Raylı sistemlerde otomasyon seviyeleri ve sürücülü metro hatlarında hatada emniyetli hat ihlal sistemi
The grade of automation in railway systems and a fail safe line intrusion detection system for semi-automatic metro lines
Yazar: EMRE BAHÇIVAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR TURAY KAYMAKÇI
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Demir yolu trafik kontrolörleri = Railroad train dispatchers ; Hafif metro = Light metro ; Hafif raylı sistemler = Light rail systems ; Sistem otomasyonu = System automation ; İstanbul metrosu = Istanbul metro

Özet:
Modern şehirlerin bir gereği olarak ulaşımın kolaylaşması ve hızlanması metro gibi sistemlerin yaygınlaşmasına neden olmuştur. Yoğun yolcu yükü ve dakik işletme konsepti metro hattı operasyonunu kritik bir hale getirmiştir. Bu işletmenin yolcular için güvenli ve rahat olması bir zorunluluk olup bunun için her türlü tedbir alınmalıdır. İşletmenin sahip olduğu otomasyon seviyesine göre söz konusu bu tedbirler şekillenmektedir. Bu tez çalışmasında öncelikle raylı sistemlerde otomasyon ve insan faktörünün işletmeye etkisi açıklanmış ve sürücülü bir metro hattında olabilecek kaza veya intiharların etkisini en aza indirmek amacıyla kurgulanmış bir hat ihlal algılama sistemi üzerinde durulmuştur.
Bölüm 1'de genel bir literatür taraması yapılarak konuyla ilgili olabilecek çalışmalara ve tezin amacına kısaca değinilmiştir. Ayrıca bu tez çalışmasının akademik bir yönü olmasının yanı sıra sektördeki bir ihtiyaca cevap vereceği belirtilmiştir.
Bölüm 2'de raylı sistem içinde metro hatlarının yeri belirtilmiş ve metro sinyal sistemleri hakkında temel bilgiler verilmiştir. Bu bağlamda genel yapı açıklanmış ve hareketli blok yapısına odaklanılmıştır. Hareketli blok yapısının sahip olduğu iç dinamikler ve prensipler doğrultusunda sinyal sistemlerinin sahip olduğu bileşenler kısaca özetlenmiştir.
Bölüm 3'de raylı sistem otomasyon seviyeleri tanımlanmış ve bu seviyelerin kendine has karakteristik özelliklerine değinilmiştir. Her bir seviye için alınan güvenlik önlemleri açıklanmış ve bu önlemlerin aslında otomasyon derecesinin artışına bağlı olduğu gösterilmiştir. Acil durum senaryolarının ne şekilde düzenleneceği sürücülü ve sürücüsüz işletme özelinde açıklanmıştır. IEC 62290 standardında da bahsedilen sürücüsüz metro hatları hakkında temel kavramlar verilmiş ve bu metroların avantajları ile dezavantajları karşılaştırılmıştır. Mevcut metro hatlarında otomasyon seviyesi artırımı hususunda açıklamalar yapılmıştır. Ayrıca metro hatları için perondaki hat ihlallerinin büyük bir problem olduğu belirtilmiştir. Bu ihlallerden dolayı can kaybı ve maddi zarar oluştuğundan dolayı alınabilecek önlemler dünya çapındaki örnekler ışığında incelenmiştir.
Bölüm 4'de genel fonksiyonel emniyet tanımı yapılmış ve genel emniyet parametrelerinden bahsedilmiştir. Bu bağlamda IEC 61508 şemsiye standardı ve raylı sisteme özel EN standartları ışığında risk analizi, hata ağacı vb. uygulamalar hakkında genel bilgiler verilmiştir. Ayrıca emniyet bütünlüğü seviyesi (SIL) kavramı üzerinde durulmuş ve kritik öneme sahip sistemlerin sahip oldukları tehlike ve risklere binaen nasıl bir metotla değerlendirilmesi gerektiği açıklanmıştır. Bunların yanı sıra emniyet sistemlerinin endüstride tercih edilen tasarım şekillerine göre (1oo2, 2oo3 vb..) nasıl şekillendiği ve sistemin talep moduna göre emniyet hesabındaki farklılıklar gösterilmeye çalışılmıştır.
Bölüm 5'de baz alınan Kadıköy-Kaynarca metro hattında hatada emniyetli bir hat ihlal algılama sistemi düşünülmüş ve metro koşullarına uygun bir şekilde tasarımlandırılmıştır. Bu noktada seçilen sensörler, kontrolörler ve diğer ekipmanlar için üretici firma beyanları doğrultusunda çeşitli senaryolar planlanarak kurgular yapılmış ve akış şemaları belirlenmiştir. Sistemin algılama yapmasının yanı sıra çıkış anlamında sahip olduğu tetiklemeler belirtilmiş arayüz kurulan sinyal sistemi ile bağlantı detaylarına değinilmiştir.
Bölüm 6'da tasarımı yapılan hat ihlal algılama sistemine binaen öncelikle ön tehlike tahmini yapılmış ve risk grafiği yöntemi ile sistemin sahip olması gereken emniyet bütünlüğü seviyesi (SIL) bulunmuştur. Daha sonra ise hata ağacı çıkarılarak sistemin emniyet fonksiyonunun sahip olduğu SIL değeri bulunmuştur. Olması gereken değer ile bulunan değerin örtüştüğü görülmüştür.
Son olarak sonuç bölümünde ise raylı sistem otomasyon mantığı ve insan faktörünün işletmeye etkisi, tez çalışmasındaki bulgular doğrultusunda tekrar ele alınmıştır. Buna göre dünyadaki genel eğilimin GoA4 seviyesinde işletme yapan sürücüsüz metrolara yönelik olduğu belirtilmiştir.  Bunun yanı sıra sürücüsüz metroların neden tercih edilmesi gerektiği üzerinde durulmuştur. Aynı şekilde hat ihlalleri için dünyada uygulanan PAKS (Peron Ayırıcı Kapı Sistemi) ve diğer çözümler karşılaştırılmış, avantajları ve dezavantajları doğrultusunda değerlendirme yapılmıştır. Sürücülü metro hatları için bile büyük bir problem olarak karşımıza çıkan hat ihlallerinin olumsuz etkisinin en aza indirilmesi için neler yapılabileceği özetlenmiştir. Kadıköy-Kaynarca metro hattı için kurgulanan yapı için emniyet bütünlüğü hesabının sonucu yorumlanmıştır.

Abstract:
The facilitation and acceleration of transportation as a means of modern cities has led to the spread of systems such as the metro. The heavy passenger load and punctual operating concept have made metro line operation critical. This is an imperative for passengers to be safe and comfortable and all precautions must be taken. According to the level of automation that the operation has, these measures are shaped. In this thesis study, firstly the effects of automation and human factors on the operation of rail systems are explained and a line intrusion detection system designed to minimize the effects of accidents or suicides which may be on a subway line with a driver has been emphasized.
In Chapter 1, a general literature review is carried out and briefly addressed the purpose of the work and the thesis that might be related to the subject. Moreover, it is stated that this thesis study is an academic aspect and will respond to a need in the sector.
In Chapter 2, the location of subway lines in the rail system is given and basic information about subway signaling systems is also given. In this context, the general structure is explained and focused on moving block structure. The components of signal systems in terms of internal dynamics and principles that moving block structure has summarized briefly.
In Chapter 3, rail system automation levels are defined and specific characteristics of these levels are mentioned. The security measures taken for each level are explained and it has been shown that these measures actually depend on the increase in the automation level. How to arrange the emergency scenarios is described in the driver and driverless operation specific. The basic concepts of driverless subway lines mentioned in IEC 62290 are given and the advantages and disadvantages of these subways are compared. Explanations have been made about the increase of automation level in the existing subway lines. In addition, it is stated that the subway line intrusions are big problem. Measures that can be taken due to loss of life and material damage due to these intrusions have been examined in the light of examples from around the world.
In Chapter 4, the general functional safety description is made and general safety parameters are mentioned. In this context, according to IEC 61508 umbrella standard and specific EN standards; risk analysis, fault tree etc. general information about applications are given. In addition, the concept of Safety Integrity Level (SIL) is emphasized and it is explained how systems with critical mitigation should be assessed by the methodology of the risks and risks they have. In addition to these, safety systems have been tried to be shaped according to the preferred design of the industry (1oo2, 2oo3, etc.) and to show the differences in the safety account according to the demand mode of the system.
In Chapter 5, for Kadıköy-Kaynarca metro line a fail safe line intrusion detection system is considered and designed in accordance with the metro conditions. At this point, various scenarios were planned and edited according to the manufacturer's declarations for the selected sensors, controllers and other equipment, and flow charts were determined. In addition to detecting the system, the triggers that the system has in the sense of output are specified, and the details of the connection with the signaling system in which the interface is established are mentioned.
In Chapter 6, Preliminary hazard prediction of line intrusion detection system is made and found the level of safety integrity (SIL) that the risk graph method should have. Then the fault tree is built and the SIL value of the safety function of the system is found. It is seen that the required value overlaps the found value.
Finally, in the conclusion section, the effect of system automation logic and human factor on the operation was taken up again in the direction of findings in the study of thesis. According to this, the general tendency in the world is directed towards the driverless subway which operates at the GoA4 level. Besides this, it is emphasized why driverless metro lines should be preferred. In the same way, the PSD (Platform Separator Door System) and other solutions applied in the world for line intrusions have been compared and evaluated in terms of advantages and disadvantages.
Another issue is summarized as to what can be done to reduce the negative effect of line intrusions, which is a big problem even for GoA2 subway lines. Kadıköy-Kaynarca metro line was interpreted as the final result of calculation of the safety integrity for the constructed structure.