W gospodarce wielu krajów koleje spełniają istotną funkcję. Dlatego ich bezpieczeństwo ma ogromne znaczenie, a wszelkie incydenty mogą mieć poważne konsekwencje ekonomiczne.

Na świecie położono ponad 1 mln km torów, co wystarczyłoby do okrążenia Ziemi ponad 30 razy. Nic dziwnego, że znaczenie kolei jest tak duże. Nie tylko zapewnia transport ludzi, ale także odgrywa kluczową rolę w handlu i gospodarce. Bezpieczeństwo kolei jest podstawowym elementem związanej z nimi działalności operacyjnej.

W ubiegłym roku doszło do wielu poważnych wypadków kolejowych, w niektórych zginęli ludzie. Większość tych tragedii była następstwem wykolejenia się pociągów, a przyczyną wypadków był najczęściej błąd człowieka, nieprawidłowe działanie lub defekt torów. Są jednak także przykłady zaplanowanych ataków, takich jak ten z marca 2017 r., którego celem był pociąg Bhopal–Ujjain Passenger w Indiach. Na początku ubiegłego roku instytut Middle East Media Research z siedzibą w Waszyngtonie ujawnił i przetłumaczył poradnik Al-Kaidy wyjaśniający, jak własnoręcznie skonstruować urządzenie służące do wykolejania pociągów. Publikacja zawierała także przewodnik dla terrorystów po sieciach kolejowych w USA i Europie.

W zapobieganiu incydentom – zarówno przypadkowym, jak i zaplanowanym – szczególnie istotne staje się zabezpieczenie kolei i dostarczenie wiedzy przewoźnikom o sytuacji na torach.

Wyzwania
Monitorowanie torów kolejowych i związanej z nimi infrastruktury nie jest łatwe. Zdaniem Emina Simseka, dyrektora ds. rozwoju biznesu w regionie EMEA (Europa, Bliski Wschód i Afryka) w firmie Bosch Security Systems, wyzwania dotyczące bezpieczeństwa kolei można podzielić wg ich ograniczeń konstrukcyjnych i operacyjnych.

Na koleje składają się różnego typu struktury, takie jak stacje kolejowe, bocznice, tunele oraz obiekty techniczne, w tym zajezdnie, magazyny i budynki nieobsługiwane przez ludzi. Bocznica, tunel albo otwarta linia to konkretne przestrzenie. Trzeba też brać pod uwagę różne warunki środowiskowe czy takie struktury, jak przejścia nad i pod torami, a także tunele. Decydują one o wyborze środków, jakie powinny być zastosowane. Duża złożoność systemu na większych obszarach to konieczność spełnienia różnorodnych wymagań i potrzeba integracji wielu środków – wyjaśnia Emin Simsek.

Zadanie skomunikowania obszarów zaludnionych powinno zakładać również łatwy dostęp do kolei. Prowadzi to do zwiększenia liczby pasażerów, przewoźnicy muszą więc znaleźć równowagę pomiędzy efektywnością i dodatkowym wykorzystaniem istniejących systemów a funkcjami prewencji wdrożonych systemów. W tych warunkach łatwość działania dotyczy zagadnień instalacji, utrzymania, dodatkowego sprzętu lub koniecznego oprogramowania, w aspekcie czasu serwisowania i prostoty obsługi.

Wobec ograniczeń fizycznych kolejnym wyzwaniem jest znalezienie sposobu na obsługę większej liczby pasażerów – nie można po prostu powiększyć stacji. Tym samym liczba urządzeń brzegowych, takich jak kamery i czujniki, pozostaje ograniczona. Aby rozwiązać ten problem, rozważa się użycie inteligentniejszych kamer, integracji podsystemów i korelacji gromadzonych danych.
Inteligencja sama w sobie jest wyzwaniem. Trzeba odpowiedzieć na pytania, czy system generuje mniej fałszywych alarmów, czy łatwo skonfigurować lub skalibrować kamery, czy będzie można podczas dochodzenia przeszukać nagrania wg różnych kryteriów. Należy rozważyć problemy pod kątem percepcji człowieka. Jeśli zainstalowane rozwiązania nie spełniają kryteriów na określonym poziomie, operator może zaniechać użycia wielu funkcji albo przeoczyć alarmy generowane przez systemy.

Bezpieczniejsza kolej
Warunki na kolei nieustannie się zmieniają. Problemem systemów monitoringu wizyjnego są zmienne warunki oświetleniowe i atmosferyczne. Z tym wyzwaniem można sobie poradzić, stosując promienniki podczerwieni, kamery typu bullet lub termowizyjne oraz korzystając z „inteligencji” w kamerach monitorujących strefę przytorową. W ten sposób urządzenia te stają się proaktywną częścią zastosowanego systemu security.

Technologia pozwala zmniejszyć ograniczenia monitoringu wizyjnego. Połączenie najnowszych przetworników obrazu z funkcją redukcji szumów zapewnia doskonałą czułość kamer. Poza tym kamera może identyfikować kilka incydentów, generując jednocześnie alarmy w trakcie ciągłej analizy obrazu w czasie rzeczywistym. Kamery wysyłające do operatora sygnały alarmu o krytycznych zdarzeniach stają się wirtualnym członkiem zespołu ochrony.

W odpowiedzi na zmienne warunki środowiskowe i strukturalne pojawił się duży wybór kamer, które mogą być zastosowane w każdych warunkach. Stosowane technologie umożliwiają rozróżnianie szczegółów obrazu nawet przy oświetleniu 0,0008 lx. Ponadto inteligentna analityka obrazu, wykorzystująca różne algorytmy, zapewnia wysoki poziom dokładności w obsłudze krytycznych aplikacji. Potrafi odróżnić faktyczne incydenty od typowych fałszywych alarmów generowanych w trudnych warunkach środowiskowych, jak śnieg, wiatr, deszcz, odblaski na wodzie i odległość, które mogą utrudniać interpretację obrazu.

Ochrona przed cyberatakami
Cyberataki często goszczą na czołówkach serwisów informacyjnych. Celem globalnych działań cyberprzestępców staje się wszystko – od osobistych informacji kredytowych po systemy ochrony zdrowia (a to zagraża życiu pacjentów). Wobec strat powodowanych przez ataki rośnie potrzeba stosowania skutecznych zabezpieczeń sieciowych.

Na początku ub.r. cyberataki uderzyły w niemieckiego przewoźnika kolejowego Deutsche Bahn oraz narodowy system kolei we Francji. Na szczęście incydenty te nie spowodowały poważnych strat materialnych, ale doprowadziły do chaosu i napędziły strachu. Ponieważ koleje stają się coraz bardziej inteligentne i zautomatyzowane, coraz częściej będą znajdować się na celowniku hakerów. Szacuje się, że wartość globalnego rynku inteligentnych kolei wzrośnie z 10,5 mld USD w 2016 r. do blisko 20,6 mld USD w 2021 r.

Koleje muszą więc uwzględniać zagrożenie atakami na systemy bezpieczeństwa. Urządzenia brzegowe muszą być zabezpieczone przed działaniami cyberprzestępców. Wprawdzie niezależne sieci są zaprojektowane pod kątem bezpieczeństwa, to i tak systemy SCADA czy NVR są narażone na różnego typu cyberataki. Dlatego należy rozważyć zabezpieczanie danych z kamer, jednostek nagrywających i innych urządzeń security.

Przyszłość w ochronie kolei
Bezpieczeństwo kolei musi uwzględniać każde zagrożenie, począwszy od ataków terrorystycznych i wykolejeń pociągów, skończywszy na wypadkach na przejazdach kolejowych. Dlatego należy stosować odpowiednie środki zapobiegające wszelkiego typu incydentom. Obecnie wdrażane są różne technologie mające zwiększyć ochronę sieci. Wykorzystuje się m.in. drony, które mogą kontrolować mniej dostępne i odległe rejony.
Można mieć nadzieję, że nowe technologie dadzą przewoźnikom i pracownikom kontroli ruchu lepszy obraz sytuacji na torach, a w przyszłości większe możliwości zapobiegania wypadkom.

Technologia zapobiega wypadkom kolejowym
Przyczyną wielu wypadków kolejowych są błędy człowieka. Czy technologia może im zapobiec?
Wykolejenia pociągów – zarówno osobowych, jak i towarowych – są, niestety, częstszym zjawiskiem, niż mogłoby się wydawać. W dziesiątkach poważnych wykolejeń na świecie giną rocznie tysiące osób. Tylko w ubiegłym roku do takich groźnych wypadków z ofiarami śmiertelnymi doszło m.in. w USA, Wielkiej Brytanii, Indiach, Grecji i Belgii. W celu ograniczenia liczby takich zdarzeń rządy na całym świecie wprowadzają nowe standardy i regulacje. Obejmują one implementację zaawansowanych technologii, które mają usprawnić zarządzanie kolejami i zwiększyć ich bezpieczeństwo.

PTC
W roku 2008 USA w celu zwiększenia bezpieczeństwa kolei przyjęły ustawę Rail Safety Improvement Act. Uchwalenie tego prawa nastąpiło po kolizji pociągu towarowego z kolejką podmiejską, do której doszło w Chatsworth, na przedmieściach Los Angeles. W wypadku zginęło 25 osób, a 100 zostało rannych. Część uchwalonego aktu dotyczyła technologii PTC (Positive Train Control), która miała być zainstalowana w sieciach kolei pasażerskich oraz towarowych pierwszej klasy do końca 2015 r. (termin zakończenia wdrożenia przesunięto następnie na rok 2018). Zgodnie z wytycznymi amerykańskiego Departamentu Transportu oraz Federalnej Administracji Kolei (FRA): PTC ma zostać zainstalowana i zaimplementowana na głównych liniach kolejowych oznaczonych jako Class I (roczny przewóz ponad 5 mln ton brutto), którymi przewozi się materiały trujące i niebezpieczne, a także na dowolnych głównych liniach służących do transportu pasażerów między miastami i w komunikacji podmiejskiej.

FRA szacuje, że wdrożenie obejmie niemal 97 tys. km torów i ok. 20 tys. lokomotyw.
Jak wynika z Rail Safety Improvement Act, wszystkie systemy PTC muszą niezawodnie i funkcjonalnie zapobiegać kolizjom pomiędzy pociągami, wykolejeniom z powodu nadmiernej prędkości, wjazdom na odcinki w remoncie czy kontynuowania jazdy pomimo zakazu. FRA zwraca uwagę, że systemy PTC powinny zapewniać także interoperacyjność, by wyposażone w PTC lokomotywy przejeżdżające przez tereny objęte działaniem innego PTC mogły się z tym systemem komunikować i odpowiednio reagować, co zapewni niezakłócony przejazd.
Wdrażaniu technologii PTC towarzyszą jednak problemy i głosy oponentów. Przykładowo, organizacja Association of American Railroads (AAR) wskazuje, że tego typu system wymaga bardzo złożonych technologii, potrafiących analizować i uwzględniać dużą liczbę zmiennych związanych z działaniem kolei. Ponadto technologia musi umożliwiać automatyczne i wiarygodne interpretowanie informacji i bezpieczne zatrzymanie pociągu. Przeciwnicy PTC wątpią, by technologia ta była na tyle zaawansowana i wyrafinowana, by móc efektywnie i wydajnie spełniać swoje zadania.

Kolejnym problemem jest koszt implementacji. Według obliczeń całkowity szacunkowy koszt rozwoju i wdrożenia PTC dla kolei towarowych wynosi 10,6 mld USD; dodatkowe 3,5 mld USD dołożą koleje pasażerskie. Te liczby nie uwzględniają kolejnych milionów dolarów, które każdego roku trzeba będzie wydać na utrzymanie systemu.
Bez względu na wątpliwości koleje amerykańskie muszą wdrożyć technologię PTC do końca tego roku (przy czym niektóre z nich, po spełnieniu określonych kryteriów, mogą liczyć na wydłużenie terminu do roku 2020).

Inteligentne bazy danych
Aby zwiększyć bezpieczeństwo, właściciele kolei i taboru mogą wykorzystywać informacje dostarczane przez technologie big data. Projekt Asset Health Strategic Initiative (AHSI) dotyczący amerykańskiej branży kolejowej zakłada budowę inteligentnej bazy danych uzyskiwanych poprzez monitorowanie kolei i stanu pociągów.

Dotychczas koleje w dużej mierze polegały na danych zbieranych przez detektory ulokowane na poboczach – rozwiązania znajdujące się przy torach monitorowały przejeżdżające składy, by określić, czy wybrany element (wyłącznie z ich obszaru serwisowania) wykazuje już oznaki zużycia. Niestety jednak, o ile pociągi (należące do różnych organizacji) regularnie przemieszczały się po wielu sieciach kolejowych, o tyle zbierane dane już nie były wymieniane. Tylko dana sieć dysponowała informacją, jak pociąg zachowywał się na jej torach. Dawało to niekompletny obraz, który spowalniał diagnozę potencjalnych problemów systemowych i opóźniał konieczną naprawę.
Dzięki agregacji punktów zbierania danych z amerykańskich sieci kolejowych oraz informacji od spółek i linii kolejowych utworzona inteligentna baza danych daje szansę na zapobieganie wypadkom. Stworzy pełny obraz sytuacji na torach.

Detekcja wykolejeń i pęknięć torów
Do najbardziej przeciążonych na świecie należą tory kolejowe w Indiach. To państwo przoduje też w tragicznych statystykach wypadków kolejowych. Tylko w ubiegłym roku doszło tam do kilku groźnych incydentów, m.in. zamachu bombowego. Poważnym problemem są też wykolejenia z dużą liczbą ofiar. W październiku 2016 r. wykoleił się pociąg pasażerski – zginęło 150 osób, rannych było dużo więcej. Był to najbardziej tragiczny wypadek kolejowy w tym kraju od 1999 r. Po tym zdarzeniu rząd indyjski zdecydował się zwiększyć nakłady na rozwój technologii, które mają zapobiec katastrofom.

Placówka naukowa Indian Institute of Technology Kanpur (IIT Kanpur) pracuje obecnie nad projektem urządzenia do detekcji wykolejeń w formie sprzętu pokładowego. Urządzenie będzie zintegrowane z mechanizmami hamulcowymi i ma pomóc ograniczyć straty, gdy pociąg traci kontakt z szynami.
Natomiast w Indian Institute of Technology Madras (IIT Madras) trwają prace nad rozwojem systemu do wykrywania pęknięć szyn. Do tej pory nie było rozwiązania do automatycznej detekcji tego rodzaju uszkodzeń – przewoźnicy mogą jedynie polegać na ultradźwiękowych testach szyn, przeprowadzanych co dwa miesiące przez ekipy specjalistów, oraz na raportach dostarczanych przez maszynistów. IIT Madras zamierza stworzyć system, dzięki któremu proces testowania ultradźwiękami będzie miał postać cyfrową.

Nadzieja w technologii
Powstało już wiele systemów i technologii, które mogą pomóc w zapobieganiu wypadkom kolejowym. Wraz z rozwojem technologicznym są one stale udoskonalane. Chociaż nie są w stanie zapobiec wszystkim katastrofom ani uchronić przed spontanicznymi bądź zaplanowanymi działaniami przestępczymi, to ich implementacja pomaga ograniczyć liczbę ofiar i podnieść poziom bezpieczeństwa na kolei.

Ekonomia sieci kolejowych
Kolej ułatwia transport towarów, ludzi i surowców. Z tego względu pełni kluczową funkcję w gospodarce.
USA, posiadając ponad 250 tys. km linii kolejowych, są liderem pod względem długości sieci kolejowej. Tylko w 2014 r. przekładało się to na 1,5 mln zatrudnionych na kolei i wynik finansowy przewozów towarowych rzędu 274 mld USD (dane z badania Towson University Regional Association of American Railroads, czerwiec 2016).

Chociaż Koleje Indyjskie stały się areną wielu tragicznych wypadków, to wciąż jest to jedna z najbardziej wykorzystywanych i nadmiernie eksploatowanych sieci kolejowych na świecie. Koleje są tam także jednym z największych pracodawców, zatrudniając ponad 1,3 mln osób. Co więcej, analiza domu maklerskiego JM Financial dowodzi, że w nadchodzących latach znaczące inwestycje w sektor kolejowy dałyby w obszarze PKB Indii efekt mnożnikowy rzędu 5,7 proc. Koleje odgrywają także bardzo ważną rolę w gospodarkach Rosji i Chin, do których należą dwie z największych sieci na świecie (po USA). Obie zatrudniają też rzesze pracowników – Koleje Rosyjskie blisko 1 mln, a Kolej Chińska ok. 2 mln. Sieci kolejowe w Rosji, USA i Chinach mają tak wielkie znaczenie także dlatego, że to trzy spośród czterech największych krajów na świecie.

BIG DATA pomocne w zapobieganiu wypadkom kolejowym
Koleje mogą czerpać korzyści z big data. Analityka wielkich zbiorów danych ma ogromny potencjał. Stosując złożone reguły do gromadzonych danych, przewoźnicy mogą rozwiązywać mniejsze problemy, zanim staną się one wielkimi.
Zgodnie z definicją American Association of Railroads (AAR), te złożone reguły to protokoły bezpieczeństwa tworzone na podstawie kombinacji czynników związanych z ryzykiem awarii elementu wyposażenia. Dotyczą one wielu możliwych problemów – od wadliwych hamulców po wyeksploatowane koła.

Tworzenie reguł jest możliwe dzięki istnieniu kolejowych „hurtowni danych”, które gromadzą już setki terabajtów informacji o wyposażeniu kolei. To więcej danych od setek milionów cyfrowych zdjęć. Aby przewozy towarowe stały się bezpieczniejsze, koleje muszą przewidzieć te rzadkie sytuacje, w których urządzenia lub tory ulegają awarii. Big data umożliwia zidentyfikowanie kombinacji tych czynników, które powodują problemy.

Organizacja AAR i poszczególne sieci kolejowe w USA rozpoczęły już definiowanie kombinacji defektów, które przełożą się na czynniki tworzące złożoną regułę. Przykładowo, awarii mogą ulec koła wagonu – dopuszcza się pewien poziom zużycia, ale ważne, by mały problem nie stał się wielkim. Może temu zapobiec analiza big data. Wyszukując kombinacje defektów, inżynierowie kontroli są w stanie wychwycić te czynniki, które powodują problemy eksploatacyjne.
AAR spodziewa się, że im więcej danych będą gromadzić koleje, tym więcej złożonych reguł będzie można opracować.