ANALIZA WYBORU SPOSOBU PROWADZENIA RUCHU NA SZLAKU KOLEJOWYM O ZADANYCH PARAMETRACH RUCHOWYCH

Transkrypt

1 PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 121 Transport 2018 Jacek Jarocki, Paweł Wontorski Politechnika Warszawska, Wydział Transportu ANALIZA WYBORU SPOSOBU PROWADZENIA RUCHU NA SZLAKU KOLEJOWYM O ZADANYCH PARAMETRACH RUCHOWYCH Rękopis dostarczono: maj 2018 Streszczenie: Jednym z elementów modernizacji linii kolejowych w Polsce jest wprowadzenie systemów prowadzenia ruchu kolejowego spełniające wymagania rosnącym przewozom i podwyższaniu prędkości pociągów. Proces inwestycji i zmiany systemu prowadzenia ruchu kolejowego powinien być poprzedzony analizą prognoz przewozowych i zaprojektowanie adekwatnego do potrzeb systemu prowadzenia ruchu. Celem publikacji jest przedstawienie uproszczonej koncepcji, która może być podstawą analizy wyboru systemu. Analiza została wykonana na przykładowym odcinku linii magistralnej nr 2, pomiędzy stacją Międzyrzec Podlaski i stacją Biała Podlaska. Słowa kluczowe: prowadzenie ruchu kolejowego, wybór systemu, blokada liniowa 1. WPROWADZENIE Prowadzenie ruchu kolejowego jest procesem realizacji transportu zarządzanego z punktów zwanych posterunkami. Realizacja tego procesu odbywa się za pomocą wydawania w różny sposób poleceń kierującemu pojazdem kolejowym zabraniających lub zezwalających na jazdę [4]. Ruch pojazdów kolejowych to ruch manewrowy i ruch pociągowy. Kolejowy ruch pociągowy dzieli się na jazdę w obrębie stacji lub posterunku i na jazdę pomiędzy posterunkami zapowiadawczymi, czyli jazdę po szlaku kolejowym. W warunkach polskich prowadzi się ten ruch zasadniczo na kilka podstawowych sposobów: na podstawie łączności telefonicznej, na podstawie blokady jednoodstępowej (półsamoczynnej), na podstawie blokady jednoodstępowej z posterunkiem automatycznym na podstawie blokady wieloodstępowej (samoczynnej) dwustawnej, na podstawie blokady wieloodstępowej (samoczynnej) trzystawnej, na podstawie blokady wieloodstępowej (samoczynnej) czterostawnej, Sprawne i bezpieczne prowadzenie ruchu kolejowego zależne jest od zastosowanych urządzeń sterowania ruchem oraz liczby obsługiwanych pojazdów. Linie kolejowe, po których porusza się najwięcej pociągów powinny być wyposażone w urządzenia

2 96 Jacek Jarocki, Paweł Wontorski o najwyższej sprawności tzn. takie, które zapewnią odpowiednią przepustowość i bezpieczeństwo ruchu pojazdów. Takie prowadzenie ruchu kolejowego wymaga od obsługi dużego zaangażowania i podzielności uwagi gdyż obsługa i kontrolowanie systemów prowadzenia ruchu obrazowane jest na kilku monitorach komputerowych jednocześnie. Prowadzenie ruchu pociągów na szlaku przy niewielkim natężeniu nie wymaga stosowania wysoce zaawansowanych urządzeń a pracownik obsługi może w czasie przerw pomiędzy pociągami prowadzić ruch wewnętrzny na stacji (ruch manewrowy). Podjęta tematyka pracy dotyczy opracowania metody doboru rodzaju prowadzenia ruchu kolejowego. Wybór sposobu prowadzenia ruchu kolejowego powinien być analizowany przed rozpoczęciem budowy nowych linii lub ich odcinków oraz modernizacji istniejących Wykonywane w ostatniej dekadzie modernizacje linii nastawione były oprócz niwelowania ograniczeń prędkości przede wszystkim na zwiększanie przepustowości, co nie zawsze było adekwatne do potrzeb. 2. ANALIZOWANY FRAGMENT LINII Analizie został poddany fragment linii kolejowej nr 2 pomiędzy stacją Międzyrzec Podlaski w km i stacją Biała Podlaska w km Linia nr 2 na całej długości jest linią magistralną, zelektryfikowana, dwutorową. Średnie natężenie ruchu w ciągu doby wynosi 30 par pociągów, w tym pociągi towarowe, podmiejskie, międzyregionalne i pasażerskie międzynarodowe. Prędkość pociągów w zależności od kategorii wynosi pomiędzy km/h. W obecnym stanie stacja Międzyrzec Podlaski wyposażona jest w komputerowe urządzenia stacyjne, stacja Biała Podlaska wyposażona jest w urządzenia mechaniczne scentralizowane, od strony szlaku będącego przedmiotem artykułu znajduje się nastawnia wykonawcza. Dla zadanego szlaku średni odstęp czasu między kolejnymi pociągami wynosi = 36 min gdzie: T = rozpatrywany czas 1 doba s = zdolność przepustowa w dobie - 30 poc. α = współczynnik rezerwy technicznej dla dwutorowej linii zelektryfikowanej 0,25 Możliwe sposoby prowadzenia ruchu kolejowego na fragmencie linii kolejowej nr 2.: jednoodstępowa (półsamoczynna) jednoodstępowa z posterunkiem automatycznym (samoczynna) dwustawna trzystawna czterostawna Należy zaznaczyć, że możliwe jest również prowadzenie ruchu kolejowego na podstawie telefonicznego zapowiadania pociągów. Prowadzenie ruchu w taki sposób nie jest

3 Analiza wyboru sposobu prowadzenia ruchu na szlaku kolejowym o zadanych parametrach 97 standardem projektowanym dla nowobudowanych lub modernizacji istniejących linii kolejowych, jednak jest to alternatywny sposób prowadzenia ruchu w czasie awarii blokady. W celu zbadania i przyjęcia najbardziej adekwatnego sposobu prowadzenia ruchu przyjęto następujące kryteria: Koszt budowy systemu Czas budowy systemu Maksymalna przepustowość Koszt utrzymania Koszt eksploatacji 3. KRÓTKA CHARAKTERYSTYKA PODSTAWOWYCH SPOSOBÓW PROWADZENIA RUCHU 3.1. jednoodstępowa (półsamoczynna) liniowa jednoodstępowa (półsamoczynna) stanowi zespół urządzeń służących do uzależniania czynności nastawczych między sąsiednimi posterunkami ruchu. Zależności te realizuje się dzięki współpracującymi ze sobą blokami. Współpracujące ze sobą bloki na szlaku dwutorowym przedstawia rys 1, na szlaku jednotorowym przedstawia rys 2. Aby nie dopuścić do sytuacji wyprawienia na szlak jednotorowy dwóch pociągów przeciwnego kierunku działanie blokady wyklucza się blokiem pozwolenia (Poz). Tylko kiedy blok ten jest w stanie odblokowanym na posterunku możliwe jest wyprawienie pociągu. Bloki początkowy (Po) i końcowy (Ko) współpracują ze sobą parami identycznie na szlaku jednotorowym i szlaku dwutorowym. Po wyjeździe pociągu i obsłużeniu przez obsługę posterunku bloku początkowego wszystkie semafory wyjazdowe z tego posterunku zablokowane są w położeniu sygnału stój nie ma możliwości wyjazdu kolejnego pociągu. Po zablokowaniu bloku początkowego na sąsiednim posterunku odblokowuje się blok końcowy. Odblokowany blok końcowy nie pozwala na nastawienie sygnału zezwalającego na semaforze wyjazdowym. Sytuacja taka jest do momentu dojazdu wyprawionego pociągu do sąsiedniego posterunku i obsłudze bloku końcowego [2]. Szlak z blokadą jednoodstępową wyposażony jest w: aparat blokowy w każdej nastawni przyległej do szlaku, dwa semafory i dwie tarcze ostrzegawcze do semaforów na każdym ztych torów. W urządzeniach komputerowych bloki fizyczne zastąpione zostały modułami sprzętowo-programowymi.

4 98 Jacek Jarocki, Paweł Wontorski Rys. 1. Bloki w blokadzie jednoodstępowej na szlaku dwutorowym (opracowanie własne) Rys. 2. Bloki w blokadzie jednoodstępowej na szlaku jednotorowym (opracowanie własne) 3.2. jednoodstępowa z posterunkiem automatycznym jednoodstępowa z posterunkiem automatycznym (apo) jest szlakiem pomiędzy posterunkami zapowiadawczymi uzupełnionym o posterunek zautomatyzowany. Automatyczny posterunek dzieli dotychczasowy szlak na dwa odstępy. Podział ten zwiększa przepustowość szlaku w każdym kierunku. W takim przypadku na każdym odstępie może znajdować się jeden pociąg pod warunkiem, że oba jadą w tym samym kierunku. Wyposażeniem szlaku z posterunkiem automatycznym są: dwa semafory i dwie tarcze ostrzegawcze dla każdego toru. Ponadto w skład wyposażenia wchodzą urządzenia blokowe na posterunkach zapowiadawczych oraz urządzenia automatyzujące posterunek blokowy.

5 Analiza wyboru sposobu prowadzenia ruchu na szlaku kolejowym o zadanych parametrach dwustawna Charakterystyczną cechą blokady dwustawnej jest podawanie przez semafor odstępowy dwóch sygnałów stój i wolna droga. System taki może być stosowany tylko na szlakach na których pociągi mają krótkie drogi hamowania i widoczność sygnałów jest większa lub równa długości drogi hamowania łącznie z drogą odpowiadającą czasowi reakcji maszynisty. Jeżeli ww. warunki nie mogą zostać spełnione do każdego semafora blokady wieloodstępowej dwustawnej powinna być ustawiona w odległości drogi hamowania tarcza ostrzegawcza (To) trzystawna Kolejnym sposobem prowadzenia ruchu jest wyposażenie szlaku w samoczynną blokadę liniową (sbl) trzystawną. Sygnalizacja na tej blokadzie informuje maszynistę nie tylko o zajęciu kolejnego odstępu sygnałem stój ale również informuję że dwa następne odstępy blokowe są wolne sygnałem wolna droga. Dodatkowym sygnałem informującym kierującego pojazdem kolejowym o tym że tylko jeden odstęp za semaforem jest wolny jest sygnał następny semafor wskazuje sygnał «Stój». Projektując rozmieszczenie semaforów zakłada się jazdę na tzw. światło zielone tzn. że odległość między końcem pierwszego pociągu a początkiem drugiego wynosi dwa odstępy blokowe a przy blokadzie czterostawnej trzy odstępy blokowe. Dla zakładanych parametrów czas przejazdu najszybszego pociągu pomiędzy stacją Biała Podlaska a stacją Międzyrzec Podlaski jest mniejszy niż średni odstęp czasu pomiędzy pociągami. W celu uzyskania największej przepustowości należy rozstawić semafory wodległości drogi hamowania czterostawna Dalsze zwiększanie przepustowości wybranego szlaku wiąże się z zastosowaniem samoczynnej blokady liniowej (sbl) czterostawnej, w której odstępy blokowe będą krótsze niż droga hamowania. W tym systemie jazda na tzw. zielone światło oznacza, że przed pociągiem są co najmniej trzy wolne odstępy blokowe. Kolejne dwa sygnały wyświetlane samoczynnie na tego typu blokadzie są takie same jak na blokadzie trzystawnej stój i następny semafor wskazuje sygnał «Stój». Czwartym dodatkowym sygnałem (światło zielone migające) jest sygnał informujący o tym, że dwa kolejne odstępy blokowe są wolne.

6 100 Jacek Jarocki, Paweł Wontorski 3.6. Prowadzenie ruchu na podstawie telefonicznego zapowiadania pociągów Jest to najprostsze prowadzenie ruchu, do którego niezbędne jest łącze telefoniczne pomiędzy zainteresowanymi posterunkami. Przy telefonicznym zapowiadaniu pociągów nie stosuje się blokady a w wybranych przypadkach może być stosowana blokada i telefoniczne zapowiadanie. Zapowiadanie telefoniczne jest formą awaryjnego prowadzenia ruchu kolejowego, jeśli awarii ulegnie stosowana na szlaku blokada. 4. MODEL DECYZYJNY SPOSOBU PROWADZENIA RUCHU NA SZLAKU Sposoby prowadzenia ruchu zostały ujęte w modelu decyzyjnym odwzorowanym w postaci grafu BL: Rys. 3. Graf BL modelu decyzyjnego sposobu prowadzenia ruchu na szlaku (opracowanie własne)

7 Analiza wyboru sposobu prowadzenia ruchu na szlaku kolejowym o zadanych parametrach 101 Graf BL zdefiniowany został w sposób następujący: BL= P,S P = {p1,p2, Pk,,PN) S = {Sk,,SN) Pk = {pk1,pk2,,pknp) Sk = {sk1,sk2,,skns) S {{pki, pkj } pki pkj i pki, pkj P)} gdzie: BL graf modelu decyzyjnego sposobów prowadzenia ruchu na szlaku, k k-ty sposób prowadzenia ruchu na szlaku, N liczba sposobów prowadzenia ruchu na szlaku podlegająca ocenie, Pk zbiór wierzchołków grafu mających interpretację modułów blokady (modułów interfejsów stacyjnych oraz modułów liniowych blokady) Pk zbiór wierzchołków grafu mających interpretację modułów blokady (modułów interfejsów stacyjnych oraz modułów liniowych blokady) dla k-tego sposobu prowadzenia ruchu, S zbiór krawędzi grafu mających interpretację odstępów szlakowych i głowic stacyjnych Sk zbiór krawędzi grafu mających interpretację odstępów szlakowych i głowic stacyjnych dla k-tego sposobu prowadzenia ruchu, knp liczność (moc) zbioru P dla k-tego sposobu prowadzenia ruchu, kns liczność (moc) zbioru S dla k-tego sposobu prowadzenia ruchu. Graf BL dla sześciu możliwych do wyboru sposobów prowadzenia ruchu na szlaku został przedstawiony na rysunku ANALIZA WIELOKRYTERIALNA Analiza wielokryterialna wyboru systemu prowadzenia ruchu kolejowego jest szeregiem działań wynikających z przyjętej metody. Metoda odwołuje się do przyjętych kryteriów oraz stopnia istotności tych kryteriów w procesie budowy i eksploatacji poszczególnych systemów prowadzenia ruchu. Każde kryterium powinno być mierzalne z maksymalną możliwą dokładnością [3]. Kolejnym etapem przy ocenie różnych wariantów jest przyjęcie ocen kryteriów i ich normalizacja. Ocena kryteriów została przyjęta na podstawie specyfikacji istotnych warunków zamówienia dla modernizacji linii wykonywanych przez PKP PLK. Kryteria wyrażono w różnych jednostkach, przy czym są to kryteria maksymalizowane (wartość największa jest najlepsza) jak i minimalizowane (wartość najmniejsza jest najlepsza). Normalizacja w tym przypadku była konieczna by wyniki mogły być porównywane. Dla niżej podanych kryteriów przyjęto następujące wagi:

8 102 Jacek Jarocki, Paweł Wontorski Koszt budowy systemu 0,4 Czas budowy systemu 0,2 Maksymalna przepustowość 0,3 Koszt utrzymania 0,05 Koszt eksploatacji 0,05 Ocena wielokryterialna Tablica 1 Kryterium waga jednoodstępowa jednoodstępowa z post. automatycznym dwustawna trzystawna czterostawna Poszukiwane ekstremum Koszt budowy systemu [zł] 0, min Czas budowy systemu [mies.] 0, min Maksymalna przepustowość [poc./dob.] 0, max Koszt utrzymania 0, min Koszt eksploatacji 0,05 1 1,5 3,5 8 14,5 min Koszty budowy systemu oszacowane zostały na podstawie produktów rożnych firm oszacowane i znormalizowane. Przyjęto jedną wartość dla pojedynczej szafy aparaturowozasilającej (SAZ) stanowiąca zwykle kontener samoczynnej blokady liniowej zabudowany na szlaku. Nie rozróżnia się sprzętowych różnic pomiędzy SAZ blokady trzystawnej i blokady czterostawnej. Wyższe koszty wynikają z większej ilości odstępów. W przypadku blokady dwustawnej uwzględniono również koszty zabudowy tarcz ostrzegawczych po jednej do każdego semafora odstępowego. Czas budowy został oszacowany na jeden miesiąc prac dla budowy jednej SAZ z semaforami dla jednej ekipy pracowników. Maksymalna przepustowość przedmiotowego szlaku została obliczona dla pociągów jadących na zielone światło i będących w ruchu dla pociągów o najniższej prędkości [5]: = (1 α) gdzie: maksymalna zdolność przepustowa (liczba pociągów przepuszczona w czasie T) T rozważany czas (jedna doba) odstęp czasowy między dwoma kolejnymi pociągami α = współczynnik rezerwy technicznej dla dwutorowej linii zelektryfikowanej 0,25 W celu uproszczenia porównania, obliczona przepustowość nie uwzględnia postojów pociągów na przystankach ani strat czasu wynikających z ruszania pociągu spod semafora (przyspieszania) oraz hamowania. W celu zmaksymalizowania przepustowości długość odstępów na blokadzie czterostawnej wynosi ½ długości drogi hamowania (z wyjątkiem ostatniego odstępu przed stacją), w przypadku blokady trzystawnej odstęp równy jest długości drogi hamowania.

9 Analiza wyboru sposobu prowadzenia ruchu na szlaku kolejowym o zadanych parametrach 103 Koszt utrzymania systemu obejmujący naprawy bieżące i konserwację blokady został przyjęty jako jedna jednostka na każdą SAZ (łącznie z semaforami). W przypadku kosztów eksploatacji jest to 0,5 jednostki na każdą SAZ. Przyjęto również 0,5 jednostki na koszty zarówno utrzymania jak i eksploatacji systemu na każdej stacji. Wyniki analizy wielokryterialnej zamieszczono w kolejnych tablicach 2 i 3, które w odniesieniu do proponowanych rodzajów blokad przedstawiają odpowiednio unormowane wartości ocen wielokryterialnych i wyniki oceny. Wyniki przeprowadzonej analizy pokazują, że najkorzystniejszym rozwiązaniem jest wybór blokady jednoodstępowej. Jest to rozwiązanie najtańsze oraz wymagające najkrótszego czasu budowy. Należy jednak podkreślić, że w przypadku zastosowania tego sposobu prowadzenia ruchu w ciągu godziny w jednym kierunku będzie można wyprawić maksymalnie tylko trzy pociągi. W praktyce, może być to wartość niewystarczająca dla zarządcy infrastruktury. Tabela 4 zawiera zestawienie czasu następstwa pociągów przy zastosowaniu różnego rodzaju blokady. Z zestawienia tego wynika, że przy zastosowaniu automatycznego posterunku odstępowego w ciągu godziny będzie można wyprawić 6 pociągów, a przy blokadzie dwustawnej 17 pociągów, co znacznie zwiększa przepustowość szlaku. W zależności od prognoz ruchowych dla danej linii, należy wybrać wariant najlepszy, spełniający minimalne wymagania czasu następstwa. Wartości unormowanych ocen wariantów blokad według kryteriów Tablica 2 Kryterium waga jednoodstępowa jednoodstępowa z post. automatycznym dwustawna trzystawna czterostawna Koszt budowy systemu [zł] 0,4 1,000 0,500 0,190 0,088 0,044 Czas budowy systemu [mies.] 0,2 1,000 0,500 0,400 0,142 0,074 Maksymalna przepustowość [poc./dob.] 0,3 0,105 0,213 0,639 0,799 1,000 Koszt utrzymania 0,05 1,000 0,500 0,166 0,066 0,035 Koszt eksploatacji 0,05 1,000 0,666 0,285 0,125 0,068 Tablica 3 Wyniki wielokryterialnej oceny wariantów różnych blokad dla zadanego odcinka linii Kryterium waga jednoodstępowa jednoodstępowa z post. automatycznym dwustawna trzystawna czterostawna Koszt budowy systemu 0,4 0,400 0,200 0,076 0,035 0,018 Czas budowy systemu 0,2 0,200 0,100 0,080 0,028 0,014 Maksymalna przepustowość 0,3 0,031 0,064 0,192 0,240 0,300 Koszt utrzymania 0,05 0,050 0,025 0,008 0,003 0,001 Koszt eksploatacji 0,05 0,050 0,033 0,014 0,006 0,001 Razem 1 0,731 0,422 0,370 0,313 0,334

10 104 Jacek Jarocki, Paweł Wontorski Tablica 4 Zestawienie czasu następstwa pociągów dla różnych blokad dla zadanego odcinka linii Rodzaj blokady jednoodstępowa jednoodstępowa z apo. dwustawna trzystawna czterostawna Czas następstwa 20 min 10 min 3,5 min 2,5 min 2 min 6. PODSUMOWANIE Wybrany sposób prowadzenia ruchu na podstawie blokady jednoodstępowej jest optymalny pod względem kosztów budowy i eksploatacji i analiza taka może być brana pod uwagę przy planowaniu modernizacji. Ważniejszym jednak parametrem przy wyborze sposobu prowadzenia ruchu powinna być zakładana docelowo liczba pociągów i czas ich następstwa w godzinach najwyższych przewozów. Planując modernizację linii należy uwzględnić w ten sposób wszystkie szlaki, lub analizować linię odcinkami. Bibliografia 1. Dąbrowa Bajon M.: Podstawy sterowania ruchem kolejowym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, ISBN , Warszawa Jarocki J.: Podstawy ruchu kolejowego. Ligament Activ, ISBN , Biała Podlaska Kycko M., Zabłocki W.: Wybrane zagadnienia analizy wyboru systemu srk dla linii kolejowej o zadanych parametrach ruchowo-przewozowych. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej Transport, z. 113, Warszawa Woch J.: Podstawy inżynierii ruchu kolejowego. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, ISBN , Warszawa Żurkowski A.: Badanie wpływu prędkości jazdy pociągów na zdolność przepustową linii szybkiego ruchu, Logistyka 4/2015 THE ANALYSIS OF THE RAIL TRAFIC MANAGEMENT ON THE RAILWAY ROUTES WITH THE GIVEN TRAFFIC FACTORS Summary: One of the elements of modernising the railroad in Poland is introducing the management of the rail transport system which fulfills the needs of growing transportation and increased speed of trains. The proces of investing and innovating of the rail traffic system should be preceded by the analysis of transport prognoses and designing of the rail traffic system adequate to the needs. The aim of this this publication is introducing the simplified conception, which can be the basis for analysis of selecting the proper system. The analysis was carried out on the examplary section of the main arterial route no. 2 between Międzyrzec Podlaski and Biała Podlaska stations. Keywords: rail traffic, selecting the system, block system