Capítulo III. Arquitectura y funcionamiento del ERTMS (European Rail Traffic Management System)
El European Rail Traffic Management System (ERTMS) constituye el sistema europeo estandarizado de gestión del tráfico ferroviario, diseñado para garantizar la interoperabilidad, la seguridad y la capacidad de las redes ferroviarias de los Estados miembros de la Unión Europea y de otros países que han adoptado sus especificaciones. A diferencia de los sistemas nacionales de clase B (como el LZB alemán, el TVM francés o el ASFA español), el ERTMS se basa en un conjunto de especificaciones técnicas de interoperabilidad (STI) que definen de forma precisa tanto el equipo de vía como el equipo embarcado, así como los protocolos de comunicación entre ambos. El ERTMS se compone esencialmente de dos subsistemas principales: el European Train Control System (ETCS), encargado de la protección automática del tren y la señalización en cabina, y el sistema de radiocomunicaciones ferroviarias GSM-R (Global System for Mobile Communications – Railway), que proporciona el canal de voz y de datos. En la actualidad se está preparando la transición hacia el Future Railway Mobile Communication System (FRMCS), basado en tecnología 5G, con horizonte de migración entre 2030 y 2035.
El objetivo fundamental del ERTMS es permitir que un tren equipado con un único sistema embarcado pueda circular de forma segura y eficiente por cualquier línea equipada con ERTMS, independientemente del país y del fabricante del equipo de vía. Esto elimina la necesidad de equipos nacionales específicos (Specific Transmission Modules o STM) y reduce los costes de homologación y mantenimiento del material rodante. Además, el sistema permite una supervisión continua de la velocidad y de la distancia, el cálculo dinámico de curvas de frenado adaptadas a las características del tren y de la vía, y la posibilidad de operar con señalización en cabina, lo que reduce la dependencia de las señales laterales y mejora la capacidad de la línea.
Arquitectura general del sistema
La arquitectura del ERTMS/ETCS se divide en dos subsistemas principales: el subsistema de vía (trackside) y el subsistema embarcado (onboard). El subsistema de vía incluye las Eurobalizas, las Unidades Electrónicas de Línea (LEU), los Radio Block Centres (RBC), las unidades de relleno radio (Radio Infill Units o RIU), los Euroloops y la red GSM-R. El subsistema embarcado comprende el European Vital Computer (EVC), el Driver Machine Interface (DMI), el Balise Transmission Module (BTM), el sistema de odometría, la interfaz de tren (Train Interface Unit o TIU), el registrador jurídico (Juridical Recording Unit o JRU) y el equipo de radio GSM-R.
El European Vital Computer es el núcleo de seguridad del equipo embarcado. Realiza todas las funciones vitales de supervisión: cálculo de las curvas de frenado, verificación del cumplimiento de la autorización de movimiento (Movement Authority o MA), gestión de los modos de operación y decisión de intervención sobre el freno. El EVC se diseña normalmente con arquitecturas de seguridad de nivel SIL 4 (Safety Integrity Level 4), habitualmente en configuraciones 2oo2 (two-out-of-two) o 3oo3 (three-out-of-three) con comparación de resultados y apagado seguro en caso de discrepancia. El Driver Machine Interface presenta al maquinista la información esencial: velocidad real, velocidad permitida, distancia al objetivo, perfil de velocidad, gradientes y mensajes de texto. El BTM energiza y lee las Eurobalizas al paso del tren. El sistema de odometría, basado en sensores de velocidad (ruedas fónicas, sensores Doppler o inerciales), calcula la distancia recorrida desde la última baliza de referencia y estima el error de posición.
En el lado de vía, la Eurobaliza es un transpondedor pasivo instalado en el centro de la vía que transmite un telegrama de hasta 1023 bits cuando es energizado por la antena del tren. Existen balizas fijas (con datos permanentes de infraestructura, posición, gradiente y limitaciones de velocidad) y balizas conmutables (controladas por la LEU), que transmiten información dinámica procedente del enclavamiento, como el aspecto de la señal o la autorización de movimiento. La LEU adquiere el estado del enclavamiento o de la señal y selecciona el telegrama adecuado que debe emitir la baliza conmutable. El Radio Block Centre es el elemento central en los niveles 2 y 3: recibe información del enclavamiento sobre el estado de las rutas y de la ocupación de los cantones, genera las autorizaciones de movimiento y las transmite por radio a los trenes mediante GSM-R. El RBC mantiene una sesión de radio con cada tren bajo su jurisdicción, recibe los informes de posición del tren y puede comunicarse con RBC adyacentes para realizar el traspaso de control (handover).
Niveles de aplicación del ETCS
El ETCS define varios niveles de aplicación que determinan el modo de transmisión de la información de vía a tren y el grado de dependencia de la detección de trenes en vía.
El Nivel 0 corresponde a la operación de un tren equipado con ETCS en una línea no equipada con ningún sistema de protección o en la que el sistema no puede supervisar. El tren circula bajo la responsabilidad del maquinista y de las señales laterales nacionales, con una velocidad máxima limitada por el sistema (habitualmente 40 o 50 km/h según configuración nacional).
El Nivel STM o NTC (National Train Control) permite la supervisión mediante un sistema nacional de clase B a través de un módulo de transmisión específico (STM). Es un nivel de transición que facilita la migración gradual.
El Nivel 1 es un sistema de transmisión puntual basado en Eurobalizas. La autorización de movimiento se transmite al paso del tren por una baliza o grupo de balizas situadas en las señales. La detección de trenes se realiza mediante sistemas de vía (circuitos de vía o contadores de ejes) ajenos al ETCS. Las señales laterales se mantienen. El principal inconveniente es que la información solo se actualiza al paso por la siguiente baliza. Para mitigar esta limitación se emplean sistemas de relleno (infill): Euroloop (cable de inducción continuo) o Radio Infill Unit, que anticipan la información de la siguiente baliza mediante radio. En Nivel 1 el tren calcula su posición a partir de la odometría y la corrige al paso por balizas fijas.
El Nivel 2 utiliza transmisión continua por radio mediante GSM-R desde el Radio Block Centre. Las balizas se mantienen principalmente como referencias de posición para corregir el error de odometría y para anunciar transiciones de nivel. La autorización de movimiento se genera en el RBC a partir de la información del enclavamiento y se actualiza de forma continua o periódica. Las señales laterales pueden eliminarse o mantenerse como respaldo. La detección de trenes sigue siendo responsabilidad de los sistemas de vía. Este nivel permite la señalización en cabina y una mayor capacidad gracias a la actualización continua de la MA.
El Nivel 3, aún en fase de desarrollo e implantación limitada, introduce el concepto de bloque móvil. La detección de trenes y la verificación de integridad del tren se realizan a bordo. El tren informa continuamente de su posición y de su integridad al RBC, lo que permite calcular la distancia de seguridad de forma dinámica en función de la distancia de frenado real. Esto elimina la necesidad de circuitos de vía o contadores de ejes y maximiza la capacidad de la línea.
Generación y transmisión de la Autorización de Movimiento (Movement Authority)
El principio fundamental del ETCS es que ningún tren puede moverse sin una Autorización de Movimiento válida. La MA contiene, como mínimo, el End of Authority (EoA), es decir, el punto máximo hasta el que el tren está autorizado a circular; el perfil estático de velocidad (Static Speed Profile); el perfil de gradientes; las limitaciones temporales de velocidad; la longitud del solape (overlap) si existe; y diversos temporizadores. En Nivel 1 la MA se genera localmente en la LEU a partir del estado de la señal y se transmite por baliza. En Nivel 2 y 3 la MA la genera el RBC y se transmite por radio en mensajes Euroradio (habitualmente el mensaje 3 que contiene el paquete 15 de MA, el paquete 27 de perfil de velocidad y el paquete 21 de gradientes).
El tren, una vez recibida la MA, calcula a bordo las curvas de frenado. La curva principal es la Emergency Brake Deceleration (EBD), que representa la desaceleración garantizada en frenado de emergencia. A partir de ella se derivan otras curvas de supervisión: Indication (I), Permitted (P), Warning (W) y Service Brake Intervention (SBI). Estas curvas se muestran en el DMI y determinan las alertas al maquinista y las intervenciones automáticas. El sistema tiene en cuenta las características del tren (longitud, masa, porcentaje de frenado, tipo de freno), el perfil de gradientes de la vía y los márgenes de seguridad definidos en las especificaciones (SUBSET-026). Si la velocidad real supera la curva de supervisión correspondiente, el EVC ordena primero una advertencia y, si el maquinista no reacciona, aplica el freno de servicio o el freno de emergencia según el caso.
Modos de operación y transiciones
El ETCS opera en diferentes modos: Full Supervision (FS), cuando existe una MA completa y supervisión total; Staff Responsible (SR), cuando el maquinista asume la responsabilidad bajo ciertas condiciones; On Sight (OS), para circular a vista; Shunting (SH); y diversos modos degradados o de transición. Las transiciones de nivel se anuncian mediante balizas o mensajes radio y deben realizarse de forma controlada para mantener la supervisión continua. El sistema gestiona también la gestión de claves criptográficas (Key Management Centre) y la infraestructura de clave pública para garantizar la autenticidad e integridad de los mensajes radio.
Seguridad e integridad
Tanto el equipo de vía como el embarcado se diseñan y certifican para un nivel de integridad de seguridad SIL 4, el máximo definido en las normas CENELEC EN 50126, EN 50128 y EN 50129. Esto implica tasas de fallos peligrosos extremadamente bajas (típicamente inferiores a 10⁻⁹ fallos por hora). Las arquitecturas son fail-safe: ante cualquier fallo detectado o discrepancia entre canales redundantes, el sistema pasa a un estado seguro, que normalmente implica la aplicación del freno de emergencia o la retirada de la autorización de movimiento. El registrador jurídico almacena todos los datos relevantes de la marcha y de las intervenciones del sistema para el análisis posterior de incidentes.
Comparación con el LZB y aspectos de implantación en España
El LZB (Linienzugbeeinflussung) es un sistema de transmisión continua mediante cable de inducción instalado en la vía, que proporciona supervisión continua de velocidad y distancia de forma similar al ETCS Nivel 2. Ambos sistemas alcanzan SIL 4 y permiten la conducción a alta velocidad con señalización en cabina. La principal diferencia radica en la tecnología de transmisión (cable continuo frente a radio GSM-R y balizas) y en el carácter nacional del LZB frente al estándar europeo del ERTMS. En España, el corredor Madrid-Sevilla, inaugurado en 1992, sigue operando con LZB mientras se completa su migración a ETCS Nivel 2. El resto de las líneas de alta velocidad españolas utilizan predominantemente ETCS Nivel 1 o Nivel 2. La red española cuenta con más de 3.000 kilómetros equipados con ERTMS, una de las mayores implantaciones de Europa. La migración completa está impulsada por los requisitos de interoperabilidad de la red transeuropea de transporte (TEN-T).
Funcionamiento operativo en Nivel 2
Cuando un tren equipado entra en el área de un RBC, establece una sesión de radio GSM-R, se registra y reporta su posición (confirmada por el paso por la primera baliza). El RBC, basándose en el estado del enclavamiento y en la ocupación de los cantones, genera una MA y la transmite al tren. El EVC calcula las curvas de frenado y las presenta en el DMI. A medida que el tren avanza, envía informes de posición periódicos. Si el enclavamiento libera un nuevo cantón, el RBC extiende la MA. Si se produce una condición de peligro (ocupación inesperada, fallo de vía, etc.), el RBC puede revocar o acortar la MA, provocando que el tren calcule una nueva curva de frenado y, si es necesario, aplique el freno. El handover entre RBC adyacentes se realiza de forma coordinada mediante mensajes entre ambos centros, de modo que la supervisión no se interrumpe.
Desafíos actuales y evolución
La implantación del ERTMS ha enfrentado retos relacionados con la compatibilidad entre diferentes versiones de baseline (Baseline 2, 3 y 4), la gestión de las transiciones con sistemas nacionales, los costes de equipamiento de vía y material rodante, y la necesidad de formación del personal. La introducción del Baseline 4 y la futura migración a FRMCS buscan mejorar el rendimiento, la capacidad y la ciberseguridad. El Nivel 3, cuando se implante de forma generalizada, permitirá un aumento significativo de la capacidad de las líneas al sustituir los bloques fijos por bloques móviles.
En resumen, el ERTMS representa un avance fundamental hacia un sistema ferroviario europeo interoperable, seguro y eficiente. Su arquitectura modular, basada en especificaciones abiertas, y su funcionamiento basado en la autorización de movimiento y el cálculo a bordo de curvas de frenado, proporcionan un marco robusto para la protección de trenes a alta velocidad. La comprensión detallada de sus componentes, niveles y principios de funcionamiento resulta esencial para analizar tanto su potencial como las dificultades de su implantación y mantenimiento en redes que aún conviven con sistemas nacionales como el LZB.
Esquema oficial de subsistemas del ERTMS (equipo embarcado y de vía), ideal para la sección de arquitectura:
Esquema simplificado del funcionamiento (autorización de movimiento, RBC, GSM-R, baliza y DMI en cabina):
Diagrama de operación en Nivel 2 (comunicación radio continua, Eurobaliza de referencia de posición y RBC):
Foto real de Eurobalizas (las “cajas amarillas” características del sistema) instaladas en vía:
Estas imágenes cubren tanto la arquitectura completa como el funcionamiento operativo y los componentes físicos más visibles del ERTMS.
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