Wyznaczanie odległości do celu przy hamowaniu docelowym pociągów na I linii metra w Warszawie

Transkrypt

1 BARAŃSKI Sławomir 1 BŁASZCZYK Piotr 2 Wyznaczanie odległości do celu przy hamowaniu docelowym pociągów na I linii metra w Warszawie WSTĘP Hamowanie pociągu na linii metra zależy od wielu czynników, takich jak: układ hamulcowy, rodzaj silnika trakcyjnego oraz układ sterowania jednostki napędowo-hamulcowej. Proces hamowania może zostać zainicjowany przez maszynistę bądź system ATO (ATO - Automatic Train Operation). Hamowanie docelowe pociągów metra jest specyficznym przypadkiem hamowania pojazdu szynowego. Jest ono realizowane za pomocą systemu ATO i odbywa się przy uwzględnieniu ściśle określonych danych opisujących drogę hamowania. Jednym z najważniejszych parametrów, decydujących o poprawności realizacji całego procesu jest właściwe wyznaczenie położenia celu, czyli punktu w którym pociąg powinien się zatrzymać. 1. SYSTEM SOP-2 Pierwsza linia metra w Warszawie wraz z eksploatowanym tam taborem wyposażona jest od chwili uruchomienia w system SOP-2 spełniający funkcje systemu bezpiecznej jazdy pociągu (ATP Automatic Train Protection). System SOP-2 opracowany został w Zakładzie Trakcji Elektrycznej Politechniki Łódzkiej (obecnie Zakład Transportu i Przetwarzania Energii). System SOP 2 zapewnia całkowicie bezpieczną jazdę pociągu przy jednoosobowej obsłudze pojazdu trakcyjnego. Do realizacji tego zadania jest wymagane między innymi [1]: wypracowanie prędkości limitowanej zależnej od sytuacji ruchowej i stanu technicznego szlaku, przekazanie informacji do pojazdu trakcyjnego, wypracowanie w pojeździe prędkości kontrolowanej uwzględniającej zarówno prędkość limitowaną jak i postępowanie maszynisty, pomiar prędkości rzeczywistej pojazdu trakcyjnego, porównanie prędkości kontrolowanej z prędkością rzeczywistą, współpraca z układami sterowania na pojeździe (włączanie i wyłączanie napędu, hamowania itd.). Po kilku latach eksploatacji zadania systemu poszerzono o funkcję systemu ATO tj. automatyczne zatrzymywanie pociągu na przystanku. Realizacja tego zadania wymaga znajomości parametrów wyjściowych takich jak [2]: parametry stałe: efektywność hamowania elektropneumatycznego oraz elektrodynamicznego pociągu, profil poprzeczny i podłużny linii metra, współrzędne zatrzymania taboru. parametry zmienne: prędkość chwilowa pociągu oraz położenie na szlaku, prędkość dopuszczalna, obciążenie pociągu oraz zakłócenia zewnętrzne. Układ inicjujący proces hamowania wykonuje następujące zadania [3, 4]: wyznacza punkt rozpoczęcia hamowania, określa prędkość rzeczywistą oraz położenie na linii, wyznacza prędkość hamowania, steruje układem hamulcowym, dobiera siłę hamowania. 1 Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki, Instytut Elektroenergetyki, Łódź, ul. Stefanowskiego 18/22, tel: , slawomir.baranski@p.lodz.pl 2 Politechnika Łódzka, Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki, Instytut Elektroenergetyki, Łódź, ul. Stefanowskiego 18/22, tel: , piotr.blaszczyk@p.lodz.pl 319

2 Pierwsze trzy zadania nie zależą od układu hamulcowego, posiadają charakter pomiarowoobliczeniowy. Natomiast ostatnia czynność ma charakter sterująco - wykonawczy i zależy od układu napędowo - hamulcowego pociągu (rys. 1). Rys. 1. Schemat blokowy układu automatycznego hamowania [5] Obecnie w metrze warszawskim eksploatowane są trzy typy pociągów. Pociągi rosyjskie typu 81 z silnikami prądu stałego z tradycyjnym rozruchem i hamowaniem elektrodynamicznym oporowym, pociągi Metropolis firmy Alstom oraz pociągi Inspiro produkcji firmy Siemens, wyposażone w silniki asynchroniczne zasilane przez układ falownikowy z płynnym sterowaniem rozruchem i hamowaniem. Hamowanie docelowe tych pociągów ze względu na zupełnie odmienny sposób sterowania wymagało opracowania różnych algorytmów sterowania [7]. 2. HAMOWANIE DOCELOWE NA PIERWSZEJ LINII METRA W WARSZAWIE Hamowanie docelowe pociągu jest to proces automatycznego hamowania oraz zatrzymania pociągu na danej stacji. Polega na zatrzymaniu w określonym przez system miejscu, w sposób kontrolowany oraz komfortowy dla podróżnych. Hamowanie docelowe ma zastosowanie w głównej mierze na liniach metra. Wyróżniamy dwa podstawowe kryteria, które musi spełniać hamowanie docelowe na linii metra. Pierwszym i zarazem głównym kryterium jest dokładność zatrzymania we wcześniej przyjętym punkcie, na pierwszej linii metra w Warszawie przyjęto tolerancję zatrzymania ± 1,5 metra. Drugim kryterium, mniej znaczącym pod względem bezpieczeństwa, ale bardzo istotnym dla pasażerów, jest komfort podróżowania czyli hamowanie bez gwałtownych zmian opóźnienia [6]. Automatyka hamowania oraz zatrzymania pociągu na danym przystanku związana jest z dwoma problemami technicznymi. Pierwszy problem związany jest z zainicjowaniem hamowania w odpowiedniej odległości od miejsca zatrzymania. Natomiast drugi problem polega na optymalnej regulacji opóźnienia hamowania, co pozwala celnie trafić w zadany punkt zatrzymania. Do prawidłowej realizacji tego zadania konieczna jest więc precyzyjna znajomość odległości pociągu do miejsca zatrzymania podczas realizacji procesu hamowania. System SOP-2 nie dysponuje informacją pozwalającą na dokładne wyznaczenie odległości do punktu zatrzymania. Do tego celu w systemie wykorzystano numery odstępów blokowych oraz pętle transmisyjne, dzięki którym można w przybliżeniu określić, gdzie na szlaku znajduje się pociąg w danej chwili. Numer odstępu blokowego przekazywany jest do urządzeń pojazdowych poprzez przewodowy kanał transmisyjny, jednakże numeracja odstępów blokowych jest jednakowa dla drogi międzystacyjnej wszystkich stacji (rys. 2). Dlatego hipotetyczny punkt zatrzymania jest wyznaczany na podstawie numeru odstępu blokowego przy założeniu uśrednionej długości poszczególnych odstępów. 320

3 peron stacji Rys. 2. Numeracja odcinków blokowych na szlaku Zadanie hamowania docelowego uruchamia się gdy pociąg wjeżdża na odstęp o numerze 3. W tym punkcie rozpoczyna się synchronizacja układu odmierzającego odległość do wyznaczonego punktu zatrzymania. Zmniejszająca się odległość aktualizowana jest za pomocą odometru poprzez pomiar obrotów kół pociągu. Po przekroczeniu odstępu blokowego o numerze 2 dotychczasowa wartość licznika drogi zostaje zastąpiona nową wartością. Dzięki temu zwiększa się dokładność obliczania odległości do punktu zatrzymania. Kolejnym krokiem jest ciągłe obliczanie odległości oraz wprowadzanie korekt. Neutralizacja wpływu rozbieżności odległości pomierzonej z odległością rzeczywistą realizowana jest dzięki umieszczeniu specjalnego skrzyżowana pętli transmisyjnych w odległości dokładnie 50 metrów od punktu zatrzymania. Traktowane to jest jako ostatni punkt synchronizacji odległości (rys. 3). 50 m Rys. 3. Charakterystyczne skrzyżowanie pętli transmisyjnych do punktu zatrzymania Ten sposób obliczania odległości do punktu zatrzymania jak widać nie jest doskonały, zmiany odległości do punktu zatrzymania w czasie procesu hamowania docelowego sięgają nawet kilkunastu metrów. W sposób oczywisty wpływa to na zmniejszenie komfortu podróżnych (zmiany opóźnienia hamowania) i dokładności zatrzymywania pociągu. Jednak ze względu na brak informacji o dokładnej lokalizacji pociągu na trasie był to jedyny sposób pozwalający na przybliżone chociaż określenie odległości, umożliwiający automatyczne zatrzymywanie pociągów. 3. MAPA TRASY LINII METRA Jak wspomniano już w poprzednim punkcie w telegramach odbieranych na pojeździe brak jest informacji o odległości do punktu zatrzymania, również nie ma informacji identyfikującej stację, do której pociąg się zbliża. Jednakże analizując dane, które są dostępne na pojeździe można opracować algorytm, na podstawie którego urządzenia pojazdowe będą w stanie stosunkowo szybko i dokładnie zlokalizować pociąg na linii metra. W pojeździe dostępne są następujące informacje, które można wykorzystać do lokalizacji pojazdu na trasie (rys. 4): numer odstępu blokowego odbierany z urządzeń przytorowych, modyfikacja odstępu blokowego odbieraną z urządzeń przytorowych, długość odstępu blokowego zmierzoną na podstawie danych z odometru. 321

4 Rys. 4. Przykładowe dane rejestrowane w systemie SOP Ponieważ dane otrzymywane z odometru charakteryzują się pewnym błędem przyjęto (z dużym zapasem), że dokładność pomiaru długości odstępu blokowego jest rzędu ± 2 metrów. Na podstawie danych o długościach odstępów blokowych na całej linii można stworzyć tabelę (jej fragment przedstawia tab. 1) opisującą wszystkie odstępy na całej linii. Pierwsza kolumna zawiera nazwę stacji, druga numer toru a trzecia numer odcinka międzystacyjnego. Kolumny czwarta i szósta zawierają granice dolną i górną a kolumna piąta rzeczywistą długość odcinka. Tab. 1. Fragment mapy trasy Stacja Nr toru Odcinek (-2) Długość odcinka (+2) Kabaty , ,4 Kabaty , ,1 Kabaty , ,8 Natolin , ,4 Natolin , ,1 Przy założeniu, że w czasie jazdy po linii będą analizowane długości kolejno mijanych odstępów okazuje się, że dla pierwszej linii metra w Warszawie można stosunkowo szybko zlokalizować, w którym punkcie trasy pociąg się znajduje. W najgorszym przypadku lokalizacja odbywa się po przejechaniu sześciu odcinków, natomiast w większości przypadków jest to możliwe już po przejechaniu maksimum trzech odcinków. Jednakże opisany powyżej wariant jest pesymistyczny zakłada, że za każdym razem lokalizacja na trasie rozpoczynałaby się od początku, natomiast w praktyce po zlokalizowaniu cała jazda do końca linii odbywa się już zgodnie z mapą trasy. Rys. 5. Szybkość lokalizacji pociągu na trasie I linii metra w Warszawie [8] 322

5 Algorytm obliczania liczby obwodów torowych pozwalających na określenie położenia pociągu na trasie jest stosunkowo prosty: 1. Po przejechaniu całego odcinka znany jest numer odcinka i jego długość. Na tej podstawie należy na liście wszystkich odcinków odszukać odcinki o danym numerze i długości odpowiadającej zmierzonej długości przejechanego odcinka z pewną tolerancją (± 2m). 2. Jeżeli odszukany odcinek jest tylko jeden to jednoznacznie jesteśmy w stanie określić położenie na linii, w przeciwnym przypadku należy przejść do pomiaru długości kolejnego odcinka. 3. Po przejechaniu kolejnego odcinka sprawdzamy jego parametry na liście kolejnych odcinków w stosunku do odcinka z p. 1. i przechodzimy do punktu 2 algorytmu. Algorytm mimo swojej prostoty pozwala w skończonej liczbie kroków określić aktualne położenie pociągu. Przykładowej analizie podlegać będzie droga od stacji Świętokrzyska przez 3 kolejne odcinki blokowe w stronę stacji Ratusz Arsenał. Poniżej przedstawione są trzy przykłady zakładające najgorszy wariant czyli rozpoczynanie analizy od początku za każdym razem w rzeczywistości oznaczałoby to restart systemu na każdym z wymienionych odcinków [8]. Stacja: Świętokrzyska, Odcinek: 6, Długość: 95 metrów Porównujemy wszystkie odcinki blokowe o numerze 6 z odcinkiem blokowym szóstym stacji Świętokrzyska z dopuszczalną rozbieżnością ± 2 metry. Odcinek: Świętokrzyska [95 metrów] - Ursynów [96,9 metra]. W następnej kolejności porównujemy długości odcinków blokowych numer 5 stacji Świętokrzyska oraz Ursynów. Odcinek: Świętokrzyska [100,9 metra]. brak Odcinek Ursynów 5 [128 metrów] nie mieści się w graniach 100,9 ±2 metrów. To znaczy, że po przejechaniu 2 odcinków blokowych, jesteśmy pewni że kolejnym przejechanym odcinkiem będzie Świętokrzyska 4. Stacja: Świętokrzyska, Odcinek: 5, Długość: 100,9 metrów Porównujemy wszystkie odcinki blokowe o numerze 5 z odcinkiem blokowym piątym stacji Świętokrzyska z dopuszczalną rozbieżnością ± 2 metry. Odcinek: Świętokrzyska [100,9 metra] brak Po przejechaniu jednego odcinka blokowego jesteśmy pewni, w którym miejscu na szlaku znajduję się pociąg. Stacja: Świętokrzyska, Odcinek: 4, Długość: 93,9 metra. Porównujemy wszystkie odstępy blokowe o numerze 4 z odstępem blokowym 4 stacji Świętokrzyska z dopuszczalną rozbieżnością ± 2 metry. Odcinek: Świętokrzyska [93,9 metra]. - Ratusz Arsenał [95 metrów], - Marymont [94,2 metra], - Słodowiec [92 metry], - Wawrzyszew [93,9 metra], - Młociny [92,3 metra], - Politechnika [94,2 metra], - Służew [92,7 metra]. 323

6 W następnej kolejności porównujemy długości odstępów blokowych numer 3 stacji Świętokrzyska, Ratusz Arsenał, Marymont, Słodowiec, Wawrzyszew, Młociny, Politechnika oraz Służew. Odcinek: Świętokrzyska [93,6 metra]. - Politechnika [94,3 metra], - Marymont [93,1 metra]. W następnej kolejności porównujemy odległości odstępów blokowych numer 2 stacji Świętokrzyska, Marymont oraz Politechnika. Odcinek: Świętokrzyska [95,5 metra]. - Politechnika [93,9 metra], - Marymont [95,2 metra]. W następnej kolejności porównujemy długości odstępów blokowych numer 1 stacji Świętokrzyska, Marymont oraz Politechnika. Odcinek: Świętokrzyska [85,5 metra]. - Marymont [84,7 metra]. W następnej kolejności porównujemy długości odstępów blokowych numer 9 stacji Ratusz Arsenał, Marymont. Odcinek: Ratusz Arsenał [94,7 metra]. brak To znaczy, że po przejechaniu 5 odstępów blokowych, jesteśmy pewni że kolejnym przejechanym odcinkiem będzie Ratusz Arsenał 8. Opisany powyżej sposób postępowania przy identyfikacji kolejnych odcinków można jeszcze rozszerzyć o inne cechy odcinków. Oprócz numeru odcinka jego cechą charakterystyczną jest np. jego modyfikacja. Uwzględnienie tej informacji w większości przypadków pozwala na jeszcze szybszą identyfikację położenia pociągu na trasie. Opisany w tym punkcie algorytm nie zastąpi dotychczas używanego sposobu określania odległości do punktu zatrzymania, ale stosowany równolegle pozwoli na uniknięcie skokowych zmian odległości przy mijaniu kolejnych punktów synchronizacji odległości (rys. 2). PODSUMOWANIE Jednym z istotniejszych elementów pozwalających na poprawną realizację procesu hamowania docelowego pociągu metra jest dokładne określenie odległości do punktu zatrzymania. W przypadku rozwiązania zastosowanego na I linii metra w Warszawie jest to realizowane w sposób uproszczony. Ponieważ urządzenia pojazdowe pociągu nie dysponują precyzyjną informacją jest ona określana w sposób przybliżony na podstawie uśrednionej długości liczby odstępów blokowych do punktu zatrzymania. Dokładne określenie odległości następuje dopiero gdy pociąg znajduje się w peronie, w odległości 50 m od punktu zatrzymania, natomiast wcześniej występują przy wjeżdżaniu na kolejne odstępy blokowe skokowe zmiany odległości co w niekorzystny sposób wpływa na komfort pasażerów (zmiany opóźnienia hamowania) i dokładność zatrzymania. Jednakże analizując dane, które są dostępne w urządzeniach pojazdowych można zaproponować algorytm, który pozwala wykorzystać tzw. mapę trasy z dokładnym opisem długości wszystkich odstępów blokowych, co eliminuje skokowe zmiany odległości do punktu zatrzymania w czasie procesu hamowania docelowego. Oczywiście zaproponowane rozwiązanie nie ma na celu zastąpienia dotychczasowego sposobu określania odległości lecz raczej uzupełnienie go, co pozwala na wyeliminowanie skokowych zmian odległości do celu podczas hamowania. Przeprowadzone do tej pory badania na pociągach rosyjskich typu 81, pociągach Metropolis firmy Alstom oraz Inspiro firmy Siemens potwierdziły możliwość realizacji w pociągu mapy trasy I linii metra w Warszawie. 324

7 Streszczenie Na I Linia metra w Warszawie, działającej od 1995 r. jest eksploatowany system automatycznego ograniczania prędkości typu SOP-2. Po kilku latach funkcjonalność systemu została rozszerzona o automatyczne zatrzymywanie pociągu metra na przystanku. Realizując funkcje hamowania docelowego urządzenia wyliczają odległość do punktu zatrzymania i samoczynnie regulują siłę hamowania tak, aby zatrzymać się w wyznaczonym punkcie peronu z odpowiednią precyzją. W artykule przedstawiono alternatywną w stosunku do obecnie stosowanej metodę określania odległości do punktu zatrzymania. Determination of the distance at target braking on the subway I line in Warsaw Abstract The underground line in Warsaw from the beginning was equipped with automatic train protection system type SOP-2. After several years of operation system SOP-2 was modernized and expanded by automatic braking at the platform, called target braking. This function is realized by automatic starting of braking in calculated point and proper regulation of its run to obtain the established precision of train stopping. The article presents the alternative to the currently used method of determining the distance to the stopping point. BIBLIOGRAFIA 1. Barański S.: System SOP-2 dla metra warszawskiego, Materiały II Międzynarodowej Konferencji Naukowej. Współczesne systemy zasilania i napędu pojazdów trakcyjnych, Warszawa Barański S., Kubik S.: Automatyczne zatrzymywanie pociągów na przystankach w metrze warszawskim, Materiały VII Konferencji Naukowej Trakcji Elektrycznej SEMTRAK Barański S., Bergiel K., Dębowski A., Kubik S.: Hamowanie docelowe pociągów w metrze warszawskim, Materiały VI Międzynarodowej Konferencji Naukowej Nowoczesna Trakcja Elektryczna w Zintegrowanej Europie XXI wieku 4. Barański S., Dębowski A., Kolasa T.: Algorytm hamowania docelowego pociągów Metropolis w metrze warszawskim, Materiały VI Międzynarodowej Konferencji Naukowej Nowoczesna Trakcja Elektryczna w Zintegrowanej Europie XXI wieku 5. Anuszczyk J., Gocek A.: Hamowanie pociągów metra z napędem prądu stałego i przemiennego przy wykorzystaniu systemu ATO. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne nr 86/ Anuszczyk J., Barański S., Gocek A.: Ocena jakości hamowania docelowego pociągów metra za pomocą funkcji spełnienia wymagań Harringtona. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne nr 95/ Barański S., Błaszczyk P.: Hamowanie docelowe pociągu metra. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne, nr 2/ Paluch D.: Automatyczne hamowanie docelowe pociągów na linii metra w Warszawie. Praca dyplomowa magisterska pod kierunkiem Barański S., Politechnika Łódzka