Libor Zátopek 1 Výsledky řešení a spolupráce ČD a VUZ na mezinárodním projektu EUROPAC Klíčová slova: interoperabilita, diagnostika, trakční vedení, sběrač Úvod Projekt EUROPAC (evropské optimalizované rozhraní sběrač trakční vedení) je projektem 6. rámcového programu Evropské unie pro výzkum a technologický rozvoj. Je zaměřen na dosažení lepší kompatibility mezi pantografovými sběrači a trakčními vedeními vedoucí ke snížení počtu incidentů způsobených provozem těchto zařízení. Sledovaným cílem je značná úspora provozních nákladů, zdokonalení a snížení rozsahu preventivní i opravné údržby a výrazné zvýšení celkové kvality železničního provozu v souladu s požadavky na interoperabilitu evropského železničního systému. Na železnicích existují dvě mechanická rozhraní mezi vozidly a infrastrukturou. První spočívá v kontaktu mezi kolem a kolejnicí a je již prakticky od vzniku železnice předmětem výzkumu a vývoje, jehož výsledkem je zajištění bezpečné a pohodlné jízdy. Druhým je rozhraní sběrač trakční vedení, kterému se doposud věnovalo mnohem méně pozornosti. Z hlediska interakce mezi sběračem a trakčním vedením je významnou překážkou při zvyšování rychlosti vlaku skutečnost, že vlaková rychlost blížící se rychlosti šíření vlny v troleji způsobuje velmi vysoké hodnoty vlnění troleje. Při konfiguraci vlaků s více sběrači je systém sběrač-trakční vedení ještě víc kritický, protože druhý sběrač je v kontaktu s trakčním vedením vyvedeným z klidu průchodem prvního sběrače. Z praktického hlediska toto rozhraní naznačuje také problémy s interoperabilitou. V neposlední řadě závady na trakčním vedení nebo na sběrači často vedou k protržení troleje s následkem přerušení dopravy a ovlivnění provozu na přilehlých tratích. Společné statistiky z DB, SNCF a Trenitalia v roce 2003 ukazují průměrné množství 915 incidentů ročně vedoucích k 443 000 minutám zpoždění, které tvoří obrovské výdaje železnicím přímo a nepřímo celé společnosti. Projekt EUROPAC se věnuje této problematice třemi hlavními tématy: simulace, traťový monitoring a palubní monitoring. Prvním výsledkem projektu je software, který simuluje dynamickou interakci sběrače s trakčním vedením. Vznikl na bázi propojení dvou nezávislých programových vybavení, která jsou založena na nejnovějších vědeckých poznatcích. 1 Libor Zátopek, Ing., 1962, Vysoká škola dopravy a spojů v Žilině, obor technický provoz telekomunikací, TÚČD, systémový specialista diagnostika pevných trakčních zařízení
Prvá součást, OSCAR (Outil de Simulation du CAptage pour la Reconnaissance des defaults, vyvinutý SNCF), simuluje trakční vedení a druhá, DAP (Dynamic Analysis Program, vyvinutý IST), simuluje sběrač. Výsledný nástroj dostal název EUROPACAS. Umožňuje simulaci soustavy různých typů sběračů a trakčních vedení ve třech dimenzích a současně dovoluje brát v úvahu doposud nezohledňované účinky, jako jsou vliv větru, teploty, silničních mostů atd. Dalším výsledkem projektu je traťová monitorovací stanice, jejíž prototyp je v činnosti podél vysokorychlostní trati v Německu. Byla postavena na již existujících snímačích zdvihu a zrychlení namontovaných na troleji. Spojením s nástrojem pro analýzu dat v reálném čase umožňuje odhalování a identifikaci závad na sběračích vozidel projíždějících na trati. A posledním hlavním výsledkem projektu EUROPAC je model palubního monitorovacího systému, který při jízdě vysokou rychlostí samočinně dohlíží na stav trakčního vedení. Je založen na snímačích zrychlení a síly umístěných na sběrači, doplněný expertním systémem s prvky lidského rozhodování i automatizace, pojmenovaným Real - Time Data Analyser (RTDA). Tento systém RTDA analyzuje signály v reálném čase a následně odhaluje, lokalizuje a rozpoznává defekty přítomné v trakčním vedení. Údaje o projektu Zástupci ČD při vyjednávání o své účasti na tomto projektu nabídli možnost využití vlastních dlouholetých zkušeností v diagnostice spolupráce sběrače s trakčním vedením, využití měřicího vozu TÚČD pro diagnostiku trakčního vedení a využití možností železničního zkušebního okruhu Výzkumného Ústavu Železničního,a.s. (VUZ). České dráhy, a. s., se staly členem konsorcia, koordinátorem SNCF a managementem projektu byla pověřena společnost ARTTIC. V rámci Českých drah byla řešením projektu pověřena Technická ústředna Českých drah. Pracovní skupiny vedli zástupci SNCF, DB, Mer Mec a Polimi. Tříletý projekt byl zahájen v lednu roku 2005, byl ukončen v prosinci roku 2007 a nyní se jedná o právech k využití výsledků projektu s respektováním vloženého know-how a také ochrany nově vyvinutého duševního vlastnictví. Účastníci projektu: 1. Société nationale des chemins de fer français SNCF Francie 2. Alstom Transport Alstom Francie 3. ARTTIC Francie 4. Banverket BV Švédsko 5. České dráhy, a. s. ČD Česká republika 6. Deutsche Bahn DB Německo 7. Faiveley Francie 8. Instituto Superior Técnico Lisboa IST Portugalsko 9. Mer Mec SpA - Mer Mec Itálie 10. Politecnico di Milano Polimi Itálie 11. Réseau ferré de France RFF Francie 12. Rete ferroviara Italiana RFI Itálie 13. Trenitalia SpA Trenitalia Itálie 14. Union internationale des chemins de fer UIC Francie 15. Kungliga Tekniska Högskolan KTH Švédsko
strana) 16. Výzkumný Ústav Železniční, a. s. VUZ Česká republika (třetí Účast ČD Převážná část práce, kterou přispěly České dráhy společně s VUZ probíhala v rámci dílčí úlohy T4.6.1 v průběhu dubna roku 2006, tedy na konci první poloviny doby trvání projektu. Šlo o první fázi testování, která měla ověřit chování měřicích systémů pro rychlosti do 160 km.h -1 a určit příznaky defektů potřebné pro vývoj algoritmů. Za tím účelem bylo nutné naistatalovat do trakčního vedení velkého okruhu Zkušebního centra VUZ Velim různé typy přesně definovaných závad. Měření bylo provedeno pomocí měřicího vlaku složeného z pronajaté slovenské lokomotivy ř. 350 a měřicího vozu pevných trakčních zařízení TÚČD. Obr. 1 Souprava měřicího vozu TÚČD a lokomotivy řady 350 během první fáze testování
Obr. 2 Sběrač CX Faiveley vybavený snímači umístěný na lokomotivě řady 350 Pracovní postup: specifikace první měřicí kampaně (typ defektů, které mají být implementovány v trakčním vedení velkého zkušebního okruhu, seznámení se pracovními podmínkami, atd.) implementace vybraných defektů v trakčním vedení velkého okruhu vybavení lokomotivy sběračem řady CX od výrobce Faiveley a potřebnou elektronikou a senzory spojení lokomotivy s měřicím vozem, vybavení měřicím zařízením a nezbytné přizpůsobení na vozidle za účelem poskytnutí přiměřeného elektrického a mechanického rozhraní k palubní síti, podle definovaných požadavků montáž snímačů zdvihu a zrychlení na vybrané místo trakčního vedení montáž balízy na vybraném místě trati okruhu třítýdenní měření v testovacích podmínkách Zkušebního centra Velim analýza dat a obsahu příznaků defektů jako podklad pro úlohu č. 2 (WP2), jejímž cílem bylo určit zákonitosti při zhoršování chování systému sběrač trakční vedení Výsledky projektu EUROPACAS, univerzální nástroj pro simulaci Program EUROPACAS má za úkol simulovat interakci sběrače s trakčním vedením, pracuje v trojrozměrném prostoru a má tyto funkce: modeluje širokou škálu trakčních vedení (trakční vedení pro stejnosměrnou i střídavou soustavu napájení, s i bez přídavných lan, různé typy bočních držáků, atd.)
modeluje libovolné typy sběračů, včetně aktivních počítá s vnějšími vlivy, např. s bočním větrem, extrémními teplotami (dilatace vodičů trakčního vedení) zkoumá vlivy nadjezdů, výměnných polí a vzdušných výhybek a také vlivy závad na trakčním vedení (opotřebení trolejového drátu, utržený či krátký věšák, trolejové spojky, špatná regulace výšky a klikatosti troleje) Obr. 3 Princip funkce programu EUROPACAS Z hlediska interoperability program zastupuje všechny typy trakčních vedení a sběračů a díky tomu může pomoci včas přizpůsobit sběrač novým tratím, například pro jízdu mezinárodních vlaků. Některé železniční sítě používají trakční vedení relativně měkké, pak je vhodnější nastavit nižší střední přítlačnou sílu, aby bylo dosaženo snížení zdvihu troleje v místě trakční podpěry. Na jiných tratích se používají trakční vedení více tuhá, pak se používá vyšší střední přítlačná síla, aby se snížil její rozptyl. Simulace těchto podmínek může urychlit homologační testy a také náklady s nimi spojené. Schopnost programu brát v úvahu různé nehomogenity na trati umožní optimalizovat návrh trakčního vedení a také ukáže, jak závady na trakčním vedení ovlivní jeho interakci se sběračem. Výsledky programu můžeme použít k budování databáze příznaků závad a následně ke zvýšení detekční schopnosti expertního systému.
Obr. 4 Porovnání měřených a simulovaných průběhů přítlačné síly s výskytem různých stavů a vadných míst na trakčním vedení Mnoho úsilí bylo věnováno studiu vlivu mezních klimatických podmínek. Výzvou pro výzkumníky bylo popsat vliv bočního větru na kvalitu odběru proudu. Proudění bočního větru ovlivňuje uspořádání střechy vlaku a výsledné tlakové pole na sběrači je pak velmi složité. K lepšímu poznání těchto jevů byly provedeny testy v aerodynamickém tunelu a také CFD (computational fluid dynamics) simulace. Díky těmto studiím byly určeny aerodynamické koeficienty různých konstrukčních součástí sběrače. Spojením s aerodynamickými charakteristikami trakčního vedení program umožní vyhodnotit vliv větru na kvalitu odběru proudu, nebo pomůže při návrhu trati vystavené silnému větru.
Jiná součást programu se soustřeďuje na studium vlivu mezních teplot. Změny teploty způsobují na trakčním vedení prodlužování či zkracování délek jeho součástí a tím také změny regulovaných mechanických vlastností. Dalším efektem změny teplot je námraza na vodičích, která velmi ovlivňuje geometrické i dynamické vlastnosti trakčního vedení a zhoršuje chování systému, jak je patrno z obr. 5. Obr. 5 Vliv větru a námrazy na přítlačnou sílu sběrače Traťová monitorovací stanice Dalším hlavním výsledkem projektu je traťová monitorovací stanice pro kontrolu kvality sběračů. Oproti dosavadním systémům je plně automatizovaná díky prvkům připomínajícím lidské rozhodování. Byla postavena na již dříve používaných snímačích (lankový snímač zdvihu; snímač zrychlení trolejového drátu; počítadlo náprav a světelná závora; meteostanice pro zjištění teploty, vlhkosti vzduchu, rychlosti a směru větru) a doplněna o jednotku analýzy dat v reálném čase (RTDA) napojenou na jednotku sběru dat a systém podpory rozhodování (DSS).
Obr. 6 Znázornění funkce traťové monitorovací stanice Úlohou RTDA je analýza dat měřených při průjezdu každého vlaku za účelem odhalení a zjištění druhu případné závady, která by se mohla vyskytovat na projíždějícím sběrači. Algoritmy použité ke zpracování dat jsou založeny na porovnávání s charakteristickými průběhy, které jsou vytvořeny pro každý druh závady. Využívají se především data ze snímače zrychlení. Před touto korelací jsou měřená data upravena v několika krocích tak, aby respektovala různé podmínky měření, například rozdíly rychlosti. Během testů na okruhu zkušebního centra Velim bylo zjištěno, že pouze část signálu, která předchází průjezd sběrače, je zajímavá, protože signál po průjezdu je příliš tlumený trakčním vedením a nedají se z něj zjistit informace o stavu sběrače. Měřený signál je následně převeden z časové osy na osu vzdálenosti sběrače od měřicího místa. Takto zpracovaný je porovnán s charakteristickými křivkami, které byly vytvořeny průměrováním sad signálů naměřených za stejných podmínek (stejný typ sběrače se stejnou závadou). Obr. 7 Znázornění způsobu zjištění závady z průběhu zrychlení na trolejovém drátu
Poslední úroveň analýzy provádí modul DSS, který umožní obsluze zobrazit vývoj stavu vozového parku porovnáním měřených dat ve sledovaném období. Palubní monitorovací systém V principu podobným způsobem jako traťová monitorovací stanice je koncipován palubní monitorovací systém. Je založen na měřicím sběrači, který dohlíží na stav trakčního vedení. Sběrač vybavený snímači je napojen přes jednotku sběru dat a na modul RTDA, který má za úkol v reálném čase zjistit, rozpoznat a lokalizovat závady na trakčním vedení. DSS zde umožňuje kontrolou dat z více měřicích jízd analyzovat vývoj stavu trakčního vedení a předvídat nutnost udržovacích prací. Metody vyvinuté k odhalení závad jsou nezávislé na programu, který umožňuje přizpůsobit analýzu podle konkrétních požadavků. Jedna z metod testovaných v rámci projektu je založena na teorii adaptované vlnky (wavelet). Principem je detekovat v měřeném signálu části průběhů, které odpovídají příznakům závad. To vyžaduje vybudovat databázi příznaků závad buď pomocí simulace, nebo na základě znalostí získaných během testovacích měřicích jízd. Na obr. 9 je znázorněn princip zjištění závady způsobené chybějícím věšákem trakčního vedení. Ze simulace nebo z měřených dat s tímto typem závady je zjištěn její příznak, který se zařadí do databáze. Během měření systém v reálném čase porovnává signál z jednotky sběru dat s příznaky poruch uložených v databázi vlnkovou metodou a určí typ závady. Obr. 8 Znázornění funkce palubního monitorovacího systému
Obr. 9 Vlnková metoda detekce závad v trakčním vedení, zde utržený nebo chybějící věšák V závěrečné fázi testování byla tato metoda ověřena na francouzské vysokorychlostní trati mezi Paříží a Tours. Na trakčním vedení této trati byly záměrně instalovány některé typické závady, jako chybějící či příliš krátký věšák, tuhý boční držák, trolejová spojka. Měřicí systém popsaný na obr. 8 byl nainstalován na TGV- Duplex, který při rychlosti 300 km.h -1 v reálném čase detekoval, lokalizoval a určil se 66% úspěšností typ závady z celkového počtu instalovaných závad. Závěr. Projekt EUROPAC lze hodnotit jako úspěšný z několika hledisek. Přínosem je především, že dosažené výsledky představují konkrétní výsledky, které mohou být dále aplikovány při rozvoji a zavádění nových metod a technických prostředků v diagnostice pevných trakčních zařízení. Spolupráce probíhala s účastí významných expertů vybraných zainteresovaných pracovišť, kteří mají značné zkušenosti při řešení teoretických modelů, jejich ověřování při reálných měřeních v provozních podmínkách a zpracování návrhů na jejich využití v praxi. Účast našich zástupců z ČD TÚČD a VUZ umožnila rovněž navázání neformálních vztahů s dalšími partnery a přímé zapojení do průběhu měření na tratích SNCF, kdy bylo možno porovnat naše podmínky s podmínkami, technickým i technologickým zázemím při provozních měřeních stavu trakčního vedení u jiných železnicí a získat tak další nové zkušenosti. V neposlední řadě bylo jistě přínosem, že jedna měřicí kampaň se uskutečnila na železničním zkušebním okruhu ve Velimi, což jistě přispělo i ke zvýšení prestiže a významu tohoto zkušebního centra VUZ v Evropě. Další využití výsledků v rámci ČD, resp. na tratích SŽDC, je předmětem jednání v rámci konsorcia a bude záviset především na finančních požadavcích autorů duševního vlastnictví vyřešených systémů. V úvahu přichází zejména rozšíření, popř. propojení nové technologie měření s měřicími systémy používanými na měřicím vozu TÚČD.
Literatura 1. Interní dokumenty projektu EUROPAC 2. A. Bobillot, L. M. Cléon, A. Collina, O. Mohamed, R. Ghidorzi Pantograph- Catenary: a High-Speed couple Praha, březen 2008 Lektoroval: Ing. Jaroslav Grim,VUZ