Keď sa na začiatku 19. storočia vo Veľkej Británii začali stavať prvé železnice, len málokto predpokladal taký mohutný rozmach tohto spôsobu dopravy v ďalších rokoch. Železnica sa v mnohých krajinách sveta stala nosným dopravným systémom a ľudia si už cestovanie a prepravu nákladov bez nej ani nedokážu predstaviť.
Moderné riadiace systémy využívajú výkonné počítače, počítačové siete a špičkové komunikačné systémy, aby mohli bezpečne riadiť vlaky jazdiace rýchlosťou vyššou ako 200 km/h.
Intenzívny rozvoj železničnej dopravy postupne priniesol aj negatíva. Jedným z nich boli železničné nehody. Stále častejšie dochádzalo k zrážkam vlakov v staniciach aj mimo staníc alebo k vykoľajeniu vlakov na výhybkách v stanici. Spoločným menovateľom väčšiny železničných nehôd bolo zlyhanie človeka.
Železničné zabezpečovacie systémy
Krátko po sprevádzkovaní železnice sa začali budovať aj pracoviská na riadenie a koordinovanie pohybu vlakov. Riadiace a signalizačné zariadenia sa postupne prepájali, pričom nové zariadenia sa konštruovali tak, aby sa minimalizoval vplyv chýb obsluhujúceho personálu na bezpečnosť pohybu vlakov. Vznikli riadiace systémy, pre ktoré sa na Slovensku vžilo pomenovanie železničné zabezpečovacie systémy.
V súčasnosti sa na riadenie železničnej dopravy používajú riadiace systémy využívajúce špecializované počítače, počítačové siete a moderné komunikačné systémy. Použitie takýchto riadiacich systémov je nevyhnutnou podmienkou prevádzkovania vysokorýchlostných vlakov, ktoré bežne jazdia rýchlosťami vyššími ako 200 km/h.
Bezpečnosť riadiacich systémov
Na bezpečnosť riadiacich systémov možno nazerať z dvoch pohľadov. Prvým hľadiskom je bezpečná funkcia riadiaceho systému. Od riadiaceho systému sa vyžaduje, aby pri riadení pohybu vlakov dovolil operátorovi vykonať len také úkony, pri ktorých pohyb vlaku neohrozí bezpečnosť. Riadiaci systém teda kontroluje ľudí riadiacich pohyb vlakov, či sú ich príkazy v danej dopravnej situácii bezpečné. Ide napríklad o to, aby výpravca v železničnej stanici omylom nevydal príkaz na vjazd vlaku na obsadenú staničnú koľaj, na súčasnú jazdu viacerých vlakov cez rovnaké výhybky, príkaz na prestavenie výhybky tesne pred idúcim vlakom, či dokonca pod vlakom alebo iné príkazy, dôsledkom ktorých by mohla byť zrážka vlakov, ich vykoľajenie alebo iná nehoda.
Funkčná bezpečnosť
Riadiace systémy preto kontrolujú príkazy, ktoré vydávajú operátori systémov a vykonajú ich len vtedy, keď vykonanie príkazu neohrozuje bezpečnosť. Tzv. funkčná bezpečnosť je teda vložená do riadiacich algoritmov. Algoritmy, ktoré realizujú riadiace funkcie, musia byť zostavené tak, aby chyba človeka obsluhujúceho riadiaci systém nemohla viesť k vzniku nebezpečnej situácie.
Mechanické systémy
V začiatkoch budovania železničných zabezpečovacích systémov sa riadiace systémy konštruovali s použitím mechanických prvkov. Aby sa mohol vykonať príkaz operátora, bolo treba splniť nejakú mechanicky kontrolovanú podmienku – človek mohol obslúžiť ovládací prvok zariadenia len vtedy, keď predtým vykonal všetky predpísané úkony. Napríklad výpravca mohol vydať príkaz na jazdu vlaku až potom, keď ovládacie páky všetkých výhybiek, po ktorých sa mal vlak pohybovať, boli prestavené do správnej polohy a v tejto polohe boli zablokované. Človek v čase, keď mal vlak prechádzať cez výhybky, nemohol svojvoľne preložiť tieto páky, a tým prestavovať výhybky. Konštrukcia zariadenia umožnila zrušenie blokovania ovládacích pák výhybiek až potom, keď vlak prešiel cez všetky zablokované výhybky. Systémy s mechanickou kontrolou splnenia podmienok pre bezpečnú jazdu vlaku sa začali konštruovať už v polovici 19. storočia.
Reléové zariadenia
Na prelome 19. a 20. storočia prišli do praxe železníc zariadenia, ktoré podmienky funkčnej bezpečnosti zabezpečovali a kontrolovali elektrickou cestou pomocou elektrických prvkov rozličných konštrukcií. Jednotlivé bezpečnostné podmienky sa v tomto prípade kontrolujú v elektrických obvodoch zabezpečovacích zariadení. Typickým stavebným prvkom takýchto elektrických zariadení je elektromechanické relé. Ide o zariadenie zabezpečujúce spínanie alebo prerušenie elektrických obvodov. Na Slovensku možno nájsť množstvo zabezpečovacích zariadení založených na tzv. reléovej logike. Reléové zariadenia v súčasnosti riadia jazdu vlakov napríklad v Žiline, vo Vrútkach či na bratislavskej hlavnej stanici. Ide o najrozšírenejšie železničné zabezpečovacie systémy na Slovensku.
Elektronika a počítače
S príchodom elektroniky a výpočtovej techniky sa konštruktéri začali venovať aj vývoju zabezpečovacích systémov využívajúcich spočiatku diskrétne a integrované polovodičové prvky, neskôr aj rôzne konštrukcie počítačov. Nástup počítačov do zabezpečovacej techniky bol opatrný, v súčasnosti však už počítače ovládli aj túto oblasť. Algoritmy funkčnej bezpečnosti sa v prípade počítačových elektronických systémov realizujú programovo.
Keď sa pokazí riadiaci systém
Dôležitým pohľadom na bezpečnosť riadiacich systémov je hodnotenie ich správania v prípade poruchy. Pri 
prevádzke akéhokoľvek riadiaceho systému musíme totiž predvídať aj pokazenie samotného systému. Napríklad v prípade mechanického blokovania ovládacích prvkov musíme predpokladať, že sa môže odlomiť blokovacie zariadenie a ovládacia páka výhybky sa preloží práve v čase, keď prechádza cez ňu vlak a ten sa môže vykoľajiť. Ak ide o elektrické zariadenia, musíme počítať so vznikom poruchy v elektrickom obvode – napríklad k neočakávanému prerušeniu obvodu alebo spojeniu v mieste, kde sme to neočakávali. Dôsledkom takejto poruchy opäť môže byť vznik nebezpečnej situácie. Analogicky musíme očakávať poruchy aj v prípade elektronických systémov s programovo realizovanými riadiacimi a bezpečnostnými funkciami. V prípade týchto systémov je problém o to zložitejší, že porucha sa môže objaviť v hardvéri, ale aj v programovom vybavení počítača. Poruchou technického vybavenia môže byť napríklad chyba pamäte, základnej dosky počítača, komunikačných jednotiek počítača či vstupno-výstupných jednotiek. Porucha v ľubovoľnej časti hardvéru (napríklad chybná zmena hodnoty premennej uloženej v pamäti) môže navodiť nebezpečný stav a ohroziť bezpečnosť. Programová chyba môže byť chyba v operačnom systéme, ktorá sa spravidla prejaví nesprávnou činnosťou hardvéru, ale môže to byť aj chyba, ktorej sa dopustil programátor pri programovaní aplikačného programového vybavenia riadiaceho systému. Takáto chyba sa prejaví nesprávnym vyhodnotením vstupov a nesprávnou reakciou riadiaceho systému.
Technická bezpečnosť
Problematike bezpečnosti riadiacich systémov sa venuje tzv. technická bezpečnosť, ktorá sa zaoberá vznikom porúch, ich včasným odhalením a bezpečnou reakciou riadiaceho systému na vznik poruchy. Poruchy technických zariadení sa predvídajú veľmi ťažko, pretože obvykle vznikajú náhodne. V rôznych konštrukciách zabezpečovacích systémov sa preto používajú rôzne mechanizmy na odhalenie vzniku poruchy alebo ich predchádzanie.
Technika vlastnej bezpečnosti
Konštruktéri mechanických zabezpečovacích zariadení predchádzali poruchám výrazným predimenzovaním mechanických častí. Jednotlivé konštrukčné celky obvykle z pevnej ocele boli predimenzované, čím sa minimalizovala možnosť ich náhodného poškodenia. Ani mimoriadne silný človek nedokázal prekonať blokovacie mechanizmy, ak to v danej chvíli nebolo dovolené. V prípade takéhoto prístupu k riešeniu technickej bezpečnosti hovoríme o použití tzv. techniky vlastnej bezpečnosti – teda stavebné prvky riadiaceho systému sú konštruované tak, že pravdepodobnosť vzniku nebezpečnej poruchy samotná konštrukcia znižuje na minimum.
Technika vlastnej bezpečnosti sa používa aj v prípade elektrických zabezpečovacích zariadení využívajúcich elektromechanické relé. Používané súčiastky – relé, sú predimenzované a v ich konštrukcii sa využívajú konštrukčné prvky, minimalizujúce pravdepodobnosť vzniku poruchy. Okrem konštrukčných úprav relé sa aj elektrické obvody zostavujú tak, aby požadovanú funkciu realizovali bezpečne a prípadná porucha sa prejavila v ďalšej činnosti zariadenia a zabezpečila bezpečnú prevádzku vlakov.
Technika reakčnej bezpečnosti
Použitie špeciálnych bezpečných stavebných prvkov je však nákladné. Preto mnohí výrobcovia volia iné techniky zaistenia bezpečnosti, ktoré im umožňujú používať komerčne dostupné, a teda lacnejšie komponenty. Pretože tieto stavebné prvky nemajú bezpečnú reakciu pri poruche, je pri ich použití potrebné obvody zostavovať tak, aby sa kontrolovala činnosť prvkov v obvode. To sa dosahuje pomocou techniky reakčnej bezpečnosti pri poruche. Pri použití tejto techniky sa do riadiaceho systému doplní kontrolný obvod (diagnostický systém), ktorý kontroluje správanie systému. Kontrolný obvod porovnáva vydané príkazy so spätnými signálmi snímanými z riadeného objektu a v prípade výskytu poruchy zabezpečí prechod riadiaceho systému do vopred definovaného bezpečného stavu a odpojí riadené objekty (napríklad výhybky) od riadiaceho systému.
Technika zloženej bezpečnosti pri poruche
Pre aplikácie, pri ktorých sa kladú vyššie požiadavky na dosiahnutú úroveň bezpečnosti, sa prednostne používa technika zloženej bezpečnosti pri poruche. Táto technika využíva dva alebo viaceré navzájom nezávislé riadiace systémy, ktoré spracovávajú informácie o riadených objektoch a nastavujú výstupy. Výstupy riadiacich systémov sa porovnávajú a výstupný príkaz sa prenesie na riadené objekty len vtedy, keď sa riadiace systémy na príkaze zhodnú.
Väčšia bezpečnosť, vyššia cena
Používanie techník na zvýšenie bezpečnosti riadiacich systémov však tieto systémy komplikuje a zvyšuje ich cenu. Výrobcovia systémov pred ich uvedením do rutinnej prevádzky musia nezávislému posudzovateľovi preukázať bezpečnosť systému a splnenie medzinárodných a národných požiadaviek na bezpečnosť. To ďalej zvyšuje náklady na vývoj a výrobu zabezpečovacích systémov. Použitie takýchto riadiacich systémov je však nevyhnutnou podmienkou bezpečnej prevádzky vlakov, ktoré jazdia čoraz vyššími rýchlosťami.
Autor: Ing. Peter Nagy, PhD., Katedra riadiacich a informačných systémov, EF Žilinská univerzita v Žiline
Foto: Autor; pixabay
Viac sa dočítate v časopise Quark (číslo 10/2015).
Uverejnila: ZČ