Vědeckotechnický sborník ČD. č. 36/2013 ISSN Vydavatel: Generální ředitelství Českých drah, Nábřeží L. Svobody 1222, Praha 1

Transkript

1 Vědeckotechnický sborník ČD č. 36/2013 ISSN Vydavatel: Generální ředitelství Českých drah, Nábřeží L. Svobody 1222, Praha 1

2 Jindřich Borka 1, Jiří Matějec 2, Milan Sliacky 3, Roman Srp 4 Technická podpora a metody pro ověřování interoperability odbavovacích a informačních systémů ve veřejné dopravě Klíčová slova: interoperabilita, informační systémy, Integrovaný dopravní systém, odbavovací systém, veřejná osobní doprava, bezkontaktní čipová karta, ITSO, TA ČR Elektronické odbavovací systémy a pojem interoperability 5 Elektronické odbavovací systémy (EOC) umožňují cestujícím ve veřejné osobní dopravě odbavení prostřednictvím elektronického jízdního dokladu místo klasické papírové jízdenky. V současné době jsou nejpoužívanějším nosičem elektronické jízdenky (nejenom v ČR) bezkontaktní čipové karty. Dosud realizované elektronické odbavovací systémy mají z důvodu organizace a financování veřejné osobní dopravy pouze regionální působnost. Z důvodu absence společného postupu v rámci ČR v minulých letech, absenci příslušných standardů a norem a vlivem volného trhu jsou tyto systémy dosud vzájemně nepropojené prakticky ve všech krajích v ČR. Cestující uživatelé systémů EOC proto nemohou cestovat napříč celou republikou s jednou kartou, což je chápáno jako významný nedostatek. Odborná veřejnost se shoduje na tom, že nejednotnost elektronických systémů pro platbu a odbavování cestujících ve veřejné dopravě nepřispívá k atraktivitě veřejné osobní dopravy a je nutné ji co nejdříve začít systematicky řešit. S rostoucí mobilitou obyvatelstva roste i potřeba využívat služby různých dopravců s různými a vzájemně nekompatibilními systémy EOC. Vyloučíme-li, jakožto neefektivní, variantu, kdy cestující disponuje větším počtem karet, začínáme hovořit o interoperabilitě systémů EOC, tedy o stavu, kdy lze používat kartu elektronické médium nosič jízdního dokladu jednoho systému v systémech dalších. 1 Ing. Jindřich Borka - nar v Praze, ČVUT FD v Praze, obor automatizace v dopravě a telekomunikacích, pracoviště ČD IS a.s., odd. vývoj Praha, systémový architekt, odbavovací systémy a systémy pro podporu provozu osobní dopravy, studující doktorandského studia na ČVUT FD v Praze, Ústavu dopravní telematiky. 2 Ing. Jiří Matějec - nar v Praze, ČVUT FD v Praze, obor ekonomika v dopravě a telekomunikacích, nezávislý konzultant v oboru dopravní telematiky s dlouhodobou praxí v problematice odbavovacích systémů ve veřejné dopravě. 3 Ing. Milan Sliacky - nar ve Zvolenu, SR, absolvent ČVUT FEL v Praze, obor radioelektronická zařízení, odborný asistent na FD ČVUT v Praze, student doktorského studia na FD ČVUT v Praze, Ústavu dopravní telematiky. 4 Ing. Roman Srp - nar v Praze, ČR, absolvent ČVUT FEL v Praze, Sdružení pro dopravní telematiku. 5 Interoperabilita je definována dle IEEE 90 jako: Schopnost výměny informací mezi dvěma nebo více systémy či komponentami a využívání těchto vyměněných informací. 1

3 Obdobná situace je v oblasti informačních systémů ve veřejné osobní dopravě. Například vozidla veřejné osobní dopravy, která překračují hranice vymezených regionálních dopravních systémů, zůstávají v anonymitě pro okolní dispečerské systémy a v důsledku toho objednatelé ani cestující nemají přehled o zpoždění návazných spojů a možných alternativních řešeních plánované jízdy. Také zde proto existuje potřeba standardizace informačních systémů ve veřejné dopravě, a to zejména na straně objednatelů a provozovatelů veřejné dopravy. Východiska projektu Technická podpora a metody pro ověřování interoperability odbavovacích a informačních systémů ve veřejné dopravě Potřeba řešení interoperability odbavovacích a informačních systémů (OIS) byla potvrzena na národní i evropské úrovni mj. v závazných dokumentech Evropské komise (Akční plán rozvoje ITS v Evropě, Směrnice ITS 2010/40/EU). ČR patří v oblasti aplikace inteligentních dopravních systémů v Evropě k nejvyspělejším zemím, pokud jde o stav ve vědě a výzkumu. Přesto předmětná problematika dosud řešena nebyla. Také v zemích EU existuje poměrně málo inspirativních projektů v této oblasti a tyto projekty, s ohledem na specifické podmínky, nelze v ČR přímo aplikovat. Přínosy zavedení interoperability mohou být značné. Interoperabilita OIS z pohledu objednatelů dopravy a dopravců umožní další potřebné zefektivnění veřejné osobní dopravy a povede k její hlubší integraci s jinými dopravními módy. Z pohledu uživatelů (cestujících) dojde k významnému zatraktivnění veřejné osobní a hromadné dopravy např. také tím, že se zjednoduší a zrychlí procesy nákupu jízdního dokladu, platby a validace jízdního dokladu v příměstské i městské hromadné dopravě. Cestující bude mít k dispozici komplexní informace o dopravním spojení v reálném čase ve vozidlech, na infrastruktuře a pomocí on-line aplikace. Zvýšené výkony veřejné osobní dopravy se projeví na poklesu intenzit osobní individuální dopravy. Řešení interoperability EOC a informačních systémů ve veřejné osobní dopravě v rámci ČR je možné pouze na základě standardizace OIS na národní úrovni s jednotnou systémovou koncepcí standardem OIS. V opačném případě hrozí, že vzniknou pouze řešení lokální, propojující dva nebo více lokálních systému, která nebudou přenositelná na problém integrace jiných OIS. Odborná veřejnost si výše uvedená fakta uvědomuje a na potřebě vytvořit jednotný standard existuje obecná shoda. Nedílnou součástí koncepčního řešení interoperability musí být kromě standardu interoperability také autorita schopná ověřit jeho dodržování, a to na úrovni všech relevantních prvků resp. zařízení OIS. Posuzování shody se standardem bude prováděno ve shodě s platnou legislativou a příslušnými specifikacemi. Bude-li za tímto účelem (podobně jako v některých jiných zemích EU) vytvořeno akreditované pracoviště, lze toto posuzování shody nazývat certifikačním procesem komponent a systémů OIS a uvedenou autoritu nazvat Certifikačním pracovištěm OIS. Služby tohoto pracoviště budou využívat především provozovatelé systémů OIS a výrobci zařízení těchto systémů. 2

4 Certifikační pracoviště bude v technické rovině garantem budoucí vzájemné propojitelnosti (interoperability) systémů OIS realizovaných na regionální, národní a mezinárodní úrovni v různém čase a z prostředků vzájemně nezávislých objednatelů. Existence standardu a vytvoření metod pro ověřování shody OIS budou nedílnou součástí procesu interoperability OIS. Aktuální vývoj v ČR pomalu směřuje k interoperabilitě systémů OIS. V oblasti EOC např. byla zák. č. 194/2010 Sb., vyhl. č. 295/2010 Sb. objednatelům dopravy uložena povinnost zajišťovat jednotnost způsobu odbavení cestujících v obsluhovaném území. Ministr dopravy jmenoval Koordinační skupinu pro zpracování národního standardu EOC, jejímž členem je i ČVUT v Praze. Na platformě integrovaných dopravních systémů (IDS) vznikají jednotné nadregionální uživatelské požadavky na systémy OIS ve veřejné dopravě. Účelem představovaného projektu, č. TA Technická podpora a metody pro ověřování interoperability odbavovacích a informačních systémů ve veřejné dopravě, je prostřednictvím tvorby metod, realizací poloprovozu pracoviště a vývoje zařízení pro ověřování shody a certifikaci přispět k dosažení interoperability OIS ve veřejné osobní dopravě. V ČR, na rozdíl od některých vyspělých evropských zemí, dosud neexistuje celostátní autorita, která by dbala na jednotnost systému OIS. Neexistují také technické specifikace a organizační postupy, podle kterých by byl problém řešen. Hlavním řešitelem projektu je Fakulta dopravní ČVUT v Praze. V řešitelském konsorciu jsou v souladu s obsahovou náplní projektu výrobci odbavovacích zařízení, dodavatel kartového systému, dodavatel clearingu a výzkumná organizace z oblasti informačních systémů. Plánovaná doba řešení projektu je 3,5 roku, plánované náklady cca 30 mil. Kč. Projekt je řešen v rámci programu Alfa Technologické agentury ČR, výška finanční podpory činí 18 mil. Kč. Předpokládaný termín ukončení projektu je květen V rámci projektu mj. vznikne ojedinělé pracoviště pro ověřování parametrů zařízení OIS a jejich dílčích částí, což představuje nedílnou součást procesu budoucí certifikace OIS. Vznik pracoviště podporují objednatelé veřejné dopravy v ČR i dodavatelé těchto systémů, např. Česká asociace organizátorů veřejné dopravy ČAOVD, Asociace krajů AKČR a Sdružení pro dopravní telematiku SDT. Aktuální stav v ČR Cílem prvního roku řešení Projektu byla: analýza stávajícího stavu v oblasti OIS v ČR a zahraničí a podrobná definice zadání. Jak již výše uvedeno, dosud realizované systémy OIS v České republice nejsou vzájemně propojitelné, přestože interoperabilita je celospolečensky požadována. Problém spočívá v různých použitých technologiích, bezpečnostních konceptech, rozdílných datových formátech a je důsledkem neřízeného rozvoje OIS od 90. let. Zejména systémy EOC byly implementovány různými dodavateli a zpravidla řeší individuálním způsobem jen konkrétní požadavky konkrétního dopravce nebo objednatele dopravy. S budováním informačních systémů se započalo později, ale 3

5 i zde docházelo k řešením, které vznikaly bez uvážení budoucího sdílení dynamických a provozních informací s dalšími systémy. Při dodávkách OIS měli dodavatelé různá zadání a interoperabilita s jinými OIS nebyla v minulosti zadavateli chápána jako zásadní vlastnost. Implementované OIS jsou však postupně zdokonalovány a propojitelnost s jiným OIS představuje zásadní inovaci OIS, která v několika regionech ČR již probíhá (IREDO). Z pohledu národní nebo mezinárodní interoperability však nelze v žádném z dosud realizovaných projektů spatřovat komplexní řešení propojení systémů OIS, také proto, že projekty jsou vždy řešeny jen v regionálním měřítku. Obdobná situace jako v ČR je také v dalších zemích Evropy, kde nalezneme jen velmi málo příkladů interoperability. Nejběžnějším elektronickým nosičem jízdného je bezkontaktní čipová karta (MIFARE Standard, nebo MIFARE DESFire EV0 resp. EV1). Odhadovaný celkový počet karet ve veřejné dopravě je více než 3 mil. kusů. V rámci lokálních projektů dochází v posledních 5 letech k řešení vzájemného uznávání karet mezi dopravci, jako základního stupně řešení interoperability. V mnoha případech bylo vyřešeno vzájemné uznávání karet mezi dopravci v IDS. V několika případech byla vyřešena akceptace městské, nebo regionální karty u ČD. Dosud nebylo plně vyřešeno uznávání In-karty ČD u jiného dopravce. Certifikace EOC v zahraničí - příklad ITSO Otázka interoperability těchto systémů je aktuální také v evropském měřítku. Nejpokročilejší provozovaná propojená řešení lze najít ve Velké Británii, Nizozemí nebo Německu a existuje i ambiciózní vize dosažení celoevropské interoperability. Pro podrobnější analýzu v rámci projektu byly vybrány systémy ITSO (Velká Británie) a VDV (Německo). Analytická činnost se zaměřila zejména na analýzu procesů a metodik testování v rámci procesu certifikace nových komponent zapojovaných do systému. Dále bude uvedena analýza systému ITSO (Integrated Transport Smartcard Organisation). Všechna používaná zařízení, software či dílčí řešení (obecně komponenty) implementované u dopravců vykovávající služby dopravní obslužnosti musí nejprve získat certifikaci ITSO. Certifikace musí být bezpodmínečně udělena komponentám dříve, než jsou použity v běžném provozu platebních a odbavovacích systémů připojených do systému ITSO. Aby zařízení tuto certifikaci získalo, musí být pečlivě přezkoušeno na shodu se Specifikací ITSO (s definovaným standardem ITSO). Každá komponenta rovněž podstupuje zkoušky interoperability se všemi doposud dostupnými zařízeními, vyhovujícími ITSO, aby bylo co možná nejvíce zaručeno, že komponenty jsou skutečně schopny fyzické interoperability. ITSO umožňuje vstup do této organizace všem provozovatelům EOC (nejen ve Spojeném království), kterým může být následně udělena členská provozní licence. Tuto členskou provozní licenci však lze získat jen za podmínek, že všechna používaná média, komponenty a informační systémy provozovatele pracují ve shodě se Specifikací ITSO. 4

6 Certifikace tak představuje formální uznání shody produktu se Specifikací ITSO a v důsledcích umožňuje: dodavatelům předkládat jasná a podložená tvrzení o souladu s touto Specifikací, kupujícím (dopravci, příp. objednatelé veřejné dopravy) specifikovat poptávku a zajistit vyhovující úspěšnou implementaci produktů, které lze provozovat ve vzájemné součinnosti. Pro maximální efektivitu certifikace jsou tyto zkoušky realizovány interně v rámci ITSO. Díky tomu může ITSO garantovat rovnost přístupu na trh a rovný přístup v procesech certifikace všem dodavatelům, a zaručit se za jím publikovaný seznam interoperabilních komponent a pravdivost publikovaných testů interoperability. Po úspěšném absolvování odpovídajících zkoušek je zařízení a/nebo softwaru udělen Certifikát o shodě s ITSO, který normálně zůstává v platnosti dle Specifikací ITSO po dobu sedmi let. Zkušební postupy testů a zkušební testovací nástroje jsou přístupné, což dává dodavatelům příležitost své zařízení přezkoušet vnitropodnikově již ve fázi vývoje a snižuje možný výskyt problémů při formálním zkoušení při samotné oficiální certifikaci. Zkušební soupisy jsou dostupné v členské sekci internetových stránek ITSO. Zkušební nástroje ITSO je možno si pořídit nebo pronajmout. Laboratoř ITSO provádí zkoušky shody se Specifikacemi i zkoušky plné Interoperability. Jako obecná kritéria Interoperability ITSO jsou definována: možnost použití všech médií, všude v systému ITSO, co největší usnadnění implementace nových produktů, minimalizace nákladů na vývoj aktualizací softwaru (sjednocením funkcí komponent a systémů EOC), minimalizace transakčních časů (provedení srovnávací zkoušky). Existují čtyři samostatné kategorie, ve kterých se udělují certifikace: platební a identifikační média pro cestující (karty a ostatní media), personalizační terminály (zařízení pro vydávání platebních a identifikačních médií cestujícího), terminály na pro akceptaci platebních a identifikačních médií cestujícího (vozidlové a pokladní čtečky), provozní a další zpracující informační systémy. ITSO definuje jako hlavní výhody interoperability pozitivní dopad na celkové náklady na výstavbu a zajištění systému a zvýšenou způsobilost k rozšíření či výměně systémových prvků. Konkrétně jsou jmenovány tyto výhody: díky interoperabilitě si provozovatel může vybírat mezi různými produkty, nabízejícími tutéž funkčnost, a při zajišťování kompozitního systému není vázán na téhož prodejce. Na tomto otevřeném dodavatelském trhu, kde 5

7 panuje větší konkurence, může eventuálně dojít ke zvýšení kvality a snížení pořizovacích a provozních nákladů, z úhlu pohledu Registrovaných dodavatelů ITSO interoperabilita umožňuje společné investice do vývoje produktů, vlastní patentovaná řešení Registrovaných dodavatelů ITSO budou fungovat jen na omezeném množství systémů. Vývoj směrem k otevřenějším systémům nakonec vyústí ve zvětšení trhu, otevřené systémy povzbuzují a usnadňují výměnu informací v komunitách Registrovaných dodavatelů a provozovatelů a vedou k vývoji nových aplikací. Srovnávací zkoušky v ITSO Srovnávací zkoušky transakčních časů jsou vyžadovány pro ohodnocení rychlosti médií a produktů v reálné situaci. Doprava vyžaduje krátké transakční časy a Srovnávací zkoušky transakčních časů jsou navrženy tak, aby replikovaly pravděpodobné scénáře jednoduchých a komplexních transakcí u každého druhu médií a terminálů pro akceptaci. Srovnávací zkoušky se neprovádějí na personalizačních terminálech, provozních a dalších zpracujících informačních systémech. Akreditace zkušebních nástrojů v ITSO Certifikace zahrnuje prohlídku, zhodnocení a přezkoušení komponent a systémů dle daných požadavků na udělení Certifikátu o shodě. Z tohoto důvodu je nezbytné, aby ITSO nejdříve určilo sadu nejvhodnějších zkušebních nástrojů, které by bylo možné při Certifikaci použít (vše ve shodě se Specifikací ITSO). Způsobilost nástrojů k provádění zkoušek se uznává prostřednictvím Akreditace Zkušebních nástrojů. Zkušební laboratoř musí používat standardizované procedury, které zaručí konzistentní opakovatelnost a reprodukovatelnost. Principy kontroly kvality a způsobilost vyžadovaná pro certifikaci produktů jsou vytýčeny v Příručce ISO/IEC 65 a ISO/IEC Obrázek 1 - Vztahy subjektů v procesu certifikace ITSO 6

8 Certifikace v ITSO ITSO jakožto Certifikující organizace uděluje certifikáty na základě výsledků provedeného testování interoperability dle standardu a srovnávacích zkoušek transakčních časů (dle potřeby) při využití akreditovaných zkušebních nástrojů. Licencovaní členové a registrovaní dodavatelé ITSO pak mohou uvádět platnou certifikaci produktů, avšak pouze pro oblast, pro kterou jim byla certifikace udělena. Dosažené výsledky Projektu Z pohledu projektu č. TA představují systémy OIS zařízení umístěná ve vozidlech a v terénu na zastávkách a frekventovaných lokalitách, dále centrální systémy a dispečinky, webové portály, on-line aplikace a přenosná zařízení, bezkontaktní čipové karty a jiná média poskytující tyto služby: elektronické odbavení cestujících (EOC), informace cestujícím přes zastávkové informační systémy (ZIS) a zařízení ve vozidlech, informace uživatelům prostřednictvím internetu, dispečerské řízení vozidel, kontrola provedených přepravních výkonů. V rámci projektu bude pro odbavovací i informační systémy zpracována metodika ověřování shody. Budou popsány procesy probíhající v OIS. Certifikační 6 pracoviště OIS bude ověřovat shodu zařízení OIS s požadavky objednatelů veřejné dopravy. Ty se stanou součástí tzv. národního standardu interoperability, který v budoucnu vznikne. Pracoviště bude vybaveno potřebnými HW a SW, některá specifická zařízení budou v rámci tohoto projektu vyvinuta. Pracoviště umožní především testování shody hardwarového vybavení vozidel a personálu, univerzálních médií (na začátku zejména bezkontaktních čipových karet) a datových struktur elektronické komunikace probíhající mezi těmito prostředky a centrálními systémy OIS. Návrh architektury Certifikačního pracoviště OIS Celková architektura vybavení Pracoviště vychází z architektury typického systému OIS, který je používán v běžné praxi (např. v podmínkách organizátora integrovaného dopravního systému daného regionu). 6 Certifikace je procedura (viz EN 45020:1998, ), kterou třetí strana dává (psanou) záruku, že výrobek, proces nebo služba odpovídá specifikovaným požadavkům. V rámci certifikačního pracoviště OIS může být touto třetí stranou navrhovatel tohoto projektu. Projekt umožní propojení různých generací OIS od různých dodavatelů pracujících na bázi proprietárních řešení, a to při respektování nedávno vzniklé architektury EOC popsané v rámci normy EN ISO až 4, která umožní kooperaci se zahraničními systémy EOC. V případě informačních systémů budou respektovány postupy v rámci CEN/TS SIRI a VDV 453 a

9 Subsystém telekomunikační infrastruktury CDMA UMTS GSM-P WiFi Internet/ intranet VPN tunel VPN tunel Subsystémy centrálních aplikací Centrální podpůrné aplikace Communication Data Gateway Prodejní systém Komunikační Pokladny, prodej jízdních brány dokladů Správa přístupových práv IMS CardManagement DESFIE/NFC Dohled systémů i jednotlivých prvků, konfigurační databáze Dohled První úroveň podpory uživatelů HelpDesk 2 a 3 úroveň podpory ServiceDesk Sběrnice Správa číselníků a kmenových dat Clearing Dipečink eshop SMS ticketing HSM Správa klíčů a SAM Personalizace TSM Tvorba jízdních řádů Příprava provozních dat Správa účastníků Služby rozúčtování Sběr dat Presentace dat Sestavy Kancelář, dopravce Depo, vozovna, garáž WiFi WiFi/GSM Vozidla Zastávky Pokladna Pokladní přepážka Personalizační linka Dispečerské pracoviště Clearing - klient Příprava dat, aktualizace OBU PDA Mobilní pracoviště, revise Validátor Pokladna OBU, pokladna Displeje/palubní rozhlas Prodejní automat jízdenek Validátory/ turnikety/displeje Bezkontaktní karta Bezkontaktní karta Bezkontaktní karta Bezkontaktní karta Bezkontaktní karta Bezkontaktní karta Bezkontaktní karta Obrázek 2 - Schéma typického systému OIS Z hlediska funkčních celků je takovýto OIS tvořen: - vozidlovou technikou, - karetním systémem, - bezpečnostním systémem (SAM, HSM), - BackOffice (clearing, dispečink, systém tvorby jízdních řádů, přípravy dat do odbavovacích zařízení), - stacionární informační technikou. Z pohledu budoucí celostátní interoperability je potřebné uvažovat také centrální úroveň, kde již existuje Centrální informační systém (CIS) a uvažuje se také s centrálním clearingem a centrálním dispečinkem (zatím v ČR neexistují). 8

10 Návrh komponent Pracoviště Obecně bude Pracoviště vybaveno zkušebními nástroji (tzv. testovacími stolicemi), na kterých se bude provádět měření a testování resp. ověřování vybraných zařízení OIS. S ohledem na manipulaci, přístupnost a přehlednost budou instalovány na speciálních stojanech s vyvedenými zásuvkami napájení i sítí. Pracoviště bude dále vybaveno příslušnou výpočetní technikou, které bude třeba k analyzování dat získaných při provádění zkoušek a výpočetní technikou určenou k administrativním činnostem Pracoviště. Návrh stanoví minimální požadavky na vybavení instalovaných zařízení a požadavky na jejich instalaci, popisuje fyzická rozhraní mezi nimi a udává náležitosti hardwaru těch komponent, jež mají být nainstalovány do setu daného zkušebního nástroje. Jednotlivé prvky zkušebních nástrojů budou instalovány tak, aby bylo možno je snadno demontovat a na jejich místo osadit vzorek, který bude podrobován zkouškám. Prvky budou umístěny/instalovány v jejich obvyklých polohách (např. ve vozidle validátor svisle na tyči atp.). Jako příklad zkušebního nástroje Pracoviště je dále uveden testovací set pro ověřování zařízení OIS instalovaných ve vozidle veřejné dopravy. Zkušební nástroje budou vyhotoveny ve dvou variantách: vozidlo MHD (Městská hromadná doprava) a vozidlo PAD (Příměstská autobusová doprava). Dodaný SW umožní otestovat základní funkcionalitu HW, jako je např. prodej jízdního dokladu, kontrola platnosti kupónu atp. V dalších etapách Projektu a také v reálném provozu Pracoviště po skončení Projektu bude SW postupně aktualizovaný pro testování a certifikaci schválených komunikačních protokolů a rozhraní. Pro účely testování bude zkušebnímu nástroji připojeno také měřící PC, na kterém bude možné sledovat průběh funkce jednotlivých komponent a jejich datové komunikace. V navrhovaném testovacím systému bude rozhraní ve vozidle používat také protokol a rozhraní IBIS. PC proto musí být vybaveno příslušným síťovou kartou i sériovým rozhraním (2x RS-485) a SW analyzujícím komunikaci přes obě rozhraní. 9

11 Obrázek 3 - Blokové schéma zapojení zařízení ve vozidle ve verzi MHD Navrhovaný testovací set pro MHD se skládá z následujících modulů a komponent: palubní počítač MHD, externí GPS anténa, čtečka bezkontaktních čipových karet (BČK) s označovačem papírových jízdenek, tiskárna se spotřebním materiálem, rozvodná deska, síťový přepínač, vnější tabule, vnitřní tabule, zdroj, 10

12 stop tlačítko, emulátor otevření/zavření dveří, držák pro PP, čtečku a tiskárnu, kabeláž. Set pro MHD je zde navržen ve verzi pro malou MHD, tj. umožňuje výdej jízdních dokladu od řidiče, stejně tak i samoobslužný výdej. Umožňuje bezhotovostní platbu pomocí BČK, hotovostní platbu řidiči a samoobslužné označení papírové jízdenky. Identifikovaná rozhraní OIS Následující obrázek představuje podrobnější schéma OIS, na kterém jsou vyznačeny očíslované měřitelné vazby resp. rozhraní mezi jednotlivými prvky systému. Centrální úroveň CCL Centrální clearing CIS CDIS Centrální dispečink 3 Kartové systémy PL Personalizační linka funkce SW rozhraní 21 SAM CL Clearing, zúčtovací systém EOC funkce SW rozhraní 1 BackOffice dopravce / koordinátora 8 SJŘ systémy tvorby jízdních řádů funkce rozhraní DIS Dispečink HW SW rozhraní BČK Karta datová struktura zabezpečení Bezpečnostní systém/moduly HSM Certifikační autorita HW, SW rozhraní 28 SAM modul HW, SW výroba 23 6 PD Příprava a zpracování dat SW na přípravu dat do strojků (JŘ, data, ) funkce rozhraní OT Odbavovací technika HW, SW a rozhraní Modul konverze dat Řídící jednotka TMS Terminal management system HW SW rozhraní VIS Vozidlová informační technika Informační tabule optický výstup Palubní rozhlas akustický výstup 30 FrontOffice dopravce/ids Kontaktní místo (KM)/Card Management (CM) SAM Mobilní zařízení Automat 26 SAM SAM 24 Legenda: Komunikační vazba Použití karty Ovládací panel (Rozhraní HMI) Tiskárna Komunikační jednotka Validátor OT (čtečky na tyč) Vozidlová čtečka 16 OTV Ostatní technické vybavení, další periferie Komunikační modul GPRS/WIFI Preference na křižovatkách Požadavky ZTP Validátor SAM Předání modulu SAM Zastávka na znamení/ indikace otevření a zavření dveří E Shop Kom. vazba - ověření EOC Vozidlová technika Obrázek 4 - Identifikovaná rozhraní v systému OIS 11

13 Dále byly identifikovány následující základní procesy probíhající na systému OIS: Dispečerská hlášení do vozidla Distribuce Blacklistu Nahrání dat do odbavovacích zařízení Nákup jízdenky nebo kupónu na KM Nákup jízdenky nebo kupónu ve vozidle Odbavení cestujícího Ověření operace na HSM Pořízení a zpracování transakce v OS Pořízení nebo změna JŘ Přenos informací z CDIS do SIS Přenos informací z dispečinku do SIS Přenos nebo synchronizace dat mezi Clearingem a CCL Přenos nebo synchronizace dat mezi Clearingem a CM Přenos nebo synchronizace dat mezi Dispečinkem a CDIS Příprava dat do odbavovacích zařízení Rozúčtování transakcí mezi subjekty Sledování polohy vozidla s dodržení JŘ Sledování stavu odbavovacích zařízení Vyčtení dat z vozidlového OS Výměna tarifního systému na komponentech schématu Výroba bezkontaktní karty Výroba SAM modulu Zobrazení a hlášení informací pro cestující Zpracování dat v BackOffice z OS Žádost a výdej karty Vyčtení dat z KM Vyčtení dat z vozidlového OS Přenos informací z DIS do CDIS Přenos dat z OT do VIS Za účelem posouzení jednotlivých vazeb z hlediska významu resp. důležitosti jejich standardizace pro připravovanou interoperabilitu byla provedena analýza četnosti těchto vazeb ve výše uvedených základních procesech a to pomocí analytického nástroje kontingenční tabulka. Vazba s nejvyšší četností použití tj. vazba, která je použita u nejvíce procesů, je vazba 13 (je využita u 4 z výše uvedených procesů). Mezi důležité patří také vazby 6, 7, 16, 20 a 23 (pro 3 z výše uvedených procesů je nutná). Z pohledu poskytovaných funkcí resp. služeb byly identifikovány základní nebo též tzv. silné funkce OIS. Jsou to tyto 4 funkce: Odbavení cestujících Rozúčtování plateb Informování cestujících Operativní řízení 12

14 Dále byla posouzena náročnost zajištění interoperability uvedených funkcí na základě nutnosti zajistit vzájemnou shodu v rámci jednotlivých použitých rozhraní. Byl zjištěn počet jednotlivých rozhraní nutných pro realizaci uvedených silných funkcí. Výsledkem je tabulka uvedená níže. Obrázek 5 - Počet vazeb použitých v jednotlivých silných funkcích OIS Z provedené analýzy vyplývá, že nejnáročnější je zajištění interoperability odbavení cestujících - zahrnuje nalezení shody u nejvíce rozhraní. Naopak, dosažení interoperability v oblasti operativního řízení dopravy se jeví jako nejsnazší. Další harmonogram Projektu Základní cíle letošního roku řešení Projektu jsou příprava zkušebních nástrojů certifikačního pracoviště ve formě funkčních vzorků a příprava metodik pro testování resp. ověřování. Ke konci roku budou výsledky podrobeny připomínkám odborné veřejnosti formou pořádaného workshopu. 13

15 V příštím roce 2014 proběhne sestavení a zprovoznění certifikačního pracoviště na základě připravených zkušebních nástrojů. Budou provedeny a vyhodnoceny provozní testy pracoviště, doladěny metodiky testování, navrženy certifikační procesy a postupy, budou realizovány modelové certifikační procesy a vyhotovena finální specifikace metodik spolu s a konečnou dokumentací zkušebních nástrojů. V roce 2015 pak bude dokončena dokumentace certifikačního pracoviště, zajištěna udržitelnost výsledků Projektu a Projekt bude ukončen. Seznam použitých zkratek CCL CDIS CIS CL CM EOC HSM IDS ITS ITSO JŘ KM OIS OT OTV PD PL SAM SIS SJŘ TA ČR TMS VaV VIS Centrální Clearing Centrální DISpečink Centrální Informační systém jízdních řádů CLearing Card Management Elektronické Odbavování Cestujících Host Security Module Integrovaný Dopravní Systém Inteligent Transport System Integrated Transport Smartcard Organisation Jízdní řád Kontaktní Místo Odbavovací Informační Systémy Odbavovací Technika Ostatní Technické Vybavení Příprava Dat Personalizační Linka Security Acces Module Stacionární Informační technika Systém tvorby Jízdních Řádů Technologická agentura ČR Terminal Management System Věda a Výzkum Vozidlová Informační Technika Závěr Projekt č. TA se soustředí na posuzování shody systémů, zařízení OIS a představuje konkrétní příspěvek řešitelů projektu v rámci procesu sjednocení informačních a odbavovacích systémů ve veřejné osobní dopravě. Jak bylo vysvětleno v tomto příspěvku, sjednocení systémů OIS a jejich vzájemné propojení je v zájmu všech klíčových subjektů: objednatelů, uživatelů (cestujících), dodavatelů a také státu jakožto regulátora prostředí veřejné osobní dopravy. Interoperabilita OIS je dílčí částí evropského trendu Door-to-Door Mobility představeného v Bíle knize evropské dopravní politiky v r a od r je také součástí cílů Dopravní politiky ČR. Pracoviště pro posuzování shody OIS nalezne široké uplatnění při plánování, výstavbě a provozu OIS v ČR. 14

16 Literatura [1] ČVUT v Praze, Fakulta dopravní. Projekt VaV č. TA Projektová žádost [2] ČVUT v Praze, Fakulta dopravní. Projekt VaV č. TA Odborná zpráva o postupu prací a dosažených výsledcích za rok [3] Sliacky M., Matějec J., Představení projektu VaV č. TA a aktuální stav v roce In: XX. odborný seminář Integrované dopravní systémy května Žďár nad Sázavou. [4] Votruba, Z., Kalika M, Klečáková J, Systémová analýza, Vydavatelství ČVUT v Praze, 2004 [5] EN ISO Řídicí systém interoperabilního cestovného. Část 1: Architektura [6] ITSO TS Standard verze Dostupné z: Praha, říjen 2013 Lektorovali: Ing. Jan Šimůnek, ROPID Ing. Roman Daněk, Ph.D., RPP International, s.r.o. 15

17 Lukáš Fiala 1 Návrh metodiky stanovování prvků zhlaví Klíčová slova: propustnost zhlaví, prvky zhlaví Úvod Stávající platná Směrnice pro stanovování propustné výkonnosti železničních tratí a stanic SŽDC (ČD) D24 (dále jen směrnice) využívá pro stanovení propustné výkonnosti zhlaví zjišťování poměrného zatížení určitých segmentů zhlaví stanoveným rozsahem pohybů. Tyto segmenty se nazývají prvky. O jejich stanovení hovoří směrnice následovně: ; jejich počet musí odpovídat maximálnímu počtu jízdních cest (vlakových i posunovacích), které lze na zhlaví současně (souběžně, paralelně) postavit podle tabulky současně dovolených jízd vlaků. Do každého prvku se pojmou jen výměny 2, které pracují současně, tj. jestliže je jedna z nich obsazena určitou jízdou, nesmějí být ostatní výměny téhož prvku obsazeny jinou jízdou. [1] Praxe posledních desítek let ukazuje, že podmínky stanovené v obou větách v téměř všech prověřovaných stanicích nelze splnit současně a zároveň pravidlo z druhé věty je natolik obecné, že může existovat hned několik variant stanovení počtu i rozsahu prvků na témž zhlaví. Jelikož správné stanovení rozsahu a počtu prvků je prvním a základním krokem určení propustné výkonnosti zhlaví, je nezbytné pravidla jejich určování novelizovat a výrazně konkretizovat, aby nedocházelo k nejednotnostem a zkreslování výsledků. 1. Navrhované přístupy stanovení prvků zhlaví Základní princip byl inspirován jedním z německých analytických přístupů stanovování propustnosti zhlaví, který bere v potaz pouze topologii zhlaví a jeho hranice, nicméně nezohledňuje umístění jakýchkoliv návěstidel (podrobnosti například v [2]). Modifikací a rozšířením tohoto postupu za použití teorie grafů vznikly dva následující přístupy, jejichž uplatnění je z větší části možné i pro současnou nezměněnou metodiku výpočtu propustnosti podle zmiňované směrnice. 1 Ing. Lukáš Fiala, 1985, absolvent oboru Technologie a řízení dopravy, Univerzita Pardubice. Externí doktorand oboru Technologie a management v dopravě a telekomunikacích, Univerzita Pardubice. V současnosti působí jako systémový specialista Oddělení podpory provozu aplikací, GŘ SŽDC, s. o. 2 Výměna podle dnešní terminologie by byl použit termín výhybka 1

18 a) Přístup určený jen pro jízdy bez pobytu v oblasti zhlaví Bere v potaz jen koleje určené pro jízdy vlaků a návěstidla platná pro jízdu vlaků. Základní filozofií přístupu je, že pohyb na zhlaví musí začínat nebo končit vždy pouze na určených hranicích zhlaví. Dílčí posunové cesty s úvratí uprostřed zhlaví, kde posunový díl vyčkává na uvolnění prvků po současně probíhající jiné jízdě, se neuvažují. U případných úvraťových cest, kdy začátek i konec jízdy je na téže straně zhlaví, se uvažuje obsazení všech prvků současně. Tento přístup je vhodný zejména pro zhlaví stanic s elektromechanickým zabezpečovacím zařízením, nevybavená seřaďovacími návěstidly. b) Přístup zohledňující pobyt v oblasti zhlaví Rozšiřuje přístup podle a) zohledněním i seřaďovacích návěstidel uvnitř zhlaví. Předpokládá, že jízda posunového dílu může končit u seřaďovacího návěstidla uvnitř zhlaví, pokud zároveň v místě stání posunového dílu existuje návěstidlo, od kterého by začala posunová cesta při jízdě úvratí. Neobsahuje-li úsek mezi těmito návěstidly žádnou výhybku a posunový díl (zpravidla jen lokomotiva) je kratší než tento úsek, uvažuje se každá jízda za samostatné obsazení dotčených prvků a pobyt na bezvýhybkovém úseku se zaznamenává samostatně. Tento přístup je vhodný zejména pro rozsáhlá zhlaví stanic s reléovým nebo elektronickým zabezpečovacím zařízením, vybavená seřaďovacími návěstidly. 2. Prvky a jejich vlastnosti V úvodu byl citován odstavec, který by se dal považovat za stávající definici prvku podle směrnice. Pokud bylo následně konstatováno, že zmíněná pravidla definice nelze reálně dodržet, pak je nutné tuto definici poupravit. Při zachování stávajícího principu funkce prvků stále platí, že prvek je skupina výhybek včetně kolejových křižovatek, kdy obsazení alespoň jedné z nich jízdní cestou, vylučuje obsazení všech ostatních jinou cestou, přestože nejsou v rámci postavené jízdní cesty pojížděny. To však nic neříká o tom, jak je stanovit. Doposud se prvky určovaly víceméně intuitivně podle současně možných cest na zhlaví. Aby nebylo nutné prověřovat všechny možné kombinace jízdních cest, kterých při rozsáhlejších zhlavích může být značné množství, byl hledán způsob založený pouze na vazbách mezi malou skupinou sousedících výhybek (zpravidla mezi dvojicemi nebo trojicemi), čímž se celý proces vymezování prvků zjednoduší. Pro hledání typických vlastností výhybek, které mohou tvořit společný prvek, se jako vhodný nástroj ukázala teorie grafů. Za tím tímto účelem byla zkušebně vyšetřovaná zhlaví převedena do podoby orientovaného grafu. Orientovaný graf zhlaví Každá výhybka a kolejová křižovatka je reprezentována jedním vrcholem a každý úsek koleje spojující jednotlivé výhybky je reprezentován orientovanou hranou v závislosti 2

19 na stanoveném směru orientace zhlaví (jeho stanovení bude popsáno dále). Celý graf zhlaví pak sestává ze dvou (resp. tří) typů struktur uvedených na obrázku 1, mezi nimiž jsou posuzovány vztahy hran sousedících vrcholů. Z obrázku 1 je patrné, že každý vrchol má jednu nebo dvě vstupní hrany a jednu nebo dvě výstupní hrany. S výjimkou krajních vrcholů grafu platí, že každá výstupní hrana n-tého vrcholu je zároveň vstupní hranou následujícího vrcholu. Tato vlastnost orientovaného grafu zhlaví je klíčová pro stanovení prvků zhlaví. Pozorný čtenář si již jistě všimnul téměř shodné interpretace křižovatkové výhybky a kolejové křižovatky v orientovaném grafu. Přestože kolejová křižovatka neumožňuje volbu směru průjezdu, liší se pouze barvou vrcholu. Jelikož při hledání množiny vrcholů patřící do společného prvku bude hrát hlavní roli vztah hrany a incidentních vrcholů, jedná se v tomto případě o zjednodušení poměrně málo významné. Naopak nevýznamné není ono barevné odlišení vrcholů. Narozdíl od ostatních vrcholů se ve stanoveném případě u takto označeného vrcholu posuzuje vztah výstupních a současně i vstupních hran. O těchto vztazích pojednávají následující odstavce. Jednoduchá výhybka Křižovatková výhybka Kolejová křižovatka 1 vstup 2 výstupy 2 vstupy 2 výstupy 2 vstupy 2 výstupy 2 vstupy 1 výstup Obr. 1 - Základní struktury grafu zhlaví Zdroj: Autor Vztahy mezi vrcholy vymezujícími prvek Na orientovaném grafu je prvek možné vidět také jako podgraf, sestavený podle určitých pravidel, která je možné aplikovat jak na jednotlivé vrcholy, tak i na již vybranou skupinu vrcholů a hran tj. prvek resp. podgraf. Pokud je některé pravidlo uplatňováno na již jednou vybraný podgraf, je takový podgraf považován za jediný vrchol se všemi vstupními a výstupními hranami původních vrcholů incidentních s vrcholy mimo vlastní prvek. Na prvek lze uplatnit pouze pravidlo se stejným nebo vyšším číslem, na základě kterého vznikl. Tato pravidla byla stanovena následovně: 3

20 1. Má-li vrchol V m následníka V n (tj. V m tvoří začátek a V n konec téže orientované hrany), který je jediným následníkem vrcholu V m, pak oba patří do společné množiny vrcholů téhož prvku. V m V n Obr. 2 - Pravidlo sloučení vrcholů 1 Zdroj: Autor 2. Má-li vrchol V n předchůdce V m (sousední vrchol na začátku orientované hrany), který je jediným předchůdcem vrcholu V n, pak oba patří do společné množiny vrcholů téhož prvku. V m V n Obr. 3 - Pravidlo sloučení vrcholů 2 Zdroj: Autor Z toho plyne, že každý vrchol představující jednoduchou výhybku, který není krajním vrcholem grafu, je vždy součástí prvku čítajícího alespoň jednu další výhybku nebo kolejovou křižovatku. 3. Má-li vrchol V m právě dva následníky V n a V o a platí-li, že vrchol V n má právě dva předchůdce V m a V o, pak vrcholy V m a V n patří do společné množiny vrcholů téhož prvku. Ekvivalentně toto pravidlo platí, je-li libovolný z vrcholů nahrazen prvkem čítajícím více vrcholů. Pak se na prvek nahlíží jako na vrchol s větším počtem vstupních a výstupních hran (viz. vrchol V 3 na obrázku 4). V o V m V n Obr. 4 - Pravidlo sloučení vrcholů 3 Zdroj: Autor 4

21 4. Má-li černě označený vrchol V n jednoho následníka V m, který je zároveň jeho předchůdcem, pak jsou tyto dva vrcholy součástí společné množiny vrcholů téhož prvku. Má-li černě označený vrchol V n dva následníky V m a V p, kteří jsou zároveň jeho předchůdci, může být vrchol V n součástí množiny vrcholů s jakýmkoliv jedním z nich. V m V m V n V n V l V o V p Obr. 5 - Pravidlo sloučení vrcholů 4 Zdroj: Autor Pravidlo 4 se uplatňuje jen na vrcholy představující kolejové křižovatky, které nebylo možné přiřadit do společné množiny s jiným vrcholem. Z toho lze vyvodit, že uplatňování pravidel je nutné provádět postupně v pevném pořadí, tak jak jsou očíslována. Jejich aplikaci blíže osvětlí praktický příklad v závěru tohoto článku. 3. Bezvýhybkové úseky Na zhlavích ovládaných reléovými nebo elektronickými stavědly bývá rozmístěno množství seřaďovacích návěstidel, u kterých mohou končit dílčí posunové cesty. Na řadě takových míst může pravidelně docházet k zastavení posunového dílu například z důvodu zamýšlené úvraťové jízdy. Pokud k takovému zastavení dojde na výhybce (z našeho pohledu tedy na prvku), dochází k jeho započítání do doby obsazení příslušného prvku. Pokud ovšem posunový díl nestojí na žádné výhybce ani mezi výhybkami téhož prvku, ale ani mimo prostor zhlaví a přesto je umožněna jízda po všech výhybkách (byť ne všemi směry, díky obsazenému úseku posunovým dílem), na základě čeho se vyjádří obsazení zhlaví? Fyzicky není obsazen žádný prvek, ale přesto je zhlaví obsazeno a možnosti jízdy přes něj omezeny. Doposud se povětšinou postupuje obdobně jako u vlakových cest. Tedy započítáním prostoje při posunu do prvků obsazovaných posunovou cestou, protože není k dispozici jiná možnost. Tuto možnost má poskytnout nový segment pro stanovení propustné výkonnosti zhlaví tzv. bezvýhybkový úsek. Na rozdíl od dosud popisovaných prvků má bezvýhybkový úsek uplatnění pouze u přístupu zohledňujícího možnost pobytu v oblasti zhlaví. 5

22 Vymezení bezvýhybkových úseků Bezvýhybkový úsek tvoří dvojice vstřícně umístěných návěstidel platných pro posun, mezi kterými se nenachází žádná výhybka ani křižovatka. Za návěstidlo platné pro posun se pro tento účel považuje seřaďovací návěstidlo, hlavní návěstidlo platné pro posun, označník nebo vyčkávací návěstidlo. Je to tedy úsek koleje uvnitř zhlaví nebo na záhlaví ohraničený z obou stran vyjmenovanými návěstidly. Nachází-li se bezvýhybkový úsek mezi dvěma výhybkami, tvoří překážku jejich sloučení do společného prvku, jako by spolu vůbec nesousedily. Proto se bezvýhybkové úseky zakreslují do schématu kolejiště před slučováním výhybek do společných prvků. Nicméně jak bylo řečeno výše, bezvýhybkový úsek má smysl jen v případě, že při jeho obsazení bude zachována možnost uskutečnění cesty přes všechny prvky. Úseky sousedící s prvkem, který má jediný vstup nebo jediný výstup pouze přes bezvýhybkový úsek, toto nesplňují, a proto se na závěr postupu hledání prvků s takovými prvky slučují. 4. Společné dílčí kroky navrhovaných přístupů Určení technologických hranic oblasti zhlaví Účelem hranice zhlaví je vymezit oblast s podobnými vlastnostmi, ve které bude propustnost zkoumána. Tato oblast se může lišit od pojmu zhlaví, tak jak je definován dopravním předpisem. Stanovení oblasti zkoumaného zhlaví je velmi důležité zejména v případech rozsáhlých stanic, kde na sebe navazují obvody, ve kterých mohou být jízdy vlaků nebo zejména posunových dílů uskutečňovány nezávisle. Do oblasti zkoumaného zhlaví se nezahrnou části s převažujícím posunem a nezávisle obsluhovanými manipulačními kolejemi. Traťová kolej Traťová kolej Odstavné koleje Depo Staniční dopravní koleje Traťová kolej Obr. 6 - Technologické hranice zhlaví Zdroj: Autor 6

23 Obecná pravidla stanovení hranic zhlaví Ze směru od dopravních staničních kolejí jsou hranicemi vždy hlavní návěstidla nebo jiná návěstidla označující konce vlakových cest. Ze směru od traťových kolejí tvoří hranici vjezdová návěstidla, čímž je zahrnuto i záhlaví traťových kolejí. Tento úsek je zahrnut, jelikož jeho obsazení posunovým dílem znemožňuje postavení jízdních cest na navazující traťovou kolej a vylučuje tak část jízd přes zhlaví. Hranici z obvodů dep, skupin směrových kolejí, odstavných kolejí a vleček tvoří buď seřaďovací návěstidlo, nebo poslední výhybka pojížděná i při jiných cestách než do nezahrnutých obvodů. Směrová orientace zhlaví Pro stanovení směrových vazeb mezi výhybkami (budoucími prvky) je nutné určit směrovou orientaci zhlaví, od které se bude odvíjet smysl orientace grafu zhlaví. Směr orientace musí být rovnoběžný se směrem pojíždění zhlaví tj. buď od trati do stanice, nebo od stanice na trať. Volba směru sice nemá na výsledek žádný vliv, její důležitost tkví v definování posloupností výhybek a křižovatek při cestách přes zhlaví. V závislosti na zvoleném směru orientace pak považujeme traťové koleje na jedné straně zhlaví za vstupní a staniční koleje na opačné straně zhlaví za výstupní, případně naopak. Autorovi se osvědčilo stanovovat orientaci tak, aby vstupních kolejí bylo méně než výstupních. 5. Společná pravidla slučování výhybek a prvků Aby při ručním stanovování prvků nebylo nutné schéma kolejiště překreslovat do podoby orientovaného grafu, jsou stanovená pravidla hledání prvků upravena do podoby pro sloučení výhybek a prvků, která lze snadno uplatnit na schématu kolejiště. Navíc pravidly a. a b. lze velmi často sloučit více než polovinu výhybek, díky čemuž je uplatnění dalších pravidel jednodušší. Pravidla se uplatňují postupně od a po d. Při slučování výhybek a prvků se postupuje ve směru orientace zhlaví. Pozn.: šedě jsou vyznačeny prvky sloučené v některém z předchozích kroků 7

24 Tab. 1 - Pravidla slučování výhybek Pravidla pro sloučení výhybek a prvků Příklady Zdroj: Autor a. Dvě jednoduché výhybky sousedící výměnou b. Skupina jednoduchých výhybek sousedících srdcovkovou a výměnovou částí; kolejová křižovatka nebo křižovatková výhybka sousedící s výměnovou částí jednoduché výhybky c. Dvě výhybky sousedící srdcovkovou částí nebo dva sousedící prvky, kdy první má jen dvě výstupní hrany a druhý pouze dvě vstupní hrany, přičemž jejich zbývající nesousedící vstupní a výstupní hrana vede do společného sousedního prvku d. Samostatná kolejová křižovatka se vstupní a výstupní hranou vedoucí do téhož prvku. Pokud jsou takové prvky dva, přiřadí se k libovolnému z nich. 6. Příklad postupu stanovení prvků pro jízdy bez pobytu v oblasti zhlaví Pro snazší orientaci v postupu je každý krok vyznačen číslem a barvou 1. Stanovení hranic zhlaví (vychází z obr. 6) a jeho směrové orientace 2. Vyznačení skupiny výhybek podle pravidla a (zelená) 3. Vyznačení skupiny výhybek podle pravidla b (oranžová) 4. Vyznačení skupiny výhybek podle pravidla c (žlutá) 5. Prověření možnosti opětovného vyznačení výhybek podle pravidla c v sousedství prvku vzniklého v předchozím kroku (žlutá) 6. Přiřazení kolejové křižovatky podle pravidla d (červená) 7. Označení zbývajících výhybek jako samostatné prvky (hnědá) 8

25 Obr. 7 - Postup vyhledání prvků Zdroj: Autor Obr. 8 - Výsledek stanovení prvků Zdroj: Autor 9

26 7. Příklad postupu stanovení prvků zhlaví pro jízdy s možností pobytu v oblasti zhlaví Pro snazší orientaci v postupu je každý krok vyznačen číslem a barvou. Na rozdíl od předchozího příkladu jsou ve schématu kolejiště zakreslena světelná návěstidla (seřaďovací modře, hlavní červeně), aby bylo možné stanovit bezvýhybkové úseky. 1. Vyznačení bezvýhybkových úseků mezi dvěma návěstidly platnými pro posun (světle modré neočíslované) 2. Stanovení hranic zhlaví a jeho směrové orientace 3. Vyznačení skupiny výhybek podle pravidla a (zelená) 4. Vyznačení skupiny výhybek podle pravidla b (oranžová) 5. Vyznačení skupiny výhybek podle pravidla c (žlutá) 6. Prověření možnosti opětovného vyznačení výhybek podle pravidla c v sousedství prvku vzniklého v předchozím kroku (v tomto případě nenastává) 7. Přiřazení kolejové křižovatky podle pravidla d (červená) 8. Označení zbývajících výhybek jako samostatné prvky (hnědá) 9. Sloučení bezvýhybkových úseků s prvky, které mají jediný vstup / výstup pouze do nebo z tohoto úseku (světle šedá) Obr. 9 - Postup vyhledání prvků Zdroj: Autor 10

27 Obr Výsledek stanovení prvků Zdroj: Autor Závěr Navržené přístupy hledání prvků nejsou optimalizační, nicméně představují možnost systémově jednotného přístupu k jejich stanovení. Autor si uvědomuje nutnost komplexnější novelizace celého přístupu k analytickému stanovení propustné výkonností zhlaví. Sjednocení přístupu ke stanovování prvků je jen jeden z řady možných kroků vedoucí k její realizaci. Použitá literatura: [1] Směrnice pro zjišťování propustnosti železničních tratí a stanic SŽDC (ČD) D24, účinnost od [2] VAKHTEL, Sergey. Rechnerunterstützte analytische Ermittlung der Kapazität von Eisenbahnnetzen. Aachen, Disertační práce. Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen. Vedoucí práce J. Pachl, W. Schwanhäußer Praha, říjen 2013 Lektorovali: Ing. Radim Brejcha, Ph.D. (SŽDC, s.o.) Ing. Otakar Fiala (nezávislý odborník) 11

28 Zdeněk Horák 1 Termovizní diagnostika trakčního vedení Klíčová slova: termovizní kamera, LabVIEW, měřicí vůz pevných trakčních zařízení, trakční vedení, inerciální navigační systém, infračervené záření, termovize Úvod V lednu roku 2009 byla Technickou ústřednou dopravní cesty zakoupena termovizní kamera švédské firmy Flir řady SC 660, která byla posléze doplněna inerciálním navigačním systémem s podporou signálu GPS. Záměrem pořízení tohoto kompletního systému bylo snímání teplotního obrazu trakčního vedení za jízdy měřicího vozu pevných trakčních zařízení (MVPRZ) tak, aby bylo možno identifikovat a lokalizovat součásti trakčního vedení s nadměrným oteplením při pravidelných jízdách MVPTZ. Jedním z aspektů, proč byla vybrána právě tato přenosná kamera s vysokým rozlišením, bylo umožnit také bezkontaktní měření teplotního pole dle požadavků oblastních ředitelství zejména na trakčních napájecích stanicích. 1. Historie infračervené techniky Kolem roku 1800 Angličan s českými předky sir William Herschel, dvorní astronom krále Jiřího III., při hledání nového optického materiálu, náhodně objevuje infračervené záření jako jistý druh tepelného záření.(1) O třicet let později pak italský badatel Macedonio Melloni zjistil, že IR záření nejlépe propouští krystal kamenné soli. Tento materiál se používal v optice pro infračervené záření sto let, než jej v roce 1930 vystřídaly synteticky vyrobené krystaly. Syn Williama Herschela vytváří v roce 1840 první tepelný obraz na papír a nazve jej termogram. Termovizní technika, ve službách vojenského průmyslu, se objevuje už v 1. světové válce a slouží k detekci nejen vojáků, ale i letadel. Od druhé poloviny 20. stol. se pak termovize využívá i pro civilní účely.(2) 2. Teorie termografie Na obrázku 2.1 můžeme vidět spektrum elektromagnetického záření. Z hlediska termovizní diagnostiky nás zajímá pouze oblast IR záření, kterou můžeme neformálně rozdělit do čtyř pásem. Tato pásma označujeme anglickými názvy: - Near infrared ( μm) 1 Zdeněk Horák, Ing., nar. 1978, Ph.D. (absolvent VŠB-TU Ostrava, obor elektroenergetika), SŽDC s.o., TÚDC Praha, systémový specialista, Specializované středisko diagnostiky pevných trakčních zařízení, Úsek elektrotechniky a energetiky, nám. Mickiewicze 67, Bohumín 1

29 - Middle infrared (3-6 μm) - Far infrared (6-15 μm) - Extreme infrared ( μm) Termovizní kamery však obecně pracují pouze v oblasti vlnových délek 2-13 μm. Naše kamera, kterou provozujeme na měřicím voze trakčního vedení, pracuje v rozsahu 7,5-13 μm.(2) IR kamery Obr. 2.1: spektrum elektromagnetického záření Zdroj: mlhoviny Samotné měření teplot termovizní kamerou není jednoduchou záležitostí, vyžaduje fundovanou obsluhu a hlavně znalost vstupních parametrů. Je nutné si uvědomit, že termovizní kamery teplotu objektů neměří, ale vypočítávají. Do kamery (č. 4) vstupují tři základní složky záření, jak je vidět z obrázku 2.2. Jedná se o: 1) emisi (vyzařování) z měřeného objektu (č. 2), 2) odražené záření z okolních zdrojů (č. 1), 3) emisi z atmosféry (č. 3). Obr. 2.2: termovizní měření Do kamery musí tedy operátor zadat tyto parametry: 1) relativní vlhkost a teplotu atmosféry, 2) vzdálenost a emisivitu objektu, 3) odraženou teplotu okolí. 2

30 Pokud je objektiv kamery chráněn průzorem, ať už z krystalu germania nebo jiným materiálem (ZnSe, KRS-5 aj.), musíme respektovat také transmitanci a teplotu tohoto materiálu. 3. Historie termovizní diagnostiky na železnici SŽDC resp. ČD má s termovizní diagnostikou dlouholeté zkušenosti. Již v roce 1977 se na tehdejším Elektroúseku v Brně vytvořilo Měřicí středisko termovize, které systematicky provádělo kontrolu EPTZ až do roku Na tuto dlouholetou činnost naše Středisko diagnostiky pevných trakčních zařízení opět navázalo před třemi lety. Dnes již bývalé Měřicí středisko termovize provozovalo kameru Agema Thermovision 750, jejíž tepelný snímač byl tehdy chlazen kapalným dusíkem. V pravé části obrázku 3.1 můžeme vidět doplňování tohoto chladícího média. Současné kamery již disponují nechlazeným mikrobolometrem nebo jsou chlazeny Peltierovým článkem či Stirlingovým motorem. Na obrázku 3.2 je pak termogram z této kamery. Průměrné roční nasazení čítalo zhruba 1500 hodin. Aparatura byla montována na MVTV a obsluhu tvořili dva pracovníci. Vůz se během měření pohyboval rychlostí km/h a záznam se pořizoval na kazety VHS.(3) Obr. 3.1: AGA Thermovision 750 Obr. 3.2: termogram z AGA 750 Zdroj: Ing. Dobroslav Hájek, z prezentace Diagnostika elektrických zařízení 4. Současný stav měřicího systému THV Současný měřicí systém se skládá ze čtyř komponentů. Hlavní část tvoří termovizní kamera, obr. 4.1, švédské firmy Flir řady SC 660, která disponuje rozlišením p. THV záznam se ukládá do souboru v podobě sekvence s trigrováním snímků každých 5 m impulzy z odometrické jednotky. Pro snadnou lokalizaci závad využíváme inerciální navigační systém s podporou GPS signálu kanadské firmy NovAtel Inc., který je doplněn dvěma anténami pro určení statického azimutu. Hodnoty o zeměpisných souřadnicích, času, rychlosti, azimutu (směru, kterým je kamera natočena), náklonech vozu, stavu INS jednotky a jiné, se ukládají do textového souboru 10krát za sekundu. Termovizní záznam je dále doplněn videozáznamem ve viditelném spektru z IP kamery firmy Vivotek v rozlišení p a frekvencí 10 Hz. Tyto systémy se sdružují v průmyslovém PC 3

31 s nainstalovanými programy pro měření a analýzu termovizních záznamů, které jsou vytvořeny naším střediskem, a to ve vývojovém prostředí LabVIEW Ge okno Obr. 4.1: umístění termovizní kamery na MVPTZ Primárně je MVPTZ určen k měření geometrické polohy trolejového vodiče a interakce mezi sběračem proudu a trolejovým vedením. Termovizní diagnostika tedy slouží jako doplňkové měření a nijak nenarušuje organizaci měřicích jízd a nezvyšuje náklady na ně. Obr. 4.2: kamera Vivotek, pohled z prohlížecí kabiny Před prohlížecí kabinou se nachází kryt z nerezové oceli, v němž je umístěna termovizní kamera, která snímá trakční vedení přes germaniové okno. Inerciální navigační systém se nachází pod prohlížecí kabinou a zároveň asi 1,5 m nad podlahou vozu. Antény jsou umístěny na střeše měřicího vozu. Digitální kamera (obr. 4.2) pro videozáznam je instalována v prohlížecí kabině. 4

32 5. Měřicí program Měřicí program se skládá ze tří tematicky rozčleněných oken. V první záložce nalezneme vše, co se týče termovizní kamery. Jak již bylo zmíněno, do termovizní kamery je třeba zadat parametry objektu, externí optiky a atmosféry. K tomu nám slouží čidla vlhkosti a teploty, která jsou umístěna vně vozu a také na přírubě germaniového okna. Tyto hodnoty se v programu automaticky aktualizují. Vzdálenost k měřenému objektu je stále konstantní (oblast měřicích sběračů). Můžeme si zde zvolit typ palety (v našem případě greyred místo klasické iron ), nastavit meze teplot případně doostřit optiku. Ve vybrané oblasti (znázorněno světle zelenou barvou) můžeme sledovat maximální, minimální nebo průměrné teploty. Ve druhé záložce operátor kontroluje hodnoty zeměpisných souřadnic, nadmořské výšky, azimutu, času, náklonu skříně vozu, rychlosti a stavu INS jednotky. V poslední záložce se pak skrývá videozáznam IP kamery. Obr. 5.1: měřicí program 6. Analýza a vyhodnocení naměřených dat Přestože je měřicí systém stavěný jako bezobslužný, po přenosu naměřených dat na pracoviště musí být naměřená data analyzována pomocí speciálního softwaru. Jedná se o proces, který je časově náročný a vyžaduje jisté znalosti z oboru termografie. Analýza probíhá následujícím způsobem: po spuštění vyhodnocovacího programu (obr. 6.1) a načtení sekvence (obr. 6.2) si operátor nastaví hodnotu teploty pro alarm, což bývá obvykle asi o 5-10 C více než je teplota okolí. Pak stačí spustit prohlížení tlačítkem play a obraz se sám zastaví, pokud se ve sledované oblasti vyskytne teplota větší než nastavená pro alarm. Při vhodně zvolené teplotní škále se toto místo jeví červeně. Ihned vidíme maximální teplotu (v tomto případě okolo 50 C) a zeměpisné souřadnice pro mapový podklad. Jedním kliknutím myši se přeneseme do map Googlu nebo Seznamu na konkrétní souřadnice. Z videozáznamu je patrné, že se jedná proudové propojení na střídavé 5

33 Obr. 6.2: termovizní sekvence Obr. 6.1: vyhodnoc. program trakci (stanice Bratislava). Krom těchto parametrů máme k dispozici také rychlost jízdy a azimut. Výstupem jsou termogramy, tedy obrázky míst s nadměrným oteplením, údaje o místě pořízení snímku Obr. 6.3: výřez videozáznamu a také fotozáznam. Určit závažnost takto nalezených míst není snadné, protože při jízdách měřicím vozem nemůžeme sledovat další potřebné parametry, především proud tekoucí v místě oteplení, dobu jeho trvání a také aktuální rychlost větru, který výrazně ovlivňuje hodnotu oteplení. 7. Protokol Protokol obsahuje jednoznačný název měřeného úseku tratě (vysvětleno v literatuře č. 4), datum měření a samotný termogram s vyznačenými prvky trakčního vedení s nadměrným oteplením. U každého prvku je i jeho maximální teplota. Záměrně je v každém termogramu zobrazen prvek s provozní teplotou jako referenční. Z hlediska objektivity se nejčastěji jedná o druhý konec proudového propojení, protilehlý úsekový odpojovač, chladnější svorku věšáku, pokud je druhá teplejší apod. 6

34 Následuje lokalizace v mapách Googlu nebo Seznamu a výřez z videozáznamu s vyznačenými body (stejně jako v termogramu). V tabulce pak následuje rekapitulace maximálních teplot, času měření, odkaz na mapy, GPS souřadnice ve všech třech formátech, azimut a hlavně přesná lokalizace v podobě čísla trakční podpěry a koleje. 8. Podcenění THV diagnostiky Na obrázcích 8.1 a 8.2 pak vidíme důsledky podcenění termovizní diagnostiky. Obr. 8.1 představuje proudové propojení, u kterého došlo k natavení a rozpadu středové části svorky propojující zesilovací vedení AlFe 240 a Cu 120. Na obr. 8.2 můžeme vidět teplem poškozené svorky věšáků na střídavé trakci. Obr. 8.1: rozpadlá svorka proudového propojení Obr. 8.2: teplem poškozená svorka věšáku 7

35 9. Předcházení havarijním stavům Při pravidelném měření na stejnosměrné trakci z počátku letošního roku jsme zjistili teplotu na jednom úsekovém odpojovači přes 110 C. Po našem upozornění příslušnému zaměstnanci OŘ na místo dorazila denní směna OTV a zjistila, že příčinou nadměrného oteplení je nedopnutý ÚO nože nebyly dokonale zasunuty do kapsy odpojovače. Bylo provedeno seřízení táhla motorového pohonu a dopnutí ÚO, provedena funkční zkouška s táhlem s ED s výsledkem bez závad. Obr. 9.1: porucha úsekového odpojovače Závěr Termovizní diagnostika představuje bezkontaktní snímání teplotních polí v podobě termogramů. Ty obsahují kromě samotného obrázku také radiometrická data, tzn., že potřebné vstupní parametry můžeme korigovat i po ukončení měření a zároveň nám umožňují přesné odečítání teplot konkrétních bodů. Protože se jedná o bezkontaktní měření, neomezuje pravidelnou dopravu a nevyžaduje provozní výluky zařízení. O důležitosti cílené a pravidelné údržby trakčního vedení, jejíž součástí je i diagnostika, není třeba polemizovat. Mnoho neviditelných závad však může představovat potenciální havarijní stav, o ohrožení lidského života nemluvě. Termovizní diagnostika je schopna odhalit takováto místa už ve stádiu, ve kterém lidské oko nedokáže avizovanou (zvýšenou teplotou) poruchu rozpoznat, a včasným zásahem můžeme výše zmíněným nebezpečím předejít. Za tři roky praxe mohu konstatovat, že termovizní diagnostika a její výsledky předčily má očekávání. Ročně bývá jen na tratích SŽDC nalezeno zhruba šedesát míst s nadměrným oteplením. Samozřejmě, že některá se při pravidelných měřeních opakují. Obecně se většinou jedná o prvky trakčního vedení na stejnosměrné trakci. Přes počáteční nedůvěru, 8

36 zejména v přesnou lokalizaci, jsme však dokázali, že tato diagnostika má své opodstatnění. Důkazem je i to, že kromě pravidelné kontroly tratí SŽDC (dvakrát ročně) provádíme také kontrolu tratí ŽSR. Díky otevřenosti systému a vlastnímu softwaru máme možnost neustálého zdokonalování, podle přání a požadavků našich zákazníků. Seznam použitých zkratek ČD EPTZ INS IR MVPTZ MVTV OŘ OTV SŽDC THV TÚDC ÚO ŽSR České dráhy, a.s. elektrická pevná trakční zařízení inerciální navigační systém infračervené záření měřicí vůz pevných trakčních zařízení montážní vůz pro údržbu a opravy trakčního vedení oblastní ředitelství opravna trakčního vedení Správa železniční dopravní cesty, státní organizace termovize Technická ústředna dopravní cesty úsekový odpojovač Železnice Slovenské republiky Seznam použitých informačních zdrojů [1] Wikipedie [online], c [cit ], Dostupné z < [2] Uživatelská příručka FLIR Systems, Publ No , Revision a288, June 30, [3] Kolektiv autorů TÚDC. Technická ústředna dopravní cesty , Praha: Vydavatelství a nakladatelství Ing. Václav Svoboda NN (III), s. ISBN [4] KAŠTURA, Jiří. Diagnostika trolejového vedení. Vědeckotechnický sborník ČD, č. 34/2012, Dostupné z < pdf>. Praha, listopad 2013 Lektorovali: Ing. Vladivoj Výkruta, CSc. (VUZ, a.s.) Ing. Tomáš Krčma (EŽ Praha, a.s.) 9

37 Martin Jacura 1, Tomáš Javořík 2, Libor Ládyš 3, David Vašica 4 Vliv opatření na infrastruktuře železniční dopravy na snížení vzniku a šíření hluku od jedoucích vlaků Klíčová slova: železniční doprava, hluk, měření hluku Úvod Hluk provází lidstvo od nepaměti a s trochou nadsázky můžeme konstatovat, že je tak trochu daní za pokrok. Zdroje hluku lze rozdělit do čtyř skupin, a to na hluk dopravní, hluk v pracovním prostředí, hluk související s bydlením a hluk související s trávením volného času. Hluková zátěž obyvatel je podle (5) způsobena přibližně ze 40 % z pracovního prostředí a z 60 % z prostředí mimopracovního. A právě hluk z dopravy se v mnoha lokalitách stává hlukem dominantním. Na území České republiky dochází již několik let k modernizacím, optimalizacím a rekonstrukcím všech kategorií veřejných železničních tratí, a přestože prvořadým cílem těchto akcí je zvýšení traťové rychlosti, bezpečnosti a propustnosti a rozšíření elektrické trakce, mezi pozitivní vedlejší efekty náleží právě snížení hluku a vibrací od jedoucích vlaků. Přesto jsou na existujících tratích na mnoha místech překračovány hlukové limity a jsou budovány tolik diskutované protihlukové stěny. Následující příspěvek představuje dílčí výsledky projektu Vliv opatření na infrastruktuře železniční dopravy na snížení vzniku a šíření hluku od jedoucích vlaků, který je realizován na základě veřejné soutěže ve výzkumu, vývoji a inovacích vyhlášené v roce 2010 v rámci programu ALFA, jehož poskytovatelem je Technologická agentura České republiky (TAČR). Řešení projektu probíhá od roku 2011 za předpokládaného 1 Ing. Martin Jacura, Ph.D, 1979, studium: ČVUT v Praze Fakulta dopravní, obor Dopravní systémy a technika, současné působení: ČVUT v Praze Fakulta dopravní, Ústav dopravních systémů. Zaměření na drážní dopravní infrastrukturu, veřejnou hromadnou dopravu, železniční provoz. 2 Ing. Tomáš Javořík, 1986, studium: ČVUT v Praze Fakulta dopravní, obor Dopravní systémy a technika, současné působení: ČVUT v Praze Fakulta dopravní, Ústav dopravních systémů. Zaměření na dopravní obsluhu území, koncepci dopravy, projektování železničních staveb, veřejnou hromadnou dopravu a přeprava. 3 Ing. Libor Ládyš, studium: ČVUT v Praze Fakulta elektrotechnická, obor Radiotechnika, současné působení: EKOLA group, spol. s r.o., ředitel a jednatel společnosti. Zaměření na akustiku, problematiku měření hluku. 4 Ing. David Vašica, 1981, studium: ČVUT v Praze Fakulta dopravní, obor Dopravní systémy a technika, současné působení: ČVUT v Praze Fakulta dopravní, Ústav dopravních systémů / TSK Praha, Oddělení modelování dopravy. Zaměření na hluk z dopravy / mikrosimulační modelování. 1

38 dokončení v letošním roce. Hlavním řešitelem je České vysoké učení technické v Praze Fakulta dopravní, dalším účastníkem projektu pak EKOLA group, spol. s r.o. Samotná měření probíhala v reálných podmínkách železničního provozu na území České republiky na stávajícím vozovém parku, na různých konstrukčních typech železničního svršku a v jeho různém technickém stavu s ohledem na údržbu a namáhání běžným provozem. Data byla sbírána synchronně tak, aby došlo k zachycení hladiny akustického tlaku při průjezdu každého jednotlivého vlaku vždy na dvou různých typech železničního svršku před modernizací a po modernizaci (údržbě), zpravidla šlo na jedné straně o tuhé upevnění, na druhé o upevnění pružné. 1. Zdroje hluku ze železniční dopravy Mezi nejvýznamnější negativní vlivy ze železniční dopravy patří právě hluk a vibrace. Velikost těchto vlivů závisí zejména na způsobu vedení trasy, rychlosti, druhu trakce, konstrukci a technickém stavu železničního svršku, technickém stavu vozidel, na intenzitě provozu, na povětrnostních podmínkách a na okolním terénu jeho povrchu a konfiguraci. V rámci železniční dopravy lze rozlišit čtyři hlavní druhy generování akustické energie, a to: jízda vlaků po širé trati činnost rozhlasových zařízení pro informování veřejnosti a zaměstnanců provoz v železničních stanicích, zejména na seřaďovacích stanicích s regulací rychlosti odvěsů kolejovými brzdami zvukové návěsti Novým fenoménem je hluk z aktivního odstavení klimatizovaných elektrických nebo motorových jednotek. Protože však popisovaný projekt má za cíl hledat opatření ke snížení hluku z jedoucích vlaků, nebude tato problematika dále sledována. V následujícím textu jsou uvedeny výsledky měření hluku indukovaného jízdou vlaků po širé trati. Mezi základní složky tohoto hluku patří valivý hluk, hnacího stroje a hluk aerodynamický. U elektrické trakce se ještě vyskytuje hluk sběrače (k emisím hluku dochází v prostoru dotyku smykadla pantografu a troleje). Zdrojem aerodynamického hluku je proudění vzduchu a jeho turbulence kolem vozů, jejich podvozků a okolo sběračů. Mezi jeho významné zdroje patří nekapotované podvozky, turbulence způsobené nedostatečně aerodynamickým tvarem vozidla a dále pak také sběrač, či přechody mezi vozy klasické stavby. Hodnota aerodynamického hluku se zvyšuje s rychlostí jízdy (u vlaků vysokorychlostních převažuje tento typ hluku nad ostatními). Tento hluk lze částečně eliminovat použitím drážních vozidel s lépe navrženým tvarem, zakrytím podvozků a mezivozových přechodů (u vlakových jednotek). Udává se, že je tento hluk dominantní od rychlostí 250 až 300 km/h. 2

39 Dalším zdrojem hluku je hluk z pohonů hnacích vozidel. Tento hluk je složen z hluku hnacích motorů, z hluků převodů a chladících ventilátorů. Obecně lze konstatovat, že motorová trakce vyvolává větší hluk než trakce elektrická. U vozidel poháněných dieselovým motorem jsou emise hluku závislé především na okamžitých otáčkách motoru a mnohem méně pak na rychlosti průjezdu. Snížení hluku lze tedy dosáhnout použitím elektrické trakce nebo nových či modernějších vozidel, případně modernizací vozidel stávajících. Tento hluk je jen málo závislý na rychlosti, nicméně může být určující právě při rychlostech nižších, cca do 50 km/h, kdy je požadován plný výkon a valivý hluk je relativně nízký. Podstatným hlukem, kterým se zabývá tento projekt, je hluk valivý. Tento typ hluku je vyvolán především stykem dotykové plochy kola s kolejnicí, dále pak vzniká ve všech místech v podvozku, kde se vlivem otáčení dvojkolí vyskytuje tření. Lze konstatovat, že zatímco hluk hnacího stroje je stejně jako hluk aerodynamický pro daný typ vlaku konstantní, hluk valivý nezávisí jen na vozidle, ale také na stavu kolejnice a jízdní plochy kola. Následující tabulka 1(1) ukazuje hlavní zdroje hluku z hlediska různých typů vlaků. Z tabulky je zřejmé, že právě hluk valivý je velmi významným zdrojem, jak u nákladní, tak také u osobní dopravy. Tabulka 1: Hlavní zdroje hluku pro čtyři typy vlaků (1) Typ vlaku Hluk z valivého pohybu (stykem kol s kolejnicemi) Hnací mechanismus a pomocná zařízení Nákladní vlaky ++ + Vysokorychlostní vlaky Hluk vytvářený aerodynamickými vlivy Vlaky expresní ++ + Městské vlaky ++ + Kde: +... podstatný vliv ++...velmi podstatný vliv Zdroj: (1) 3

40 2. Metodika měření hluku od jedoucích vlaků V rámci projektu probíhalo měření hluku z železniční dopravy metodou průjezdu. Jako základ měření byla zvolena norma ČSN EN ISO 3095 Železniční aplikace - Akustika Měření hluku vyzařovaného kolejovými vozidly ze září Měření probíhala synchronně třemi mikrofony, vzdálenými od osy sledované koleje 7,5 m a 25 m. Výška mikrofonů nad temenem nepřevýšené kolejnice byla 1,2±0,2 m a 3,5±0,2 m ve vzdálenosti 7,5 m a ve výšce 3,5±0,2 m ve vzdálenosti 25 m od osy koleje. Obrázek 1: Ukázka z fotodokumentace měření Zdroj: (autor) 4

41 Obrázek 2: Ukázka z fotodokumentace měření Zdroj: (autor) Pro vyhodnocení provedených měření byla zvolena metoda porovnání hladin zvukové expozice L AE při jednotlivých průjezdech vlaku. Jedná se o tzv. sekundovou hladinu SEL (sound exposure level), kdy je naměřený akustický tlak hodnocený v libovolně dlouhém časovém intervalu vztažen na normovanou dobu T = 1 s. To umožňuje porovnávat události s různou délkou trvání mezi sebou. Postup jedné měřicí kampaně byl prováděn v následujících krocích: teoretické vytipovávání traťových úseků na základě mapových podkladů a GVD praktické vytipovávání traťových úseků a předběžný výběr lokalit dle dostupnosti a technického stavu železničního svršku praktický výběr konkrétních lokalit pro měření v terénu naplánování termínu měření vlastní měření sběr a sumarizace dat ze zvukoměrů, obrazových záznamů a poznámek měřičů příprava dat k vyhodnocení jejich vložením do databáze vyhodnocení měření Pro každý průjezd vlakové soupravy byly zaznamenány tři skupiny údajů. První skupina představuje údaje obecně platné pro každou z lokalit, patří sem vlastní identifikace měření (datum, poloha lokality, označení měřicí kampaně), dále údaje týkající se parametrů trati (traťový úsek, konstrukce koleje, po níž projíždějí vlaky, jejichž emise hluku jsou měřeny, tj. sestava železničního svršku tvar kolejnic, druh upevnění 5

42 a pražců) a jeho stav (opotřebení vlnkovitost hlavy kolejnice, uvolněná upevňovadla, zanesené kolejové lože), případné konstrukční prvky eliminující vznik nebo šíření hluku od vlaků (tlumicí bokovnice a jiné absorbéry), počet traťových kolejí (na vícekolejných tratích poloha hlukoměrů vůči trati) a směrové a sklonové poměry trati. Do první skupiny zjišťovaných dat pak ještě náleží vlastní popis místa měření (popis vegetace, zástavby a dalších objektů v místě měření a její blízkosti umístění a druhy měřicích zařízení, umístění všech mikrofonů, tj. vzdálenost od trati, resp. osy koleje, výška nad terénem a nad tratí, resp. nad temenem nepřevýšené kolejnice), typy a výrobní čísla použitých přístrojů, metoda měření rychlostí (typ radaru) a nezbytná je též fotodokumentace lokality měření nebo videodokumentace). Druhou skupinu zjišťovaných dat tvoří údaje evidované při každém průjezdu. Sem patří údaje zaznamenávané manuálně (čas průjezdu vlaku, směr jízdy vlaku, evidenční číslo hnacího vozidla, příp. řídicího vozu (podle něj jsou emise hluku v různých lokalitách přiřazovány jednomu vlaku), jaké trakce (elektrická/motorová) je hnací vozidlo (vozidla) vlaku a jejich počet (pokud je vyšší než jedno), druh vlaku (osobní/nákladní/lokomotivní/speciální vozidla traťové mechanizmy a stroje), složení soupravy (u vlaků osobní dopravy: lokomotiva a vozy/jednotka nebo motorový vůz a přívěsné vozy; u vlaků nákladní dopravy: ucelená souprava nákladních vozů stejný typ/kombinace nákladních vozů, vozy ložené/prázdné/mix, příp. typy vozů (skříňové, plošinové, kotlové a pod.) a počet vozidel ve vlaku). Dále do druhé skupiny patří data zjišťovaná prostřednictvím měřicích přístrojů (vlastní měření rychlosti vlaků - měření radarem/úsekovou metodou pomocí kalibrovaných stopek, časový interval (doba trvání) průjezdu vlaku Tp časový úsek, ohraničený okamžiky protnutí místa měření předním a zadním obrysem vlakové soupravy, časový interval měření T (doba měření L AE ) měření začíná a končí v okamžiku, kdy ekvivalentní hladina A je o 10 db nižší než hladina, při níž je čelo vlaku před mikrofonem, naměřené hladiny L Aeq,T a L AE, spektra hladin akustického tlaku při průjezdu vlaku zaznamenávané mobilní stanicí, teplota vzduchu, atmosférický tlak, relativní vlhkost vzduchu, fotodokumentace průjezdu vlaku). Třetí skupinou dat jsou pak údaje doplňované dodatečně ke každému průjezdu vlaku (číslo vlaku, upřesnění složení soupravy a provozní dopravní parametry vlaku hmotnost, délka, počet náprav), tato data byla získávána z volně dostupných internetových zdrojů a ve spolupráci s ČD Cargo. 3. Zpracování naměřených hodnot Výsledkem každého měření jsou uspořádaná data, obsahující parametry zaznamenané přímo v terénu i doplněné během kompletace. Data obsahují jak vysvětlující proměnné, tak vysvětlovanou proměnnou. Jedním z cílů je závislou (vysvětlovanou) proměnnou popsat matematickou křivkou v závislosti na nezávislých (vysvětlujících) proměnných. K tomu slouží matematický model - pro daný účel lze využít některý typ statistického 6

43 regresního modelu, kde na základě vstupních hodnot a znalosti jejich chování získáme výstupní hodnotu ve formě matematické funkce, popisující zkoumanou veličinu. Vysvětlující (vstupní) proměnné: sestava kolejového svršku technický stav svršku druh trakce (elektrická motorová) podíl ložených vozů u nákladních vlaků počet činných hnacích vozidel (HV) v soupravě celkový počet náprav podíl vozů/náprav s kotoučovými brzdami u osobních vlaků hmotnost vlaku [t] délka vlaku [m] rychlost vlaku [km/h] protihluková opatření tlumicí bokovnice, protihluková stěna (PHS) Vysvětlovaná (výstupní proměnná): hladina expozice zvuku L AE [db] Vstupních proměnných je velké množství, některé jsou si svým charakterem podobné. Pro výsledný výpočet regresním modelem je vhodné, aby vstupních parametrů bylo co nejméně, ale aby zároveň byla zachována informační hodnota datového souboru. Pro výběr nejdůležitějších parametrů či snížení dimenze datového souboru lze využít statistické metody, např. stupňovitou lineární regresi (Stepwise) či analýzu hlavních komponent (PCA). Vybrané či nově vzniklé proměnné pak poslouží jako vstup do regresního modelu, v němž se předpokládá využití regrese nelineární s logaritmickou či polynomickou funkcí. Autorům jsou známé i další důležité vstupy, která však nebyly při měření zohledněny. Jde například o využívání nekovových brzdových špalíků na nákladních vozech tento parametr, především ve střednědobém časovém výhledu, bude jistě nabývat na významnosti. Při měřeních nebyl zapracován z důvodu velmi složitého zjišťování podílu těchto vozů v soupravě. Měření zásadně probíhala na širé trati, kde tento údaj přesně zaznamenat není možné, a zpracovatelé neměli přístup k vlakové dokumentaci, z níž (zpráva o brzdění) by tento údaj mohli vyčíst. Dalším parametrem, jenž má bezprostřední vliv na šíření a velikost emisí hluku, je drsnost temene kolejnice. I tento údaj byl úmyslně zanedbán, a to ze dvou důvodů; jednak se tím zabývá paralelně řešený projekt NOVIBRAIL (VUZ + VUKV + DFJP Upa) a autoři nepovažovali za vhodné zasahovat do oblasti, kterou velmi důkladně a podrobně zpracovává jiný projekt, jednak není drsnost temene kolejnice relevantním údajem pro výstup popisovaného projektu Vliv opatření na infrastruktuře železniční dopravy na snížení vzniku a šíření hluku od jedoucích vlaků. Jelikož smyslem projektu, který popisuje tento článek, je nalézt optimální korekce pro údaje z výpočtových metodik pro rekonstrukce železničních tratí, to jest pro porovnání stávajícího stavu trati s tratí modernizovanou se zcela novým 7

44 železničním svrškem, pozbývá (jinak významné hledisko) významu, jelikož u modernizované trati se logicky počítá se svrškem v normovém stavu. 4. Výsledky měření a jejich zhodnocení V následujících grafech jsou zobrazeny výsledky některých provedených měření. Porovnávána je závislost hladiny zvukové expozice v db(a) při jednotlivých průjezdech na rychlosti a délce vlaku určené počtem vozidel (pro ilustraci a přehlednost je zvolen součin rychlosti a počtu vozidel). Body v grafech odpovídají jednotlivým průjezdům vlaků, proloženy jsou logaritmickou spojnicí trendu. Všechna prezentovaná data pochází ze zvukoměrů umístěných ve vzdálenosti 7,5 m od osy měřené koleje a ve výšce 1,2 m nad temenem nepřevýšené kolejnice. Porovnávací měření č. 1 upevnění tuhé vzoru K vs. pružné bezpodkladnicové W14, motorová trakce. Obrázek 3: Graf s daty porovnávacích měření č. 1 Zdroj: (autor) Trať s pružným upevněním kolejnic vykazuje dle předpokladů nižší hlukové emise. Rychlost projíždějících vlaků se však pohybovala okolo 60 km/h, kde hluk z valení není tolik dominantní a význam může mít i hluk trakce. Porovnávací měření č. 2 upevnění tuhé vzoru K vs. pružné bezpodkladnicové W14, elektrická trakce. 8

45 Obrázek 4: Graf s daty porovnávacích měření č. 2 Zdroj: (autor) Měření potvrdilo významné rozdíly v hlukových emisích vybraných stanovišť mezi tuhým a pružným upevněním. Porovnávací měření č. 3 upevnění pružné bezpodkladnicové W14 nezávislá trakce vs. pružné W14, elektrická trakce. Obrázek 5: Graf s daty porovnávacích měření č. 3 Zdroj: (autor) Měření bylo realizováno z důvodu ověření skutečnosti, že na dvou stanovištích se stejným typem svršku lze naměřit stejné hodnoty, což se také potvrdilo. Porovnávací měření č. 4 upevnění tuhé vzoru K vs. pružné podkladnicové KS s tlumicími bokovnicemi, elektrická trakce. 9

46 Obrázek 6: Graf s daty porovnávacích měření č. 4 Zdroj: (autor) Trať opatřená tlumicími bokovnicemi kolejnicových pasů upevnění typu KS vykazuje významně nižší hlukové emise než trať s běžným svrškem upevnění typu K. U vlaků, které projížděly oběma stanovišti přibližně stejnou rychlostí, jsou rozdíly v hlukových emisích vyšší, a to i v různých rychlostních pásmech. Porovnávací měření č. 5 a 6 upevnění tuhé s rozponovou podkladnicí vs. pružné bezpodkladnicové W14, elektrická trakce. Obrázek 7: Graf s daty porovnávacích měření č. 5 Zdroj: (autor) Nový svršek s pružným upevněním kolejnic vykazuje snížení hlukových emisí v porovnání se starším svrškem vybaveným tuhým upevněním, a to i v případě vyšší rychlosti průjezdu vlaku. 10

47 Obrázek 8: Graf s daty porovnávacích měření č. 6 Zdroj: (autor) Porovnávací měření č. 7 a 8 upevnění tuhé vzoru K vs. tuhé K, rozdílný technický stav svršku, elektrická trakce. Obrázek 9: Graf s daty porovnávacího měření č. 7 Zdroj: (autor) 11

48 Obrázek 10: Graf s daty porovnávacích měření č. 8 Zdroj: (autor) Měření nepotvrdila významné rozdíly hlukových emisí u svršků stejného typu, ale s různým technickým stavem. U prvního grafu lepší technický stav vykazuje vyšší hlučnost díky významně vyšší rychlosti průjezdu souprav, takže při shodné rychlosti má v porovnání s horším svrškem přibližně stejný vliv. Navíc definování technického stavu železničního svršku bylo prováděno pouze kvalitativně posouzením na místě měření. Porovnávací měření č. 9 upevnění tuhé s rozponovou podkladnicí vs. pružné bezpodkladnicové W14, motorová trakce. Obr. 11. Graf s daty porovnávacích měření č. 9 Zdroj: (autor) Tento soubor měření nepotvrdil významné rozdíly hlukových emisí mezi jednotlivými typy upevnění kolejnic. Problémem je zde nízká rychlost vlaků, která se u tuhého upevnění pohybuje těsně nad hranicí a u pružného pod hranicí, kdy je složka valivého hluku dominantní. U měření na pružném upevnění tedy dominuje hluk z trakce. Velkou 12

49 roli zde tedy pravděpodobně hraje režim chodu pohonné jednotky hnacího vozidla (jedná se o soupravy složené z motorového vozu a jednoho či dvou vozů přívěsných). Navíc naměřené hodnoty obsahují víceméně kompaktní shluky bodů, ze kterých se obtížně vyvozuje nějaký trend, protože jakákoliv vybočující hodnota je rozhodující pro výslednou směrnici. Proto jsou spojnice trendů vyznačeny čárkovaně. Porovnávací měření č. 10 upevnění tuhé vzoru K vs. pružné podkladnicové KS, elektrická trakce. Obrázek 12: Graf s daty porovnávacích měření č. 10 Zdroj: (autor) Na první pohled není potvrzen zásadní rozdíl mezi hlukovými emisemi různými konstrukcí. Pokud ovšem vezmeme v úvahu významně vyšší rychlost souprav na pružném upevnění, vyjde při případném přepočtu na stejnou rychlost pružné upevnění lépe. Porovnávací měření č. 11 upevnění tuhé s rozponovou podkladnicí vs. pružné bezpodkladnicové vzoru S15 + ocelové pražce Y, elektrická trakce. 13

50 Obrázek 13: Graf s daty porovnávacích měření č. 11 Zdroj: (autor) Při totožné průměrné rychlosti projíždějících souprav vychází pružné upevnění s ocelovými pražci typu Y v porovnání s upevněním tuhým lépe. Porovnávací měření č. 12 upevnění pružné vzoru W14 vs. pružné W14 s protihlukovou stěnou, elektrická trakce. Obrázek14: Graf s daty porovnávacích měření č. 12 Zdroj: (autor) Při přibližně shodné průměrné rychlosti vlaků a stejném upevnění kolejnic na obou měřicích stanovištích činí útlum způsobený protihlukovou stěnou cca 15 db. Měření dále prokázala obecný předpoklad, že na hlukové emise nemá vliv pouze technický stav vozidel, ale i jejich konstrukce konkrétně typ brzd. Soupravy složené z moderních vozidel a elektrické jednotky řady 471 vybavené kotoučovými brzdami vykazují nižší hladiny akustického tlaku při průjezdu v porovnání se soupravami 14

51 složenými z vozů, jež jsou vybaveny brzdami špalíkovými. Následující graf ukazuje data sebraná ze stanovišť tuhého upevnění vzoru K, ale z rozdílnými soupravami. Vlaky kompletně opatřené kotoučovými brzdami jsou zde reprezentovány jednotkami řady 471. Obrázek 15: Graf hodnot pro rozdílné soupravy a tuhého upevnění vzoru K Zdroj: (autor) 5. Závěr Předběžně lze vyslovit následující závěry, vyplývající z jednoduchého vyhodnocení naměřených hodnot: nejméně hlučný je svršek s pružným bezpodkladnicovým upevněním kolejnic, středně hlučný je svršek s pružným podkladnicovým upevněním kolejnic, s tlumicími bokovnicemi i bez, nejvíce hlukových emisí pak vykazuje tuhé podkladnicové upevnění, vliv druhu brzd u jednotlivých vozidel byl prokázán, vozidla s kotoučovými brzdami vykazují nižší hlukové emise, významný vliv technického stavu svršku nebyl z dosud provedených měření potvrzen. Podrobnější statistické analýzy v současnosti probíhají a budou zveřejněny v závěru řešení projektu. 15

52 Seznam literatury [1] HÜBNER, Peter; JÄCKER-CÜPPERS, Michael. Priority a strategie pro snížení hluku z železniční dopravy v Evropě: Návrh ze zprávy shrnující postoj pracovní skupiny EU pro hluk z železniční dopravy. Odis - Edice : Doprava a životní prostředí [online]. 2004, 1, [cit ]. Dostupný z WWW: < [2] Neubergová, K., Týfa, L., Vašica, D., Ládyš, L. Vliv různých konstrukcí železničního svršku na hluk ze železniční dopravy. In: Nové železniční trendy. 2013, roč. 21, č. 1, s ISSN [3] Rail transport and environment: Facts and figures [online]. Paris: UIC, CER, 2008 [cit ]. Dostupné z WWW: < [4] Týfa, L., Přibyl, P., Javořík, T., Vašica, D., Neubergová, K., et al. Projekt výzkumu a vývoje programu ALFA Technologické agentury České republiky č. TA Průběžná zpráva za rok 2012, [Výzkumná zpráva]. Konviktská 20, Praha 1: ČVUT Fakulta dopravní, Ústav dopravních systémů, TAČR-HLUVLA-PZPR s. [5] World Health Oraganization [online] [cit ]. Environment and Health - Noise. Facts and Figures. Dostupné z WWW: < Příspěvek vznikl s podporou projektu TAČR TA Vliv opatření na infrastruktuře železniční dopravy na snížení vzniku a šíření hluku od jedoucích vlaků. Praha, září 2013 Lektorovali: prof. Ing. Ervin Lumnitzer, Ph.D., Technická univerzita v Košiciach, Strojnícka fakulta RNDr. Miloš Liberko, nezávislý odborník Mgr. Bohumír Trávníček, SŽDC, s. o. 16

53 Jan Kodada 1, Otto Pastor 2 Aplikace prediktivního řízení na intermodální přepravní síť Klíčová slova: optimalizace, přepravní síť, prediktivní řízení, horizont predikce Úvod Všude přítomná finanční a hospodářská krize se nevyhnula ani odvětví dopravy a logistiky. Neviditelná ruka trhu tak zasáhla jak Eurozónu, tak i Českou republiku. Vzhledem k této situaci poskytovatelé dopravních a logistických služeb, bez ohledu na jejich velikost či působnost, řeší mnoho otázek. Mezi nejčastější patří například jak optimalizovat své náklady, jak zefektivnit procesy, jak optimalizovat lidské zdroje. Nebo jak se vyrovnat se přetlakem nabídky nad poptávkou či jak zefektivnit celou přepravní síť. Autoři článku [1] popisují různé možnosti optimalizace intermodální přepravní sítě z hlediska časového horizontu a z hlediska role účastníka sítě. Pro optimální řízení přepravní sítě se nabízejí různé možnosti, jež uvádějí autoři článků [2] a [3], které však nezohledňují dynamiku systému. Jednou z možností jak optimalizovat přepravní síť (ze střednědobého hlediska operátora přepravní sítě) dynamicky je využití Prediktivního řízení s klouzavým horizontem. Prediktivní řízení MPC Model based Predictive Control, bývá také nazýváno jako řízení s klouzavým horizontem. MPC je pokročilý způsob řízení, který nalezl široké uplatnění zejména v automobilovém, chemickém průmyslu, ale také v energetice. Autoři článku [4] ilustrují základní myšlenku prediktivního řízení na způsobu, jakým se hrají šachy. V určitém stavu hry hráč probírá budoucí možné strategie např. čtyři tahy dopředu a subjektivně je hodnotí za účelem vybrat tu nejlepší. Nakonec se pro jednu strategii rozhodne a vykoná její první tah. Po tahu soupeře celý postup znovu opakuje s tím, že již zná poslední tah svého soupeře, který pro něj byl při předchozím rozhodování neznámý a může podle něj aktualizovat svoji herní strategii (zpětná vazba). Opět hodnotí možné strategie na čtyři tahy dopředu. Dobrý šachista se od slabšího šachisty liší tím, že promýšlí své strategie na větší počet tahů dopředu (neboli pracuje s delším horizontem predikce), a dělá při tom méně chyb. Obecně je možné MPC zhodnotit jako vícekrokovou strategii řízení, která se skládá ze dvou hlavních částí. A to sice z predikce budoucích stavů neboli výstupů systému a minimalizace kriteria, které zahrnuje požadavky na optimalitu řízení (kde jsou predikce zahrnuty) [5]. 1 Ing. Jan Kodada, ČVUT FD, doktorand, Ústav logistiky a managementu dopravy 2 prof. Dr. Ing. Otto Pastor, CSc. ČVUT FD, zástupce vedoucího Ústavu logistiky a managementu dopravy 1

54 Formulace řešeného problému Přepravní síť je tvořena uzly (HUBy), které jsou propojeny přepravními cestami. U každé přepravní cesty je specifikována cena za přepravu jednoho kontejneru, doba přepravy, jízdní řád (vlakový jízdní řád, doby odjezdů tahačů) a její přepravní kapacita. Kontejnery vstupují do vybraných HUBů a součástí každého kontejneru je jeho cílový HUB a termín, do kterého musí být doručen. Dále má každý HUB určenou svou skladovací kapacitu a cenu za skladování kontejnerů. Cílem řešené úlohy je včas přepravit všechny zásilky (pro potřeby tohoto článku kontejnery) do jejich cílových HUBů a minimalizovat přitom náklady. Výstupem optimalizace je strategie, která na horizontu predikce určuje, které kontejnery, kdy a kterými přepravními cestami převézt. Notace V úloze se vyskytuje mnoho proměnných, parametrů a různých indexů. K formulaci úlohy je třeba nejprve zavést vhodnou notaci. Stavy a proměnné x d j, i ( k)...počet kontejnerů skladovaných v hubu s indexem i v periodě vzorkování k, které míří do hubu s indexem j a k doručení jim zbývá d period vzorkování, u j d i d d ( k)...počet kontejnerů, které v periodě vzorkování k vstoupily do přepravní trasy s indexem i, míří do hubu s indexem j a k doručení jim zbývá d period vzorkování j, i ( k)...počet kontejnerů, které v periodě vzorkování k vstoupily do přepravní v místě hubu s indexem i, míří do hubu s indexem j a k doručení jim zbývá d period vzorkování Stavy a proměnné a (i)...index výchozího hubu pro přepravní trasu s indexem i b (i) T (i)...index cílového hubu pro přepravní trasu s indexem i...počet period vzorkování, které trvá cesta přepravní trasou s indexem i j i A...množina indexů všech přepravních tras, které vedou z hubu s indexem i do hubu s indexem j 2

55 Ceny a penále s (i) c (i)...cena za skladování jednoho kontejneru po dobu periody vzorkování v hubu s indexem i...cena za přepravu jednoho kontejneru přepravní trasou s indexem i p (d)...penále za kontejner, kterému zbývá d period vzorkování k doručení (toto penále je účtováno za danou periodu vzorkování) Limity přepravní tras a skladů x i...maximální kontejnerová kapacita skladu v hubu s indexem i (k) u i...maximální počet kontejnerů, které v periodě vzorkování k mohou vstoupit do přepravní trasy s indexem i Pomocné proměnné n H...počet hubů n T...počet přepravních tras N...horizont predikce (v periodách vzorkování) d max...maximální uvažovaná doba k doručení (v periodách vzorkování) T max...maximální uvažovaná doba přepravy (v periodách vzorkování) Matematická formulace Ceny celková cena za skladování v periodě vzorkování k nh n H dmax j, d J ( k) = s( i) x ( k), (1) S i= 1 j= 1 d = 0 i celková cena za aktivace přepravních tras v periodě vzorkování k n max = T nh d j, d J ( k) c( i) u ( k), (2) T i= 1 j= 1 d = 0 i 3

56 celkové penále v periodě vzorkování k dmax n n H H Tmax dmax nh nh m= 1 d = 0 i= 1 j= 1 j, d j, d J ( k) = p( d) x ( k) + p(min{0, d m}) u ( k m), (3) P d = 0 i= 1 j= 1 i i celková cena v periodě vzorkování k J( k) = J ( k) + J ( k) J ( k). (4) S T + P Omezení Omezení na kapacitu přepravní trasy s indexem i v periodě vzorkování k nh dmax j= 1 d = 0 u j, d i ( k) u ( k), i (5) souhrnné omezení na všechny trasy v periodě vzorkování bude dále označováno jako u( k) U ( k) (6) Omezení na skladovací kapacitu HUBu s indexem i v periodě vzorkování k nh dmax j= 1 d = 0 x j, d i ( k) x, i (7) souhrnné omezení pro všechny sklady v periodě vzorkování bude dále označováno jako x( k) X ( k). (8) Časový vývoj přepravní sítě Časový vývoj počtu kontejnerů v hubu s indexem i, které míří do hubu s indexem j a k doručení jim zbývá d>0 period vzorkování x j, d i ( k) = x j, d + 1 i ( k 1) + d j, d i ( k) j r Ai u j, d r ( k) + j r Ai u j, d + T ( r) r ( k T ( r)), (9) a speciálně pro stavy kontejnerů, kterým k doručení zbývá nula period vzorkování j,0 j,0 j,1 j,0 j,0 j, m x i ( k) = xi ( k 1) + xi ( k 1) + di ( k) ur ( k) + ur ( k T( r)), (10) j r Ai T ( r) j r Ai m= 0 4

57 a dále speciálně pro kontejnery, které dospěly do místa určení,0 x i i ( k) = 0. (11) Souhrnně lze časový vývoj přepravní sítě zapsat jako x k) = f ( x( k 1), d( k), u( k), K, u( k T )). (12) ( max Formulace prediktivní optimalizace Prediktivní formulace minimalizuje součet celkových nákladů přepravní sítě na N periodách vzorkování od současného okamžiku do budoucnosti (horizont predikce). Souhrnně lze úlohu zapsat jako lineární diskrétní programování min N u( k ), K, u( k + N ) l= k J ( l) s. t. u( k) U ( k), K, u( k + N) U ( k + N ) x( k) X ( k), K, x( k + N) X ( k + N ) x( k) = f ( x( k 1), d( k), u( k), K, u( k T )) max, (13) Při zavedení vhodné notace lze tuto úlohu zapsat v maticovém tvaru. Pro periodu vzorkování k zavedeme vektor skladových zásob x(k), vektor aktivace přepravních tras u(k) a vektor nových kontejnerů d(k) vstupujících do přepravní sítě x( k) = u( k) = d( k) = 1,0 1, dmax n,0, 1,0 T H nh dmax ( x1 ( k) K x1 ( k) K x1 ( k) K x1 ( k) x2 ( k) K), 1,0 1, dmax n,0, 1,0 T H nh dmax ( u1 ( k) K u1 ( k) K u1 ( k) K u1 ( k) u2 ( k) K), 1,0 1, dmax n,0 n, dmax 1,0 T H H ( d ( k) K d ( k) K d ( k) K d ( k) d ( k) K) Na celém horizontu predikce pak stavy skladů, aktivace přepravních cesta a vstupy nových kontejnerů můžeme poskládat jako 1 2 (14) X x( k + 1) u( k Tmax ) d( k) = M, U = M, D = M. (15) ( ) ( 1) ( 1) x k + N u k + N d k + N Ze stavu skladů x(k) v periodě vzorkování k a ze znalosti aktivací přepravních tras U a vstupu nových kontejnerů D můžeme spočítat stavy skladů na horizontu predikce X = Sx( k) + HU + D, (16) kde S a H jsou matice sestavené na základě znalosti topologie přepravní sítě. 5

58 Náklady přepravní sítě lze zapsat jako T T T T J( k) = C X + C U + C X C U, (17) S T PX + PU kde C S, CT, CPX, CPU jsou sestaveny z rovnice (1), (2) a (3). Náklady lze reformulovat T jako lineární kritérium J( k) = C U + c0. Podobně omezení na kapacity skladů a přepravních tras lze naformulovat jako lineární ve tvaru AU b podle rovnic (5) a (7). Finální optimalizační úloha má pak tvar lineárního diskrétního programování v maticovém zápisu min C T U, U AU b. (18) Aplikace na reálnou přepravní síť V této kapitole bude popsáno a demonstrováno použití optimalizačního algoritmu popsaného v předchozí kapitole na komplexní přepravní problém reálné velikosti. Pro demonstraci bude vybrána přepravní síť společnosti Metrans. Přepravní síť Do této sítě vstupují kontejnery ze čtyř Evropských přístavů, které jsou označeny: HAM BRE ROT KOP Hamburk Bremerhaven Rotterdam Koper Jako příjemce těchto kontejnerů (zboží) jsou zvolena čtyři města rovnoměrně rozmístěná po České republice, které jsou označena: RAK UST JIH VSE Rakovník Ústí nad Orlicí Jihlava Vsetín Společnost Metrans využívá k přepravě z výše uvedených Evropských přístavů svoje kontejnerové terminály. Pro přehlednost budou tyto terminály označeny: UHR PLZ OST ZLI DUN Uhříněves Plzeň Ostrava Zlín Dunajská Streda 6

59 Přepravní sít a propojení jednotlivých HUBů je znázorněno na obr. 1, kde červené trasy znázorňují vlaková spojení a černé trasy znázorňují trasy tahačů. HAM BRE RAK PLZ OST VSE UHR UST DUN ZLI JIH KOP Tahač Vlak ROT Obr. 1 Reálná přepravní síť Kontejnery vstupující do přepravní sítě Aby bylo možné porovnávat jednotlivé strategie řízení přepravní sítě, je nutné nejprve nadefinovat, jak do přepravní sítě jednotlivé kontejnery vstupují. Zvolené zadání je znázorněno na obr 2. Kde svislá osa značí vstupní HUB s uvedením cílového HUBu v závorce. Vodorovná osa značí čas v hodinách s výhledem na jeden týden. Maximální doba doručení kontejneru k příjemci je definována na 3 dny. Za překročení doby dodání kontejneru je zvoleno penále 1000 EUR, za každý den prodlení. Perioda vzorkování je zvolena na 4 hod. To znamená, že každé čtyři hodiny proběhne zjištění stavu přepravní sítě, predikce nových kontejnerů a naplánování jednotlivých přepravních tras (s ohledem na klouzavý horizont predikce). Horizont predikce (optimalizace) je zvolen na 7 dnů, tj. celkem 42 jednotlivých kroků pro zvolenou periodu vzorkování. 7

60 HAM (RAK) HAM (UST) HAM (JIH) HAM (VSE) BRE (RAK) BRE (UST) BRE (JIH) BRE (VSE) ROT (RAK) ROT (UST) ROT (JIH) ROT (VSE) KOP (RAK) KOP (UST) KOP (JIH) KOP (VSE) UHR (RAK) UHR (UST) UHR (JIH) UHR (VSE) PLZ (RAK) PLZ (JIH) PLZ (VSE) OST (UST) OST (JIH) OST (VSE) ZLI (UST) ZLI (JIH) ZLI (VSE) DUN (RAK) DUN (UST) DUN (JIH) DUN (VSE) čas [hodiny] Obr. 2 Kontejnery vstupující do přepravní sítě Řešení reálné přepravní sítě bude znázorněno na čtyřech možných způsobech řešení optimalizace. Ukazatele jednotlivých strategií řízení budou porovnány vždy v okamžiku, kdy budou všechny kontejnery přepraveny do cíle. Varianty optimalizace V této kapitole bude popsáno porovnání jednotlivých variant optimalizací. V1 Plná optimalizace Je strategie řízení minimalizující celkové náklady na přepravu a zohledňující penále za překročení doby dodání. Jedná se o multi-kriteriální optimalizaci uvažující současně cenu za přepravu, skladování a cenu případného penále. V2 Maximální rychlost Je strategie řízení minimalizující dobu přepravy bez ohledu na cenu přepravy. V podstatě používá obdobný algoritmus jako V1 s tím rozdílem, že kritérium je rozšířeno o fiktivní progresivní penále, které je úměrné době přepravy každého kontejneru. Váha (cena) tohoto penále výrazně převyšuje cenu za přepravu a skladování. To způsobí, že optimalizace vždy nejprve vybere nejrychlejší přepravní trasu a tu levnější vybírá pouze v případě, že jsou časově ekvivalentní. Modifikace této varianty oproti variantě V1 znamená úpravu hodnot koeficientu p(d) udávajícího penále za kontejner, kterému zbývá d period vzorkování k nejzazšímu termínu doručení. 8

61 Příklad možné úpravy p ( k) = 1000cmax k, (19) kde c max je maximum přes koeficienty c(i) a s(i), tj. cena nejdražšího skladu nebo cena nejdražší přepravní trasy. V3 První možná trasa Je strategie řízení která pro kontejnery čekající v HUBu vybírá vždy první možnou přepravu, která míří směrem k místu určení (nemusí mířit přímo do místa určení). V případě více možností je vybrána vždy cenově výhodnější kombinace. Této varianty je dosahováno rozšířením kritéria o vysoké fiktivní penále za využití skladu. Modifikace této varianty oproti variantě V1 znamená úpravu umělé navýšení cenového koeficientu s(i), například na tisíci násobek s ( k) = 1000s( k). (20) V4 Nejlevnější ignorující penále Je strategie řízení, která minimalizuje náklady na přepravu, avšak nezohledňuje penále za překročení doby přepravy. Této varianty je dosahováno absencí členu kritéria zohledňující penále za překročení doby přepravy. Modifikace této varianty oproti variantě V1 znamená vynulování penalizačního koeficientu p ( k) = 0. (21) Výsledky na reálné přepravní síti V této kapitole budou porovnány jednotlivé výsledky variant optimalizací (V1 až V4) z hlediska doby přepravy, využití přepravních cest a výsledné ceny. Doba přepravy Histogram znázorněný na obr. 3 zobrazuje průměrnou dobu přepravy pro jednotlivé varianty optimalizace reálné přepravní sítě. 9

62 18 16 V1 - Plná optimailizace Průměr = 38.8 hodin V2 - Maximální rychlost Průměr = 23.1 hodin Četnost [%] Četnost [%] Čas doručení [hodiny] Čas doručení [hodiny] V3 - První možná trasa Průměr = 29 hodin V4 - Nejlevnější ignorující penále Průměr = 39.2 hodin Četnost [%] Četnost [%] Čas doručení [hodiny] Čas doručení [hodiny] Obr. 3 Doba dodání pro V1-V4 Průměrná doba dodání se pohybuje v intervalu od 23 do 39 hodin. Kdy nejrychlejší dodání všech kontejnerů nabízí varianta optimalizace V2 s průměrnou dobou doručení 23 hodin a 6 minnut. Nejpomalejší je varianta V4 s průměrnou dobou doručení 39 hodin a 12 minut. Z obrázku varianty V1 je možné vyčíst, že v průběhu šestnácté až dvacáté hodiny bylo přepraveno 5% všech kontejnerů. Mezi dvacátou a dvacátoučtvrtou hodinou nastala špička a bylo přepraveno 16,4% všech kontejnerů. Využití přepravních cest Každá výše popsaná strategie využívá jinak přepravní trasy a jejich kapacitu. Využití přepravních tras jednotlivými strategiemi optimalizace je znázorněno na obr

63 V1 - Plná optimailizace V2 - Maximální rychlost HAM BRE HAM BRE RAK RAK VSE PLZ UHR OST UST Tahač Vlak Trasa: nevyužitá 1-14 kont./den kont./den kont./den kont./den kont./den VSE PLZ UHR OST UST DUN ZLI DUN ZLI JIH JIH KOP ROT KOP ROT V3 - První možná trasa V4 - Nejlevnější ignorující penále HAM BRE HAM BRE RAK RAK PLZ OST PLZ OST VSE UHR UST VSE UHR UST DUN ZLI DUN ZLI JIH JIH KOP ROT KOP ROT Obr. 4 Využití přepravních tras pro V1-V4 Kde síla čáry vyjadřuje průměrný počet kontejnerů přepravených danou trasou za den. Nevyužitá přepravní trasa je znázorněna čárkovaně. Červeně je na obrázku znázorněna přeprava vlakem a černě přeprava tahačem. Z obrázku varianty V1 je možné vyčíst, že u této varianty je nejvíce využíváno železniční přepravy a to zejména mezi Uhříněvsí a jednotlivými přístavy (Hamburg, Bremerhaven Rotterdam a Koper). Oproti tomu varianta V2 využívá nejvíce silniční přepravy a železniční přepravu nevyužívá. Varianty V3 a V4 kombinují více mezi oběma druhy přepravy. Obr. 5 udává využití jednotlivých druhů přeprav pro jednotlivé strategie optimalizace. Nejvyrovnanějšího podílu železniční a silniční přepravy dosahuje varianta V4 a to v poměru 46:54%. Varianta V2 využívá ze 100% pouze silniční přepravy. 11

64 Podíl vlakové a tahačové dopravy na přeprave V1 - Plná optimailizace Vlaky 45% Tahače 55% Vlaky Tahače V2 - Maximální rychlost Tahače 100% V3 - První možná trasa Vlaky 29% Tahače 71% V4 - Nejlevnější ignorující penále Vlaky 46% Tahače 54% Podíl přepravy [%] Obr. 5 Využití druhů přeprav pro V1-V4 Celkové náklady Porovnání jednotlivých strategií z hlediska celkových nákladů je graficky znázorněno na obr. 6, kde jsou znázorněny jednotlivé náklady pro každou strategii optimalizace. Celková cena V1 - Plná optimailizace Přeprava Skladováni Penále V2 - Maximální rychlost V3 - První možná trasa V4 - Nejlevnější ignorující penále Cena (tisice) Obr. 6 Celkové náklady pro V1-V4 Svislá osa znázorňuje jednotlivé varianty. Na vodorovné ose jsou zeleně znázorněny náklady na přepravu, modře náklady na skladování a červeně jsou znázorněny náklady na penále za překročení povolené doby přepravy. Výsledné ceny jsou uváděny v tisících EUR a jsou zaokrouhlené na celé tisíce. Celkové náklady se pohybují v rozmezí tisíc EUR, kdy rozdíl mezi nejlevnější a nejdražší variantou je 428 tisíc EUR. Z hlediska celkových nákladů vychází nejvýhodněji varianta optimalizace V1. Nejdražší je varianta V2. Varianty 12

65 V1,V2 a V3 nemají žádné náklady na penále za překročení maximální možné doby přepravy. Optimální z hlediska nákladů na přepravu je varianta V1, z hlediska nákladů na skladování je to pak varianta V3. Závěr Jednou z možností jak optimalizovat procesy a celkové náklady intermodální přepravní sítě je možnost využití prediktivního řízení s klouzavým horizontem. Uvedený článek popisuje možnost optimalizace intermodální přepravní sítě právě touto metodou. Článek dále popisuje postup sestavení optimalizačního algoritmu pro tuto úlohu a předkládá výsledky jednotlivých optimalizačních postupů. Výhodou prediktivního řízení je, že řeší optimalizační úlohu dynamicky v čase a pružně tak reaguje na nové zpřesňující informace, které vstupují do systému a způsobují nesoulad mezi predikcí a skutečností. Vzhledem využívání prediktivního řízení s klouzavým horizontem v energetice, ale i chemickém a automobilovém průmyslu a k jeho pozitivním vlastnostem je předpoklad k jeho dalšímu rozšiřování a to i v oblasti logistických problémů. Literatura: [1] Carris, A., Macharis, C., Janssens, G. K. (2008). Planning problems in intermodal freight transport: accomplishments and prospects, Transportation Planning and Technology, č. 3, [2] Francis, P., Zhang, G., Smilowitz, K.(2007). Improved modeling and solution methods for the multi-resource routing problem, European Journal of Operational Research č. 3, [3] Ziliaskopoulos, A., Wardell, W. (2000) An intermodal optimum path algorithm for multimodal networks with dynamic arc travel times and switching delays, European Journal of Operational Research č. 3, [4] Schlegel, M., Sobota, J.(2007). Prediktivní regulátor pro průmyslovou praxi, AUTOMA č.2, ISSN [5] Belda, K., Böhm, J. (2007). Prediktivní řízení pro mechatronické systémy, AUTOMATIZACE č. 4, ISSN X Praha, srpen 2013 Lektorovali: Ing. Karel Šindelář, VŠE, Fakulta podnikohospodářská Ing. Jan Engel,VŠE, Fakulta mezinárodních vztahů 13

66 Richard Lacko 1, Radovan Doleček 2 Specifika trakčního napájecího systému 2 AC 25 kv 50 Hz Klíčová slova: elektrická trakce, trakční systém, trakční napájecí stanice, autotransformátor Úvod Počátky elektrizace drah jsou ve znamení zejména stejnosměrných trakčních soustav, které s rozvojem výkonové polovodičové techniky ztrácejí svoje výhody ve prospěch soustav střídavých. V 60. a 70. létech 20. století nastává ve světě rozvoj vysokorychlostních železnic, které ovšem vyžadují vyšší trakční výkony. V Japonsku se projektanti rozhodují tento požadavek splnit realizací autotransformátorového napájecího systému (dále AT systém) 2 AC 25 kv 50 Hz. Postupně se začínají AT systémy uplatňovat i v jiných zemích, a to nejen na vysokorychlostních tratích. Z Evropy jmenujme např. Francii, Itálii, Španělsko a ze zemí bývalého východního bloku Maďarsko. Rozvoj AT systému probíhá také v Německu, zde se však jedná o systém 2 AC 15 kv 16,7 Hz. Historicky však není využití AT systému novinkou druhé poloviny 20. století, jak by se mohlo zdát. První realizace se objevují již v roce 1913 v USA pro napájení příměstských drah. Dále se historicky objevují kombinace AT systémů se sacími transformátory (boostertransformátory), jako bylo např. řešení 274 km dlouhé tratě mezi švédskými městy Mjölby a Hässleholm z roku 1929 [3]. 1 Stručný popis systému Kromě trolejového vodiče (TV) je na trakčních podpěrách zavěšen pro vedení zpětných proudů také tzv. negativní napáječ (NP). Ten je nejčastěji veden souběžně s trolejovým vodičem např. způsobem obdobným, jako je realizováno zesilovací vedení u stejnosměrné soustavy. Účelem negativního napáječe je postupné převzetí zpětných proudů do trakční napájecí stanice (dále TNS) na úkor kolejnic. V pravidelných vzdálenostech přibližně 5 km až 30 km je nutno umístit jednovinuťové autotransformátory, jejichž střed je připojen ke kolejnicím (K), které jsou zemněny. Krajní vývody jsou pak připojeny k trolejovému vedení a negativnímu napáječi. Autotransformátor je nutné instalovat též na konci napájeného úseku. 1 Ing. Richard Lacko; nar. 1980; Univerzita Pardubice, DFJP, obor Dopravní infrastruktura: Elektrotechnická zařízení v dopravě. 2 doc. Ing. Radovan Doleček, Ph.D.; nar. 1971; Univerzita Pardubice, DFJP, obor Dopravní prostředky a infrastruktura, specializace elektrotechnika, se sídlem v Pardubicích; současné zaměření: EMC, výkonová elektronika, trakční systémy, elektrické pohony; pracoviště: Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, Katedra elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravě, Studentská 95, Pardubice, radovan.dolecek@upce.cz 1

67 Uvažujeme-li nejčastější řešení pomocí symetrických autotransformátorů, je napětí mezi trolejovým vedením a negativním napáječem 50 kv. Mezi trolejovým vedením a kolejnicemi je napětí poloviční, tedy 25 kv, napětí mezi kolejnicemi a negativním napáječem je pak 25 kv. Záporné znaménko vyjadřuje vzájemný fázový posuv mezi oběma napětími, který je 180. Jedná se proto o dvojfázový napájecí systém. Obr. 1. Sestava autotransformátorového systému. Legenda: TNS trakční napájecí stanice; AT1, AT2 autotransformátory, TV trolejové vedeni; NP negativní napáječ; K kolejnice. 1.1 Hlavní výhody sytému Vzhledem k přenášenému napětí 50 kv mezi trolejovým vedením a negativním napáječem lze výhody spatřovat zejména v menších ztrátách energie při přenosu a menších úbytcích napětí na vedení. Je nutné si uvědomit, že dvojnásobné napětí 50 kv znamená poloviční proud v trakčním vedení a oproti systému jednofázovému tedy teoreticky čtvrtinový úbytek na vedení. Z těchto důvodů proto systém umožňuje přenášet větší výkony při stejné vzdálenosti napájecích stanic či naopak možnost překlenutí delšího úseku bez napájecích stanic při stejném výkonu. Z logiky uspořádání vyplývá, že napájecí napětí pro hnací vozidla zůstává 25 kv. Přítomnost negativního napáječe pak vede ke značnému snížení zpětných proudů vedených kolejnicemi a zemí, a tím k redukci dotykového napětí, což je významný bezpečnostní faktor. Situace, kdy je negativní napáječ veden na trakčních podpěrách, má též za následek uzavírání magnetického pole okolo trolejového vedení a negativního napáječe. Nikoliv tedy okolo trolejového vedení a kolejnic, jako je tomu u klasických jednofázových střídavých systémů. Tato vlastnost spolu s omezením zpětných proudů kolejnicemi pozitivně přispívá ke snížení vlivu na komunikační zařízení a tvorbu indukovaných napětí. 1.2 Hlavní nevýhody sytému Mezi nevýhody systému zajisté patří poněkud složitější nároky na trakční napájecí stanici dvojnásobné výstupní napětí a nerovnoměrnost zatížení. Dále je 2

68 zde nutná instalace autotransformátorů a zřízení negativního napáječe 3. Z hlediska prostorového uspořádání je zde navíc nutné dodržet dvojnásobnou izolační pevnost mezi trolejovým vedením a negativním napáječem. Protože AT systém vyžaduje důsledné zemnění středů autotransformátorů z důvodu dodržení velikosti dotykových napětí, je nutno řešit také vztah k drážní zabezpečovací technice, a to zejména při využití kolejových obvodů. Uvedené faktory jistě navyšují investice. Nelze však striktně prohlásit, že elektrizace AT systémem znamená vždy vyšší náklady oproti klasickému systému, záleží na konkrétní realizaci. 2 Model AT systému Střídavá trakční napájecí soustava 2 AC 25 kv 50 Hz je AT systém, který dosud nebyl pro podmínky českých železnic využit, přestože je, jak již bylo uvedeno, využíván mnoha železničními správami. Pokusme se však alespoň teoreticky aplikovat AT systém na některou z tuzemských tratí provedením série výpočtů a simulací. Aplikujme výpočetní model systému na trať č. 199 z Českých Budějovic do Českých Velenic (50 km), na kterou navazuje část železniční tratě č. 226 z Českých Velenic do Třeboně (34 km). Celkově se tedy požaduje elektrizace AT systémem v délce 84 km. U zbývající části tratě č. 226, tj. z Třeboně do Veselí nad Lužnicí (21 km), předpokládejme realizaci jednofázového střídavého systému 25 kv, 50 Hz v návaznosti na stávající elektrizaci v regionu. 2.1 Obecné zadání problému Železniční trať č. 199 byla relativně nedávno elektrizována jednofázovým střídavým systémem 25 kv, 50 Hz, který logicky navazuje na elektrizaci jiných železničních tratí v daném regionu. Železniční trať č. 226 dosud elektrizována nebyla, jeví se však zajímavá jako budoucí přímý tah do sousedního Rakouska. V obou případech se jedná o jednokolejné tratě. Důvod, proč elektrizovat uvedené úseky AT systémem, lze spatřovat v problematičnosti připojení k distribuční síti 110 kv pro zřízení TNS v Českých Velenicích. Roli zde jistě hraje také ekologické hledisko, neboť se jedná o region s chráněnou krajinnou oblastí. AT systém by mohl prodloužit vzdálenosti mezi jednotlivými TNS a vyhnout se tak nutnosti zřizování TNS v Českých Velenicích. Napájení celého AT systémem elektrizovaného úseku, tedy zřízení TNS pro AT systém, předpokládejme v Českých Budějovicích. AT systém má být realizován jako symetrický. Vzhledem k délce celého úseku, která činní 84 km, předpokládejme stavbu pěti autotransformátorů dle tabulky 1. 3 V České republice se zpravidla neinstaluje na střídavých trakčních soustavách zesilovací vedení. V případě rekonstrukce jednofázového systému na AT systém by tento vodič mohl posloužit jako negativní napáječ. 3

69 Tab. 1. Umístění autotransformátorů v uvažovaném AT systému. Označení úsekového AT Název úsekového AT Vzdálenost od TNS Vzdálenost od předchozího AT AT1 Borovany 21 km AT2 Nové Hrady 37 km 16 km AT3 České Velenice 50 km 13 km AT4 Suchdol nad Lužnicí 66 km 16 km AT5 Třeboň 84 km 18 km 2.2 Úsekové autotransformátory, transformátor TNS Tabulka 1 předepisuje realizaci pěti úsekových autotransformátorů. Při návrhu parametrů autotransformátorů je nutno vycházet z výkonových požadavků, ale také z předpokladu nižší ekonomické náročnosti při použití autotransformátorů o nižším výkonu. Z hlediska výkonového zatížení proto zvolme při návrhu cestu vyšších výkonů u autotransformátorů krajních (AT1 a AT5) a nižších výkonů u autotransformátorů vnitřních (AT2 až AT4). Předpokládejme totiž, že krajní autotransformátory přebírají značnou část proudových toků v případě, že se hnací vozidlo nachází v jejich blízkosti, zatímco v případě vnitřních autotransformátorů se tyto proudové toky lépe rozloží mezi všechny prvky obvodu. Pro transformátor TNS v Českých Budějovicích předpokládejme, že bude výrobci zadán požadavek na dodávku speciálního napájecího transformátoru s vyvedeným středem sekundárního vinutí. Nutný je požadavek nerovnoměrné zátěže mezi středem transformátoru a oběma krajními vývody. Napájení TNS bude realizováno z distribuční sítě 110 kv. Navrhované parametry transformátoru TNS a úsekových autotransformátorů uvádí tabulka 2. Tab. 2. Parametry transformátorů v uvažovaném AT systému. Transformátor TNS AT1, AT5 AT2, AT3, AT4 Frekvence 50 Hz 50 Hz 50 Hz Převod 110 kv / (2 27,5 kv) 55 kv / (2 27,5 kv) 55 kv / (2 27,5 kv) S 2 12,5 MVA 2 2,5 MVA 2 1,5 MVA ΔP Cu 2 53 kw 2 20 kw 2 12 kw u k 12,5 % 2 % 1,2 % 2.3 Trakční vedení Předpokládejme realizaci plně kompenzovaného řetězovkového vedení, které může být doplněno o pomocné nosné lano. Negativní napáječ lze zřídit např. zavěšením na vnější straně trolejových podpěr. Jak bylo zmíněno, trať č. 196 je již elektrizována, tento 50 km dlouhý úsek by tak bylo nutné doplnit pravděpodobně pouze o vodič negativního napáječe. Zbývající úsek musí být elektrizován. 2.4 Výpočty a simulace v trakčním obvodu Zaměřme se nyní na praktické výpočty v trakčním obvodu AT systému a nalezení charakteristik uvažovaného obvodu. K výpočtům a simulacím byl použit program PSpice 9.1. Podrobný rozbor metodiky výpočtů (zejména impedančních 4

70 charakteristik) a simulací programem PSpice 9.1 zdaleka přesahuje rozsah článku, čtenář ho však v plném rozsahu nalezne v autorově práci [1]. Předpokládejme pohyb referenčního vozidla od 0. kilometru (od TNS) k 84. kilometru (AT5 krajní autotransformátor). Pro jednoduchost uvažujme hnací vozidlo, které během jízdy nemění svoje impedanční parametry, a které má při napájecím napětí 25 kv a účiníku 0,84 výkon 6 MW (tento uvažovaný výkon je poněkud větší z důvodu většího zatížení soustavy pro účely simulace) Napětí na hnacím vozidle S narůstající vzdáleností hnacího vozidla od TNS dochází vlivem úbytku na vedení k postupnému poklesu napájecího napětí. Závislost napájecího napětí pro referenční hnací vozidlo v závislosti na vzdálenosti od TNS vyjadřuje graf na obrázku 2. Obr. 2. Závislost napájecího napětí pro referenční hnací vozidlo v závislosti na vzdálenosti od TNS. K poklesu na jmenovitou hodnotu 25 kv napájecího napětí dochází přibližně na 45. kilometru, na koncovém 84. kilometru je hodnota napájecího napětí 23,8 kv. To je o 4,8 kv více, než je minimální dovolená hodnota trvalého napětí, daná normou [5]. Z grafu jsou též patrné prakticky parabolické závislosti napěťového poklesu v jednotlivých úsecích, mající asymetrický charakter, daný jednostranným napájením AT systému. 5

71 2.4.2 Odpojení autotransformátorů Pro studium napěťových závislostí AT systému nyní uvažujme záměrné odpojení (či náhlý výpadek) několika autotransformátorů. Pro tento účel byly simulacemi získány grafy na obrázku 3. Z grafů je patrné, že čím větší je počet autotransformátorů, tím se závislost napájecího napětí na vzdálenosti od TNS v celkovém pohledu postupně linearizuje. Zajímavé je také to, že při odpojení více autotransformátorů není pokles napájecího napětí nikterak velký. Prakticky však v takové situaci dochází k většímu zatížení autotransformátorů. Ze simulací vyplynulo, že vzhledem ke krajnímu návrhu výkonových parametrů dochází při výpadku již jednoho z autotransformátorů k proudovému přetížení autotransformátorů ostatních. Obr. 3. Závislost napájecího napětí pro referenční hnací vozidlo v závislosti na vzdálenosti od TNS při odpojení některých autotransformátorů. Legenda grafu uvádí připojené autotransformátory Tok zpětných proudů do TNS Jak již víme, zpětné proudy do TNS vstupují dvěma cestami kolejnicemi K (proud I K1 ) a negativním napáječem NP (proud I NP1 ). Ideální situace by nastala, kdyby tok proudu do TNS kolejnicemi byl nulový. V praxi taková situace pochopitelně nenastane, je však snahou se tomu stavu přiblížit. Pro zjištění reálného stavu je proto nutné simulacemi zjistit skutečné velikosti zpětných proud v závislosti na jízdě referenčního hnacího vozidla. 6

72 Z grafu na obrázku 4 vyplývá, že při jízdě v 1. úseku mezi TNS a AT1 přebírají větší část zpětných proudů kolejnice. Postupným vzdalováním se hnacího vozidla od TNS však dochází k poměrně velkému poklesu tohoto proudu ve prospěch negativního napáječe. Na konci 1. úseku (21. kilometr) je rozdíl mezi proudy I K1 a I NP1 již velmi malý. Větší část zpětných proudů přebírá negativní napáječ až v 2. úseku cca na 28,5 kilometru, kdy se oba proudy vyrovnávají. Počínaje 3. úsekem (37 kilometr) jsou již změny velmi nepatrné a nastává prakticky konstantní rozdíl mezi I K1 a I NP1. Maximum proudu negativním napáječem do TNS však není na koncovém 84. kilometru, jak by se dalo teoreticky očekávat, ale na 50. kilometru u AT3, kdy je hodnota I NP1 =105 A. Obr. 4. Závislost zpětných proudů do TNS a proudu hnacím vozidlem v závislosti na jeho vzdálenosti od TNS. Zde je nutné konstatovat, že bylo očekáváno poněkud lepší dělení zpětných proudů ve prospěch negativního napáječe. Tento stav je důsledkem faktu, že rozptylové impedance autotransformátorů jsou větší než impedance trakčních smyček. Byla provedena celá řada simulací s různými obměnami parametrů autotransformátorů v reálných mezích, nicméně výsledek byl vždy prakticky totožný. Nejedná se však o neúspěch. Pro porovnání je v grafu na vynesena též křivka proudu I L tekoucího hnacím vozidlem v závislosti na jeho vzdálenosti od TNS. Porovnáme-li proudy I L a I K1 na koncovém 84. kilometru, kdy je I K1 minimální, pak zpětný proud kolejnicemi do TNS tvoří cca 25 % velikosti proudu hnacím vozidlem. 7

73 2.4.4 Porovnání navrženého AT systému s jednofázovým systémem Uvažujme teoretickou situaci, kdy celý 84 kilometrů dlouhý úsek bude elektrizován klasickým jednofázovým systémem 25 kv, 50 Hz s jedinou TNS na 0. kilometru. Významným faktorem pro porovnání obou systémů je napájecí napětí na vozidle. Pokud porovnáme napěťovou křivku z obrázku 2 s napěťovou křivkou při elektrizaci jednofázovým systémem, získáme grafy na obrázku 5. Pro jednofázový systém (křivka bez AT) je znatelný významný pokles napájecího napětí, který se dostává pod hranici minimální trvalé hodnoty dané normou [5]. Z grafu vyplývá, že není možné realizovat pouhé prodloužení stávající elektrizace bez nutnosti vybudování další TNS. Obr. 5. Závislost napájecího napětí pro referenční hnací vozidlo v závislosti na vzdálenosti od TNS pro AT systém a běžný jednofázový systém 25 kv, 50 Hz. Ten prakticky vznikne odpojením všech autotransformátorů. V úvodních odstavcích bylo jako zásadní výhoda AT systému uvedeno snižování zpětných proudů v kolejnicích. Tento předpoklad fakticky potvrzují grafy na obrázku 4. Vzhledem k tomu, že klasický jednofázový střídavý systém je tvořen pouze jednou smyčkou se sériovými impedančními prvky, protéká hnacím vozidlem a kolejnicemi proud o stejné velikosti. Ten odpovídá právě proudu I L hnacím vozidlem. Z grafu na obrázku 4 je patrné, že zpětné proudy kolejnicemi do TNS v AT systému jsou až o 75 % nižší. 8

74 3 Závěr Výsledky výpočtů a simulací ukazují, že autotransformátorový napájecí systém 2 AC 25 kv 50 Hz přináší pozitiva z hlediska úbytku napájecího napětí. Umožňuje proto realizaci od sebe více vzdálených trakčních napájecích stanic, než je tomu u běžného jednofázového střídavé systému, a to při zachování stávajících dopravních výkonů. Dále dochází k výraznému snížení zpětných proudů kolejnicemi. Přestože se v současnosti neuvažuje o budování samostatné vysokorychlostní železnice na našem území, jsou výše uvedené vlastnosti využitelné např. na našich nově elektrizovaných tratích, případně tam, kde se uvažuje o náhradě stejnosměrného napájecího systému. Literatura [1] LACKO, Richard. Návrh trakčního systému 2 25 kv, 50 Hz. Pardubice, Diplomová práce. Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera. [2] LIPPMANN, Gerd a Jindřich KAŠPAR. Vedení zpětného trakčního proudu, část II.: Používání autotransformátorového systému napájení elektrizovaných tratí v podmínkách České republiky. Nová železniční technika. 2010, č. 5. [3] VÝKRUTA, Vladivoj. Vedení zpětného trakčního proudu, část I. Nová železniční technika. 2010, č. 1. [4] HAYASHI, Masami a Tsugio IWASHITA. Teoretická studie AT napájecího systému výpočetní vzorce pro energetické charakteristiky: Překlad z japonské Quarterly reports railway technical research institute no [5] ČSN EN ed. 2. Drážní zařízení Napájecí napětí trakčních soustav. Praha: Český normalizační institut, Praha, září 2013 Lektorovali: doc. Ing. Karel Hlava, CSc. (nezávislý odborník) Ing. Vladivoj Výkruta, CSc. ( VUZ, a.s.) 9

75 Miloslav Macháček 1 Úvod do problematiky sítí LTE a LTE-Advanced Klíčová slova: HSDPA, HSPA, HSUPA, LTE, LTE-Advanced, UMTS, latence, download, upload Úvod V posledních letech zaznamenáváme nárůst rozvoje mobilních bezdrátových datových přenosů. Nejvíce bezdrátových datových přenosů zajišťují operátoři veřejných mobilních sítí T-Mobile, Telefónica, Vodafone a U:fon. V současné době je využíváno několik různých technologií bezdrátových datových přenosů, na jejichž technologickém vrcholu jsou mobilní datové přenosy UMTS Release 8/9 (LTE) a UMTS Release 10 (LTE-Advanced). V tomto článku bych chtěl přiblížit technologii LTE a LTE-Advanced. Tato technologie v budoucnosti nahradí technologie mobilních bezdrátových datových přenosů, které jsou v dnešní době v prostředí Českých drah používány. Na obrázku 1 je znázorněn vývoj a porovnání různých mobilních širokopásmových technologií. Obrázek 1: Vývoj mobilních širokopásmových technologií, zdroj ( 1 Ing. Miloslav Macháček, Ph.D., narozen 1959, Univerzita Pardubice, DFJP, Dopravní prostředky a infrastruktura, nyní Univerzita Pardubice, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Katedra informačních technologií, Studentská 95, Pardubice 1

76 Z hlediska počtu uživatelů má pozici číslo jedna na světovém trhu technologie UMTS (odhadem 3,5 mld. uživatelů žlutá oblast grafu), druhou pozici technologie CDMA2000 (odhadem 430 mil. uživatelů červená oblast grafu) a třetí pozici zaujímá technologie WiMax (70 mil. uživatelů modrá oblast). 1. Vývoj UMTS sítí Sítě UMTS (Universal Mobile Telephone Standard) byly poprvé definovány standardizačním orgánem 3GPP v roce První UMTS standard se jmenuje UMTS Release Od roku 1999 byla schválena řada standardů 3GPP - Release 1 až 13. Detaily a popisy v [1]. Tato technologie začíná být technicky zajímavá schválením Release 4. Na obrázku 2 je graficky znázorněn vývoj UMTS sítí. Obrázek 2: Vývoj UMTS sítí, zdroj ( Release 4 Technologie WCDMA. Udávaná rychlost je přibližně 384 kb/s na downlinku. Release 5 Technologie HSDPA. Udávaná rychlost je přibližně 3,6 Mb/s na downlinku. Release 6 Technologie HSUPA. Někdy se používá označení HSPA, které značí, že daná síť nabízí HSUPA i HSDPA. Udávaná rychlost je přibližně 14 Mb/s na downlinku. Release 7 Technologie HSPA+. Udávaná rychlost je přibližně Mb/s na downlinku. Release 8/9 Z pohledu marketingu se tyto sítě nazývají LTE (Long Term Evolution). Udávaná teoretická rychlost je přibližně až 300 Mbit/s na downlinku. Release 10 Release 10 obsahuje mnoho významných změn. Udávaná teoretická rychlost je přibližně 3 Gbit/s na downlinku. Tyto sítě se nazývají LTE-Advanced. Release 11 Detail v [2] Release 12 Detail v [3] Release 13 Detail v [4] 2

77 2. Vlastnosti LTE 2.1 Směry přenosu dat Přenos dat směrem k uživatelům je založen na konvenční modulační technice multiplexování s ortogonálním kmitočtovým dělením (OFDM). Tato technika zajišťuje vysoký stupeň odolnosti vůči frekvenčně selektivním únikům. Poškozený signál lze s vysokou úspěšností na přijímací straně efektivně zpracovat. Složitost zpracování v koncovém zařízení závisí na šířce rádiového kanálu. Velkou výhodou je podpora vícenásobné antény. OFDM umožňuje velkou volnost pro kanálově závislé rozvrhování v porovnání s rozvrhováním v časové oblasti využívané u většiny systémů 3G. Další výhoda je v možnosti flexibilnější šířky pásma a jednoduché realizace všesměrového a výběrového vysílání. Přenos dat směrem od uživatelů je také založen na OFDM. Zde se používají pro zvýšení účinnosti jiné techniky. Před modulátorem OFDM je využíván kodér DFT. Takto upravený formát se nazývá DFTS-OFDM (DFT-spread OFDM). DFTS-OFDM v LTE umožňuje ortogonální oddělení vysílání ve směru od uživatele také v kmitočtové oblasti. Ortogonální oddělení je výhodnější, protože eliminuje rušení mezi koncovými zařízeními v rámci jedné buňky. V případě nízkého vysílacího výkonu lze využít u této technologie vícenásobný přístup. Koncovému zařízení se přidělí pouze část z celkově dostupné přenosové kapacity a ve zbývající části spektra může být rozvrženo současné vysílání z dalších koncových zařízení v rámci buňky. Vysílání ve směru od uživatelů dovoluje totiž využít časové dělení (TDMA) i kmitočtové dělení (FDMA) dostupné přenosové kapacity (viz obrázek 3 a 4). Obrázek 3: TDMA, zdroj ( 3

78 2.2 Kanálové rozvrhování Obrázek 4: FDMA, zdroj ( Základem vysílání LTE je využití dynamicky sdíleného kanálu v kmitočtové a časové oblasti všemi uživateli v rámci buňky. Rozvrhováním se řídí a organizuje přidělování kmitočtů a časových intervalů sdílených přenosových prostředků. Rozvrhování významně určuje výkonnost systému. Vysílání v obou směrech přenosu je v sítích LTE zajišťováno přesným rozvrhováním dostupných přenosových prostředků podle požadavků uživatelů. Využitím OFDM v obou směrech přenosu se řídí přístup v časové i kmitočtové oblasti viz obrázek 5. Velký význam kanálově závislého rozvrhování v kmitočtové oblasti je při nižších přenosových rychlostech koncových zařízení, kdy se kanál mění v čase pomalu. Obrázek 5: Rozvrhování, zdroj ( Nejmenší adresovatelnou informační jednotkou je fyzický zdrojový blok (PRB). Délka je 0,5 ms a obsahuje 12 dílčích kanálů OFDM (využívá pásmo o šířce 12 x 15 khz = 180 khz). Základní jednotkou pro rozvrhování je rozvrhovací blok (SB), který obsahuje dva po sobě jdoucí PRB. V sítích LTE lze přenosové prostředky přidělovat v časové oblasti po kroku 1 ms a kmitočtové oblasti po kroku 180 khz. 4

79 Směrem k uživatelům se vysílají referenční signály, které se vrací zpět do sítě (zprávy CSI). Jejich vyhodnocením získáme stav kanálu. Vyhodnocuje se každou 1 ms. V rámci dané buňky se určuje, jakým koncovým zařízením, na jakém kmitočtu a v jakém časovém intervalu bude dovoleno vysílat a jaké vysílací parametry, včetně přenosové rychlosti mají být použity. 2.3 Sousední buňky V LTE mohou být použity v sousedních buňkách stejné prostředky v časové i kmitočtové oblasti. Základní řídicí kanály jsou navrženy tak, že fungují i při nízkém poměru signál-rušení (SIR). Kmitočty lze opětovně použít i v sousedních buňkách. Výkonnost systému na okrajích buňky se slabým pokrytím se zlepšuje pomocí koordinace rozvrhování mezi buňkami. Základním cílem koordinace rušení mezi buňkami (ICIC) je eliminace souběžného rozvrhování vysílání (k uživateli/od uživatele) mezi koncovými zařízeními v okrajových oblastech vzájemně sousedících buněk, kde dochází největšímu rušení. Koordinaci rušení zajišťuje několik zpráv přenášených mezi základnovými stanicemi enodeb prostřednictvím rozhraní X2. Tyto zprávy poskytují informace o rušení a strategii rozvrhování enodeb odesílajícího zprávu a mohou být použity přijímajícím enodeb jako vstup do jeho procesu rozvrhování. 2.4 Hybridní ARQ Hybridní ARQ (HARQ) s měkkým kombinováním se v sítích LTE používá v případě chybně přijatých transportních bloků. Opětovné vysílání lze požadovat po každém odeslaném paketu. Chybné pakety se ukládají do databáze přírůstkové redundance. Tyto pakety poskytují určitý specifický informační obsah. Opakovaně vysílané bloky se pomocí techniky měkkého kombinování vhodně sdružují s bloky uloženými v databázi. Tímto opatřením se snižuje počet opakování a zvyšuje se pravděpodobnost úspěšného dekódování. 2.5 Vysílání více anténami Hlavním důvodem použití více antén je dosažení mnohem vyšší výkonnosti LTE. Vysílání více anténami se používá k následujícím účelům: - Zajištění přijímací diverzity (zpracování kvalitnějšího signálu z antén). - Zajištění vysílací diverzity (zlepšení přijímaného poměru signálů vůči rušení a šumu). - Zajištění prostorové diverzity (prostorové multiplexování popisované jako MIMO). Platí, že pro různé scénáře jsou vhodné různé techniky vícenásobné antény. 2.6 Flexibilita kmitočtového spektra Významnou charakteristikou technologie rádiového přístupu LTE je možnost vysoké flexibility kmitočtového spektra. LTE se může provozovat v různých kmitočtových pásmech s různými charakteristikami, včetně různých duplexních uspořádání a různých šířkách dostupného kmitočtového spektra. Systémy LTE je možno zavádět v párovaných i nepárovaných kmitočtových pásmech. LTE podporuje 5

80 duplex s kmitočtovým dělením (FDD) i duplex s časovým dělením (TDD) viz obrázek 6. Obrázek 6: FDD a TDD, zdroj ( LTE podporuje v koncových zařízeních také poloduplexní FDD. Vysílání a příjem v koncových zařízeních je odděleno v kmitočtové i časové oblasti. Využitím poloduplexního FDD je možno snížit složitost koncového zařízení. Významnou vlastností LTE je možnost přenosu v různých šířkách kmitočtového pásma v obou směrech přenosu. Dostupné kmitočtové spektrum pro zavádění služeb LTE se v různých zemích u operátorů značně liší. Provoz v různých kmitočtových pásmech umožňuje postupnou migraci kmitočtového spektra LTE do uvolněných kmitočtových pásem. Další důležitou vlastností LTE je, že může být provozováno v několika užších kmitočtových pásmech současně. Maximální dosažitelná přenosová rychlost je v tomto případě však nižší. 2.7 Výběrové a všesměrové vysílání LTE umožňuje vysílání současně z několika vysílacích stanovišť (buněk). Koncové zařízení pak může efektivně využívat signál z několika vysílacích stanovišť. Při vysílání synchronizovaných identických signálů z několika vysílacích stanovišť se signál bude koncovému zařízení jevit stejně jako signál vysílaný z jedné buňky a podstatně se zvýší přenosová rychlost. Díky odolnosti OFDM vůči vícecestnému šíření (multibuňkové vysílání) je možné zlepšit úroveň přijímaného signálu a eliminovat vzájemné rušení mezi buňkami. Výkon multibuňkového výběrového a všesměrového vysílání je limitován pouze šumem. 3. Vlastnosti LTE-Advanced LTE vydání 10 mění název LTE na LTE-Advanced. Toto vydání zajišťuje, aby technologie rádiového přístupu LTE plně odpovídala požadavkům IMT-Advanced. Důležitým požadavkem vydání 10 je zpětná kompatibilita koncových zařízení. Koncová zařízení podle dřívějších vydání budou vždy schopna přístupu 6

81 k základnovým stanicím podporující LTE vydání 10. Dále byly pro LTE-Advanced vyčleněny další kmitočtová pásma (450 až 470 MHz, 698 až 862 MHz, 790 až 862 MHz, 2,3 až 2,4 GHz, 3,4 až 4,2 GHz a 4,4 až 4, 99 GHz). LTE-Advanced vylepšuje flexibilitu kmitočtového spektra pomocí sdružení několika rádiových kanálů, rozšiřuje možnosti vícenásobné antény, zavádí podporu retranslace a vylepšuje koordinaci vzájemného rušení mezi buňkami a zavádí vícenásobné pokrytí heterogenní sítě. 3.1 Sdružení rádiových kanálů První vydání LTE zahrnovalo podporu pro přidělování různých kmitočtových pásem s šířkou pásma v rozsahu od 1 MHz do 20 MHz pro párovaná i nepárovaná pásma. Od LTE vydání 10 je rozsah šířky rádiového kanálu rozšířen prostřednictvím agregace rádiových kanálů (Carrier Agregation). Celkem může být sdruženo až pět jednotlivých (kompozitních) rádiových kanálů, které mohou využívat různá kmitočtová pásma. Agregovaný rádiový kanál může mít šířku až 100 MHz. Koncové zařízení podle LTE vydání 8/9 z důvodu kompatibility bude jednotlivý rádiový kanál využívat jako samostatný rádiový kanál. Koncové zařízení s možností agregace rádiových kanálů bude moci využívat větší šířku kmitočtového pásma. Tímto bude dosahováno vyšších přenosových rychlostí. Agregovat lze různý počet rádiových kanálů (viz obrázek 7). Takto budou moci operátoři sdružovat jednotlivé rádiové kanály v různých kmitočtových pásech (např. 900, 1800, 2100, 2600 MHz) do jednoho agregovaného rádiového kanálu. 3.2 Vícenásobná anténa Obrázek 7: Agregace kanálů, zdroj ( V LTE vydání 10 je prostorové multiplexování ve směru k uživatelům rozšířeno na podporu až osmi přenosových vrstev. S využitím sdružení rádiových kanálů je umožněna přenosová rychlost ve směru k uživateli až 3 Gb/s. Prostorové multiplexování je ve směru od uživatele rozšířeno na podporu až čtyř přenosových vrstev. Ve směru od uživatele je umožněna přenosová rychlosti až 1,5 Gb/s. 3.3 Koordinace vysílání a příjmu několika buněk v LTE-Advanced Koordinace vysílání a příjmu několika buněk (CoMP) využívá techniky dynamické koordinace při současném vysílání nebo příjmu oddělených základnových 7

82 stanic. V LTE-Advanced je koordinace využita z hlediska rozvrhování při vysílání základnových stanic z různých vysílacích stanovišť. Přesnou koordinací mezi vysíláním různých základnových stanic se dosáhne vyšší výkonnosti, vyšší přenosové rychlosti a dosáhne se účinnější koordinace rušení mezi buňkami. Techniku CoMP lze použít i ve směru od uživatele. V tomto případě několik základnových stanic přijímá současně signály z jednoho nebo více koncových zařízení. CoMP ve směru od uživatele. Jedná se o obdobu předávání - handover použitému v technologicky starších sítích WCDMA. 3.4 Zhodnocení LTE-Advanced LTE podle vydání 10, které je označováno jako LTE-Advanced, přináší vysoce flexibilní rádiové rozhraní. V řadě případů je nad požadavky IMT-Advanced. Teprve LTE vydání 10 je však technologie 4G. Operátor, který nabídne LTE- Advanced může hovořit o skutečné mobilní síti 4G. 4. Technologie LTE ve světě Technologie LTE byla v Evropě jako první komerčně spuštěna ve Švédsku a následně v dalších zemích. Ve Švédsku je zprovozněno více než 600 základnových stanic BTS s technologií LTE. Na obrázku 8 je seznam evropských zemí a operátorů, kteří provozují LTE sítě včetně data jejich spuštění a na obrázku 9 je zobrazena mapa pokrytí technologií LTE ve světě. Obrázek 8: LTE v evropských zemích, zdroj ( 8

83 Obrázek 9: LTE ve světě, zdroj ( LTE je často nesprávně označováno jako mobilní síť 4G. Důvodem je skutečnost, že LTE (Release 8/9) nesplňuje všechny požadavky, které ITU (Mezinárodní telekomunikační unie) klade na 4G. Až LTE-Advanced je možno správně označit jako 4G, protože je dosahováno rychlosti více než 100 Mbit/s za pohybu a 1 Gbit/s, pokud se uživatel nepohybuje. Z tohoto důvodu někteří operátoři nehovoří o LTE jako o technologii 4G. Významnou vlastností LTE je skutečnost, že je využíváno pouze pro datové přenosy. O hlasových službách se zatím nehovoří. Další velkou neznámou je problematika koncových zařízení. LTE lze provozovat na různých frekvenčních pásmech. V USA se používají pásma 700 MHz a 2100 MHz. V České republice se počítá s pásmy 800 MHz, 1800 MHz a 2,6 GHz. Koncová zařízení nebudou vzájemně využitelná. Technologie LTE podle vydání 10, která je označovaná jako LTE-Advanced, přináší vysoce flexibilní rádiové rozhraní. V řadě případů je nad požadavky IMT- Advanced. Teprve LTE Release 10 je však skutečná technologie 4G. Operátor, který nabídne LTE-Advanced může oprávněně hovořit o mobilní síti 4G. 5. Technologie LTE na území České republiky O pokrytí území ČR signálem LTE je v dnešní době lepší nehovořit. Jsme teprve na začátku, daleko za ostatními zeměmi EU. LTE bylo v ČR spuštěno Prvenství získala Telefónica ČR. Jedná se o pokrytí signálem LTE v Jesenici u Prahy. V této lokalitě byly zprovozněny 4 základnové stanice (v případě LTE hovoříme o enodeb) s využitím frekvenčního kanálu o šířce 10 MHz v pásmu 1800 MHz. Telefónica při spuštění dosáhla rychlosti 66 Mbit/s downloadu, 20 Mbit/s uploadu a odezvy 22 ms. Tyto hodnoty byly naměřeny v [11] pomocí interaktivního testu rychlosti širokopásmového připojení od Ookla. Druhé město, ve kterém funguje mobilní datová síť LTE, je Mladá Boleslav. T - Mobile dne pokryl toto město signálem LTE. Pokrytí je zajištěno 19 vysílači umístěnými v Mladé Boleslavi a Kosmonosech. Síť LTE v Mladé Boleslavi využívá pásmo o šířce 2x10 MHz v rámci frekvence MHz. Dobré měření rychlostí LTE (T-Mobile v Mladé Boleslavi) provedl pan Martin Pultzner a Jan Pospíšil v [15]. Bylo provedeno 25 měření v různých částech města s různě silným signálem. 9

84 Průměrné hodnoty naměřených hodnot jsou následující: 33,81 Mb/s download, 14,21 Mb/s upload a 33,4 ms latence. Vzhledem ke stávajícím rychlostem mobilních bezdrátových datových přenosů v ČR se jedná je velice slušné výsledky dosažené v reálném provozu. Operátor Vodafone mobilní datovou síť LTE zatím nenabízí. V roce 2012 vydal následující prohlášení: LTE plánujeme spustit a využít zahraničních zkušeností v rámci skupiny Vodafone, kde je již komerčně v provozu. Uděláme to ale seriózně, ne jen jako marketingové pozlátko. Dne Český telekomunikační úřad zastavil aukci kmitočtů pro sítě LTE. Důvodem byly příliš vysoké nabídky operátorů, které se vyšplhaly z vyvolávací ceny 7,4 miliardy korun na více než 20 miliard korun. Aukce kmitočtů začala již v polovině listopadu loňského roku a probíhala tak již téměř čtyři měsíce. V zahraničí přitom podobné aukce úspěšně skončily za necelý měsíc (Německo, Velká Británie). V srpnu 2013 vyhlásil Český telekomunikační úřad novou aukci kmitočtů pro sítě LTE. Do aukce kmitočtů v pásmech 800, 1800 a 2600 MHz se vedle Vodafonu přihlásila Telefónica, T-Mobile, Revolution Mobile a Sazka Telecommunications. Situace se bohužel opět komplikuje. Telefónica podmínky aukce, zejména vyhrazení části pásma 800 MHz pro nové uchazeče napadla u soudu a stěžovala si i u ÚOHS. U Evropské komise aukci napadla jak Telefónica, tak i T-Mobile. V pátek uvedla mluvčí Vodafonu Markéta Kuklová, že mobilní operátor Vodafone napadl aukci kmitočtů pro rychlé mobilní sítě LTE žalobou a obrátil se i na antimonopolní úřad a Evropskou komisi. Požaduje odklad soutěže až po analýze trhu a stanovení transparentních podmínek. 6. Možnosti využití LTE a LTE-Advanced v řídících a informačních systémech ČD 6.1 Železniční bezdrátová přenosová síť od ČD - telematika Potřeby informačních systémů pro bezdrátovou datovou komunikaci s kolejovými vozidly Český drah jsou v současnosti zajištěny integrovaným komunikačním prostředím, které je v prostředí Českých drah označeno jako ŽBPS (železniční bezdrátová přenosová síť). ŽBPS lze chápat jako množinu přenosových sítí, komunikačních zařízení, rozhraní, protokolů a pravidel pro bezdrátovou komunikaci mezi objekty na železnici v ČR. Pro bezdrátové datové přenosy je v současné době využívána síť GSM-R a jednotlivé přenosové sítě GSM veřejných operátorů. V budoucnosti bude ŽBPS s největší pravděpodobností využívat mobilní datové přenosy UMTS Release 8/9 (LTE) a UMTS Release 10 (LTE-Advanced). Na obrázku 10 je zobrazena ŽBPS tak, jak by mohla v budoucnosti vypadat. 10

85 Obrázek 2: Možné schéma ŽBPS, zdroj (Autor) 6.2 Palubní portál a připojení k internetu pro cestující ČD V 7 vlacích SC Pendolino lze využívat zdarma službu bezdrátového připojení k internetu pomocí technologie WiFi. Po spuštění internetového prohlížeče se automaticky zobrazí úvodní stránka palubního portálu. Je umožněno využívat vnitřní palubní portál nebo volný přístup na internet. Palubní portál pro informace i zábavu nabízí: Podrobné informace o jízdě vlaku (poloha vlaku na mapě, rychlost vlaku, čas zbývající do cílové stanice, aktuální počasí v jednotlivých stanicích, mimořádnosti na trati) Informace o přípojích v nácestných stanicích Zajímavosti na trase s tipy na volnočasové aktivity Služby na palubě Doplňkové služby Online kamery umístěné na obou stanovištích strojvedoucího Aktuální zpravodajství Hry Elektronické knihy Připojení do internetu je realizováno pomocí nejlepších dostupných technologií. Jsou využívány technologie mobilních datových přenosů všech stávajících mobilních operátorů současně s výjimkou operátora U:fon. Bohužel pokrytí kvalitním signálem mobilních operátorů není po celé trase dostatečné. Při testování bylo zjištěno, že IP adresa se za jízdy nemění. Vlak celou dobu drží jednu IP adresu. Rychlost v obydlených oblastech byla větší jak 2Mb/s. Bohužel v neobydlených oblastech docházelo k poklesu rychlosti a krátkodobým výpadkům. Pokrytí některých oblastí signálem 3G jednotlivých operátorů je nulové. 11

86 Pro umožnění přístupu k internetu a využívání této služby všem cestujícím v dostatečné kvalitě, je blokován přístup na webové stránky, které připojení k internetu výrazně vytěžují. Jedná se především o stránky pro aktualizaci operačních systémů a software a stránky, které poskytují streamování videa. Regionální vlaky mají v porovnání s vlaky Pendolino jen jednoduchý jedno operátorový internet. V případě pokrytí kvalitním signálem LTE nebo LTE-Advanced problémy s rychlostí internetu nebudou existovat (datová propustnost LTE je v porovnání s 3G nesrovnatelně větší). Využívání technologie LTE ve vlacích v ČR nebude pravděpodobně v budoucnu zcela bez problémů. Při využívání technologie LTE ve vlacích v Rakousku nastávají v současné době vážné problémy s rušením způsobovaným LTE modemy v soupravách RailJet. 7. Závěr Nedostatečné pokrytí signálem UMTS je v současné době největším problémem této technologie. Z map pokrytí, které jednotliví operátoři poskytují, je zřejmé, že pokrytí území signálem je u všech operátorů přibližně stejné. Pokryta jsou pouze větší města ČR a jejich okolí. Situace s pokrytím signálem UMTS Release 8/9 (LTE) je ještě horší. Pokryto je pouze několik míst. Jedná se o Mladou Boleslav, Jesenici u Prahy, Kamýk a několik málo budov jako například obchodní centrum Chodov. V současné době lze hovořit o velmi pomalém nástupu technologie LTE na území ČR. Seznam zkratek 3GPP 3G síť 4G síť BTS CDMA CoMP CSI DFT FDMA FDD GSM GSM-R HARQ HSDPA - The 3rd Generation Partnership Project - síť třetí generace - síť čtvrté generace - Base Transceiver Station - Code Division Multiple Access - Coordinated Multipoint transmission and reception - Channel State Information - Discrete Fourier Transform - Frequency Division Multiple Acce - Frequency Division Duplex - Global System for Mobile - Global System for Mobile Communications-Railway - hybrid automatic repeat request - High Speed Downlink Packet Access 12

87 HSPA HSUPA ICIC IMT-Advanced LTE LTE-ADVANCED MIMO OFDM PRB SB SIR TDD TDMA UMB UMTS ÚOHS WCDMA WiMAX ŽBPS - High Speed Packet Access - High Speed Uplink Packet Access - Inter Cell Interference Coordination - International Mobile Telecommunications-Advanced - Long Term Evolution - Long Term Evolution Advanced - Multiple Input Multiple Output - Orthogonal Frequency Division Multiplexing - Physical Resource Block - Scheduling Block - Signal Interference Ratio - Time-Division Duplex - Time Division Multiple Access - Ultra Mobile Broadband - Universal Mobile Telecommunication Systém - Úřad pro ochranu hospodářské soutěže - Wideband Code Division Multiple Access - Worldwide Interoperability for Microwave Access - železniční bezdrátová přenosová síť Literatura: [1] 3GPP. The Mobile Broadband Standart [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < [2] 3GPP. Release 11 [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [3] 3GPP. Release 12 [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [4] 3GPP. Release 13 [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [5] BEŠŤÁK, PRAVDA. České vysoké učení technické v Praze, FEL. Sítě UMTS [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < [6] HRSTKA, Jaroslav. Mobilní komunikace, každodenní součást našich životů [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < >. 13

88 [7] KOLÁŘ, Petr. Využití vlastností digitálních přenosových sítí pro řízení železničního provozu. Vědeckotechnický sborník ČD č. 26/2008. [8] MACHÁČEK, Miloslav; ŽÁK, David. Wireless data transmission and information security in the Czech Railways. Internet, Competitiveness and Organisational Security in Knowledge Society XI. Annual International Conference. Tomas Bata University in Zlin, 24-25th March p. 41. ISBN [9] MÁROVEC, A., ŽÁK, David. Železniční bezdrátová přenosová síť. Vědeckotechnický sborník ČD č. 27/2009. [10] PETERKA, Jiří. Archiv článků a přednášek Jiřího Peterky [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < [11] PETERKA, Jiří. LTE v ČR: jedno promile na opojení nestačí [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [12] Portál ACRI. ŽBPS: Železniční bezdrátová přenosová síť od ČD Telematika [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < [13] Portál ČD. Palubní portál a připojení k internetu zdarma [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [14] Portál ČD. Internet míří do dalších expresů Českých drah [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [15] PULTZNER, Martin; POSPÍŠIL, Jan. Vyzkoušeli jsme LTE v Mladé Boleslavi - opravdový Datan Fofrič [online] [cit ]. Dostupný z WWW: < [16] RYSAVY RESEARCH LLC. EDGE, HSPA and LTE Broadband innovation [online]. September 2008 [cit ]. ISBN Dostupný z WWW: < [17] ŠUSTR, Jiří. GSM-R, mobilní komunikační systém pro železnici. Vědeckotechnický sborník ČD č. 20/2005. Praha, listopad 2013 Lektorovali: Ing. Martin Šrotýř (ČVUT, Fakulta dopravní) prof. Ing. Simon Karamazov, Dr. (Univerzita Pardubice, Fakulta elektrotechniky a informatiky) Ing. David Pírko (spol. You Can a spol. Pears HealthCyber) 14

89 Jiří Štos 1, Radovan Doleček 2 Smart Grids v ČR pro dopravu Klíčová slova: kabelová síť, distribuční transformační stanice, ochranná jednotka, ostrovní provoz, elektromobilita Úvod Chytré sítě (Smart Grids) mají představovat flexibilní, zákaznicky orientované spolehlivé elektrické sítě zajišťující potřebné množství a požadovanou kvalitu dodávané energie s vyrovnanou výkonovou bilancí, a to díky efektivnímu začlenění všech připojených uživatelů, tj. velkých i malých lokálních výrobních zdrojů a spotřebitelů a rovněž tak nových funkčních prvků distribuční sítě (DS), kterými jsou např. dobíjecí stanice pro elektromobily nebo jednotky akumulace elektrické energie. Se současným masivním rozšířením a podporou obnovitelných zdrojů a zdrojů lokálního charakteru pro zásobování teplem s možností výroby elektrické energie, tzv. kogeneračních jednotek (KGJ), přichází myšlenka na využití těchto prostředků pro vytvoření autonomních oblastí s možností ostrovního provozu. Tedy oblastí energeticky soběstačných v případě poruchy v napájecí distribuční soustavě nebo v době plánovaných údržbových prací a výluk napájecích vedení bez možnosti jejich nahrazení. V ČR byl pro realizaci a testování inteligentních sítí vybrán Skupinou ČEZ mikroregion Vrchlabí. Jedná se o dlouhodobý projekt zvaný Smart Region (SR), který má zavádět a testovat prvky Smart Grids (SG). Jednou z oblastí projektu SR je ověřit možnosti automatizace a monitoringu komponent na úrovni vysokého (VN) i nízkého napětí (NN), využití lokálního řídicího systému DS se schopnostmi rychlé manipulace v případě poruch a testování bezdrátových IT technologií dálkového přenosu dat. Při snaze zajistit maximální spolehlivost dodávky energie je třeba zvážit možnosti využití stávajících DS a jejich přechodu na nový způsob provozu, zcela odlišný od dnes běžně užívaného režimu. Tento článek se zabývá právě touto problematikou, která představuje jen malou část projektu zvaného SG, ale patří mezi jeho klíčové prvky. Základní myšlenkou pro zajištění vyšší spolehlivosti dodávky elektrické energie je omezení co nejmenšího počtu odběratelů na co nejkratší dobu v případě poruchy, 1 Bc. Jiří Štos; nar. 1973; Univerzita Pardubice; DFJP; obor Dopravní infrastruktura, Elektrotechnická zařízení v dopravě, se sídlem v Pardubicích; pracoviště: ČEZ Distribuce, a.s., odbor Řízení sítí, oddělení Operativa Východ, Teplická 874/8, Děčín, jiri.stos@seznam.cz 2 doc. Ing. Radovan Doleček, Ph.D.; nar. 1971; Univerzita Pardubice, DFJP, obor Dopravní prostředky a infrastruktura, specializace elektrotechnika, se sídlem v Pardubicích; současné zaměření: EMC, výkonová elektronika, trakční systémy, elektrické pohony; pracoviště: Univerzita Pardubice, Dopravní fakulta Jana Pernera, Katedra elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravě, Studentská 95, Pardubice, radovan.dolecek@upce.cz 1

90 a to systematickým odpojením vadného úseku bez dopadu na okolní síť a zajištění dodávky energie z náhradního zdroje v případě poruchy v napájecí distribuční soustavě nebo nadřazené přenosové soustavě po dobu trvání poruchy. Předpokladem je možnost využití místní KGJ, jejíž regulace musí umožňovat ostrovní provoz v souladu s podmínkami pro kvalitu dodávané elektrické energie stanovené normou ČSN EN Zvolená oblast SR Vrchlabí takovýmto zdrojem disponuje v oblasti zvané Liščí Kopec (LK). To je také jeden z mnoha důvodů, proč byla tato oblast vybrána a zařazena do první etapy rozsáhlého projektu SG. 1 Analýza poruchových stavů v síti 10 kv SR Vrchlabí 1.1 Stávající stav Poruchy na kabelech a v DTS zkraty a zemní spojení v síti SR Vybraná oblast je v současné době napájena z DS ČEZ jedním kabelovým vývodem napěťové hladiny 10 kv z rozvodny 35/10 kv VRME (Vrchlabí Město). Uzel napájecího transformátoru je uzemněn přes odporník s nominální proudovou hodnotou 300 A [1]. V případě jednofázové poruchy v síti, ať už na kabelu nebo v kterékoli distribuční transformační stanici (DTS), dochází k rychlému vypnutí této poruchy ochranou příslušného kabelového vývodu jako celku na RO VRME a tato informace je dálkově přenesena na dispečerské řídicí pracoviště. O způsobu vyhledání konkrétního místa poruchy rozhoduje dispečer, který ve spolupráci s poruchovou četou zajistí vymezení a odepnutí vadného úseku. Poté je, dle aktuálního stavu a možností, zajištěno náhradní napájení ostatních, poruchou nedotčených částí sítě. Čas potřebný pro vyhledání a vymezení poruchy a na obnovení dodávky v poruchou nedotčených oblastech je závislý především na dosažitelnosti a rychlosti poruchové čety a na konkrétním místě poruchy. Obr. 1 Kabelová síť oblast LK, stávající stav 2

91 1.2 Nově navržený stav Poruchy na kabelech zkraty a zemní spojení v síti SR Princip SG v oblasti zajištění spolehlivější a bezpečnější dodávky el. energie lze shrnout do dvou základních bodů: Možnost napájení z nezávislého náhradního zdroje v případě ztráty napětí v DS. Minimalizace počtu dotčených odběratelů v případě poruchy v dané oblasti a současně s tím zkrácení doby nedodávky těmto zákazníkům. K naplnění těchto bodů vedou následující opatření: Využití místní KGJ jako alternativního zdroje při odpojení oblasti od distribuční napájecí sítě a přechod do ostrovního provozu. Změna provozu sítě z paprskové na kruhovou (uzavřenou smyčku) s rozpadovými místy (dálkově ovládanými DTS), vybavenými výkonovými vypínacími prvky a ochranami, čímž dojde k omezení počtu vypnutých částí, a tedy odběratelů již při samotném vzniku poruchy, a k možnosti zajištění rychlého náhradního napájení vyčleněné oblasti změnou konfigurace zapojení sítě prostřednictvím dálkově ovládaných prvků. Při přechodu oblasti do ostrovního provozu je třeba věnovat pozornost změnám v provozních stavech sítě, v tomto případě přechodu ze systému uzlu sítě uzemněného přes odpor na soustavu s izolovaným uzlem při provozu s KGJ a změnám výkonových a zkratových poměrů v síti. Provoz sítě s izolovaným uzlem je dle [2] možný do hodnoty zemního kapacitního proudu 10 A. Celková délka kabelových vedení v oblasti LK činí cca 4 km. Zemní kapacitní proud byl vypočítán pro stávající kabely 3,74 A, což vyhovuje požadavkům ČSN pro tento způsob provozu. Volba rozpadových míst (DTS) je pak dána rozsahem sítě a možnostmi změny zapojení (rekonfigurace) sítě, přičemž přednostně se volí stanice s větším počtem vývodů a s možností přivedení náhradního napájení s ohledem na místní požadavky na prioritu zajištění dodávky jednotlivým odběratelům (např. nemocnice apod.). Problematiku vyhodnocení místa poruchy v dané oblasti v případě provozu kruhové sítě je třeba řešit pomocí směrových ochranných jednotek umožňujících vzájemnou rychlou komunikaci a blokádu jednotlivých ochranných spouští. Nový provozní stav sítě SR je schematicky znázorněn na obr. 2. Síť SR oblast LK bude nově provozována jako uzavřená kabelová smyčka se sedmi DTS, z nichž byly tři zvoleny jako rozpadová místa (na obrázku barevně zvýrazněny). Jedná se o DTS 0643, 1436 a Tyto rozpadové stanice jsou na straně VN vybaveny modulárním kompaktním rozvaděčem se systémem jedné hlavní přípojnice. Rozvaděčové moduly jednotlivých kabelových vývodů obsahují dálkově ovladatelné 3

92 spínací prvky, měřicí transformátory proudu (MTP) pro měření proudu jednotlivých fází daného vývodu a průvlekové MTP pro měření zemního proudu I0. Měřicí transformátory napětí (MTU) jsou umístěny v samostatném poli měření a měří napětí na přípojnici v DTS. Nadstavbová část rozvaděče tvořena nízkonapěťovými skříněmi je osazena inteligentními ochrannými jednotkami (IED) ve všech vývodech [3]. Tyto IED budou začleněny do systému logických ochran rozvodny (LOR) a kabelu (LOK), prostřednictvím vzájemné komunikace linkou GOOSE, umožňující blokování jednotlivých ochranných funkcí. V případě poruchy na kabelu nebo ve stanici v úseku mezi rozpadovými místy dojde k odpojení této části působením LOK na vypínače nejblíže místu poruchy a zároveň k odpojení transformátorů v DTS nacházejících se ve vypnutém úseku. Tím dojde k rozpojení kabelové smyčky a zbývající část sítě bude dále provozována jako paprsková, a to až do odstranění poruchy a opětného zapnutí odstaveného úseku. Obr. 2 Kabelová síť - oblast LK, nový stav V případě poruchy v síti 10 kv v lokalitě SR mimo oblast LK dojde k působení ochran na rozvodně VRME a k rychlému vypnutí vadného kabelového vývodu. Současně s tím dojde k vypnutí vypínače v rozpadové DTS na kabelové smyčce směrem k místu poruchy a k oddělení oblasti LK od okolní sítě. Při správném působení 4

93 ochran, vyrovnané výkonové bilanci a zajištění požadovaných regulačních vlastností KGJ dojde k přechodu této oblasti do ostrovního provozu. Nebudou-li splněny předchozí podmínky, bude vydělená oblast v návaznosti na dispečerský řídicí systém dle rozhodnutí dispečera připojena zpět na DS z druhého napájecího kabelu, nebo po vytvoření podmínek nutných pro ostrovní provoz bude zahájen provoz z místní KGJ. V případě ztráty napětí na obou napájecích kabelech, ať už vlivem vlastních poruch, plánovaných odstávek, výpadku transformátoru v rozvodně VRME, nebo poruch v sítích vyšších napěťových hladin, bude rovněž oblast odpojena od DS a přejde do ostrovního provozu. Přechod do ostrovního provozu je závislý na aktuálních poměrech v síti [4-5]. Z energetického hlediska mohou v podstatě nastat tři provozní stavy: a) Vyrovnaná bilance, příp. přebytek výroby Je-li aktuální spotřeba pod limitem regulačního rozsahu výroby v lokálním zdroji, bilanční automatika sleduje tento stav a v případě přebytku výroby (spotřeba a výroba nejsou v rovnováze), zajistí snížení přebytku výroby na bezpečnou mez včasným regulačním zásahem na některé z úrovní řízení. K dispozici je řízení spotřeby prostřednictvím funkcí AMM (systém pro dálkové měření a řízení elektroměrů), řízení na úrovni NN vývodu DTS a řízení na úrovni VN DTS. Bilanční automatika bude sledovat rozdíl spotřeby a výroby a rozhodne o regulačním zásahu na straně zdroje nebo na straně spotřeby. b) Nevyrovnaná bilance (nedostatek výroby) Aktuální spotřeba je nad limitem výroby. Pak je třeba v odpovídajícím čase zajistit snížení spotřeby na požadovanou mez prostřednictvím bilanční automatiky nebo odstavit zdroj. c) Start ze tmy Úspěšný start ze tmy je podmíněn existencí odpovídající funkce na straně zdroje a znalostí aktuálních hodnot zatížení jednotlivých DTS. Automatika řízení musí zajistit takovou konfiguraci sítě, která zaručí spotřebu v rozsahu minimální a maximální výše odpovídající možnostem zdroje v režimu startu ze tmy. Při přechodu na ostrovní provoz musí automaticky dojít k přestavení ochran v autonomní oblasti na provoz nově konfigurované kabelové sítě s izolovaným uzlem. Je zřejmé, že poruchy na kabelech i v ostatních částech uvažované oblasti je třeba řešit z pohledu dvou odlišných provozních stavů a parametrů sítě. Vzhledem k tomu je tedy nutné zajistit možnost nastavení různých parametrů ochranných spouští pro obě varianty provozu a jejich automatické přestavení při přechodu mezi jednotlivými režimy provozu. Zajistit vzájemnou komunikaci mezi ochrannými jednotkami navzájem a mezi řídicím systémem a ochrannými jednotkami a rovněž tak zajistit bezpečnost a odpojení vadné části i v případě poruchy komunikace mezi ochranami nebo selhání některé z funkcí ochran. Tento požadavek bude realizován 5

94 použitím záložní nadproudové nesměrové a zemní nesměrové ochrany, selektivně nastavené nad úroveň působení základní směrové ochrany, a to opět pro obě varianty provozu sítě. Provoz s trvalým zemním spojením je nepřípustný a v obou případech se požaduje odpojení vadného úseku. Pro případ selhání všech funkcí nadproudových spouští dojde v nejdelším možném čase k postupnému vypnutí od záložní přepěťové zemní ochrany Poruchy v DTS DTS 0643 a DTS 1436 jsou dálkově ovládané stanice se třemi vývodovými poli a jedním polem transformátoru. Do těchto stanic jsou zaústěny napájecí kabelové přívody z DS vyvedené z rozvodny VRME. V základním zapojení je sepnut spínač v DTS 0643 směr RO VRME K Spínač v DTS 1436 je rozepnut proti DTS 0914 (kabelový vývod K 3121). Ostatní DTS jsou provozované jako průběžné stanice se dvěma vývodovými poli a jedním nebo více poli transformátoru s výjimkou DTS 1435, která je navíc vyzbrojena přívodním polem pro připojení KGJ jako alternativního napájecího zdroje pro danou oblast. V případě jakékoli elektrické poruchy uvnitř DTS, tj. poruchy na přípojnici, výzbroji stanice (spínací prvky, MTP, MTU, kabelové koncovky apod.) musí LOR vypnout v dostatečně krátkém čase všechny přívody do DTS, včetně transformátoru Porucha transformátoru v DTS Poruchy na distribučních transformátorech umístěných v DTS budou vypínány jako první v krátkém čase tak, aby byl zachován chod kabelové sítě VN. Pro případ poruchy transformátoru musí být ochranou zajištěno současné odepnutí stroje i ze strany NN, což předpokládá zajištění této funkce např. prostřednictvím inteligentních jističů na straně NN, začleněných do sítě ochran VN. 2 Princip chránění Koncepce chránění musí bezpodmínečně zabezpečit ochranu před úrazem elektrickým proudem. Další důležitou úlohou je chránění zařízení před účinky poruchových stavů. Za předpokladu automatizace řízení provozu vybrané oblasti DS a odepínání pouze poškozené části sítě je řešením nasazení směrových proudových ochranných funkcí, které správně vyhodnotí místo poruchy i při možnosti toku zkratového výkonu vývodem oběma směry. Vzhledem k výrazně odlišným zkratovým poměrům je třeba zohledňovat dva režimy chodu sítě. Chod s napájecí DS a chod v ostrovním provozu. Vlastní systém chránění spočívá ve vyhodnocení poruchového proudu při zemním spojení i při mezifázovém zkratu a odepnutí místa poruchy ze všech směrů možného napájení nejbližšími vypínači k místu poruchy ve směru od napájecího zdroje. Určení správného vypínače je dáno vhodným nastavením nadproudové a zemní spouště LOR a LOK v jednotlivých DTS při současném zajištění vzájemné blokády ochran. Všechny první stupně nadproudových a zemních směrových ochran budou nastaveny na stejnou úroveň s krátkým časem a s blokováním působení následující ochranou ve stejném směru toku poruchového proudu v okamžiku jejího náběhu. 6

95 Ochrana umístěná nejblíže k místu poruchy tedy zablokuje všechny ochrany před sebou proti směru svého působení. Blokovací signál musí projít až k první ochraně ve směru toku poruchového proudu dříve než sama stačí zapůsobit. Komunikace mezi ochrannými jednotkami bude probíhat po lince GOOSE. Dále je třeba, vzhledem k malému rozdílu mezi provozním a poruchovým proudem v síti během ostrovního provozu, působení nadproudových ochran při ostrovním provozu podmínit uvolněním od podpěťové spouště. Všechny IED jednotky tedy musí umožňovat změnu konfigurace jednotlivých ochranných stupňů nezávisle na ostatních jednotkách, včetně změny směru působení u každé z nich. Nezbytné jsou nejméně dvě sady nastavení každé jednotlivé ochranné funkce s možností jejich automatické aktivace. Princip funkce blokování LOR schematicky znázorňuje obr. 3. Šipky ukazují směr vyslání blokovacího povelu, zaregistruje-li ochrana průchod poruchového proudu v příslušném směru (jedná se o směrové ochrany). Obr. 3 Logická ochrana rozvodny (LOR) Pro poruchy mimo DTS je použita LOK. Princip blokování nadproudových ochran je zřejmý z obr. 4. Podobně bude funkce LOR a LOK nastavena také u ochranných spouští při zemním spojení. 7

96 Obr. 2 Logická ochrana kabelu (LOK) V souladu s požadavky na bezpečnost je nezbytné zajistit odepnutí vadného úseku i v případě poruchy komunikace mezi ochranami nebo při selhání některé funkce ochrany. Pro tyto případy je navrženo záložní chránění realizované nesměrovou nadproudovou ochrannou funkcí bez vzájemných blokád na každém vývodu, kdy k působení ochranných spouští dochází pouze na základě nastavené proudové a časové selektivity. Ta je nastavena tak, aby při provozu sítě z distribuční soustavy ČEZ došlo v nejkratším čase k rozpojení kabelové smyčky na dvě větve paprskové sítě v DTS 1435 vypínačem směr DTS Dále pak jsou časy ochran odstupňovány směrem k napájecímu bodu (DTS 0643, příp. DTS1436). Obdobný princip záložního chránění je nastaven také pro případ ostrovního provozu, kdy se však místem pro přerušení kabelové smyčky stává vypínač v DTS 1436 na vývodu směr DTS Při ostrovním provozu zde opět nastává problém velmi malých hodnot poruchového proudu, a to především při odporovém zemním spojení. Proto pro případ selhání funkce nadproudové zemní ochrany je zde jako další záložní ochrana použita přepěťová ochrana U0. Tato ochrana bude působit vždy v nejdelším čase. Problematikou konkrétního nastavení hodnot jednotlivých ochranných spouští včetně záložního chránění se zabývá [6]. Pravidla pro nastavení ochran soustavy 10 kv SR Vrchlabí: 1. SADA provoz se soustavou odporově uzemněnou 2. SADA ostrovní provoz s izolovanou soustavou Poruchy na transformátorech v DTS budou vypínány jako první, síť zůstane v provozu Poruchy v DTS se vypnou LOR v krátkém čase, síť zůstane v provozu Poruchy na kabelech mezi DTS se vypnou v krátkém čase LOK, síť zůstane v provozu 8

97 Při ztrátě komunikace zapůsobí záložní ochrany v delším čase a s pevně nastavenou selektivitou Zemní spojení bude řešeno stejným postupem jako nadproudové poruchy. Provoz s trvalým zemním spojením je nepřípustný, proto při selhání všech funkcí dojde v nejdelším možném čase k postupnému vypnutí od záložní přepěťové ochrany U 0 >. 3 Použité ochranné jednotky IED Z hlediska požadovaných funkcí byla pro SR vybrána inteligentní elektronická zařízení REF 615 firmy ABB. Jedná se o zařízení IED, určené pro chránění, ovládání, měření a monitorování vývodů v rozvodnách a systémech, včetně radiálních, okružních a zauzlených DS s distribuovanou výrobou i bez výroby elektrické energie. Toto zařízení plně využívá potenciál standardu IEC pro komunikaci a vzájemnou součinnost zařízení určeného pro automatizaci rozvoden. Je určeno především pro chránění venkovních vedení a kabelových vývodů v DS a lze jej též využít pro záložní chránění v aplikacích požadujících nezávislý a redundantní systém ochran. Podle zvolené standardní konfigurace je zařízení IED připraveno a přizpůsobeno pro chránění venkovních vedení a kabelových vývodů v sítích s izolovaným nulovým bodem, v odporově uzemněných sítích, v kompenzovaných i v účinně uzemněných sítích. Pro konkrétní požadavky a s ohledem na výzbroj DTS v oblasti LK je tedy pro pole kabelových vývodů zcela vyhovující ochranná jednotka REF615 ve standardní konfiguraci F a pro pole transformátoru tato jednotka v konfiguraci D. Podrobné informace o jednotce IED REF615 a popis ochranných funkcí jednotlivých konfigurací jsou dostupné na stránkách výrobce [7]. Obr. 5 IED REF615 [7] 9