Traffic Conflict Detection and Resolution (CDR) in ERTMS System

This thesis addresses the conflict problem in railway traffic. Although the railway traffic management nowadays can partly be carried out by a traffic control system (or a traffic management system), the control system is insufficient to make operational decisions once the occurrence of disturbance gets frequent, particularly at the junctions with dense traffic. Traffic conflicts may arise along with the disturbances. The traffic controllers (and dispatchers) are often required to handle these unexpected conflicts in real-time traffic control. In fact, conflict detection and resolution (CDR) has become one of the most important and difficult tasks in daily railway traffic management. In ERTMS/ETCS, while all advanced technologies are employed to increase the train speed and to reduce the headway interval, increasing challenges of real-time conflict resolution are encountered as well. This thesis focuses on the methodologic realization of conflict detection and resolution and aims to develop a CDR support system for railway traffic control and management. Modelling To describe the environment of the conflict detection and resolution problem, the railway traffic is modelled via its partial models of train, infrastructure and timetable. These partial models are data-based. • Either an original timetable or an updated (rescheduled) timetable is represented with the purpose of providing common goals for the involved entities in the railway system and organising the related resources in real-time traffic control. • The train model consists of the relatively static train path and its derivatives and the dynamic train movement information, such as train position, train speed, the occupied track, the operation times and further movement authority, etc. • The infrastructure model is established both from a line (or a network) range and a region range. The former is described by stations and corridors between stations (that are all named sections). The latter is mainly represented by routes and segments, as well as the structural and restrictive relationships among the local routes and segments. The track description data for dynamic train control is also based on the instantaneous route states and segment states in infrastructure model. Conflict signs at an earlier stage of potential conflicts are expressed based on the proposed models. Conflict detection Conflict detection procedure and feasible approaches are studied separately (from conflict resolution approaches). Based on the train model and the infrastructure model, respectively, the approaches of train trajectory tracing and infrastructure state transition are proposed for short period traffic prediction and conflict detection. • In train trajectory approach, the detailed train movement information is tracked. The correlations of each two dimensions are cooperatively supervised. Particularly, the deviations of distance, track usage, and the speed are detected in the multi-dimensional trajectory profiles. • The infrastructure state transition approach is based on proper state transition maps and corresponding relation matrices. Historical segment and route states (state vectors) are stored to obtain empirical state transition maps. These maps are applied to the abnormity detection in dynamic traffic environment, and the structural constraints of infrastructure topology and route compatibilities are applied to the prediction of potential conflicting situations. The conflict detection procedure is concerned with the predictive traffic in a short period of prediction horizon based on the current collected data. The two approaches cooperate to predict the traffic and detect potential conflicts and significant deviations. The detected conflicts or conflict risks are grouped with different identifying code, so that corresponding resolution approaches can be implemented to prevent the conflicts. Conflict resolution According to the categories of the detected conflicts and the early warnings of conflict, two-layer structure of conflict resolution methodology is established. • One layer is to solve the routing problem in station area continuously when potential route conflicts are predicted. The microscopic times on related segments, train route selection and train order decisions at joint points are considered in this layer. • On the second layer, the variable scope rescheduling approach is proposed to prevent the propagation of potential conflicts in a wider area. The interstation conflicts, such as headway conflicts and delay propagation, are mainly resolved on this layer. As it is named, the rescheduling scope is decidable according to the specific conflict size. In this thesis, a set of mixed integer linear programming formulations are expressed for both local routing and variable scope rescheduling. Flexibly, new dispatching strategies in local routing and other excellent algorithms in rescheduling are possible to add to the corresponding layer. Agent-based conflict detection and resolution (CDR) support system Agent-based modelling approach is applied to the design of conflict detection and resolution support system for railway traffic control and management. The proposed models and approaches for conflict detection and resolution are integrated in the agent model. The CDR support system (named D-Agent) is modular designed. Six basic modules are included. They are local database, knowledge base, skill base, data processing, reasoning mechanism and communication interfaces. The partial models are functioning in the module of data processing, firstly filtering and reforming the collected data. The approaches of conflict detection and resolution are principally implanted as the kernel skills of the D-Agent. The solutions to potential conflicts are communicated via the D-Agent interfaces. Conflict detection and resolution in ERTMS system In the applications of ERTMS/ETCS system, the inevitability of the influence on CDR functions that is caused by different ERTMS application levels and the necessity of adapting the CDR to different ERTMS application levels are discussed. The final conclusion is that a level adapter function can be added to the agent-based CDR support system for the ERTMS system, in order to allow the appropriate CDR approaches to be applied in a specific ERTMS/ETCS level or in the situations where the ERTMS/ETCS level transfers. RESUMEN Esta tesis se dirige a la problemática de conflictos dentro del tráfico ferroviario. Aunque, en nuestros días, la gestión del tráfico ferroviario puede ser parcialmente llevada a cabo por un sistema de control de tráfico (o un sistema de gestión de tráfico), dicho sistema de control es insuficiente para tomar decisiones operacionales una vez que la ocurrencia de perturbaciones se vuelve frecuente, particularmente en los puntos de unión con tráfico significativo. El personal de control de tráfico es a menudo requerido para manejar estos conflictos inesperados dentro del control en tiempo real del tráfico. De hecho, la detección y resolución de conflictos (CDR) ha llegado a ser una de las más importantes y difíciles tareas en el día a día de la gestión del tráfico ferroviario. En ERTMS/ETCS, mientras todos los avances tecnológicos son empleados en incrementar la velocidad del tren y reducir el intervalo entre trenes, los desafíos de la resolución de conflictos en tiempo real, que son encontrados, se incrementan también. Esta tesis se centra en la realización de métodos para la detección y resolución de conflictos con el objetivo de desarrollar un sistema CDR de apoyo para el control y gestión del tráfico ferroviario. Modelaje Para describir el entorno del problema de la detección y resolución de conflictos, el tráfico ferroviario es modelado vía sus modelos parciales de la infraestructura, el material rodante (tren) y los horarios programados. Estos modelos parciales están basados en datos. • Un horario programado original o actualizado (reprogramado) es representado con el propósito de proporcionar unos objetivos comunes para las entidades involucradas en el sistema ferroviario y organizar los recursos relaciones en el control de tráfico en tiempo real. • El modelo del tren consiste de las rutas relativas de los trenes y sus derivadas junto con la información dinámica del movimiento de los trenes, tales como la posición y la velocidad de los trenes, los circuitos de vías ocupados, los tiempos de operación, las autoridades de movimiento, etc. • El modelo de la infraestructura es establecido desde un rango de línea (o una red) y un rango regional. El primero es descrito por las estaciones y los corredores entre las estaciones las cuales son nombradas secciones. Y el último es principalmente representado por rutas y segmentos. Los datos de descripción de las vías para el control dinámico del tren es también basado en los estados instantáneos de las rutas y segmentos en el modelo de la infraestructura. Los signos de conflictos en las fases tempranas de los potenciales conflictos son expresados mediante los modelos propuestos. La detección de conflictos (CD) El procedimiento de detección de conflictos y las aproximaciones factibles son estudiados separadamente (desde aproximaciones de resoluciones de conflictos). Basados en el modelo del tren y de la infraestructura, respectivamente, las aproximaciones de las trayectorias seguidas por los trenes y la transición de estados de la infraestructura son propuestas para predecir el tráfico en cortos periodos y detectar conflictos. • En las aproximaciones de las trayectorias de los trenes, la información detallada del movimiento de los mismos es monitorizada. Las correlaciones de cada una de las dos dimensiones son supervisadas cooperativamente. Particularmente, las desviaciones de la distancia, las vías empleadas, y las velocidades son detectadas en los perfiles de trayectorias multidimensionales. • La aproximación de las transiciones de estado de la infraestructura está basada en los precisos mapas de transición de estado y las correspondientes matrices de relación. Los históricos de segmentos y los estados de las rutas (vectores de estados) son almacenados para obtener mapas de transición empíricos. Estos mapas son aplicados a la detección de anormalidades en el entorno dinámico ferroviario, y a su vez, las restricciones estructurales topológicas de la infraestructura y las incompatibilidades entre rutas son aplicadas a la predicción de potenciales situaciones de conflicto. El procedimiento de detección de conflictos se preocupa de la predicción del tráfico en cortos periodos del horizonte de predicción basado en los datos actuales recogidos. Las dos aproximaciones cooperan para predecir el tráfico y detectar los potenciales conflictos y desviaciones significativas. Los conflictos detectados o los riesgos de los mismos son agrupados según diferentes códigos identificativos, por eso las correspondientes aproximaciones para su resolución pueden ser implementadas para prevenirlos. La resolución de conflictos (CR) Según las categorías de los conflictos detectados y los tempranos avisos de conflicto, una metodología de resolución de los conflictos estructurada en 2 capas es establecida: • Una capa se encuentra resolviendo continuamente el problema de establecimiento de rutas dentro del área de estación, cuando potenciales conflictos entre rutas son predichos. Los tiempos sobre los segmentos involucrados, la selección de las rutas y las decisiones de órdenes en los puntos de conexión son considerados en esta capa. • En la segunda capa, una aproximación al nivel de reprogramación de los horarios de los trenes es propuesta para prevenir la propagación de potenciales conflictos dentro de una amplía área. Los conflictos entre estaciones, tales como conflictos de alcance de trenes y propagación de retrasos, son principalmente resueltos dentro de esta capa. Como es mencionado, el ámbito de la reprogramación de los horarios es determinado según el tamaño del conflicto especifico. En esta tesis, un conjunto de fórmulas basadas en la programación “mixed integer linear” son expresadas para el establecimiento de rutas localmente y la reprogramación de horarios de ámbito variable. Flexiblemente, es posible añadir nuevas estrategias para el establecimiento de rutas localmente así como nuevos mejorados algoritmos en la reprogramación de horarios, únicamente modificando la correspondiente capa. Sistema de apoyo para la detección y resolución de conflictos basado en Agente Una aproximación de modelaje basada en agente es aplicada al diseño de un sistema de apoyo en la detección y resolución de conflictos para el control y gestión del tráfico ferroviario. Los modelos y aproximaciones propuestas para la detección y resolución de conflictos están integrados dentro del modelo del agente. El sistema de apoyo CDR (nombrado D-Agent) es de diseño modular. Está formado por 6 módulos básicos, que son respectivamente una base de datos local, una base de conocimiento, una base de habilidad, un procesamiento de datos, un mecanismo de razonamiento, y unas interfaces de comunicación. Los modelos parciales se encuentran funcionando dentro del módulo de procesamiento de los datos, primeramente filtrando y reformando los datos recogidos. Las aproximaciones de detección y resolución de conflictos están implantadas principalmente como las habilidades fundamentales del D-Agent. Las soluciones para las potenciales situaciones de conflicto son comunicadas vía las interfaces del D-Agent. Detección y resolución de conflictos en el sistema ERTMS En las aplicaciones dentro del sistema ERTMS/ETCS, la previsibilidad de la influencia sobre las funciones del CDR debidas a los diferentes niveles operacionales de ERTMS y la necesidad de adaptar el CDR a dichos diferentes niveles son discutidas. La conclusión es que una función de adaptación al nivel operacional del ERTMS puede ser añadida al sistema de apoyo CDR para el sistema ERTMS, que permita aproximaciones del CDR apropiadas para ser aplicadas en un especifico nivel ERTMS/ETCS o en las situaciones donde el nivel ERTMS/ETCS es modificado