Vědeckotechnický sborník ČD

Transkript

1 Vědeckotechnický sborník ČD č. 12/2001

2 Bohumil Pokorný Moderní systémy regionální osobní dopravy Klíčová slova: regionální osobní doprava, integrované dopravní systémy, lehké kolejové systémy, lehké kolejové dráhy, lehká kolejová vozidla, integrovaná kolejová vozidla, integrované tramvaje. Lehké integrované kolejové systémy v regionální osobní dopravě (s využitím lehkých elektrických nebo motorových vozů a jednotek). Ve svém příspěvku se zamýšlím především nad porovnáním železniční a silniční dopravy, které se jako jediné podílejí na plošné dopravní obsluze regionů, a nad novými možnostmi zvýšení podílu kolejové dopravy v osobní regionální dopravě. Nezbytnost existence kvalitních regionálních dopravních systémů Žádná veřejná osobní doprava se neobejde alespoň bez částečného financování z veřejných zdrojů. Veřejných finančních prostředků je vždy relativní nedostatek, a to i v těch nejvyspělejších ekonomikách. Kvalitní funkcí regionální osobní dopravy je ale podmíněno základní fungování celého regionu. Objednavatelé regionální osobní dopravy tedy budou vždy postaveni před řešení základního problému, jak s co nejmenšími finančními prostředky zajistit kvalitní a životaschopný regionální dopravní systém. Chce-li veřejná regionální doprava obstát v tvrdé konkurenci s individuální automobilovou dopravou a železniční doprava pak v silné konkurenci silničních dopravců na přepravním trhu regionální osobní dopravy, musí využít všech technických, technologických a organizačních možností vedoucích k výraznému snižování provozních nákladů a ke kvalitativně vyšší nabídce. Porovnání silniční a železniční dopravy Existují sice přesné statistiky, ale i pouhým nahlédnutím do jízdních řádů železničních a autobusových dopravců zjišťujeme, že naprostá většina výkonů veřejné regionální osobní dopravy je realizována dopravou autobusovou. Železniční doprava se do dopravní obslužnosti regionů výrazněji zapojuje jen v okolí největších měst, a to ještě jen v určitou část dne a jen v některých směrech. Tento stav má svoje kořeny již v historii budování železnic, kdy železnice byla chápána a také stavěna jako vysoce výkonný dopravní systém, určený pro dálkovou dopravu a v případě místních drah pro připojení určité obce k hlavní trati. Teprve v pozdější době byly tratě doplňovány o další zastávky a začaly být využívány i pro regionální dopravu v dnešním smyslu. U autobusové dopravy byl vývoj naprosto opačný. První autobusové linky byly vyloženě regionálními spoji do míst bez železniční dopravy. Teprve se stavbou dokonalejších autobusů a zkvalitňováním silniční sítě nastal přímo bouřlivý rozvoj autobusové dopravy. Dnes je tedy většinou úloha železnice v regionální dopravě chápána jako doplňková tam, kde již doprava autobusová nestačí svou kapacitou nebo naopak tam, kde se autobusovým dopravcům provozování autobusových linek již nevyplácí, což je především ve dnech pracovního volna a v brzkých ranních nebo pozdních večerních hodinách. Ing. Bohumil Pokorný, nar. 1949, absolvent VŠDS Žilina r. 1974, pracoviště: Odbor podnikové strategie GŘ ČD.

3 Nespornou výhodou autobusové dopravy vůči dopravě železniční je nezávislost na dopravní cestě. Silniční dopravce není nijak omezován při stanovení trasy dopravního prostředku, nemá ztrátové časy vznikající křižováním dopravních prostředků a nemusí se starat o řízení provozu a zabezpečování jízdy dopravního prostředku po jeho dopravní cestě. Naopak hlavními nevýhodami autobusové dopravy oproti železnici jsou podstatně vyšší energetická náročnost daná vyšším součinitelem odporu valení pneumatik po povrchu vozovky oproti valení ocelových kol po ocelových kolejnicích a nemožnost zvýšení kapacity jednoho spoje spojováním více vozidel do jedné soupravy. Menší kapacita jednotlivých autobusů oproti vlakovým soupravám zvýhodňuje autobus tam, kde je zapotřebí přepravovat menší počty cestujících, neboť autobus má v těchto případech podstatně nižší podíl mrtvé hmotnosti vůči celkové hmotnosti dopravního prostředku, než je tomu v železniční dopravě. Naproti tomu je železniční doprava provozována většinou na tratích, jejichž technické parametry jsou dány historicky. Většina železničních tratí byla totiž stavěna před 160 až 90 lety dle tehdejších technických možností železniční dopravy. Veškerá doprava se tehdy provozovala vlaky taženými parními lokomotivami s nízkým výkonem. Tratě byly stavěny pro smíšenou osobní i nákladní dopravu a musely umožnit dopravu relativně těžkých vlaků s nízkými trakčními náklady, přičemž na nákladní dopravu jako na hlavní zdroj zisku ze železničního podnikání byl kladen stěžejní důraz. Důsledkem takto stavěných tratí je v řadě případů podstatně větší stavební délka jejich trasy než u silnic pro stejná spojení. V mnoha případech je ze stejného důvodu trasa železniční trati vedena ve značné vzdálenosti od míst vzniku přepravní poptávky v osobní přepravě. Ve významnějších místech proto musí být organizována ještě dodatečná návazná doprava. Tuto nevýhodu autobusová doprava nemá, neboť historicky vzniklá silniční síť prochází v naprosté většině centry obcí. V posledních 70 letech konkuruje veřejné osobní dopravě (zvláště železniční) nový konkurent individuální motorismus. Osobní automobil umožňuje dosažení téměř jakéhokoliv cíle bez přestupování, čekání na návazné přípoje a přitom poskytuje pocit osobní svobody cestujících. Všechny výhody osobního automobilu jsou umocňovány jeho stále dokonalejší konstrukcí a zlepšováním prvků ovlivňujících komfort přepravy. Z hlediska ekologie zatěžuje doprava životní prostředí především emisemi jedovatých plynů vznikajících spalováním pohonných hmot ve vozidlech, úkapy provozních hmot a hlukem. V případě elektřinou poháněných dopravních prostředků působí na životní prostředí všechny negativní vlivy vznikající při výrobě elektrické energie (emise jedovatých plynů vznikajících spalováním fosilních paliv v tepelných elektrárnách, důsledky těžby, zpracování a skladování vyhořelých radioaktivních paliv při výrobě elektřiny v jaderných elektrárnách a zábor krajiny a snižování její estetické hodnoty při výrobě elektřiny ve vodních nebo větrných elektrárnách). Úkapy pohonných hmot závisí pouze na konstrukci a způsobu údržby vozidel a jsou u obou druhů doprav zcela odstranitelné. Vzhledem k tomu, že motory kolejových vozidel pracují ve výhodnějších režimech než motory silničních vozidel, zatěžují své okolí menším hlukem. Dosti velký hluk vznikající z valení ocelových kol po kolejnicích dovedou výrobci současných moderních kolejových vozidel ve značné míře eliminovat. Provoz moderních kolejových vozidel v kombinaci s moderní konstrukcí dopravní cesty je méně hlučný než provoz autobusů a výrazně tišší než jaký vytváří téměř nepřetržitý proud silničních vozidel na všech jen trochu více zatížených pozemních komunikacích. Z pohledu ekologie je tedy železnice ke svému okolí podstatně šetrnější než silniční doprava. Množství emisí nebo jiných negativních účinků závisí na množství spotřebované energie pro stejný přepravní výkon. Zákonitě by tedy při menší energetické náročnosti železniční dopravy mělo být při stejném přepravním výkonu spotřebováno méně energie a mělo by tedy vzniknout i méně škodlivin a dalších negativních důsledků než v dopravě silniční. Ne vždy je

4 tomu tak, neboť jak již bylo uvedeno, některé železniční trasy jsou delší než silniční pro stejné spojení a obsluha některých významnějších míst vyžaduje návaznou dopravu. Jestliže je veřejná regionální osobní doprava pomalá, s malou hustotou nabízených spojů, bez zastávek v místech přepravní poptávky, bez odpovídajícího vybavení v zastávkách a terminálech a bez garantované návaznosti jednotlivých spojů (ať už autobusových nebo železničních mezi sebou nebo navzájem, není veřejná doprava atraktivní a cestující dávají před veřejnou dopravou přednost individuální automobilové dopravě, případně dopravě autobusové před železniční (neboť autobusová doprava většinou nabízí větší množství spojů vedených v bezprostřední blízkosti míst přepravní poptávky). Sjíždějící se autobusy a především osobní automobily z jednotlivých směrů do centra regionu představují především pro toto centrum a okolí příjezdových komunikací velké zatížení životního prostředí. V budoucích 5 až 10 letech se očekává obrovský nárůst individuálního motorismu, který bude odrazem zvyšující se životní úrovně a který bude přiváděn do regionálních center po rekonstruovaných a nově vybudovaných dálnicích a rychlostních komunikacích. Mnohde se tento růst značně negativně projevuje již v současnosti. Velké množství obyvatel ze spádových oblastí bude jak do zaměstnání, tak za nákupy, kulturou a dalšími účely do přirozeného centra regionu přijíždět svými automobily. Tento u nás vzrůstající a veřejností dosud značně opomíjený jev bude zatěžovat centra měst a příjezdové komunikace svými negativními účinky na životní prostředí stále více. Kromě toho rozšiřování individuálního motorismu povede k dalším požadavkům na rozšiřování stávajících a stavbu nových komunikací, parkovišť a dalších zařízení souvisejících s automobilovou dopravou. Již v současnosti se řada větších měst potýká s každodenními dlouhotrvajícími zácpami v dobách dopravních špiček a s nedostatkem parkovacích míst především v centrálních částech. Všechny tyto negativní jevy mohou výrazným způsobem zmírnit pouze kvalitně fungující systémy veřejné regionální osobní dopravy s vysokým podílem kolejové dopravy, nabízející rychlou, spolehlivou a pohodlnou dopravu mezi jednotlivými centry přepravní poptávky. Veřejná osobní doprava bude cestujícími akceptována jedině za předpokladu, že se stane atraktivní alternativou individuálnímu motorismu. Kvalitně fungující kolejová doprava, plně konkurenceschopná s dopravou autobusovou, musí převzít hlavní přepravní proudy především v blízkosti velkých center osídlení nebo turistiky. Pro dosažení konkurenceschopnosti veřejné (a především pak kolejové dopravy) na přepravním trhu musí být proto jednak harmonizovány podmínky pro všechny druhy dopravy (tzn. zpoplatnění dopravní infrastruktury a externalit jak na silnici, tak na železnici) a železniční doprava musí najít způsoby, jak maximálně potlačit nevýhody plynoucí z jejího technického principu a použitých technologií. Kromě toho musí být vytvořena dobrá a spolehlivá návaznost mezi železniční a autobusovou dopravou. Z konkurentů se musí v tomto případě stát spolupracovníci. Tyto způsoby jsou dnes na západ od našich hranic usilovně hledány a železniční technika tam prožívá bouřlivý rozvoj. Chceme-li vstoupit do vyspělé Evropy, musíme stejná řešení hledat i my. Česká republika má výhodu v tom, že její železniční síť patří k jedněm z nejhustších na světě. Snižování finančních nákladů kolejové dopravy Cesta ke konkurenceschopnosti dopravy železniční vůči silniční musí vést především přes snižování všech neproduktivních nákladů jak ve vlastním provozu, tak při konstrukci technických zařízení a v používaných technologiích. Železniční vozidla byla dosud konstruována podle zcela jiných zásad než vozidla silniční, což se projevuje především v podstatně vyšší hmotností dopravního prostředku připadající na jednoho přepravovaného cestujícího. Technologie železniční dopravy vyžaduje další technická zařízení, které silniční doprava nemá. Vyšší hmotnost vlakových souprav a nutnost pořizování a provozu uvedených

5 technických zařízení snižuje výhodu nízké energetické náročnosti a v některých případech, především při menších přepravních proudech cestujících, tuto výhodu zcela stírá. Tento problém se týká především regionálních tratí s malými přepravními proudy cestujících. Lehká železniční vozidla ve zcela nově pojatých regionálních dopravních systémech Nevýhodou železniční dopravy je poměrně vysoký podíl tzv. nezávislých nákladů na celkových nákladech. Nezávislé náklady představují především odpisy železničního spodku, svršku, umělých staveb, zabezpečovacího zařízení, mzdové náklady na pracovníky, zajišťující řízení provozu a významnou roli hraje rovněž vysoká mrtvá hmotnost železničních vozidel. Aby se železniční doprava přiblížila nebo předčila dopravu silniční v celkové hospodárnosti postavené na v současné době používaných ukazatelích, musí se podíl nezávislých nákladů na celkových nákladech výrazně snížit. To je možné dosáhnout jedině podstatným zvýšením dopravy na železniční trati při současném snížení všech nezávislých nákladů. Zvýšení dopravy ovšem musí být smysluplné, tzn., že vlaky musí jezdit dostatečně vytížené. Spolu s tím je třeba hledat cesty, jak snižovat výši nezávislých nákladů. Je tedy potřebné v těch přepravních směrech, kde existují silné přepravní proudy cestujících, vytvořit takové podmínky, aby se přeprava po železnici stala atraktivní i pro tu většinu cestujících, která v současnosti dává přednost individuální automobilové nebo autobusové dopravě. Jak toho dosáhnout? Relativně nejjednodušší řešení se nabízí v případě tratí, které jsou vedeny hustě osídlenými oblastmi v blízkosti míst přepravní poptávky, kolem velkých průmyslových podniků a spojují významné obce s přirozeným centrem regionu. Zde je potřebné pro zvýšení atraktivnosti železničního spojení především přizpůsobit nabídku přepravní poptávce zhuštěním počtu spojů, vybudováním nových zastávek v místech přepravní poptávky, zajistit místně a časově návaznou autobusovou dopravu se zaručenými spoji, zřídit parkoviště pro osobní automobily (P & R) a stanoviště pro jízdní kola cestujících. Nejlepším řešením je ovšem všechna tato opatření skloubit do integrovaného dopravního systému s jedním tarifním odbavením. Je také potřeba železniční tratě modernizovat s cílem zvýšení jejich propustné výkonnosti, zrychlení přepravy a snížení provozních nákladů. Spolu s modernizací tratí je třeba modernizovat i vozidlový park pro osobní dopravu, rovněž s cílem snížení provozních nákladů a zvýšení spolehlivosti. Dosud jsem uváděl pouze všeobecně známé možnosti zvyšování konkurenceschopnosti kolejové dopravy. Jaké jsou další možnosti maximálního potlačení nevýhod plynoucích z principu a technologií používaných v železniční dopravě? Jednou z cest je použití lehkých kolejových vozidel, při jejichž stavbě jsou využívány konstrukční prvky a zkušenosti ze stavby autobusů a tramvají. Vylehčená stavba uvedených kolejových vozidel snižuje podíl mrtvé hmotnosti vozidla připadající na jednoho přepravovaného cestujícího a tím i spotřebu trakční energie. Hodnotou těchto ukazatelů se tak tato vozidla přibližují autobusům a tramvajím. Lehká vozidla mají při dostatečné hodnotě instalovaného výkonu lepší dynamické vlastnosti při rozjezdu i brzdění než klasické železniční soupravy nebo těžké motorové vozy nebo elektrické jednotky. Rovněž silové působení na železniční trať je u lehčích vozidel příznivější. Proto je trať těmito vozidly méně namáhána a opotřebovávána a některé úseky včetně úseků v obloucích mohou být pojížděny vyšší rychlostí než u dosud používaných vozidel. Zásadní výhodou těchto vozidel však je možnost jejich přechodu na kolejové dráhy lehké stavby, stavěné pouze pro provoz lehkých vozidel. Jedná se buď o již existující tramvajové tratě nebo o zcela nové kolejové dráhy, postavené podle obdobných zásad jako tramvajové tratě. Možnost přechodu lehkých kolejových vozidel z klasické železniční tratě na lehkou kolejovou dráhu je obrovským přínosem pro možnost podstatně většího uplatnění kolejové dopravy v regionálních dopravních systémech. Vzhledem k tomu, že použití lehkých

6 kolejových vozidel při přechodu na lehké kolejové dráhy je nutné vždy řešit a provozovat jako systém, používám v dalším textu název lehké integrované kolejové systémy. Hlavními přínosy lehkých integrovaných kolejových systémů jsou snížení energetické náročnosti při realizaci stejného přepravního objemu oproti současným klasickým způsobům regionální dopravy (tj. oproti kombinaci dopravy železniční, autobusové a MHD) a především možnost vytváření bezpřestupových přímých spojení mezi významnými místy přepravní poptávky, což urychluje přepravu, zvyšuje přepravní komfort, snižuje celkovou potřebu dopravních prostředků a tedy významně zvyšuje úroveň konkurenceschopnosti kolejové dopravy vůči přímým autobusovým linkám i vůči individuální automobilové dopravě. Lehká kolejová vozidla mohou být stavěna jak v motorové, tak v elektrické trakci. Pro vozidla tohoto typu, která mohou přecházet na lehké kolejové dráhy, používám dále název lehká integrovaná vozidla. Pro elektrická vozidla tramvajového typu, která mohou přecházet mezi klasickými železničními tratěmi a tramvajovými tratěmi, používám název integrované tramvaje. Integrované tramvaje Integrované tramvaje představují vrchol technického řešení lehkých kolejových vozidel provozovaných v lehkých integrovaných kolejových systémech. Použití těchto vozidel odstraňuje nutnost přestupů cestujících mezi MHD a železnicí a umožňuje přímé cestování z centra měst do jednotlivých míst na stávajících železničních tratích. Ve městech, kde je to zdůvodněno dostatečnými přepravními proudy, je možné postavit tramvajovou trať odbočující ze železniční trati a přepravovat cestující opět bez přestupu do významných míst přepravní poptávky. Tímto způsobem mohou získat tramvajovou dopravu i menší města, kde pouze v jednom nebo velmi málo přepravních směrech a třeba jen v části dne existují přepravní proudy vhodné k realizaci tramvajovou dopravou. Tato města by samostatný systém tramvajové dopravy z ekonomických důvodů nikdy nevybudovala. Stávající železniční trať je v tomto případě využita nejen pro dopravní obsluhu obcí ležících na trati, ale i jako příjezdová trať, po níž tramvaje přijedou do jiného města a přecházejí na jeho tramvajovou trať. Využití lehkého integrovaného kolejového systému tak umožní podstatné zvýšení dopravní obsluhy regionu kolejovou dopravu při celkově nižších požadavcích na množství dopravních prostředků. Přechodem integrovaných tramvají na nové tramvajové tratě v jiných městech se počet těchto vozidel zvýší jen málo, přitom se však významně zvýší jejich využití. Motorová integrovaná tramvaj Na tramvajové trati mohou přecházet i k tomu uzpůsobená lehká integrovaná vozidla motorové trakce. Nejnovější poznatky umožňují konstruovat tato vozidla s parametry emisí výfukových plynů a hlučnosti nižšími než u současných nejmodernějších autobusů. Lehké kolejové dráhy Lehké kolejové dráhy pro lehká integrovaná vozidla elektrické nebo motorové trakce jsou tratě, blížící se svým pojetím klasickým tramvajovým tratím, tak jak je známe z dnešních tramvajových systémů dopravních podniků. Oproti klasickým železničním tratím mají mj. výhodu v tom, že mohou být vedeny poměrně jednoduše i v náročných směrových a sklonových poměrech a v uličních komunikacích. To umožňuje přivedení integrovaných vozidel v podstatě do libovolného místa přepravní poptávky. Těmito lehkými kolejovými drahami nemusí být zdaleka jen současné nebo nově postavené tramvajové tratě, ale mohou to být také jak stávající tratě ve vlastnictví různých dopravců včetně vleček, tak nově postavená pokračování současných tratí nebo odbočky z nich, stavěné samozřejmě jako lehké kolejové dráhy, na něž nebudou přecházet klasická

7 kolejová vozidla. Klasickým případem, kdy použití lehkých integrovaných vozidel výrazně zvýší podíl kolejové dopravy v regionální osobní dopravě, je prodloužení stávající železniční tratě pomocí lehké kolejové dráhy vedené v uliční komunikaci až do centra obce (značná část železničních stanic koncových železničních tratí leží ve vzdálenosti 1 až 2 km od center významných obcí, které tyto koncové tratě napojují na železniční síť). V případě, že významné místo přepravní poptávky leží ve větší vzdálenosti stranou od železniční tratě, lze postavit odbočující lehkou kolejovou dráhu, která prochází tímto významným místem (například významnou obcí, průmyslovou oblastí, oblastí obchodních a jiných podnikatelských aktivit apod). Dráhu je podle okolností možné v těchto místech ukončit nebo po průchodu těmito místy opět napojit na původní trať. Část spojů nebo všechny spoje pak budou projíždět po této nové trati a původní trať může sloužit nadále jenom dálkové osobní dopravě klasickými vlakovými soupravami nebo běžné nákladní dopravě. Různými kombinacemi využití stávajících železničních, tramvajových a vlečkových tratí s novostavbami lehkých kolejových drah a použitím různých typů lehkých integrovaných vozidel lze vytvářet libovolné modely kolejových dopravních systémů. Lehké integrované kolejové systémy ve světě Lehké kolejové systémy se již řadu let uplatňují především na úzkorozchodných švýcarských soukromých železnicích. Jejich uplatnění však získalo zcela nový rozměr po roce 1992, kdy v německém městě Karlsruhe a jeho okolí byla poprvé na světě zavedena doprava integrovanými tramvajemi, přecházejícími z tramvajových tratí tamního dopravního podniku na koleje celostátní železnice (DB). Tento lehký integrovaný kolejový systém se neustále rozšiřuje na další tratě DB i soukromých vlastníků a postupně jsou budovány odbočné tramvajové tratě v důležitých městech v blízkém i vzdálenějším okolí města Karlsruhe. Poté začala tento systém budovat další města. Obdobný systém jako v Karlsruhe je v provozu od r v dalším německém městě Saarbrückenu. Na první lince tohoto systému přecházejí integrované tramvaje z tratě pouliční dráhy na trať DB, po níž přejíždějí státní hranici a svoji jízdu končí v železniční stanici Saarquemines ve Francii. Jde tedy o první mezistátní lehký integrovaný kolejový systém. V současné době se intenzivně budují další propojení tramvajových tratí s tratěmi DB. V Saarbrückenu jde navíc o výstavbu zcela nového tramvajového systému, neboť původní tramvajová doprava tam byla v minulosti zrušena. Třetí systém je provozován v německém Kasselu, kde integrované tramvaje přecházejí na privátní železniční trať. Ve Švýcarsku na trati mezi stanicemi Genève-Cornavin a La Plaine (trať patří SNCF) je provozována příměstská doprava lehkými elektrickými železničními tramvajemi, které nepřecházejí na jiné tratě. Se zahájením grafikonu vlakové dopravy 1999/2000 byl zahájen přímý provoz motorových jednotek Regiosprinter, patřících společnosti Vogtlandbahn, z Klingenthalu až do centra města Zwickau v Sasku. Lehké motorové jednotky přecházejí z tratě DB na nově postavenou tramvajovou trať. V peážním úseku je provozována tříkolejnicová splítka, neboť tramvajové tratě ve Zwickau mají rozchod 1000 mm. Výstavbu lehkých integrovaných kolejových systémů připravují nebo již realizují další města v Německu (např. Chemnitz, Aachen, Heilbronn a další), ve Francii (před realizací je Lille, Mulhouse, Strasbourg, Lyon) i v dalších státech. Jeden z nejrozsáhlejších systémů je připravován v Lucembursku. Zde se počítá se znovuzavedením tramvajové dopravy v hlavním městě a s obsluhou celého území tohoto malého státu lehkým integrovaným kolejovým systémem.

8 Možnosti využití lehkých integrovaných kolejové systémů v ČR I v ČR se nabízí řada možností zavedení jak kompletních lehkých integrovaných kolejových systémů, tak samotného použití lehkých kolejových vozidel elektrické nebo motorové trakce pouze na stávajících železničních tratích. Aktivity v tomto směru již zahájily ČD ve spolupráci s regionálními institucemi. První spolupráce byla navázána na Liberecku a Jablonecku. V současnosti se blíží k závěru práce na kompletní rekonstrukci tramvajových tratí v Liberci. Při této rekonstrukci se tamní tramvajové tratě přestavují z úzkého na normální rozchod. Jako poslední zbývá trať mezi Libercem a Jabloncem nad Nisou, která v úseku Vratislavice n.n. - Jablonec n.n. dolní nádraží vede naprosto souběžně se železniční tratí. Nabízí se proto možnost opustit v tomto úseku trasu tramvajové tratě a přecházet s tramvajemi ve Vratislavicích n.n. na železniční trať a v Jablonci n.n. dolním nádraží přejít opět do uličních komunikací. Tramvaje, které přijedou po železniční trati do Jablonce n.n., by mohly v budoucnosti pokračovat po nově vybudované tramvajové trati městem Jablonec n.n. a vytvářet tak páteřovou linku městské dopravy v tomto městě. Lehký integrovaný kolejový systém by se pak v budoucnosti postupně mohl rozšířit na další železniční tratě až do Harrachova, Josefova Dolu, Železného Brodu, Frýdlantu v Č., Hrádku n.n. a případně až do německého města Zittau a polského města Jelenia Gôra. Další oblastí aktivit ČD v tomto směru je Ostravsko. Řada důležitých měst v ostravské aglomeraci leží mimo pěší docházkovou vzdálenost od železničních tratí. Obce byly míjeny v dosti značné vzdálenosti jednak při samotné stavbě tratí, neboť prioritu tehdy měly zájmy provozovatelů nákladní dopravy, v pozdější době pak byla některá města v důsledku náprav důlních škod doslova od železnice odsunuta kombinací výstavby nových sídlišť a přeložek železničních tratí. Přitom přepravní proudy mezi důležitými místy aglomerace dosahují vysokých hodnot a mají trvalý charakter. Nabízí se zde proto řada možností využít výhod lehkého integrovaného kolejového systému, a to především pro přímá spojení centrálních částí měst Ostrava - Havířov, Ostrava - Karviná, Ostrava - Orlová, Ostrava - Hlučín - Opava, Ostrava - letiště Mošnov a další. Kromě současných železničních tratí ČD a tramvajových tratí DPMO by bylo možné využít pro systém i některé úseky vlečkových tratí různých majitelů,

9 které na Ostravsku mají síťový charakter. Vzhledem k vysoké hustotě osídlení v sousední polské katovické aglomeraci a stále intenzivnější vzájemné spolupráci a propojenosti regionů na obou stranách hranice je předpoklad navázání spolupráce v této oblasti i s polskou stranou. Největší možnosti využití motorových integrovaných tramvají se nabízejí pro obsluhu páteřových kolejových spojení v menších aglomeracích a v turisticky exponovaných oblastech, tedy především tam, kde se nevyžaduje vysoký přepravní výkon a současné železniční tratě nejsou elektrizovány a s jejich elektrizací se pro vysoké náklady zatím nebo vůbec neuvažuje. ČD již zahájily spolupráci s regionálními institucemi Náchodska v ČR a Klodzka v Polsku v oblasti řešení budoucího regionálního dopravního systému. Je předpoklad, že systém s těmito vozidly by mohl být realizován např. na kolejovém páteřovém spojení Nové Město nad Metují - Náchod - Hronov Police nad Metují (na obou koncích by mohla být vybudována odbočení formou lehké kolejové dráhy, umožňující jízdu lehkých motorových vozů do terminálů umístěných vhodněji než současné stanice a zastávky vůči místům přepravní poptávky). Po předpokládané elektrizaci hlavní trati v budoucnu by tato vozidla mohla být přesunuta na jinou vhodnou trať. Obdobný systém kolejové dopravy včetně motorových integrovaných tramvají by mohl v blízké budoucnosti rovněž vzájemně propojit exponované turistické oblasti sousedních států ČR a Polska v Euroregionu Glacensis. V Polské republice by použití motorových integrovaných tramvají zvýhodnilo železniční dopravu ještě podstatně více než v České republice, neboť PKP za celou dobu své existence až do současnosti téměř nepoužívaly motorové vozy, ale většinu osobní dopravy realizovaly těžkými soupravami složenými z lokomotivy a několika těžkých osobních vozů. Cesta k realizaci nově pojatých regionálních dopravních systémů v ČR Pro úspěšné prosazení lehkých integrovaných kolejových systémů do života v ČR je třeba kromě nezbytné osvěty a popularizace těchto systémů co nejdříve zahájit intenzivní práce na stanovení všeobecné a technické legislativy a na stanovení technických podmínek pro tratě a vozidla. Jde především o řešení následujících problémů: vyřešení aktivní bezpečnosti lehkých kolejových vozidel (na rozdíl od skříní klasických kolejových vozidel, které mají předepsanou velikost podélné stlačovací síly 200 t, (pro motorové vozy 150 t), vyhovují skříně tramvajových vozidel jen podstatně nižším podélným stlačovacím silám), konstrukce kola a kolejnice a kompletního pojezdu a kolejové dráhy musí splňovat podmínky provozu na obou typech tratí, řešení pohonu vozidel motorové trakce musí splňovat podmínku nízkopodlažnosti vozidla při dostatečném instalovaném trakčním výkonu, řešení elektrické části integrovaných tramvají musí splňovat podmínku provozu na trakčních soustavách použitých na železničních i tramvajových tratích, řešení napájení elektrizovaných úseků lehkých kolejových drah včetně stanovení použitelných napájecích soustav při provozu v uličních komunikacích, řešení bezbariérového nástupu do vozidel na obou typech tratí (jiná výška nástupišť na železnici a na pouličních tramvajových tratích), navrhnout konkrétní úpravy Zákona o drahách a dalších všeobecných a technických norem tak, aby při zajištění plné bezpečnosti provozu nebránila ustanovení těchto norem zavádění lehkých integrovaných kolejových systémů a kolejových vozidel lehké stavby všeobecně, další otázky, které vyplynou v průběhu prací.

10 Řešení těchto otázek by mělo být výzvou pro všechny vědecké, školské a technické instituce, zabývající se otázkami kolejové dopravy, stavbou kolejových vozidel a kolejových drah, výrobní a stavební podniky a provozovatele kolejové dopravy. Přitom je možné využívat zahraničních zkušeností, neboť většina nastíněných otázek již v zahraničí vyřešena byla, o čemž svědčí již několik let úspěšného provozování lehkých integrovaných kolejových systémů a příprava výstavby dalších v zahraničí. Doufejme, že ve vzájemné spolupráci dopravních odborníků dojde v brzké době k realizaci myšlenky lehkých integrovaných dopravních systémů i v ČR. V této oblasti se ČD hlásí ke vzájemné spolupráci se zmíněnými odbornými i regionálními institucemi, včetně zahraničních. Cílem je vyřešit všechny nastíněné problémy a rovněž usilovat o získání finančních prostředků na projektování i realizaci těchto nových systémů z fondů EU, které jsou určeny k podpoře náročných projektů včetně projektů dopravní infrastruktury a celých dopravních systémů. V Praze, březen 2001 Lektoroval: Ing. Petr Mitáček OPŘ Ostrava

11 Pavel Krýže, Jaromír Široký Časové aspekty v železniční osobní dopravě Klíčová slova: časové aspekty, jízdní doby, synchronizace, doba čekání, doba mezery. 1. Úvod Pro hodnocení dopravních systémů, dopravních oborů nebo jednotlivých dopravců mají časové aspekty mezi ostatními kvalitativními kritérii významnou roli. Požadavky na časová kritéria můžeme podrobněji specifikovat například následovně: 1) pokud možno co nejkratší doba přepravy (neboli co nejvyšší rychlost) 2) velká četnost spojů 3) vysoká přesnost (eliminace odchylek od plánu) 4) pravidelnost (čili konstantní odstupy za sebou následujících dopravních prostředků, realizovaná taktovým jízdním řádem) Mezi zmíněnými požadavky jsou složité, často protichůdné vztahy. Rozpor mezi požadavky na velkou rychlost a současně vysokou přesnost ilustruje schéma. Obr.1: Požadavky zákazníka na dobu přepravy [1] Pavel Krýže, Ing., 1976, absolvent DFJP Univerzity Pardubice, obor technologie a řízení dopravy. V současné době pracuje na ředitelství Divize obchodně provozní ČD, oddělení Sestavy jízdního řádu. Je externím studentem doktorského studia DFJP Univerzity Pardubice. Tel.: 02/ , Kryze@opr.pha.cdrail.cz Jaromír Široký, Ing., 1975, absolvent DFJP Univerzity Pardubice, obor technologie a řízení dopravy. V současné době studuje doktorské studium na téže fakultě a oboru se zaměřením na osobní dopravu. Tel.: 040/ , Jaromir.Siroky@upce.cz

12 Je třeba si uvědomit, že každá přirážka sice snižuje riziko odchylek od plánovaného trvání doby přepravy, současně však dobu přepravy prodlužuje. Rozpor lze vidět také mezi požadavkem na vysokou četnost spojů a zároveň krátkou dobou přepravy: s rostoucím počtem vlaků se zvyšuje zatížení tratě a s tím přibývá konfliktních situací: křižování a předjíždění jsou častější, při zpoždění jednoho vlaku dochází k jeho přenosu na jiné vlaky ve větší míře než při menším rozsahu dopravy. Výše uvedené příklady naznačují, že na poli časových aspektů přepravy existují problémy, kterým není věnována patřičná pozornost. Cílem článku je proto zevrubně čtenáře seznámit s tím, co o problematice časových aspektů přepravy uvádí zahraniční, zejména německá literatura a částečně provést srovnání se současným stavem u nás. Přestože příspěvek je zaměřen na železniční osobní dopravu, principy zde uvedené platí jak pro dopravu nákladní, tak i pro ostatní dopravní obory. 2. Součásti doby přepravy V [1] je popisována doba přepravy v analogii k průběžné době výrobního procesu jako suma těchto časů: jízdní doby a nutné pobyty (ve výrobním procesu doba výroby) přirážky k jízdním dobám (ve výrobním procesu přirážky na výrobní nepřesnosti) doby čekání (čekání na uvolnění limitovaných zdrojů) 1 doby synchronizace (synchronizace mezi dvěma nebo více procesy) Tabulka 1: Součásti realizované doby přepravy podle Hertela [6] čistá dopravní a přepravní minimální + doby jízdní doba pobyty doba synchronizace zvláštní a pravidelné přirážky přepravy pro přechody (tolerance) mezi systémy minimální jízdní doba = zákazníky + minimální pobyt základní doba přepravy plánovaná doba přepravy realizovaná doba přepravy + plánované doby čekání následkem omezení podmíněných zatížením neplánované doby čekání (zpoždění + náskoky) následkem omezení podmíněných zatížením + zpoždění nebo náskoky podmíněné synchronizací Minimální doba přepravy je suma všech minimálních jízdních dob a pobytů, které by pro vlak byly dosažitelné, pokud by se pohyboval v síti jako jediný, a tím nebyl ve své jízdě nijak omezován jinými vozidly. Plánovaná doba přepravy je složena z jízdních dob a pobytů nutných pro překonání prostoru a pro nástup a výstup cestujících, popř. nakládku a vykládku zboží nebo informací, eventuelních přirážek na nepřesnosti (v případě, že nejsou v jízdních dobách a pobytech implicitně), dob čekání a dob synchronizace. 1 Doby čekání nezaměňujte s čekacími dobami ve smyslu předpisu D4

13 Realizovaná doba přepravy se může od plánované (pravidelné) doby přepravy stanovené jízdním řádem lišit. Odchylky od plánovaných součástí, zpoždění nebo náskoky, vznikají jako důsledek neplánovaných dob čekání a neplánovaných dob synchronizace. Obr. 2: Definice popisující příčiny dob čekání a odchylek od jízdního řádu [6] 3. Jízdní doby a příslušné přirážky Výpočet jízdních dob je především problémem dynamiky jízdy. Jízdní doby byly od počátků železnice počítány pomocí sice postupně vylepšovaných, ale vždy jen deterministických modelů, které operují s deterministickými vstupy. Skutečná jízdní doba však kolem takto vypočítané hodnoty kolísá. Proto je k jízdní době přidávána přirážka. Železniční správy vyvinuly tři druhy přirážek: přirážky závislé na vzdálenosti [min/km] přirážky vztažené k jízdní době [%] konstantní přirážky [min/stanice nebo uzel] Nejsou vyloučeny ani kombinace těchto metod. České dráhy používají přirážky vztažené k jízdní době, a to ve výši 4% pro vlaky osobní dopravy a 10% pro vlaky nákladní dopravy. S používáním deterministických postupů je spojen rozpor: jízdní doby jsou zjišťovány simulačními postupy, jejichž algoritmus vykazuje vysokou preciznost. Naproti tomu přesnost použitých vstupních veličin je ve srovnání s praxí ve většině případů malá. Jako vstupní data simulačního postupu se používají konstanty, ačkoli v praxi se jedná o náhodné veličiny. Protože uživatelům současného určování jízdních dob jsou tyto slabiny známé, pomáhají si výše zmíněnými přirážkami k jízdním dobám. Hertel a Steckel [2] koncem 80. let navrhli metodu určování jízdních dob na stochastickém základě. Metoda spočívá v důkladné analýze faktorů ovlivňujících jízdní dobu. Rozdělení četností jízdní doby se získá opakovanou simulací jízdy téhož vlaku. V dalším

14 kroku se zkouší, zda rozdělení četností jízdní doby vyhovuje teoretickým modelovým rozdělením. Měření na síti Německých říšských drah (DR) prokázala, že lze použít Weibullovo rozdělení pravděpodobnosti. Z odvozené distribuční funkce jízdní doby může být pro libovolnou pravděpodobnost určena superiorní hodnota, která může být užívána místo jízdní doby zvýšené o přirážky. Výsledkem jsou tedy jízdní doby, které nejsou překročeny při zvolené statistické jistotě. Jentsch a Gröpler [4] tuto metodu dále rozvíjeli. Zabývali se však také možností použít nevyužité rezervní časy ke snížení spotřeby energie. Simulacemi jízd konkrétních vlaků osobní dopravy zjistili, že rezerva v jízdních dobách ve výši 3% může oproti ostrému způsobu jízdy přinést úsporu energie i o velikosti 12-14%. Obr. 3: Principiální rozdělení četnosti realizovaných jízdních dob [5] 4. Doby synchronizace Význam doby synchronizace lze popsat jako proces, ve kterém všechny dílčí procesy čekají, dokud poslední z nich není ukončen. Doby synchronizace se předpokládají v uzlech (nádraží, letiště, přístavy, kontejnerové terminály, překladiště atd.). Jsou nutné pro plánované odsouhlasení více provozních procesů. Zpravidla jsou připočteny k minimálním pobytům, popř. minimálním jízdním dobám. Důvodem dob synchronizace nejsou omezení podmíněná zatížením. V železničním provozu se vyskytují dvě formy doby synchronizace: 1. Čekání vlaku za účelem přestupu cestujících: Prodloužení doby přepravy pro zákazníky, kteří nemají ze synchronizace žádnou výhodu.

15 Pro zákazníky zpravidla není transparentní důvod, proč se nejede dál, a také není v jejich zájmu. Cestující čekají na další jízdu vlaku nejsou vystaveni povětrnostním vlivům. 2. Čekání cestujících na přípojné vlaky: Prodloužením doby přepravy je postižen zákazník, který synchronizaci potřebuje. Zákazníkovi je důvod prodloužení doby přepravy transparentní. Cestující je během synchronizace zpravidla vystaven povětrnostním vlivům. Přinejmenším v osobní dopravě se vyskytuje výhradně u první formy doby synchronizace dodatečná vazba finančních zdrojů. Redukce je žádoucí jak z pohledu podniku, tak z pohledu zákazníka. Druhá forma dosahuje významu pro podnik přes aspekt užitku zákazníka, o který je třeba usilovat. Je smysluplné a nutné do pozorování zahrnout hledisko zákazníka. Formy výskytu doby synchronizace ve svém působení na zákazníky v osobní dopravě jsou různé a záleží na úhlu pohledu. Aby bylo možno obě vyskytující se formy synchronizační doby ve svém působení na (ne)uspokojení zákazníka vzájemně zvažovat, jsou potřebná měření spokojenosti zákazníků. K tomu ale nejsou vyvinuty potřebné nástroje a zároveň zde působí mnoho dalších vlivů, jako účel cesty, denní doba apod. Princip tvorby doby synchronizace lze vyčíst z obr. 4.

16 Obr. 4: Tvorba doby synchronizace [1] 4.1 Čekání vlaku za účelem přestupu cestujících První formu času synchronizace, tj. čekání vlaku za účelem přestupu cestujících, lze rozdělit na minimální dobu synchronizace a dobu synchronizačního čekání (viz obr. 4 a tabulku 2). Při jednostranné závislosti, kde existuje přestup z vlaku 1 na vlak 2, ale ne z vlaku 2 na vlak 1, je minimální doba synchronizace rovna nule. V případě vícestranné závislosti, kdy existuje přestup z vlaku 1 na vlak 2 a z vlaku 2 na vlak 1, je doba synchronizace sumou dob synchronizace obou vlaků. Tabulka 2: Pravidelná doba synchronizace vztažená na vlak Minimální doba synchronizace Doba synchronizačního čekání

17 vzniká jen při vícestranné závislosti jako suma nutných dob synchronizace obou vlaků je suma obou minimálních dob synchronizace po odečtení obou minimálních dob pobytu doba synchronizace při jednostranné závislosti, popř. ne nutná část doby synchronizace při vícestranné závislosti rozdíl mezi koncem minimální doby pobytu (vlaku 1) a koncem minimální přestupní doby (vlak 2 na vlak 1), jestliže konec minimální přestupní doby nastává před koncem minimální doby pobytu 4.2 Čekání cestujících na přípojné vlaky Druhá forma času synchronizace (čekání cestujících na přípojné vlaky) vzniká z rozdílu mezi koncem pobytu z přepravních důvodů vlaku, na který se přestupuje, a koncem minimální přestupní doby, jestliže konec minimální přestupní doby nastává před koncem dopravního pobytu. Podstatný problém při synchronizaci představuje měření minimální přestupní doby. Ta se skládá z: maxima dopravní a provozní doby přestupu, přirážek k vyrovnání neměřitelných vlivů (např. rozdělení cestujících ve vlaku a na nástupišti, dynamika proudu cestujících), záloha k vyvarování se, popř. k redukci přenosů zpoždění. 4.3 Neplánovaná doba synchronizace Vedle plánované (pravidelné) doby synchronizace, která je popsána v předcházející části, existuje též neplánovaná doba. Tu lze stručně charakterizovat jako odchylku od plánované doby synchronizace, tzn. jako rozdíl mezi skutečnou dobou synchronizace a plánovanou. Obecně doba synchronizace se dá vyjádřit jako maximum náhodných procesů spojených s přestupem cestujících. Je však nutno počítat s tím, že také čas potřebný pro přestup je chápán jako náhodná veličina a může docházet k odchylkám. Vlastní průběh přestupu je opět synchronizací více dílčích procesů (např. přechod jednotlivých cestujících). To je znesnadněno i tím, že tyto procesy jsou často závislé na limitovaných zdrojích. Navíc zde hrají roli faktory jako dynamika proudu cestujících a rozdělení cestujících ve vlaku a na nástupišti. Neplánovanou dobu synchronizace je možno tedy vyjádřit jako funkci následujících faktorů: součásti plánovaného času synchronizace odchylky času příjezdu příslušných vlaků potřebný čas na přestup možnost synchronizace s jiným procesem. Poslední faktor obsahuje otázku, kdy dochází ke ztrátě přípoje, a tedy následuje synchronizace na jiný vlak. Tato otázka představuje tíživý problém ve smyslu zohlednění různých zájmů zákazníků (cestujících). Vztaženo na vlak, popř. na cestující, kteří se nacházejí v přípojném vlaku, by mohla vznikat souvislost zobrazená na obr. 5. Zde se čas synchronizace nejprve se zpožděním na

18 příjezdu zvyšuje. S rostoucím středním zpožděním však stále častěji dochází ke ztrátě přípoje, což neplánovanou dobu synchronizace, kterou je možno očekávat, zvyšuje. Při rostoucím středním zpoždění na příjezdu a s tím rostoucí pravděpodobnosti ztráty přípoje dochází k silnému vzestupu času synchronizace. Při ještě dále rostoucím středním zpoždění na příjezdu lze pak opět počítat s poklesem očekávaného času synchronizace, protože je pak s vyšší pravděpodobností synchronizován s jiným vlakem, jehož čas odjezdu se přibližuje. Obr. 5: Možná souvislost mezi zpožděním na příjezdu a neplánovaným časem synchronizace [1] 4.4 Přestupní doba na ČD V podmínkách Českých drah upravuje problematiku doby čekání na přípoje služební předpis ČD D4, čl. 96 až 108, na základě jehož ustanovení je sestavována pro každou oblast OPŘ pomůcka ke GVD "Čekací doby a opatření při zpoždění vlaků osobní dopravy". Zde je možno uvést definici přípojného vlaku: "Přípojnými vlaky jsou vlaky, u nichž interval mezi pravidelným příjezdem prvního a pravidelným odjezdem druhého vlaku je shodný nebo větší než doba potřebná na přestup mezi těmito vlaky ve stanici". Pro každý přípojný vlak je v dané stanici stanoven pouze jeden druh čekací doby, a to buď: a) Základní čekací doba ta je stanovena mezi jednotlivými kategoriemi vlaků pro všechny stanice ČD shodně (např. vlaky R, Sp čekají na přípojné vlaky 5 minut), b) Čekací doba delší nebo kratší než je základní čekací doba - kratší čekací doba může být stanovena i na 0 minut. V této pomůcce jsou uvedeny kromě pravidelných přestupních dob také čekací doby na určité vlakové spoje. Potřebná doba na přestup se stanoví jako doba, která se počítá od příjezdu prvního vlaku do odjezdu druhého vlaku a postačuje pro bezpečný přestup cestujících za podmínek v místě obvyklých. Tato přestupní doba se stanoví pro každou v úvahu přicházející stanici ve třech hodnotách jako: normální doba potřebná na přestup cestujících bez překládky malých zásilek a listovní pošty mezi dvěma vlaky při jejich nejnepříznivějším rozmístění ve stanici,

19 speciálně stanovená kratší doba potřebná na přestup cestujících mezi dvěma konkrétními vlaky při jejich pravidelném rozmístění ve stanici, speciálně stanovená delší doba potřebná pro přestup mezi dvěma vlaky se současnou překládkou malých zásilek a listovní pošty. Použije se pouze mezi vybranými a příslušnou pomůckou určenými vlaky. Je možno konstatovat, že problém časů synchronizace u železnice je dosud málo prozkoumán. Existují přístupy, které by mohly napomoci zdokonalit současnou úroveň přípojových vazeb v uzlových stanicích, vše je ovšem pouze na bázi teoretického řešení a bude předmětem dalšího zkoumání. V tabulce 3 jsou shrnuty hlavní problémy a možné způsoby řešení této problematiky. Tabulka 3: Hlavní problémy a možné způsoby řešení problémy cesty řešení vize výsledku všechny součásti doby synchronizace dosud jen málo prozkoumány měření minimální doby přestupu při zohlednění aspektu užitku zákazníků jak je možno ocenit vyskytující se formy synchronizace (vlak čeká na cestující popř. cestující čekají na vlak) z kombinace pohled zákazníků / pohled podniku? simulace analytické řešení s pomocí metod teorie pravděpodobnosti přenos metody stochastické jízdní doby na minimální dobu přestupu zohlednit užitek zákazníků mezioborová pozorování na téma: nalezení užitku zákazníka vyobrazení plánované doby synchronizace jako funkce přinejmenším následujících veličin: - stavební uspořádání uzlu synchronizace - frekvence odjezdů vlaků - počet případů synchronizace - dynamika proudu cestujících - rozdělení cestujících ve vlaku a na nástupišti vědecky odůvodněné měření minimální doby přestupu Sice méně důležitým, ale přesto existujícím problémem je otázka, kdy je pro utváření nabídky třeba pozorovat problém synchronizace při zohlednění aspektu užitku zákazníka. Přitom hrají roli jak časové aspekty (především velikost taktu, ale také podíl času synchronizace na době přepravy apod.), tak řada dalších vlivů jako druh, účel, cíl cesty, délka cesty. 5. Doby čekání 2 Z důvodu omezené disponibility zdrojů, kterými jsou infrastruktura, provozní prostředky a personál, vznikají doby čekání. Jsou to kladné nebo záporné rozdíly mezi 2 Doby čekání nezaměňujte s čekacími dobami ve smyslu předpisu D4

20 přáními zákazníka (objednavatele) a polohou trasy a zpravidla vedou k prodloužení doby přepravy. Omezená disponibilita infrastruktury se projevuje, když dva nebo více vlaků (posunujících dílů) požadují jeden úsek infrastruktury, popř. více úseků, jejichž společné obsazení je vyloučeno. Důsledkem je čekání pro předjíždění, křižování nebo čekání před úzkými místy ( hrdly ). Omezená disponibilita vozidel a personálu se projevuje při současných požadavcích na tyto zdroje ze strany dvou nebo více vlaků. Důsledkem je doba čekání v podobě časového posunu tak, aby bylo umožněno propojení oběhů. Analogicky k plánované době čekání, která je obsažena v jízdních řádech, existuje doba čekání neplánovaná. Oficiální definice DB AG uvádí, že neplánovaná doba čekání zahrnuje všechny výsledné odchylky od jízdního řádu, které vycházejí z omezení podmíněných zatížením. Mohou být kladné (zpoždění) nebo záporné (náskok). Neplánovaná doba čekání vzniká také poté, když z důvodu překážek či závad není dosaženo nejkratší jízdní doby. Souhrnně lze tedy říci, že neplánovaná doba čekání je rozdíl mezi skutečnou dobou čekání a plánovanou dobou čekání. Obr. 6: Principiální souvislost mezi plánovanou dobou čekání a zatížením [1] V minulosti byla vyvinuta celá řada modelů pro zkoumání plánované i neplánované doby čekání, založených buď na teorii hromadné obsluhy (jednodušší jednofázové, složitější vícefázové) nebo na simulacích. Přehled modelů lze najít např. v [1]. Pro všechny dosud vyvinuté modely platí, že nejsou zohledněny limitované zdroje vozidla a personál. Moderní modely sice překonaly zkoumání pouze omezujícího úseku, nadále zůstávají omezeny na jednu trať. Je uvažován pouze jednosměrný provoz, nelze tedy zkoumat jednokolejnou trať, popř. dvoukolejnou trať s dočasně jednokolejnými úseky. Pro výpočet neplánované doby čekání lze použít podobné modely jako pro plánovanou dobu čekání s tím rozdílem, že je nutno uvažovat existenci už sestaveného jízdního řádu všechny vlaky osobní dopravy nemohou zásadně odjet před plánovanou dobou odjezdu.

21 6. Doby mezer Doba mezery sice není součástí doby přepravy, je však důležitým rezervním časem a dobu přepravy velmi ovlivňuje. Jako doba mezery je označováno časové období, o které by dvě trasy vlaků mohly být posunuty k sobě, aniž by došlo k omezením mezi oběma vlaky. Rozložení dob mezer, které jsou k dispozici, většinou odpovídá exponenciálnímu rozdělení pravděpodobnosti. Výjimky tvoří čisté taktové jízdní řády. Ale už při prokládání různých taktových jízdních řádů může být rozdělení dob mezer zpravidla pojímáno jako exponenciální. Zajímavé je působení doby mezery na plánované a neplánované doby čekání. Vliv na obě doby čekání je přesně protikladný. Vyžaduje-li se velký časový odstup mezi vlaky, pak na jedné straně je třeba přijmout, že se zvýší plánovaná doba čekání, a tím i celková doba přepravy. Na druhé straně při odchylkách od jízdního řádu dochází k menším přenosům zpoždění. Při větších zpožděních však velká doba mezery může mít i opačný efekt, protože při kratším plánovaném sledu vlaků by výměna sledu vlaků byla mohla přenosu zpoždění zabránit. Význam doby mezery ilustruje příklad, ve kterém ve dvou teoretických alternativách rychlejší vlak předjíždí vlak pomalejší. Předjíždění na obrázku vlevo nemá zahrnuty mezery žádné, na obrázku vpravo jsou uvažovány mezery o velikosti 5 minut. Při zpoždění rychlého vlaku do 5 minut se zpoždění v prvním případě plně přenese na vlak pomalejší, ve druhém případě k přenosu vůbec nedojde. Na druhou stranu při zpoždění rychlého vlaku o velikosti 15 minut odjede v prvním případě vlak pomalejší včas (provede se výměna sledu vlaků, k předjíždění dojde ve stanici B), zatímco ve druhém případě se zpožděním 10 minut. Z příkladu je dále patrné, že velikost doby mezery může mít vliv na kapacitu infrastruktury. Obr. 7: Předjíždění pomalejšího vlaku rychlejším, následné mezidobí uvažováno jednotně 5 minut 7. Přesnost

22 Přesnost je velmi rozhodující kritérium kvality pro zákazníky. Představuje konfrontaci mezi plánovanou a realizovanou dobou přepravy, neboli průzkum odchylek od jízdních dob, pobytů, neplánovaných dob čekání a neplánovaných dob synchronizace. Jako následek rušení zdrojů infrastruktury, provozních prostředků a personálu vzniká prvotní zpoždění. Prvotní zpoždění se přenáší na další vlaky, a tím vznikají následná zpoždění. Velikost následného zpoždění závisí na velikosti prvotního zpoždění, přirážek a mezer, na traťových poměrech a na uspořádání jízdního řádu. Tabulka 4: Vlivy zvyšující a snižující zpoždění Zpoždění zvyšuje zpoždění obecně snižuje zpoždění mohou snížit kladné neplánované doby rezervy k jízdním dobám plánované doby čekání čekání a pobytům kladné neplánované doby přirážky a mezery u plánované doby synchronizace minimálního času přestupu synchronizačního čekání Poznatky, které jsou v současné době k dispozici, se vztahují vždy jen na jednotlivé součásti doby přepravy. Pro zkoumání přesnosti je zapotřebí získat poznatky z výzkumů zabývajících se současně plánovanými i neplánovanými součástmi doby přepravy. Takové studie ale zatím chybějí. 8. Shrnutí Jednotlivé části doby přepravy jsou prozkoumány s velmi různou hloubkou. Modely bývají vztažené převážně pouze na jednu trať, popř. její část. Jsou uvažovány převážně vlivy dopravní cesty, chybí zahrnutí vlivu vozidel a personálu. Většina poznatků je z oblasti plánovaných dob čekání. Naopak nejhorší stav je u dob synchronizace. Příčina pravděpodobně spočívá v tom, že většina současných metod nezkoumá

23 síť je založena na studiu pouze jedné tratě, což je pro výzkum dob synchronizace nevyhovující. Proto je nutný další výzkum jednotlivých součástí dob přepravy a souvislostí mezi nimi navzájem. Do úvah je potřebné zahrnout i poznatky z oblasti managementu kvality, hospodářských věd, ekologie. Literatura [1] Strube, E.: Die Durchlaufzeit im Beförderungsprozess der Eisenbahn, in: sborník Taktfahrplan und Kapazität, Utrecht 1995, str [2] Hertel, G., Steckel, J.: Fahrzeitberechnung unter stochastischem Aspekt, in Eisenbahningenieur 43 (1992)/5, str [3] In den Fahrplänen vorzusehende Fahrzeitzuschläge, um die Pünktliche Betriebsabwicklung zu gewährleisten Fahrzeitzuschläge, vyhláška UIC [4] Jentsch, E., Gröpler, O.: Stochastische Zugfahrtsimulation Zusammenhänge und Anwendungsmöglichkeiten, in: sborník Taktfahrplan und Kapazität, Utrecht 1995, str [5] Bär, M.: Fahrplan / Taktfahrplan, Vorlesungsbegleitendes Studienmaterial, Dresden 1998 [6] Hertel, G.: Wartezeiten als wesentliche Qualitätsparameter der Beförderungsleistungen, in: sborník Taktfahrplan und Kapazität, Utrecht 1995, str V Pardubicích, srpen 2001 Lektorovali: Ing. Jan Hanzlík ČD DOP O16 Ing. Jiří Tilšer ČD DOP O11

24 Jan Hlaváček Měření hluku a vibrací na koridorových tratích před a po modernizaci Klíčová slova: hluk, hluk z železničního provozu,vibrace, vibrace šířící se zemí, modernizace rychlostního koridoru. 1. Cíle řešení Vzrůstající zájem veřejnosti, státních orgánů i orgánů Evropské Unie o udržitelný rozvoj s ohledem na podmínky životního prostředí působí i zvýšený zájem o železniční dopravu a její dopady. Hluk a vibrace způsobené železničním provozem ovlivňují kvalitu života populace žijící podél železničních tratí. Zejména v souvislosti s trendem k modálnímu přesunu dopravy ze silnice na železnici a s tím spojené zvyšování rychlosti. Primárním cílem modernizace hlavních tratí ČD není snižování hlukových emisí a vibrací způsobených železničním provozem, ale spíše modernizace tratí tak, aby byly způsobilé stát se součástí standardní evropské železniční sítě s přepravní rychlostí do 160 kmh -1. Právě moderní konstrukce železničního svršku s využitím bezpodkladnicového uložení, pružného upevnění a podložek mezi patou kolejnice a pražcem způsobuje zajímavý sekundární účinek modernizace, což je snižování hlukových emisí a hlavně vibrací šířících se zemí. Tento sekundární účinek i když je teoreticky dobře zdůvodněný musí být podepřen fundovaným a průkazným měřením, aby byl použitelný pro potřeby ČD. Vyjednávání s představiteli místních obecních úřadů i orgánů státní správy o územních rozhodnutích je často velmi obtížné a složité vzhledem k obavám z předpokládaných dopadů hlukových emisí a zemních vibrací na místní infrastrukturu. Tyto obavy a námitky nejsou ve většině případů podloženy řádnými věcnými argumenty. Naměřené výsledky jasně prokázaly výše uvedený předpoklad a mohou být použity pro zlepšení vyjednávací posice ČD. Věcné vymezení úkolu a jeho cíle byly stanoveny následujícím způsobem. - Změření úrovně hluku a vibrací před a po provedené modernizaci. - Rozšíření úrovně výsledků o měření hluku a vibrací z průjezdu vlaků do nejbližšího okolí včetně frekvenčního charakteru a rychlostní závislosti. - Měření se uskutečnilo na trati Praha - Česká Třebová na dvou vytipovaných měřicích stanovištích. - Naměřená data jsou archivována pro případné použití v databázi. Ing. Jan Hlaváček, nar. 1944, absolvent ČVUT - Fakulta elektro - Technická kybernetika - Měřicí technika. Zaměření : Měření hluku, vibrací, dynamiky kolejových vozidel. Člen pracovní skupiny UIC pro hluk a vibrace "Task Force Noise". Člen hlukové a vibrační komise ČD při O28 GŘ ČD. 1

25 Celkové řešení úkolu bylo rozděleno do tří postupných etap. 1. etapa byla přehledem dosavadního stavu v Evropě používaných aktivních i pasivních protihlukových a protivibračních opatřeních na vozidlech i na železničním svršku a spodku. Zpráva dále obsahovala doporučení postupu a stanovení metodiky měření hluku a vibrací pro etapu 2 a etapa úkolu byla realizace měřicí kampaně před modernizací trati v doporučeném traťovém úseku. 3. etapa úkolu byla realizace měřicí kampaně po modernizaci trati na totožném měřicím stanovišti a dalším kontrolním měřicím stanovišti. V tomto příspěvku je věnována pozornost realizaci měřicí kampaně a porovnání naměřených výsledků před a po modernizaci. 2 Měření hluku Hlukové měření na trati ČD po modernizaci je specifikováno jako třetí fáze úkolu a bylo provedeno ve dvou měřicích kampaních. Měřicí stanoviště byla zvolena s ohledem na snadný přístup, podmínky volného pole a možnost připojení na 220 V. 2.1 Metodika měření Metodika měření byla vypracována na základě normy ISO/ČSN 3095 "Měření hluku vyzařovaného kolejovými vozidly" s určitými modifikacemi, neboť nešlo o žádnou typovou zkoušku, ale o ověřovací komplexní měření. Tam, kde podle normy ISO 3095 by mohlo dojít k nejasnostem nebo nejednoznačným definicím, byl použit jako doplňující, návrh evropské normy CEN/TC 256 N 165E "RAILWAY APPLICATIONS - NOISE EMISSION - MEASUREMENT OF EXTERNAL NOISE EMITTED BY RAILBOUND VEHICLES". Jako deskriptor bylo použito maximum A-vážené hladiny akustického tlaku, L pamax,což je maximální hladina akustického tlaku, v decibelech, stanovená podle A-vážené frekvenční charakteristiky (podle IEC 651). Dalším deskriptorem v souladu s normou byla pak ekvivalentní kontinuální A-vážená hladina akustického tlaku L paeq, T. Přístrojové vybavení bylo ve třídě 1. podle IEC 651 se záznamem výstupů použitých zvukoměrů na měřící magnetofon pro pozdější frekvenční analýzu u všech měřicích míst. Dále byla měřena pomocná veličina rychlost průjezdu soupravy speciálním, za tímto účelem vyvinutým zařízením. Zařízení sestávalo ze dvou indukčních snímačů umístěných na kolejnici v referenční vzdálenosti. Z referenční vzdálenosti mezi snímači a snímané doby průjezdu byla počítána rychlost soupravy. Rychlost projíždějících souprav na druhé koleji byla měřena stopkami. Měřicí místo M1 V tomto měřicím místě byl použit přesný integrační zvukoměr Brüel & Kjaer typ 2218, osazený kondensátorovým měřicím mikrofonem Brüel & Kjaer typ 4165, pro podmínky volného pole. Průměr mikrofonu 0,5", citlivost 46.8 mv/pa, polarizační napětí 200 V, frekvenční rozsah 2.8 Hz - 10 khz pro obecná akustická měření. Ze střídavého výstupu zvukoměru byl akustický signál nahráván na měřicí magnetofon TEAC typ XR

26 Měřicí místo M2 V tomto měřicím místě byl použit přesný modulový zvukoměr Brüel & Kjaer typ 2231, osazený kondensátorovým měřicím mikrofonem Brüel & Kjaer typ 4155, pro podmínky volného pole. Průměr mikrofonu 0,5", citlivost 50 mv/pa, polarizační napětí 200 V, frekvenční rozsah 4 Hz - 18 khz pro obecná akustická měření. Ze střídavého výstupu zvukoměru byl akustický signál nahráván na měřicí magnetofon TEAC typ XR Cejchování přístrojů Pro cejchování přístrojů před a po měření každého dne byl použit pistonfon Brüel & Kjaer typ Postup měření a zpracování naměřených výsledků Při měření byl signál z výstupu zvukoměrů umístěných na měřicích místech M1 - M2 nahráván na měřící magnetofon TEAC XR Nahraný signál byl dále zpracován na dvoukanálovém signálovém analyzátoru Brüel & Kjaer, typ Pomocí rychlé Fourierovy transformace byly navzorkovány frekvenční spektra ve dvou krocích (do 400 Hz a do 12.5 khz). Tyto soubory byly dále vyhodnoceny zvláštním programem na osobním počítači (Pentium II/450 MHz). Schéma zapojení měřicího a vyhodnocovacího řetězce je na obr. 1. Obr. 1: Schéma měřicího a vyhodnocovacího řetězce 2.2 Měření hluku Hořany 3

27 Během dvoudenní měřicí kampaně byl sejmut dostatečně representativní vzorek železničního provozu, aby bylo možno stanovit typické hodnoty hlukových emisí pro jednotlivé typy vlaků (osobní a nákladní). Hlukové emise byly snímány z obou pojížděných kolejí. Druhý den měření bylo měřicí stanoviště přemístěno na druhou stranu, takže byly snímány oba směry v totožných referenčních vzdálenostech. Vzhledem k poměrně velkému počtu naměřených vlaků osobní přepravy nebyly vyhodnocovány průjezdy ze vzdálenější koleje. Naopak u nákladních vlaků byla vyhodnocena i vzdálenější kolej, protože nákladních vlaků bylo méně Podmínky měření a měřicí stanoviště Klimatické podmínky při měření byly odečítány každé dvě až tři hodiny po celou dobu měření. Stavební parametry trati jsou uvedeny v tabulce 1. Tabulka 1: Stavební parametry trati žel. spodek výška štěrk. lože typ pražce typ kolejnice upevnění štěrkodrť + vápenná stabil m beton B 91 S UIC 60 Vossloh Skl 14 Měřicí stanoviště bylo umístěno v blízkosti přejezdu trati s okresní silnicí 3341/III Hořany - Sadská se závorami LIS. Na přejezdu byl použit celopryžový povrch s nájezdem z ocelového plechu. 1. kolej směr Kolín cca 15 m za přejezdem LIS. 2. kolej směr Praha 15 m před přejezdem LIS. Geometrické parametry - kolej bezstyková na rychlost 160 km/h po broušení hlavy kolejnic podle DB Lots 136 cca rok a půl. Schematický náčrtek umístění mikrofonů je znázorněn na obr. 2. 4

28 Obr. 2: Umístění mikrofonů Naměřené hodnoty Všechny projíždějící vlakové soupravy byly rozděleny do čtyř základních skupin. - Osobní vlaky a rychlíky ve směru Kolín (bližší kolej) - Nákladní vlaky ve směru Kolín i Praha (bližší kolej) - Osobní vlaky a rychlíky ve směru Praha (bližší kolej) - Nákladní vlaky ve směru Kolín i Praha (vzdálenější kolej) Jednotlivé lokomotivy, po případě jiná speciální vozidla nebyla do výsledků zahrnuta. Ve všech grafech jsou pro snazší orientaci označeny výsledky z měřicího místa M1 vzdáleností 7.5 m a měřicího místa M2 vzdáleností 25 m. V následujícím grafech jsou znázorněny závislosti naměřených maximálních hodnot akustického tlaku na rychlosti. Graf 1: 5

29 Graf 2: 6

30 Graf 3: 7

31 2.3 Měření hluku Moravany Během dvoudenní měřicí kampaně byl sejmut dostatečně representativní vzorek železničního provozu, aby bylo možno stanovit typické hodnoty hlukových emisí pro jednotlivé typy vlaků (osobní a nákladní). Hlukové emise byly snímány pouze ze strany první koleje kde byly podmínky volného pole. To odpovídá podmínkám měření před rekonstrukcí. Druhý den měření bylo měření předčasně ukončeno vzhledem ke špatnému počasí (hustý déšť). U všech vlaků byly vyhodnocovány průjezdy z obou kolejí Podmínky měření a měřicí stanoviště Klimatické podmínky při měření byly sledovány standardním způsobem. Stavební parametry trati jsou uvedeny v tabulce 2. Tabulka 2: Stavební parametry trati žel. spodek 1. kolej minerální směs, výztužný geokomponent štěrkodrť + vápenná stabilizace 2. kolej minerální směs, výztužný geokomponent výška štěrk. lože typ pražce typ kolejnice upevnění m bet. B 91 S UIC 60 Vossloh Skl m bet. B 91 S UIC 60 Vossloh Skl 14 Měřicí stanoviště bylo umístěno v blízkosti přejezdu trati s okresní silnicí Čeradice - Slepotice. Přejezd byl opatřen závorami LIS. Na přejezdu byl použit celopryžový povrch s nájezdem z ocelového plechu. Stanoviště bylo umístěno na straně 1. koleje směr Česká Třebová cca 10 m před přejezdem LIS. Geometrické parametry - kolej bezstyková na rychlost 160 km/h nebroušená. Umístění mikrofonů je totožné jako v předchozí kapitole (viz Obr. 2) Naměřené hodnoty Všechny projíždějící vlakové soupravy byly rozděleny do čtyř základních skupin. - Osobní vlaky a rychlíky ve směru Česká Třebová (bližší kolej) - Nákladní vlaky ve směru Česká Třebová (bližší kolej) - Osobní vlaky a rychlíky ve směru Pardubice (vzdálenější kolej) - Nákladní vlaky ve směru Pardubice (vzdálenější kolej) V následujícím grafech jsou znázorněny závislosti naměřených maximálních hodnot akustického tlaku na rychlosti. 8

32 Graf 4: Graf 5: 9

33 2.4 Závěry a doporučení Celkový počet měřených vlakových souprav byl rozdělen do čtyřech skupin jak je uvedeno v kap a Posuzujeme-li osobní vlaky a rychlíky, tak naprostá většina měřených vlakových souprav projížděla rychlostí cca 120 kmh -1. Měřicí kampaň - Hořany. Porovnáme-li výsledky naměřené po rekonstrukci v Hořanech z bližší koleje můžeme pozorovat zřetelně nižší hodnoty v celém rychlostním pásmu. Pro tuto rychlost, která má nejvíce naměřených vlaků a tedy je statisticky nejprůkaznější je průměrná hodnota L pamax o 4.28 db(a) nižší po rekonstrukci měřeno na referenční vzdálenosti 7.5 m. Na vzdálenosti 25 m pak snížení dosahuje 3.6 db(a). Klíčové však je, že se zvyšující se rychlostí se naměřená hladina nezvyšuje, spíše klesá. Je to způsobeno provozováním vyššího počtu modernizovaných osobních vozů s kotoučovou brzdou, které vykazují zhruba o 10 db(a) nižší emisní hladiny hluku valení. Z tohoto důvodu lze předpokládat, že i po zvýšení rychlosti na 160 kmh -1 se celkové hlukové emise nezvýší, spíše se budou snižovat. Stejný trend pozorujeme i při použití deskriptoru L paeq, T, pouze naměřené hladiny jsou zhruba o 7-8 db(a) nižší. Porovnáme-li typickou evropskou hodnotu pro osobní vozy s kotoučovou brzdou, která je 84.5 db(a) při rychlosti 160 kmh -1 s naší naměřenou hodnotou cca 84 db(a) při rychlosti 140 kmh -1, dojdeme k názoru, že vezmeme-li v úvahu vliv hnacího vozidla a podíl vozů s klasickou brzdou (brzdové špalíky z šedé litiny), naměřené výsledky vykazují dobrou shodu s hodnotami obecně platnými v Evropské železniční síti. Porovnání naměřených hodnot z průjezdů nákladních vlaků (bližší kolej) není tak průkazné, protože byl větší rozptyl rychlostí a méně vlaků. Každá rychlostní skupina obsahovala pouze dva až tři vlaky, což není možno považovat za statisticky průkazný vzorek. Nicméně výsledky korespondují a naměřené hodnoty pro rychlost 70 kmh -1 (největší počet vlaků) jsou o 4.5 db(a) nižší a pro rychlost 80 kmh -1 je odstup dokonce 6.5 db(a). Opět se jedná o deskriptor L pamax a vzdálenost 7.5 m od středu bližší koleje. Měření na vzdálenost 25 m a ekvivalentní hladiny zhruba korespondují s příslušným odstupem. Typická hodnota je 88 db(a) při rychlosti 80 kmh -1 a 25 m od středu bližší koleje. Námi naměřená hodnota je 87.5 db(a). To znamená, že v tomto ohledu naměřené hodnoty odpovídají typickým v Evropě. Je ovšem nutno zdůraznit, že Evropské železnice s těmito hladinami hlukových emisí spokojeny nejsou a podnikají opatření pro jejich snížení. Měřicí kampaň - Moravany. Výsledky naměřené na druhém měřicím stanovišti v Moravanech jsou méně příznivé. Podmínky měření nebylo možno dodržet podle normy. Vzhledem ke snížené rychlosti na přejezdu z Moravan byly všechny výsledky naměření na první koleji (bližší) zkreslené tím, že všechny vlaky urychlovaly. U výsledků měření na druhé koleji (vzdálenější), jsou výsledky ještě zkreslenější, protože většina vlaků intenzivně brzdila. Také traťový úsek nebyl ještě přebroušen. Přesto jsou všechny naměřené výsledky nižší nebo zhruba totožné jako před rekonstrukcí. Pro získání průkaznějších výsledků by bylo třeba měření opakovat za příznivějších podmínek. 3 Měření vibrací Měření vibrací na trati ČD po modernizací probíhalo souběžně s hlukovým měřením. Na měřicím stanovišti v Hořanech byly osazeny snímači postupně obě koleje. V Moravanech 10

34 byla měřena pouze první kolej. Vyhodnocovány byly pouze vlaky pojížděné na koleji se snímači. 3.1 Metodika měření a použité přístroje Metodika byla vypracována na základě současných znalostí o účincích vibrací v obytných budovách tak, jak je v pracovních dokumentech prezentují Technické komise TC 108 Vibrace a rázy, Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO/TC 108/SC 2, 3 a 4) a TC 231, Evropské komise pro normalizaci (CEN/TC 231). Hlavní důraz byl kladen na vibrace šířící se zemí a jejich útlum se vzdáleností. Jako hlavního deskriptoru bylo použito efektivních hodnot zrychlení, L a, v maximálních hladinách zrychlení vibrací vztažených k referenčnímu zrychlení. Výsledné hladiny vibrací jsou vyjádřeny v db (re 10-6 ms -2 ). U všech měřených míst byla provedena frekvenční analýza vibrací v lineárním módu a třetinooktávovém pásmu. Frekvenční analýza byla provedena v rozsahu Hz, což není podle normy ISO , kde je předepsáno hodnocení vibrací v rozsahu 1-80 Hz. Nicméně toto frekvenční pásmo je doporučené pro měření vibrací šířící se zemí například v projektech (RENVIB) řešených ERRI. Přístrojové vybavení bylo ve třídě 1. podle IEC 651. Měřicí předzesilovač NEXUS byl použit na úpravu výstupů použitých snímačů pro záznam na měřící magnetofon pro pozdější frekvenční analýzu u všech měřicích míst. Měřicí místo V1 V tomto měřicím místě (viz Obr. 3) byl použit přesný piezoelektrický snímač vibrací Brüel & Kjaer typ Tento snímač má dynamický rozsah 80 :ms kms -2, citlivost 10 pc/ms -2, tepelný rozsah o C. Snímač byl připojen k analyzátoru B&K typ Měřicí místo V2 V tomto měřicím místě (viz Obr. 3) byl použit přesný piezoelektrický snímač vibrací Brüel & Kjaer typ Tento snímač má dynamický rozsah 80 :ms kms - 2, citlivost 1 pc/ms -2, tepelný rozsah o C. Snímač byl připojen k analyzátoru B&K typ Měřicí místo V3,V4 V tomto měřicím místě (viz Obr. 3) byl použit tříosý piezoelektrický snímač vibrací Brüel & Kjaer typ Tento snímač má dynamický rozsah 0.8 mms -2-1 kms - 2, citlivost 1 pc/ms -2, tepelný rozsah o C. Zapojeny byly pouze dvě osy, příčně a svisle a přes předzesilovač NEXUS byly výstupy snímačů nahrávány na měřicí magnetofon TEAC XR pro pozdější zpracování. Měřicí místo V5 V tomto měřicím místě (viz Obr. 3) byl použit piezoelektrický snímač vibrací Brüel & Kjaer typ Tento snímač má dynamický rozsah 0.8 mms kms -2, citlivost 1 pc/ms -2, 11

35 tepelný rozsah o C. Snímač byl připojen na předzesilovač NEXUS a výstup snímače byl nahráván na měřicí magnetofon TEAC XR-5000 pro pozdější zpracování. Měřicí místo V6 V tomto měřicím místě (viz Obr. 3) byl použit piezoelektrický snímač vibrací Brüel & Kjaer typ Tento snímač má dynamický rozsah 0.8 mms kms -2, citlivost 1 pc/ms -2, tepelný rozsah o C. Snímač byl připojen na předzesilovač NEXUS a výstup snímače byl nahráván na měřicí magnetofon TEAC XR-5000 pro pozdější zpracování. Umístění snímačů zrychlení : Měřicí místo V1 - Indukční snímač vertikálních vibrací byl umístěn na okraji pražce, ve vzdálenosti 1.2 m od středu koleje. Měřicí místo V2 - Indukční snímač horizontálních vibrací byl umístěn na okraji pražce, ve vzdálenosti 1.2 m od středu koleje. Měřicí místo V3 - Indukční snímač vertikálních vibrací byl umístěn na kolíku na okraji kolejového lože ve vzdálenosti 2.5 m od středu bližší koleje. Kolík byl zakopán pod úrovní terénu. Měřicí místo V4 - Indukční snímač horizontálních vibrací byl umístěn na stejném místě jako snímač V3. Měřicí místo V5 - Indukční snímač vertikálních vibrací byl umístěn na kolíku v normalizované vzdálenosti 7.5 m od středu bližší koleje. Kolík byl zakopán pod úrovní terénu. Měřicí místo V6 - Indukční snímač horizontálních vibrací byl umístěn na stejném místě jako snímač V5. Schematický náčrtek umístění snímačů je znázorněn na obr. 3 12

36 Obr. 3: Umístění snímačů zrychlení Cejchování přístrojů Pro cejchování snímačů byl použit kalibrátor Brüel & Kjaer typ Postup měření a zpracování naměřených výsledků Při měření byl signál ze snímačů V1 a V2 zpracován přímo na akustickém analyzátoru B&K typ Data z frekvenční analýzy byla nahrána na disketě a zapracována do ostatních výsledků. Signály ze snímačů V3-V6 byly upraveny v předzesilovači NEXUS na vhodnou napěťovou úroveň a nahrávány na měřicí magnetofon TEAC XR Nahraný signál byl dále zpracován na dvoukanálovém signálovém analyzátoru Brüel & Kjaer, typ Pomocí rychlé Fourierovy transformace byly navzorkovány frekvenční spektra do 400 Hz. Tyto soubory byly dále vyhodnoceny zvláštním programem na osobním počítači (Pentium II/450 MHz) výsledná frekvenční spektra v třetinooktávovém pásmu a vypočtené celkové hladiny vibrací jsou uvedeny ve výsledcích měření a v příslušných přílohách ke zprávě. Schéma zapojení měřicího a vyhodnocovacího řetězce je na obr

37 Obr. 4: Schéma měřicího a vyhodnocovacího řetězce 3.2 Měření vibrací Hořany Podmínky měření a měřicí stanoviště Všechny podmínky měření jsou totožné jako při měření hluku, neboť obě měření probíhala současně a na stejném místě. Měření bylo realizováno na první koleji směr Kolín i na druhé koleji směr Praha v souladu s přemístěním stanoviště pro měření hluku. Pro lepší orientaci v grafech naměřených hodnot jsou uvedeny přímo místa snímání (pražec, kolík 1, kolík 2) na místo čísel snímačů ve schématu. V následujících grafech je znázorněna závislost naměřených maximálních hladin zrychlení na rychlosti Graf 6: Svislé vibrace - směr Kolín 14

38 Graf 7: Příčné vibrace - směr Kolín Graf 8: Svislé vibrace - oba směry (bližší kolej) 15

39 Graf 9: Příčné vibrace - oba směry (bližší kolej) 3.3 Měření vibrací Moravany 16

40 3.3.1 Podmínky měření a měřicí stanoviště Všechny podmínky měření jsou totožné jako při měření hluku, neboť obě měření probíhala současně a na stejném místě. Měření bylo realizováno pouze na první koleji směr Česká Třebová (bližší kolej) v souladu s předchozí měřicí kampaní před rekonstrukcí Naměřené hodnoty Rozdělení do skupin je totožné jako při měření hluku. V následujících grafech je znázorněna závislost naměřených maximálních hladin zrychlení na rychlosti. Graf 10: Svislé vibrace - směr Česká Třebová Graf 11: Příčné vibrace - směr Česká Třebová 17

41 Graf 12: Svislé vibrace - směr Česká Třebová Graf 13: Příčné vibrace - směr Česká Třebová 18

42 3.4 Závěry a doporučení Bylo měřeno celkem šest měřicích míst osazených piezoelektrickými snímači vibrací. Byla zvolena tři měřicí místa a na každém místě byly měřeny svislé a příčné vibrace. První místo bylo zvoleno na pražci, jako referenční místo, kde byly naměřeny vstupní budící hodnoty. Další měřicí místo bylo na kolíku na okraji kolejového lože a posléze na kolíku 7.5 m od středu bližší koleje. Tím byl získán poměrně dobrý obraz o šíření vibrací zemí a poměrném útlumu se vzdáleností. Porovnáme-li celkové hladiny svislých vibrací v závislosti na rychlosti (na bližší koleji), zjistíme, že hladiny vibrací osobních vlaků a rychlíků ve sledovaném rozmezí rychlostí se příliš nemění. Statisticky nejvýznamnější je ovšem hodnota pro rychlost 120 kmh - 1, protože zahrnuje největší počet vlaků. Hodnoty naměřené na pražci v Moravanech před modernizací dosahují cca 150 db (30 ms -2 ), hodnoty naměřené na stejném místě po modernizaci dosahují cca 130 db ( 3 ms -2 ). To je obrovské snížení, o celý řád. Lze jej celkem hodnověrně přičíst vlivu pružného upevnění kolejnic s podložkami pod patou kolejnice. Toto snížení bezpochyby zvýší životnost pražců a dalších komponent traťového upevnění. Zde je nutno zdůraznit, že shodné hodnoty svislých vibrací na pražci byly naměřeny i při měření v Hořanech. Hodnoty naměřené na kolíku 1 (2.5 m od středu bližší koleje) byly před rekonstrukcí cca kolem db ( 0.5 ms -2 ). Téměř totožné hodnoty byly naměřeny i po rekonstrukci. Tyto výsledky je možno přičíst účinkům vápenné stabilizace, která snižuje vibrace na nízkých frekvencích, ale naopak zvyšuje je na vyšších frekvencích. Výsledky frekvenční analýzy tento předpoklad potvrzují. Na kolíku 2 ( 7.5 m od středu bližší koleje) byly před rekonstrukcí naměřeny hodnoty o cca db, po rekonstrukci pak 100 db (0.1 ms -2 ). Tato hodnota je velmi nízká téměř na hranici šumu pozadí a v žádném případě nemůže působit rušivě na obyvatele blízko trati. 19

43 Na měřicím stanovišti v Hořanech byly hodnoty naměřené na kolíku 1 a 2 poněkud odlišné vlivem jiného složení půdy. Nicméně, ani tam naměřené hodnoty nedosahují zdaleka takových hladin, které by signalizovaly možnost výskytu kritického místa. U nákladních vlaků, lze odvodit podobné závislosti, i když vzhledem k počtu změřených vlakových souprav a většímu rozptylu rychlostí jsou výsledky méně průkazné. Přistoupíme-li obdobným způsobem k posouzení příčných vibrací, shledáme, že na pražci před rekonstrukcí byly naměřeny hodnoty dosahující 160 db (100 ms -2 ). Tato velmi vysoká hodnota byla způsobena špatnou geometrickou polohou koleje a celkově špatným stavem svršku, jak lze ostatně před rekonstrukcí očekávat. Po rekonstrukci byly naměřeny hodnoty 125 db (přibližně v řádu 1 ms -2 ). To je snížení téměř o dva řády a je nižší než svislé zrychlení což odpovídá běžně naměřeným hodnotám pro trať v dobrém technickém stavu. Na kolíku 1 jsme zaznamenali po rekonstrukci snížení hladin vibrací o více než 5 db a na kolíku 2 jsou hladiny přibližně totožné kolem 100 db, po rekonstrukci lehce pod 100 db. Opakuji, že tato hodnota je tak nízká, že se s ní není třeba zabývat. Pro nákladní vlaky můžeme vysledovat stejné závislosti, jaké byly uvedeny pro svislé vibrace výše. 4. Celkové závěry Závěrem je možno konstatovat, že výsledky měření hluku potvrzují předpoklad, že po rekonstrukci se kvalita svršku zlepší natolik, že i přes zvýšení rychlosti nebudou hlukové emise vyzářené do okolí vyšší. Dále se jednoznačně potvrdilo, že hlukové emise jsou naopak podstatně nižší i přes zvýšení rychlostí, což je způsobeno vyšším počtem kvalitnějších vozů vybavených kotoučovou brzdou, které jsou ovšem jediné způsobilé provozu rychlostí do 160 km -1. Z těchto výsledků lze tedy odvodit, že celková hluková zátěž na trati po modernizaci bude nižší. Tyto závěry potvrzují výsledky měření v Hořanech i v Moravanech, i když výsledky měření v Moravanech jsou kontaminovány nedodržením podmínek měření vlivem okolností, které nebylo lze ovlivnit. Výsledky měření vibrací ukázaly obrovské snížení vibrací, kterým je vystaven pražec. Pružné upevnění a podložky pod patou kolejnice se ukázaly jako velmi účinný absorbér vibrací vybuzenými systémem kolo-kolejnice. Snížení nákladů na údržbu a vibrační zátěže okolí je naprosto evidentní. V Praze, srpen 2001 Lektoroval: Ing. Jiří Urbánek GŘ ČD O28 20

44 Jiří Trousil, Zdeněk Hájek Návrh kritérií pro vyřazování vozidel s plochými a neokrouhlými koly z provozu na základě indikací zařízení ASDEK Klíčová slova: plochá kola, vyřazování vozidel, ASDEK. Úvod České dráhy, Správa dopravní cesty Pardubice, uvedly 19. dubna 1999 v železniční stanici Zámrsk do ověřovacího provozu nový typ diagnostického zařízení pro zjišťování závad jedoucích vozidel. Jedná se o zařízení ASDEK vyráběné firmou TENS Sopot z Polska, které je instalováno v konfiguraci ASDEK/PMZ/GM/GH/CYBERSCAN2000, kde je: ASDEK obchodní název pro zařízení diagnostiky kolejových vozidel, vyráběné firmou TENS (Polsko), PMZ Indikace Plochých Kol (dále IPK), GM Indikace Horkoběžných Ložisek (dále IHL), GH Indikace Horkých Obručí kol a disků kotoučových brzd/zdrží (dále IHO), CYBERSCAN 2000 obchodní název pro zařízení k detekci teploty ložisek, kol a brzdového zařízení u železničních vozidel, vyráběné firmou Harmon Industries (USA). Jiří Trousil, nar. 1948, absolvent SPŠE, obor sdělovací a zabezpečovací technika r. 1967, vedoucí oddělení rádiové, sdělovací a diagnostické techniky ČD TÚDC, zabývá se problematikou diagnostiky závad na jedoucích vozidlech. Ing. Zdeněk Hájek, CSc., nar. 1942, absolvent ČVUT FEL, obor měřicí a řídící technika r. 1964, vědecký pracovník a vedoucí střediska automatizace a diagnostiky ČD TÚDC, zabývá se automatizací seřaďovacích stanic. 1

45 Obr.1: Sestava zařízení ASDEK Traťová část a základní jednotka zařízení ASDEK, instalovaná ve 2. koleji traťového úseku Choceň Zámrsk v km 274,095 spolu se stanovištěm obsluhy v dopravní kanceláři v žst. Zámrsk, umožňuje sledovat bezdotykově za jízdy vlaku teplotu ložisek, obručí kol, disků kotoučových brzd a nepravidelností na obvodu kola (plochá kola) za účelem jejich identifikace v případě překročení limitních hodnot. 1. Ověřovací provoz Řízením ověřovacího provozu a prováděním zkoušek byla pověřena Technická ústředna dopravní cesty, sekce sdělovací a zabezpečovací techniky (TÚDC). V průběhu sledování ověřovacího provozu byly pravidelně vyhodnocovány měsíční záznamy indikovaných závad vozů v porovnání s následným zjištěním provozních pracovníků (vozmistrů). Tabulka 1: Přehled závad za 16 měsíců ověřovacího provozu 2

46 Druh indikace Úroveň nastavení ASDEK k určení závady Závady indikované zařízením ASDEK [vozů] Průměr indikovaných závad za měsíc [vozů] Závady potvrzené vozmistrem [vozů] IHL 48 o C/60 o C/90 o C 10 0,6 10 IHO 200 o C/300 o C IPK 80mm/120mm Z hodnot uvedených v tabulce 1 je zřejmé, že indikace IHL a IHO byly ve všech případech potvrzeny provozním pracovníkem. V případě indikace IPK bylo však potvrzeno pouze 30 % závad. U stupně KONTROLA (délka plošky nad 80 mm) byla vozmistrem nalezena téměř vždy ploška menší než 80 mm, nebo nebyla vůbec nalezena. U stupně STOP (délka plošky nad 120 mm) bylo rozdílů podstatně méně, ale přesto docházelo i k nezjištění indikované plošky. Na základě těchto zjištěných rozdílů inicioval O 13 DDC ověření činnosti zařízení IPK ASDEK. Odborem 26 GŘ byl tento požadavek zařazen do plánu úkolů technického rozvoje s názvem Návrh kritérií pro vyřazování vozidel s plochými a neokrouhlými koly z provozu na základě indikací zařízení ASDEK. Řešením úkolu byla pověřena TÚDC. 2. Předmět řešení Předmětem řešení bylo stanovení jednoznačného kritéria pro vyloučení vadného vozu z provozu na základě indikace zařízení ASDEK s vyloučením rozhodovací pravomoci vozmistra, který nemá pro objektivní posouzení vady kola vhodné vybavení. Podkladem pro stanovení kritéria bylo porovnání velikostí plošek a dalších typů indikovaných vad dvojkolí zjištěných statickým měřením s hodnotami velikostí plošek naměřených zařízením ASDEK při jízdních zkouškách zkušební vlakové soupravy s přesně definovanými vadami kol. 3. Specifikace vad kol, rozsahu zkoušek a sestavení zkušebního vlaku Zkoušky zařízení ASDEK se uskutečnily v následujícím rozsahu: Zkušební vlak byl sestaven z měřených vozů a měřicího vozu TÚDC. Na obou koncích vlaku byly z důvodů rychlejších návratů připojeny lokomotivy. Zkušební vozy byly nebrzděné. 3

47 Na kolech zkušebních vozů byly vytvořeny umělé plošky délek 90, 45, 60 a 75 mm. Každé dvojkolí mělo na obou kolech po jedné stejné plošce ve stejném místě - ke styku plošek s kolejnicemi docházelo u obou kol současně. Na dvou dvojkolích zkušebního vozu byly vytvořeny umělé plošky 45 a 75 mm posunuté u obou kol o 90 stupňů. Zkušební rychlosti byly: 60, 80, 100 a 120 km/h, každá zkouška 3 x opakována. Jízdy rychlostí 120 km/h proběhly pouze s vozy toho schopnými. Celková ujetá vzdálenost zkušebních vozů byla 185 km. Tabulka 2: Vozidla v soupravě pro rychlosti do 100 km/h: Poř. č. Řada Stav Celková Br. v. (t) Délka přes Poznámka hmotnost (t) nárazníky (m) ,8 1),7) 2 Es 12. sk. prázdný ) 3 Bh prázdný ,5 2) 4 MV TÚDC ,5 5 Res 11. sk. ložený 35,5 0 20,1 2)6) 6 Res 11. sk. prázdný 25,5 0 20,1 2) ,8 7) Celkem ,8 Tabulka 3: Vozidla v soupravě pro rychlost 120 km/h: Poř. č. Řada Stav Celková Br. v. (t) Délka přes Poznámka hmotnost (t) nárazníky (m) ,8 1),7) 2 Es 12. sk. prázdný ) 3 Bh prázdný ,5 2) 4 MV TÚDC , ,8 7) Celkem ,6 Poznámky: 1) lokomotiva s funkčním zařízením pro automatickou regulaci rychlosti. 2) na jednotlivých dvojkolích vytvořeny umělé plošky 90, 45, 60 a 75 mm. 3) na obou dvojkolích vytvořeny umělé plošky 45 a 75 mm posunuté o 90 stupňů u obou kol. 6) vůz ložen nákladem železobetonových panelů o hmotnosti 10 t. 4

48 7) lokomotiva s funkční vozidlovou radiostanicí. Obr.2: Sestavení zkušebního vlaku 4. Statické měření jízdních obrysů a délek plošek zkušebních kol Již na úvodním jednání řešitelského týmu vyvolalo statické měření délek plošek kol pro zkušební vozy širokou polemiku o metodice měření. Proto byla ke spolupráci na tomto statickém měření přizvána Univerzita Pardubice - Dopravní fakulta Jana Pernera. Na základě její zprávy Jízdní obrysy kol s plochými koly bylo pro tyto zkoušky ke statickému měření délek plošek vedle způsobu měření aplikovaného u ČD (měření délky plošky metrem) použito i měření pomocí lamelového měřidla. Výsledky potvrdily značný rozptyl hodnot získaných různými metodami statického měření na dvojkolích vyvázaných ze soupravy měřicího vlaku a opravňují k tvrzení, že kvantitativní zjišťování délky plošky na vlaku není navíc ani z důvodu nepřístupnosti k převážné části obvodu kola v železničním provozu prakticky možné. Statická měření délek plošek byla prováděna před zahájením zkoušek a po jejich ukončení, kdy ujetá vzdálenost zkušebních vozů činila 185 km. Dynamické měření délek plošek zařízením IPK ASDEK Zařízení IPK ASDEK využívá k dynamickému měření délek plošek principu, že při rychlosti nad 40 km/h. ztrácí plochá část kola kontakt s kolejnicí, který je detekován kolejovým obvodem. Ze známé délky měřicího obvodu, hmotnosti působící na jednotlivé kolo, rychlosti vlaku a doby, kdy není kolejový obvod šuntován, lze vhodným softwarem určit délku plochého místa na obvodě kola. Měřicí obvod v kolejišti je rozdělen tak, aby bylo možno detekovat současně i sousední nápravu podvozku. Protokol o každém diagnostikovaném vlaku se zobrazuje na monitoru PC, vytiskne se tiskárnou (dopravní protokol pro výpravčí) a uloží spolu s ostatními daty diagnostikovaného vlaku. Výsledné 5

49 hodnoty dynamického měření byly získány ze servisních protokolů jednotlivých zkušebních jízd IPK ASDEK, kde je jejich číselná hodnota pro jednotlivé nápravy uvedena v cm. 5. Rozbor naměřených výsledků Součástí komplexní analýzy výsledků bylo i porovnání výsledků dosažených statickým měřením s výsledky dynamického měření zařízením IPK ASDEK. K porovnání výsledků jízdních zkoušek byly dosažené výsledky zpracovány v tabulkové podobě (viz tabulku 4), grafickým vyjádřením (viz obr. 3 až 5) a statistickým rozborem T-testem pro párované hodnoty Tabelární a grafické zpracování naměřených výsledků Tabulka 4: Naměřené hodnoty Vozidlo č. nápravy Zadaná délka plošky [mm] Naměřená délka plošky [mm] 60 km/h 60 km/h 60 km/h Indikovaná délka plošky [cm] ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 Es ,9 6,2 5,7 5,3 5,7 5,5 6,1 5,7 6,3 5,0 5,2 5,0 prázdný ,2 6,1 6,6 6,2 6,2 6,8 6,5 6,0 5,8 5,1 5,9 7, ,7 8,6 8,6 7,8 8,1 11,6 8,0 8,4 8,4 10,6 8,0 6,8 Bh ,6 4,6 4,9 4,9 4,4 4,1 4,4 4,0 4,0 4,3 3,4 3,8 prázdný ,4 5,4 4,6 4,8 5,7 4,4 4,6 5,5 5,2 4,5 4,5 4, ,5 6,5 6,8 6,2 6,2 6,9 5,7 5,9 5,7 7,9 5,4 5, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 MV TÚDC ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,9 6,2 5,9 6,4 5,3 5,9 6,1 5,8 5,1 Res ,7 5,4 5,9 5,5 5,5 5,7 5,5 5,1 5,7 ložený ,2 4,5 4,2 4,5 4,2 4,6 4,2 4,3 4,6 10t ,2 11,3 8,2 8,1 8,5 7,9 10,7 7,2 11, ,4 6,4 6,6 6,0 6,6 6,0 6,6 7,3 6,6 Res ,6 5,2 5,9 4,1 4,3 4,3 4,3 4,0 5,8 prázdný ,6 4,3 4,1 4,5 4,1 4,2 4,3 5,7 5, ,1 7,1 6,8 6,2 6,8 6,4 6,1 6,4 6, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0, ,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 80 km/h 80 km/h 80 km/h 100 km/h 100 km/h 100 km/h 120 km/h 120 km/h 120 km/h 6

50 Zadaná délka plošky (teoretická délka plošky) délka plošky [mm] zjištěná statickým měřením používaným u ČD Naměřená délka plošky aritmetický průměr hodnot statického měření délky plošky [mm] lamelovým měřidlem Indikovaná délka plošky délka plošky [cm] zjištěná dynamickým měřením zařízením ASDEK vztažená k příslušné rychlosti zkušebního vlaku - v grafu vyjádřena sloupcem. Horní a dolní toleranční značka grafické vyjádření číselné hodnoty Zadané a Naměřené délky plošky v grafu Toleranční pole pole tolerance vzniklé mezi horní a spodní toleranční značkou při grafickém vyjádření Indikace délek plošek na jednotlivých nápravách ve vztahu k zadané a naměřené délce plošek Nápravy bez plošek (náprava č. 1, 2, 3, 4, 11, 12, 13, 14, 23, 24, 25 a 26). Všechny nápravy jsou při všech rychlostech bez indikace délky plošky Nápravy se dvěmi ploškami (náprava č. 5 a 6). Na obou nápravách vytvořeny dvě plošky délky 45 mm a 75 mm. Při existenci více plošek na jedné nápravě zařízení ASDEK indikuje pouze plošku maximální a je zřejmé, že délky jednotlivých plošek nesečítá. Větší počet plošek se projeví pouze v servisním protokolu větším počtem plošek (odskoků kola). Indikovaná délka plošek je v průměru nižší než hranice tolerančního pole. Nápravy s jednou ploškou (náprava č. 7, 8, 9, 10, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21 a 22). Indikovaná délka plošek je v průměru nižší než hranice tolerančního pole. Indikace délek plošek na jednotlivých nápravách ve vztahu k rychlosti zkušebního vlaku Rozptyl indikovaných hodnot při 3 jízdách stejnou rychlostí se pohybuje do ± 7 mm průměrné hodnoty (aritmetický průměr indikovaných hodnot pro příslušnou rychlost) mimo následujících náprav a rychlostí: Náprava č. 5 při 60 km/h, 6 při 120 km/h, 7 při 80 km/h a 120 km/h, 10 při 120 km/h, 18 při 60 km/h a 100 km/h a 7

51 20 při 100 km/h. Indikace délek plošek ve vztahu k hmotnosti vozu K hodnocení byly sestaveny grafy velikosti plošek dvojic náprav vždy se stejnou délkou plošky vozu loženého (náprava č. 15, 16, 17 a 18) a vozu prázdného (náprava č. 19, 20, 21 a 22). Výsledky měření ztrácí na průkaznosti, neboť hmotnost nákladu vozu činila pouze 10 t. Malý rozdíl hmotnosti obou sledovaných vozů je patrný i dle hodnot kolového tlaku servisního protokolu. Náprava č. 15 a 19 Vzhledem k velkému rozptylu statických hodnot délek plošek (tolerančního pole) nelze odpovědně určit závislost na hmotnosti vozu. Náprava č. 16 a 20, 17 a 21, 18 a 22 U hodnocených dvojic náprav lze použít alespoň shodnost v začátku tolerančního pole a z tohoto pohledu lze vysledovat vyšší indikaci délky plošek u loženého vozu. 12 Horní toleranční značka = zadaná délka plošky Dolní toleranční značka = naměřená délka plošky 10 Velikost plošky [cm] km/hod 80 km/hod 100 km/hod 120 km/hod Rychlost jízdy Obr.3: Délka plošky indikovaná zařízením ASDEK při měřicích jízdách u nápravy č. 6 v porovnání s výsledky statických měření 8

52 12 Horní toleranční značka = naměřená délka plošky Dolní toleranční značka = zadaná délka plošky 10 Velikost plošky [cm] km/hod 80 km/hod 100 km/hod 120 km/hod Rychlost jízdy Obr.4: Délka plošky indikovaná zařízením ASDEK při měřicích jízdách u nápravy č. 6 v porovnání s výsledky statických měření 12 Horní toleranční značka = naměřená délka plošky Dolní toleranční značka = zadaná délka plošky 10 Velikost plošky [cm] km/hod 80 km/hod 100 km/hod Rychlost jízdy 9

53 Obr.5: Délka plošky indikované při jednotlivých měřicích jízdách zařízením ASDEK u loženého vozu (náprava č světlejší sloupce) a u prázdného vozu (náprava č tmavší sloupce) v porovnání s výsledky statických měření 5.2 Statistický rozbor naměřených výsledků Přesnost statického měření délky plošky na kole Jak již bylo zmíněno výše, bylo pro dosažení vysoké objektivity posuzování hodnot naměřených zařízením ASDEK statické měření délek plošek svěřeno Univerzitě Pardubice, katedře dopravních prostředků, formou úkolu s názvem Jízdní obrysy kol s plochými koly měření délky plošek. Protože cílem úkolu bylo i určení optimální metody statického měření plošek, byly v jeho rámci použity a posouzeny následující metody: - Měření délky plošky na základě odchylky vzepětí zjištěné měřicím přístrojem PAVOUK. - Měření délky plošky na základě odchylky vzepětí zjištěné měřicím přístrojem PROFILOMĚR. - Měření délky plošky lamelovým měřidlem. Zpráva o výsledcích řešení doporučila použít pro vztažná měření lamelové měřidlo. Při hodnocení přesnosti zařízení ASDEK byly výsledky měření obsažené v uvedené zprávě podrobeny statistickému rozboru. Vzhledem k možným změnám na hranách plošek byly jako výchozí hodnoty použity údaje získané až po provedených jízdách zkušebních vozů. Výsledky měření byly statisticky zpracovány s následujícími závěry: Měřicí přístroj Pavouk: - údaje získané metodou měření Pavoukem se statisticky významně liší od zadaných hodnot délek plošek (aritmetický průměr odchylek je 10,6 mm). Měřicí přístroj Profiloměr: - údaje získané metodou měření Profiloměrem se statisticky významně liší od zadaných hodnot délek plošek (aritmetický průměr odchylek je 11,3 mm). Lamelové měřidlo: - mezi délkami plošek získanými metodou měření lamelovým měřidlem a zadanými hodnotami není statisticky významný rozdíl (aritmetický průměr odchylek je 2,3 mm). Z provedených tří srovnání jsou výsledky prvních dvou metod od zadaných hodnot odlišné, ale údaje si jsou vzájemně velmi blízké. Výsledky poslední metody lamelového 10

54 měřidla, doporučené ve zprávě Univerzity Pardubice, se od zadaných hodnot statisticky neliší. Jako výchozí pro další posuzování přesnosti měření zařízení ASDEK byly vybrány výsledky měření lamelovým měřidlem. Přesnost dynamického měření plošek bez uvažování vlivu délky plošky, rychlosti jízdy a hmotnosti vozu Stanovení přesností dynamických měření bylo prováděno přímo ze zaznamenaných výstupů zařízení ASDEK, sejmutých při jízdách testované vlakové soupravy. Při obecném pohledu nebyla nejprve v prvním přístupu zohledněna rychlost soupravy. Testována byla hypotéza nulového rozdílu změřených délek plošek a vztažných délek plošek. Jako samostatná měření byly uvažovány i stejně dlouhé plošky na různých kolech, neboť každá ploška je unikát. Z výsledků statistického rozboru vyplynulo, že z celkového počtu 14 měřených náprav se u 12 náprav výsledky statisticky významně liší od vztažných hodnot. Aritmetické průměry odchylek u prakticky všech měření jsou záporné - znamená to, že zařízení ASDEK pracuje se zápornou chybou - hodnoty plošek jsou ve skutečnosti větší. V dalším kroku byl proto proveden odhad systematické chyby měření. Nejlepším odhadem v tomto případě je aritmetický průměr rozdílů výběrových průměrů od vztažné hodnoty, který je roven 11,1 mm. Po přijetí této hodnoty byla již ze 14 testovaných plošek zjištěna statisticky významná shoda u 10 náprav. Ze statistických rozborů vyplynulo, že zařízení ASDEK, při zanedbání vlivu délky plošky, rychlosti a hmotnosti vozu, měří délky plošek se systematickou chybou 11,1 mm. Při takto vypočtené systematické chybě měření je v rozsahu délek od cca 40 mm do 100 mm dosažená přesnost velmi uspokojující. Skutečná délka plošky se z naměřené hodnoty vypočte podle vztahu (50% přesnost): L skut = L změř + 11,1 ± 4,2 [mm] Závislost změřených hodnot na velikosti plošky V předchozím odstavci byla prokázána záporná systematická chyba měření v omezeném rozsahu měření. Vzhledem k tomu, že systematická chyba je záporná, vyvstává otázka, jak se tato systematická chyba mění s velikostí plošky, jinými slovy, jak interpretovat výsledky měření v blízkosti nuly. Proto byla v dalším kroku vyšetřována závislost chyby měření na 11

55 velikosti plošky. Metodou nejmenších čtverců byly vyčísleny odhady regresních parametrů pro předpokládaný lineární vztah závislosti naměřené hodnoty na vztažné hodnotě. Pro statistické posouzení míry závislosti byla provedena analýza rozptylu a následně test hypotézy o nezávislosti odchylek naměřených hodnot od vztažných délek plošek na rychlosti. Grafické vyjádření závislostí změřených hodnot na vztažných délkách je na následujícím grafu. Křivky zobrazují toleranční pole hodnot odchylek pro hladinu významnosti 0,05. Koeficient úměrnosti je 1,19 [mm/mm] Zm ěřená délka plošky [mm] Vztažná délka plošky [mm] Obr.6: Závislost změřené délky plošky na její velikosti Velikost změřené délky plošky je statisticky významně závislá na vztažné délce plošky. Jestliže do vztahu pro přesnost měření zahrneme vlastní délku plošky, bude mít vztah širší platnost a zároveň bude přesnější. Skutečnou délku plošky pak ze změřené hodnoty určíme ze vztahu: L skut = 1,19 * L změř [mm] Závislost změřených hodnot na rychlosti jízdy vozu V tomto kroku bylo šetřeno, jak je přesnost měření plošek závislá na rychlosti jedoucího vozu. K tomuto účelu byly provedeny jízdy zkušebního vlaku rychlostmi 60 km/h, 80 km/h, 100 km/h a 120 km/h. 12

56 Z naměřených hodnot (s vyloučením mimotolerantních hodnot) byly vypočteny odchylky od vztažných délek plošek. Metodou nejmenších čtverců byly vyčísleny odhady regresních parametrů pro předpokládaný lineární vztah závislosti odchylek na rychlosti. Pro statistické posouzení míry závislosti byla provedena analýza rozptylu a následně test hypotézy o nezávislosti odchylek naměřených hodnot od vztažných délek plošek na rychlosti. Grafické vyjádření závislosti je na následujícím obrázku. Křivky zobrazují toleranční pole hodnot odchylek pro hladinu významnosti 0,05. Koeficient úměrnosti je -0,08 [mm/km/h] C hy ba pl oš ky [ Rychlost Obr.7: Závislost chyby naměřených plošek na rychlosti jízdy Naměřená velikost délky plošky je nezávislá na rychlosti jedoucího vozu v pásmu vyšetřovaných rychlostí 60 až 120 km/h. Závislost změřených hodnot na hmotnosti vozu Dále byla vyšetřována závislost přesnosti měření plošek na hmotnosti na kolo vozu (na svislé kolové síle). Použita byla data z jízd dvou typově stejných vozů Res. První vůz s nápravami číslo 15, 16, 17 a 18 byl ložený 10 tunami, druhý s nápravami 19, 20, 21 a 22 byl prázdný. Opět byly vypočteny odchylky naměřených hodnot (s vyloučením mimotolerantních hodnot) od vztažných délek plošek. Metodou nejmenších čtverců byly vyčísleny odhady 13

57 regresních parametrů pro předpokládaný lineární vztah závislosti odchylek na hmotnosti. Pro statistické posouzení míry závislosti byla provedena analýza rozptylu a následně test hypotézy o nezávislosti odchylek naměřených hodnot na vztažných délkách plošek. Grafické vyjádření závislostí odchylek změřených délek plošek od vztažných hodnot je na následujícím grafu. Křivky zobrazují toleranční pole hodnot odchylek pro hladinu významnosti 0,01. Koeficient úměrnosti je 3,17 [mm/t/nápravu] Chyba plošky [mm] Hmotnost na kolo [t] Obr.8: Závislost chyby naměřených délek plošek na nápravovém tlaku Velikost naměřené délky plošky je statisticky významně závislá na hmotnosti na kolo vozu. Praktická síla tohoto tvrzení je bohužel oslabena uspořádáním měření - k vyšetřování závislosti byly dostupné jen dvě málo odlišné hmotnosti. 6. Výsledky komplexní analýzy Neprokázal se přímý vliv ujeté vzdálenosti na změnu délky plošky. Došlo pouze k zaoblení hran plošek, ačkoli ujetá vzdálenost zkušebních vozů činila 185 km. Je třeba zdůraznit, že vozy nebyly brzděny. 14

58 Nápravy bez plošek (lokomotivy a měřicí vůz) byly u IPK ASDEK bez indikací. Nápravy s dvěma ploškami délky 45 mm a 75 mm - při existenci více plošek na jedné nápravě IPK ASDEK indikuje pouze plošku maximální a je zřejmé, že délky jednotlivých plošek nesečítá. Větší počet plošek se projeví pouze v servisním protokolu větším počtem plošek (odskoků kola). Ze statistických rozborů vyplynulo, že i když zařízení IPK ASDEK měří délky plošek se systematickou chybou, stále se jedná o naprosto vyhovující přesnost dynamického měření. Velikost IPK ASDEK indikované délky plošky korigované o systematickou chybu je nezávislá na rychlosti jedoucího vozu v pásmu vyšetřovaných rychlostí 60 až 120 km/h. S rostoucí zátěží kola vozu indikovaná délka plošky vzrůstá. Pro praktické použití však zařízení IPK ASDEK koriguje závislost indikované délky plošky na hmotnosti vozu dostatečně. 7. Závěr Na základě hodnocení průběhu zkoušek TÚDC doporučila ukončení ověřovacího provozu, zavedení zařízení ASDEK do běžného provozu a pro jeho další používání na tratích Českých drah předložila následujících návrh: Návrh kritérií pro vyloučení vadného vozu z provozu na základě indikace zařízení ASDEK Na základě provedených zkoušek konfrontovaných také s dosud prováděnou kontrolou indikovaných vozů v DKV Česká Třebová lze pro optimální využití IPK v současných provozních podmínkách ČD navrhnout následující kritéria: 1. Rozhodujícím ukazatelem k hodnocení závady na kole železničního vozu je indikace IPK. 2. V provozu bude k vyřazení vozu využívána pouze jednostupňová indikace (dosud stupeň STOP) s hodnotou nastavení 110 mm. Při této hodnotě je záruka, že nebudou indikovány plošky menší než 60 mm i při případném rozptylu hodnot. 3. Druhý stupeň (dosud KONTROLA) nastavený na 80 mm bude využíván jako výzva ke kontrole nápravy vozmistrem. 15

59 4. Délka plošky nápravy vyřazené dle 2. kritéria bude při opravě prokazatelně objektivně změřena. 5. Postup uplatnění kritérií bude stanoven výnosem O 12 DOP. 6. Literatura: [1] Návrh kritérií pro vyřazování vozidel s plochými a neokrouhlými koly z provozu na základě indikací zařízení ASDEK. Závěrečná zpráva úkolu, TR Z /00, ČD TÚDC Praha, prosinec [2] Jízdní obrysy kol s plochými koly - měření délky plošek. Zpráva č. SP 09/00, Univerzita Pardubice, katedra dopravních prostředků. V Praze, září 2001 Lektoroval: Ing. Ladislav Kopsa ČD DDC O13 16

60 17

61 Václav Chudáček, Libor Lochman, Michal Stolín Navigační satelitní systémy v železniční zabezpečovací technice? Klíčová slova: železniční zabezpečovací technika, GPS, vedlejší tratě. 1 CO JE NAVIGAČNÍ SATELITNÍ SYSTÉM Navigační satelitní systémy (NSS) jsou aplikací družicové techniky do oblasti určování polohy na zeměkouli. V současné době existují dvě takové navigační sítě - americká GPS a ruská GLONASS - a Evropská unie plánuje vyvinutí nového systému GALILEO, který by měl být připraven k využití po roce GPS (Global Positioning System systém globálního určování polohy, alias NAVSTAR Navigation System using Time and Ranging navigační systém využívající měření času a vzdálenosti) je založený na principu jednosměrného (pasivního) dálkoměru. Přijímač GPS, umístěný na předmětu, jehož polohu je třeba určit, měří dobu šíření signálu z družicové antény k přijímací anténě v přijímači GPS a tento naměřený čas je převeden (pomocí známé rychlosti šíření radiového signálu) na vzdálenost (vtipným řešením je obejita skutečnost, že časová základna vysílačů a přijímačů není předem synchronizována). Údaje ze čtyř družic umožňují určit přepočtem polohu přijímače v jakémkoliv souřadném systému např. i v běžné kartografické projekci. Údaje z více než čtyř družic umožňují (v závislosti na konkrétní konstrukci přijímače) zpřesnění polohy podle pravděpodobnostních algoritmů. Systém GPS obsahuje více než 20 aktuálně činných družic ve vzdálenosti cca km od zemského povrchu, přičemž jejich poloha je volena tak, aby nad ideálním horizontem bylo pro jakékoliv místo na zemi 8 satelitů. Družice (a jimi vysílané navigační signály) jsou řízeny pozemní centrálou celého systému. Přijímač NSS přijímá signály ze všech viditelných družic (kromě dálkoměrného signálu vysílají i navigační zprávy, nesoucí informace o jejich okamžité poloze), ale jejich počet může být v reálných podmínkách, vzhledem k okolnímu terénu a jiným překážkám, podstatně redukován a v krajním případě může klesnout až na nulu (hluboký zářez, tunel atd.). Systém GLONASS je založen na obdobných principech jako systém GPS (pro rozlišení dálkoměrných signálů jednotlivých družic využívá kmitočtového multiplexu, kdežto GPS používá kódový multiplex na téže nosné), ale v současné době má větší obtíže s udržením v provozuschopném stavu pro nedostatek prostředků. Ing. Václav Chudáček, CSc., nar. 1943, absolvent VŠD 1965, pracovník ČD VÚŽ oblasti sdělovací a zabezpečovací techniky. Ing. Libor Lochman, Ph.D., nar. 1963, absolvent VŠD 1986, ředitel ČD VÚŽ. Ing. Michal Stolín, nar. 1964, absolvent ČVUT - Fakulta elektrotechnická 1988, pracovník ČD VÚŽ oblasti sdělovací a zabezpečovací techniky.

62 Jako nevýhody obou a tedy i hlavní důvody pro evropské projekty GNSS a nejnověji GALILEO se uvádí : provoz bez záruk - provozovatelé stávajících systémů neposkytují žádnou záruku ani neručí za funkčnost - ta může být např. provozovatelem i záměrně přerušena nebo falzifikována, nejistá spolehlivost - např. uživatelé nejsou informováni ani o již zjištěných poruchách, chybách atd., jen střední přesnost. Přijímače systémů určování polohy využívají celou řadu různých metod pro výpočet polohy. Rozlišovat je třeba kódová měření od měření fázových, měření na více frekvencích, měření vícekanálová, měření diferenční (DGPS) atd. Všechny metody však více či méně vychází z předpokladu přímočarého šíření signálu mezi družicí a přijímačem. Tento předpoklad může být významně narušen poruchami v přenosovém kanálu, zejména poruchami typu rušení, mnohacestného šíření signálu vlivem odrazů či nepřímočarého šíření signálů vlivem refrakcí (lomů) radiových signálů ve vyšších vrstvách atmosféry. Každá z metod je na tyto poruchy jinak citlivá, žádná však není proti nim zcela odolná [1, 2]. Kromě těchto poruch se, stejně jako v jakémkoliv jiném obecném (nikoliv zabezpečovacím) zařízení, mohou také vyskytovat náhodné či systematické poruchy jednotlivých částí systému - přijímačů, družic i ostatních pozemních součástí družicového navigačního systému - které mohou výslednou funkci falzifikovat. Z těchto hledisek je pro zabezpečovací techniku zvláště zajímavé tzv. diferenční neboli relativní určování polohy. Při něm je výše uvedený základní princip doplněn o druhý přijímač, nacházející se ve stabilní a předem známé poloze. Tento druhý přijímač zasílá prvnímu přijímači (jehož polohu jest určit) korekčním radiovým kanálem informaci o jím zjištěných odchylkách své, právě změřené polohy od polohy známé. První přijímač pak svou zjištěnou polohu koriguje korekční informací druhého přijímače. Vychází se přitom z předpokladu, že chyby dvou nepříliš vzdálených přijímačů (ve srovnání se vzdáleností satelit-přijímač) v měření vzdálenosti mezi přijímačem a družicí nejsou zcela náhodné, ale silně korelují. Tento předpoklad ovšem platí jen pro určité poruchy a zcela jistě neplatí pro náhodné poruchy jednotlivých přijímačů (v takových případech může dojít i ke zhoršení původní situace). Korekce je sice v dnešních zařízeních GPS použita pro zpřesnění výsledku měření polohy, ale při jiném zpracování by ji bylo možné použít jako informace s charakterem redundance. Obdobné závěry lze vyvodit i u přijímačů měřících na více frekvencích. 2 CO POSKYTUJE NSS Pro zabezpečovací techniku jsou informace o skutečné poloze a pohybu vlaků (a někdy i jednotlivých vozidel či skupin vozidel netvořících vlak) klíčové. Kvalita této informace (jak její přesnost, tak zejména její bezpečnost a spolehlivost) do značné míry předurčuje kvalitu výsledného zabezpečovacího zařízení a tedy i vhodnost pro ty které provozní poměry. Pro posouzení možnosti využití systémů NSS v zabezpečovací technice jsou zejména důležité následující údaje: Přesnost informace o poloze je závislá na stavu celého globálního navigačního systému, na počtu přijímaných satelitů a jejich okamžité vhodné poloze nad horizontem, na existenci a

63 vzdálenosti referenčního bodu od mobilního přijímače, na přenosových podmínkách (jak mezi přijímačem a družicí, tak mezi referenčním bodem a přijímačem), na době měření, na rychlosti pohybu vlaku atd. Orientačně se pro systém GPS dnes obvykle udává: standardní režim řádově desítky metrů, přesný režim s využitím P kódu řádově 1 m, diferenční režim (DGPS) lepší než 1 m. Pravděpodobnost získání korektního výsledku (v mezích přesnosti) - 0,95. Doba potřebná k určení polohy s příslušnou přesností - u moderních vícekanálových přijímačů prakticky zanedbatelná. Dostupnost informace o poloze je závislá zejména na počtu současně přijímaných (viditelných) satelitů, popřípadě i na dostupnosti korekčního signálu liší se podle konkrétní konfigurace trati a je třeba počítat s oblastmi, kde informace o poloze nebude dostupná vůbec nebo nebude dostupná po jistou dobu. Integrita (neporušenost) informace o poloze - z hlediska zabezpečovací techniky je u všech dnes existujících navigačních systémů nedostatečná, což jednoznačně vyplývá z pravděpodobnostních principů vyhodnocení polohy, bez aplikace principů obvyklých a dnes už jednoznačně předepsaných pro železniční zabezpečovací techniku evropskými normami (viz dále). 3 DOPLŇKOVÉ INERCIÁLNÍ SYSTÉMY Nedostatky samotných přijímačů pro určování polohy, zejména jejich neschopnost poskytovat věrohodné informaci v místech, kde není možný příjem dostatečného počtu vhodně umístěných vysílacích satelitů, vedla ke kombinaci vlastních přijímačů NSS s inerciálními navigačními systémy (INS), přičemž celek se obvykle označuje jako přijímač NSS/INS. INS pracují na principu určení dráhy ze změřeného zrychlení při pohybu (ve dvou nebo třech osách) a tento princip je realizován mechanickými, laserovými nebo piezoelektrickými gyroskopy. Algoritmy zpracování výsledné informace o poloze jsou ovšem opět založeny na pravděpodobnostních principech, protože výsledky měření jsou zatíženy řadou systematických i náhodných chyb. Ne nevýznamným omezením možností systémů INS je skutečnost, že systém může (na rozdíl od NSS) určit polohu jen v případě, že zná z jiného zdroje polohu počáteční. 4 ROZHODUJÍCÍ POŽADAVKY ŽELEZNIČNÍ ZABEZPEČOVACÍ TECHNIKY Požadavky pro využití přijímačů navigačních satelitních systémů (NSS) v zabezpečovací technice je možné, jako v jiných případech, rozdělit do dvou skupin : na požadavky týkající se integrity bezpečnosti (zúženě technická bezpečnost) a požadavky týkající se funkčních vlastností (funkční bezpečnost).

64 4.1 Integrita bezpečnosti Pojem integrita (neporušenost, nedotčenost) bezpečnosti se obecně týká pravděpodobnosti, s níž systém (nebo zařízení) dosáhne naplnění bezpečnostních požadavků a nově jej zavedla norma EN 50126, specifikující obecně pro veškeré železniční systémy parametry RAMS (spolehlivost, dostupnost, udržovatelnost, bezpečnost). Pro zabezpečovací techniku jsou tyto záležitosti podrobně kodifikovány v evropské normě ENV a v normách souvisejících a jsou zabezpečovacím odborníkům důvěrně známy. S odkazem na obr. 1 jen připomeňme, že pro dosažení jisté úrovně integrity bezpečnosti je nutné, aby systém (zařízení), s ohledem na náhodné i systematické poruchy, splňoval v průběhu celé životnosti zařízení (tj. od návrhu přes výrobu, montáž a provoz až po demontáž) všechny v obrázku uvedené oblasti požadavků. Integrita bezpečnosti Systematické selhání integrity Náhodné selhání integrity Podmínky Řízené kvality Podmínky Řízené bezpečnosti Podmínky technické bezpečnosti Kvantitativní bezpečnostní cíle Obr. 1 Tak např. požadavky na technickou bezpečnost lze (při výchozím předpokladu zabezpečovací techniky, že v zařízení může v jednom okamžiku vzniknout pouze jedna nezávislá porucha) zjednodušeně vyjádřit : žádnou poruchou nesmí dojít k ohrožení bezpečnosti jízdy vlaků, každá porucha se musí vhodně a dostatečně rychle (s přihlédnutím k četnosti poruch) projevit, aby bylo možné vyloučit, že se objeví jakákoliv další porucha, která by v kombinaci s poruchou první mohla ohrozit bezpečnost, není-li některá porucha detekována ve smyslu předchozího odstavce, je nutné předpokládat vznik jakékoliv další poruchy, pokud by vlivem jedné poruchy mohlo dojít ke vzniku následných (závislých) poruch, je nutné uvažovat také všechny kombinace těchto poruch, po detekci poruchy by mělo bezprostředně samočinně dojít k odstavení vadného zařízení nebo vadné části zařízení. V každém případě však výstupy vadného zařízení (vadné části) musí zůstat nebo neprodleně přejít do stavu, který neohrožuje bezpečnost dopravy, po odstavení zařízení pro poruchu nesmí ani další poruchou dojít k samovolnému obnovení funkce. Úroveň integrity bezpečnosti (SIL) zařízení je pak číslo, které vyjadřuje stupeň důvěryhodnosti, s níž zařízení specifikované bezpečné vlastnosti splňuje. Uvádí se ve čtyřech kategoriích úroveň 4 (SIL 4) je nejvyšší, úroveň 1 (SIL 1) je nejnižší; pokud se objevuje

65 úroveň SIL 0, značí to, že se jedná o zařízení na které nejsou kladeny žádné bezpečnostní požadavky ve smyslu zabezpečovací techniky. Proto, aby jisté zařízení mohlo být zařazeno do odpovídající úrovně bezpečnosti SIL, musí vyhovovat všem v obrázku uvedeným faktorům: podmínkám řízené kvality a bezpečnosti, podmínkám technické bezpečnosti a kvantitativním bezpečnostním cílům (viz tab.1). Jak patrno, splnění kvantitativního ukazatele samo o sobě neznamená, že bylo dosaženo odpovídající úrovně bezpečnosti. To platí ovšem i naopak ani splnění tří předchozích podmínek (řízení kvality, řízení bezpečnosti a technické bezpečnosti) nezaručuje, že bylo dosaženo kvantitativních cílů a nelze tedy tvrdit, že zařízení lze zařadit do odpovídající skupiny SIL. I to představuje v případě navigačních systémů určitý problém, porovnáme-li pravděpodobnost získání korektního výsledku s tabulkou 1, protože každý výsledek přesahující požadovanou přesnost může být hazardní. Úroveň integrity bezpečnosti SIL Tolerovatelná četnost hazardu THR [za hodinu a funkci] THR < THR < THR < THR < 10-5 Další podrobnosti viz např. [3, 4, 6]. 4.2 Integrita bezpečnosti při použití prvků NSS Bezpečnost zařízení pro informaci o poloze vlaku je možné zkoumat v provedení, kdy přijímač NSS je: a) výhradním prvkem (prvky) pro určení polohy vlaku, b) při určení polohy spolupracuje s dalšími nezávislými(!) systémy, které na každém hnacím vozidle již povinně jsou (např. odometr), popř. budou se systémem NSS na vozidle vždy spolupůsobit (inerciální navigační systém, ETCS, atd.) či budou spolupůsobit na trati (stavědlo, RBC atd.). Ad a) informace o poloze vlaku musí být poskytnuta s integritou odpovídající využití informace v konkrétním zabezpečovacím zařízení (tj. bezpečná ve smyslu zabezpečovací techniky, dnes obvykle výhradně v úrovni SIL 4). Této úrovni dosavadní systémy (GPS, GLONASS) zcela jistě nevyhovují a nebude jim zřejmě vyhovovat ani systém GALILEO, přesto si lze představit lokalizační systém, který by s využitím podstatných částí stávajícího nikoliv bezpečného systému NSS umožnil získání alespoň v jisté míře bezpečné (např. na úrovni SIL 2) informace o poloze vlaku. Předpokladem je využití

66 diferenčního měření nebo měření na více frekvencích a podstatný zásah do komerčního přijímače (zavedení jiného způsobu zpracování polohových informací, jiný způsob nakládání s korekční informací z referenční stanice to vše s aplikací obecně platných zabezpečovacích principů) a kombinace s inerciálními systémy. Tyto práce ovšem znamenají dost značný objem vývojových prací a podstatnou změnu celého přijímacího modulu zajišťujícího informaci o poloze vlaku. To se pak nutně výrazně odrazí v ceně takto upravených přijímačů NSS, přičemž existuje značné riziko, že předpokládané vyřazení pravděpodobnostních postupů ve vyhodnocování polohy povede k dalšímu zhoršení již tak pro zabezpečovací techniku nebývale špatné dostupnosti korektní informace. Ad b) při využití spolupráce s dalšími nezávislými systémy není třeba uplatňovat požadavek na bezpečnost samotného přijímače NSS. Lze využít obecně v zabezpečovací technice používaný princip redundance informace z nezávislých systémů např. : informace o poloze z přijímače NSS, informace o změně polohy z inerciálního systému INS, informace o ujeté dráze z odometru, informace o geometrii trati, uložené v paměti systému, informace o postavené jízdní cestě ze stavědla nebo RBC. redundance ovšem musí být uplatněna způsobem vyhovujícím zabezpečovací technice [6], problematické při tomto přístupu k řešení bezpečné lokalizace je zejména bezpečné určení výchozí polohy vlaku, resp. výchozí polohy po studeném startu nebo resetu systému navigačního určování polohy. 4.3 Funkční požadavky Při stanovení funkčních požadavků se omezujeme na využití jediné originální funkce systému NSS - určení polohy vlaku. Další, někdy v této souvislosti nesprávně uváděné funkce (přenos dalších zabezpečovacích informací, řízení sledu vlaků atd.), nejsou systémům NSS vlastní a jsou ve skutečnosti zajišťovány jinými existujícími (nebo připravovanými) zabezpečovacími subsystémy v rámci inteligentních dopravních systémů (k nimž zejména patří vlakový zabezpečovací systém ETCS, radiobloky ale i digitální rádio GSM-R) a samotné NSS (NSS/INS) je nemůže nahradit [5]. Aby informace o poloze vlaku měla pro zabezpečovací techniku smysl, je samozřejmým předpokladem její doplnění současnou a bezpečnou informací o celistvosti vlaku. Ta může být zajištěna automaticky tím, že jde o nedělitelnou soupravu, nebo speciálním zabezpečovacím zařízením na vlaku [4]. Funkční požadavky na systém pro určování okamžité polohy vlaku by obecně mohly být uvažovány odděleně pro různé kategorie tratí a pro různé kategorie rychlosti vlaků (pokud by rychlost tyto parametry výrazně ovlivňovala). Důležité jsou zejména následující veličiny, které předběžně kvantifikujeme pro vedlejší tratě: požadovaná přesnost, která je kritická zejména v oblasti stanice či spouštěcího a vypínacího bodu přejezdu (např. pro informaci, zda vlak již uvolnil zhlaví či zda je třeba již uzavřít nebo zda je možné otevřít přejezd) a to zejména při zastavení vlaku (za jízdy

67 vlaku je možné konfidenčním intervalem oblast rozšířit, protože důsledky pozdržení nebo předčasného zahájení akce nebudou tak nepříznivé). Z těchto úvah plynou následující požadavky na přesnost informace o poloze vlaku při stání: v ose kolejí : ± 6 m (odvozeno s přihlédnutím k přesnosti umisťování návěstidel vůči skutečnému konci jízdní cesty na ČD), kolmo k ose : ± 2 m (odvozeno z požadavku na rozlišení souběžných kolejí), dostupnost : ve stanici, ve statickém režimu - alespoň jeden zaručený relevantní údaj o poloze každých 30(?) s, na trati a ve stanici za jízdy alespoň jeden zaručený relevantní údaj o poloze na každý 1 km jízdy, přičemž informace o poloze musí být k disposici do typicky 1 s od minutí měřené polohy. V tomto případě ovšem nepředpokládáme využití této informace o poloze vlaku pro spouštění a uvolňování přejezdových zařízení (pokud by měla být využita i k tomuto účelu, bylo by třeba zajistit relevantní údaj o poloze cca každých 100m), pokud by pro místní podmínky nebylo možné tyto parametry splnit, bylo by nutné použít jiného lokalizačního prostředku (např. balízy). Systém by pak musel být budován tak, aby pracoval stejně ať již získá lokalizační informaci z kteréhokoliv uvažovaného prostředku. Pro srovnání: přesnost lokalizace Eurobalízy (ETCS) je bezpečně v mezích ± 1 m pro rychlosti do 500 km/h, přičemž bezpečná informace o poloze je na vozidle přístupná do 100 ms po minutí středu balízy (typické hodnoty přesnosti zjišťované experimentálně pro běžné rychlosti se pohybují v řádu centimetrů), dostupnost bezpečné informace lepší než 0, POROVNÁNÍ NÁKLADŮ NA ŽIVOTNÍ CYKLUS PŘIJÍMAČE NSS A BALÍZY Stávající technika určování polohy v inteligentních dopravních systémech používá referenční balízy umístěné v předem známých místech na trati a směrově orientované odměřování dráhy ujeté od referenční balízy odometrem na vozidle. Takto získaná informace o poloze vlaku vůči trati (včetně konfidenčního intervalu) obsahuje i informaci o směru pohybu vlaku a je využita jak v mobilní části vlakového zabezpečovacího zařízení, tak je předána do pozemní centrály. Počet referenčních balíz je závislý na řadě okolností a jako průměrné číslo je možné odhadnout maximálně na 2 balízy na jeden kilometr jednokolejné vedlejší tratě. Současná cena vlastní balízy činí cca 15 tisíc Kč/kus, přičemž se při masovém rozšíření očekává její výrazné snížení. Vyhodnocovací (přijímací) zařízení balízy na hnacím vozidle je součástí vlakového zabezpečovacího zařízení (např. ETCS), které na vozidle musí být minimálně v případech, kdy se hnací vozidlo pohybuje, byť jen občas, po hlavních tratích. Přijímače NSS by mohly tedy nahradit vlastní, na trati umístěné, fixní balízy a pouze v případě, že by tyto balízy nahradily za všech okolností, bylo by možné vypustit přijímací modul balízy na vozidle. Pro hrubou orientaci v nákladech předpokládejme, že k této aplikaci by došlo na všech vedlejších tratích ČD, tj. na cca 3000 km. Pro jejich vybavení by bylo třeba cca 6000 balíz, tedy cca 6000*2*15000 = 180 mil.kč. Dále předpokládejme, že modul přijímače NSS by v úpravě pro aplikaci v zabezpečovací technice nebyl dražší než modul přijímače balízy. Na

68 druhé straně by bylo třeba vybudovat několik pozemních referenčních stanic, které by musely být zapojeny do sítě GSM-R nebo pro účely redundance přidat další výše zmíněná zařízení. I v nejpříznivějším případě by nebylo možné dosáhnout větší investiční úspory než cca 50 tisíc Kč/km tratě, což, poměřeno všemi ostatními náklady, je částka zanedbatelná. Výrazně se nezmenší ani provozní náklady, které by v případě nutnosti budovat pozemní referenční stanice dokonce mohly vzrůst. Při současném stavu techniky nelze tedy z aplikace přijímačů NSS upravených pro potřeby zabezpečovací techniky v žádném případě očekávat významné ekonomické přínosy. 6 ZÁVĚR Rozhodující pro přímé použití navigačních systémů v zabezpečovací technice bude okolnost, zda se podaří nalézt vhodné řešení problémů integrity bezpečnosti, zmíněných v předchozích odstavcích. Některé možnosti se sice rýsují, ale bez důkladnějších analýz nelze dnes jednoznačně potvrdit, že tento problém je skutečně přijatelně řešitelný - s dodržením obecných principů zabezpečovací techniky, s odpovídajícími funkčními vlastnostmi a za přijatelnou cenu. Z doposud zveřejněných výsledků měření [2] je možné konstatovat, že vývoj přijímačů NSS v posledním období postoupil tak daleko, že splnění požadavků na přesnost není ani u stávajícího systému GPS již problémem, takže dokonce ani není nutné používat pro tento účel nejpřesnějších (a tedy nejdražších) přijímačů. Problematická však z funkčního pohledu zabezpečovací techniky zůstává dostupnost a spolehlivost předávané informace. Na druhé straně shora uvedené střídmé požadavky na přesnost a dostupnost informace o poloze pro zabezpečovací účely ponechává alespoň jistou naději na nalezení přijatelného řešení pro jednodušší dopravní poměry. Lze však také konstatovat, že náhrada fixní balízy navigačním systémem za dnešního stavu technologie není nijak výrazně výhodná ani z pohledu ekonomického ani funkčního. Zdá se, že některými optimisty očekávané přínosy této techniky nebude v krátké době možné přímo v zabezpečovací technice seriozně naplnit. Výhody této techniky lze pak jednoznačně spatřovat všude tam, kde odpadají bezpečnostní požadavky a kde ani déletrvající nedostupnost informace nemá fatální důsledky pro provoz. Ve všech těchto případech již za dnešního stavu může toto zařízení přispět k obecnému zkvalitnění služeb (zejména informací) poskytovaných železnicí a jde jen o ekonomické hodnocení, zda se vložené investice vyplatí. Není přitom nutné ani čekat na vybudování nového evropského navigačního systému GALILEO, ale je možné využít existujícího systému GPS (resp. GPS+GLONASS). Vše nasvědčuje tomu, že případný budoucí přechod na nový systém bude zvládnutelný bez větších technických problémů. I v oblasti řízení vlakové dopravy existuje možnost, jak navigační systém bez jakékoliv úpravy využít pro zvýšení bezpečnosti dopravy. Příkladem může být použití na dnes nezabezpečených vedlejších tratích, nikoliv však jako náhrada zabezpečovacích systémů, ale jako pomůcka (např. pro dispečera zajišťujícího provoz podle D3) do doby, než budou k disposici finanční prostředky pro skutečný zabezpečovací systém pro vedlejší tratě. Při takové aplikaci je ovšem nutná jistá míra opatrnosti. Informace z ne bezpečného systému nelze využívat přímo, např. zobrazením dispečerovi, protože by mohly maskovat skutečné bezpečné výchozí informace (byť zatížené chybou lidského činitele). Mohou ale být využity

69 jako informace kontrolní, např. tak, že v případě, kdy dispečer naznačí vydání povelu, který by byl v rozporu se zjištěními tohoto kontrolního systému, bude dispečer upozorněn na pravděpodobný konflikt a bude se vyžadovat nové potvrzení příkazu. Tímto řešením se nikterak nesejme výlučná odpovědnost dopravního personálu za bezpečnost provozu, ale sníží se pravděpodobnost jejich, jinak včas neidentifikovatelných, omylů. Návrh takového systému je ve VÚŽ připraven (jako součást systému zabezpečení vedlejších tratí s možnou postupnou modulární výstavbou) a čeká na zájemce. 7 LITERATURA: [1] Hrdina, Z., Pánek, P., Vejražka, F.: Rádiové určování polohy. Vydavatelství ČVUT, Praha 1995 [2] Závěrečná zpráva projektu V+V: Inteligentní systém určení polohy na principu GPS pro zvýšení bezpečnosti a efektivnosti řízení pozemní dopravy. Geoinvest, 2001 [3] ENV [4] Železniční zabezpečovací technika. ČD-VÚŽ, Praha 1996 [5] Vlakové zabezpečovací systémy. ČD VÚŽ, Praha 1999 [6] Aplikace elektronických prvků v železniční zabezpečovací technice. ČD VÚŽ, Praha 2000 V Praze, srpen 2001 Lektoroval: Ing. Zdeněk Kaufmann GŘ ČD O29

70 1. CO JE NAVIGAČNÍ SATELITNÍ SYSTÉM

71 Vladimír Vejvoda a kolektiv Ostře sledované vlaky Klíčová slova: CDS - Centrální dispečerský systém, CEVIS - Centrální vozový informační systém, EIRENE - Evropská integrovaná železniční síť, GPS - Global Positioning System (globální navigační satelitní systém), ISOŘ - Informační systém operativního řízení, TCP/IP - Transmission Control Protocol / Internet Protocol, VDS - Vlakový dispečerský systém. Takto nazvaly Hospodářské noviny počátkem roku 1998 informační článek věnovaný jednomu z doposud největších projektů vědy a výzkumu Ministerstva dopravy a spojů ČR. Projekt vedený pod číslem S205/210/801 se přes svůj oficiální název Inteligentní systém určení polohy vozidel na principu GPS pro zvýšení bezpečnosti a efektivnosti řízení pozemní dopravy věnuje zejména drážním aplikacím družicové navigace. Gestorským útvarem ministerstva je proto Odbor drah a železniční dopravy. Ukončení projektu bylo stanoveno na konec roku Vedením projektu byla na základě výsledků výběrového řízení pověřena společnost Geoinvest. Vítězné řešení navrhované touto společností se opírá o rozsáhlé zkušenosti v technologiích GPS, několikaletý výzkum GPS aplikací v prostředí ČD a zejména o bezprecedentní znalosti drážního prostředí spoluřešitelů projektu Institutu Jana Pernera, OLTISu s.r.o. a VÚŽ o.z.čd. V březnu roku 2001 řešitelé projektu úspěšně obhájili před hodnotitelskou komisí MDS a oponenty z ČD veškeré výsledky zkušebního provozu a prokázali splnění všech bodů zadání. Čtenáři Vědeckotechnického sborníku ČD jsou jako první seznámeni s hlavními rysy a dosaženými výsledky navrhovaného řešení. Výstupem projektu jsou zejména schémata jednotlivých komponent hardwaru resp. prototypy vlakových lokátorů a podrobné popisy matematických formulí a algoritmů včetně zdrojových Ing. Vladimír Vejvoda, nar Vystudoval ČVUT, fakultu stavební, obor geodézie a kartografie. Od roku 1991 do současnosti pracuje v managementu společnosti Geoinvest, která se intenzivně zabývá aplikacemi GPS na všech úrovních (výzkum, obchod a služby GPS). Geoinvest je hlavním řešitelem projektu V+V a autor je osobou zodpovídající za kompletní řešení projektu.

72 textů programů, pro řadového čtenáře, byť profesně zaměřeného sborníku, s minimální vypovídající schopností. Proto jsme se zde omezili pouze na základní popisy řešení a velmi zjednodušené interpretace dosažených výsledků. Na straně druhé předpokládáme obecné povědomí o technologii GPS, a tak se tento článek vyhýbá populárně naučnému glosování známých faktů. 1. Výchozí podmínky projektu Reálné aplikace družicových technologií v železniční dopravě i v průmyslově vyspělých státech jsou po pravdě řečeno ještě v plenkách. I v takové zemi jako je například USA, otčině GPS, kde je satelitní navigace všude přítomná více jak 10 let, údaje o poloze vlaků získané z GPS slouží pouze pro naplnění informačních systémů spojených s pohybem zboží. Obdobně jako v letecké dopravě i na železnici je nejdůležitějším kritériem integrita systému, konkrétně spolehlivost včasné detekce eventuální chyby. Za hlavní handicap GPS se považuje jeho statut- provozovatelem je Ministerstvo obrany USA, a pak samotný princip šíření signálu radiových vln, degradovaný řadou atmosférických a geomorfologických vlivů. Přesto, že Spojené státy americké zrušily úmyslné znepřesnění rádiového signálu GPS a garantují světové veřejnosti bezplatný provoz, nelze opomíjet primární vojenské určení tohoto systému a z toho vyplývající potenciální nebezpečí pro korektní plynulý provoz. Bohužel i fyzikální vlivy, zcela nezávislé na politické situaci, nejsou úplně přesným družicovým aplikacím rovněž nakloněny. Bez ohledu na zmíněná rizika a negativa, se současný počet používaných přijímačů GPS odhaduje na téměř čtyřicet miliónů po celém světě, z toho je 14% nasazených v dopravě. Poslední rozhodnutí americké administrativy o širším zpřístupnění GPS a v USA přijatý zákon o mobilních telefonech, vyžadující GPS zástavbu v každém mobilu, tento počet ve velmi krátké době zněkolikanásobí. GPS lobby, situovaná převážně v USA, si tak zajistila na mnoho let dopředu zlatý roh hojnosti. Pro evropský kosmický průmysl a evropské instituce představa nestravitelná. Dnešní závislost na Spojených státech v satelitní navigaci je neoddiskutovatelná a vyvolává snahu po osamostatnění. V Hi technologiích jako nikde jinde platí o to víc kdo chvíli stál, stojí již opodál, a tak veškeré dosavadní snahy prezentované v evropských navigačních systémech GNSS vyznívají rozpačitým dojmem potvrzujícím jen těžkopádnost politiky EU při realizaci velkých projektů. Ani nejnovější projekt GNSS Evropské unie a Evropské kosmické agentury (ESA), sympaticky nazývaný Galileo, nemá

73 na růžích ustláno. Základní rysy systému by měly být definovány do konce roku 2000 a plná funkčnost k dispozici až kolem roku Do té doby se stanou GPS technologie korunovou záležitostí, svoji spolehlivostí a dostupností postačující pro více jak 95% potenciálních uživatelů. Proti ještě nenarozenému Galileu, které se již v samotných přípravách na realizaci potýká s nedostatkem financí a jehož záměrem je poskytování služeb na komerční bázi, tak stojí bezplatný systém s ohromným počtem funkčních aplikací. Nespornou výhodou Galilea by však měla být vyšší přesnost a spolehlivost podpořená geostacionárními satelity, pozemními pseudolity a garantovanou kompatibilitou a interoperabilitou s GPS. Zde je na místě držet Galileu všechny palce, zejména železničářské, protože v případě dosažení vytyčených parametrů Galilea přestává být představa použití satelitní navigace pro primární zabezpečovací drážní aplikace fabulací. Přes shora uvedené pesimizmus evokující argumenty mají satelitní technologie na železnici reálné šance již nyní. Zejména v systému sledování železničních zásilek, v procesu optimalizace plánování a řízení dopravy a rovněž i při zvyšování bezpečnosti a spolehlivosti provozu na regionálních tratích. Ministerstvo dopravy ČR svým rozhodnutím zařadit satelitní technologie do seznamu projektů vědy a výzkumu posunulo Českou republiku mezi takové země jako jsou Velká Británie a Německo, kde národní dráhy EWS resp. DB seriózně zvažují nasazení GPS jako zdroj informace o poloze vlaků do drážních informačních systémů. O výsledcích britského a německého výzkumu informovali manažeři obou subjektů na mezinárodní konferenci GPS technologie v dopravě a logistice, konané v září 1999 v Londýně. Každý ze zmíněných subjektů realizuje výzkum zcela samostatně bez jakékoliv koordinace v rámci EU nebo UIC a potvrzuje tím jen fakt, že pokud evropští provozovatelé železnic chtějí využít GPS, pak nemohou počítat s podporou EU. Averze EU vůči GPS vyústila v roce 1997 ve vyhlášení projektu Telematics evropské komise DG XIII na řešení vlakového polohového lokátoru, později pojmenovaného APOLO. Zadání projektu zveřejněné na internetu požadovalo řešení zcela nezávislé na GPS. Ambiciózní plány se však v průběhu řešení paradoxně smrštily na vývoj laciného GPS lokátoru evropské provenience, opatřeného navíc několika málo funkčními prvky GNSS. Účastníci již zmíněné londýnské konference se shodli na následujících faktech. Projekt Galileo nemá doposud vyřešen ani návrh kosmického segmentu. Jeho první uživatelské segmenty (např. vlakové polohové lokátory), pokud bude vše probíhat podle plánu, spatří světlo světa nejdříve za 8 let. Do té doby je jedinou reálnou alternativou nasazení družicových technologií na železnici GPS i s jeho problematickými vlastnostmi.

74 2. Základní cíle projektu stanovené zadavatelem Zadavatel si do smlouvy zapracoval zásadní podmínku, že vynaložené finanční prostředky respektive úsilí řešitelského týmu musí směřovat k vypracování řešení, které je seriózně realizovatelné v prostředí ČD prakticky okamžitě po ukončení projektu. Výstupy projektu by měly mít povahu funkčního hardware a software, adaptovatelného bez větších obtíží do reálného drážního provozu. Takováto kritéria předem vylučují dílčí řešení a vyžadují komplexní přístup k dané problematice formulovaný v předmětu smlouvy o dílo následujícími požadavky: - Vývoj vlakového polohového lokátoru na bázi GPS a inerciálního systému (INS), který určí polohu vlaku kdykoliv a kdekoliv na trati s přesností 1-2 m. - Navržení a vyvinutí pozemního monitorovacího řídícího systému v režimu online, zajišťujícího sledování požadovaných mobilních objektů, zpětnou vazbu centra na sledované objekty a poskytování dat do navazujících řídících, zabezpečovacích a informačních systémů. Dále uváděno jako komunikační server GPS. - Doporučení a ověření nejvhodnější telekomunikační infrastruktury pro obousměrný přenos dat mezi vozidlem a řídícím centrem. - Vypracování matematického modelu řízení vlakové a kombinované dopravy účelně využívající GPS technologie s hlavním důrazem na zvýšení integrity v souladu s potřebami dopravní politiky ČR a EU. Obr.1: Schéma navrhovaného řešení

75 2.1 Vlakový polohový lokátor Základní charakteristiky Pro zajištění požadavku určení polohy kdekoliv a kdykoliv na trati, tedy i v tunelech a místech bez možnosti příjmu satelitního signálu, se pouze s diferenčním GPS (DGPS) přijímačem nevystačí. Potřeba přesných souřadnic i v geomorfologicky a urbanisticky náročném prostředí vyžaduje řadu nutných přídavných komponent. Jednou z nejdůležitějších součástí navigace hned po přijímači DGPS je inerciální systém (INS). Oba způsoby určování polohy se využívají paralelně a pomocí speciálních filtračních procesů tzv. Kalmanovy filtrace se provádí analýza kvality jednotlivých měření v reálném čase se současnou syntézou prověřených dat, určených pro distribuci do dispečerského centra. Dalšími prvky lokátoru jsou odometr jako zdroj informací pro INS a dále akcelerometr, detekující prokluz kol a průjezd výhybkou. To vše je nutné řídit výkonným procesorem s jádrem reálného času. Z výsledků vývoje vzešly 4 typy vlakových polohových lokátorů. Lokátory jsou postaveny na shodné procesorové platformě Motorola a liší se od sebe prakticky jen typem použitého GPS přijímače a INS. Základní elektronická deska s interním firmware je jednotná a umožňuje použití prakticky libovolné kombinace GPS a INS. Hlavním komponentou pro určení polohy ve stávajících prototypech jsou OEM GPS desky od firmy Ashtech. Použité GPS přijímače s ohledem na technické parametry a cenu, reprezentují kompletní škálu komerční nabídky pro dynamické aplikace s požadavkem na vysokou přesnost. V lokátoru typu (4) je použita kombinovaná deska GPS a GLONASS. Důvodem

76 této implementace je plnění požadavku na GNSS. Bohužel systém GLONASS je již téměř dva roky nepoužitelný v souvislostí s absencí více jak 50 ti % satelitů. Pro zajištění požadované přesnosti v určení polohy i v případě ztráty signálu z družic jsou lokátory vybaveny nezávislým INS. Nejvyšší přesnost byla dosažena s gyroskopem FOG od amerického výrobce KVH Industries s měřítkovým faktorem linearity < 0,5%. Pro méně přesné aplikace jsou v prototypech použity piezo čipy od firmy Murata. Projektem požadovanou přesnost cca 2m však splňuje pouze kombinace INS FOG s GPS G12 a GG24, která je obsažena v lokátoru typu 3 resp. 4. Lokátor typu 4 pro svoji cenu a zmíněnou nekompletnost systému GLONASS není pro praktické použití na ČD vhodný. Lokátory typu 1 a 2 vyhovují jen pro méně přesné aplikace informační úrovně i když se požadované přesnosti resp. mezní chybě 2m značně přibližují. Kombinace GPS a INS ve stávajících prototypech, včetně odhadu střední polohové chyby Mp z testovacích měření a koncové prodejní ceny lokátoru jsou uvedeny v následující tabulce. Tabulka 1: Typ lokátoru Typ GPS Počet kanálů m p DGPS Typ INS M p Odhad ceny* 1 Ashtech G8 8 1,5 m Piezo 2,9 m ,- Kč 2 Ashtech G ,4 m Piezo 1,4 m ,- Kč 3 Ashtech G ,4 m FOG 0,7 m ,- Kč 4 Ashtech GG ,4 m FOG 0,7 m ,- Kč * koncová cena zahrnuje i průmyslový modul GSM Siemens A1 (A20) Součástí polohového lokátoru je průmyslový komunikační OEM modul GSM Siemens A1 ( A 20). Modul A1 je určen pro veřejnou síť GSM 900 Mhz. Je schopen přenosu SMS a hlasu. Modul A20 je rozšířen o datový přenos. Standardní funkcí lokátorů, bez ohledu na existenci modulu GSM, je interface pro rádiomodemy RACOM datové sítě MORSE. V lokátorech je počítáno s osazením komunikačního portu pro standardizované periférie GSM R. Při přechodu na GSM R je nutné naprogramovat pouze interface. Standardní modul GSM Siemens A1/A20 se v tomto případě neosazuje, čímž se sníží koncová cena lokátorů.

77 Vyvinuté lokátory úspěšně absolvovaly výchozí revizi a zkoušku pro elektrické technické zařízení na kolejových hnacích vozidlech ve smyslu 47 zákona 266/1994 Sb., vyhlášky 100/95 Sb. a norem ČSN331500, a Drážním úřadem pak byl podle 43 odst. 6 zákona o drahách povolen provoz na drážním vozidle řady Testovací měření lokátorů Testování vlakových lokátorů a tím i navržených algoritmů Kalmanova filtru probíhalo na vlečce vedoucí z nádraží Pardubice do Nemošic. Místo je pro testovací měření příhodné hned z několika důvodů. Tím hlavním je existence referenční stanice GPS pro poskytování korekcí DGPS na budově Elektroúseku ČD v těsné blízkosti vlečky. Díky tomu není nutné budovat nákladné retranslátory pro radiový přenos korekcí z velké vzdálenosti. Území, kterým vlečka prochází, disponuje hustým vegetačním porostem, hlubokým zářezem a četnými zdroji falešných odrazů a jinak rušivých elementů, je tedy velmi nepříznivé pro příjem GPS signálu, a tím mimořádně vhodné k důkladnému prověření kvality navrhovaného řešení. Na zhruba 30% úseku je GPS signál zcela nedostupný a v dalších 25% velmi nekvalitní. Testovacím drážním vozidlem byla osvědčená MUV 69. Celá osa koleje zhruba 3 kilometry dlouhého úseku je zaměřena s centimetrovou přesností a slouží jako bezchybný etalon pro zaznamenaná data. Pro prezentaci výsledků testování uvádíme naměřená data ze dvou lokátorů typu 3. Níže uvedené hodnoty odhadů skutečných chyb v příčném směru od osy koleje reprezentují soubor přibližně změřených bodů, získaných z více jak 50 jízd v různém časovém období. Obr. 2: Četnosti skutečných chyb lokátoru typu 3

78 Četnost měřené a filtrované polohy v % z měřených bodů filtrace všechny body filtrace body pokryté GPS měření GPS měření GPS filtrace všechny body filtrace body pokryté GPS filtrace všechny body měření GPS filtrace body pokryté GPS >10 toleranční pásmo v metrech od středu koleje Chyby větší jak 2 metry většinou paradoxně pochází z úseků s poměrně dobrým příjmem GPS signálu ale se silným vlivem falešných odrazů odborně nazývaných multipath. 2.2 Komunikační server GPS Komunikační server GPS je software provádějící archivaci dat předávaných vozidly do dispečerského centra na platformě Windows NT nebo unixového typu LINUX při vysoké spolehlivosti ochrany spravovaných dat vůči poruchám hardware nebo neoprávněnému zneužití. Zabezpečuje obousměrnou komunikaci mezi vozidly a dispečerským pracovištěm. Dokáže řídit cca vozidel v reálném čase v závislosti na propustnosti komunikačních kanálů. Je přizpůsoben pro datovou a SMS komunikaci GSM (GSM R), Orbcomm a radiovou síť MORSE. Podporuje síťovou komunikaci LAN/Intranet, Internet nebo pevné a modemové propojení na GSM. Datové a komunikační struktury jsou přizpůsobeny pro obousměrnou komunikaci s drážními IS a matematickým modelem kombinované dopravy. Obr. 3: Blokové schéma navrženého řešení

79 POLOHOVÝ LOKÁTOR PŘIJÍMAČ GPS MODUL GSM (MORSE) MODUL GSM (MODUL MORSE) KOMUNIKAČNÍ SERVER APLIKAČNÍ ÚROVEŇ (Informační systémy řízení vlakové dopravy) Komunikační server GPS se chová jako jednolitý program, ve skutečnosti je ale realizován jako hlavní program a sada pomocných programů (démonů), které unifikovaným způsobem zpřístupňují systému různé prostředky pro přenos dat. Vzájemná komunikace mezi komponentami probíhá prostřednictvím proprietárního protokolu postaveném nad TCP/IP protokolem. Využití standardního protokolu TCP/IP jako základu pro vlastní komunikační protokol umožňuje provozovat server jako službu jak na Internetu tak i lokálních (např. firemních) Intranetech. Komunikační server GPS je navržen tak, aby měl minimální požadavky na výkon a hardwarové parametry počítače a bylo jej tedy bylo možné používat na strojích, které poskytují i jiné služby (WWW, FTP, SMTP, POP3 atd.). V současnosti jsou k dispozici verze pro Linux a Windows NT. 2.3 Telekomunikační infrastruktura Klíčovou částí systému sledování drážních vozidel, respektive jeho základním technickým předpokladem efektivního nasazení v železniční dopravě, je spolehlivá a provozně dostupná datová mobilní komunikace. Jedním z úkolů projektu je doporučení vhodné telekomunikační infrastruktury. S ohledem na mimořádnou důležitost problematiky a široké vazby na stávající a projektované radiové systémy na ČD a v celém evropském prostoru, musí toto doporučení zcela respektovat záměry přijaté a uskutečňované Českými drahami. Velmi perspektivním systémem pro mobilní komunikaci v železniční dopravě, vycházející z projektů EU a potažmo ČD, je GSM-R. Jedná se o přizpůsobený standard GSM fáze 2+ potřebám drážního provozu, odborné železničářské veřejnosti známý pod označením EIRENE. Budování GSM R je velmi finančně nákladné a tak lze v ČR reálně počítat s pokrytím maximálně hlavních koridorových tratí.

80 Systém sledování drážních vozidel, tak jak je pojímán řešiteli tohoto projektu, má ale největší přínos na vedlejších tratích a proto je nutné využít buď stávající veřejné sítě GSM nebo jiné rádiokomunikační prostředky. Bohužel tuzemský traťový radiový systém TRS, který pokrývá zhruba 32% celkové délky tratí, je vhodný pro fónickou komunikaci, nikoli pro přenos dat typu polohových souřadnic a telemetrie vozidla. Určitou alternativou pro rychlé pokrytí vedlejších tratí vyhovujícím datovým komunikačním prostředkem by mohla být datová radiová síť MORSE společnosti Racom spol. s r.o. použitá v testovacím provozu vlakového lokátoru. Plošnému nasazení systému MORSE by musel předcházet podrobný projekt hodnotící tuto síť z hlediska přenosové kapacity a finanční únosnosti z hlediska ČD. Záměrem hlavního řešitele projektu bylo tuto část projektu v žádném případě nezanedbat a proto byla podepsána smlouva s VÚŽ o.z. ČD o spolupráci na projektu V+V. Výsledkem je vysoce fundované a aktuální zhodnocení daného stavu a reálných možností datové komunikace na tratích ČD. Ve snaze se co nejvíce přiblížit požadavkům na GSM R je součástí vlakového polohového lokátoru průmyslový komunikační modul Siemens A1. K testování reálného provozu je pak využity veřejné sítě veškerých českých provozovatelů GSM. Paralelně s úspěšným testováním datové a SMS služby GSM byla pro obousměrnou komunikaci použita i rádiová síť MORSE. Pro účely testovacího provozu byla zvolena trať Praha Rudná. Trať prochází velmi členitým územím Prokopského a Dalejského údolí a z hlediska obtížnosti představuje nejnáročnější prostředí pro příjem signálu z GPS a šíření rádiových vln. Přesto, že dané území bylo s ohledem na pokrytí GSM a MORSE vybráno zcela náhodně, nebylo nutné stávající sítě v souvislosti s projektem V+V nikterak zahušťovat. 2.4 Matematický model řízení vlakové dopravy Byl vypracován programový model využití systému GPS pro řízení vlakové dopravy a návaznosti tohoto systému na další informační systémy Českých drah (ČD). Jako systém přímo navazující na GPS byl zvolen Vlakový dispečerský systém (VDS), určený pro řízení vlakové dopravy na oblastních ředitelstvích ČD, schopný zprostředkovávat takto získané informace pro další informační systémy ČD. V průběhu řešení projektu se podařilo v podmínkách železničního provozu dostatečně otestovat části programových modulů, a to: převod dat ze systému GPS na zprávu určenou pro Vlakový dispečerský systém (VDS)

81 komunikační server pro přenos zpráv na VDS přenos zpráv na VDS protokolem TCP/IP příjem zpráv na VDS kvitování zpráv VDS přiřazení kódu GPS k vlaku zobrazení zpráv z GPS na VDS s přiřazením polohy vlaku k dopravnímu bodu a staniční koleji vazba na další informační systémy ČD přenos informací získaných pomocí systému GPS z VDS pro jiné využití Obr. 4: Schéma datových toků při použití informací z GPS v systému VDS KOMUNIKAČNÍ SERVER GPS kvitance aktualizace databáze KOMUNIKAČNÍ SERVER VDS MODUL PŘEVODU INFORMACÍ APLIKAČNÍ SERVER VDS INFORMAČNÍ SYSTÉMY ČD DATABÁZOVÝ SERVER VDS KLIENT VDS

82 2.4.1 Popis datových toků a algoritmů: - Jednotka GPS vyhodnotí dle družicových signálů svou polohu, předá ji na komunikační server GPS. - Komunikační server GPS vytvoří na základě těchto dat zprávu a protokolem TCP/IP odešle. - Komunikační server VDS zprávu přijme a předá modulu převodu informací. - FPI (funkce převodu informací) odešle pomocí komunikačního serveru VDS kvitanci na zprávu 880-0, vyhodnotí souřadnice obsažené ve zprávě 880-0, provede přiřazení staniční koleje a vytvoří zprávu 080-0, kterou předá aplikačnímu serveru VDS (pokud souřadnice odpovídají v určitém intervalu souřadnicím dopravního bodu) Přiřazení koleje FPI začne zaznamenávat souřadnice všech zpráv jednotky GPS, jakmile se tato dostane do intervalu souřadnic dopravního bodu. V okamžiku vytvoření zprávy provede aproximaci těchto souřadnic na staniční kolej vzhledem k známým souřadnicím několika bodů na staniční koleji Okamžik vytvoření zprávy Příjezd jednotka GPS se dostane do intervalu souřadnic dopravního bodu a status jízdy se změní na stojí. Odjezd jednotka GPS je v intervalu souřadnic dopravního bodu a status jízdy se změní na jede.

83 Průjezd jednotka GPS opustí interval souřadnic dopravního bodu při nezměněném statutu jízdy. - Aplikační server VDS zapracuje zprávu do databáze a zprostředkuje aktualizaci databáze a informuje klienty VDS o změně dat. - Aplikační server VDS předá pomocí komunikačního serveru zprávu na určené další informační systémy ČD. - Aplikační server přijímá dotazy na polohu vlaků a předává odpovědi na tyto dotazy, vše pomocí komunikačního serveru VDS. Tabulka 2: Druhy informací z dat GPS Název informace Označení Odesílatel Příjemce Informace o poloze vlaku dle GPS V880-0 Kom. server GPS Funkce převodu informací Informace o jízdě vlaku V080-0 Funkce převodu informací Aplikační server VDS Informace o jízdě vlaku V080-1 Aplikační server VDS Informační systémy ČD rozšířená Kvitance K080-0 Aplikační server VDS Kom. server GPS Dotaz na pohyb vlaku D076-3 Prostředek pro dotaz (ITCEVIS, ISOŘ, MIS, Dopravní deník, www Aplikační server VDS nebo Komunikační server GPS prohlížeč, ) a aplikační server VDS Informace o pohybu vlaku T076-3 Aplikační server VDS Prostředek umožňující příjem informace (ISOŘ, ITCEVIS, MIS, deník, www prohlížeč, )

84 Posílání informací, kvitování a formáty zpráv se řídí standardy schválenými na ČD Základní moduly řešení využití GPS v řízení vlakové dopravy Modul komunikace Komunikace mezi komunikačním serverem GPS a aplikačním serverem VDS probíhá na obou stranách za pomoci komunikačního serveru VDS a modulu Communicator. Oba prostředky patří ke standardům ČD. Základním komunikačním protokolem pro předávání zpráv uvnitř ČD je TCP/IP. Komunikaci na této úrovni zastřešuje komunikační server VDS. Tento server má RPC rozhraní, které je využíváno ostatním aplikacemi. Jednou z nich je Communicator, který zajišťuje vyšší aplikační funkce, má stejné rozhraní jako komunikační server VDS a zároveň je jeho klientem. K němu jsou připojeny ostatní aplikace Modul elektronické mapy Modul slouží k přiřazení zeměpisných souřadnic obsažených ve zprávě z GPS k dopravnímu bodu a ke staničení koleji v tomto bodu. Dále slouží k vyhodnocení momentu příjezdu, odjezdu či průjezdu vlaku dopravním bodem Grafická prezentace sledovaných objektů Základním prvkem pro grafickou prezentaci dat je panel pro sledování polohy vlaků. Tento grafický prvek je schopen zobrazovat polohu vlaků, výluky na staničních a úsekových kolejích, přirážky a obsazení kolejí na vyznačeném dopravním úseku. Tento panel se vytyčuje v mapě železniční sítě ČD, kde jsou zobrazeny dopravní body a dopravní úseky. Umožňuje zobrazení vlaků v daném časovém okamžiku na staniční nebo traťové koleji. Pro řízení dopravy je zde zobrazeno schéma kolejiště dopravních bodů a je zde přehled o obsazení kolejí jak vlaky, tak výlukami i odstavenými vozy. Obr. 5: Grafická prezentace v panelu

85 V panelu jsou zobrazeny zvolené stanice, staniční koleje, vlaky a jejich zpoždění. Graficky je znázorněno, ve kterých dopravních bodech je vlak potvrzen. Druhy vlaků jsou odlišeny barevně. Panel poskytuje přehledné zobrazené aktuální dopravní situace a přepokládané průjezdy vlaků dopravními body Vazba na další systémy Tabulka 3: Vazba na informační systémy ČD Systém Směr vazby Informace Druh vazby ISOŘ ISOŘ Jízda vlaku Nepřetržitá ISOŘ VDS F103 Plánovaný vlak Nepřetržitá ISOŘ VDS F108 Změna Nepřetržitá identifikace vlaku Analýza GVD Analýza GVD Aktualizace databáze Nepřetržitá

86 Analýza GVD VDS Doplnění narušení Dávková GVD Zvláštní přepravy Zvláštní přepravy Aktualiz Nepřetržitá ace databáze CDS CDS Jízda vlaku Nepřetržitá CEVIS CEVIS Jízda vlaku Nepřetržitá ITCEVIS, MIS, VDS Jízda vlaku Nepřetržitá Dopravní deník ITCEVIS, MIS, VDS Dotaz na polohu Dávková Dopravní deník vlaku ITCEVIS, MIS, ITCEVIS, MIS, Odpověď na polohu Dávková Dopravní deník Dopravní deník vlaku ITCEVIS, MIS, Dopravní deník ITCEVIS, MIS, Dopravní deník Distribuce informací o poloze vlaků Nepřetržitá 2.5 Testovací provoz Završením projektu V+V bylo komplexní ověření navrženého systému v reálných podmínkách drážního provozu. Již koncem roku 1999 byl celý systém připraven k nasazení. Bohužel s ohledem na statut řešitelů, kteří nedisponují drážními vozidly resp. nejsou součástí struktury ČD, se počátek realizace testovacího provozu opozdil o více než 10 měsíců. Východiskem z této situace bylo podepsání smlouvy o spolupráci mezi ČD,s.o. a Geoinvestem spol. s r.o. Ředitel odboru kolejových vozidel umožnil nasazení vlakového lokátoru na drážní motorový vůz 810 z depa Plzeň, provozní jednotka Zdice. Dne se podařilo v souladu s 43 odst.6 zákona o drahách získat povolení DÚ k montáži a provozu vlakového polohového lokátoru na motorovém voze , trať Praha Rudná Beroun, a to do Následně polohový lokátor úspěšně absolvoval výchozí revizi a zkoušku pro elektrické technické zařízení na kolejových hnacích vozidlech ve smyslu 47 zákona 266/1994 Sb., vyhlášky 100/95 Sb. a norem ČSN , a

87 Trať Praha Smíchov Rudná byla vybrána s ohledem na mimořádně členitý skalnatý a zalesněný terén Prokopského a Dalejského údolí, kterým prochází. Toto území je z hlediska příjmu signálu GPS a komunikace GSM či MORSE velmi nepříznivé. Pro obousměrný přenos informací se na straně jedné testovala veřejná síť GSM operátorů Eurotel a Radiomobil a na straně druhé datová komerční síť MODANET využívající systém MORSE. Korekce DGPS se přenášely pouze sítí MODANET. Řešitelé předpokládali s ohledem na určení daného území pro rekreační účely nesouvislé pokrytí jak GSM tak i MODANETu. K překvapivému zjištění však nebylo nutné daný prostor nikterak doplnit retranslačními body. Testované území bylo pokryto na 100% což jen dokazuje mimořádnou vhodnost daných komunikačních technologií pro drážní účely zejména v souvislosti s tak nepřístupným terénem. Námi osazený vlak projíždí danou lokalitu 6 x denně a do data , ke kterému se vztahují údaje uvedené v této zprávě bylo vyhodnoceno 356 průjezdů s více jak záznamy o poloze. Po celou tuto dobu nedošlo k sebemenšímu výpadku zařízení nebo nedoručení zpráv jak na vlak tak i z vlaku. Přesnost určení polohy je dána střední chybou Mp=0.85m. Ani v jednom případě nepřekročila odchylka od osy koleje mezní chybu 2m Údaje z 20 náhodných průjezdů včetně porovnání přesnosti jednotlivých průjezdů jsou uvedeny v tabulce 4. Tabulka 4: Průjezd Max + Max - Mp Průjezd Max + Max - Mp Mp=0,85

88 Z výsledků dosažených v průběhu zhruba tříměsíčního testování jednoznačně vyplývá, že vyvinuté řešení splňuje ve všech parametrech zadání projektu V+V. Testováním prošel jak vlakový polohový lokátor, který s dostatečnou rezervou splňuje požadovanou mezní chybu 2m, tak i jednotlivé SW moduly Komunikační server nebo interface Vlakového dispečera, které prokázaly mimořádnou stabilitu ve 24 hodinovém denním provozu. Rovněž navrhovaná telekomunikační infrastruktura na bázi GSM (GSM R) nebo MORSE se jednoznačně osvědčila pro potřeby drážní satelitní navigace. Matematický model řízení vlakové dopravy byl doveden do úrovně prakticky ověřené programové aplikace integrované s informačním systémem ČD. Matematický model kombinované dopravy byl rovněž doveden k ověřené programové aplikaci. Stávající řešení je připraveno k okamžitému nasazení do rozsáhlejšího testovacího provozu a do následného globálního použití v prostředí ČD. 3. Zhodnocení přínosu sledování pohybu vlaků pomocí GPS Aplikace vlakového lokátoru v systémech řízení a sledování železniční dopravy může za předpokladu síťového nasazení, nebo nasazení ve vymezených oblastech regionálního provozu být významnou podporou nové technologie řízení, využívající bezpečnostně nerelevantní informaci o aktuální poloze vlaku, nebo přepravovaného objektu. Fiskální vyjádření přínosu vlakového lokátoru je ztíženo okolností, že není samostatně racionálně využitelnou aplikací, ale systémovým modulem aplikace procesu řízení nebo sledování objektů, provázaným s koncovým uživatelským systémem, a jeho přinos je integrální částí přínosů, dosažených tímto systémem. Zavedením sledování pohybu vlaků pomocí systému GPS se dosáhne těchto přínosů: Údaje o poloze hnacího vozidla a potažmo vlaku nebudou závislé na lidském činiteli, čímž se zvýší kvalita údajů, jakož i včasnost a pravidelnost poskytování těchto údajů. Zlepší se tím řízení vlakové dopravy. Lépe se budou moci využít prostředky pro zabezpečení vlakové dopravy a zmenší se zpoždění vlaků. Tím se dosáhne zvýšení produktivity práce dopravního procesu a přepravy Při sledování pohybu vlaků pomocí systému GPS na tratích s řízením dopravy dle předpisu D3 odpadne nutnost telefonického potvrzování polohy vlaků. Dirigující výpravčí

89 bude mít neustálý přehled o poloze vlaků na trati, čímž se i sekundárně zvýší bezpečnost vlakové dopravy při zachování stávajících zabezpečovacích prvků. Systém sledování pohybu vlaků pomocí GPS umožňuje přenos dat na hnací vozidlo, což lze využít pro hospodárné řízení jízdy hnacího vozidla na vlaku a k úspoře energie pro jeho jízdu. Přenos dat na hnací vozidlo zvyšuje bezpečnost vlakové dopravy při vzniku mimořádných událostí, kterým lze zabránit včasným varováním strojvedoucího (ujetí vozů, jízdy vlaku do obsazeného oddílu atp.). Zvýšení atraktivnosti dopravních služeb Zlepšení podmínek pro služby intermodální dopravy. 4. Resumé Současné řešení projektu respektuje jak požadavky zadavatele projektu na technickou úroveň výsledného díla, tak i omezené zdroje koncového uživatele, kterým by měly být České dráhy s.o. Z hlediska finančního krytí je nejvyšší nákladovou položkou při realizaci projektu vybudování telekomunikační infrastruktury a vybavení hnacích drážních vozidel polohovým lokátorem. Řešitelé se proto po konzultacích na MDS a GŘ ČD zaměřili na realizovatelnost projektu hledáním kompromisního řešení právě v těchto částech projektu. Polohový lokátor, tak jak je vyvinut, je téměř o řád levnější než ukazovaly prvotní propočty na počátku řešení. Přitom přesností a funkcemi vyhovuje řízení vlakové dopravy, která je stěžejním uplatněním lokátoru na železnici. Pro případná další využití GPS a ostatních satelitních technologií na železnici je nutné vypracovat další důkladné analýzy odborníky z drážního prostředí. Několikaměsíční provoz na trati Praha Rudná potvrdil vynikající vlastnosti vyvinutého řešení. Z hlediska technologie použití systému GPS pro řízení vlakové dopravy je možno konstatovat, že by systém mohl najít uplatnění na vedlejších tratích ČD, kde není možno zajistit pořizování a přenos informací o jízdě vlaku jiným způsobem, tj. zabezpečovacím zařízením nebo personálem stanic. Na hlavních tratích by bylo možné využít informace, které je možné získat zařízením GPS a které dnes nejsou dostupné. Jde o údaje o přesné momentální poloze vlaku, momentální rychlosti, spotřebě energie atd.

90 Veškeré dosažené výsledky, jako dílčí technické zprávy, zdrojové texty programů a prototypy lokátorů, jsou archivovány resp. uskladněny u hlavního řešitele projektu. V Praze, leden 2001 Lektorovali: Ing. Bohumil Nádvorník, AŽD Praha s.r.o. Ing. Václav Chudáček, CSc., Výzkumný ústav železniční Praha Ing. Karel Beneš, Výzkumný ústav železniční

91 Karel Hlava Vliv změny ovládacího kmitočtu systému hromadného dálkového ovládání na filtračně-kompenzační zařízení trakčních napájecích stanic Českých drah Klíčová slova: jednofázová trakce ČD, filtračně-kompenzační zařízení, signál hromadného dálkového ovládání. 1 - Úvod Dodavatel elektrické energie používá v rozvodných sítích pro svoje operativní účely systém hromadného dálkového ovládání (HDO). Tento systém využívá ovládací signál tvořený superposicí tónového kmitočtu a napětí sítě 50 Hz. V oblastech České republiky, kde ČD provozují jednofázovou trakční soustavu 25 kv, 50 Hz, se zatím používá kmitočet ovládacího signálu HDO 216,67 Hz. Aby se zabránilo útlumu tohoto signálu, předepisuje dodavatel elektrické energie v odběrném místě jistou nejmenší hodnotu impedance odběrného zařízení vztaženou ke kmitočtu systému HDO. V souladu s těmito skutečnostmi ČD zavedly v trakčních napájecích stanicích (TNS) svá filtračně-kompenzační zařízení (FKZ), aby umožnily nejenom kompenzaci jalového výkonu hnacích vozidel, ale i podstatně omezily deformaci napětí sítě 110 kv proudovými harmonickými produkovanými hnacími vozidly. Tato FKZ jsou tvořena dvěma rezonančními L-C větvemi, zajišťujícími jak kompenzační výkon na kmitočtu 50 Hz, tak i omezení složky 3. a 5. harmonické v napětí sítě 110 kv. Doc. Ing. Karel Hlava, CSc., nar. 1930, absolvent ČVUT FEL, obor elektrická trakce r. 1953, vědecký pracovník, býv. vedoucí oddělení EMC TÚDC, nyní SŽE Hradec Králové 1SB1OR112_ doc 1

92 Předchozí příspěvek [1] měl za úkol: vyjasnit vazbu hodnot výkonových prvků dvouvětvového FKZ na výslednou hodnotu impedance FKZ pro ovládací signál HDO energetiky 216,67 Hz, to jest hodnot C 3, L 3, C 5 a L 5, při dodržení požadovaného kompenzačního výkonu FKZ, připravit podklady pro návrh parametrů FKZ nově projektovaných TNS, aby mohla být splněna minimální hodnota impedance TNS pro ovládací signál HDO. Byla použita obecně platná analýza chování obou větví FKZ, která vyšla z poznatku, že mezi oběma kmitočty sériové rezonance L-C větví FKZ, na kterých má FKZ jako celek nejmenší impedanci, leží jedna frekvence paralelní rezonance, na které FKZ vykazuje teoreticky neomezenou hodnotu impedance. Je tedy možno vhodnou volbou parametrů obou L-C větví nastavit tento kmitočet právě na ovládací kmitočet signálu HDO, pokud tento kmitočet leží mezi rezonančními frekvencemi L-C větví, to jest mezi 150 Hz a 250 Hz. V takovém případě by vstupní impedance FKZ dosahovala velmi vysokých hodnot, teoreticky neomezených. Tento příspěvek rozšiřuje oblast použití výše uvedené studie [1] v tom smyslu, že: odvozuje obecné vztahy pro výpočet vstupní reaktance, případně impedance, celé TNS včetně náhradní reaktance trakčního transformátoru 110/27 kv na všech čtyřech vyčleněných ovládacích kmitočtech HDO (167 Hz, 183,33 Hz, 216,67 Hz a 232 Hz), jak jsou uvedeny tabulce 1 PNE [3], případně i pro jiné ovládací kmitočty, pokud leží v mezích 150 Hz do 250 Hz, opět s respektováním kapacity C TV připojeného trakčního vedení (TV) a indukčnosti L D dekompenzační větve, včetně odhadu vlivu trakčního odběru, dovoluje stanovení kapacit C3 a C5 tak, aby současně: vstupní reaktance, případně impedance, TNS jako celku včetně kapacity TV vykazovala na straně 110 kv nejméně hodnotu X HDO,MIN předepsanou dodavatelem elektrické energie pro případně i změněný ovládací kmitočet HDO vybraný z výše uvedených hodnot daných PNE , TNS jako celek vykazovala na straně 110 kv potřebnou hodnotu kompenzačního výkonu na základním kmitočtu sítě 50 Hz, vytvořily spolu s L 3 a L 5 sací obvody sloužící k omezení deformace napětí sítě 110 kv proudovými harmonickými produkovanými hnacími vozidly. 2SB2OR122_ doc 2

93 V základní části příspěvku je přijat předpoklad, že TNS není zatížena trakčním odběrem. Za tohoto předpokladu přechází pojem impedance TNS na pojem reaktance TNS. V závěrečné části příspěvku je pak analyzován případ s mezním činným trakčním odběrem a tam je tedy nutno použít pojmu impedance TNS. 2 - Výpočtová část Na rozdíl od výrazu (14) a dalších z [1], kde se i další vztahy týkaly odvození ideálního nastavení parametrů FKZ s cílem dosažení teoreticky neomezené hodnoty vstupní reaktance FKZ včetně kapacity TV a bylo tedy možno zanedbat vliv náhradní reaktance trakčního transformátoru, je ve zde sledovaném případě zaměřeném na dosažení již konečných (dodavatelem elektrické energie předepsaných jako nejmenších) hodnot vstupní reaktance X TNS,HDO,MIN nutno s touto náhradní reaktancí počítat. Výraz (14) z [1] dostává zde tvar platící obecně pro reaktanci TNS značenou X TNS jako celku na libovolné frekvenci f : f XTNS() f = XTT 50 1 C3 C5 2π f f f + 2 f f5 + C 1 ( 2π f) 2 TV 2 L D (1) Veličina X TT představuje náhradní reaktanci trakčního transformátoru 110/27 kv a je definována výrazem X TT uk U = 100 S 2 TV TT [Ω, %, kv, MVA] (2) Ve výrazu (1) se předpokládá obecné naladění obou L-C větví FKZ definované kmitočty f 3 a f 5. 3SB3OR132_ doc 3

94 Náhradní indukčnost dekompenzační větve L D je definována výrazem L D 2 UTV = 100 π ( QK, FKZ π UTV CTV ) [H, kv, Mvar, F] (3) Výraz (1) je tedy výchozím výrazem a bude použit dvěma způsoby: Dosadíme-li do (1) za obecný kmitočet f = 50 Hz, dostaneme reaktanci celé TNS včetně kapacity trakčního vedení C TV pro základní kmitočet sítě X TNS,50. Pro tento výpočet musíme vyloučit člen s indukčností L D dekompenzační větve (vložíme L D ). Pomocí reaktance X TNS,50 odvodíme výraz pro kompenzační výkon Q K,TNS celé TNS bez dekompenzační větve, avšak s respektováním kapacity C TV, ve tvaru Q KTNS, = U X 2 TV TNS, 50 [Mvar, kv, Ω] (4) Dosadíme-li do (1) za obecný kmitočet f = f HDO jako ovládací kmitočet systému HDO, dostaneme reaktanci celé TNS včetně kapacity trakčního vedení C TV a včetně dekompenzační větve pro tento kmitočet, kterou označíme X TNS,HDO. Tímto postupem získáme dvě rovnice dovolující vypočítat např. kapacity kondenzátorových skupin C 3 a C 5, pokud zadáme: požadovaný kompenzační výkon Q K,FKZ realizovaný oběma L-C větvemi FKZ a dekompenzovaný větví s indukčností dekompenzační tlumivky L D, požadovanou reaktanci celé TNS X TNS,HDO,MIN pro libovolný ovládací kmitočet f HDO HDO ležící v mezích 150 Hz až 250 Hz a předpokládanou kapacitu trakčního vedení C TV. Vždy ale musí platit, že pro ovládací kmitočet HDO f HDO je ( ) ( ) X f X f (5) TNS, HDO HDO TNS, HDO, MIN HDO 4SB4OR142_ doc 4

95 C 3 výraz Takto dostaneme pro kapacitu kondenzátorové skupiny L-C větve pro 3. harmonickou C D Q KFKZ, + E CTV U 3 2 TV X TT F f X G L HDO TNS, HDO, MIN D [F, Mvar, kv, Ω, Hz, H] (6) Podobně dostaneme pro kapacitu kondenzátorové skupiny L-C větve pro 5. harmonickou C 5 výraz C H Q KFKZ, J CTV + U TV X 5 2 TT K f X M + L HDO TNF, HDO, MIN D [F, Mvar, kv, Ω, Hz, H] (7) Ve výrazech (6) a (7) byly pro zjednodušení zavedeny následující pomocné veličiny: F = 2 2 f HDO fhdo f f fhdo A fhdo fhdo 2 f B f + 2 2π [Hz] (8) 2 D f f HDO = F fhdo [Hz] (9) f 5 E= 2 π F [Hz] (10) f HDO F G = [Hz] (11) 2 π fhdo 5SB5OR152_ doc 5

96 A fhdo F H = * f B π 50 fhdo 1 f5 2 [Hz] (12) A J = B E (13) K = A B F (14) M = A B G (15) A = B = 100π 50 1 f 3 100π 50 1 f (16) (17) 3 - Podklady pro vyčíslení Vyčíslení je založeno na následujících předpokladech: obě větve L-C jsou laděny ostře, což značí, že f 3 = 150 Hz, f 5 = 250 Hz, pro náhradní reaktanci trakčního transformátoru byla použita hodnota X TT = 7,226 Ω, platící pro 50 Hz a vztažená na stranu trakčního napětí U TV, závitový převod trakčního transformátoru je předpokládán hodnotou 4,00, veličina Q K,FKZ se dosazuje zvolenou konstantní hodnotou Q K,FKZ = 2,5 Mvar, (s ukázkou pro Q K,FKZ = 3 Mvar), veličina X TNS,HDO (f = f HDO ) se dosazuje vztažená na stranu 110 kv. 6SB6OR162_ doc 6

97 Pak pomocné veličiny ve výrazech (8) až (15) dostanou pro výše uvedené ovládací kmitočty f HDO HDO číselné hodnoty podle této tabulky: Pro výpočet kapacity C 3 platí tyto pomocné hodnoty: f HDO [Hz] D E F G 167 0, , , ,82762 e-8 183,33 0, , , ,27898 e-8 216,67 0, , , ,25859 e , , , ,53768 e-8 Pro výpočet kapacity C 5 platí tyto pomocné hodnoty: f HDO [Hz] H J K M 167 0, , , , e-8 183,33 0, , , , e-8 216,67 0, , , , e , , , , e-8 Pomocné veličiny nezávislé na ovládacím kmitočtu f HDO HDO ani na kompenzačním výkonu Q K,FKZ mají podle výrazů (16) a (17) hodnoty: A = 353, B = 327, Příklady získaných výsledků Výpočet kapacit obou kondenzátorových skupin C 3 a C 5 pro zadané hodnoty Q K,FKZ a X TNS,HDO,MIN, při odpojeném trakčním vedení 7SB7OR172_ doc 7

98 Jako výchozí hodnoty zadáme: požadovanou nejmenší reaktanci TNS na straně 110 kv X TNS,HDO,MIN = 500 Ω platnou pro ovládací kmitočty HDO f HDO = 167 Hz, 183,33 Hz, 216,67 Hz a 232 Hz při jednotném kompenzačním výkonu FKZ Q K,FKZ = 2,5 Mvar (ukázka pro 3 Mvar) tomu odpovídající náhradní indukčnosti dekompenzační větve L D = 0,96289 H (pro ukázku Q K,FKZ = 3 Mvar je L D = 0,80241 H) při ostrém naladění obou L-C větví f 3 = 150 Hz, f 5 = 250 Hz, při odpojeném trakčním vedení (tedy pro C TV = 0) Poznámka: Dekompenzační tlumivka je ve skutečnosti tvořena fázově řízeným reaktorem. Proud reaktorem procházející je závislý na úhlu otevření fázového regulátoru a jeho hodnota pak simuluje proměnnou indukčnost L D dekompenzační větve a tím i proměnnou hodnotu jejího dekompenzačního (induktivního) výkonu. Regulátor fázového řízení průběžně nastavuje takovou hodnotu dekompenzačního výkonu, který je zapotřebí jako doplněk k jalovému (indukčnímu) výkonu hnacích vozidel vykazujících průměrný účiník 0,85, aby na vstupu TNS byla dosažena neutrální hodnota účiníku. Tento regulátor však musí současně respektovat i jalový výkon (kapacitní) rozvinuté délky napájených úseků trakčního vedení. Největší jalový výkon používaných dekompenzačních větví je přibližně 3 Mvar. Z tohoto důvodu je základní kompenzační výkon L-C větví FKZ pro prováděný rozbor volen Q K,FKZ = 2,5 Mvar, aby: bylo možno, jak ukážeme v následujícím, vykompenzovat i kapacitu napájených úseků trakčního vedení (do hodnoty C TV = 2 µf) bez trakčního odběru, a aby bylo možno vykompenzovat i případně později doplněnou LC větev pro 7. harmonickou. Hledáme specifikaci pro C a L obou rezonančních větví FKZ, přičemž indukčnosti L 3 a L 5 jsou dány Thomsonovým vzorcem. Výsledky pro Q K,FKZ = 2,5 Mvar lze shrnout do této tabulky: 8SB8OR182_ doc 8

99 f HDO [Hz] C 3 [µf] L 3 [mh] C 5 [µf] L 5 [mh] 167 0, ,79 10, , ,33 1, ,169 8, , ,67 5, ,339 4, , , ,084 2, ,1906 Výsledky pro ukázku Q K,FKZ = 3 Mvar lze shrnout do této tabulky: f HDO [Hz] C 3 [µf] L 3 [mh] C 5 [µf] L 5 [mh] 167 0, ,2 11, , ,33 2, ,92 9, , ,67 6, ,16 4, , , ,64 2, , Výpočet kompenzačního výkonu FKZ Q K,FKZ při zadaných kapacitách C 3 a C 5 Použijeme výrazy (1), (4), (16) a (17) a dostaneme pro Q K,FKZ výraz ( 2 QKFKZ, = UTV A C + B C 3 5) [Mvar, kv, F] (18) Tato hodnota platí pro samotné FKZ a je rovna jalovému výkonu dekompenzační větve, realizovanému tlumivkou L D. Tento výraz může též posloužit pro výpočet kapacity C 5, známe-li hodnotu kapacity C 3 a požadovaný součtový kompenzační výkon Q K,FKZ obou větví FKZ Výpočet prvků FKZ pro vyčleněné hodnoty ovládacího kmitočtu HDO při zadaných hodnotách Q K,FKZ a X TNS,HDO a při připojeném trakčním vedení s kapacitou C TV, bez trakčního odběru Použijeme přímo výraz (6) a (7), kam dosadíme výchozí hodnoty včetně indukčnosti dekompenzační větve L D. 9SB9OR192_ doc 9

100 Protože se však jedná o reaktanci TNS jako celku, tedy včetně kapacity TV, je nutné do výrazu (6) a (7) dosazovat upravené hodnoty indukčnosti dekompenzační větve L D.Tato hodnota L D musí totiž zajistit dekompenzování nejenom kompenzačního výkonu obou L-C větví FKZ, ale i připojené kapacity rozvinuté délky TV. Kapacitní výkon rozvinuté délky TV (pro měrnou kapacitu TV 20 nf/km) a příslušná indukčnost dekompenzační větve L D dekompenzující současně i obě větve FKZ s kompenzačním výkonem 2,5 Mvar dostává pak hodnoty podle následující tabulky: C TV = 0 C TV = 1 µf C TV = 2 µf l TV [km] Q K,TV [Mvar] 0 0,2376 0,4752 L D [H] 0, ,8793 0,8091 Pro kapacitu rozvinuté délky TV v hodnotě C TV = 1 µf dostaneme tyto parametry obou L-C větví FKZ: f HDO [Hz] C 3 [µf] L 3 [mh] C 5 [µf] L 5 [mh] 167 0, ,676 9, , ,33 1, ,0865 8, , ,67 5, ,5598 4, , , ,7232 2, ,3348 Pro kapacitu rozvinuté délky TV v hodnotě C TV = 2 µf dostaneme tyto parametry obou L-C větví FKZ: f HDO [Hz] C 3 [µf] L 3 [mh] C 5 [µf] L 5 [mh] 167 0, ,209 9, , ,33 1, ,3641 8, , ,67 5, ,2054 3, , SB10OR1102_ doc 10

101 232 7, ,4334 2, , Výpočet reaktance X TNS,HDO na jiném z ovládacích kmitočtů HDO při hodnotách C 3, C 5, Q K,FKZ odvozených pro kmitočet f HDO = 216,67 Hz a při připojeném trakčním vedení s kapacitou C TV, bez trakčního odběru Vyjdeme z reálné situace, že existuje FKZ navržené pro dnes používaný kmitočet HDO s hodnotou f HDO = 216,67 Hz s parametry odvozenými v příkladu 4.1 a 4.3 a vyšetříme změnu hodnoty X TNS,HDO způsobenou použitím jiného z vyčleněných kmitočtů HDO. Pro výpočet použijeme výraz (1), který dává hodnoty vztažené na stranu trakčního napětí U TV. Přepočet na stranu 110 kv získáme vynásobením čtvercem závitového převodu (zde číslem 16 ). Pro kapacitu rozvinuté délky trakčního vedení volenou v hodnotách C TV = 0, C TV = 1 µf a C TV = 2 µf (rozvinutá délka TV cca 50 km, případně 100 km) dostaneme za těchto předpokladů pro jednotlivé kmitočty HDO hodnoty reaktance TNS uvedené v této tabulce: Pro výpočtový stav s odpojeným trakčním vedením (C TV = O) platí tyto hodnoty: Při C TV = 0 Při C TV = 1 µf Při C TV = 2 µf f HDO [Hz] X TNS,HDO [Ω] char. X TNS,HDO [Ω] char. X TNS,HDO [Ω] char ,9 ind. 1421,2 ind. 1489,3 ind. 183, ,9 ind. 9949,8 ind ,6 ind. 216,67 500,0 kap. 425,3 kap. 361,0 kap ,5 ind. 137,8 ind. 151,1 ind. Pro výpočtový stav s kapacitou trakčního vedení C TV = 1 µf platí tyto hodnoty: Při C TV = 0 Při C TV = 1 µf Při C TV = 2 µf 11SB11OR1112_ doc 11

102 f HDO [Hz] X TNS,HDO [Ω] char. X TNS,HDO [Ω] char. X TNS,HDO [Ω] char ,9 ind. 1349,1 ind. 1414,0 ind. 183, ,8 ind. 6616,0 ind ,0 ind. 216,67 593,2 kap. 500,0 kap. 421,4 kap ,46 ind. 114,3 ind. 130,0 ind. Pro výpočtový stav s kapacitou trakčního vedení C TV = 2 µf platí tyto hodnoty: Při C TV = 0 Při C TV = 1 µf Při C TV = 2 µf f HDO [Hz] X TNS,HDO [Ω] char. X TNS,HDO [Ω] char. X TNS,HDO [Ω] char ,0 ind. 1281,7 ind. 1337,5 ind. 183, ,6 ind. 4900,8 ind. 7030,0 ind. 216,67 705,5 kap. 593,2 kap. 500,0 kap ,93 ind. 87,11 ind. 104,8 ind. Z těchto tabulek je patrno, že: snížení ovládacího kmitočtu f HDO pod hodnotu 216,67 Hz (např. na 167 Hz či 183,33 Hz) je z hlediska reaktance TNS na ovládacím kmitočtu f HDO s FKZ navrženým pro kmitočet 216,67 Hz vyhovující a nepodkročí požadovanou hodnotu X TNS,HDO,MIN (nehrozí snížení úrovně signálu HDO, naopak použitím vyššího ovládacího kmitočtu HDO (232 Hz) vede při FKZ navrženém pro kmitočet 216,67 Hz k pravděpodobně nepřijatelnému poklesu reaktance TNS, a tím i k možnému útlumu signálu HDO, se změnou ovládacího kmitočtu dochází též ke změně charakteru reaktance TNS na ovládacím kmitočtu HDO, což by však nemělo být na závadu, protože požadavek dodavatele elektrické energie uvádí pouze absolutní hodnotu této reaktance. 12SB12OR1122_ doc 12

103 Graficky je popsaná situace znázorněna na dvou grafech, a to: na grafu č. 1 je vykreslena frekvenční závislost reaktance X TNS,HDO v pásmu 150 Hz až 250 Hz pro výpočtovou kapacitu C TV = 1µF rozvinuté délky cca 50 km napájených úseků trakčního vedení s vyznačením kmitočtů f HDO = 216,67 Hz a 232 Hz, na grafu č. 2 je znázorněn průběh téže veličiny, avšak pro výpočtovou kapacitu TV v hodnotě C TV = 2 µf představující cca 100 km rozvinuté délky TV Výpočet mezních hodnot kapacit C 3 a C 5 v závislosti na požadované reaktanci X TNS,HDO,MIN pro vyčleněné ovládací kmitočty HDO Dodavatel elektrické energie požaduje, aby vstupní reaktance TNS jako celku X TNS,,HDO vykazovala na vyčleněných kmitočtech HDO jistou minimální hodnotu X TNS,HDO,MIN. Tento požadavek lze splnit vhodnou volbou prvků obou L-C větví FKZ (C 3 a C 5 ), která však současně musí zajistit nezbytnou hodnotu kompenzačního výkonu Q K,FKZ. Tuto úlohu řešila diplomní práce [5] simulační metodou využitím programu PSpice. Pro odvození potřebných výpočtových výrazů využijeme výchozí výraz (5), který modifikoval oba definiční výrazy (6) a (7) pro výpočet kapacit C 3 a C 5. Mezní hodnoty kapacit C 3 a C 5 byly pro Q K,FKZ = 2,5 Mvar (a v ukázce též pro 3 Mvar) vypočteny a soustředěny v tabulkách příkladu 4.1 a 4.3. Použijeme-li ve výrazech (6) a (7) znaménko nerovnosti, lze pro zvolené hodnoty kapacit trakčního vedení C TV = 0, C TV = 1 µf a C TV = 2 µf například pro ovládací kmitočet f HDO = 216,67 Hz a X TNS,HDO,MIN = 500 Ω sestavit následující tabulku přípustných hodnot C 3 a C 5 : C TV = 0 C TV = 1 µf C TV = 2 µf C 3 větší než 5,3778 µf větší než 5,5578 µf větší než 5,7378 µf C 5 menší než 4,2937 µf menší než 4,0993 µf menší než 3,9049 µf 13SB13OR1132_ doc 13

104 Z této tabulky vyplývá, že pro daný rozsah kapacity trakčního vedení, představující při měrné kapacitě 0,20 nf/km rozsah délek napájených úseků do 50 km, případně 100 km rozvinuté délky, a pro ovládací kmitočet HDO 216,67 Hz, jsou použitelné hodnoty kapacit: pro rozvinutou délku TV 50 km: C 3 5,56 µf C 5 4,10 µf, pro rozvinutou délku TV 100 km: C 3 5,74 µf C 5 3,90 µf. Podobně lze postupovat i pro ostatní vyčleněné kmitočty HDO: pro f HDO = 167 Hz musí platit: pro rozvinutou délku TV 50 km: C 3 0,163 µf C 5 9,93 µf, pro rozvinutou délku TV 100 km: C 3 0,312 µf C 5 9,76 µf. pro f HDO = 183,33 Hz musí platit: pro rozvinutou délku TV 50 km: C 3 1,60 µf C 5 8,38 µf, pro rozvinutou délku TV 100 km: C 3 1,81 µf C 5 8,15 µf. pro f HDO = 232 Hz musí platit: pro rozvinutou délku TV 50 km: C 3 7,37 µf C 5 2,14 µf, pro rozvinutou délku TV 100 km: C 3 7,48 µf C 5 2,02 µf. Z tohoto rozboru vyplývá, že pro volbu mezních hodnot obou kapacit C 3 i C 5 je směrodatná největší provozně možná rozvinutá délka (kapacita) napájených úseků trakčního vedení. 5 - Analýza vlivu činného zatížení v napájeném úseku Hnací vozidla jednofázové soustavy lze pro prováděné výpočty nahradit paralelní kombinací L LOK a R LOK. Veličina L LOK způsobuje odběr jalového výkonu. 14SB14OR1142_ doc 14

105 Činný odběr hnacích vozidel lze nahradit veličinou R LOK. Nejmenší číselnou hodnotu R LOK můžeme s jistou přibližností odvodit ze jmenovitého výkonu trakčního transformátoru TNS a dostaneme R LOK 2 2 UTV 27, 5 = = 75, 625 Ω [Ω, kv, MVA] (19) S 10 TT Tuto hodnotu jako pravděpodobně nejmenší možnou použijeme v rozboru jejího vlivu na impedanci TNS vůči signálu HDO. Ve skutečnosti však odpovídá uvažovanému kompenzačnímu výkonu FKZ 2,5 Mvar při účiníku hnacího vozidla 0,85 činný výkon pouze 4,03 MW, čemuž odpovídá R LOK = 187,5 Ω. Použití hodnoty podle výrazu (19) považujeme za správnější, protože respektuje i činný odběr hnacích vozidel moderní koncepce (s účiníkem blízkým 1). Při hodnocení vlivu činného odběru použijeme přímo simulační program PSpice s parametry uvedenými pro kmitočet f HDO = 216,67 Hz v příkladu 4.3: pro C 3 = 5,7378 µf a C 5 = 3,9049 µf, platící pro výpočtovou kapacitu C TV = 2 µf (pro rozvinutou délku TV cca 100 km), pro C 3 = 5,5578 µf a C 5 = 4,0993 µf, platící pro výpočtovou kapacitu C TV = 1 µf (pro rozvinutou délku TV cca 50 km). Pro čtyři vyčleněné hodnoty ovládacího kmitočtu f HDO dostaneme následující hodnoty impedance TNS jako celku Z TNS,HDO včetně odběru hnacích vozidel představovaného hodnotou podle výrazu (19) v porovnání s hodnotami bez trakčního odběru: bez trakce s trakcí bez trakce s trakcí f HDO [Hz] C TV = 1 µf C TV = 1 µf C TV = 2 µf C TV = 2 µf ,1 1082,6 1337,5 1078,2 183, ,0 1335,3 7030,0 1333,4 216,67 500,0 500,4 500,0 500, ,3 207,1 104,8 205,5 15SB15OR1152_ doc 15

106 Z uvedené tabulky vyplývá, že činný trakční odběr prakticky nezmění impedanci TNS na ovládacím kmitočtu f HDO = 216,67 Hz (500,0 vůči 500,4 Ω) v případě, podle kterého jsou. nastaveny kapacity obou kondenzátorů L-C větví (byly použity kapacity určené pro výpočtovou hodnotu C TV = 1 µf a 2 µf). Pro oba kmitočty HDO nižší než 216,67 Hz zjištěná změna impedance TNS neovlivní šíření signálu HDO v síti 110 kv. Pro kmitočet HDO 232 Hz (vyšší než 216,67 Hz) jsou hodnoty impedance TNS v případě trakčního odběru poněkud příznivější, nedosahují však hodnoty požadované dodavatelem elektrické energie. Graficky je popsaná situace znázorněna na dvou grafech, a to: na grafu č. 3 je vykreslena frekvenční závislost reaktance X TNS,HDO v pásmu 150 Hz až 250 Hz pro výpočtovou kapacitu C TV = 1µF rozvinuté délky cca 50 km napájených úseků trakčního vedení při respektování trakčního odběru, s vyznačením ovládacích kmitočtů f HDO = 216,67 Hz a 232 Hz, na grafu č. 4 je znázorněn průběh téže veličiny, avšak pro výpočtovou kapacitu TV v hodnotě C TV = 2 µf představující cca 100 km rozvinuté délky TV. 6 - Závěr Příspěvek popisuje důsledky případné změny ovládacího kmitočtu systému HDO dodavatele elektrické energie, jejíž možnost naznačuje. Z principiálního důvodu analyzuje situaci pro vyčleněné ovládací kmitočty HDO ležící podle PNE [3] v mezích od 150 Hz do 250 Hz, protože pro tyto kmitočty lze použít výše citovanou zásadu o možnosti nastavení polohy kmitočtu paralelní rezonance obou L-C větví FKZ do blízkosti ovládacího kmitočtu HDO. 16SB16OR1162_ doc 16

107 Z předložených výpočtů i číselných příkladů je patrno, že kritická situace z hlediska možného nepřijatelného útlumu signálu HDO v síti 110 kv by nastala v případě, že by dnes používaný ovládací kmitočet HDO f HDO = 216,67 Hz byl zvýšen na další podle [3] vyčleněnou hodnotu 232 Hz. Pak by stávající FKZ, které bylo navrženo pro ovládací kmitočet HDO 216,67 Hz, bylo nutno rekonstruovat, aby byla zajištěna minimální hodnota vstupní impedance TNS jako celku požadovaná dodavatelem elektrické energie. Přechod na nižší ovládací kmitočet HDO (např. na 167 Hz či 183,33 Hz) nezpůsobí z uvedeného hlediska při dnes provozovaných FKZ potíže. Pokud by systém HDO použil ovládací kmitočty ležící mimo interval ( ) Hz vyčleněné ve smyslu tabulky 1 PNE [3], nelze uvedený princip použít a bylo by zapotřebí hledat jinou cestu včetně případného použití hradicích členů. 7 - Seznam značek C 3 L 3 C 5 L 5 C TV L D f 3 f 5 f HDO X HDO,MIN X TT kapacita kondenzátorové skupiny L-C větve FKZ pro 3. harmonickou [F] indukčnost reaktoru L-C větve FKZ pro 3. harmonickou [H] kapacita kondenzátorové skupiny L-C větve FKZ pro 5. harmonickou [F] indukčnost reaktoru L-C větve FKZ pro 5. harmonickou [H] kapacita napájených úseků trakčního vedení [F] náhradní indukčnost dekompenzační větve FKZ [H] frekvence, na kterou je naladěna L-C větev FKZ 3. harmonické [Hz] frekvence, na kterou je naladěna L-C větev FKZ 5. harmonické [Hz] ovládací kmitočet systému hromadného dálkového ovládání (HDO) dodavatele elektrické energie [Hz] reaktance TNS jako celku (včetně C TV a L D ) pro f HDO předepsaná dodavatelem elektrické energie [Ω] náhradní reaktance trakčního transformátoru 110/27 kv pro 50 Hz [Ω] u K procentní napětí nakrátko trakčního transformátoru 110/27 kv [%] U TV napětí trakčního vedení [kv] 17SB17OR1172_ doc 17

108 S TT X TNS,50 Q K,TNS Q K,FKZ X TNS,HDO X TNS,HDO,MIN R LOK L LOK TNS FKZ TV jmenovitý výkon trakčního transformátoru 110/27 kv [MVA] reaktance TNS včetně C TV pro 50 Hz [Ω] kompenzační výkon celé TNS včetně C TV ale bez L D [Mvar] požadovaný kompenzační výkon realizovaný oběma L-C větvemi FKZ [Mvar] reaktance celé TNS včetně C TV a včetně L D pro f HDO [Ω] požadovaná reaktance celé TNS včetně C TV a L D pro f HDO [Ω] náhradní odpor představující činný odběr hnacích vozidel [Ω] náhradní indukčnost představující jalový odběr hnacích vozidel [H] trakční napájecí stanice jednofázové soustavy 25 kv, 50 Hz filtračně-kompenzační zařízení použité v TNS trakční vedení (trolejové vedení a zpětné vedení kolejnicemi a zemí) 8 - Literatura [1] Hlava, K.: Diagnostika vlivu napájecí soustavy jednofázové trakce ČD na signál hromadného dálkového ovládání. Vědeckotechnický sborník Českých drah, č. 10/2000, str [2] Hlava, K.: Diagnostika vlivu napájecí soustavy jednofázové trakce ČD na signál hromadného dálkového ovládání (zkrácené znění). Nová železniční technika, č. 1/2000, str [3] PNE Hromadné dálkové ovládání. Automatiky, vysílače a přijímače. Účinnost od [4] Hlava, K.: Omezení vlivu FKZ na signál HDO energetiky, 1. a 2. část. Zpráva k úkolu TR č. D , TÚDC odd. EMC, červenec SB18OR1182_ doc 18

109 [5] Satori, M.: Impedance trakční napájecí stanice jednofázové soustavy ČD pro kmitočty hromadného dálkového ovládání. Diplomová práce Univerzity Pardubice, Dopravní fakulty Jana Pernera, KEEZ, školní rok , vedoucí Ing. K. Hlava, CSc. [6] PNE Parametry kvality elektrické energie, část 6: Omezení zpětných vlivů na hromadné dálkové ovládání. Účinnost od V Praze, září 2001 Lektoroval: Ing. Jiří Krupica ČD TÚDC Praha Klíčová slova: jednofázová trakce ČD, filtračně-kompenzační zařízení, signál hromadného dálkového ovládání. 19SB19OR1192_ doc 19

110 , Kmitočtová závislost reaktance TNS pro výpočtovou kapacitu C TV = 1 µf a základní ovládací kmitočet f HDO = 216,67 Hz 100K 10K 1.0K 100 f = 216,67 Hz f = 232 Hz Hz 160Hz 180Hz 200Hz 220Hz 240Hz250Hz V(1)/ I(LTT)*16 Frequency SATGRAF1.doc

111 Kmitočtová závislost reaktance TNS pro výpočtovou kapacitu C TV = 2 µf a základní ovládací kmitočet f HDO = 216,67 Hz 100K 10K 1.0K 100 f = 216,67 Hz f = 232 Hz Hz 160Hz 180Hz 200Hz 220Hz 240Hz 250Hz Frequency V(1)/ I(LTT)*16 SATGRAF2.doc

112 Kmitočtová závislost impedance TNS pro výpočtovou hodnotu C TV = 1 µf a základní ovládací kmitočet f HDO = 216,67 Hz při trakčním odběru 10 MW 1.4K 1.2K 1.0K 0.8K 0.6K f = 232 Hz 0.4K 0.2K 150Hz 160Hz 180Hz 200Hz 220Hz 240Hz 250Hz V(1)/ I(LTT)*16 Frequency f = 216,67 Hz SATGRAF3.doc

113 Kmitočtová závislost impedance TNS pro výpočtovou hodnotu C TV = 2 µf a základní ovládací kmitočet f HDO = 216,67 Hz při trakčním odběru 10 MW 1.4K 1.2K 1.0K 0.8K 0.6K f = 232 Hz 0.4K 0.2K 150Hz 160Hz 180Hz 200Hz 220Hz 240Hz 250Hz V(1)/ I(LTT)*16 Frequency f = 216,67 Hz SATGRAF4.doc

114 Vladimír Kudyn Zlepšení vlastností usměrňovače s kapacitní zátěží z hlediska EMC Klíčová slova: usměrňovač, DPF, THD, přídavná tlumivka, kapacitní zátěž, spektrum harmonických složek. 1. Úvod Pro správnou funkci elektrických zařízení připojených do veřejného rozvodu elektrické energie je nutné dodržovat stanovené meze jednotlivých charakteristik napětí a proudu sítě všemi spotřebiteli. Znamená to především zajistit, aby nedocházelo k ovlivňování těchto charakteristik sítě provozovanými zařízeními. Existuje několik skupin ukazatelů, podle kterých je možno posuzovat připojená zařízení. Jsou to například ukazatele výkonové (odběr činné nebo jalové energie ), kvalitativní a ovlivňující. Mezi tyto ukazatele patří především účiník základní harmonické DPF (Displacement power factor), opravdový účiník λ (power factor), činitel celkového harmonického zkreslení THD ( Total Harmonic Distortion ). Jedním z problematických a dosud ne zcela prozkoumaných problémů je chování usměrňovače s kapacitní zátěží. Je znám jeho negativní vliv na vstupní proud usměrňovače. Tato negativnost spočívá především v emitování širokého spektra proudových harmonických složek. Hlavní úkol spočívá v popisu metody, kterou bude možno velikost tohoto spektra omezit, případně emise těchto složek úplně odstranit. Všechna schémata i výsledné závislosti jsou vytvořeny pomocí programu MicroCap 6.0 Demo a Microsoft Excel. Ing. Vladimír Kudyn, nar Je absolventem Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice, kde studoval především napájení elektrických drah a elektromagnetickou kompatibilitou. Ve své diplomové práci se pak zabýval vlastnostmi usměrňovačů a jejich chováním v závislosti na zátěži. V současné době jako pracovník TÚDC EMC Praha se zabývá hlouběji touto problematikou a navazujícími tématy.

115 2. Usměrňovač Usměrňovače se začaly rozvíjet již v době, kdy se v elektrotechnice začal prosazoval jak ve výrobě, tak i v rozvodu systém střídavého napětí, který nahradil původní systém napětí stejnosměrného. V řadě aplikací však zůstala potřeba napájení zařízení stejnosměrným proudem, která trvá dodnes. Jako příklad je možno uvést průmyslové aplikace - elektrolýzu, pohony stejnosměrnými motory, napájení přepravních systémů atd. Jedny z prvních pokusů přeměny střídavé energie na stejnosměrnou byly prováděny rotačními elektrickými stroji (konvertory), později motorgenerátory nebo kontaktními, rtuťovými a dnes polovodičovými usměrňovači. V průběhu času spolu s rozvojem polovodičové techniky a stále novějšími technologiemi výroby součástek se staly polovodičové usměrňovače pro své velmi příznivé vlastnosti nejpoužívanějšími. Ostatní způsoby se již prakticky nepoužívají. Usměrňovače patří do kategorie statických měničů. Tyto měniče se prosadily především vzhledem k vysoké účinnost a malým nárokům na údržbu. Nemají problém mechanického provozního opotřebování, mají vysokou životnost a přijatelné ceny. Jejich všeobecné používání způsobilo, že se však projevily i jejich negativní vlastnosti. Usměrňovače odebírají z napájecí střídavé sítě proud nesinusového průběhu. V mnoha případech lze odebíraný proud aproximovat obdélníkem o délce základny 2/3 π, jehož 1. harmonická nebývá s napájecím napětím ve fázi. Negativní vlastnosti usměrňovačů jsou způsobeny harmonickými složkami proudu a zhoršeným účiníkem. Obr. 1

116 Základní princip činnosti usměrňovače vyplývá z nelineárních vlastností polovodičů (tyristorů a diod) a jejich přechodu z vodivého do nevodivého stavu (komutaci) v závislosti na řízení. Většina usměrňovačů pracuje s řízením komutace síťovou frekvencí. (Usměrňovače se síťovou komutací). 3. Srovnání kapacitní zátěže se zátěží induktivního charakteru Pro popis funkce usměrňovače s kapacitní zátěží i možností jak omezit negativní vlivy, které tento usměrňovač vytváří, jsem zvolil konkrétní schéma trojfázového můstkového usměrňovače s kapacitní zátěží (obr.1). Obr. 2 Na obr. 2 jsou znázorněny průběhy vstupního trojfázového a výstupního usměrněného napětí můstkového usměrňovače s kapacitní zátěží.

117 Obr. 3: Průběh proudu usměrňovače s RC zátěží 4. Výskyt a hodnoty harmonických složek vstupního proudu Zkreslení napájecí sítě může mít za následek závažné škody. Transformátory se mohou přehřát, ačkoli byly správně dimenzovány nebo dokonce předimenzovány vzhledem k očekávané zátěži, a může být zničena izolace. Kabely se mohou přehřát s následným zničením izolace. Rovněž i motory se mohou přehřát nebo se stát hlučnými a oscilace momentu v rotoru může vést k mechanické rezonanci a škodlivým vibracím. Kapacitory se přehřívají a v nejvážnějších případech hrozí riziko exploze vzniklé průrazem dielektrika. Elektronické displeje a svítidla mohou blikat (flikr efekt), jističe mohou rozepnout, mohou selhat počítače a měření dávají nepravdivé výsledky. Všechny tyto vlivy mohou způsobit harmonické proudu (napětí). Vstupní proud daného usměrňovače je na obrázku 3. Obr. 4 Na obr.4 můžeme vidět obsah harmonických ve spektru primárního proudu trojfázového můstkového usměrňovače. Nejnižší hodnotu můžeme pozorovat u 7. harmonické. Ostatní hodnoty mají klesající tendenci se zvyšujícím se řádem harmonické složky. V tomto případě se nejedná o chybu, protože při zátěži kapacitního charakteru neplatí tzv. Amplitudový zákon! V rozvodných sítích popisuje situaci PNE [ 6 ].

118 Proudy tekoucí do zařízení řady odběratelů připojených k elektrickým sítím jsou nesinusové. Tyto proudy vyvolávají na impedancích sítí nesinusové úbytky napětí, které kromě složky s kmitočtem sítě obsahují též podíl harmonických. Nelineární odběry lze podle teoretických rozborů i praktických zkušeností považovat za proudové zdroje harmonických. Každá hodnota napětí harmonických vyskytující se v síti je výslednou hodnotou, k níž přispívají všechna zařízení odběratelů svými emisemi proudů harmonických, a závisí zejména na: impedanci sítě pro harmonické amplitudě a fázi proudů harmonických emitovaných každým odběratelem počtu zařízení odběratelů připojených k síti V PNE jsou popsána tato omezení: Usměrňovače s induktivní filtrací K této skupině náleží usměrňovače pro napájení stejnosměrných motorů a usměrňovače s vyhlazovací tlumivkou ve stejnosměrném obvodu, které jsou často používány pro nejrůznější účely. Směrné hodnoty proudu emitovaných do sítě těmito usměrňovači lze odhadovat podle následující tabulky : i ν (%) i ν (%) i ν (%) ν Šestipulsní můstek Dvanáctipulsní paralelní můstek Dvanáctipulsní sériový můstek Tabulka 1 m = 3 m = 6 m = 12 Harmonické Xd = Xd = 0 Xd = Xd = 0 Xd = Xd = 0 Základ. harmonická 50 Hz harmonická 100 Hz 50 58, harmonická 150 Hz

119 4. harmonická 200 Hz 25 12, harmonická 250 Hz 20 14, , harmonická 350 Hz 14,3 7,6 14,3 11, harmonická 400 Hz 12,5 8, harmonická 450 Hz harmonická 500 Hz 10 5, harmonická 550 Hz 9,1 6 9,1 8,5 9,1 8,8 13. harmonická 650 Hz 7,7 4,3 7,7 6,5 7,7 7,2 14. harmonická 700 Hz 7,1 6, Celkový průběh , ,5 101 Tabulka 2 [ 7 ] V tabulkách č. 1 a č. 2, je zřetelný princip výskytu harmonických vyráběných jednotlivými zapojeními usměrňovačů. Tabulka je převzata z literatury. Harmonická složka je buď daným usměrňovačem produkována, potom je její hodnota stejně velká jako u ostatních zapojení, nebo není produkována vůbec. Jako nejlepší se z hlediska EMC jeví 12-ti pulzní zapojení. Usměrňovače s kapacitní filtrací Tyto usměrňovače jsou masově používány v zařízeních spotřební elektroniky, počítačích, osvětlovacích tělesech, komunikačních systémech a dalších obdobných zařízeních. Proud, který odebírají ze sítě, má tvar špiček, jež přibližně souhlasí s maximy sinusovky napětí a jsou způsobeny nabíjením filtračního kondenzátoru. Tyto usměrňovače produkují liché harmonické s podstatně vyšší amplitudou oproti usměrňovačům s filtrací induktivní. Směrné hodnoty proudů i v jsou uvedeny v následující tabulce: Ν Jednofázový proud i ν (%) Trojfázový proud Trojfázový proud (směrná hodnota při obvyklé předřadné indukčnosti) Tabulka 3

120 Činitel celkového harmonického zkreslení (THD Total harmonic distortion) souhrnně popisuje zkreslení časového průběhu a je definován výrazem THD U 40 U = U 2 n n= 2 1 [ ] 100 % kde U n je poměrná amplituda n-té harmonické vztažená k amplitudě základní harmonické Šestipulsní usměrňovač má navíc v odebíraném proudu obsaženu i 5. a 7. harmonickou. Obsah těchto harmonických je patrný z Tab.1. Hodnota činitele celkového harmonického zkreslení bude v tomto případě THD I = 28,4 %. Podstatně jiným způsobem se bude chovat trojfázový můstkový usměrňovač zatížený obvodem RC. Hodnota jeho THD I se bude pohybovat mezi 70 až 120 %. Což je zkreslení z hlediska EMC naprosto nepřípustné. 5. Přídavná tlumivka na výstupu usměrňovače Existuje několik kroků k nápravě výše popsaného problému. Jedním z nejjednodušších a v mnohých případech i globálně nejlepších, se jeví použití tlumivky ve ss obvodu usměrňovače. Toto zapojení je zobrazeno na následujícím obrázku : Obr. 5 Podrobnou analýzou tohoto zapojení získáme přehled o funkci tlumivky zapojené ve stejnosměrném obvodu. Proto byl zvolen hrubý rozsah hodnot připojené indukčnosti od 1 µh do 500 mh. Pro tyto hodnoty byla provedena simulace. Simulovány byly především tyto veličiny v závislosti na proměnném chování obvodu: vstupní proud usměrňovače (na straně AC) spektrum harmonických složek vstupního proudu usměrňovače

121 činitel celkového harmonického zkreslení THD napětí na zátěži průběh napětí popřípadě proudů na jednotlivých diodách, pro odečtení úhlu překrytí Vstupní proud usměrňovače je proud, který protéká střídavým obvodem usměrňovače, a je charakterizován harmonickými složkami proudu emitovanými usměrňovačem. Pro porovnání vlivu přídavné tlumivky ve stejnosměrné části obvodu usměrňovače jsou na obrázcích 6., 7., 8., zobrazeny průběhy primárního proudu pro hodnoty přídavné tlumivky 1µH, 1mH a 100 mh. Obr 6: Vstupní proud usměrňovače pro Lss = 1uH Na těchto průbězích lze vidět, že přídavná tlumivka ve stejnosměrném obvodu má vliv především na vyhlazení vstupního proudu usměrňovače. Na dalších průbězích je možno porovnat, jak se bude měnit spektrum harmonických složek tohoto primárního proudu. Pro přehlednost jsou uvedeny obrázky 9., 10., 11.. pro stejné hodnoty přídavné tlumivky ve stejnosměrném obvodu, jako pro proudy zobrazené na obrázcích 6., 7., 8.

122 Obr. 7: Průběh vstupního proudu usměrňovače pro Lss = 1mH

123 Obr. 8: Průběh vstupního proudu usměrňovače pro Lss = 100 mh Obr. 9: Spektrum harmonických složek vstupního proudu pro Lss=1µH Obr. 10: Spektrum harmonických složek vstupního proudu pro Lss=1 mh

124 Obr. 11: Spektrum harmonických složek vstupního proudu pro Lss=500 mh Na spektru harmonických složek primárního proudu usměrňovače je jasně patrný pokles amplitud jednotlivých harmonických složek primárního proudu. S rostoucí hodnotou THD S uH 10uH 100uH 1mH 10mH 20mH Lss 40mH 60mH 80mH 100mH 120mH 140mH 160mH 180mH 200mH 500mH 1 4 Obr. 12: Závislost poklesu THD na hodnotách Lss a parametru S

125 indukčnosti přídavné tlumivky Lss je amplituda těchto harmonických složek menší. Tento pokles je však, což bude prokázáno dále, patrný jen do určité hodnoty indukčnosti tlumivky Lss. Další důležitou veličinou pro posouzení chování obvodu je činitel celkového harmonického zkreslení proudu THD. Pomocí programu Micro Cap 6.0 lze zobrazit grafickou závislost, ze které je možno velikost THD odečíst. Závěr Na základě zde provedených analýz pro konkrétní zapojení je možno vytvořit závěrečnou závislost poklesu THD vstupního proudu usměrňovače na hodnotách tlumivky Lss a na hodnotách jednotlivých prvků. Jako proměnné prvky byl zvolen kondenzátor a odpor ve stejnosměrném obvodu usměrňovače. Každé dvojici hodnot byl přiřazen parametr S, např. S1 (C= 25µF, R= 25 Ω). Bylo vytvořeno 13 hodnot parametru S a provedeny analýzy pro indukčnosti od 1µH do 500 mh. Indukčnost byla měněna skokově v 15 ti krocích, které byly voleny s ohledem na předpokládaný výskyt poklesu hodnot THD. Tím byla provedena tříprvková analýza a určen interval, v kterém je nutno zvolit hodnotu přídavné tlumivky Lss ve stejnosměrném obvodu usměrňovače, aby bylo dosaženo potřebného procentuálního poklesu THD. Tato závislost je zobrazena na obr.č.13. Pro daný typ usměrňovače (Lr = 33 µf, C = 220 µf, R = 100 Ω, U = 400 V) je možno doporučit připojení přídavné tlumivky o velikosti 100 mh, pro kterou THD vstupního proudu nepřesáhne hodnotu 30 %. Dále je možno konstatovat, že pokud bude k tomuto obvodu připojena zátěž, jejíž parametry budou zvoleny z intervalu pro C = <25, 500 > µf a pro R = <1, 1000> Ω, tak s připojenou přídavnou tlumivkou Lss = 120 mh je možno měnit zátěž libovolně v těchto intervalech při zaručené maximální hodnotě THD vstupního proudu usměrňovače menší než 40 %. Literatura: [ 1 ] Kudyn, V. : Zlepšení vlastností šestipulsního usměrňovače s kapacitní zátěží z hlediska EMC. Diplomová práce, DFJP, Univerzita Pardubice 2001.

126 [ 2 ] Bečka, J.: Příručka usměrňovací techniky Polovodičová technika. SNTL, Praha [ 3 ] Pavelka, J. - Čeřovský, Z.: Výkonová elektronika (skripta). ČVUT, Praha [ 4 ] Heřman, J. a kolektiv: Příručka silnoproudé elektrotechniky. SNTL, Praha [ 5 ] Zákon č. 222/1994 Sb. o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích a o státní energetické inspekci (energetický zákon). [ 6 ] PNE Výpočetní hodnocení zpětných vlivů odběratelů distribučních soustav. Podniková norma energetiky pro rozvod elektrické energie. [ 7 ] Kaganov, I. L.: Elektronnye i ionnye preobrazovateli. Moskva [ 8 ] Malík, L.: Analýza zpětných vlivů trojfázového můstkového usměrňovače s kapacitní zátěží na napájecí síť ON. Diplomová práce, DFJP, Univerzita Pardubice V Praze, srpen 2001 Lektoroval: Ing. Jiří Krupica ČD TÚDC Praha

127 Štefan Mayerberger, Jiří Rotrekl Měřicí, řídicí a registrační systém pro strojní čističky kolejového lože SC Klíčová slova: měřicí a řídicí systém MS 900, těžební sekce TS, čisticí sekce CS, strojní čistička SC. Ve Výzkumném ústavu železničním Praha ve spolupráci s firmou ROT-HSware Pardubice byl zpracován projekt měřicího, řídicího a registračního systému pro strojní čističky kolejového lože (dále jen MS 900), který vznikl na základě iniciativy obou organizací, po získání poznatků z provozu těchto strojů nejen v České republice, ale i v zahraničí. Systém MS 900 je především určen pro strojní čističky kolejového lože stávajících konstrukcí jako např. SCP 200, SC600, SC601, ale i pro strojní čističky nových konstrukcí, např. SC V příspěvku je systém MS 900 popisován pro strojní čističku kolejového lože SC 1200, sestávající z těchto modulů nebo zařízení: modulu měření a záznamu technických, technologických a technicko-technologických parametrů; modulu řízení technologického procesu; modulu registrace definovaných parametrů (černá skříňka); monitorování technologického procesu televizním okruhem. Ing. Štefan Mayerberger, nar. 1943, vystudoval VŠE Praha. Od nástupu k ČSD v roce 1965 pracuje v oboru traťové mechanizace. V současné době je vedoucím oblasti traťového hospodářství ve VÚŽ. Ing. Jiří Rotrekl, nar. 1952, vystudoval ČVUT Praha, fakulta elektrotechnická. Od absolvování školy v roce 1980 prošel různými funkcemi v oboru výpočetní techniky, automatických systémů řízení a do roku 1991 působil jako výzkumný pracovník v oboru elektroniky ve VÚŽ Praha, pracoviště Pardubice. V současné době je jednatelem firmy ROT-HSware spol. s r.o. Pardubice.

128 Popis stroje SC 1200 Strojní čistička kolejového lože SC 1200 je třídílný stroj, jehož koncepce vychází z čističek typu SC 600/601. Požadavek na zvýšení výkonu strojů SC 600/601 byl realizován vývojem nového stroje, na kterém byla těžící a čistící sekce rozdělena na dva samostatné stroje, a to TS-těžící a CSčistící sekce. Třetí sekcí je pojízdný agregát PA. Systém MS 900 zajišťuje měření a řízení technických, technologických a technicko technologických parametrů pro sekce TS a CS strojní čističky SC Technické parametry systému MS 900 Sekce TS měření výšky čištěného štěrku na průběžném zásobníku, měření rozdělení pražců pro řízení prorážení kleneb, identifikaci kolejových spojek. Sekce CS náklon příčné vodorovné polohy rámu čisticí sekce, identifikaci překážek otočného dopravníku, měření dopravní rychlosti závěsného dopravníku jemné frakce. Technologické parametry systému MS 900 Sekce TS měření příčných posuvů kolejového roštu a jejich nastavení dle projektu parametrů koleje, případně ruční, měření převýšení koleje na zvedacím zařízení, výpočet zborcení koleje, měření poklesu nivelety po čištění, měření GPK po čištění a uložení kolejového roštu s výdejem záznamu o kvalitě GPK, měření doby práce, měření ujetí vzdálenosti, zpracovaný denní úsek, výpočet objemu vyčištěného štěrku, výpočet čištěného objemu.

129 Sekce CS měření GPK před čištěním. Technicko-technologické parametry systému MS 900 Sekce TS měření šířky záběru s vazbou na délku lišty a rozevření přihrnovacích křídel, příčný sklon řezu ± 5 % - nastavení hodnoty a její měření, hloubka záběru v ose koleje (nastavení hodnoty a její měření). Následující obrázky znázorňují místa měření a řízení na obou sekcích SC 1200: Měření na sekci TS (těžební sekce)

130 Řízení na sekci TS Měření a řízení na sekci CS (čisticí sekce)

131 Principy měření vybraných parametrů Popis měření všech parametrů systémem MS 900 by přesáhl rámec tohoto příspěvku a tak se autoři omezili jen na popis měření důležitých parametrů nebo takových, které nebyly na strojích typu SC 600/601 použity. Při měření systém vychází ze vztažné roviny vytvořené rámy strojů TS a CS. Od roviny rámů jsou odměřovány polohy pracovních agregátů strojů. Do systému lze vkládat ručně projektované parametry tratě a tím zvýšit přesnost měření a následně i řízení definovaných pracovních uzlů stroje. Měření GPK MS 900 zabezpečuje měření GPK před a za strojem pomocí měřicích vozíků. Na stroji jsou umístěny dva vozíky. Přední, č. 1 je umístěn pod rámem stroje sekce CS, před zadní nápravou, nebo na sekci TS před přední nápravou. Druhý vozík č. 2 je umístěn za zadní nápravou sekce CS. Pro stanovení GPK a dalších technologických měření jsou osazeny nápravy sekcí TS a CS lineárními snímači a inklinometry, které jsou využity pro přesné vypočtení polohy rámů. Měřicí vozíky měří tyto parametry: převýšení koleje, směr (vzepětí) koleje, ujetou vzdálenost. Výsledků měření z tohoto zařízení je využito pro výpočet zborcení koleje. Umístění měřicích vozíků na sekcích TS a CS Umístění měřicích vozíků na sekcích TS a CS Umístění měřicího vozíku č.2 Umístění měřicího vozíku č.1

132 Měření poklesu nivelety po čištění Výpočet poklesu nivelety vychází ze změřených úhlů mezi nápravami a rámem sekce. Na sekci CS je stanovena podélná výšková poloha kolejového pole stoupání, bod zlomu aj. Údaje jsou přeneseny do výpočetního systému, který za použití dalších údajů vypočte niveletu koleje po čištění. Ve výpočtu se uplatňují úhly zaměřené na nápravách sekce TS. Přesnost výpočtu je závislá na korektním změření ujeté vzdálenosti, k dosažení vyšší přesnosti je ujetá dráha měřena na obou měřicích vozících. Úhly na nápravách se měří lineárními snímači s výstupem proudové smyčky 4 20 ma. Snímače mají přesnost lepší než 0,1 mm. α β Měření polohy těžebního zařízení Měří se hloubka záběru v ose koleje, příčný sklon záběru a šířka záběru. Měřicí systém definuje polohu těžebního zařízení ze snímačů umístěných na tomto zařízení a z dat vypočtené nivelety koleje, GPK atd. Výpočet lze rozdělit na stanovení relativní a absolutní polohy tohoto zařízení. Relativní poloha je stanovena snímači náklonu mostu vysunutí, resp. zasunutí pístnice hydraulických válců pro horizontální, resp. vertikální pohyb a určuje polohu těžebního zařízení vůči rámu TS. Absolutní poloha je vypočtena z relativní polohy a polohy rámu stroje. Měření na zvedacích zařízeních Sekce TS je vybavena dvěma zařízeními pro vertikální a horizontální posun kolejového pole. Vertikální polohu lze řídit na obou stranách samostatně. Řídicí systém nastavuje horizontální posuv a sklon zvedacích zařízení. Tím je zajištěno položení koleje do požadované polohy jak ve směru koleje, tak i v převýšení. Hodnoty požadovaných parametrů jsou zapisovány do paměti systému a v grafické formě vytištěny na průmyslové tiskárně. Obě zvedací zařízení jsou vybavena snímači spojek kolejnic. To umožní v součinnosti s řídicími obvody bezpečné přejetí spojek bez vypadnutí kolejnice z přídržných rolen zařízení.

133 Zvedací zařízení jsou osazena: inklinometrem, jedním snímačem bočního posuvu, dvěma snímači výškové polohy, dvěma snímači kolejnicových spojek. Rozložení snímačů pro identifikaci spojek kolejnic lze umístit buď na měřicím vozíku č. 1 nebo pod kabinou obsluhy na sekci TS. Ostatní měření Na sekci TS se dále měří tyto parametry: výška štěrku na průběžném zásobníku, rozdělení pražců, rychlost dopravníku jemné frakce. Na sekci CS se měří: příčně vodorovná poloha rámu, překážky otočnému dopravníku. Sekce TS Výška čistého štěrku na průběžném dopravníku se měří ultrazvukovými snímači. Pro jednu frakci se použijí tři snímače, neboť tato sekce není nastavována do příčně vodorovné polohy. Rozdělení pražců je měřeno na obou stranách kolejového roštu a to buď na měřicím vozíku č.1 nebo pod kabinou obsluhy této sekce. Současně je zajištěna indikace kolejnicových spojek na obou kolejnicích. Snímací zařízení je osazeno laserovými snímači, vždy dvěma na obou stranách. Záznam snímačů je ukládán do paměti s možností následného zobrazení na monitoru systému. Rychlost dopravníku jemné frakce je měřena magnetickými snímači. Sekce CS Příčně vodorovná poloha rámu sekce je měřena inklinometrem. Překážky otočnému dopravníku jsou snímány detektory předmětů.

134 Řízení sekcí Řízení pracovních agregátů sekcí zabezpečuje subsystém MS 900 svými vstupně výstupními moduly, které ovládají elektromagnety hydraulických rozvaděčů jednotlivých agregátů. Označení subsystémů MS 900 Fyzicky je systém rozdělen na subsystémy sekcí TS, CS a RS. Propojení subsystémů je možno volit jako vodičové nebo bezdrátové. Schéma systému - MS 900 RS 485 RS 485 MS 900-RS MS 900-TS MS 900-CS Legenda: MS 900-RS: registrační modul MS 900-TS: modul sekce TS MS900-CS: modul sekce CS RS 485: komunikační protokol MS 900-TS Centrální část systému, umístěna v kabině TS, zabezpečuje komunikaci se všemi subsystémy. Hlavní činnosti modulu je spolupráce obsluhy stroje s jednotlivými subsystémy. Prostřednictvím tohoto modulu je obsluha informována o aktivitě jednotlivých částí systému a může ovlivnit jeho činnost. Modul obsahuje tyto části: - modul komunikace stroj obsluha - modul komunikace jednotlivých subsystémů - modul měření technických a technologických veličin - modul řízení agregátů sekce TS - modul zpracování informací, včetně tiskových sestav - modul komunikace mezi subsystémy

135 MS 900 CS Modul je navržen tak, aby zabezpečil měření a automatizaci na sekci CS a aby byl odolný vůči klimatickým podmínkám s vysokou spolehlivostí. MS 900 CS je připojen k výstupu na hlavní systém MS 900 TS. Na vstupu je připojen panel ručního ovládání, včetně malého displeje. Modul zajišťuje měření parametrů stroje a správnou sekce. Zároveň řídí definované agregáty sekce. Technologické parametry jsou odměřovány od vztažné roviny. LCD funkci MS 900 RS Registrační systém (black box) je umístěn na těžební sekci TS a zajišťuje funkci registrace definovaných parametrů strojní čističky CS. Programové vybavení Programové vybavení je realizováno v operačním systému WIN DOS, který je součástí operačního systému WINDOWS 95/98. Nadstavba měřicího programu, tj. vyhodnocení naměřených dat a jejich tisk ve středisku, se vyhodnocuje pod systémem WINDOWS 95/98. Televizní okruh Jako samostatný subsystém lze instalovat televizní okruh, který zajišťuje vizuální kontrolu důležitých pracovních míst stroje a to: - činnost třídiče štěrku, - činnost průběžného zásobníku, - pracovní místa po obou stranách těžební sekce. Umístění systému MS 900 v kabině sekce TS je znázorněno na následujících obrázcích.

136 Umístění MS 900 TS V Pardubicích, srpen 2001 Lektoroval: Ing. Bohumil Vančura ČD TÚDC Hradec Králové