Perspectivas de la tecnología digital de control y seguridad

Tras casi 200 años de historia, el sistema ferroviario se enfrenta en la actualidad a una revolución o, al menos, a una renovación fundamental. La digitalización y las innovaciones asociadas ofrecen enormes oportunidades de mejorar en su rendimiento y calidad, y tienen un papel fundamental a la hora de lograr la neutralidad climática en la movilidad y contribuir a paliar el cambio climático. El futuro ha comenzado.

El sistema ferroviario en el transporte metropolitano y de larga distancia gana atractivo para los usuarios gracias a la automatización parcial o total de los servicios, y ofrece a los operadores y proveedores oportunidades para reducir sus costes operativos y energéticos. Los cimientos para esto se establecieron hace décadas.

Sin embargo, las tecnologías más avanzadas permiten ahora soluciones integrales y a gran escala, lo que mejora la calidad y eficacia del sistema ferroviario. Esto proporciona más comodidad a los pasajeros y convierte al ferrocarril en una alternativa convincente a la movilidad individual y basada en automóviles. La arquitectura central de los puestos de control del sistema de señalización digital junto con una tecnología centralizada de seguridad ferroviaria (ATC) son el foco principal. Los comandos de cambio de vías y señales, así como los comandos de movimiento para los trenes, se ejecutan a través de tecnología de red digital mediante líneas de datos o transmisión inalámbrica (mencionemos el 5G). Esto elimina las conexiones necesarias hasta ahora con cada unidad de control, que requerían la instalación de cables largos y costosos.

La incorporación de sensores, electrónica de monitoreo y mantenimiento asistido por IA ya es posible, lo que a su vez reduce los costes operativos y aumenta la disponibilidad. Además, la centralización reduce la necesidad de mantenimiento, ya que se eliminan los desplazamientos y se requiere menos hardware.

Puestos de control en la nube

El siguiente paso consiste en llevar la tecnología de control y seguridad centralizada para la operación ferroviaria a la nube: a través de la plataforma DS3 desarrollada y patentada por Siemens Mobility, el “Sistema de seguridad inteligente distribuido”, las aplicaciones ferroviarias críticas para la seguridad pueden procesarse en servidores comerciales estándar en lugar de hardware específico desarrollado para cada caso de uso. Este es un gran paso evolutivo con enormes ventajas para los operadores y proveedores de transporte, ya que requiere menos hardware, evita problemas de obsolescencia y, por lo tanto, reduce los costes. Ahora es posible reemplazar la tecnología de control y seguridad basada en la nube, completamente independiente de la ubicación, en un centro de datos, manteniendo los más altos estándares de seguridad tanto para la operación de trenes como desde el punto de vista de la ciberseguridad. Otra evolución consiste en la implementación más amplia del tráfico ferroviario automatizado en el transporte local.

Tráfico ferroviario (totalmente) automatizado

La operación automática de ferrocarriles en diferentes grados ha sido parte de la oferta de transporte público en el área de los metros durante más de 20 años en todo el mundo. Inicialmente, solo en sistemas cerrados en instalaciones propias lejos de peatones y otros usuarios de la vía: en alrededor de 60 ciudades, los metros funcionan sin conductor, controlados y supervisados por personal en centros de control, tanto en Copenhague como en París, Hong Kong o Singapur, por ejemplo. El operador de transporte de Núremberg, VAG, también ha estado operando una de sus líneas de metro en esta forma de operación desde 2008, siendo hasta ahora el único operador alemán en hacerlo. Todos estos sistemas utilizan tecnología probada y hay mucha experiencia al respecto. También se está comenzando a automatizar los procesos operativos en el ámbito de los ferrocarriles de larga distancia más allá de los sistemas de asistencia al conductor existentes. Ejemplos de esto son el sistema de trenes regionales Thameslink con más de 100 trenes Desiro en Londres o la exitosa automatización de un primer tramo de una línea de S-Bahn en Hamburgo, a lo que volveremos más adelante.

Muchos sistemas de transporte metropolitano en Alemania están desactualizados y la necesidad de renovación y recuperación aumenta al mismo ritmo que la creciente demanda. Los múltiples beneficios de la digitalización llegan en el momento adecuado: ya sea para sistemas existentes o nuevos proyectos, el desarrollo digital de la tecnología de control y seguridad, así como las posibilidades adicionales gracias a soluciones digitales, sientan las bases para ofrecer servicios de transporte de alta tecnología que, como se describió anteriormente, ofrecen mayor atractivo al pasajero y al mismo tiempo reducen significativamente los costes de las empresas de transporte. Durante mucho tiempo, el tema de la “conducción autónoma” parecía ser principalmente un tema de automóviles. Sin embargo, a medida que los desafíos aún no resueltos de la conducción sin conductor en los automóviles siguen retrasando su implementación en el futuro, crece el interés en los sistemas ferroviarios automatizados. Estos tienen una ventaja sistemática decisiva sobre las carreteras: los carriles. El guiado es la base de la eficiencia, la comodidad y, por último, la seguridad.

Una descripción general de las ventajas de la conducción automatizada:

• Aumento de la capacidad de la línea y del transporte de hasta un 30% mediante la reducción de los intervalos entre trenes.
• Puntualidad mejorada en un 15% gracias a una mayor estabilidad en el horario de trenes.
• Ahorro de energía de hasta un 30% mediante una forma de conducción optimizada.
• Reducción de la carga mecánica y el desgaste en el sistema de tracción y frenado, lo que conlleva menores costes de mantenimiento.
• Reducción del ruido mediante una conducción suave y uniforme con menos frenadas.
• Mejora del confort de los pasajeros mediante una conducción suave y uniforme.
• Mayor flexibilidad para un servicio de trenes orientado a la demanda (especialmente en operación sin conductor).
• Mejora de los costes operativos mediante el aumento de la eficiencia del personal.
• Uso más efectivo de las flotas de vehículos.

Las cuatro fases del funcionamiento automatizado de trenes

El funcionamiento automatizado de trenes se define en cuatro etapas. El “Grado de Automatización” – de GoA 1 a GoA 4 - describe el alcance del funcionamiento automático. Las cuatro etapas han sido tecnología punta durante años y están en funcionamiento en sistemas ferroviarios en todo el mundo, tanto en el área de metro y tranvía como en trenes de pasajeros de larga distancia. En las etapas 1 y 2 se requiere la participación de un conductor de tren. Por lo tanto, el maquinista en el estado GoA 2 aún da la orden de inicio mediante un botón, pero el viaje del tren es automático. Hoy en día, los desarrollos se centran en GoA 3 y GoA 4. Mientras que la tercera etapa ya incluye un funcionamiento completamente sin conductor, pero aún requiere un asistente de tren para la supervisión y situaciones de emergencia, la cuarta etapa implica un funcionamiento totalmente automático sin personal a bordo del tren. Todas las funciones y operaciones se realizan de forma automatizada, y la central de control puede intervenir en la operación del tren de forma remota si es necesario.

Requisitos decisivos: los sistemas de seguridad CBTC y ETCS

En cuanto a la tecnología para la automatización en el sector ferroviario, se han desarrollado dos líneas en función de los diferentes requisitos en el transporte público con sistemas de metro y tranvía, y en el transporte de pasajeros como trenes regionales y de cercanías. Los principales componentes de los avances actuales en el transporte ferroviario automatizado son, por un lado, el “Sistema de Control de Tren Basado en Comunicación” (CBTC) para el transporte público y, por otro lado, el “Sistema Europeo de Control de Trenes” (ETCS) para el ámbito de los trenes de larga distancia, incluyendo el ICE. Ambos sistemas se basan en un principio similar: establecen una comunicación de datos permanente basada en radio entre cada vehículo en la red y la infraestructura - vía, señalización, paradas. Y esto se realiza en ambas direcciones.

La tecnología digital de control y seguridad no solo registra con la máxima precisión en todo momento y sin demora las posiciones exactas de los vehículos y sus movimientos, sino también los procesos operativos completos, es decir, la interacción entre los vehículos. El CBTC permite así la operación de “Bloqueo Móvil”: donde hasta ahora la operación clásica de metro dependía de distancias fijas entre bloques asegurados por señales, los trenes ahora pueden seguirse suavemente en la vía, a distancias cortas determinadas únicamente por su distancia de frenado al tren anterior. Esto aumenta la capacidad en la vía en comparación con el bloqueo fijo de señales, hasta en un 30 por ciento. Este aumento de capacidad es posible sin necesidad de construir un metro adicional. Además, en GoA 4 será posible enviar trenes adicionales al sistema en caso de una demanda repentina, como en ferias o eventos deportivos; los sistemas de control de última generación calculan la necesidad en cuestión de segundos y reorganizan la programación.

La tecnología ETCS, en su “Nivel 2”, también permite prescindir de señales fijas. Este nivel se prevé como estándar para el control y seguridad transfronterizos en Europa y se está implementando gradualmente. En los próximos años se busca una expansión lo más completa posible de las redes. Además de la infraestructura ferroviaria, los vehículos también deben estar equipados con una unidad de a bordo para la comunicación de datos. Solo la Deutsche Bahn espera equipar alrededor de 13.000 vehículos con ETCS.

La localización de los trenes en la red en ETCS se realiza a través de balizas en la vía, así como de sensores, radar y contador de ejes para detectar la integridad del tren. Los sistemas de radio de tren se utilizan como canal para la transmisión de datos, en Alemania actualmente se utiliza GSM-R. En el nivel 2 también existe el Moving Block. Los controladores de tráfico de las estaciones de enclavamientos pueden determinar exactamente en qué punto de la vía el tren que va delante ha salido y liberar este tramo para el siguiente tren.

Operación ferroviaria de alta frecuencia y automatizada

Con CBTC y ETCS se pueden crear las condiciones técnicas para líneas de tren completamente controladas por computadora de forma automática. ATO es el paso crucial: “Automatic Train Operation”. Su implementación ha comenzado en numerosas megaciudades. En Nueva York, París, Singapur, Madrid y Londres, generalmente se implementan estos sistemas innovadores línea por línea. Uno de los proyectos destacados en el ámbito del metro es la “Elizabeth Line” en Londres, que comenzó a funcionar a finales de mayo de 2022 y es uno de los mayores proyectos de infraestructura en Europa en los últimos años. En un tramo de 23 kilómetros en túnel, la ruta forma parte de “Crossrail”, la nueva conexión ferroviaria de la capital británica de este a oeste. Esto aliviará considerablemente la compleja situación de tráfico en la metrópolis. Siemens Mobility ha instalado la tecnología de control y seguridad CBTC para el tramo central de la Elizabeth Line. Con ella, la operación de trenes se realiza con alta frecuencia y con velocidades de hasta 100 km/h en ATO (GoA 2).

La nueva oferta de transporte está siendo bien recibida por los usuarios: en el primer año después de su introducción, se alcanzó la marca de 200 millones de pasajeros. Los expertos esperan que las emisiones de CO2 generadas por la construcción de la línea se compensen en tan solo diez años, como resultado del esperado cambio en el transporte gracias a la atractiva oferta. La arquitectura moderna de las estaciones y el funcionamiento confiable y fluido de los trenes gracias al control automático con CBTC han contribuido a que la Elizabeth Line ya sea una de las atracciones más populares en la metrópoli británica.

También se han establecido en gran medida las condiciones para operaciones automatizadas en Thameslink. Por ejemplo, la infraestructura está equipada con tecnología ETCS. Entre las estaciones St. Pancras y London Bridge, Siemens Mobility ha instalado adicionalmente un sistema ATO que el operador ha utilizado hasta ahora en el estado GoA 2: el conductor del tren supervisa el embarque y desembarque de los pasajeros y cierra las puertas. Luego, presiona un botón amarillo para iniciar el ATO. Un botón rojo “Parada de ATO” permite volver al control del conductor en cualquier momento.

Los proyectos de ATO también están a punto de hacerse realidad en Alemania. El proyecto “Digital S-Bahn” en Hamburgo está avanzado en su fase de prueba. Desde hace unos dos años, cuatro trenes de motor circulan en servicio regular en el trayecto de 23 kilómetros de la línea S 21 entre Hamburgo-Bergedorf y la estación de tren S-Bahn Berliner Tor. Arrancar, acelerar, conducir, desacelerar, frenar y parar: todas las funciones son controladas y supervisadas por ordenador. El conductor del tren está presente, pero solo interviene en caso de irregularidades y se hace cargo de la conducción en el resto del trayecto de la S-Bahn.

Para este proyecto piloto, galardonado con el Premio alemán de Movilidad, que Siemens Mobility ha realizado en colaboración con Deutsche Bahn y la ciudad hanseática de Hamburgo en el marco de la iniciativa ferroviaria “Digital Rail Germany”, se ha equipado la línea con la tecnología de supervisión ETCS. Por ello, los expertos hablan de “ATO sobre ETCS”. También se incluye el movimiento automático de maniobras totalmente automatizado (GoA 4) en la estación terminal de Bergedorf/ Aumühle: los trenes circulan completamente sin pasajeros en unos 1.000 metros. Este proyecto sirve para preparar la transición completa de la red de S-Bahn de Hamburgo, que cuenta con 69 estaciones y transporta diariamente a 750.000 pasajeros, a la operación automática digital. Otro proyecto en el sector ferroviario principal en Alemania es la renovación de la S-Bahn de Múnich, para la cual Siemens Mobility suministrará 80 trenes nuevos que también estarán equipados con tecnología ATO y ETCS para la operación automática.

También en el caso de los metros, el desarrollo avanza. La empresa de transporte público de Hamburgo, Hochbahn, planea operar su línea U5 de forma totalmente automática (GoA 4). Durante los momentos de mayor afluencia de pasajeros, será posible tener trenes cada 90 segundos. Algo nuevo para los pasajeros en las estaciones de metro alemanas: se instalarán puertas en los andenes, como en otros sistemas de metro sin conductor en todo el mundo. Estas puertas se abrirán solo cuando el tren se detenga y sus puertas ya estén abiertas.

Una mirada a Frankfurt am Main

La realidad es que no solo se están equipando líneas individuales, sino redes completas en rutas subterráneas para la operación ATO. Uno de los proyectos ambiciosos que actualmente está siendo implementado por la compañía de transporte local VGF en la ciudad de Frankfurt am Main. En los próximos años, se digitalizará y automatizará la tecnología de control y seguridad de la red de tranvía subterránea utilizando el sistema CBTC. Es un gran contrato en el que Siemens Mobility implementará los componentes digitales para el ATO en la infraestructura y los vehículos. En comparación con los sistemas de metro tradicionales, el proyecto de Frankfurt tiene una complejidad aún mayor, lo que resalta las oportunidades de la operación controlada por computadora. La red de VGF no es completamente cerrada, sino que en muchos puntos del sistema los trenes cambian de túnel a la superficie y se integran al tráfico de tranvías en las calles.

Esta es una situación típica que se encuentra en muchos sistemas de tranvía parcialmente subterráneos en las grandes ciudades alemanas. Para ello, se requerirá un “Digital Train Control System Frankfurt” (DTC) más avanzado, que debe integrarse en el sistema de control de tráfico urbano en construcción llamado MIND (Multimodal, Inteligente, Sostenible, Digital). Una coordinación fiable entre la operación CBTC y un sistema de control V2X (Vehicle to Infrastructure) en la superficie garantizará que los trenes no se queden atascados en el tráfico después de un rápido viaje por el túnel y que tengan prioridad sobre el tráfico de automóviles en los cruces.

De esta manera, la digitalización también alcanzará la operación de tranvía de Frankfurt en los próximos años. Después de convertir nueve líneas de metro a la operación ATO a partir de 2025, VGF también planea convertir las diez líneas de tranvía al sistema de señalización digital DTC, prescindiendo así de los dispositivos de señalización fijos.

Una mirada a Potsdam

Esto crea un sistema de control y seguridad integral para toda la red ferroviaria de VGF con diversas capacidades de control e intervención. Sin embargo, la idea de operar trenes de forma autónoma al nivel de ATO en medio o incluso en los límites del tráfico urbano aún tiene un largo camino por recorrer. Esto se evidencia en las experiencias que Siemens Mobility ha recopilado junto con los operadores de transporte en Potsdam (ViP). Durante varios años, se han realizado extensas pruebas de conducción autónoma sin conductor utilizando un tranvía del tipo Combino. Para esto, se utilizaron sistemas de sensores (radar, lidar y cámaras) similares a los utilizados en las pruebas de conducción autónoma de automóviles. Ya se han obtenido resultados importantes y se está trabajando en su desarrollo continuo. Por lo tanto, es necesario ajustar el algoritmo, ya que la variedad de situaciones de tráfico en la perspectiva de un tranvía es completamente diferente a la de un vehículo de motor.

Por otro lado, la situación es diferente cuando las automatizaciones se limitan a áreas cerradas, similares a las redes de transporte subterráneas e inaccesibles. Desde hace mucho tiempo, el estado de la técnica es que los trenes subterráneos en sus estaciones terminales realizan el “cambio de sentido” para el próximo servicio de forma totalmente automática, sin conductor, como en el proyecto piloto del S-Bahn de Hamburgo. En colaboración con ViP, Siemens Mobility desarrolló prototípicamente, en el marco del proyecto “AStriD” (Tranvía Autónomo en el Depósito) financiado por el BMDV, una automatización del depósito con un tranvía autónomo. La viabilidad técnica se demostró con trayectos de servicio autónomos, como por ejemplo, a través de un lavadero hacia una vía de estacionamiento. Así, Siemens dará el primer paso hacia la conducción autónoma del tranvía al hacer que la automatización del depósito sea comercialmente utilizable y ayudará a los operadores a reducir los procesos de servicio y maniobra intensivos en tiempo y mano de obra en el patio de operaciones. El depósito digital ofrece soluciones para los flujos de trabajo que ganarán importancia debido a la creciente escasez de personal.

Con la evolución digital de los sistemas de control y seguridad, Siemens Mobility, como líder mundial del mercado, permite la implementación generalizada de sistemas ferroviarios (totalmente) automáticos en el transporte público y, de esta manera, contribuye de manera decisiva a la configuración de un transporte ferroviario atractivo y sostenible en el futuro. Solo con un transporte público sostenible podemos mejorar el balance de CO2 del tráfico urbano y, por lo tanto, combatir eficazmente la amenaza del cambio climático.

Esta entrevista aparece publicada en el nº 556 de Automática e Instrumentación págs. 42 y 46.