen, el tren de la digitalización no acaba de coger la velocidad punta esperada y por eso su entrada en la estación de destino no parece que vaya a cumplir con el calendario previsto por la UE. Son muchas las estaciones intermedias por la que debe pasar y diversos los retos tecnológicos que debe ir consiguiendo. Pero la inercia de su transformación tecnológica es inapelable y la locomotora de la modernización del transporte ferroviario va a acabar siendo un verdadero tren bala.
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