Kuljetusvälinetekniikka 1/13 Automatisoitu rautatieliikenne Matti Henriksson 428938 Kristian Peltonen 83883V Jaana Haussalo 425054 Asser Salmela 84818C Marketta Ruutiainen 356783
Kuljetusvälinetekniikka 2/13 1 Johdanto Tämä työ käsittelee rautatieliikenteen automatisointia Suomessa vuoteen 2030 mennessä. Aluksi käydään läpi Suomen rautateillä nykyisin käytettävää kulunvalvonta- ja turvallisuustekniikkaa, joka olisi mahdollisesti hyödynnettävissä automatisoidussa liikenteessä. Toinen luku esittää erään vaihtoehdon automatisoinnin toteuttamiselle. Esitys käsittelee teknologiaa, henkilöstöä, mahdollista pilottikohdetta sekä arvion kustannuksista. 2 Nykytila (Ruutiainen) Junaliikenteen automatisoinnissa olisi kustannustehokasta hyödyntää mahdollisuuksien mukaan jo olemassa olevia turvallisuusjärjestelmiä, kuten kulunvalvontajärjestelmää. Etenkin jos rataosalla liikkuu sekä automatisoitua että ei-automatisoitua kalustoa, on saman järjestelmän hyödyntäminen lähes pakollista. Tämä luku keskittyy suomalaisen rautatiejärjestelmän nykyiseen liikenteenohjaukseen ja turvalaitteisiin. Junaliikennettä voidaan ohjata staattisilla opasteilla. Ne voivat osoittaa esimerkiksi sallittua nopeutta, junakulkutien päätekohtaa, pysähtymispaikkaa tai liikennepaikkojen ja raiteiden rajoja. Näiden merkkien huomaaminen on kuljettajan visuaalisen näköhavainnon varassa, joten niiden hyödyntäminen automatisoidussa liikenteessä on rajoittunutta. Opastimella tarkoitetaan yleensä asentinlaitteella ohjattavaa valo-opastinta. Opastimella voidaan antaa seis-, aja- ja nopeutta rajoittavaa aja 35 -opastetta.
Kuljetusvälinetekniikka 3/13 Kulkutie on radalla liikkuvalle yksikölle turvattu reitti kulkutien alku- ja loppupisteen välillä. Kulkutien turvallisuuden varmistamiseksi on olemassa kulkutie-ehtoja. Ehdot jakautuvat perusehtoihin (kulkutien muodostaminen on teoreettisesti ja teknisesti mahdollista), lukitusehtoihin (vaihteet ja raideosuuksien lukitukset ovat oikein) sekä valvontaehtoihin (ehdot joita valvotaan, kun kulkutie on turvattu). Jotta kulkutie voidaan turvata, tulee turvattavan rataosan olla vapaa, eli siellä ei saa olla toisia junia turvattavalla raiteella. Vapaanaoloa valvotaan kahdella tavalla. Ensimmäinen tapa on raidevirtapiiri. Siinä kiskot on eristetty toisistaan ja maasta ja niihin syötetään jännite. Raiteen ollessa vapaana, kulkee virta eristetyn osuuden päähän, jossa havaitaan jännite. Mikäli raiteella on kalustoa, se oikosulkee virtapiirin, jolloin jännitettä ei enää havaita eristetyn osuuden päässä. Jännitteestä voidaan siten tulkita raiteen vapaanaolo. Toinen vapaanaolon valvontaan käytetty tekniikka on akselinlaskenta. Siinä akselinlaskenta-anturit laskevat kuinka monta akselia on ylittänyt anturin. Jos kahden peräkkäisen anturin laskentalukemissa on eroa, tiedetään niiden välillä olevan kalustoa. Asetinlaitteita käytetään varmistamaan vaihteen oikea asento ja mahdollistamaan siten ajon sallivan opasteen näyttäminen. Nämä asetinlaitteet olivat ennen mekaanisia, mutta nykyisin sähköisiä, yleisimmin releasetinlaitteita. Releasetinlaitteiden kytkennöillä voidaan varmistaa laajojenkin alueiden kulkuteitä.
Kuljetusvälinetekniikka 4/13 Junien automaattinen kulunvalvonta eli JKV on järjestelmä, joka varmistaa junan suurimman sallitun nopeuden, opasteiden ja nopeusrajoitusten noudattamista. Järjestelmä koostuu radassa ja junassa olevista laitteista. Radalla on kahden baliisin eli eräänlaisen radiolähettimen ryhmiä, jotka lähettävät junalla signaalia. Signaali voi kertoa seuraavan opastimen sanoman, nopeusrajoituksen ja muita tietoja. Vetureiden JKV-laitteisiin lukeutuvat keskusyksikkö, releyksikkö, antenni, takometri, jarrujen ohjauslaitteet, kuljettajapaneeli, nopeusmittari sekä rekisteröintilaite. Nämä laitteet keräävät ja käsittelevät tietoa ratalaitteista ja esittävät sen kuljettajalle. Tarvittaessa JKV jarruttaa, mikäli kuljettaja ei noudata JKV:n antamia opasteita.
Kuljetusvälinetekniikka 5/13 JKV tulee kehittymään yhteiseurooppalaisen rautatieliikenteen hallintajärjestelmän mukaisesti. Tavoitteena on, että akselinlaskenta ja raidevirtapiirit korvataan paikannuslaitteilla ja valvonnalla. Tiedonsiirto tapahtuu GSM-R tekniikalla jatkuvasti. Lähde: Kurssin Yhd-10.3503 opetusmoniste luku 8, Liikenteen ohjaaminen ja turvalaitteet 3 Teknologia (Salmela) Osa kuljettajan vastuusta ja kyky korjata yksinkertaiset viat paikan päällä voidaan siirtää junanhoitajalle (ks. henkilöstö). Mitä ei voida junanhoitajalla korvata on ennakointi mahdollisissa vikatilanteissa, junan ympäristön dynaaminen arviointi sekä ohjausliikkeiden suorittaminen 1. Näitä kykyjä voidaan simuloida opetetulla ohjelmistolla, käyttäen deep neural network (DNN) -tekniikkaa, joka sensoreiden ja ennakkoon syötetyn datan sekä aiempien kokemustensa kautta osaa
Kuljetusvälinetekniikka 6/13 tulkita tilanteet ja toimia niissä oikein 2. Tällä tavoin jo nykyistä infrastruktuuria opastimineen pystyisi käyttämään tehokkaasti. Tällä hetkellä itseajavissa autoissa käytetään sensoreita, jotka sisältävät jonkin etäisyyttä mittaavan laitteen sekä tekstuureja lukevan laitteen, eli käytännössä tutkan ja kameran. Esimerkiksi Googlen auton käyttämä tutka on light-sensing radar (LIDAR), joka käyttää näköalueen ulkopuolella toimivaa laseria etäisyyden mittaamiseen 3. Muut autonvalmistajat suosivat muita ratkaisuja LIDAR-sensorin kalliin hinnan vuoksi, joka on n. 80 000 dollaria 4. Junilla etäisyyden mittaamiseen ei kannata sijoittaa kovin paljoa, sillä niillä on massansa vuoksi suuri liikemäärä ja siten hidastuvuus, ja etäisyyden mittaamista tarvitaan käytännössä ainoastaan junan kulkusuuntaan. Samoin kameraa tarvitaan vain kulkusuuntaan ja senkään ei tarvitse olla kovin erikoinen. Lisää ennakoitavuutta kokonaisuuteen saadaan, jos tasoristeyksille, vaarallisille katvealueille ja rautatieasemille asennetaan palvelimella toimivaa ohjelmistoa varten kamerat. Näin liikenteenohjaajalta huomaamatta jääneet mahdolliset vaaratilanteet saataisiin varmemmin viestitettyä opastimien kautta junan ohjelmistolle, joka hidastaisi vauhtia. koska ihmisistä johtuvat vikatilanteet ovat yleisimpiä 1 ja koska itseohjautuvat junat ja metrot eivät herätä kaikissa ihmisissä luottamusta 5, kannattaa varautua lisäaidoilla niin rautatieasemilla kuin vaarallisimmilla rataosuuksilla, sekä muilla mahdollisilla keinoilla. Uusiin teknologioihin liittyvät tapaturmat ovat myrkkyä niiden imagolle, minkä vuoksi riskit kannattaa minimoida. Ohjelmistovirheiden varalta ja teknisen redundanssin vuoksi ohjelmiston rinnalle kannattaa jättää sekä yksinkertaistetut manuaaliset ohjaimet että varamoottori liikkumista varten. Myös eettisten ja moraalisten ongelmien käsittely ohjelmistossa kaipaa lisää tarkastelua 5. 1. Drivessa hidden roles of the train driver.pdf 2. What goes into sensing for autonomous driving? Mobileye: https://www.youtube.com/watch?v=gcmxxxmxg- I&list=WL&index=34&ab_channel=Mobileye 3. https://www.google.com/selfdrivingcar/how/ 4. http://www.techinsider.io/difference-between-google-and-tesla-driverless-cars-2015-12
Kuljetusvälinetekniikka 7/13 5. Drivessa why machine ethics.pdf 4 Henkilöstö (Haussalo) Raiteilla tapahtuvaa joukkoliikennettä miehittämättömäksi muutettaessa on muistettava, että asiakkaat ovat silti ihmisiä, jotka toimivat joskus tavoilla, joita koneet eivät pysty ennakoimaan tai käsittelemään. Jos junasta poistetaan henkilökunta, on luultavaa, että matkustajat yhä enemmän jättävät lipun ostamatta kiinni jäämisen riskin pienentyessä. Onkin mietittävä, pitäisikö esimerkiksi juna-asemia muuttaa siten, että asemalle ei pääse ilman lippua. Asemarakenteen muuttaminen on kuitenkin kallista ja hankalaa maanpäällisessä liikenteessä. Lippujen tarkastus junan ovella taas olisi hidasta. Olisikin järkevämpää, että junassa olisi silti joku työntekijä myymässä ja tarkastamassa lippuja. Tämä sama työntekijä voisi myös reagoida poikkeustilanteisiin junassa, kuten kutsua vartijat paikalle, jos junassa häiriköidään tai tarvittaessa manuaalisesti joko ohjata junaa tai ainakin pysäyttää sen turvallisesti, jos tarve vaatii. Konduktöörit ja veturinkuljettajat korvattaisiin siis yhdellä uudella ammatilla, junanhoitajalla. Jos lippujen oston valvonta saataisiin hoidettua esimerkiksi junan ovilla, voidaan pohtia, tarvitaanko junahenkilökuntaa laisinkaan paikalle. Miehittämättömässä raideliikenteessä on tällä hetkellä kolme erilaista operaatiomallia. Puoliautomaattisessa operaatiomallissa junassa on kuljettaja, joka vastaa asemalta lähdöstä ja pysähtymisestä, mutta muuten juna toimii omillaan. Kuljettajattomassa operaatiomallissa junassa on henkilökuntaa hätätilanteiden varalta, mutta he eivät osallistu junan normaaliajosta. Kolmas operaatiomalli on valvomaton operaatio, jolloin junassa ei ole henkilökuntaa, vaan automaattista operaatiota tukevat valvontakamerat ja muut tarkkailuvälineet, jolloin yksi ihminen voi monitoroida useaa junaa samanaikaisesti. Yleisimmät poikkeustilanteet junissa johtuvat matkustajista. Näitä ovat muun muassa hätäjarrun tarpeeton vetäminen, junan ovien sulkeutumisen estyminen matkustajan takia ja
Kuljetusvälinetekniikka 8/13 matkustajan sairauskohtaus. Muita poikkeustilanteita ovat esimerkiksi tekniset ongelmat ajossa, junan ovissa jne. sekä ihmiset tai objektit radalla. 5 Pilottikohde (Peltonen) Ryhmämme mielestä paras vaihtoehto automatisoidun raideliikenteen pilottikohteelle olisi pääkaupunkiseudun kehärata. Automatisoidun raideliikenteen testaus kehäradalla on luontevaa reitin vilkkauden ja tiheiden vuorovälien, suurten käyttäjämäärien sekä modernin kaluston ansiosta. I- ja P-junat kiertävät kehärataa vastakkaisiin suuntiin Helsingin päärautatieaseman ja lentoaseman välillä. Kuvassa 1 näkyy kehäradan reitti. Junat kulkevat linjalla kellonajasta riippuen 10-30 minuutin välein ja matka-aika Helsingin päärautatieasemalta lentoasemalle on 27-32 minuuttia riippuen menosuunnasta. [2] Kuva 1 Kehärädan reitti ja asemat [1]
Kuljetusvälinetekniikka 9/13 Pääkaupunkiseudulla automatisaation määrän lisääntyminen näkyy jo lähiaikoina julkisessa liikenteessä. HSL on ottamassa käyttöön uutta informaatiojärjestelmää, jonka avulla lipunmyynti, tiedostusten ajantasaisuus sekä toiminnan seuranta monipuolistuu. [3] Aikataulu HSL:n informaatiojärjestelmän uudistuksesta näkyy kuvassa 2. Kuva 2 HSL, Informaationjärjestelmän uusiutuminen. [4] Lähteet: 1) Liikennevirasto. Kehärata. WWW-sivu. URL-saatavilla: http://www.liikennevirasto.fi/keharata#.vzgw5npdpcu. Viitattu 10.5.2016. 2) HSL. Kehärata. WWW-sivu. URL-saatavilla: https://www.hsl.fi/keh%c3%a4rata. Viitattu 10.5.2016.
Kuljetusvälinetekniikka 10/13 3) HSL. Uudet laitteet. WWW-sivu. URL-saatavilla. https://www.hsl.fi/uudetlaitteet. Viitattu 10.5.2016. 4) HSL. Informaatiojärjestelmän uusiutuminen. WWW-sivu. URL-saatavilla. https://www.hsl.fi/uudetlaitteet/medialle. Viitattu 10.5.2016. 6 Kustannusarvio junien ja junaradan automatisoinnista (Henriksson) 27.5.2015 HKL:n johtokunnalle esitetyn talousarvioluonnoksen mukaan (s.20) Vuosien 2016-2025 suurin yksittäinen investointihanke on automaattimetro, johon sisältyy uusien metrovaunujen hankinnat sekä automatisoinnin asennukset metrovaunuihin ja metroinfran automatisointi yhteensä 350,4 milj. euroa. Uusien metrovaunujen osuus on 193,1 milj. euroa. Automaattimetroprojekti siis jatkuukin jo muutaman vuoden kuluttua. Paitsi että ei jatku, ei ainakaan edellä kuvatuilla nuoteilla ja aikataululla. Täysin virkamiesvetoinen selvitys ja ehdotus torpataan kesäkuussa HKL:n johtokunnassa yksimielisesti.( https://helsinginmetro.wordpress.com/etenemissopimus-ja-muitapaivamaaria/) M100-vaunuparit 42 vaunuparia 89,46 milj. M200-vaunuparit 12 vaunuparia 25,56 milj. M300-junan 20 nelivaunuista junaa 42,6 milj. (http://www.hel.fi/www/hkl/fi/metrolla/kalusto/) 6.10.2014 Helsingin kaupunginhallituksen iltakoulu. Poliitikoille annetaan selvitys Helsingin metron automatisointiprojektin ongelmista. Selvitys on mitä ilemisemmin perusteellisempi kuin edellisellä viikolla HKL:n johtokunnan esityslistalla ollut Automaattimetron tilannekatsaus, mikä sekin on murheelllista luettavaa. Esitys menee iltakoulussa pöydälle vaikka kyseessä on ainoastaan selvitys, ei päätös suuntaan taikka toiseen. Kh:ssa vallitsee suuri hämmennys miten tähän tilanteeseen on jouduttu ja kuka on vastuussa? Kahden kuukauden aikarajan päässä häämöttää, ehkä ensimmäisen kerran todellisena vaihtoehtona, sopimuksen purku
Kuljetusvälinetekniikka 11/13 koska vanhojen M100 ja M200 -junien uudelleenohjelmointi ei kerta kaikkiaan näytä onnistuvan. Metrohankkeesta vastuussa oleva apulaiskaupunginjohtaja Pekka Sauri ei osallistu kh:n kokoukseen (on matkoilla). (https://helsinginmetro.wordpress.com/etenemissopimus-ja-muita-paivamaaria/) Edellisten lainausten perusteella tullaan siihen loppupäätelmään, että vanhankaluston automatisointi on erittäin haastavaa. Lisäksi vertailtaessa metrovaunujen ja metroinfran kustannuksia yllä, huomataan että automatisoinnin osuus kustannuksista 157,3 milj. euroa. M300-sarjan junat ovat isompia, mutta niiden yksikkökohtaisten automatisointien kustannusten oletetaan olevan yhtä suuri kuin vanhempien vaunupariyksiköiden automatisoinnin kustannus. Tämä päätelmä tehtiin, koska tarkempia lukuja ei löytynyt tiedonhauntuloksena. Näin ollen yhden junayksikön automatisoinnin kustannukseksi saadaan 2,13 milj. euroa. Laskelman tuloksessa sisällytämme ratainfran automatisoinnin vanujen yksikkö hintaan ja tämä tullaan ottamaan huomioon, kun tehdään laskelma kehäradan automatisoinnin kustannuksesta. Suunniteltaessa kehäradan automatisointia oletetaan, että ratainfralle ei tarvitse tehdä parannus- ja kunnostustöitä. Näin ollen kustannusarviossa tullaan keskittymään junavaunujen ja kehäradan automatisointiin, eikä siten kunnostustöiden osuutta tulla huomioimaan edellä mainitun olettamuksen perusteella. Pisararadan kokonaiskustannusarvio on 956 miljoonaa euroa vuoden 2020 hintatasossa. Pisararadan pituus (8 km) huomioon otettaessa ratainfrastruktuurin rakentaminen pääkaupunkiseudulla maksaa 119,5 M /km vuoden 2020 hintatasossa. (http://www.liikennevirasto.fi/pisara#.vyhyhjclquu) Lainaus on poimittu arvioon siitä syystä, että sen perusteella voidaan huomioida mahdollisten uusien rataosuuksien osuus kustannuksista, jos tullaan siihen tulokseen, että tarvitaan uutta rataosuutta. On myös huomioitavaa, että edellä mainittuun kuluun (119,5 M /km) ei ole sisällytetty automatisointi kulua. Kilometrikohtainen kustannus pääkaupunkiseudulla on erittäin suuri, joten arviossamme pyrimme keskittymään jo olemassa olevien rataosuuksien automatisointiin. Seuraavaksi käsitellään hankkeen toteutumisesta aiheutuvat säästöt. Yllättävintä tässä on se, että tiedonhaun tulosten perusteella automatisoinnin tuloksena verkon hallinta ei juurikaan tule edullisemmaksi vaan se voi päinvastoin koitua kustannuksiltaan kalliimmaksi.
Kuljetusvälinetekniikka 12/13 Lisäkustannukset tulevat lähinnä valvontaan ja kunnossapitoon liittyvistä kuluista. On arvioitu myös, että 30 40 henkilötyövuosisäästön sijaan, henkilötyövuodet lisääntyisivät edellä mainitusta syystä. HKL:n raporttien mukaan vuoden 2013 83 metronkuljettajasta siirryttäisiin vuoteen 2017 mennessä, 124 junanvalvojaan. Tällöin todellinen henkilöstömäärä kasvaisi ja todellisuudessa tästä aiheutuisi kuluja enemmän kuin säästöjä. Tämän perusteella ylläpitokustannukset kasvavat tulevaisuudessa, kun niihin lasketaan lisääntynyt henkilöstömäärä. Edellinen arvio on lainausta MOT-ohjelmasta ja se perustuu vuoden 2013 tietotasoon. (http://yle.fi/aihe/artikkeli/2013/02/01/metro-umpitunnelissa-kasikirjoitus, https://www.youtube.com/watch?v=puikpkpnrua) Todellisuudessa Metron automatisointi hanke on toistaiseksi haudattu. Kuitenkin tästä voidaan päätellä, että Kehäradan automatisoinnilla ei vähennetä henkilöstön tarvetta vaan pikemminkin oletettavampaa on, että sitä kasvatetaan. Helsingin Sanomissa julkaistussa artikkelissa todetaan; Vaikka kuljettajaliikenteen vuoroväliä pystyttäisiinkin tihentämään, metron käyttökustannukset kasvavat silloin 6-7 miljoonalla eurolla vuodessa. Myös häiriöherkkyys kasvaa. (http://www.hs.fi/kaupunki/a1418734512772) Tästä voidaan laskea karkea kilometrikustunnuslisä ajatellen Kehäradan lisääntyviä käyttökustannuksia. Laskenta toteutetaan karkeasti jakamalla kulut raidekilometrille, tästä saadaan suuntaa antavat arvot kuluille. Kulut lisääntyvät tällöin Kehäradan osalta 5,1-6 milj. euroa vuodessa. Kehäradan pituus on 18 km (https://fi.wikipedia.org/wiki/keh%c3%a4rata). Edellisellä periaatteella lasketaan myös automatisointikulujen suuruus kehäradan osalta. Metron automatisoinnin (junat/raide/infra) hinta on 2,13 milj. euroa (kts.edellä s.1, 1kpl). Kehäradalle suhteutettu (juna/raide/infra) kustannusosuus on tehtyjen olettamusten perusteella n. 85 % (18km/21km) Metron kustannuksista. Näin ollen kehäradalle (juna/raide/infra) suhteutettu automatisointi kustannus on 1,83 milj. euroa. Huomioitavaa suhteutetussa kustannuksessa on se, että sen tarkkuus on riippuvainen vaunujen määrästä eli mitä lähempänä kehäradalle automatisoitujen junien määrä on Metron junien määrää, sitä tarkempi suhteutettu kustannus tällöin on. Kehoituksena olisikin automatisoinnissa pyrkiä pitämään automatisoitujen junien määrä 60-80 veturin tietämillä. Tähän on VR:llä hyvät mahdollisuudet sen uusien vetureiden hankinnan johdosta, joiden automatisointi on huomattavasti yksinkertaisempaa kuin vanhojen (http://www.hs.fi/kotimaa/a1387506559475). Laskettuun
Kuljetusvälinetekniikka 13/13 kustannukseen (1,83 milj. euroa) ei ole sisällytetty mahdollisesti uusien junien hankintakuluja. Uusien junien hankintakuluihin tulisi siis tällöin lisätä edellä mainittu automatisointikustannus. Uusisähköveturin hinta on 4,5 milj euroa, joten tämä automatisoituna olisi siten 6,33 milj. euroa/veturi (http://www2.liikennevirasto.fi/julkaisut/pdf3/lts_2013-15_rautatieliikenteen_kustannusmallit_web.pdf). Voidaan myös olettaa, että tämä on lähellä junan kokonaiskustannusta automatisoituna, koska automatisoinnista suurin osuus tulisi keskittymään veturiin ja raiteisiin.