Railway Capacity Enhancement with Modern Signalling Systems – A Literature Review

In times of ever stronger awareness of environmental protection and potentiation of a beneficial modal split, the railway sector with efficient asset utilization and proper investment planning has the highest chance of meeting customer expectations and attracting new users more effectively. Continuous increase in railway demand leads to an increase in the utilization of railway infrastructure, and the inevitable lack of capacity, a burning problem that many national railways are continually facing. To address it more effectively, this paper reviews available methodologies for railway capacity determination and techniques for its enhancement in the recent scientific literature. Particular focus is given to the possibility of increasing railway capacity through signalling systems and installing the European Train Control System (ETCS). The most important relationships with segments of existing research have been identified, and in line with this, the directions for a potential continuation of research are suggested

Performability evaluation of the ERTMS/ETCS - Level 3

Abstract Level 3 of the ERTMS/ETCS improves the capacity of railways by replacing fixed-block signalling, which prevents a train to enter a block occupied by another train, with moving block signalling, which allows a train to proceed as long as it receives radio messages ensuring that the track ahead is clear of other trains. If messages are lost, a train must stop for safety reasons within a given deadline, even though the track ahead is clear, making the availability of the communication link crucial for successful operation. We combine analytic evaluation of failures due to burst noise and connection losses with numerical solution of a non-Markovian model representing also failures due to handovers between radio stations. In so doing, we show that handovers experienced by a pair of chasing trains periodically affect the availability of the radio link, making behavior of the overall communication system recurrent over the hyper-period of periodic message releases and periodic arrivals at cell borders. As a notable aspect, non-Markovian transient analysis within two hyper-periods is sufficient to derive an upper bound on the first-passage time distribution to an emergency brake, permitting to achieve a trade-off between railway throughput and stop probability. A sensitivity analysis is performed with respect to train speed and headway distance, permitting to gain insight into the consequences of system-level design choices

The effect of infrastructure changes on railway operations.

This paper makes use of standard simulation programs in combination with the tools of applied statistics to simulate railway operations. The purpose of the use of this tool is to evaluate and compare different possible kinds of railway infrastructure, like different types of signaling procedures, different network configuration or operational procedures. A railway system is a logistic network and because of the demand for improved railway operation, much work has been undertaken lately in this scientific field. However the author postulates the hypothesis based on a literature review that in a lot of these works there is a lack of full application of statistics. With this paper the author makes use of standard simulation programs for detailed simulation of railway operation especially with respect to the signaling and operation procedures. Additionally the influence of delays, which occur during real life railway operation is taken into account for a first time. This allows statistical evaluation of the results based on statistical significance. Also sensitivity analysis could be performed. It is demonstrated, that the results of such simulation runs show superior results when compared to other techniques not taking into account the variability. Additionally, procedures were developed to find the capacity of a railway network with the help of additional software tools. In this work the software package ARENA is used to simulate the operation of trains in railway networks. For this approach two major obstacles have to be solved: the simulation of train travelling times and the simulation of block rules used in railway operation. By introduction of visualization the confidence in the results of simulation, even for stakeholders not familiar with this technique, is increased. In this paper it is shown that with ARENA it is possible to calculate the capacity of different railway networks (scenarios). The results, which are calculated using quasi steady state simulation without variation, are similar to those obtained with other calculation methods. Additionally in one scenario the rule of thumb for the quotient between theoretical capacity and practical capacity in a railway network is confirmed by simulation including random variation. It is also demonstrated that OptQuest, an additional software package available for ARENA, is a suitable tool to find near optimal timetables in a scenario including delays. The results of this work may be not only of interest for railway operators, but also for operators of other automated transport systems. Such systems may be unmanned transport vehicles in a factory, transporting goods between different manufacturing stations. But also for automation of road traffic the results may be of interest

Workshop on Modelling of Objects, Components, and Agents, Aarhus, Denmark, August 27-28, 2001

This booklet contains the proceedings of the workshop Modelling of Objects, Components, and Agents (MOCA'01), August 27-28, 2001. The workshop is organised by the CPN group at the Department of Computer Science, University of Aarhus, Denmark and the "Theoretical Foundations of Computer Science" Group at the University of Hamburg, Germany. The papers are also available in electronic form via the web pages: http://www.daimi.au.dk/CPnets/workshop01

Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation vonSchaltungen und Systemen: MBMV 2015 - Tagungsband, Chemnitz, 03. - 04. März 2015

Der Workshop Methoden und Beschreibungssprachen zur Modellierung und Verifikation von Schaltungen und Systemen (MBMV 2015) findet nun schon zum 18. mal statt. Ausrichter sind in diesem Jahr die Professur Schaltkreis- und Systementwurf der Technischen Universität Chemnitz und das Steinbeis-Forschungszentrum Systementwurf und Test. Der Workshop hat es sich zum Ziel gesetzt, neueste Trends, Ergebnisse und aktuelle Probleme auf dem Gebiet der Methoden zur Modellierung und Verifikation sowie der Beschreibungssprachen digitaler, analoger und Mixed-Signal-Schaltungen zu diskutieren. Er soll somit ein Forum zum Ideenaustausch sein. Weiterhin bietet der Workshop eine Plattform für den Austausch zwischen Forschung und Industrie sowie zur Pflege bestehender und zur Knüpfung neuer Kontakte. Jungen Wissenschaftlern erlaubt er, ihre Ideen und Ansätze einem breiten Publikum aus Wissenschaft und Wirtschaft zu präsentieren und im Rahmen der Veranstaltung auch fundiert zu diskutieren. Sein langjähriges Bestehen hat ihn zu einer festen Größe in vielen Veranstaltungskalendern gemacht. Traditionell sind auch die Treffen der ITGFachgruppen an den Workshop angegliedert. In diesem Jahr nutzen zwei im Rahmen der InnoProfile-Transfer-Initiative durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekte den Workshop, um in zwei eigenen Tracks ihre Forschungsergebnisse einem breiten Publikum zu präsentieren. Vertreter der Projekte Generische Plattform für Systemzuverlässigkeit und Verifikation (GPZV) und GINKO - Generische Infrastruktur zur nahtlosen energetischen Kopplung von Elektrofahrzeugen stellen Teile ihrer gegenwärtigen Arbeiten vor. Dies bereichert denWorkshop durch zusätzliche Themenschwerpunkte und bietet eine wertvolle Ergänzung zu den Beiträgen der Autoren. [... aus dem Vorwort

Towards the Internet of Smart Trains: A Review on Industrial IoT-Connected Railways

[Abstract] Nowadays, the railway industry is in a position where it is able to exploit the opportunities created by the IIoT (Industrial Internet of Things) and enabling communication technologies under the paradigm of Internet of Trains. This review details the evolution of communication technologies since the deployment of GSM-R, describing the main alternatives and how railway requirements, specifications and recommendations have evolved over time. The advantages of the latest generation of broadband communication systems (e.g., LTE, 5G, IEEE 802.11ad) and the emergence of Wireless Sensor Networks (WSNs) for the railway environment are also explained together with the strategic roadmap to ensure a smooth migration from GSM-R. Furthermore, this survey focuses on providing a holistic approach, identifying scenarios and architectures where railways could leverage better commercial IIoT capabilities. After reviewing the main industrial developments, short and medium-term IIoT-enabled services for smart railways are evaluated. Then, it is analyzed the latest research on predictive maintenance, smart infrastructure, advanced monitoring of assets, video surveillance systems, railway operations, Passenger and Freight Information Systems (PIS/FIS), train control systems, safety assurance, signaling systems, cyber security and energy efficiency. Overall, it can be stated that the aim of this article is to provide a detailed examination of the state-of-the-art of different technologies and services that will revolutionize the railway industry and will allow for confronting today challenges.Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED431C 2016-045Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED341D R2016/012Galicia. Consellería de Cultura, Educación e Ordenación Universitaria; ED431G/01Agencia Estatal de Investigación (España); TEC2013-47141-C4-1-RAgencia Estatal de Investigación (España); TEC2015-69648-REDCAgencia Estatal de Investigación (España); TEC2016-75067-C4-1-

MP-CFM: MPTCP-Based communication functional module for next generation ERTMS

184 p. El contenido de los capítulos 4,5,6,7,8 y 9 está sujeto a confidencialidadEl Sistema Europeo de Gestión del Tráfico Ferroviario (ERTMS, por sus siglasen inglés), fue originalmente diseñado para los ferrocarriles europeos. Sinembargo, a lo largo de las dos últimas décadas, este sistema se ha convertidoen el estándar de-facto para los servicios de Alta Velocidad en la mayoría depaíses desarrollados.El sistema ERTMS se compone de tres subsistemas principales: 1) el Sistemade Control Ferroviario Europeo (ETCS, por sus siglas en inglés), que actúacomo aplicación de señalización; 2) el sistema Euroradio, que a su vez estádividido en dos subsistemas, el Módulo de Seguridad Funcional (SFM, porsus siglas en inglés), y el Módulo de Comunicación Funcional (CFM, porsus siglas en inglés); y 3) el sistema de comunicaciones subyacente, GSM-R,que transporta la información intercambiada entre el sistema embarcado enel tren (OBU, por sus siglas en inglés) y el Centro de Bloqueo por Radio(RBC, por sus siglas en inglés). El sistema de señalización ETCS soporta tresniveles dependiendo del nivel de prestaciones soportadas. En el nivel 3 seintroduce la posibilidad de trabajar con bloques móviles en lugar de bloquesfijos definidos en la vía. Esto implica que la distancia de avance entre dos trenesconsecutivos puede ser reducida a una distancia mínima en la que se garanticela seguridad del servicio, aumentando por tanto la capacidad del corredorferroviario. Esta distancia de seguridad viene determinada por la combinaciónde la distancia de frenado del tren y el retraso de las comunicaciones deseñalización. Por lo tanto, se puede afirmar que existe una relación directaentre los retrasos y la confiabilidad de las transmisiones de las aplicaciones deseñalización y la capacidad operacional de un corredor ferroviario. Así pues,el estudio y mejora de los sistemas de comunicaciones utilizados en ERTMSjuegan un papel clave en la evolución del sistema ERTMS. Asimismo, unaoperatividad segura en ERTMS, desde el punto de vista de las comunicacionesimplicadas en la misma, viene determinada por la confiabilidad de lascomunicaciones, la disponibilidad de sus canales de comunicación, el retrasode las comunicaciones y la seguridad de sus mensajes.Unido este hecho, la industria ferroviaria ha venido trabajando en ladigitalización y la transición al protocolo IP de la mayor parte de los sistemasde señalización. Alineado con esta tendencia, el consorcio industrial UNISIGha publicado recientemente un nuevo modelo de comunicaciones para ERTMSque incluye la posibilidad, no solo de operar con el sistema tradicional,basado en tecnología de conmutación de circuitos, sino también con un nuevosistema basado en IP. Esta tesis está alineada con el contexto de migraciónactual y pretende contribuir a mejorar la disponibilidad, confiabilidad yseguridad de las comunicaciones, tomando como eje fundamental los tiemposde transmisión de los mensajes, con el horizonte puesto en la definición deuna próxima generación de ERTMS, definida en esta tesis como NGERTMS.En este contexto, se han detectado tres retos principales para reforzar laresiliencia de la arquitectura de comunicaciones del NGERTMS: 1) mejorarla supervivencia de las comunicaciones ante disrupciones; 2) superar laslimitaciones actuales de ERTMS para enviar mensajes de alta prioridad sobretecnología de conmutación de paquetes, dotando a estos mensajes de un mayorgrado de resiliencia y menor latencia respecto a los mensajes ordinarios; y3) el aumento de la seguridad de las comunicaciones y el incremento de ladisponibilidad sin que esto conlleve un incremento en la latencia.Considerando los desafíos previamente descritos, en esta tesis se proponeuna arquitectura de comunicaciones basada en el protocolo MPTCP, llamadaMP-CFM, que permite superar dichos desafíos, a la par que mantener laretrocompatibilidad con el sistema de comunicaciones basado en conmutaciónde paquetes recientemente propuesto por UNISIG. Hasta el momento, esta esla primera vez que se propone una arquitectura de comunicaciones completacapaz de abordar los desafíos mencionados anteriormente. Esta arquitecturaimplementa cuatro tipos de clase de servicio, los cuales son utilizados porlos paquetes ordinarios y de alta prioridad para dos escenarios distintos; unescenario en el que ambos extremos, el sistema embarcado o OBU y el RBC,disponen de múltiples interfaces de red; y otro escenario transicional en el cualel RBC sí tiene múltiples interfaces de red pero el OBU solo dispone de unaúnica interfaz. La arquitectura de comunicaciones propuesta para el entornoferroviario ha sido validada mediante un entorno de simulación desarrolladopara tal efecto. Es más, dichas simulaciones demuestran que la arquitecturapropuesta, ante disrupciones de canal, supera con creces en términos derobustez el sistema diseñado por UNISIG. Como conclusión, se puede afirmarque en esta tesis se demuestra que una arquitectura de comunicaciones basadade MPTCP cumple con los exigentes requisitos establecidos para el NGERTMSy por tanto dicha propuesta supone un avance en la evolución del sistema deseñalización ferroviario europeo