Hardware-in-loop based performance evaluation of fixed block and moving block signalling systems in railway traffic management

With the modernization of railway signalling systems as the European Rail Traffic Management System (ERTMS) framework, there are a lot of improvements that have been brought to the safety, interoperability and operational efficiency of the European railways. The European Train Control System (ETCS) facilitates the process of shifting from the traditional Fixed block signalling towards more progressive Moving block and continuous supervision systems. This thesis will provide a performance comparison between the principle of Fixed block and Moving block signalling in the conceptual and functional structure of ETCS. The MATLAB-Simulink® modular simulation environment has been utilized to simulate longitudinal train dynamics, braking curve oversight, movement authority production, and driver behavioural reaction in line with the logic of ETCS functions. It was introduced as a two-train scenario (one leading and one following) to determine the performance of the system under the same infrastructure constraints, where the maximum allowed speed was 160km/h and a nominal headway of 240 seconds. The framework was also extended to real time validation by integrating a Raspberry Pi® platform and using UDP-based communication to create a hardware-in-the-loop(HiL) test bench. The key performance indicators were obtained directly out of simulation results, such as motion regularity, commercial velocity, and effective line capacity. Findings suggest that, the supervision of Moving blocks in an ETCS-based logic is much more effective in terms of efficiency of operations. The regularity of motion of the trailing train further rose with the Fixed block conditions to Moving block operation and commercial velocity rose by around 8%. Moreover, the dynamic separation led to less effective headway at terminal arrival to prove significant increases in practicable line capacity potential. The results validate the fact that changing the discrete infrastructure-based block segmentation to the continuous braking-curve-based supervision as envisaged in the ERTMS/ETCS evolution improves the utilization of the infrastructure without reaching the maximum speed allowed. The simulation structure developed is a scalable interface to use in the future to actual railway corridors as well as be integrated with industrial real-time validation systems.

Con la modernizzazione dei sistemi di segnalamento ferroviario nell'ambito del Sistema europeo di gestione del traffico ferroviario (ERTMS), sono stati apportati numerosi miglioramenti alla sicurezza, all'interoperabilità e all'efficienza operativa delle ferrovie europee. Il sistema europeo di controllo dei treni (ETCS) facilita il passaggio dalla tradizionale segnaletica a blocchi fissi a sistemi più avanzati a blocchi mobili e a supervisione continua. Questa tesi fornirà un confronto delle prestazioni tra il principio della segnaletica a blocchi fissi e quello a blocchi mobili nella struttura concettuale e funzionale dell'ETCS. L'ambiente di simulazione modulare MATLAB-Simulink® è stato utilizzato per simulare la dinamica longitudinale del treno, la supervisione della curva di frenata, la produzione dell'autorità di movimento e la reazione comportamentale del macchinista in linea con la logica delle funzioni ETCS. È stato introdotto uno scenario con due treni (uno in testa e uno in coda) per determinare le prestazioni del sistema con gli stessi vincoli infrastrutturali, dove la velocità massima consentita era di 160 km/h e l'intervallo nominale era di 240 secondi. Il framework è stato inoltre esteso alla validazione in tempo reale integrando una piattaforma Raspberry Pi® e utilizzando una comunicazione basata su UDP per creare un banco di prova hardware-in-the-loop (HiL). Gli indicatori chiave di prestazione sono stati ottenuti direttamente dai risultati della simulazione, quali regolarità del movimento, velocità commerciale e capacità effettiva della linea. I risultati suggeriscono che la supervisione dei blocchi mobili in una logica basata sull'ETCS è molto più efficace in termini di efficienza operativa. La regolarità del movimento del treno in coda è ulteriormente aumentata con il passaggio dalle condizioni di blocco fisso al funzionamento a blocchi mobili e la velocità commerciale è aumentata di circa l'8%. Inoltre, la separazione dinamica ha portato a una riduzione dell'intervallo effettivo all'arrivo al capolinea, dimostrando un aumento significativo del potenziale di capacità praticabile della linea. I risultati confermano che il passaggio dalla segmentazione discreta basata sull'infrastruttura alla supervisione continua basata sulla curva di frenata, come previsto nell'evoluzione dell'ERTMS/ETCS, migliora l'utilizzo dell'infrastruttura senza raggiungere la velocità massima consentita. La struttura di simulazione sviluppata è un'interfaccia scalabile che potrà essere utilizzata in futuro per i corridoi ferroviari reali e integrata con sistemi di validazione industriale in tempo reale.