Multikriteriální optimalizace řízení železničního provozu

Transkript

1 Multikriteriální optimalizace řízení železničního provozu Dušan Kamenický i Abstrakt: Zvyšující se požadavky na kapacitu dopravní cesty vyžadují zavedení nových postupů a technologií v oblasti operativního řízení železničního provozu, aby mohla být efektivně využita stávající infrastruktura. Současným trendem v této oblasti je centralizace řízení provozu, která umožňuje dispečerovi získat lepší přehled o aktuální dopravní situaci. Další výzkum a vývoj je zaměřen na aplikace, které v případě mimořádností navrhují optimální řešení dopravní situace. V tomto článku jsou diskutovány kritéria této optimalizace. Klíčová slova: Optimalizace řízení železničního provozu Abstract: Increasing demands to railway capacity require to apply new approaches like information technologies supporting railway traffic to use effectively given infrastructure. Modern trend is centralization of the operation control. It gives spread view of the situation and more information to the operator. Further research and development is aimed at finding the optimal traffic situation. Different objective functions are discussed. Keywords: Railway Traffic Optimization 1. Úvod Dopravní sál Fakulty dopravní vznikl jako studentský projekt. Postupně byly implementovány jednotlivé typy zabezpečovacích zařízení používané na železniční síti v ČR. Pro simulaci reálné infrastruktury a jízd vlaků bylo zvoleno modelové kolejiště. V průběhu několika let tak vznikla laboratoř, která obsahuje systémy pro řízení a zabezpečení provozu od nejstarších, z počátku 20. století, po nejnovější elektronická zabezpečovací zařízení s dálkovou obsluhou několika stanic. Koncepce Dopravního sálu je založena na principu inteligentního vozidla. To umožňuje prezentovat stávající provoz, včetně teprve postupně implementovaného vlakového zabezpečovače ETCS, ale i nové vývojové trendy v řízení a zabezpečení železničního provozu. Jedním z cílů, ke kterým autoři DSFD ii směřují, je implementace operativního řízení železničního provozu. Přitom jsou zohledněny vývojové trendy zahraničních železničních správ, které výrazně oddělují úroveň přímého a operativního řízení. V tomto pojetí přímé řízení zajišťuje ovládání prvků infrastruktury pro umožnění jízdy vlaků prostřednictvím obsluhy zabezpečovacího zařízení, zatímco operativní řízení řeší v dostatečném předstihu konflikty v jízdách vlaků vyvolané odchylkami od naplánovaného GVD iii. i Ing. Dušan Kamenický, ČVUT FD, Ústav dopravní telematiky, Konviktská 20, Praha 1, kamendus@fd.cvut.cz ii Dopravní sál Fakulty dopravní iii Grafikon vlakové dopravy 1

2 2. Aktuální stav Zatímco u některých zahraničních správců železniční infrastruktury jsou postupně nasazovány aplikace pro podporu operativního řízení, na železniční síti v ČR dosud není obdobný systém úspěšně vyvinut a otestován. Ovšem ani v zahraničí není vývoj těchto aplikací rozhodně ukončen. Průběžně jsou aktualizovány s nově implementovanými balíky funkcí. Všechny však uvažují konvenční způsob řízení jízd vlaků v prostorových oddílech. Autoři DSFD tedy musí v první fázi vývoje dohnat krok s vývojem v zahraničí a zároveň tento směr přizpůsobit specifickým podmínkám v ČR. V další fázi se nabízí využít idealizovaného prostředí DSFD, který je založen na principu inteligentního vozidla. Jízdy vlaků tak mohou být provozovány pod plným dohledem ETCS v aplikační úrovni 3, s využitím tzv. moving-bloku. To umožňuje výrazně flexibilnější pohyb vozidel, který musí operativní řízení zohledňovat. Celková optimalizace řízení železničního provozu pak spočívá v definování ideální časové trajektorie jízd jednotlivých vlaků. Automatizační systém řízení vozidla, tzv. ATO, pak umožňuje tuto trajektorii dodržovat. 3. Operativní řízení provozu Aby bylo možné optimalizovat řízení železničního provozu, je nutné nejprve predikovat jízdy jednotlivých vlaků. To zahrnuje mnoho parametrů, které jsou více či méně matematicky popsatelné nebo jejich hodnoty pro aktuální výpočet dostupné. Tato problematika byla blíže popsána v jiných článcích autora. Následně musí být detekovány konflikty v jízdách těchto vlaků. Pro stávající způsob řízení provozu jsou používány metody, kdy jsou pro jednotlivé úseky železniční infrastruktury vypočítávány doby jejich obsazení. Konflikt je pak detekován, pokud je ve stejném čase požadováno obsazení úseku více vlaky. V tomto případě může být detekce konfliktů ovlivněna tím, zda systém uvažuje s konkrétní logikou zabezpečovacího zařízení, která se s jednotlivými typy i v rámci jednoho správce infrastruktury liší. Autorům DSFD není známo, že by byla řešena detekce konfliktů při řízení vlaků pod dohledem ETCS L3. Tato problematika bude popsána v následných článcích. V případech, kdy je detekován konflikt v jízdách vlaků, musí být nalezeno řešení, které tento konflikt odstraní. To předpokládá, že jsou definována pravidla, resp. kritéria pro hodnocení jednotlivých variant řešení Definice optima Jako optimální dopravní situaci lze považovat stav, kdy se všechny vlaky pohybují v trasách naplánovaného GVD. Ponechme stranou úvahy o konstrukci ročního GVD, to není předmětem této práce. Naplánovaný GVD by měl popisovat ideální stav, kdy se všechny subjekty shodly na časových polohách vlaků, aniž by se jejich jízdy vzájemně ovlivňovali. Tím je myšleno, že jsou zohledněny všechny provozní intervaly. V případě sítě SŽDC jsou provozní intervaly popsány ve Směrnici 104 iv a zjednodušeně lze říci, že časové polohy jsou naplánovány tak, aby daný vlak ani nemusel začít snižovat svoji rychlost z důvodu jízdy jiného vlaku. Přitom uvedená směrnice uvažuje konvenční způsob řízení provozu s pevnými prostorovými oddíly. Cílem iv Provozní intervaly a následná mezidobí, Směrnice SŽDC č. 104, SŽDC s.o.,

3 řízení provozu na úrovni operativního řízení je udržovat jízdy vlaků v trasách a časových polohách definovaných naplánovaným GVD. Nicméně konkrétně na síti SŽDC nelze naplánovaný GVD považovat za bezkonfliktní. Do dlouhodobého plánu (roční GVD), který ještě lze považovat za bezkonfliktní, jsou zařazovány tzv. ad-hoc trasy vyhlášením tzv. Plánu vlakové dopravy. Bohužel přidělení těchto tras již není bezkonfliktní. Navíc časová poloha konkrétního vlaku se značně liší od přidělené trasy ať už vlak jede s náskokem nebo zpožděním. Pak už jízda daného vlaku je čistě podřízena operativnímu řízení. V tomto případě pak chybí to optimum, ke kterému by mělo operativní řízení směřovat. Má-li být realizován jakýkoliv systém pro optimalizaci řízení železničního provozu, je v první řadě nezbytné definovat ideální stav. Je tedy nezbytné, aby přidělování adhoc tras již zohledňovalo aktuální dopravní situaci. Časová poloha ad-hoc trasy byla realizovatelná vzhledem k aktuální poloze daného vlaku a s ohledem na ostatní vlaky v dlouhodobém plánu. Obdobně je nezbytné přistupovat k plánovaným výlukám. Přestože výlukovou činností je omezena kapacita dopravní cesty, není vždy upraven naplánovaný GVD tak, aby byl bezkonfliktní. Přitom v dnešní době, kdy většina cestujících hledá spojení ve vyhledávačích jen několik hodin před zamýšlenou jízdou a tištěné jízdní řády téměř neexistují, není nezbytné trvat na ročním GVD a může být provedena jeho změna tak, aby byla respektována tato omezení na infrastruktuře Stávající kritéria optimalizace Ať už bude naplánovaný GVD sebelépe vypracován, vždy nastanou mimořádné situace, které způsobí odchylku aktuálního stavu od naplánovaného GVD. Jízdy vlaků jsou vzájemně v konfliktu a pohled jednotlivých subjektů na řešení dopravní situace se výrazně liší. Za řešení těchto konfliktů je zodpovědné operativní řízení provozu. Optimum by mělo být dáno naplánovaným GVD, ale ten už nelze dodržet. Jednotlivé vlaky se budou více a jiné méně přibližovat předem naplánovanému stavu. Priorita jednotlivých vlaků je v současnosti dána Vyhláškou 173/1995 [1], která je následně přenesena do vnitřního předpisu správce infrastruktury SŽDC D1 v. Odchylky od takto definované priority vlaků mohou dopravci požadovat v rámci plánování dlouhodobého GVD a následně jsou zaneseny do Prováděcího nařízení část B předpisu D7 vi. Vyhláška 173/1995 [1], 22 stanovuje: (2) Operativní řízení drážní dopravy uplatňuje provozovatel dráhy při mimořádnostech v drážní dopravě (zpoždění, výluky kolejí, odklony vlaků pro nesjízdnost traťových úseků, zavedení mimořádných vlaků). Přitom zajišťuje, aby přednost v jízdě měly vlaky podle pořadí: a) nutné pomocné, b) mimořádné v obecném zájmu, c) mezinárodní vlaky Eurocity a Intercity, mezinárodní expresní vlaky a rychlíky (včetně jízd lokomotiv pro tyto vlaky), d) mezinárodní osobní vlaky, vnitrostátní expresní vlaky a rychlíky a mezinárodní nákladní expresní vlaky, e) vnitrostátní spěšné a osobní vlaky, v SŽDC D1 Dopravní a návěstní předpis, účinnost od vi SŽDC D7 Předpis pro operativní řízení provozu, účinnost od

4 f) nákladní vlaky v pořadí: 1) vnitrostátní expresní, 2) mezinárodní ostatní, 3) rychlé, 4) spěšné, 5) průběžné, 6) vyrovnávkové, 7) manipulační, 8) přestavovací a vlečkové, g) lokomotivní, služební a pracovní. Budeme-li se držet striktně tohoto ustanovení, mohou být řešením dopravní situace extrémní případy. Příkladem může být zastavení těžkého nákladního vlaku, aby nebyl o jednotky sekund zpožděn odjíždějící lehký osobní vlak protínající trasu nákladního vlaku. Toto řešení není nikterak obhajitelné zastavením a následným rozjezdem dojde ke zpoždění nákladního vlaku v řádech minut, o energetických ztrátách ani nemluvě. S dobou zastavení nákladního vlaku i souvisí snížení kapacity dopravní cesty. V reálném provozu není takové řešení příliš časté, neboť se uvažuje s určitou inteligencí provozních zaměstnanců a jejich dopravním myšlením. Pokud však uvažujeme s aplikací, která má nahradit obsluhujícího zaměstnance v rozhodovacích funkcích, pak je nutné jednoznačně definovat kritéria zohledňující i výše uvedené případy Kritérium minimalizace zpoždění Je pochopitelné, že vlaky nutné pomocné a mimořádné v obecném zájmu budou mít i nadále absolutní přesnost. V ostatních případech je vhodné definovat váhové kritéria, zohledňující priority vlaků a jejich zpoždění v definovaných dopravních bodech. Přičemž prioritu nemusí nutně určovat pouze jeho kategorie vlaku (popsaná ve Vyhlášce 173/1995), ale může se odvíjet od výše poplatku za dopravní cestu, kterou si jako volitelný parametr určí příslušný dopravce při objednání trasy. Pak i vnitrostátní nákladní vlak, jehož dopravce garantuje přepravu just-in-time, může mít v případě mimořádností vyšší prioritu než osobní vlak. Vhodné nastavení konstant váhového kritéria správcem infrastruktury pak ovlivní i využití kapacity dopravní cesty. Rovněž je vhodné do váhového kritéria zahrnout i prioritu daného dopravního bodu. Dopravce nezajímá zpoždění vlaku v dopravních bodech, kterými projíždí. Pro osobní vlaky je rozhodující zpoždění v dopravních bodech, kde vlak zastavuje pro výstup a nástup cestujících. Přičemž i zde se dá uvažovat s rozdílnou hodnotou priority. Ve velkých dopravních uzlech s vysokou intenzitou cestujících má zpoždění vlaku rozhodně větší význam než v malých nácestných stanicích, případně v cílové stanici, kam vlak zajíždí spíše z dopravních důvodů. V případě nákladních vlaků jsou rovněž významné pouze definované dopravní body, kde probíhají úkony na vlaku (předání vlaku k nakládce a vykládce, výměna strojvedoucích, rozřazení vozů atd.). Hledání optimálního řešení dopravního situace spočívá v nalezení minima zpoždění všech dotčených vlaků, které je násobeno prioritou vlaku a prioritou dopravního bodu. Přitom je nutno zohlednit i vazby mezi jednotlivými vlaky, ať už se jedná o přestupní vazbu, nebo obrat soupravy či střídání strojvedoucího a vlakové čety. 4

5 3.4. Kritérium spotřeby trakční energie Každé změny v plánovaném GVD způsobí odchylku od ideálně naplánované jízdní trajektorie. Od vozidla se očekává, aby v některých úsecích využívalo vyšší výkon a tím se využilo plánované rezervy zkrácením jízdní doby. V jiných případech se nutí vozidlo mimořádně zastavit s následnou značnou spotřebou trakční energie při rozjezdu. Výše uvedené kritérium zohledňovalo pouze minimalizaci časové odchylky od naplánovaného GVD. To lze považovat za dominantní kritérium, neboť čas jsou peníze, stále větší důraz se klade na přesnost dopravy, infrastruktura je místy na hranici své kapacity. Avšak v souvislosti se zaváděním elektroměrů na jednotlivá vozidla, od kterého se bude odvíjet platba za spotřebovanou energii, se bude zvyšovat tlak dopravců na minimalizaci počtu rozjezdů tedy na zohlednění kritéria spotřeby trakční energie. Je logické, že dopravci nebudou chtít platit za energii, kterou spotřebovali při rozjezdu po mimořádném zastavení, které nezavinili. K této problematice lze přistoupit dvěma způsoby zohlednění jako dalšího kritéria při hledání optimálního řešení dopravní situace nebo kompenzovat zastavení vlaku při kalkulaci poplatku za použití dopravní cesty. Zpětně to může vést k situaci, kdy správce infrastruktury bude hledat viníka vzniklé mimořádné situace a požadovat náhradu těchto kompenzací. Nicméně to už je problematika přesahující téma tohoto článku Lokální kritéria Kromě předchozích dvou kritérií optimalizace (minimalizace zpoždění a spotřeby trakční energie), které lze vztáhnout k vozidlu, lze uvažovat i mnoho dalších lokálních infrastrukturních kritérií. Zmiňme například takové snahy navádět vlaky do časových poloh, abychom dosáhli minimální doby uzavření přejezdu, snížili počty překročení čtvrthodinových limitů odběrů trakční energie nebo minimalizovali počet přestavování výměn atd. V této fázi vývoje však s těmito kritérii není uvažováno. 4. Výstup optimalizace Výsledkem optimalizace musí být konkrétní jízdní trajektorie jednotlivých vlaků, kterou je nutné přenést na vozidlo. Ta definuje časy průjezdů jednotlivými body infrastruktury tak, aby byl co nejpřesněji dodržen přeplánovaný bezkonfliktní GVD. Vozidlo vybavené systémem ATO pak může v rámci hranic této trajektorie optimalizovat svoji jízdu s ohledem na spotřebu trakční energie. Tím je uzavřena zpětná smyčka regulace, kdy model jízdy vlaku vypočítávaný optimalizační aplikací se upravuje na základě jízdy reálného vozidla a zároveň jízda reálného vozidla je regulována podle přepočítaného modelu. Podle přeplánovaného bezkonfliktního GVD je upraven i program automatizovaného stavění jízdních cest na úrovni přímého řízení, v případě starších zabezpečovacích zařízení jsou informace o dispozicích přeneseny obsluhujícímu zaměstnanci. 5. Závěr S rostoucí intenzitou vlaků a požadavky dopravců na přesnost jejich jízdy je nezbytný vývoj a implementace aplikace pro podporu operativního řízení. Požadujeme-li určitou inteligenci 5

6 takové aplikace, která má nahradit lidského činitele v rozhodovacích procesech, pak je nezbytně nutné, aby správce infrastruktury projednal se všemi dotčenými subjekty kritéria uvažovaná při výpočtu optimální varianty a vhodně nastavil jejich váhová ohodnocení. DSFD pak může sloužit jako simulátor pro prezentaci nových postupů operativního řízení a zároveň pro ověření nastavených kritérií optimalizace i samotné optimalizační aplikace. Literatura [1] Vyhláška 173/1995 Sb. Dopravní řád drah, Ministerstvo dopravy 6