Environmental aspects of rail vehicles with combustion engines

Transkrypt

1 prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz Poznań University of Technology Faculty of Working Machines and Transport dr Włodzimierz Stawecki, prof. IPS Rail Vehicles Institute TABOR in Poznań Environmental aspects of rail vehicles with combustion engines This paper covers the environmental issues related to the operation of rail vehicles. The evaluation of the environmental impact is based in most cases on a comparison of the current state of the internal combustion engine (its emissivity) with emission limit values of harmful exhaust components. These values relate to specific emission tests for engines or vehicles. For the national rail vehicles operating conditions these requirements take a slightly different form, as having a wide range of rolling stock markedly alters the environmental impact of these vehicles. Thus it becomes necessary to consider the issue of the method of evaluation of engine emissions in rail vehicles in terms of their actual operating conditions. Thus, efforts to assess the actual level of emissivity for rail vehicles and attempts to improve it are necessary and justified. 1 INTRODUCTION Due to their advantages internal combustion compression ignition (CI) engines with direct injection remained the main source of power for rail vehicles. However, the harmful effect of these engines on the environment is significant (Fig. 1). Many types of combustion engine powered traction vehicles are used in Poland, many of their engines do not meet the requirements and criteria for exhaust emissions [12, 13]. Ecological evaluation of diesel traction is very unfavorable compared to the electrical rail traction (Fig. 2). The amount of environmental damage caused by combustion engine vehicles of the rail traction in Poland during freight is 4 times higher than the damage caused by electric rail vehicles, and 1.8 times higher than for inland waterway vessels, however, still 5 times lower than the damage caused by trucks with diesel engines (especially in terms of particulate emissions [7]). The emissions of harmful compounds contained in the exhaust of off-road sources, which include combustion rail vehicles, represents a significant share with respect to road vehicles. Figure 1. The relative environmental impact of different modes of transport Effect of diesel locomotives on the environment depends on the nature of their work. The operating conditions of locomotives determine the specific fuel consumption and thus the emission levels. The share of operating time for a shunting locomotive spent in conditions of idling is 51.6% of the total operating time, 33% of the total operating time corresponds to 10% of the rated power output, while the remaining shares are negligible. Figure 2. The share of diesel and electric locomotives in rail transport in individual countries 1

2 2 DIESEL LOCOMOTIVES IN PASSENGER AND CARGO TRANSPORT IN POLAND AND IN THE WORLD A characteristic feature of passenger locomotives is that they are designed to pull passenger and express trains. They have a source of energy for heating the train in the period of low temperatures (boiler heating systems, heat generators). Passenger locomotives also have a specific traction characteristic, especially in terms of speed. Freight locomotives do not have a source of energy for heating the train, and the traction characteristics should be adjusted to high loads at low speeds. Universal locomotives have both the qualities of freight and passenger locomotives. Shunting locomotives are designed to pull or push (marshalling) wagons on tracks, sidings and in hump yards. One can also distinguish industrial locomotives, which are basically shunting locomotives, only some of which work in specific conditions, such as very high air pollution (e.g. in steel mills, coal sorting plants and mines) and elevated temperature (e.g. in steel mills during the transportation of the products of metallurgical process). Due to the type of transmission used, i.e. the method of moving and adjusting the torque of the internal combustion engine onto the driving wheelsets, three types of locomotives are distinguished: with mechanical transmission, hydraulic (hydrostatic, hydrodynamic) transmission and electric transmission (DC, AC). The significant share of this type of internal combustion traction vehicles in the world undoubtedly also stems from the benefits of this mode of transport. Diesel locomotives have the following characteristics that are favorable compared to electric locomotives: power supply independent of an external source, which is important in case of natural disasters, in emergency situations; diesel locomotives can fully replace electric locomotives, the possibility of applying innovations in diesel locomotive drive system, different ways of power conversion and processing, different types of electric transmission, the ability to operate the locomotives even in difficult weather conditions, which could pose a significant impediment to electric locomotives, higher efficiency of diesel traction (η o = 0.26) than the electric traction (η o = 0.21). The Polish State Railways are currently operating 12 diesel locomotive series of standard gauge with combustion engine power outputs from 110 kw to 2200 kw (Fig. 3 and 4). Every year the number of diesel locomotives, both in the European Union and in Poland, is decreasing as a result of being replaced by electric locomotives (which have lower operating costs on lines with heavy traffic). Figure 3. The rolling stock of combustion engine locomotives in Poland Figure 4. Electric and diesel locomotives in Poland By 2020 the number of locomotives in Europe will decrease, but the number of diesel multiple units for the support of local passenger services will increase. UIC (International Union of Railways) analysis shows that by 2020 companies are planning to buy about 9000 new locomotives and 8500 diesel multiple units. The characteristics of internal combustion engines of locomotives used on railway lines in the US is significantly different from their European counterparts. The US currently employs diesel locomotives with a mean power of 3467 HP. The large majority of locomotives (61%) has engines with power of HP installed. Internal combustion engines are built as medium-speed engines with large a displacement (e.g. GE engine with a capacity of 4400 HP). Modern European designs are highspeed engines with relatively small displacements. Engines with power above 2700 HP account for only 9% and engines with low power (to 750 HP) account for about 28% of the market share. The remaining 63% are medium power engines with the power range of HP. Due to the larger cylinder displacements and lower engine speeds of locomotives operating in the US the emission levels from these engines may be lower. This concerns mainly the emissions of nitrogen oxides (lower combustion temperature, in particular the flame front), and the ability to accurately control fuel delivery (important aspect is the time required to burn the injected fuel dose). Despite the favorable working conditions of 2

3 locomotive engines in the US attempts to limit their emissions of particulates began much earlier. The first attempts to apply filters were imposed by the EPA through the introduction of strict regulations for exhaust emissions from off-road vehicles. In Europe, the first attempts to use particulate filters have been taken in Switzerland and Germany ( ). The development of locomotives in the field of new fuels for combustion engines is in line with the development trends of combustion drives of road vehicles and other off-road means of land transport, and is consistent with changes that are currently observed in the air transport [10]. Their development will depend on the development of new technologies in land and air transport, and will follow in the direction of advanced propulsion technology for locomotives, which will ensure the best use of the energy supplied to the vehicle while maintaining high safety of completing the transport task and low emission factors [3, 6, 8, 9]. Trends in the development of diesel locomotives will be characterized by the desire to: use modern combustion units in new and currently operated locomotives, increase the power output of the engine with unchanged fuel consumption, reduce harmful emissions and noise, reduce heat emitted from the diesel engine, design optimization of auxiliary engine equipment with regards to fuel consumption and manufacturing costs, design and develop diesel-electric drives for locomotives and to adapt these drives to cooperate with other systems in locomotives, develop electric drives with a new generation of batteries and electric motors, design and develop biofuels for use in diesel and diesel-electric locomotives for different transport tasks and industrial applications. The increase in use of microprocessor technology in vehicles indicates that diesel locomotives will be increasingly equipped with such systems, both for engine control, security systems as well as locomotive diagnostics which, in the final version, will be realized by on-board diagnostic systems similar to the OBD systems used in road vehicles. European emission regulations concerning rail traction engines: for locomotives (including shunting locomotives) and rail buses are outlined in UIC 624. The emission limit values were established in 2001 and they apply to newly manufactured diesel engines for rail vehicles. The currently designated test is an ISO 8178-F. These regulations do not apply to special locomotives (operated at a refinery or a mine) and traction motors with the power output of less than 100 kw. It is worth noting that since 2008 the UIC limits are close to the limits of the Euro Stage IV standard [1, 2, 11]. 3 AIM OF THE RESEARCH Assessing the impact of vehicles used for national railways requires the knowledge of actual emissions of harmful components for these vehicles. This task cannot always be realized in the form of tests according to relevant provisions, due to the different operating conditions of rail vehicles, because there are different conditions for the same locomotive (engine) used for the transport of passengers and goods. The aim of the study was to determine the environmental impact of rail vehicles and to set directions for changes that would allow its reduction. The ecological situation of diesel rail vehicles is not satisfactory. They cause a significant increase in environmental pollution (high emission of harmful components), taking into account the technically outdated internal combustion engines used in locomotives and rail vehicles operating on the national railway routes. Thus, the main task was to determine the directions of improvement of the environmental impact of diesel rail vehicles (not limited to locomotives only) using methods such as repairs, re-motorization and the replacement of rail vehicles with other vehicles that meet the required criteria. 4 RESEARCH METHODOLOGY The research subjects were divided into several groups depending on the stage of research carried out. For the analysis of the current state of emissions; tests of presently operated rail vehicles in the form of diesel locomotives were performed: for passenger transport: locomotives: SP32, ST43, SU45, SU46 and SP42, for cargo transport: locomotives: ST43, ST44, M62, M62M, BR231 and BR232, for shunting: locomotive SM42. The possibilities of using light rail vehicles are presented on the example of one/two-bodied DH1/DH2, two-bodied Y, and three-bodied MR railcars. The effects of substituting shunting locomotives with road-rail vehicles are based on the studies of road-rail tractor Orion Crystal 13. Research of emissions of light rail vehicles cannot be carried out on a water resistor due to the hydrokinetic torque converter used in these vehicles. In these cases a mobile laboratory was used, allowing for emission measurements to be made anywhere on the track. 5 RESULTS 5.1. Analysis of current emissivity and development of new testing methods Determination of the share of operating time of parameters for diesel locomotive engines shows that, in most cases, locomotives working in passenger transport: 3

4 a) according to the ISO 8178-F test a substantial amount of operating time of the locomotive is spent on idling; therefore, it is appropriate to give point 1 (which indicates idling in the certification and control tests) a significant share u i of this work phase; b) in the remaining work phases of the combustion engine it is impossible to determine regions which could suggest the selection of the point of maximum power for measurements in tests; evaluation of operating time shares does not confirm the occurrence of notable shares of the highest settings of the power controller during passenger transport; hence replacing that point with several intermediate points is advisable. c) intermediate settings of power controller are close to the certification test; which indicates that the intermediate points can correctly reproduce real traffic conditions, assuming a larger number of points is used (the research was not restricted to only one intermediate point). Observations on the operation of internal combustion engines and their loads in shunting locomotives: a) prevalence of time spent idling; b) small shares of operating time at partial loads indicate a need for adjustments in the engine test, due to a significant disparity of the certification test results compared with the real engine operating conditions; c) the absence of maximum engine loads during shunting operations of the locomotives which makes it impossible to match the ISO 8178 test to the combustion engine s operating conditions and thus makes determining the extent of the locomotive s environmental performance in real operating conditions impossible. Analysis of the operation of locomotives in freight traffic conditions leads to the following conclusions: a) it is appropriate to consider the idling conditions in engine tests, as the analyzed locomotives will typically often utilize idling in their operating time (about 40%); b) in both cases partial loads are used in a small operating range, it is thus not necessary to incorporate the results of this testing phase in any significant proportion; c) operating time under maximum load is significant for both locomotives; which indicates the necessity of taking these operating phases into account when constructing engine tests. Knowledge of the load histograms of individual locomotives allows for the development of tests and determining the relation of the loads with respect to the current certification test. Due to the different traffic conditions for locomotives working in the movement of people and goods, as well as other traffic maneuvering (with or without hump) it became necessary to arbitrarily choose the selection of work phases and their operating time share. Due to the existence of set ranges of engine speed (power controller setting), as well as their resulting values of engine power, it is assumed that continuous functions do not comply with the conditions of selection of operating points in developing a new test. The operating conditions of each of the locomotives are discrete, not continuous. This results in having no ability to control (choose) the engine speed or power, which is not allowed due to the method of controlling the operating parameters of the engine. This analysis allowed for the establishment of the requirements that are to be met by a new test, while also complying with several conditions (Fig. 5): a) due to different operating conditions the idea of designing a single engine test for all diesel locomotives was abandoned (such a simplification would not allow for determining the real working conditions of diesel locomotives), b) the number of phases is not limited to three as it is the case in certification tests; their number depends on the number of settings available on the power controller for the purposes of this research that number was assumed to be in the range of 3 to 6, c) the test should take idling phase into account, because it has a significant share of operation time in the operating conditions for all types of locomotives (passenger transport, freight transport and shunting), d) the choice of test phases should include the possibility of combining adjacent (or grouped) operating points (settings of the power controller), e) the share of each operating point included in the new test should reflect the shares of operating time for each power controller setting. Figure 5. Comparison of existing and newly developed engine tests 4

5 A comparison was made for exhaust emissions of a locomotive, whose histogram is shown above. The obtained results show that the emission values obtained by the new test are lower than those in the standard test. The new test shows the actual values obtained based on the work of the locomotive. Emissions from the locomotive (regardless of the type of test) exceed acceptable limits in terms of carbon monoxide and hydrocarbons. This indicates a substantial level of wear of the internal combustion engine. Lower values of NOx indicate that the obtained maximum power is lower than stated in the manufacturer s catalog data (Fig. 6). A similar analysis was made for a shunting locomotive. Emissions of CO and HC are much lower in the new test than in the standard test [4]. The specificity of operation for this locomotive is a significant share of engine operating time spent idling. But even in this case the emissions significantly exceed the limits outlined in the UIC 623 standard (Fig. 7). rotation with the accepted incremental value equal to α= 2 o of crankshaft rotation (Fig. 8). Opportunities to achieve a reduction in emissions, mainly nitrogen oxide emission, can be noticed. Additionally, the emission results at standard settings have been identified in order to determine the level of emissions from an engine of a newer design. The results indicate that in the case of engines whose emissions are close to current requirements changing the settings of the injection system is important and useful [5]. Figure 6. Exhaust emissions under real operating conditions of railway vehicles - a passenger locomotive SP32 Figure 9. Comparison of emission from different fuels to the norm for diesel locomotives Major repairs of diesel locomotives allow for partial reduction of emissions of hazardous components: the values obtained meet or exceed the ORE B13 standards, as well as the UIC standard (only for carbon monoxide emission). This allows for determining whether the boost pressure is correct or the value is maintained too high (suggested by the high NOx emission). HC emissions increase could be caused by insufficient run-in of the engine, but the result far exceeds the acceptable limits of the UIC standard. The injection process (injection timing) has been improved, as evidenced by the lower nitrogen oxide emission value, allowing compliance with the ORE B13 standards (Fig. 10). Figure 7. Exhaust emissions under real operating conditions of railway vehicles shunting locomotive SM Possibilities of emission reduction In order to determine the effect of the set operating parameters on the environmental indicators for combustion engines of rail vehicles; measurements of exhaust emissions were performed in relation to the changes in the crankshaft angle at fuel injection in the engine of a M62M locomotive. The study of variation in settings of the fuel injection system was carried out using discrete changes in the crankshaft angle at the start of fuel stamping for all twelve cylinders. Exhaust emission measurements were made by increasing and decreasing the angle by α = ±4 o of crankshaft Figure 10. The effects of engine repairs on emissions of freight locomotive ST44 Changing the engine type leads to significant environmental benefits. Compared to the standard 14D40 engine, a reduction of hourly emissions of carbon monoxide by more than 80% was achieved. Hydrocarbon emissions were reduced by 36%. While there was a 4% increase in nitrogen oxide emissions the 645E3B engine has more than 50% more power than its predecessor (Fig. 11). 5

6 5.3. Replacing diesel locomotives with light rail vehicles The range of regulatory changes in the engines, their repairs and re-motorization presented in previous chapters does not exhaust the possibilities of emission reduction for the engines of rail vehicles. Internal combustion engines of diesel locomotives mainly consist of worn-out high power engines. These engines often do not meet the emission limits for toxic components. They are often subject to additional regulations or major repairs aimed at improving their environmental performance. The situation with regard to the engines of light rail vehicles, including rail buses, is slightly different. They use heavy duty types of vehicle engines loaded diesel engines with displacement volumes not exceeding 25 dm 3. Due to the possibility of replacing worn-out diesel locomotives operating in passenger traffic the environmental indicators of rail buses were presented. The one-, two- or three-bodied traction rail vehicles currently imported into our country allow for significant reduction of emission of harmful ingredients. As a result of performed research it is possible to obtain more than 90% reduction in emissions of carbon monoxide when using these vehicles. Thanks to the newer engines used in those vehicles it is possible to reduce emissions of hydrocarbons anywhere between 70 to over 90%. Emissions of nitrogen oxides would be reduced by almost 50% in the worst case scenario. It is also possible to reduce it by more than 95% (Fig. 12). SM42 type locomotives, used mainly for shunting work, could be replaced by road-rail vehicles. Road and rail tractor is a tractor designed to work in shunting of wagons on tracks (both narrow and wide). Emission tests were carried out by comparing the work of such a shunting locomotive and a roadrail tractor with a capacity of approximately 100 kw. Due to the different values of tractive force of these vehicles the exhaust emission analysis was performed by assuming that the operating time of road-rail tractor would be greatly extended. This analysis indicated the reduction of carbon monoxide emissions by more than 90%. The hourly hydrocarbon emission is also more than 90% lower. Emission of nitrogen oxides is reduced under such conditions by more than 80%. Measurements of particulate emissions were also performed and showed a 70% reduction in hourly emissions of particulate matter (Fig. 13). Figure 13. Replacing shunting locomotives with light rail vehicles Utilizing the possibilities of emission reduction presented in this paper would require taking ecologically dominant directions in rolling stock development. For this purpose, these proposals are presented using as an indicator the percentage of change in the emission of harmful ingredients. The situation concerning the potential use of traction rail vehicles railcars seems very advantageous. Their use can offer nearly 4-fold reduction of the emissions of nitrogen oxides, 5-fold reduction of hydrocarbons, and up to 10-fold reduction in carbon monoxide emissions (Fig. 14). Thanks to the presented solutions, it is possible to reduce the negative impact of exhaust emissions of rail vehicles on the environment. Figure 12. Emission impact of proposed changes in the rolling stock Figure 14. Environmental benefit: as multiples of ecological benefits offered by the best available solutions 6

7 The economic benefits of utilizing methods and means of limiting the adverse impact of rail vehicles on the environment include: 50% reduction of fuel consumption, 70% reduction of engine oil consumption, 60% increase in engine power, extending locomotive lifespan by at least 20 years, extending the time between overhaul, fault indicator decreased 2.5-fold, return on investment within a 10 year period. Particularly beneficial are the economic effects of replacing shunting locomotives with road-rail vehicles (Fig. 15), which include: cost of purchase for a road-rail shunting tractor is a third of the price for the cheapest shunting locomotive, exploitation costs for a road-rail tractor are a sixth of the equivalent costs of a shunting locomotive, three-fold improvement in traction properties, the ability to drive the tractor without the need for a train driving license on all owned railway sidings, the possibility of mechanization of cleaning of the rail and tram infrastructure, the possibility of adapting used road vehicles for road-rail uses, the possibility of purchase on appealing financing terms. Replacement of shunting locomotives with road-rail vehicles with a two-shift work day provides a return for the costs of purchase of this vehicle in less than two years. Figure 15. Comparison of advantages presented by a road-rail vehicle over a shunting locomotive 6 CONCLUSIONS The presented possibilities of changes to the traditional rail vehicles in the form of modernization, replacement of internal combustion engines with more modern units, use of alternative fuels, use of railcars and special vehicles (road-rail tractors) all required finding the ecologically dominant directions. Understanding the impact of rail vehicles on the environment requires an assessment of their real traffic conditions, as well as the need to define exhaust emissions under these conditions. This is possible only after taking into account their specific operation. This task is made even more complicated by the fact that the locomotives do not have the same load histogram dynamic operating conditions generate different emission values. In order to get the full "picture" of the ecological status of internal combustion engines a mobile testing laboratory for the measurement of exhaust emissions was developed. Based on performed research it was found that it is possible to limit the negative effects of rail vehicles on the environment, under actual working conditions of these vehicles, which in turn allows the use of measures to reduce their environmental impact. The most effective method to reduce the impact of rail vehicles on the environment is the replacement of the engine unit and the replacement of diesel locomotives with light rail vehicles. Other methods of reducing emissions such as: engine control, use of alternative fuels, engine repairs, do not have the desired effect. Specific conclusions: 1. The use of new tests for diesel locomotives operated in Poland is beneficial because it provides information on the real environmental impact of these types of locomotives. 2. According to a newly developed test the exhaust emissions for locomotives used in: passenger transport is 20 40% lower for all exhaust components, shunting is approx. 50% smaller, freight transport no notable changes. 3. Replacement of diesel locomotives with light rail vehicles reduces the emissions of: carbon monoxide by 90 95%, hydrocarbons by 69 94%, nitrogen oxides by 47 95%. 4. The use of railcars compared to diesel locomotives can result in: 10-fold carbon monoxide emission reduction, 5-fold hydrocarbon emission reduction, 4-fold nitrogen oxides emission reduction. This study did not exhaust the issues related to the environmental aspects of rail vehicles. Further studies are to be conducted in the fields of: research that determines the load histograms for new rail vehicles imported from abroad and put into operation, study of environmental pollution in real traffic conditions for rail vehicles (an equivalent of Real Driving Emissions tests for motor vehicles), determining the correlation of emission test results between both the standard tests and those proposed in this paper and the real exhaust emission values, 7

8 determining the particulate matter emissions of the remaining types of rail vehicles (especially locomotives which could be replaced with light rail vehicles) working in shunting and ancillary service conditions, analysis of uses of oxidation catalysts or particulate filters in diesel locomotives. REFERENCES [1] Directive 2004/26/EC of the European Parliament and of the Council amending Directive 97/68/EC on the approximation of the laws of the Member States relating to measures against the emission of gaseous and particulate pollutants from internal combustion engines to be installed in non-road mobile machinery, [2] ISO: Reciprocating internal combustion engines exhaust emission measurement Part 1: Test-bed measurement of gaseous and particulate exhaust emissions. Draft International Standard ISO/DIS , [3] Kettner J., Moving Towards Sustainable Mobility a Strategy for 2030 and Beyond for the European Railway Sector. 12 UIC Sustainability Conference, Venice [4] Marciniak Z., Stawecki W., Merkisz J., Pielecha I., Pielecha J., Możliwości modyfikacji taboru spalinowego w celu zmniejszenia jego oddziaływania na środowisko naturalne. Technika Transportu Szynowego, 3, 2011, [5] Marciniak Z., Stawecki W., Pielecha I., Pielecha J., Ekologiczne aspekty spalinowych pojazdów szynowych eksploatowanych na krajowych liniach kolejowych. Logistyka, 4, [6] Merkisz J., Pielecha J., Emissions and Fuel Consumption during Road Test from Diesel and Hybrid Buses under Real Road Conditions. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC 10), Lille [7] Merkisz J., Pielecha J., Nanoparticle Emissions from Combustion Engines. Springer Tracts on Transportation and Traffic, 8, [8] Merkisz J., Pielecha J., Fuć P., Emissionsfaktoren aus PEMS-basierter RDE-Prüfung für Fahrzeuge aller Gewichtklassen/ LDV and HDV vehicle exhaust emission indexes in PEMS-based RDE tests. Fortschritt-Berichte VDI. Rheine 12, Nr 783, Vol. 1, [9] Merkisz J., Pielecha J., Gis W., Exhaust Emission Results from Light Duty Diesel in a Road Tests. Automobiles and Sustainable Mobility, FISITA 2010 World Automotive Congress, F2010-A-045. Scientific Society for Mechanical Engineering (GTE), Budapest [10] Merkisz J., Pielecha J., Radzimirski S., New Trends in Emission Control in the European Union. Springer Tracts on Transportation and Traffic, 1, [11] Norma PN-EN ISO , Silniki spalinowe tłokowe. Pomiar emisji spalin. Cykle badawcze silników o różnym zastosowaniu. Wyd [12] Pielecha I. Marciniak Z., Wpływ silników spalinowych pojazdów trakcyjnych eksploatowanych w kraju na środowisko próby i badania oraz wytyczne dla redukcji emisji składników szkodliwych. Pojazdy Szynowe, 1, 2009, [13] Pielecha I., Pielecha J., Tendencje w przepisach dotyczących emisji związków toksycznych przez silniki spalinowe pojazdów szynowych. Pojazdy Szynowe, 1, 2005,

9 prof. dr hab. inż. Marianna Jacyna prof. dr hab. inż. Wojciech Wawrzyński Politechnika Warszawska Nowe trendy w rozwoju transportu szynowego Transport szynowy a zwłaszcza kolejowy to istotny element systemu transportowego. Postrzegany jest on jako rozwiązanie narastających problemów ekologicznych i przewozowych integrującej się Europy. W artykule szczególny nacisk położono na transport kolejowy. Wskazano, iż rozwój transportu lotniczego w zakresie połączeń lokalnych (krajowych) oraz dynamiczny rozwój prywatnej komunikacji autobusowej wymusza na transporcie kolejowym wdrażanie innowacyjnych rozwiązań celem dostosowania się do oczekiwań rynku, w tym przede wszystkim klienta. Rozwiązania te dotyczą zarówno infrastruktury transportu kolejowego, środków transportu oraz infrastruktury dodatkowej pozwalającej na kompleksową obsługę klienta. W artykule przedstawiono problemy związane z wdrażaniem innowacyjnych rozwiązań na kolei w Polsce. Wskazano na problemy wynikające ze strony popytowej tj. kolei i jej gotowości do wdrażania innowacyjnych rozwiązań oraz strony podażowej tj. podaży wiedzy i rozwiązań innowacyjnych ze strony przedstawicieli nauki, instytutów badawczych i uczelni. 1 WPROWADZENIE Jednym z priorytetowych zadań polityki gospodarczej i transportowej państw europejskich jest ożywienie działalności transportu kolejowego. Postrzegany jest on jako rozwiązanie narastających problemów ekologicznych i przewozowych integrującej się Europy (np. aby przewieźć 2000 ton towaru potrzebnych jest 125 samochodów 16t, lub 1-2 składy pociągowe (w zależności od masy). W tym aspekcie głównym celem Komisji Unii Europejskiej staje się stworzenie wspólnego rynku kolejowego bez ograniczeń politycznych, gospodarczych i technicznych. Ma to również przełożenie na politykę transportową poszczególnych członków UE. Realizując postulaty zrównoważonego rozwoju transportu w Polsce zakłada się, iż kolej powinna dominować w tych segmentach, gdzie generuje największe korzyści gospodarcze i społeczne. Od zawsze transport kolejowy był predysponowany do przewozów przede wszystkim ładunków masowych (w komunikacji krajowej oraz międzynarodowej między ośrodkami o dużej emisji (jak np. kopalniami czy rafineriami) i zaniku potoków ładunków (jak np. elektrowniami czy portami) na średnie i duże odległości) oraz do obsługi pasażerów (w relacjach międzynarodowych (na duże odległości), regionalnych (na średnie odległości) oraz przede wszystkim na terenach aglomeracyjnych (na małe odległości). W 2013 roku transportem kolejowym przewieziono około 233 mln ton ładunków oraz około 270 mln pasażerów, co stanowi wzrost w stosunku do 2012 roku. Działania podejmowane przez transport szynowy w ostatnich latach skupiają się przede wszystkim na dostosowaniu oferowanych usług do oczekiwań rynku. Dotyczy to zwłaszcza decyzji ukierunkowanych na zdobyciu większego zaufania klientów i pasażerów poprzez podnoszenie poprawy jakości usług. Osiągnięcie tych celów jest możliwe dzięki wykorzystaniu innowacyjnych rozwiązań umożliwiających projektowanie nowoczesnej infrastruktury, stosowanie technologii informatycznych wspomagającej podejmowanie decyzji w różnych obszarach funkcjonowania oraz efektywnej alokacji dostępnych zasobów finansowych. Wszystkie działania sektora transportu szynowego powinny prowadzić do: zapewnienia konkurencyjności kolei w relacji do innych gałęzi transportu w najbardziej rozwojowych segmentach rynku, zapewnienia warunków do podnoszenia jakości obsługi klientów przez przewoźników kolejowych, szybszej i efektywniejszej modernizacji infrastruktury transportu kolejowego, efektywnej wymiany taboru na nowoczesny, modernizację infrastruktury dodatkowej dostosowanej do nowych trendów i oczekiwań użytkowników tego sektora, np. zintegrowane węzły przesiadkowe zapewniające integrację różnych środków transportu, wprowadzania nowych rozwiązań w komunikacji miejskiej z zastosowaniem nowoczesnych szybkich tramwajów i metra. Z zapisu w Master Plan opracowanego dla transportu kolejowego wynika, że spełnienie oczekiwań transportowych, związanych w szczególności z intensywnym rozwojem społeczno-gospodarczym kraju, wymaga podjęcia szeregu działań o charakte- 9

10 rze organizacyjnym i modernizacyjnym oraz intensywnych działań inwestycyjnych, tak w zakresie linii kolejowych, taboru, obiektów dworcowych jak i szeroko rozumianych systemów obsługi podróżnych. Podyktowane to jest znacznym wzrostem przewozów zwłaszcza aglomeracyjnych i międzyaglomeracyjnych. 2 UWARUNKOWANIA TECHNICZNE ZMIAN W INFRASTRUKTURZE TRANS- PORTU KOLEJOWEGO Sprawne przemieszczanie pasażerów czy ładunków między poszczególnymi rodzajami transportu jest możliwe, pod warunkiem odpowiednio rozwiniętej infrastruktury liniowej oraz punktowej (punkty przeładunkowe, terminale w przewozach towarowych oraz rozwiniętych zintegrowanych węzłów komunikacyjnych w przewozach pasażerskich). Każda taka operacja wpływa na zmianę parametrów przewozu takich jak: czas, koszt czy jakość. Przyjęcie odpowiednich kryteriów umożliwia optymalizowanie procesów przewozowych ze względu na czas, koszt i jakość oraz wybór najwygodniejszego sposobu organizacji przewozu. Na tej podstawie można także określać potrzebę dostosowania infrastruktury transportu do nowych zadań przewozowych lub poprawy kosztu i jakości przewozu. Zatem kształtowanie parametrów infrastruktury wiąże się ściśle z odpowiednim doborem parametrów technicznoeksploatacyjnych taboru używanego do przewozu. Układ sieci głównych linii kolejowych w ostatnim okresie ulega ciągłym zmianom. Dla porównania na rys. 1 a) i b) przedstawiono mapę sieci głównych linii kolejowych Polski z 1996 roku (rys. 1 a)) i z 2015 roku (rys. 1 b)). Analizując dane można zauważyć, iż w 1996 roku większość linii kolejowych była czynna w ruchu pasażerskim. Do wyjątków należą linia kolejowa 65 (LHS) z Łudina do Sławkowa Południowego LHS, linia kolejowa 132 Bytom Wrocław Główny na odcinku Bytom Pyskowice, linia kolejowa 226 Pruszcz Gdański Gdańsk Port Północny, linia kolejowa 275 Wrocław Muchobór Gubinek na odcinku Żagań Gubinek, linia kolejowa 357 Sulechów Luboń koło Poznania na odcinku Sulechów Wolsztyn oraz linia kolejowa 420 Worowo Wysoka Kamieńska na odcinku Resko Północne Wysoka Kamieńska. Natomiast z danych zamieszczonych na mapie (rys.1 b) wynika, że z mapy zasadniczej sieci kolejowej Polski niektóre odcinki zniknęły. Oznacza to, że nie jest prowadzony na nich ani ruch pasażerski ani ruch towarowy. Są to zazwyczaj linie nieprzejezdne lub fizycznie zlikwidowane. Często też na niektórych prowadzony jest tylko ruch towarowy. Zmiany w zakresie struktury sieci linii kolejowych w Polsce (tab. 1) dotyczą nie tylko likwidacji niektórych odcinków linii ale również budowy no- Rys. 1. a) - Mapa sieci kolejowej Polski stan na 1996r Źródło: b) Mapa sieci kolejowej Polski stan na 2015 r. Źródło: wych odcinków linii kolejowej np. linia kolejowa 118 Kraków Mydlniki Kraków Balice MPL (planowany termin uruchomienia we wrześniu 2015 r.), linia kolejowa 434 podg Mosty Goleniów Port Lotniczy Szczecin, linia kolejowa 440 Warszawa Okęcie Warszawa Lotnisko Chopina, linia kolejowa 581 Świdnik Miasto Lublin AIRPORT. Jednym z głównych zadań stojących przed transportem kolejowym to konieczność dostosowania infrastruktury do potrzeb rynku zarówno przewoźników jak i pasażerów. Dotyczy to przede wszystkim zmian takich parametrów jak: czas, koszt czy jakość przewozu. W tym aspekcie brakuje linii kolejowych o prędkości mak. 160 km/h i wyższych. Z prędkością 160 km/h można przemieszczać się tylko po terenie korytarza drugiego (po liniach kolejowych dedykowanych pociągom pasażerskim), częściowo po liniach kolejowych stanowiących korytarz trzeci (okolice Wrocławia, po liniach kolejowych dedykowanych pociągom pasażerskim) oraz po liniach korytarza transportowego VI (po większej części linii dedykowanych pociągom pasażerskim oraz po części linii dedykowanych pociągom towarowym) (rys.2). Dużym wyzwaniem a zarazem poważnym problemem decyzyjnym jest budowa linii dużych prędkości. Na chwilę obecną brak jest pociągów kursujących z prędkością wyższą niż 200 km/h. 10

11 Rys. 2 - Sieć kolejowa z dopuszczalnymi prędkościami Źródło: PTV VISUM - Zakład Logistyki i Systemów Transportowych Wydział Transportu PW W Polsce zaplanowano budowę linii Y łączącej Warszawę z Łodzią i dalej z Poznaniem oraz Wrocławiem, po której pociągi będą się przemieszczać z prędkością 300 km/h (rys. 3). Rys. 3. Linie dużych prędkości na terenie Polski Źródło: PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. Planowana długość linii to około 700 km. Linia miała zostać wybudowana 2025 r. Niestety na skutek sytuacji gospodarczo-politycznej zaniechano budowy linii. Dla porównania w Europie [5] w 2009 roku istniało 5566 km linii dużych prędkości, w budowie jest 3474 km linii, natomiast zaplanowano do wybudowania 8501 km linii. W 2025 roku sieć linii dużych prędkości w Europie ma osiągnąć km. Zaplanowana linia Y stanowiłaby 4% długości linii dużych prędkości w Europie. Należy zauważyć, że w Polsce były dobre pomysły na budowę linii dużych prędkości. Oddana w 1977 roku do użytku CMK (droga kolejowa 4 Grodzisk Mazowiecki Zawiercie) została zaprojektowana do kursowania pociągów z prędkością mak- symalną 220 km/h. Niestety brak taboru, który mógłby osiągnąć taką prędkość nie pozwolił na jazdę z taką prędkością. Stopniowe zużycie linii spowodowało, że w ostatnich latach pociągi kursowały z prędkością maksymalną 160 km/h. Aktualnie prowadzone są intensywne prace modernizacyjne i na większej części linii prędkość maksymalna została podniesiona do 200 km/h. Z aktualnych inwestycji infrastrukturalnych na szczególną uwagę zasługuje budowa Pomorskiej Kolei Metropolitalnej Gdańsk Wrzeszcz Gdańsk Port Lotniczy Gdańsk Osowa/Rębiechowo. Jest to całkowicie nowa linia kolejowa, która ma zostać oddana do użytku we wrześniu 2015 roku. Dostosowanie linii kolejowych do wyższych standardów w zakresie jakości infrastruktury wpływa znacząco na zmniejszenie czasów przejazdów dla wszystkich kategorii pociągów. Przekładem mogą być dane ze studium wykonalności dotyczące przystosowania Wrocławskiego Węzła Kolejowego (WrWK) do obsługi KDP. Analizie w trakcie wykonywania studium poddano cztery opcje: opcję bezinwestycyjną 0 (tzw. opcja nic nie robić ) dot. ukończenia rozpoczętych lub zaplanowanych modernizacji elementów infrastruktury transportowej WrWK oraz utrzymania linii kolejowych WrWK w ich obecnym lub uzyskanym (po ukończeniu zaplanowanych prac) stanie. W opcji 0 nie przewiduje się budowy KDP, opcję inwestycyjną 1 (tzw. opcja minimum ) dot. przeprowadzenia rewitalizacji linii kolejowych w celu przywrócenia pierwotnych parametrów technicznych i eksploatacyjnych linii kolejowych objętych studium. W opcji 1 przewiduje się budowę linii kolejowej do portu lotniczego oraz budowę KDP, opcję inwestycyjną 2 oraz opcję inwestycyjną 3, w których uwzględniono modernizację istniejącej lub budowę nowej infrastruktury kolejowej (w tym budowę lub przebudowę obiektów i stacji, modernizację istniejących lub budowę nowych odcinków linii kolejowych lub nowych linii kolejowych). W opcji 2 i 3, tak jak w opcji 1, założono budowę linii kolejowej do portu lotniczego oraz budowę KDP. Zaproponowane prace modernizacyjne i rewitalizacyjne na sieci kolejowej dla Wrocławskiego Węzła Kolejowego, pozwoliły na ocenę efektów m.in. w postaci redukcji czasów przejazdu na poszczególnych odcinkach dla poszczególnych kategorii pociągów (rys. 4 - rys.7). 11

12 Tab. 1. Struktura linii kolejowej w Polsce na przełomie lat Lp. Parametr Długość linii czynnych [km] Długość linii magistralnych [km] b.d. 3 Długość linii pierwszorzędnych [km] b.d. 4 Długość linii drugorzędnych [km] b.d. 5 Długość linii znaczenia miejscowego [km] b.d. 6 Długość linii zelektryfikowanych [km] Rys. 4 - Redukcja czasów przejazdu dla pociągów regionalnych Źródło: PTV VISUM - Zakład LiST WT PW Rys. 5 - Redukcja czasów przejazdu dla pociągów międzyregionalnych Źródło: PTV VISUM - Zakład LiST WT PW Rys. 6 - Redukcja czasów przejazdu dla pociągów kwalifikowanych Źródło: PTV VISUM - Zakład LiST WT PW 3 ZMIANY W STRUKTURZE TABORU TRANSPORTU KOLEJOWEGO Zmiany jakie zachodzą w transporcie szynowym, w zakresie dostosowywania się do oczekiwań klienta, dotyczą również taboru. Tabor to przede wszystkim wizerunek przewoźnika. Wpływa on m.in. Rys. 7 - Redukcja czasów przejazdu dla pociągów towarowych Źródło: PTV VISUM - Zakład LiST WT PW na ocenę podróży przez pasażerów. Należy zauważyć, że w ostatnich latach rozpoczęła się rewolucja taborowa zarówno na kolei jak i ruchu tramwajowym. Stare pojazdy są modernizowane, pozyskiwany jest nowy tabor. Strukturę taboru na przełomie lat przedstawiono w tab. 2. Tab. 2. Struktura taboru na przełomie lat Lp. Typ taboru Lokomotywy elektryczne Lokomotywy spalinowe Lokomotywy parowe Elektryczne zespoły trakcyjne Spalinowe wagony silnikowe Wagony towarowe Wagony osobowe Wagony osobowe przystosowane do przewozu osób niepełnosprawnych Wagony składające się na zespoły trakcyjne Zespoły trakcyjne i silnikowe przystosowane do przewozu osób niepełnosprawnych Źródło: opracowanie własne na podstawie Raportu GUS z 2003, 2006, 2009, 2012 i 2013 r. 12

13 Należy wspomnieć, iż parowozy obecnie wykorzystywane są jedynie do prowadzenia pociągów turystycznych i stacjonują w Chabówce, Wolsztynie, Pyskowicach i Jaworzynie Śląskiej. Poza tym parowozy obsługują ruch turystyczny na kolejach wąskotorowych. Co istotne liczba spalinowych wagonów silnikowych z roku na rok rośnie. Pojazdy te generują mniejsze koszty eksploatacyjne, dzięki temu mogą kursować na liniach mało-obciążonych. W celu dostosowania do potrzeb rynku, tabor jest sukcesywnie odnawiany i dostosowywany do wymagań obowiązujących w UE. Prace modernizacyjne prowadzone są m.in. w zakładach PESA Bydgoszcz, ZNTK Mińsk Mazowiecki, NEWAG w Nowym Sączu i ZNLE Gliwice. Prace modernizacyjne lokomotyw elektrycznych polegają m.in. na {19] (rys. 8) zmianach wyglądu zewnętrznego, zmianach w konstrukcji mechanicznej (silniki, prędkościomierze, przetwornice, szafy napięcia), zainstalowaniu komputerowego systemu sterowania i diagnostyki, zabudowaniu klimatyzacji, regulacji oświetlenia, zmianie urządzeń radiołączności, zmianie pulpitu, wymianie foteli, montażu wycieraczek sterowanych elektrycznie, zapewnieniu izolacji termicznej i akustycznej kabiny. Podobnie modernizowane są lokomotywy spalinowe [12], [14] (rys. 9) oraz elektryczne zespoły trakcyjne [18}. Rys. 8 - Zmodernizowana lokomotywa elektryczna EU07A-495 przez IPS Tabor oraz ZNTK Oleśnica Źródło: Rys. 9 - Zmodernizowana lokomotywa spalinowa ST45-01 przez IPS Tabor oraz PESĘ Bydgoszcz Źródło: Modernizacja elektrycznych zespołów trakcyjnych polega m.in. na [18]: zmianie wyglądu zewnętrznego, dostosowaniu do potrzeb osób niepełnosprawnych, zamontowaniu stojaków na rowery, zastosowaniu rozruchu impulsowego i silników asynchronicznych, montażu gniazdek elektrycznych, bezprzewodowego dostępu do Internetu, wyposażeniu w drzwi odskokowo-przesuwne. Istotną grupę taboru stanowią zespoły trakcyjne napędzane silnikiem spalinowym. W grupie tej można wyróżnić spalinowe zespoły trakcyjne, wagony spalinowe i autobusy szynowe. Na terenie Polski największą liczbę poruszających się pojazdów stanowią te, które zostały wyprodukowane w zakładach PESA Bydgoszcz. Aktualnie produkowane pojazdy dostosowane są do potrzeb osób niepełnosprawnych (są nisko-wejściowe). Obowiązkowo wyposażone są w klimatyzację przestrzeni pasażerskiej oraz stojaki na rowery. Dodatkowym wyposażeniem montowanym w pojazdach są gniazdka elektryczne oraz bezprzewodowy dostęp do Internetu. Bezpieczeństwo w pojazdach zapewnia monitoring przestrzeni pasażerskiej, dodatkowo zamontowany jest monitoring wspomagający pracę maszynisty. Podróż wspomaga głosowy oraz wizualny system informacji pasażerskiej. Należy zaznaczyć, że oprócz modernizacji taboru i zakupu spalinowych zespołów trakcyjnych dokonuje się zakupu nowych pojazdów, jak np. elektrycznych zespołów trakcyjnych serii ED250 (PEN- DOLINO przez PKP Intercity) czy lokomotyw elektrycznych. Modernizacje i inwestycje taborowe można dostrzec także na rynku komunikacji tramwajowej. Stary tabor jest sukcesywnie wycofywany z eksploatacji (jak np. tramwaje typu 13N w Warszawie). Niektóre pojazdy są modernizowane w większym (ze zmianą wyglądu zewnętrznego i dostosowaniem do potrzeb osób niepełnosprawnych) lub mniejszym stopniu (bez zmiany wyglądu zewnętrznego). Dzięki środkom pomocowym z Unii Europejskiej kupowane są nowe pojazdy. W większości są one wyprodukowane przez polskich producentów, takich jak: PESA Bydgoszcz, SOLARIS BUS & COACH Bolechowo, MODERTRANS Poznań czy ALSTOM-KONSTAL Chorzów. Pojazdy te są na ogół niskopodłogowe, jednoprzestrzenne i wyposażone w klimatyzację w przestrzeni pasażerskiej. Co ważne posiadają udogodnienia dla niepełnosprawnych. W wybranych miastach nowoczesne tramwaje posiadają wydzielone miejsce do przewozu rowerów oraz automaty biletowe wewnątrz pojazdu. Niektóre modele mogą być dwukierunkowe i posiadać superkondensatory umożliwiające rekuperację energii. Bezpieczeństwo pasażerów zapewnia monitoring pojazdu, natomiast 13

14 podróż wspomaga głosowy oraz wizualny system informacji pasażerskiej. Nowoczesny tabor kursuje także po liniach Metra Warszawskiego. Ostatnia duża inwestycja taborowa związana była z uruchomieniem II linii. Tabor cechuje się przede wszystkim dużą pojemnością oraz dobrą wymianą pasażerską. Mimo, że dużą część taboru stanowią wagony produkcji rosyjskiej, są one przystosowane do podróży osób niepełnosprawnych. Jednym z podstawowych wymogów zapewnienia komfortu podróżujących jest zapewnienie odpowiednio częstej wymiany powietrza, dlatego pojazdy wyposażone są w odpowiedni system wentylacji. Wysokość podłogi wagonu jest zrównana z wysokością peronu. Podróż wspomaga głosowy oraz wizualny system informacji pasażerskiej. 4 NOWE ROZWIĄZANIA W KOMUNIKACJI MIEJSKIEJ - NOWOCZESNE SZYBKIE TRAMWAJE I METRO Dokonując analizy zmian w transporcie szynowym należy podkreślić rolę komunikacji tramwajowej. Tramwaj pozwala na szybkie przemieszczanie się po obszarach miejskich. W większości miast torowisko jest wydzielone, co daje przewagę środkom transportu szynowego nad transportem drogowym, ze względu na coraz większa kongestię w ruchu miejskim. Ostatnio obserwowany jest trend rozwoju sieci tramwajowej w Polsce. Tramwaje kursują w 14 polskich miastach. W dziewięciu z nich sieć tramwajowa stale jest rozwijana. W pięciu miastach na chwilę obecną budowane są nowe linie. Nie można tego powiedzieć o konurbacji górnośląskiej, gdzie od kilku lat likwidowane są linie tramwajowe. We wszystkich miastach, gdzie istnieją tramwaje prowadzone są prace rewitalizacyjne lub modernizacyjne. Na początku XXI wieku, dzięki pomocy Unii Europejskiej nastąpił znaczy rozwój sieci tramwajowych w Polsce. W zakresie budowy nowych linii tramwajowych można wyróżnić takie miasta jak: Bydgoszcz, gdzie w listopadzie 2012 r. zakończono odbudowę linii tramwajowej od przystanku Garbary do Dworca Głównego PKP i dobudowanie odcinka do pętli Rycerska; w październiku 2013 r. podpisano umowę na budowę linii tramwajowej do Fordonu (od pętli Wyścigowa), Częstochowa, gdzie we wrześniu 2012 roku zakończono budowę linii tramwajowej od przystanku Estakada do pętli Stadion Raków, Elbląg, gdzie systematycznie sieć jest rozbudowywana, Gdańsk, gdzie w 2012 roku otwarto trasę od przystanku Brama Wyżynna przez pętlę Chełm Witosa (2007) do pętli Łostowice Świętokrzyska; we wrześniu 2015 roku ma być oddany do użytku kolejny odcinek od pętli Siedlce do przystanku Pomorskiej Kolei Metropolitalnej Brętowo, Kraków, gdzie w 2010 roku oddano odcinek od przystanku Rondo Grzegórzeckie do pętli Mały Płaszów, a w 2012 roku otwarto trasę od przystanku Kobierzyńska do pętli Czerwone Maki; na uwagę zasługuje także budowa tunelu Krakowskiego Szybkiego Tramwaju między przystankiem Rondo Mogilskie a pętlą Dworzec Towarowy; w 2015 roku ma być oddany do użytku kolejny odcinek od pętli Dworcowa do przystanku Lipska, Olsztyn, gdzie tramwaje istniały do 1965 roku; w roku 2012 rozpoczęto odbudowę sieci tramwajowej planowany termin zakończenia inwestycji to 2015 rok, Poznań, gdzie w 2012 roku otwarto trasę od przystanku Marcinkowskiego przez pętlę Osiedle Lecha (2007) do pętli Franowo, a w 2013 roku przedłużenie Poznańskiego Szybkiego Tramwaju od przystanku Most Teatralny do przystanku Dworzec Zachodni, Toruń, gdzie w 2014 roku zakończono budowę linii tramwajowej od przystanku Sienkiewicza do pętli Uniwersytet, Warszawa, gdzie w 2014 roku zakończono budowę linii tramwajowej od przystanku Zajezdnia Żoliborz do pętli Tarchomin Kościelny, a w 2015 roku otwarto fragment linii tramwajowej od przystanku Bemowo Ratusz do przystanku Radiowa. W rozwiązywaniu problemów komunikacyjnych w dużych aglomeracjach miejskich projektuje się metro. W Polsce aktualnie metro funkcjonuje jedynie w Warszawie ale budową podziemnej kolejki zainteresowane jest miasto Kraków, którego studium wykonalności ma zostać wykonane do 2017 roku oraz Wrocław. W Warszawie do 2015 roku funkcjonowała tylko jedna linia M1 z Kabat przez Politechnikę (1995), Centrum (1998), Ratusz (2001), Dworzec Gdański (2003), Plac Wilsona (2005), Marymont (2006), Słodowiec (2008), do Młocin (2008). W marcu 2015 roku otwarto drugą linię (według dokumentacji projektowej jest to trzecia linia metra) Połczyńska Bródno na odcinku Rondo Daszyńskiego Dworzec Wileński. Do 2017 roku ma zostać wybudowana część w kierunku Bemowa, natomiast do 2020 roku w kierunku Bródna. Alternatywą dla metra jest system premetra, czyli tramwajów kursujących po bezkolizyjnych odcinkach. Odcinki te na etapie budowy mogą zostać 14

15 przystosowane do późniejszego włączenia w sieć metra. Zasadniczo odchodzi się od tej koncepcji i na bazie idei metra tworzy się trasy szybkiego tramwaju, w których skrzyżowania z innymi drogami wykonane są w układzie wielopoziomowym, co umożliwia osiągnięcie wyższych prędkości poruszania się. W Polsce istnieją dwa systemy premetra: Poznański Szybki Tramwaj (PST) i Krakowski Szybki Tramwaj (KST). 5 DOSTOSOWYWANIE INFRASTRUKTURY DODATKOWEJ DO OCZEKIWAŃ PASA- ŻERÓW TRANSPORTU SZYNOWEGO Jak już wspomniano w punkcie 1 i 2 istotne znaczenie w sprawnym przemieszczaniu pasażerów i ładunków mają zintegrowane węzły przesiadkowe w przewozach pasażerskich i punkty przeładunkowe typu centra logistyczne czy terminale intermodalne w przewozach ładunków. Węzły te integrują różne środki transportu, dzięki czemu jest możliwość zmiany środka transportu w obrębie takiego węzła. Wymagania rynkowe, nowe standardy obsługi klienta spowodowały bardzo duże zmiany w infrastrukturze dodatkowej transportu szynowego. Dotyczy to zintegrowanych węzłów komunikacyjnych, składających się, na ogół, z dworca kolejowego, przystanku bądź dworca autobusowego oraz przystanków komunikacji miejskiej (tramwajowych i autobusowych) i stacji metra. Działania dotyczą bardzo często całkowitej przebudowy dworca kolejowego. Budynki dworca są odnawiane i przywracana jest im dawna świetność. Tak dzieje się zarówno w dużych miastach, gdzie prowadzony jest ruch kolejowy o dużym natężeniu jak np. w Krakowie, Wrocławiu (rys. 10), Poznaniu czy Warszawie jak i w mniejszych miastach, gdzie natężenie ruchu kolejowego jest mniejsze jak np. w Nowym Sączu (rys. 11) czy Kłodzku. Co istotne budowana lub modernizowana infrastruktura dworcowa i otoczenia dworca dostosowywana jest dla pasażerów podróżujących z małym dzieckiem, z dużym bagażem oraz dla osób o ograniczonej mobilności lub osób poruszającymi się na wózku, np. rozwiązania ułatwiające dostanie się na peron, zwłaszcza osób niepełnosprawnych, na modernizowanych liniach kolejowych realizowane jest zazwyczaj z wykorzystaniem dźwigów osobowych. W przypadku gdy nie zastosowano wind na schodach umieszczane są pochylnie lub taśmy jak zastosowano na stacji Wrocław Główny, które służą do wwiezienia bagażu z tunelu na peron. Ponadto można zauważyć łączenie wielkopowierzchniowych obiektów handlowych z dworcami kolejowymi, np. w Warszawie (połączenie CH Złote Tarasy z dworcem Warszawa Centralna) czy w Poznaniu (połączenie Poznań City Center z dworcem Poznań Główny). Zmiany dostosowania do oczekiwań klientów dotyczą również przystanków tramwajowych i autobusowych. Przystanki te sukcesywnie wyposażane są w wiaty ochronne oraz barierki zabezpieczające przed wejściem na jezdnię, elementy ułatwiające przemieszczanie się osobom niepełnosprawnym. Wprowadza się nowe systemy informacji dotyczące czasu oczekiwania i odjazdu np. tramwaju czy autobusu z danego przystanku. 6 WPROWADZANIE INNOWACJI SZANSĄ DLA POLSKIEGO TRANSPORTU SZY- NOWEGO 6.1 Potencjał innowacyjny w Polsce w zakresie transportu szynowego Problemy związane z wdrażaniem innowacyjnych rozwiązań na kolei w Polsce związane są z potencjałem innowacyjnym, który musi być rozpatrywany: 1. Od strony popytowej kolej i jej gotowość do wdrażania innowacyjnych rozwiązań. 2. Od strony podażowej podaż wiedzy i rozwiązań innowacyjnych ze strony przedstawicieli nauki instytutów badawczych i uczelni. Z dwoistości problemu wynika ścisły charakter koniecznej współpracy. Jednostki naukowe, które powinny być źródłem wiedzy i rozwiązań technicznych, często istnieją i pracują w pewnym odosobnieniu od potrzeb praktycznych. Prace badawcze nie zawsze ściśle ukierunkowane są na rozwiązywanie konkretnych problemów systemu kolejowego w Polsce. Natomiast badania prowadzone przez ośrodki Rys Dworzec Wrocław Główny po remoncie Źródło: Rys Dworzec Nowy Sącz po remoncie Źródło: 15

16 naukowe, w dużej części, są wynikiem samodzielnego dostrzeżenia problemu na kolei i rozpoznania tematu badań przez ośrodek. Inicjatywa, w zakresie potrzeb kolei, powinna pochodzić od zarządców kolei, spółek kolejowych i innych podmiotów, co znacznie zwiększyłoby efektywność prowadzonych badań i skutkowało obopólną korzyścią. Brak ścisłej współpracy kolei związany jest z zachowawczym podejściem kolei w pewnych kwestiach. Kolej powinna znacznie bardziej dobitnie artykułować swoje potrzeby oraz precyzować wymagania. Większe zaangażowanie kolei powinno obejmować: 1. Zwiększenie liczby zleceń na prace badawcze. 2. Utworzenie i ciągłe aktualizowanie hierarchicznej listy problemów i zagadnień, które powinny być przedmiotem badań naukowych potencjalnych rozwiązań innowacyjnych. Wymienione podpunkty 1 i 2 są ze sobą ściśle powiązane. Niestety, aktualnie obserwowany jest napływ gotowych rozwiązań zagranicznych, które wdrażane są przez koleje w Polsce, co zmniejsza zakres prowadzonych badań. Analogicznie rozwiązania rozwijane w Polsce są transferowane poza granice kraju. Najlepszym przykładem tego typu działań są prace prof. Mirosławy Dąbrowy-Bajon z Wydziału Transportu PW, które w swoim czasie znacznie wyprzedzały pod względem zaawansowania rozwiązania zagraniczne. Analogiczne rozwiązania dotyczą systemów monitorowania stanu infrastruktury kolejowej i stanu technicznego taboru. Nowe technologie trafiają do zagranicznych przedsiębiorstw kolejowych, omijając polskie spółki. Z natury rzeczy resortowe instytuty badawcze są lepiej przygotowane do prowadzenia rozwiniętych badań nad technologiami innowacyjnymi. Dysponują laboratoriami i torami testowymi. Ich działalność polega głównie na rozwoju technologii. Uczelnie wyższe działają szerzej na polu dydaktyki, muszą więc rozwijać infrastrukturę badawczą, w tym laboratoria dostosowując je jednocześnie do wymogów dydaktyki. Dobrym przykładem takiego działania jest Wydział Transportu PW, który wykorzystując środki finansowe NCBR oraz środki unijne rozwija istniejącą bazę laboratoryjną, w tym nowoprojektowane laboratorium Organizacji Ruchu Kolejowego i Zarządzania Procesem w Transporcie Intermodalnym, które będzie wyposażone w: makietę kolejową z terminalem intermodalnym zintegrowaną z nowoczesnym, w pełni automatycznym systemem sterowania ruchem kolejowym na szlakach i stacjach kolejowych wykorzystywanym do prowadzenia ruchu na sieci kolejowej Polski. oprogramowanie służące do kompleksowej organizacji ruchu kolejowego na sieci kolejowej (konstrukcja rozkładu jazdy pociągów, zarządzanie terminalem intermodalnym) oraz zarządzania ruchem na sieci kolejowej. Oprogramowanie to jest wykorzystywane przez zarządców infrastruktury i przewoźników kolejowych w Polsce Przygotowanie kadr a rozwiązania innowacyjne w transporcie szynowym Warunkiem powstawania i wdrażania rozwiązań innowacyjnych są dobrze przygotowane kadry. Przygotowanie kadr leży w gestii: sektora transportu szynowego kierowanie pracowników na kursy oraz studia, a także staranna selekcja pracowników zatrudnianych pod względem ich wykształcenia, szkolenia wewnętrzne, transfer wiedzy od innych dostawców usług kolejowych, własne komórki badawcze. uczelni wyższych o określonym profilu naukowym, posiadających odpowiednie zaplecze dydaktyczno-laboratoryjne, kształcących kadry zarządzające oraz podejmujące prace rozwojowe i badawcze. szkół średnich dających wykształcenie techniczne. Możliwości ośrodków kształcenia kadr powinny być rozważane w aspekcie ilościowym (wystarczająca liczba miejsc dla kandydatów określona zgodnie z zapotrzebowaniem rynku) oraz jakościowym (poziom kształcenia oraz adekwatny do potrzeb zakres kształcenia). Przygotowanie kadr powinno być realizowane w powiązaniu w następujących obszarach: technicznym, organizacyjnym, eksploatacyjnym, ekonomicznym, prawny. Objęcie tak szerokiego zakresu zagadnień można osiągnąć przez tworzenie: ukierunkowanych wyłącznie na problemy transportu szynowego międzywydziałowych kierunków studiów, lub poprzez konstruowanie branżowego programu kształcenia, który koordynowałby odgórnie działania ośrodków akademickich z zapotrzebowaniem na specjalistów z dziedzin pokrewnych sektora transportu szynowego. Próby tego typu działania podejmowane były przez Wydział IV Nauk Technicznych PAN przy okazji rozwijania programu budowy kolei dużych prędkości w Polsce. Ze względu na trudności techniczne z realizacją tego programu oraz ogólny brak spójnej wizji uwarunkowań naukowych i edukacyjnych realizacji programu, próby te nie znalazły szansy przełożenia na fazę współpracy kolei z ośrodkami 16

17 akademickimi. Ważnym elementem wprowadzania innowacyjności jest popularność dyscyplin naukowych związanych z problemami transportu szynowego. Klimat polityczny, koniunktura na rynku transportowym oraz perspektywy zatrudnienia nie sprzyjają popularności dyscyplin naukowych (a tym samym kierunków kształcenia) związanych z sektorem transportu szynowego, zwłaszcza z koleją. Skutkuje to negatywnymi zjawiskami takimi jak: spadek popularności kierunków kształcenia związanych z koleją. pogorszeniem się jakości kształcenia związanej z pewnego rodzaju negatywną selekcją kandydatów. spadkiem prestiżu zawodu kolejarza. Kontrprzykładem dla tego trendu jest program budowy dróg ekspresowych i autostrad, który chociaż nie pozbawiony wad widoczny jest w mediach oraz w skutkuje nowymi inwestycjami drogowymi, które silnie oddziałują na poczucie wzrostu jakości życia. Takie działanie przyciąga studentów, którzy decydują się na kształcenie związane z transportem drogowym i infrastrukturą drogową (co potwierdzają obserwacje poczynione na Politechnice Warszawskiej oraz na Politechnice Wrocławskiej) i wynikający z tego rozwój bazy naukowej Polski przemysł a potencjał innowacyjności Przemysł i transport szynowy to układ naczyń połączonych. Nie można rozpatrywać ich oddzielnie, w związku z tym uzasadnione jest poszukiwanie korelacji między poziomem innowacyjności w przemyśle a poziomem innowacyjności na kolei. Odpowiedź na pytanie o poziom innowacyjności w przemyśle nie jest oczywista, przy czy nie jest ona także negatywna. W unijnej tablicy wyników innowacyjności z 2013 r. państwa członkowskie zostały podzielone na cztery grupy: liderzy innowacji: Szwecja, Niemcy, Dania i Finlandia to kraje osiągające wyniki znacznie powyżej średniej UE; kraje doganiające liderów: Holandia, Luksemburg, Belgia, Wielka Brytania, Austria, Irlandia, Francja, Słowenia, Cypr i Estonia wszystkie osiągnęły wynik powyżej średniej UE; umiarkowani innowatorzy: Włochy, Hiszpania, Portugalia, Czechy, Grecja, Słowacja, Węgry, Malta i Litwa wyniki poniżej średniej UE; innowatorzy o skromnych wynikach: wyniki w Polsce, na Łotwie, w Rumunii i Bułgarii są znacznie niższe od średniej UE. Unijna tablica wyników innowacyjności opiera się obecnie na 24 wskaźnikach, które są pogrupowane w trzy główne kategorie i osiem wymiarów: warunki podstawowe podstawowe elementy, które umożliwiają innowacje (zasoby ludzkie, otwarte, doskonałe i atrakcyjne systemy badań oraz finansowanie i wsparcie); działalność przedsiębiorstw kategoria odzwierciedlająca wysiłki europejskich przedsiębiorstw w zakresie innowacji (ich inwestycje, powiązania i przedsiębiorczość, aktywa intelektualne); oraz produkty, które pokazują, jak innowacje przekładają się na korzyści dla całej gospodarki (innowatorzy i skutki gospodarcze, w tym zatrudnienie). Najbardziej innowacyjne kraje UE wykazują pewną liczbę wspólnych mocnych stron w zakresie krajowych systemów badań i innowacji, wśród których znajduje się kluczowa rola innowacyjnej przedsiębiorczości i szkolnictwa wyższego. Sektory gospodarki wszystkich liderów innowacji osiągają bardzo wysokie wskaźniki nakładów na badania naukowe i rozwój oraz przodują w składaniu wniosków patentowych. W krajach tych istnieje również dobrze rozwinięty sektor szkolnictwa wyższego oraz ścisłe powiązania między przemysłem i nauką. Istnieją oczywiście przykłady pozytywne rozwoju innowacji na rynku kolejowym. Firma Voestalpine TENS Sp. z o.o. jest firmą inżynierską, nastawioną na stały rozwój, postęp techniczny i organizacyjny, innowacyjność. Firma współpracuje z wieloma ośrodkami naukowymi i instytutami badawczymi, a także bierze czynny udział w konferencjach naukowych i publikuje swoje rozwiązania problemów technicznych i naukowych. Firma proponuje rozwiązania m.in. z zakresu: diagnostyki na potrzeby utrzymania i produkcji taboru, detekcji stanów awaryjnych w taborze podczas jazdy, systemów automatycznego rozrządzania i technik rozjazdowych. Firma wdrożyła rozwiązania na polskich kolejach, takie jak np. stanowisko diagnostyczne do ważenia i pomiaru nacisków lokomotyw i wagonów TENSAN zamówione przez Spółka PKP CARGO TABOR KARSZNICE Sp. z o.o. Innym pozytywnym przykładem może być współdziałanie Instytutu Kolejnictwa zaangażowanego w testy pociągów Pendolino. W ramach testów 7 WNIOSKI Wymagania rynkowe i nowe standardy obsługi klienta nakładają na transport szynowy wymóg dostosowania się do potrzeb i oczekiwań klienta. Rozwój transportu lotniczego w zakresie komunikacji krajowej oraz rozwój prywatnych przewoźników 17

18 autobusowych wymusił na transporcie kolejowym wejście w fazę gruntownego rozwoju. Zmiany dotyczą wszystkich obszarów działalności. Działania podejmowane przez transport szynowy w ostatnich latach skupiają się przede wszystkim na dostosowaniu oferowanych usług do oczekiwań rynku. Wymaga to od decydentów transportu szynowego wykorzystania innowacyjnych rozwiązań umożliwiających projektowanie nowoczesnej infrastruktury, stosowanie technologii informatycznych wspomagającej podejmowanie decyzji w różnych obszarach funkcjonowania oraz efektywnej alokacji dostępnych zasobów finansowych. Wszystkie działania sektora transportu szynowego powinny prowadzić do: zapewnienia konkurencyjności kolei w wybranych segmentach przewozów, podnoszenia jakości obsługi klientów przez przewoźników kolejowych, szybszej i efektywniejszej modernizacji infrastruktury transportu szynowego oraz wymiany taboru na nowoczesny, dostosowywanie infrastruktury dodatkowej do nowych trendów i oczekiwań użytkowników tego sektora, np. zintegrowane węzły przesiadkowe zapewniające integrację różnych środków transportu, wprowadzania nowoczesnych rozwiązań w komunikacji miejskiej np. z zastosowaniem nowoczesnych szybkich tramwajów czy metra. Wymagania rynkowe, nowe standardy obsługi klienta spowodowały bardzo duże zmiany w infrastrukturze dodatkowej transportu szynowego, np. powstawanie zintegrowanych węzłów komunikacyjnych. Działania w tym zakresie dotyczą bardzo często całkowitej przebudowy dworca kolejowego i jego otoczenia. Infrastruktura staje się bardziej przyjazna dla pasażerów podróżujących z małym dzieckiem, z dużym bagażem oraz dla osób o ograniczonej mobilności lub osób poruszającymi się na wózku. Następuje łączenie wielkopowierzchniowych obiektów handlowych z dworcami kolejowymi, np. w Warszawie (połączenie CH Złote Tarasy z dworcem Warszawa Centralna) czy w Poznaniu (połączenie Poznań City Center z dworcem Poznań Główny). Bibliografia [1] Bałuch H. i in.: Leksykon terminów kolejowych. Warszawa, [2] Coase R.: The Problem of Social Cost. Journal of Law and Economics, 1960, nr 3, s [3] Główny Urząd Statystyczny: Transport. Wyniki działalności w 2013 r. Warszawa, 2014r. [4] Jacyna M., Basiewicz T., Gołaszewski A.: Parametry infrastruktury transportu dla tworzenia modelu systemu logistycznego w Polsce. Problemy Kolejnictwa, 2012, z. 154, str [5] Jakubowski L.: Technologia prac ładunkowych. Warszawa, [6] Keller D.: Dzieje kolei w Polsce. Rybnik, [7] Krukowski P., Olszewski P., Wapniarski M.: Wskaźniki oceny węzłów przesiadkowych. Dostępny on-line: [8] Korzhenevych A.: Update of the Handbook on External Costs of Transport. Londyn, [9] PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Program budowy linii dużych prędkości w Polsce. Uwarunkowania społeczne i ekonomiczne. Warszawa, 2010 r. [10] PKP Polskie Linie Kolejowe S.A.: Raport roczny Warszawa, 2014 r. [11] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia r. w sprawie planu zrównoważonego rozwoju publicznego transportu zbiorowego w zakresie sieci komunikacyjnej w międzywojewódzkich i międzynarodowych przewozach pasażerskich w transporcie kolejowym (Dz. U. 2012, poz. 1151). [12] Smolana A., Dyląg W.: Koncepcja i realizacja modernizacji lokomotywy ST-44. Technika transportu szynowego, 2005, nr 9, s [13] Stiasny M., Danyluk Z.: Atlas sieci tramwajowych Polski Rybnik [14] Terczyński P.: Zmodernizowana lokomotywa SM42 typu 6Dg PKP Cargo. Świat kolei, 2011, nr. 1, s [15] Ustawa z dnia 15 listopada 1984 r. Prawo przewozowe (Dz. U. 1984, nr 53, poz. 272, z późn. zm.). [16] Ustawa z dnia 16 grudnia 2010 r. o publicznym transporcie zbiorowym (Dz. U. 2011, nr 5, poz. 13, z późn. zm.). [17] [18] [19] [20] 18

19 dr hab.inż. Adam Szeląg, prof. PW doc. dr inż. Tadeusz Maciołek Politechnika Warszawska Rozwiązania techniczne w układach zasilania poprawiające efektywność energetyczną transportu szynowego W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące zużycia energii przez transport zelektryfikowany. Omówiono wpływ różnych czynników decydujących o efektywności energetycznej transportu. Podkreślono rozwiązania techniczne stosowane w celu zmniejszenia zużycia energii transporcie poprzez zmniejszenie strat przesyłowych i przetwarzania, a w szczególności zwiększające wykorzystanie energii hamowania odzyskowego. Główny nacisk położony został na tematykę zastosowania falowników w podstacjach trakcyjnych w celu przesyłu nadwyżkowej energii hamowania odzyskowego do sieci prądu przemiennego. Omówiono uwarunkowania tego rozwiązania, przedstawiono wyniki przeprowadzonych w studium przypadku analiz oraz zasygnalizowano problemy, z jakimi mogą spotkać się operatorzy systemów transportu elektrycznego przy wdrażaniu tego typu rozwiązania. 1. Zużycie energii przez elektryczne pojazdy trakcyjne Ruchowi pojazdu przeciwstawiają się zewnętrzne siły - opory trakcji (ruchu) W będące sumą tzw. zasadniczych (podstawowych) W v (niezależnych od trasy) i oporów lokalnych (dodatkowych) W s., które występują na pewnych odcinkach trasy lub w pewnych określonych warunkach środowiskowych. Aby utrzymać ruch pojazdu ze stałą prędkością napęd pojazdu musi wytworzyć siłę trakcyjną równoważącą opory trakcji. Zużycie energii E tr elektrycznej pobranej z sieci zasilającej dla pojazdów sieciowych (lub ze źródła energii na pokładzie w pojazdach autonomicznych) na potrzeby trakcyjne (pojazd pobiera również z sieci energię E n na potrzeby nietrakcyjne, urządzenia własne i pomocnicze) w poszczególnych fazach ruchu możemy wyznaczyć z następujących zależności: - dla fazy rozruchu E tr E tr = t r P msrr /η srr (1) gdzie: P mśrr moc mechaniczna średnia rozwijana na kołach w okresie rozruchu, η srr - średnia sprawność przetwarzania energii elektrycznej w energię mechaniczną na kołach w pojeździe w okresie rozruchu, t r czas rozruchu; - dla fazy jazdy z prędkością ustaloną E tu : E tu = t u P mu /η sru (2) gdzie: P mu moc mechaniczna średnia rozwijana na kołach w okresie jazdy z prędkością ustaloną (v = const), t u czas jazdy z prędkością ustaloną, η sru - średnia sprawność przetwarzania energii elektrycznej w energię mechaniczną na kołach w pojeździe w trakcie jazdy z prędkością ustaloną, - w fazie wybiegu: brak poboru energii na potrzeby trakcyjne, - w fazie hamowania: gdy stosowane jest hamowanie odzyskowe istnieje możliwość odzyskania energii przetworzenie energii mechanicznej na elektryczną E o (praca generatorowa maszyny elektrycznej, pod warunkiem, że znajdzie się odbiór tej energii inny pojazd pobierający prąd z sieci lub zasobnik energii, w innym przypadku ta energia zostanie wytracona w rezystorze hamowania): E o = ½ m p (v p 2 - v k 2 ) η o (3) gdzie: v p prędkość początku hamowania odzyskowego, v k prędkość końca hamowania odzyskowego, η o - średnia sprawność przetwarzania energii mechanicznej w elektryczną w trakcie hamowania elektrycznego. Jeśli czas hamowania wynosi t h, to średnia moc hamowania wyniesie: P srh = E o /t h, zakładając zmienność tej mocy od P hmax do 0 w czasie t h, wtedy P hmax = 2 P śrh. Całkowite zużycie energii na potrzeby trakcyjne w danym cyklu jazdy pojazdu trakcyjnego wyniesie zatem: E t = E tr +E tu -E o (4) 19

20 Energię na potrzeby nietrakcyjne E n można wyznaczyć wykorzystując średnią moc potrzeb nietrakcyjnych P nsr dla cyklu jazdy: E n = P nsr (t r +t u +t w +t h ) (5) gdzie: t w - czas jazdy z wybiegu (wybiegiem). Parametrem charakteryzującym energochłonność pojazdów trakcyjnych jest jednostkowe zużycie energii jze podawane w [Wh/btkm] lub [kwh] na [brutto tonokm] (najbardziej ogólne) lub dla pojazdów pasażerskich w [Wh/(1000 pasażerokm)] albo (dla jednostek trakcyjnych i tramwajów) w [Wh/wozokm]. Jednostkowe zużycie energii może być podawane z uwzględnieniem lub nie energii potrzeb nietrakcyjnych E n. Wyznacza się je wykorzystując dane dotyczące: całkowitej zużytej energii Ec=E tr +E n ), długości trasy L i masy brutto m (lub liczby pasażerów, liczby wozów). Poniżej podany jest wzór dla przypadku wyznaczania jze tylko na cele trakcyjne: jze = E c /(m L) [Wh/btkm] (6) 2. Metody zmniejszenia zużycia energii w transporcie elektrycznym 2.1 Metody zmniejszania zużycia energii na cele trakcyjne pojazdu [4,9,10,14,18,19,24, 26,27,28] Zmniejszanie oporów ruchu można przeprowadzać na etapach: - konstrukcji taboru (zmniejszenie masy i nacisku na oś, stosowanie łożysk tocznych, uresorowanie, stosowanie wózków miękko wpisujących się w łuki, tabor z wychylnym pudłem, opływowe kształty, budowa pociągów zespołowych zamiast lokomotywowych) - budowy trasy (likwidacja łuków, odpowiednie profilowanie, tor bezstykowy eliminacja rozjazdów), - eksploatacji taboru (regulacja hamulców, odpowiednie smarowanie części ciernych i zestawów kołowych, prawidłowe ciśnienie w kołach pojazdów drogowych, kontrola owalizacji kół, jazda z prędkością zbliżoną do średniej i wg zadanego, optymalnego dla trasy profilu prędkości, zapełnienie wagonów, prawidłowe zestawianie składów i stosowanie wagonów krytych, zamykanie drzwi i okien, wyłączanie pracujących na jałowo urządzeń w taborze) i trasy (smarowanie szyn na łukach, wymiana uszkodzonych i zużytych szyn). 2.2 Oszczędności w układach przesyłu i przetwarzania energii Układ zasilania pojazdów w energię elektryczną jak i obwód główny mają istotny wpływ na sprawność dostawy i przetwarzania energii elektrycznej [10,21,22,23,24,25]. Podstawę stanowią straty przesyłowe, uzależnione od pobieranych prądów i rezystancji obwodów oraz straty w układach przetwarzania energii elektrycznej, które w ostatnich latach mają 20 charakter energoelektronicznych układów łączeniowych. Od dawna w celu zmniejszenie strat przesyłowych zwiększano napięcie sieci trakcyjnej oraz zmniejszano rezystancję w obwodzie zasilania poprzez stosowanie: odpowiednich schematów zasilania (zasilanie dwustronne, stosowanie połączeń poprzecznych), większych przekrojów sieci trakcyjnej czy zmianę stosowanych materiałów (np. szyna o zmniejszonej rezystancji, stalowo-aluminiowa w metrze), poprawę charakterystyki źródła zasilania (zespoły o większej liczbie pulsów, wyższe napięcie zasilania podstacji). 2.3 Zwiększenie wykorzystania energii hamowania odzyskowego Zastosowanie maszyny elektrycznej do napędu pojazdu pozwala wykorzystać możliwość jej pracy w trybie silnikowym i generatorowym w trakcie hamowania elektrycznego. Z historii rozwoju trakcji elektrycznej wiadomo, że hamowanie elektryczne zaczęto stosować na liniach o znacznych profilach w celu zapewnienia efektywności hamowania i zmniejszenia zużycia hamulców mechanicznych, odzysk energii nie był wtedy istotny. W przypadku pracy w tunelach, hamowanie odzyskowe wpływa także pozytywnie na utrzymanie stałej temperatury, na skutek mniejszego użycia hamulców mechanicznych (np. klimatyzacja w metrze). Odzyskiwanie energii mechanicznej w trakcie hamowania pojazdu jest obecnie rozwiązaniem powszechnie wykorzystywanym w napędach elektrycznych [2,11,12,16,24]. Hamowanie odzyskowe daje w efekcie mniejsze zużycie energii, ale w przypadku rzadkich zatrzymań oszczędności ze stosowania hamowania odzyskowego nie będą zbyt wielkie (ok. kilku procent). Z kolei każde dodatkowe zatrzymanie na trasie zmniejsza nie tylko średnią prędkość, ale powoduje wzrost zużycia energii. Ponadto warunkiem uzyskania oszczędności jest, aby w pobliżu hamującego odzyskowo pociągu znajdował się pociąg pobierający energię w tym samym czasie. W trakcji kolejowej ze względu na znaczne odstępy między pociągami i nieregularny ruch dość często zdarzają się przypadki, że rekuperowana energia z hamującego pojazdu nie jest odbierana przez inny pojazd. Wynika to również z faktu, że rozruch lub jazda z poborem dużej energii trwają bardzo krótko w stosunku do całkowitego czasu przejazdu. Długość odcinków sekcyjnych oraz ograniczenie poziomów napięć w praktyce wyklucza wykorzystanie odzyskiwanej energii przez pociągi znajdujące na tej samej linii, ale daleko od pociągu hamującego. Zwiększenie efektywności hamowania odzyskowego uzyskuje się przez:

21 umożliwienie wymiany pomiędzy pojazdami (odpowiedni rozkład jazdy, sterowanie zorientowane na wymianę energii pomiędzy pojazdami), zasobniki energii na pojazdach i w układzie zasilania [1,2,5,11,12,16,27,28]. falowniki w podstacjach prądu stałego [3,6,7,8,11,13,15,17,20,25,27,28]. Przewidywanie rodzaju rozwiązania, celowości zastosowania, umiejscowienia ewentualnych zasobników/falowników energii nie jest możliwe bez przeprowadzenia szczegółowych analiz technicznych, ekonomicznych dla określonych przypadków. Rozwiązaniem korzystnym technicznie szczególnie dla lokomotyw byłoby zastosowanie pokładowego zasobnika energii, który wspomagałby każdy kolejny rozruch po fazie hamowania. Oddzielnym zagadnieniem pozostaje analiza ekonomiczna takiego rozwiązania. Wykorzystanie np. superkondensatorów, jako pojazdowych zasobników energii, w sposób istotny zwiększa efektywność rekuperacji energii szczególnie w przypadku pojazdów o krótkich odcinkach między zatrzymaniami. W przypadku zasobników stacjonarnych dołączonych do układu zasilania sieci trakcyjnej nie nastąpi tak duża poprawa efektywności energetycznej. Znaczna część energii powstającej podczas hamowania nowoczesnego napędu zasilanego z sieci trakcyjnej jest przekazywana bezpośrednio do sieci trakcyjnej. Możliwości przyjmowania energii przez sieć nie są jednakowe w każdych warunkach. Zależą one między innymi od liczby pojazdów i ich chwilowego stanu pracy. W przypadku trolejbusów, które charakteryzują się wyższymi oporami ruchu, sytuacje, w których prostownikowe podstacje i sąsiednie pojazdy nie są w stanie odebrać energii od hamującego pojazdu, zdarzają się rzadziej niż w przypadku tramwajów, metra czy kolei. Wysokie ceny zasobników w połączeniu z niską gęstością ruchu pojazdów sprawiają, że ich stosowanie, tylko w celu poprawy efektywności związanej z gromadzeniem energii powstałej podczas hamowania, może być nieopłacalne lub przynosić zwrot dopiero po bardzo długim okresie użytkowania. Wyznaczenie warunków granicznych opłacalności wymaga dokładnych analiz prowadzonych dla konkretnych rozwiązań technicznych zasobników jak i pojazdów oraz ich ruchu w obszarze zasilania. Dostarczanie energii do pojazdów za pomocą sieci trakcyjnej jest zagadnieniem złożonym. Istnieje wiele czynników mających wpływ na jakość dostarczanej energii oraz możliwości jej swobodnego przepływu od podstacji do pojazdu i z pojazdu do podstacji. Istotną rolę w tym zagadnieniu pełni zdolność podstacji do odbierania energii powstającej podczas hamowania, obecność innych pojazdów na tym samym odcinku zasilania oraz rezystancja elementów obwodów zasilania. Każdy z tych elementów ma znaczący wpływ na powstawanie strat. Zasobnik energii elektrycznej stosowany do gromadzenia energii (głównie nadmiarowej, pochodzącej od hamujących odzyskowo pojazdów o napędzie elektrycznym) w celu ponownego wykorzystania zwiększa efektywność hamowania odzyskowego i zmniejsza zużycie energii oraz obciążenie systemu zasilania. Stosowany jest w pojazdach trakcyjnych i w podstacjach trakcyjnych, szczególnie trakcji miejskiej prądu stałego o niskim napięciu (jako zasobniki stosowane są: akumulatory, zasobniki wirujące bezwładniki, superkondensatory). Zastosowanie zasobnika w pojeździe zapewnia pełne wykorzystanie energii hamowania. Eliminuje straty na jej przesył poprzez sieć trakcyjną. Mankamentem jest jednak ograniczenie masy zasobnika. W przypadku pojazdów następuje wzrost masy własnej co prowadzi do dodatkowych strat energii na transport zwiększonej masy. Zastosowanie zasobnika w podstacji trakcyjnej nie jest ograniczone dopuszczalną masą. Związane jest jednak ze stratami na przesył energii. Straty te są tym większe im dalej od podstacji znajdzie się hamujący pojazd trakcyjny. 3. Zastosowanie falowników w podstacjach trakcyjnych W trakcyjnych układach zasilania, charakteryzujących się gęstym ruchem, energia pochodząca z hamowania odzyskowego jest przekazywana przede wszystkim do innych pojazdów. Niestety, nie zawsze sieć jest receptywna, co oznacza, że w chwili możliwości przekazania energii hamowania, nie ma na nią zapotrzebowania (żaden pociąg nie pobiera energii). Takie przypadki stanowią główną podstawę do stosowania przekształtnikowych podstacji trakcyjnych, które wykorzystują energię pochodzącą z hamowania pociągów. Ocena celowości zastosowania falownika w podstacji wymaga wcześniejszego przeprowadzenia analiz technicznych i ekonomicznych. W przypadku analizy technicznej należy uwzględnić szereg czynników wpływających na funkcjonowanie falownikowej podstacji trakcyjnej, są nimi m.in.: zaprojektowanie podstacji trakcyjnej z uwzględnieniem uwarunkowań (czy to podstacja nowa czy istniejąca, czy węzłowa czy szlakowa, jaki ruch jest prowadzony w obszarze podstacji) w celu uzyskania odpowiednio wysokiej efektywności energetycznej odzysku przy względnie małej liczbie przekształtników, algorytmu sterowania i charakterystyk przekształtników, ma to wpływ na parametry takie jak: receptywność układu, współczynnik mocy i zawartość wyższych harmonicznych w po stronie AC oraz ew. prądy wyrównawcze w obwodzie prostownik-falownik, harmoniczne w systemie zasilającym - zarówno falowniki jak i prostowniki powodują powstawanie wyższych harmonicznych po stronie AC i DC. 21

22 zapotrzebowanie mocy po stronie AC, wskazane jest, aby po stronie AC istniała możliwość poboru całej energii hamowania odzyskowego, jaką jest w stanie przesłać falownik,. Wykorzystanie falownika wiąże się teoretycznie z wysoką efektywnością odzyskiwania energii hamowania pociągów. Należy jednak mieć na uwadze straty wynikające z dostawy energii z SE i jej przetwarzania w podstacji. Ilość energii i sprawność procesu odzyskanie wykorzystanie energii jest porównywalna z układem wykorzystującym zasobnik z superkondensatorami o bardzo dużej pojemności. Podstawowym warunkiem efektywnej pracy falowników jest obecność odbiorów po stronie prądu przemiennego pobierających wystarczająco dużą moc (gdyż w tym układzie nie ma możliwości gromadzenia energii). Drugim warunkiem efektywnego wykorzystania dostępnej w systemie DC nadwyżkowej energii hamowania jest wystarczająca moc maksymalna falownika. Moc ta jest wyznaczana po określeniu mocy odzyskiwanej z pojazdów, a możliwej do dostarczenia do podstacji w da-nym kroku czasowym analizy i: Jeżeli P pi >0 P fi = P tpi (7) Jeżeli P pi 0 P fi = 0 (8) gdzie: P pi moc energii docierającej do podstacji w kolejnych krokach czasowych i P fi wymagana moc falownika w kolejnych krokach czasowych. Poniżej przedstawiona jest zależność do wyznaczania wymaganej mocy falownika P f1 i m P Max = = f P } 1 fi i= 1 { (9) Ilość energii E f1i transferowana do SE AC w każdym kroku i jest wyznaczana jako wartość uwzględniająca sprawność falownika. Jeżeli E ri >0 E f1i = E ri η f1 (10) Jeżeli E ri 0 E f1i = 0 (11) gdzie: E ri ilość energii w podstacji pochodząca z hamowania odzyskowego η f1 - sprawność falownika Energia przetransferowana E f1 w trakcie okresu jednego analizowanego rozkładu jazdy jest równa sumie energii po uwzględnieniu sprawności elementów systemu. i = = i= 1 Obniżenie mocy falownika P fj i transformatora w stosunku do wartości maksymalnej P f1 zmniejszy ilość przetransferowanej energii. Moc ta P fj jest określona jako część O pj mocy maksymalnej P f1. m E fl E fli (12) P fj= P f1 O pj (13) gdzie: P fj moc maksymalna kolejnych wielkości falowników. j- zmienna symboliczna opisująca kolejne zasobniki, O pj < 1. W trakcie obliczeń dla każdego kroku czasowego i wyznaczana jest moc P fji, która jest ograniczana przez moc maksymalną falownika j: Jeżeli P pi > P fj to P fji = P fj (14 ) Jeżeli P pi P fj to P fji = P pi (15) Ilość energii transferowana do systemu prądu przemiennego w każdym kroku czasowym wyznaczana jest jako wartość uwzględniająca sprawność falownika j: E fji = E ri η fj (16) gdzie: η fj - sprawność falownika j i dołączonego do niego transformatora. Energia przetransferowana do systemu AC E fj w przypadku falownika j w trakcie okresu jednego rozkładu jazdy jest równa sumie energii po uwzględnieniu sprawności elementów systemu (równanie (12) analogicznie jak dla falownika o maksymalnej mocy). W wyniku analizy technicznej można oszacować możliwą do odzyskania przez falownik wielkość energii, która gdyby nie został zastosowany falownik zostałaby wytracona w rezystorach. W oparciu o analizę techniczną można przeprowadzić analizę finansową, której wynikiem końcowym analizy jest roczny efekt finansowy wyrażony w pieniądzu, uzyskany po zastosowaniu rozwiązania oszczędzającego energię (tu falownik) przez właściciela instalacji (ponoszącego nakłady inwestycyjne) i jednocześnie będącego beneficjentem efektów inwestycji Wynik ten może być dodatni lub ujemny. Dodatkowym wynikiem jest liczba lat zwrotu nakładów inwestycyjnych. W literaturze [6,7,8,11,17,20] można znaleźć dane techniczne istniejących rozwiązań falowników, pozwalają na określenie wymaganych parametrów technicznych możliwych do zastosowania nowych rozwiązań. Mimo praktycznie braku gotowych rozwiązań produkowanych dla potrzeb odzysku energii w systemach 3 kv DC (poza testowanymi w RPA czy oferowanymi przez estońską firmę ESTEL falownikami tyrystorowymi) możliwe jest oszacowanie oszczędności energetycznych. Inaczej jest z parametrami ekonomicznymi. Nie istnieją dotychczas produkowane rozwiązania urządzeń dostosowanych do systemu 3kV DC. Istniejąca eksperymentalna instalacja falownika na 3kV w RPA została wykonana wiele lat temu w technologii tyrystorowej. Obecnie stosuje się w czoperach jak i w falownikach pojazdowych zasilanych napięciem 3 kv tranzystory IGBT. 22

23 4. Studium przypadku analizy efektywności energetycznej falownika w podstacji trakcyjnej 3 kv DC Wyniki analiz podawane w literaturze [6,8,13,17,20, 27,28] wskazują, że ok % energii pobranej z podstacji jest ponownie przekształcana przez falowniki, w przypadku niektórych linii kolejowych zarejestrowano efektywność na poziomie 8 %. Jest wiele czynników wpływających na bilans mocy w systemie dostawy energii do pojazdów: a) charakterystyka trasy: - nachylenie, - odległości pomiędzy stacjami, b) organizacja ruchu: - następstwa, masy i prędkości pociągów, - synchronizacja czasu pomiędzy cyklem ruchu na torach różnych kierunków ruchu, - stosowanie lub nie jazdy z wybiegu, - ograniczenia prędkości, c) stosowane rozwiązania techniczne: - charakterystyki trakcyjne i hamowania pociągów, - rozmieszczenie podstacji i rodzaj stosowanych prostowników (sterowane, niesterowane), - rozmieszczenie falowników i ich charakterystyki, - maksymalny dopuszczalny poziom napięcia na odbieraku pociągu, - konfiguracja układu zasilania (odległości PT- PT, zasilanie 1-str., 2-str., z kabiną i bez) i rezystancje sieci zasilającej. W oparciu o analizy wstępne oraz wyniki przeglądu literaturowego można sformułować zalecenia dotyczące wyboru odcinków do analiz efektywności zastosowania odbiorników nadwyżkowej energii hamowania odzyskowego. Zasadniczo należy wziąć pod uwagę linie cechujące się: a) ruchem dużej liczby pociągów zatrzymujących się i wyposażonych w układy hamowania odzyskowego (zwykle odnosić się to będzie do linii aglomeracyjnych i podmiejskich), b) występowaniem odcinków z podhamowaniem / hamowaniem od dużych prędkości, c) znacznym profilem pionowym (linie górskie), bez możliwości przekazania energii do innych pociągów (np. linie jednotorowe), d) częstymi i krótkimi zatrzymaniami na przystankach, a nie na stacjach z długimi postojami (większe stacje z długimi postojami, tory postojowe plus hale postojowe powodują że cała energia kierowana jest na potrzeby własne innych pociągów), e) relatywnie małymi odległościami między podstacjami i małymi rezystancjami sieci trakcyjnej niskie straty energii w sieciach trakcyjnych. W jednej z przeprowadzonych w Zakładzie Trakcji elektrycznej IME PW analiz przeprowadzono symulacje ruchu pociągów na odcinku jednotorowej linii górskiej o profilu dochodzącym do 30 promili. Założono rozkład jazdy (rys. 1) z następującymi rodzajami pociągów: P1 - zespół trakcyjny o mocy 4 MW (2 x ED74), P2 pociąg o masie 500 t z lokomotywą 6 MW, T1 pociąg towarowy o masie 1250 t z lok. 6 MW. Rys.1 Przyjęty do analiz rozkład jazdy (linia 1-torowa), kierunek rosnącego profilu (TAM) od km 90 do 110 km. Rys. 2 Przebieg w funkcji czasu oraz wartości średnie mocy obciążeń systemu zasilania 3 kv DC na odcinku pobór mocy z podstacji P pt oraz moc chwilowa pobrana przez pojazdy P poj, moc rekuperacji P rek oraz moc dostarczona do falownika P fal. P[MW] Przebieg mocy rekuperacji pojazdow Prek i mocy odbieranej przez falownik, odcinek Milowka-Zwardon Pfal, Psr==0.37 MW Prek, Psr=0.6 MW Rys.3 Powiększony przebieg mocy chwilowej rekuperacji P rek oraz mocy dostarczonej do falownika P fal. czas[s] 23

24 Rys.4 Napięcie w sieci trakcyjnej U siec w funkcji miejsca położenia pociągów. Moce maksymalne P pt i P poj na odcinku zasilania przekraczają 15 MW, przy średnich ich wartościach na poziomie 2 MW (rys. 2). Moce maksymalne rekuperacji P rek przekraczały 8 MW, a moce rekuperacji P fal na szynach DC falownika były poniżej 8 MW, przy średnich ich wartościach odpowiednio: P rek = 0,6 MW i P fal = 0,37 MW. A zatem falownik byłby w stanie odebrać ponad 60% energii hamowania odzyskowego. Z kolei hamowanie odzyskowe stanowiło ok. 28% energii pobranej z podstacji (w tym 17% odebranej przez falownik w PT). Warte zwrócenia uwagi jest, że (rys.2 i 3) przebieg mocy P rek (i odpowiednio P fal ) od ok s czasu symulacji traci swój impulsowy charakter, pojawiają się dłuższe okresy oddawania energii, z tym że jest to przede wszystkim efekt długo trwających podhamowań pociągów jadących w kierunku POWRÓT (z góry), wynikający z dużego spadku trasy. Stanowi to istotny argument do zainstalowania falownika na tym odcinku. Na rys. 4 przedstawiono przebiegi napięć na odbierakach U siec w funkcji położenia pociągów. Zauważalne są dłuższe odcinki czasu hamowania odzyskowego (napięcia powyżej 3500 V). 6. Podsumowanie Biorąc pod uwagę aktualny stan zaawansowania i rozwiązań dla systemów, które mogłyby zostać zastosowane w trakcji elektrycznej można stwierdzić że: w trakcji elektrycznej prądu przemiennego ze względu na charakter stosowanego zasilania i dłuższe zasilane odcinki nadwyżkowa energia hamowania (ta, której nie są w stanie odebrać pociągi) może zostać przesłana bezpośrednio do sieci zasilającej AC, z kolei w systemie prądu stałego DC, dla którego zgodnie z TSI dla kolei w Europie dla podsystemu Energia stosowanie urządzeń do stosowani hamowania odzyskowego jest zalecane, ale nie obowiązkowe: dla niskich napięć systemu zasilania (do 1,5 kv DC) istnieją rozwiązania, które pozwalają na zastosowanie zarówno falowników jak i zasobników energii (przede wszystkim superkondensatorów) [1,5,7], dla napięcia 3 kv DC efektywnym ekonomicznie rozwiązaniem wydaje się być zastosowanie falownika do zwrotu energii do sieci energetycznej prądu przemiennego. Stosowanie falowników w podstacjach wymaga jednak rozwiązania problemów dotyczących możliwości transferu energii do sieci AC. Znacznie prostsze to będzie, gdy operator systemu transportowego dysponuje wewnętrzną siecią AC o odpowiedniej zdolności odbioru energii. Gdy energia zwracana będzie do sieci lokalnego operatora systemu dystrybucyjnego (OSD) do rozwiązania będzie szereg zagadnień formalno-prawnych (np. możliwość transferu energii z systemu transportowego, gdy operator tego systemu nie ma formalnych uprawnień do odsprzedaży energii, zasady rozliczeń itp.) i technicznych (jakość energii harmoniczne, wahania kierunku przepływu energii dynamiczne przechodzenie od poboru do krótkotrwałego oddawania dużych mocy do sieci). Mimo tego typu trudności, dla których trzeba będzie znaleźć rozwiązanie, wydaje się, że doświadczenia innych krajów (np. Hiszpanii) czy wprowadzona właśnie ustawa prosumencka pozwolą znaleźć satysfakcjonujący wszystkie strony kompromis. Pozwoli to na dalsze zwiększenie efektywności energetycznej transportu elektrycznego i zmniejszenie emisji zanieczyszczeń, coraz bardziej odczuwalnych szczególnie w środowisku polskich miast. Literatura 1. ABB Review. ENVILINE ESS Energy Storage System for DC rail transportation. ABB. edition ABB Review. SEPTA s (Southeastern Pennsylvania Transit Authority) Wayside Energy Storage Project. ABB. edition Barrero R., Tackoen X., Van Mierlo J.- Improving energy efficiency in public transport: stationary supercapacitor based energy storage systems for metro network, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), September 3-5, 2008, Harbin, China 3. Dolecek R., Dobrovolny M. Traction converting substation from viewpoint of feeding interlocking plant At Czech Railways..Traction Substation, Advances in Electrical and Electronic Engineering, Durzyński Z.-Podstawy metody wyznaczania parametrów energooszczędnej jazdy pojazdów trakcyjnych na obszarach aglomeracyjnych., Pojazdy Szynowe, 3/2011, s Hamacek Š., Bartłomiejczyk M., Hrbáč R., Mišák S., Stýskala V. Energy recovery effectiveness in trolleybus transport. Electric Power Systems Research, Vol. 112, 2014, p

25 6. Henning P. H., Fuchs H. D., le Roux A. D., Mouton H. Du T. A 1,5 MW Seven_Cell Series Stack Converter as an Active Power Filter and Regeneration Converter for a DC Traction Substation. IEEE Trans. On Power Electronics, vol. 23, no 5. Sept Hesop All in one Energy&Cost Saver, TRANS/PRSHT/TGS.HESOP/EN/ /FR - ALSTOM Jang S., Choi C., Bae C., Song S., Won C.; Study of regeneraton Power control inverter for DC traction with active power filter ability, Industrial Electronics Society, IECON st Annual Conference of IEEE 6-10 Nov Jarzębowicz L., Judek S., Karwowski K., Lipiński L., Miszewski M. - Kompleksowa analiza symulacyjna układu napędowego zespołu trakcyjnego. Czasopismo Techniczne. Elektrotechnika, 108, 2011, s Jefimowski W. - Analiza porównawcza zużycia energii przez pociągi dużych prędkości w zależności od stosowanego systemu zasilania. TTS Technika Transportu Szynowego 1-2/2014, s , Konishi Takeshi, Tobito Masahiro - Fixed Energy Storage Technology Applied for DC. Electrified Railway (Traction Power Substation). Electrical Systems for Aircraft, Railway and Ship Propulsion (ESARS), Bologna Maciołek T., Drążek Z. - Zasobnik energii w tramwaju zmniejszający zużycie energii. TTS Technika Transportu Szynowego 11/2004, s Mellitt B., Mouneimne Y.S., Goodman C.J.Simulation study of DC transit szstems with inverting substations, Proc. IEE Pt. B, No 2, vol. 131, pp ,March Mierzejewski L.,Szeląg A. - Zagadnienia racjonalizacji zużycia energii elektrycznej w systemie zelektryfikowanego transportu kolejowego. TTS Technika Transportu Szynowego 8/2001, s Mierzejewski L., Szeląg A.- Funkcjonowanie systemu elektroenergetyki trakcyjnej prądu stałego w warunkach eksploatacji taboru z rekuperacją energii. TTS Technika Transportu Szynowego 6/2001, s Pawełczyk M.: Rozwój systemów wykorzystujących akumulację energii w transporcie szynowym. Pojazdy Szynowe 2/2011, s Randewijk P.J., Enslin HR J.- Inverting DC Traction Substation with Active Power Filtering Incorporated, IEEE, 1995; pp Rawicki S. - Semi-automatic control of tram vehicle with intent to attain minimum electric energy use, Przegląd Elektrotechniczny 7/2009, pp Rawicki, S. - Energooszczędne przejazdy pojazdów tramwajowych z silnikami indukcyjnymi przy zakłóceniach płynności ruchu i złożonym profilu trasy. Przegląd Elektrotechniczny 7a/2012, s Suzuki T., DC-power supply system with inverting substations for traction systems using regenerative brakes. IEE Proc., vol. 129, Pt B, No 1, January Szelag A., Mierzejewski L. - Modelling and verification of simulation results in computer aided analysis of electric traction systems. International conference on computers in railways. COMPRAIL, 2000, Bologna. 22. Szeląg A., Maciołek T.- A 3 kv DC electric traction system modernisation for increased speed and tra-ins power demand-problems of analysis and synthesis. Przegląd Elektrotechniczny 3a/2013, pp Szeląg A., Mierzejewski L. - Systemy zasilania linii kolejowych dużych prędkości jazdy, TTS Technika Transportu Szynowego 11/2005,s Szelag A., Mierzejewski L. -Ground Transportation Systems, Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering (1999), USA 25. Szeląg A., Maciołek T., Drążek Z., Patoka M. - Aspekty efektywności i energooszczędności w procesie modernizacji układów zasilania trakcji tramwajowej. Pojazdy szynowe,3/2011.s Szeląg A.- Zwiększanie efektywności energetycznej transportu szynowego. TTS Technika Transportu Szynowego 12/2008, s WP4: Integrating carbon reduction in decision making and key business processes. Business Cases, Procurement, Financing and Capacity-Building. Ticket to Kyoto. June Zrównoważone i inteligentne zarządzanie energią dla inteligentnych systemów kolejowych w Europie: zintegrowane podejście optymalizacyjne D1.1 Najważniejsze elementy sieci kolejowej i specyfikacja głównych podsystemów EC Contract No. FP Project co-funded by the European Commission within the Seven Framework Programme ( ). Raport 2013 r. 25

26 dr hab. Agnieszka Merkisz-Guranowska, prof. PP mgr inż. Paweł Zmuda-Trzebiatowski Politechnika Poznańska Koszty zewnętrzne w transporcie szynowym W artykule przedstawiono zagadnienia związane z szacowaniem kosztów zewnętrznych w transporcie ze szczególnym uwzględnieniem transportu szynowego. Przedstawiono wybrane wyniki badań wykorzystywanych między innymi przez instytucje europejskie do oceny kosztów zewnętrznych generowanych przez poszczególne gałęzie transportu. Wskazano także na nowe kategorie kosztów zewnętrznych, będące obecnie w obszarze zainteresowania badaczy. Wstęp Wykorzystywanie transportu szynowego, zwłaszcza w stosunku do transportu wyłącznie drogowego, wpisuje się w politykę zrównoważonego rozwoju. Wybór gałęzi transportu w kontekście kosztów społecznośrodowiskowych powinien zapewniać ochronę przyrody i jej zasobów np. poprzez akceptowalną emisję substancji szkodliwych czy hałasu, a przy tym zapewnić mobilność społeczeństwa oraz dostawy ładunków po przystępnych cenach, a także w bezpieczny sposób. Transport drogowy jest gałęzią najbardziej konkurencyjną w realiach polskiej gospodarki. Decydujący wpływ na to ma dostępność usług i poziom cen. Gdyby jednak uwzględnić całokształt oddziaływań, w tym wpływ na środowisko naturalne, zdrowie ludzkie czy generowanie kongestii, transport drogowy traci swoją przewagę konkurencyjną. Jednym ze sposobów pełnej oceny realizacji usług poszczególnymi gałęziami transportu, poza czystą kalkulacją rentowności wynikającej z rachunku ekonomicznego, jest szacowanie kosztów zewnętrznych. Kosztami zewnętrznymi transportu są wszelkie koszty zużycia środków służących do wytworzenia usługi transportowej, które nie są ponoszone przez producenta usługi, ale przez ogół społeczeństwa. Do kosztów zewnętrznych wliczane są koszty związane z negatywnymi dla środowiska naturalnego i życia człowieka skutkami działalności transportu, do których zalicza się przede wszystkim: zanieczyszczenie wody, gleby, powietrza, emisję gazów cieplarnianych, emisję hałasu, wypadki, kongestia, zajętość terenu i wpływ na zmiany w krajobrazie, w tym zajmowanie cennych przyrodniczo terenów i rozcinanie ich ciągłości (fragmentacja) nowo budowanymi ciągami infrastruktury technicznej, co przyczynia się do utraty różnorodności biologicznej, a także utrudnień w funkcjonowaniu dotkniętych tym oddziaływaniem społeczności. 26 Szacowanie poziomu kosztów zewnętrznych jest trudne z uwagi na to, iż otwartym pozostaje sam problem definiowania szkód spowodowanych zniszczeniem środowiska naturalnego. W wielu przypadkach szkody te nie są dostrzegane natychmiast. Nie zawsze można także z pełnym przekonaniem stwierdzić, że takie czy inne zmiany w przyrodzie lub oddziaływania na zdrowie ludzkie wynikają na pewno z ingerencji człowieka w środowisko, a w szczególności są rezultatem oddziaływań transportu. Co więcej, szkody te często nie są przedmiotem bezpośredniej wymiany rynkowej, a zatem nie są mierzalne bezpośrednio w wartościach pieniężnych. Wyznaczane muszą być one w oparciu o różnego rodzaju techniki waluacji, jak gotowość do zapłaty, czy też gotowość do akceptacji. W zależności od wykorzystanej techniki, wartości wyceny tychże kosztów mogą się różnić, co rodzi wątpliwości odnośnie poziomu poprawności odwzorowania rzeczywistości przez te narzędzia [2, 3,5]. Dodatkowo rozwój techniki powoduje zmiany nie tylko o charakterze ilościowym (np. poziom emisji związków toksycznych), ale także o charakterze jakościowym (np. zmiana w strukturze emisji) [7]. Skutkuje to względnie szybką dezaktualizacją prowadzonych w tym zakresie badań. Ponadto koszty różnią się w zależności od konkretnej lokalizacji infrastruktury transportowej oraz gałęzi transportu [2, 5]. Ostatecznie należy zauważyć, iż niektóre spośród wskazanych powyżej kategorii kosztów mogą być częściowo zewnętrzne, a częściowo ponoszone, jako koszty wewnętrzne, przez użytkowników transportu [5]. W artykule przedstawiono wybrane wyniki badań wykorzystywanych między innymi przez instytucje europejskie do oceny kosztów zewnętrznych generowanych przez poszczególne gałęzie transportu. Wskazano także na nowe kategorie kosztów zewnętrznych, będące obecnie w obszarze zainteresowania badaczy. Koszty środowiskowe Zmniejszenie wykorzystania transportu drogowego oraz przeniesienie przewozów na kolej w dużym stopniu może wpłynąć na zmniejszenie negatywnego

27 Tabela 1. Koszty generowane przez czynniki oddziałujące negatywnie na środowisko w różnych gałęziach transportu [euro/1000 tkm] Transport samochodowy oddziaływania transportu ładunków na środowisko. Dominujący w strukturze przewozu ładunków transport drogowy generuje największe obciążenia środowiskowe. Jeżeli skutki oddziaływań wyrazimy w pieniądzu jako koszty, które ponosi społeczeństwo w związku z degradacją środowiska, to koszt generowany przez transport samochodowy wyniesie 10,77 euro/1000 tkm [4]. Koszt generowany przez transport kolejowy jest o 28% niższy i wynosi 7,75 euro. Natomiast koszty zewnętrzne żeglugi śródlądowej są ponad 3,5-krotnie niższe, a żeglugi bliskiego zasięgu ponad pięciokrotnie niższe. Poszczególne kategorie kosztów dla powyższych gałęzi transportu wskazane zostały w tabeli 1. Transport kolejowy Żegluga śródlądowa Żegluga bliskiego zasięgu Poziom hałasu 2,138 3, Emisja zanieczyszczeń 7,85 3,8 3 2 Emisja gazów cieplarnianych 0,79 0,5 Nieistotne Nieistotne Suma 10,77 7,75 około 3 około 2 Źródło: European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regulation, 2002 Tabela 2. Porównanie negatywnych oddziaływań środowiskowych transportu drogowego, kolejowego i kombinowanego drogowo-kolejowego w zależności od typu oddziaływania HDV 33 t, Euro 3 euro centy/tkm % Pociąg 348t Oszczędność kosztów Hałas Obszary miejskie, dzień 0,61 0,12 80% Obszary miejskie, noc 1,12 0,49 56% Obszary niezabudowane dzień 0,09 0,11-22% Obszary niezabudowane noc 0,17 0,19-12% Wypadki Obszary miejskie 0,92 0,02 98% Zanieczyszczenie Teren niezabudowany 0,23 0,02 91% Obszary miejskie Powietrza pociąg elektryczny 0, % Zmiana klimatu Teren niezabudowany Obszary miejskie pociąg spalinowy/diesel 0,93 1,05-13% pociąg elektryczny 0, % pociąg spalinowy/diesel 0,73 0,88-21% /emisja gazów pociąg elektryczny 0, % cieplarnianych pociąg spalinowy/diesel 0,23 0,08 65% Teren niezabudowany pociąg elektryczny 0, % pociąg spalinowy/diesel 0,19 0,08 58% Wpływ na zmiany Obszary miejski 0 0 0% krajobrazu Teren niezabudowany 0,1 0,02 80% Zanieczyszczenie wód i gruntów Obszar miejski/ teren niezabudowany 0,09 0,02 78% Źródło: Opracowanie własne na podstawie Handbook on estimation of external costs in the transport sector, Produced within the study Internalisation Measures and Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft, Oszczędność kosztów środowiskowych jaką można uzyskać wykorzystując transport kolejowy jest największa w obszarze wpływu na zdrowie i życie ludzkie (wypadki) oraz na zanieczyszczenie powietrza i emisję gazów cieplarnianych przy założeniu wykorzystywania pociągów elektrycznych. Bardziej niekorzystne oddziaływania porównując transport kolejowy z drogowym uzyskano w obszarach hałas w terenie niezabudowanym oraz zanieczyszczenie powietrza przy założeniu wykorzystania lokomotyw spalino- 27

28 Rysunek 1. Sumaryczne oddziaływania transportu drogowego i kolejowego dla obszarów miejskich i terenów niezabudowanych Źródło: Opracowanie własne na podstawie Handbook on estimation of external costs in the transport sector, Produced within the study Internalisation Measures and Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft, wych. Jednak sumując oddziaływania z wymienionych w tabeli 2 sześciu grup dla obszarów miejskich i niezabudowanych dodatkowo w podziale na dzień i noc, okazuje się, że w każdym przypadku sumaryczne oddziaływania transportu kolejowego są niższe od transportu drogowego i to niezależnie od tego czy wykorzystywane są lokomotywy spalinowe czy elektryczne (rysunek 1). Sumaryczny koszt oddziaływań środowiskowych wynosi dla transportu drogowego 1,66 eurocenta/tkm w ciągu dnia w terenie niezabudowanym do 3,55 eurocenta/tkm w nocy w obszarze miejskim. Dla przewozów kolejowych oddziaływania kształtują się w granicach od 0,29 eurocenta/tkm w obszarze miejskim w ciągu dnia w przypadku wykorzystywania lokomotyw elektrycznych do 1,77 eurocenta/tkm w obszarze miejskim w nocy w przypadku wykorzystywania lokomotyw spalinowych (por. tabela 3). Koszty społeczne Przeniesienie ładunków z transportu drogowego na transport kolejowy powoduje zmniejszenie potoku ruchu na drogach, co jest bezpośrednio przyczyną zmniejszenia kongestii w niektórych węzłach komunikacyjnych. Zmniejszenie tejże kongestii może w pozytywny sposób wpłynąć na skrócenie traconego czasu, zwiększenie niezawodności dostaw, a także zużycie paliwa. Warto jednakże zauważyć, iż jednocześnie przyczynia się to do wzrostu zatłoczenia na szlakach kolejowych, w którym to przypadku także można mówić o kosztach kongestii związanych np. z ograniczoną dostępnością slotów [5]. Tabela 4 przedstawia koszty wypadków oraz kongestii w systemach transportowych generowane przez różne gałęzie transportu. Transport drogowy generuje największe koszty, natomiast bezkonkurencyjny w 28 Tabela 3. Porównanie sumarycznych negatywnych oddziaływań środowiskowych transportu drogowego i kolejowego Obszar miejski dzień: Transport drogowy eurocenty /tkm Transport kolejowy eurocenty /tkm diesel/pociąg elektryczny 3,04 0,29 diesel/pociąg spalinowy 3,04 1,4 Obszar miejski noc: diesel/pociąg elektryczny 3,55 0,66 diesel/pociąg spalinowy 3,55 1,77 Teren niezabudowany dzień: diesel/pociąg elektryczny 1,66 0,31 diesel/pociąg spalinowy 1,66 1,24 Teren niezabudowany noc: diesel/pociąg elektryczny 1,74 0,39 diesel/pociąg spalinowy 1,74 1,32 Źródło: Handbook on estimation of external costs in the transport sector, Produced within the study Internalisation Measures and Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft, tym zestawieniu jest transport wodny, który praktycznie nie generuje żadnych kosztów. W związku z większym bezpieczeństwem transportu szynowego, przeniesienie przewozów na tę gałąź skutkuje zmniejszeniem liczby wypadków. Wykorzystanie transportu kolejowego pozwala na obniżenie kosztów wypadków o 73%. Jeszcze większe korzyści można zauważyć z punktu widzenia kosztów kongestii, które dla transportu kolejowego są o blisko 96% niższe niż dla transportu drogowego. Sumarycznie, z punktu widzenia kosztów społecznych wykorzystanie transportu kolejowego daje oszczędność kosztów na poziomie 83%.

29 Tabela 4. Koszty społeczne generowane przez wypadki oraz kongestię w różnych gałęziach transportu [euro/1000 tkm] Transport samochodowy Transport kolejowy Żegluga śródlądowa Żegluga bliskiego zasięgu Wypadki 5,44 1, Koszty kongestii 5,45 0,235 nieistotne nieistotne Suma 9,99 1,695 minimalne minimalne Źródło: European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regulation, 2002 Inne koszty zewnętrzne Przedstawione powyżej rozważania dotyczyły stosunkowo najlepiej rozpoznanych w literaturze rodzajów kosztów zewnętrznych. W literaturze przedmiotu [1, 5, 6, 8] wskazuje się jednakże na potencjalne inne oddziaływania mogące generować koszty zewnętrzne. Kosztom tym jednakże częstokroć trudno jest przypisać jakąkolwiek wartość pieniężną. Jeden z takiego rodzaju kosztów wynika z oddziaływania na abiotyczne zasoby naturalne. W przypadku transportu koszt ten dotyczy przede wszystkim zużycia zasobów stanowiących źródła energii nieodnawialnej (ropa naftowa, gaz ziemny). Fridell i in. [5] wskazali wysokość tego kosztu na 0,022-0,221 euro/kg, przy najbardziej prawdopodobnej wartości wynoszącej 0,104 euro/kg. Przy czym warto zauważyć, że ostateczna wysokość tego kosztu uzależniona jest od poziomu udziału surowców odnawialnych w paliwach, a w przypadku stosowania lokomotyw elektrycznych miksu energetycznego pozyskiwanego z sieci prądu. Ważnym oddziaływaniem społecznym, generującym koszty zewnętrzne, jest również tzw. odcięcie. Jest ono definiowane, jako występowanie w rzeczywistości lub odczuciu ludzkim barier dla ruchu na danym obszarze, które spowodowane są przez infrastrukturę transportową lub ruch pojazdów [8]. Bariery te mają negatywny wpływ na decyzje odnośnie korzystania z różnego rodzaju obiektów, a także mogą powodować utrudnienia społecznych interakcji (np. wśród dzieci) [8] oraz zmniejszenie poziomu bezpieczeństwa, zwiększenie przestępczości, czy też powstanie poczucia wykluczenia [1]. Wyróżnia się dwa rodzaje odcięcia, tj.: pierwotne związane z faktem istnienia fizycznej bariery oraz wtórne, związane jest z brakiem zastosowania lub zastosowaniem niewystarczających działań mających przeciwdziałać odcięciu pierwotnemu, np. poprzez budowę przejść podziemnych utrudniających ruch osób niepełnosprawnych i rowerzystów, a także nieodpowiedni poziom utrzymania skutkujący oblodzeniem lub podtopieniem/zalaniem, czy też brakiem utrzymania porządku, co z kolei skutkuje zwiększeniem obaw o bezpieczeństwo oraz zniechęceniem pieszych do korzystania z infrastruktury [8]. Koszty zewnętrzne powstawać mogą także w związku z wibracjami generowanymi przez transport [8]. Literatura w tym zakresie koncentruje się w dużej części na kwestii wpływu transportu na zabytkowe budynki. Wskazuje się tu, że w dłuższej perspektywie czasu wibracje powodują uszkodzenia budynków. Nawet niewielkie uszkodzenia traktowane mogą być jako znacząco rzutujące na ich wartość [8]. Stąd biorąc pod uwagę nieodwracalność zniszczeń, zasoby historyczne, czy też kulturowe mogą być chronione poprzez wprowadzanie ograniczeń możliwości planowania infrastruktury transportowej w ich sąsiedztwie. Kolejnym rodzajem kosztów są te wywołane intruzją wizualną infrastruktury [1]. Intruzja ta może przyczynić się do zniszczeń scenerii, a co za tym idzie obniżenia wartości sąsiadujących zasobów historycznych, kulturowych, czy też rekreacyjnych [1]. Dostępna na ten temat literatura koncentruje się w głównej mierze na transporcie drogowym, przy bardzo niewielkiej liczbie prac dotyczących innych gałęzi transportu [8]. Jakość wizualna może być w szczególności obniżona przez fakt instalowania ekranów akustycznych oddzielających analizowaną infrastrukturę od sąsiadujących działek w celu zmniejszenia negatywnego oddziaływania hałasu [9]. W tym przypadku wskazuje się [8] na narastający trend przedkładania aspektów estetycznych ponad aspekty zdrowotne związane z podwyższonym poziomem hałasu. Oprócz powyższych w literaturze wskazywane są także kwestie zakłóceń elektromagnetycznych [6]. Podsumowanie Dzięki rozwojowi transportu szynowego (w tym multimodalnego) polepsza się perspektywa rozwoju rynków globalnych. W przypadku Polski daje to możliwość umocnienia kraju na pozycji łącznika między Europą Zachodnią a Europą Wschodnią oraz Rosją. Z punktu widzenia klientów usług transportowych na dalekich trasach transport szynowy może przynosić wymierne oszczędności. Najważniejsze jednak korzyści ekonomiczne transport szynowy generuje na poziomie makroekonomicznym, w szerokim ujęciu społeczno-gospodarczym. Korzyści te wyrażają się oszczędnościami związanymi ze zmniejszonymi kosztami zewnętrznymi oraz kosztami tworzenia infrastruktury. Tabela 5 przedstawia całkowity rozkład kosztów, jakie należy ponieść na 1000 tkm w zależności od gałęzi transportu. Natomiast rysunek 2 pokazuje poziom oszczędności generowany w stosunku do transportu drogowego. Widać wyraźnie, że transport drogowy generuje koszty dwa razy większe w porównaniu do transportu kolejowego, a pięć i sześć razy większe w porównaniu do transportu wodnego. 29

30 Tabela 5. Koszty globalne generowane przez różne gałęzie transportu [euro/1000 tkm] Transport samochodowy Transport kolejowy Żegluga śródlądowa Żegluga bliskiego zasięgu Wypadki 5,44 1, Poziom hałasu 2,138 3, Emisja zanieczyszczeń 7,85 3,8 3 2 Emisja gazów cieplarnianych 0,79 0,5 nieistotne nieistotne Infrastruktura 2,45 2,9 1 < 1 Koszty kongestii 5,45 0,235 nieistotne nieistotne Suma 24,12 12,35 około 4,0 około 3,0 Źródło: European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regulation, 2002 Rysunek 2. Oszczędności wynikające ze zmiany gałęzi transportowej i przeniesieniem ładunków z transportu drogowego na inne gałęzie transportu[euro/1000tkm] Źródło: European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regulation, 2002 Bibliografia [1] Annema J., Koopmans C., The practice of valuing the environment in cost-benefit analyses in transport and spatial projects, Journal of Environmental Planning and Management, 2014 (w druku, DOI: / ) [2] Damart S., Roy B., The uses of cost bene?t analysis in public transportation decision-making in France, Transport Policy, vol. 16, 2009, s [3] De Brucker K., Macharis C., Verbeke A., Multicriteria analysis and the resolution of sustainable development dilemmas: A stakeholder management approach, European Journal of Operational Research, vol. 224, 2013, s [4] European Commission, Commission calculation of the external cost savings according to Article 5(3)of the draft Regulation, 2002 [5] Fridell E., Belhaj M., Wolf C., Jerksjö M., Calculation of external costs for freight transport, Transportation Planning and Technology, vol. 34, nr 5, s [6] Griškevičiūtė-Gečienė A., Burinskienė M., Towards creating the assessment methodology for urban road transport development projects, Technological and Economic Development of Economy, vol. 18, nr 4, 2012, s [7] Handbook on estimation of external costs in the transport sector, Produced within the study Internalisation Measures and Policies for All external Cost of Transport (IMPACT),Version 1.1, CE Delft, 2008 [8] Markovich J., Lucas K., The Social and Distributional Impacts of Transport: A Literature Review. Transport Studies Unit, School of Geography and the Environment, Working Paper N 1055, Sierpień 2011, Oksford [9] Zmuda-Trzebiatowski P., Bieńczak M., Kiciński M., Fierek S., Żak J., Wielokryterialna ocena wariantów przebudowy skrzyżowania z ruchem okrężnym na przykładzie modernizacji Ronda Rataje w Poznaniu, Technika Transportu Szynowego, nr 9, 2012, cd, s

31 dr inż. Zbigniew Durzyński, prof. IPS Instytut Pojazdów Szynowych TABOR Prawne regulacje w zakresie taboru kolejowego Ocena zgodności podsystemu Sterowanie urządzenia pokładowe i jego składników interoperacyjności Poniższy artykuł jest kolejnym, czwartym z cyklu pod wspólnym tytułem Prawne regulacje w zakresie taboru kolejowego. Zawiera podstawowe informacje opracowane na podstawie różnego rodzaju dokumentów obowiązujących dla taboru kolejowego. Przedstawione zestawienia, omówienia i komentarze mogą być pomocne w codziennej pracy specjalistów zajmujących się konstrukcją, badaniami oraz certyfikacją systemów sterowania taboru kolejowego i jego głównych składników. Artykuł zawiera także tzw. link do strony internetowej, na której dostępne są całe teksty przytoczonych i omawianych dokumentów. W kolejnym numerze kwartalnika ukaże się ostatni artykuł dotyczące praktycznego stosowania przepisów dotyczących taboru kolejowego. 1. Interfejsy między podsystemami Interfejsy Tabor kolejowy i Sterowanie urządzenia pokładowe zostały zestawione i opisane w trzech dokumentach: [1], [2] i [3]. W pkt w [1] interfejsy tabor sterowanie zostały opisane tabelarycznie następująco: W pkt [3] interfejsy sterowanie tabor zostały opisane następująco: a) Zgodność z przytorowymi systemami detekcji pociągu; konstrukcja pojazdu (pkt ): - parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu opartymi na obwodach torowych; patrz TSI LOC & PAS oraz TSI WAG

32 - parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu opartymi na licznikach osi; patrz TSI LOC & PAS oraz TSI WAG parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z pętlami indukcyjnymi; patrz TSI LOC & PAS Pkt Przytorowe systemy detekcji pociągu Ten parametr podstawowy określa wymagania dotyczące interfejsu pomiędzy przytorowymi systemami detekcji pociągu a taborem. Wymagania dotyczące interfejsu, które muszą spełniać systemy detekcji pociągu, określono w poz a załącznika A. (tj. poz. 77, pkt. 3.1): 77. ERA/ERTMS/033281: Interfaces between CCS track-side and other subsystems; 1.0 b) Kompatybilność elektromagnetyczna między taborem a urządzeniami przytorowymi podsystemu Sterowanie (pkt ) - parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu opartymi na obwodach torowych; patrz TSI LOC & PAS parametry taboru związane z zapewnieniem zgodności z systemami detekcji pociągu opartymi na licznikach osi; patrz TSI LOC & PAS Pkt Kompatybilność elektromagnetyczna między taborem a urządzeniami przytorowymi podsystemu Sterowanie Ten parametr podstawowy określa wymagania w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej dotyczące interfejsu pomiędzy taborem a urządzeniami przytorowymi podsystemu Sterowanie. Wymagania dotyczące interfejsu, które muszą spełniać systemy detekcji pociągu, określono w poz a załącznika A. (tj. poz. 77, pkt. 3.2 patrz pkt ): c) Skuteczność oraz charakterystyka hamowania pociągu (pkt ) - skuteczność hamowania nagłego; patrz TSI LOC & PAS: hamowanie nagłe , hamowanie służbowe oraz TSI WAG d) Pozycja pokładowych anten podsystemu Sterowanie (pkt ) - skrajnia kinematyczna; patrz TSI LOC & PAS e) Izolowanie pokładowych funkcji ERTMS/ETCS (pkt ) - przepisy ruchu; patrz TSI LOC & PAS f) Interfejsy dla danych (pkt ) - rozwiązania w zakresie monitorowania i diagnostyki; patrz TSI LOC & PAS Pkt Funkcje pokładowe ERTMS/ETCS Ten parametr podstawowy opisuje wszystkie funkcje potrzebne do prowadzenia pociągu w sposób bezpieczny. Podstawową funkcją jest zapewnienie automatycznej kontroli pociągu oraz sygnalizacji kabinowej. Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz b załącznika A (tj. poz. 1, 4, 13,15 i 60), a ich realizacja musi być zgodna z poz a tego załącznika (tj. poz. 14). Wymagania dotyczące prób określone są w poz c załącznika A (tj. poz. 31, 37b d). 1. ERA/ERTMS/003204: ERTMS/ETCS Functional requirement specification; UNISIG SUBSET-026: System requirement specification; UNISIG SUBSET-040: Dimensioning and engineering rules; UNISIG SUBSET-041: Performance requirements for interoperability; ERA SUBSET-108: Interoperability related consolidation on TSI Annex A documents; UNISIG SUBSET-094: Functional requirements for an onboard reference test facility; b. UNISIG SUBSET : Test cases related to features; c. UNISIG SUBSET : Test sequences; d. UNISIG SUBSET-076-7: Scope of the test specifications; (celowo usunięta) UNISIG SUBSET-104: ETCS System Version Management; g) Widoczność przytorowych obiektów podsystemu Sterowanie (pkt ) - widoczność na zewnątrz. Światła czołowe; patrz TSI LOC & PAS zewnętrzne pole widzenia maszynisty; patrz TSI LOC & PAS: pole , szyba przednia Widoczność przytorowych obiektów podsystemu Sterowanie Ten parametr podstawowy opisuje: 1) charakterystykę znaków odblaskowych zapewniającą odpowiednią widoczność; 32

33 2) charakterystykę interoperacyjnych tablic sygnalizacyjnych. Załącznik A poz a. (tj. poz. 38) E068: ETCS Marker-board definition; 2.0 Przytorowe obiekty podsystemu Sterowanie muszą być ponadto zainstalowane w sposób uwzględniający pole widzenia maszynisty i zgodny z wymaganiami infrastruktury. h) Interfejs do rejestracji danych do celów prawnych (pkt ) - urządzenie rejestrujące; patrz TSI LOC & PAS Interfejs do rejestracji danych do celów prawnych Ten parametr podstawowy opisuje: 1) wymianę danych pomiędzy pokładowymi urządzeniami ERTMS/ETCS a rejestratorem prawnym w pojeździe; 2) protokoły łączności; 3) interfejs fizyczny. Załącznik A poz a (tj. poz. 5). 5. UNISIG SUBSET-027: FFFIS Juridical recorder-downloading tool; i) Polecenia do urządzeń pokładowych (pkt i 4.2.3) - separacja faz; patrz TSI LOC & PAS Funkcje przytorowej części ERTMS/ETCS Ten parametr podstawowy opisuje funkcje przytorowej części systemu ERTMS/ETCS. Obejmuje on wszystkie funkcje ERTMS/ETCS służące zapewnieniu bezpiecznej drogi dla danego pociągu. Podstawowe funkcje obejmują: 1) lokalizowanie danego pociągu w systemie współrzędnych wyznaczanym przez eurobalisy (poziomy 2 i 3); 2) translację informacji od przytorowych urządzeń sterowania ruchem kolejowym do standardowego formatu stosowanego w pokładowych urządzeniach podsystemu Sterowanie ; 3) generowanie zezwolenia na jazdę dla danego pociągu, włącznie z opisem toru i poleceniami przypisanymi do danego pociągu. Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz b załącznika A (tj. poz. 1, 4, 13,15 i 60), a ich realizacja musi być zgodna z poz a tego załącznika (tj. poz. 14). Wymagania dotyczące prób określone są w poz c załącznika A (tj. poz. 31, 37b d) lista ww. dokumentów: patrz pkt. f. j) Polecenie hamowania nagłego (pkt ) - polecenie hamowania nagłego; patrz TSI LOC & PAS Pokładowe funkcje ERTMS/ETCS a) Podstawową funkcją jest zapewnienie automatycznej kontroli pociągu oraz sygnalizacji kabinowej: 1) ustalenie charakterystyki pociągu (np. prędkości maksymalnej, charakterystyki hamowania); 2) wybór trybu nadzoru na podstawie informacji z urządzeń przytorowych; 3) realizacja funkcji odometrycznych; 4) lokalizowanie pociągu w systemie współrzędnych wyznaczanym przez eurobalisy; 5) obliczanie dynamicznego profilu prędkości dla jazdy na podstawie charakterystyki pociągu i informacji z urządzeń przytorowych; 6) nadzorowanie dynamicznego profilu prędkości podczas jazdy pociągu; 7) realizowanie funkcji interwencji. b) Funkcje te muszą zostać wdrożone zgodnie z poz b załącznika A, a ich realizacja musi być zgodna z poz a tego załącznika. c) Wymagania dotyczące prób określone są w poz c załącznika A. (tj. poz. 31, 37 patrz pkt. 1f) d) Zarządzanie identyfikatorami urządzeń ETCS musi być realizowane zgodnie z pkt (Zarządzanie ETCS-ID). e) Funkcje podstawowe wspierane są przez inne funkcje, do których również zastosowanie mają poz a i 4.2.2b załącznika A, (tj. poz. 1, 4, patrz pkt. 1f) w połączeniu ze wskazanymi niżej dodatkowymi specyfikacjami: 1. Łączność z podsystemem Sterowanie urządzenia przytorowe a) Transmisja sygnałów eurobalisy. Zob. pkt (Łączność z pociągiem przy użyciu eurobalis). 33

34 b) Transmisja sygnałów europętli. Zob. pkt (Łączność z pociągiem przy użyciu europętli). Funkcja ta jest opcjonalna dla urządzeń pokładowych, chyba że europętla jest zainstalowana w przytorowym ETCS poziomu 1, a maksymalna prędkość dojazdu jest ustawiona na zero ze względów bezpieczeństwa (np. ochrona punktów niebezpiecznych). c) Radiowa transmisja danych na potrzeby przekazywania informacji uaktualniających. Zob. poz d załącznika A, (tj. poz. 18, 20) 18. UNISIG SUBSET-046: Radio infill FFFS; UNISIG SUBSET-048: Trainborne FFFIS for radio infill; oraz pkt (Łączność radiowa z pociągiem), pkt (Interfejs między radiową wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS) i pkt (Zarządzanie kluczami). Funkcja ta jest opcjonalna dla urządzeń pokładowych, chyba że radiowa transmisja danych na potrzeby przekazywania informacji uaktualniających jest zainstalowana w przytorowym ETCS poziomu 1, a maksymalna prędkość dojazdu jest ustawiona na zero ze względów bezpieczeństwa (np. ochrona punktów niebezpiecznych). d) Radiowa transmisja danych. Zob. pkt (Łączność radiowa z pociągiem), pkt (Interfejs między radiową wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS) i pkt (Zarządzanie kluczami). Funkcja ta jest obowiązkowa dla urządzeń pokładowych tylko dla zastosowań ERTMS/ETCS poziomu 2 lub Łączność z maszynistą. Zob. poz e (tj. poz. 6) 6. UNISIG SUBSET-033: FIS for man-machine interface; i pkt (Pokładowy pulpit ERTMS/ETCS). 3. Łączność z STM (Specific Transmission Module). Zob. pkt (Interfejs między ERTMS/ETCS a STM). Funkcja ta obejmuje: a) zarządzanie sygnałami wyjściowymi modułów STM; b) dostarczanie danych wykorzystywanych przez moduł STM; c) zarządzanie stanami przejściowymi modułu STM. 4. Zarządzanie informacjami na temat kompletności pociągu (ciągłości pociągu) obowiązkowe dla poziomu 3, niewymagane dla poziomów 1 i Monitorowanie stanu urządzeń oraz pomoc w trybie pracy podczas awarii. Funkcja ta obejmuje: a) inicjalizację pokładowych funkcji ERTMS/ETCS; b) realizowanie pomocy w trybie pracy podczas awarii; c) izolowanie pokładowych funkcji ERTMS/ETCS. 6. Pomoc w rejestrowaniu danych do celów prawnych. Zob. pkt (Interfejs do rejestracji danych do celów prawnych). 7. Przekazywanie informacji i poleceń oraz odbieranie informacji o stanie pojazdów: a) do pulpitu pokładowego. Zob. pkt (Pokładowy pulpit ERTMS/ETCS); b) do/z interfejsu pociągu. Zob. poz f załącznika A. (tj. poz. 7) 7. UNISIG SUBSET-034: FIS for the train interface; W podsystemie Sterowanie urządzenia pokładowe muszą zostać wdrożone, zgodnie z podanymi specyfikacjami, poniższe funkcje (numeracja rozdziałów zgodna z [3] Funkcje kolejowej łączności ruchomej GSM-R Ten parametr podstawowy opisuje funkcje łączności radiowej. Funkcje takie muszą zostać wdrożone w podsystemach Sterowanie urządzenia pokładowe i Sterowanie urządzenia przytorowe zgodnie z podanymi niżej specyfikacjami Funkcja łączności podstawowej Wymagania ogólne określone są w poz a załącznika A (tj. poz. 64, 65). Ponadto spełnione muszą zostać następujące specyfikacje: 1) funkcje ASCI; załącznik A poz b (tj. poz. 66); 2) karta SIM; załącznik A poz c (tj. poz. 67); 3) sygnalizacja użytkownik-użytkownik; załącznik A poz d(tj. poz. 68); 4) adresowanie uzależnione od lokalizacji; załącznik A poz e (tj. poz. 73, 74). 64. EN Global System for Mobile Communication (GSM). Requirements for GSM operation on railways; TS Detailed requirements for GSM operation on railways; (MORANE) A 01 T ASCI Options for Interoperability; (MORANE) P 38 T FFFIS for GSM-R SIM Cards;

35 68. TSI TS Railway Telecommunication; GSM. Usage of the UUIE for GSM operation on railways; (MORANE) F 10 T6001. FFFS for Location Dependent Addressing; (MORANE) F 12 T6001. FIS for Location Dependent Addressing; Łączność głosowa i eksploatacyjna Wymagania ogólne określone są w poz f załącznika A (tj. poz. 32, 33). Wymagania dotyczące prób określone są w poz g załącznika A (tj. poz. 48). Ponadto spełnione muszą zostać następujące specyfikacje: 1) potwierdzanie wywołań priorytetowych; załącznik A poz h (tj. poz. 69, 70); 2) adresowanie funkcjonalne; załącznik A poz j (tj. poz. 71, 72); 3) prezentacja numerów funkcjonalnych; załącznik A poz k (tj. poz. 75, 76). 32. EIRENE FRS. GSM-R Functional requirements specification; EIRENE SRS. GSM-R System requirements specification; Test specification for mobile equipment GSM-R (Zastrzeżona) 69. (MORANE) F 10 T FFFS for Confirmation of High Priority Calls ; (MORANE) F 12 T FIS for Confirmation of High Priority Calls; (MORANE) E 10 T FFFS for Functional Addressing; (MORANE) E 12 T FIS for Functional Addressing; (MORANE) F 10 T FFFS for Presentation of Functional Numbers to Called and Calling Parties; F 12 T FIS for Presentation of Functional Numbers to Called and Calling Parties; Przesyłanie danych na potrzeby ETCS Wymagania ogólne określone są w poz f załącznika A (tj. poz. 32, 33). Wymagania dotyczące prób określone są w poz g załącznika A (tj. poz. 48) patrz pkt Funkcja ta jest obowiązkowa tylko w przypadku zastosowań ETCS poziomu 2 i 3 oraz radiowego przesyłania informacji uaktualniających Interfejsy transmisji bezprzewodowej ERTMS/ETCS i GSM-R Ten parametr podstawowy określa wymagania dotyczące transmisji bezprzewodowej pomiędzy podsystemami Sterowanie urządzenia przytorowe i Sterowanie urządzenia pokładowe i musi zostać uwzględniony w powiązaniu z wymaganiami dotyczącymi interfejsów pomiędzy urządzeniami ERTMS/ETCS i GSM-R, Łączność radiowa z pociągiem Interfejsy dla łączności radiowej klasy A muszą pracować w paśmie GSM-R zob. załącznik A poz a (tj. poz. 65, 66 patrz pkt ). Protokoły muszą być zgodne z załącznikiem A poz b (tj. poz. 10, 39, 40). 10. UNISIG SUBSET-037. EuroRadio FIS; UNISIG SUBSET ERTMS EuroRadio Conformance Requirements; UNISIG SUBSET ERTMS EuroRadio test cases safety layer; W przypadku, gdy wdrożona jest funkcja radiowego przesyłania informacji uaktualniających, spełnione muszą zostać wymagania określone w poz c załącznika A (tj. poz. 19, 20). 19. UNISIG SUBSET-047. Trackside- Trainborne FIS for Radio infill; UNISIG SUBSET-048. Trainborne FFFIS for Radio infill; Łączność z pociągiem przy użyciu eurobalis Interfejsy dla łączności przy użyciu eurobalis muszą być zgodne z poz d załącznika A (tj. poz. 9, 43). 9. UNISIG SUBSET 036. FFFIS for Eurobalise; UNISIG SUBSET 085. Test specification for Eurobalise FFFIS; Łączność z pociągiem przy użyciu europętli Interfejsy dla łączności przy użyciu europętli muszą być zgodne z poz e załącznika A (tj. poz. 16, 50). 16. UNISIG SUBSET-044. FFFIS for Euroloop; UNISIG SUBSET-103. Test specification for Euroloop; Interfejsy urządzeń pokładowych wewnątrz podsystemu Sterowanie Kontrola pociągu ERTMS/ETCS i kontrola pociągu klasy B 35

36 W przypadku, gdy na pokładzie zainstalowane są funkcje kontroli pociągu ERTMS/ETCS i funkcje klasy B, zarządzanie przejściami pomiędzy nimi może odbywać się przy użyciu standardowego interfejsu określonego w poz a załącznika A (tj. poz. 8, 25, 26, 36c, 49, 52). 8. UNISIG SUBSET-035. Specific Transmission Module FFFIS; UNISIG SUBSET-056. STM FFFIS Safe time layer; UNISIG SUBSET-057. STM FFFIS Safe link layer; c. UNISIG SUBSET FFFIS STM Test cases document; UNISIG SUBSET-059. Performance requirements for STM; UNISIG SUBSET-058. FFFIS STM Application layer; Załącznik A w poz b (tj. poz. 29, 45) zawiera specyfikację interfejsu K (umożliwiającego niektórym modułom STM odczytywanie informacji z balis klasy B poprzez pokładową antenę ERTMS/ETCS), a w poz c (tj. poz. 46) specyfikację interfejsu G (transmisji bezprzewodowej pomiędzy pokładową anteną ETCS, a balisami klasy B). 29. UNISIG SUBSET-102. Test specification for interface K ; UNISIG SUBSET-101. Interface K Specification; UNISIG SUBSET-100. Interface G Specification; Zastosowanie interfejsu K jest opcjonalne, ale w przypadku jego użycia musi być on zgodny z poz b załącznika A. Ponadto w przypadku zastosowania interfejsu K funkcja pokładowego kanału transmisyjnego musi być zgodna z charakterystyką określoną w poz c załącznika A. W przypadku, gdy zarządzanie przejściami pomiędzy pokładowymi funkcjami kontroli pociągu ERTMS/ETCS i funkcjami klasy B nie odbywa się przy użyciu standardowego interfejsu określonego w poz a załącznika A, należy podjąć kroki celem zapewnienia, by zastosowana metoda nie wiązała się z dodatkowymi wymaganiami wobec podsystemu Sterowanie urządzenia przytorowe Interfejs między radiową wymianą danych GSM-R a ERTMS/ETCS Wymagania dotyczące interfejsu między radiem klasy A, a funkcjami pokładowego systemu ERTMS/ETCS określono w poz d załącznika A (tj. poz. 34). 34. A11T6001. (MORANE) Radio Transmission FFFIS for EuroRadio; 12.4 W przypadku, gdy wdrożona jest funkcja radiowego przesyłania informacji uaktualniających, spełnione muszą zostać wymagania określone w poz e załącznika A (tj. poz. 20 patrz pkt ) Odometria Interfejs między funkcją odometrii, a pokładowymi urządzeniami ETCS musi spełniać wymagania podane w poz f załącznika A (tj. poz. 44). Interfejs ten należy do parametru podstawowego tylko wtedy, gdy urządzenia odometryczne dostarczane są jako oddzielny składnik interoperacyjności. 44. Odometry FIS (zastrzeżone). Łącznie wymienione wyżej dokumenty (52 pozycje) to kilka tysięcy stron. Link do dokumentów ws. ETRMS/ETCS (kliknięcie po otwarciu pliku otwiera wybrany dokument): ERTMS.html 3. Procedury weryfikacji i oceny A) Wymagania dotyczące oceny podsystemu pokładowego: W tabeli przedstawiono zestawienie kontroli, jakie należy przeprowadzić w ramach weryfikacji podsystemu Sterowanie urządzenia pokładowe, oraz parametrów podstawowych, które muszą zostać spełnione. Niezależnie od wybranego modułu: 1) weryfikacja musi wykazać, że po zintegrowaniu z pojazdem podsystem Sterowanie urządzenia pokładowe spełnia parametry podstawowe; 2) te funkcje i parametry eksploatacyjne składników interoperacyjności, które zostały już objęte deklaracją zgodności WE, nie wymagają dodatkowej weryfikacji. B) W celu weryfikacji podsystemu Sterowanie urządzenia pokładowe wnioskodawca może wybrać: 1) procedurę badania typu (moduł SB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z procedurą systemu zarządzania jakością produkcji (moduł SD) dla fazy produkcyjnej; lub 36

37 2) procedurę badania typu (moduł SB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z procedurą weryfikacji produktu (moduł SF); lub 3) pełny system zarządzania jakością oraz badanie projektu (moduł SH1). W odniesieniu do modułu SB - pkt 4.2 (badanie typu) wymagany jest przegląd projektu. W odniesieniu do modułu SH1 - pkt 4.2, wymagane jest wykonanie badania typu (dotyczy także podsystemu pokładowego). C) Jednostka notyfikowana przeprowadza weryfikację WE podsystemu Sterowanie urządzenia pokładowe lub Sterowanie urządzenia przytorowe zgodnie z załącznikiem VI do dyrektywy ws. interoperacyjności kolei na żądanie wnioskodawcy. Wnioskodawca sporządza deklarację weryfikacji WE podsystemu Sterowanie urządzenia pokładowe lub Sterowanie urządzenia przytorowe zgodnie z art. 18 ust. 1 dyrektywy ws. interoperacyjności kolei i z załącznikiem V do niej. Treść deklaracji weryfikacji WE musi być zgodna z załącznikiem V do dyrektywy ws. interoperacyjności kolei. Procedurę oceny przeprowadza się przy użyciu jednego z modułów wymienionych w pkt (Moduły oceny podsystemów Sterowanie ). Jednostka notyfikowana odpowiedzialna za weryfikację WE ocenia projekt i produkcję podsystemu i sporządza certyfikat weryfikacji przeznaczony dla wnioskodawcy, który z kolei sporządza deklarację weryfikacji WE przeznaczoną dla organu nadzoru w państwie członkowskim, w którym podsystem jest zlokalizowany lub działa. W tabeli 6.2 przedstawiono zestawienie kontroli, jakie należy przeprowadzić w ramach weryfikacji podsystemu Sterowanie urządzenia pokładowe, oraz parametrów podstawowych, które muszą zostać spełnione. 37

38 38

39 Niezależnie od wybranego modułu: 1) weryfikacja musi wykazać, że po zintegrowaniu z pojazdem podsystem Sterowanie urządzenia pokładowe spełnia parametry podstawowe; 2) te funkcje i parametry eksploatacyjne składników interoperacyjności, które zostały już objęte deklaracją zgodności WE, nie wymagają dodatkowej weryfikacji. 4. Składniki interoperacyjności podsystemu Sterowanie - urządzenia pokładowe W tablicy 5.1.a w TSI [3] określono poniżej zestawione składniki (grupy składników) interoperacyjności podsystemu Sterowanie urządzenia pokładowe. a) pokładowy ERTMS/ETCS b) urządzenia odometryczne c) interfejs zewnętrznego STM d) radiotelefon kabinowy GSM-R e) radio GSM-R na potrzeby transmisji danych ETCS f) karta SIM GSM-R. Definicja i funkcję STM określone zostały w zał. nr 1 do [4] następująco: STM - specyficzny moduł transmisyjny pośredniczący między urządzeniami pokładowymi ERTMS/ETCS a: 1) eksploatowanym na polskich liniach kolejowych systemem bezpiecznej kontroli jazdy pociągu, należącym do klasy systemów automatycznego ostrzegania, jakim jest system Samoczynnego Hamowania Pociągu, oraz 2) wykorzystywaną na polskich liniach kolejowych funkcją hamowania obszarowego, jaką jest funkcja radiostop. Zgodnie z pkt [3]: Każde państwo członkowskie odpowiada za weryfikację zgodności STM ze swoimi wymaganiami krajowymi. Weryfikacja zgodności interfejsu STM z pokładowym systemem ERTMS/ETCS wymaga przeprowadzenia oceny zgodności przez jednostkę notyfikowaną. Składniki mogą tworzyć grupę składników (przykład dla składników a) i b) przedstawia tablica 5.1.b). 39

40 W celu oceny składników interoperacyjności należących do podsystemów Sterowanie producent lub jego upoważniony przedstawiciel mający siedzibę na terenie Wspólnoty może wybrać: 1) procedurę badania typu (moduł CB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z procedurą systemu zarządzania jakością produkcji (moduł CD) dla fazy produkcyjnej, lub 2) procedurę badania typu (moduł CB) dotyczącą fazy projektowania i rozwoju, w połączeniu z procedurą weryfikacji produktu (moduł CF); lub 3) pełny system zarządzania jakością oraz badanie projektu (moduł CH1). Według : Łączność z STM wg pkt : Interfejs między ERTMS/ETCS a STM obejmuje: a) zarządzanie sygnałami wyjściowymi modułów STM; b) dostarczanie danych wykorzystywanych przez moduł STM; c) zarządzanie stanami przejściowymi modułu STM. Wymagania dotyczące systemów klasy B i modułów STM (umożliwiających pokładowemu systemowi klasy A funkcjonowanie w infrastrukturze klasy B) leżą w zakresie odpowiedzialności odpowiedniego państwa członkowskiego. W przypadku, gdy na pokładzie zainstalowane są funkcje kontroli pociągu ERTMS/ETCS i funkcje klasy B, zarządzanie przejściami pomiędzy nimi może odbywać się przy użyciu standardowego interfejsu określonego w poz a załącznika A. (tj. poz. 8, 25,26 i 49 patrz w pkt. 2). Załącznik A w poz b zawiera specyfikację interfejsu K (umożliwiającego niektórym modułom STM odczytywanie informacji z balis klasy B poprzez pokładową antenę ERTMS/ETCS). Zastosowanie interfejsu K jest opcjonalne, ale w przypadku jego użycia musi być on zgodny z poz b załącznika A (tj. poz patrz w pkt. 2), a w poz c specyfikację interfejsu G (transmisji bezprzewodowej pomiędzy pokładową anteną ETCS a balisami klasy B). Ponadto w przypadku zastosowania interfejsu K funkcja pokładowego kanału transmisyjnego musi być zgodna z charakterystyką określoną w poz c załącznika A (tj. poz patrz w pkt. 2). 40

41 W przypadku, gdy zarządzanie przejściami pomiędzy pokładowymi funkcjami kontroli pociągu ERTMS/ETCS i funkcjami klasy B nie odbywa się przy użyciu standardowego interfejsu określonego w poz a załącznika A, należy podjąć kroki celem zapewnienia, by zastosowana metoda nie wiązała się z dodatkowymi wymaganiami wobec podsystemu Sterowanie urządzenia przytorowe. 5. Podsumowanie W przedstawionym artykule zwrócono m. in. uwagę na obszerność dokumentów odnoszących się do podsystemu Sterownie, jednak tylko część z ich odnosi bezpośrednio do urządzeń pokładowych podsystemu sterowanie, zatem w przypadku oceny tej części podsystemu konieczna jest staranna selekcja wymagań zawartych w dokumentach związanych z tym podsystemem. Należy podkreślić szczególną rolę jednostek notyfikowanych w procesie weryfikacji WE podsystemu Sterowanie urządzenia pokładowe i oceny zgodności składników interoperacyjności ze względu na interdyscyplinarność problemów związanych z wyposażeniem elektrotechnicznym pojazdów, jak i z telekomunikacją. Dotychczas w poprzednich numerach kwartalnika przedstawiono podstawowe informacje na następujące tematy: - unijne i krajowe przepisy dotyczące taboru kolejowego - akredytacja, autoryzacja i notyfikacja ośrodków certyfikujących i laboratoriów badawczych - ocena zgodności podsystemu Tabor i jego składników interoperacyjności, A kolejnym numerze zostanie przedstawiona ocena bezpieczeństwa podsystemu Tabor w zakresie wyceny i oceny ryzyka. 6. Dokumenty źródłowe [1] Rozporządzenie Komisji (UE) nr 1302/2014 z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu Tabor - lokomotywy i tabor pasażerski systemu kolei w Unii Europejskiej [2] Decyzja Komisji z dnia 6 listopada 2012 r. zmieniająca decyzję 2012/88/UE w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności w zakresie podsystemów Sterowanie transeuropejskiego systemu kolei (2012/696/UE) [3] Decyzja Komisji z dnia 25 stycznia 2012 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności w zakresie podsystemów Sterowanie transeuropejskiego systemu kolei (2012/88/UE) [4] Rozporządzenie Ministra Transportu, Budownictwa i Gospodarki Morskiej z dnia 6 listopada 2013 r. w sprawie interoperacyjności kolei (Dz. U poz. 1297) 41

42 dr inż. Marek Sobaś, prof. IPS Instytut Pojazdów Szynowych TABOR Badania przejazdu pojazdów szynowych przez tory wichrowate w warunkach quasi-statycznych z uwzględnieniem kąta nabiegania koła na szynę W artykule przedstawiono nowatorskie podejście do problemów bezpieczeństwa przejazdu pojazdów przez tory wichrowate w warunkach quasi-statycznych z uwzględnieniem kąta nabiegania koła na szynę. W ten sposób kryterium Nadala zostało rozszerzone o następny parametr. Można wyciągnąć wniosek, że kryterium to ulega zmianie, wskutek postępu prac analityczno-badawczych. 1. WSTĘP Bezpieczeństwo przejazdu pojazdu przez tory wichrowate w warunkach quasi-statycznych jest jednym z najistotniejszych problemów kolejnictwa. Kryterium bezpieczeństwa przed wykolejeniem zostało wprowadzone przez Nadala w 1908 roku. Rozwój tego kryterium oraz zabezpieczenie pojazdów szynowych przed wykolejeniem, jest procesem ciągłym i podlega dalszym badaniom [2,6,7,8], pomimo istotnych osiągnięć w tej dziedzinie dla wagonów towarowych, co jest wyrażone raporcie ORE/ERRI B55 Rp.8 [13]. W świetle dzisiejszej wiedzy istotnymi czynnikami, które działają w kierunku polepszenia bezpieczeństwa przed wykolejeniem w warunkach quasi-statycznych są: wielkość poprzecznych sił prowadzących Y, działających w punkcie styku koła i szyny w kierunku poprzecznym, wielkość nacisków pionowych Q koła (niem. Radaufstandskräfte ), działających w punkcie styku koła i szyny oraz ich rzeczywisty rozkład w pojeździe, wartość współczynnika tarcia µ między kołem a szyną, zarys koła, a zwłaszcza kąt pochylenia obrzeża γ, przyjęty w stanie nowym na poziomie 70? zgodnie z normą europejską PN-EN A1:2011 wg [11], wichrowatość toru, mierzona w promilach i określona w przepisach utrzymania infrastruktury, wielkość kątów nabiegania α koła pojazdu na szynę, promień łuku toru R, przez który przejeżdża pojazd oraz wielkość pochylenia rampy przechyłkowej toku zewnętrznego szyny na łuku o promieniu R, bazy wózka 2a, w przypadku pojazdów czteroosiowych oraz baza pojazdu w przypadku wagonów dwuosiowych, sztywność skrętna nadwozia, sztywność usprężynowania, sztywność skrętna ramy wózka Wskaźnik wykolejenia Wskaźnik wykolejenia, który jest znany od 1908 roku jako kryterium Nadala, przedstawia się następująco: Y 1,2 (1) Q 0 γ= 70,µ = 0,36 gdzie: Y- siła prowadząca, działająca w punkcie styku w kierunku poprzecznym (niem. laterale Führungskraft ) Q- siła nacisku pionowego koła na szynę (niem. Radaufstandskraft ). Kryterium w takiej formie, aby można było je bardziej zrozumieć, musi ulec rozwinięciu do następującej formy: Y tgγ µ = 1,2 (2) Q 1+ µ tgγ gdzie: γ-kąt pochylenia obrzeża (niem. Spukranzwinkel ), µ- współczynnik tarcia pomiędzy kołem, a szyną (niem. Reibwert ) Rozkład sił oraz kąt pochylenia obrzeża jest przedstawiono na rys.1 Rys.1. Siły działające w punkcie styku koło-szyna podczas przejazdu przez łuk toru

43 Legenda: Y- siła poprzeczna działająca w punkcie styku koło-szyna Q- siła pionowa działająca w punkcie styku koło-szyna N siła normalna, prostopadła do linii, wyznaczającej kąt pochylenia obrzeża µn- siła tarcia, działająca w punkcie styku koło-szyna. Proces wykolejenia odbywa się w wyniku wspinania koła (niem. das Aufklettern des Rades ) w rejonie obrzeża po główce szyny. Wspinanie koła bokiem obrzeża po zarysie zewnętrznym szyny odbywa się w wyniku działania siły tarcia T=µ N (niem. Tangentialkraft ) oraz składowej siły poprzecznej Y. Wartość tej siły jest tym większa im większy jest współczynnik tarcia pomiędzy kołem, a szyną. Jeżeli stosunek sił Y i Q przekroczy wartość wynoszącą 1,2, to wówczas, prawdopodobne jest wykolejenie. Należy jednak podkreślić, że kryterium to obowiązuje dla kąta pochylenia obrzeża γ=70 oraz współczynnika tarcia na styku koło-szyna wynoszącego µ=0,36. Po wstawieniu danych γ=70 oraz µ=0,36 do wzoru (2) otrzymuje się: Y Q tg70 0,36 2,7474 0,36 = = = 1,200 (3) 1+ 0,36 tg ,36 2,7474 Tak więc poprawnie sformułowane kryterium Nadala przedstawia się następująco: Y Q 0 γ= 70,µ = 0,36 1,2 (4) Wskaźnik wykolejenia zależy w dużym stopniu od kąta pochylenia obrzeża γ. Zależność tę przedstawiono w tabeli 1. Zależność wskaźnika wykolejania (Y/Q) od kąta pochylenia obrzeża koła Tabela 1 l.p. Wartość kąta pochylenia obrzeża γ Wartość wskaźnika wykolejenia (Y/Q) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,746 Należy jednak zaznaczyć, że kąt pochylenia obrzeża γ można używać do oceny bezpieczeństwa przed wykolejeniem jeśli główka szyny nie jest na tyle zużyta, że ma wpływ na ostateczny kąt pochylenia. Jeśli główka szyny jest na tyle zużyta, jak pokazano na rys.4, to wówczas rzeczywisty kąt styku wynosi α=55 o podczas przejazdu pojazdu z kołami o kącie pochylenia obrzeża γ=70 o. Rys.2. Maksymalne dopuszczalne zużycie szyny, które wywołuje kąt pochylenia obrzeża α=55 Przyjmując kąt pochylenia obrzeża α=55 oraz współczynnik tarcia µ=0,36 i wstawiając do wzoru (2) otrzymuje się: 0 Y tg55 0,36 = 0,705 (5) 0 Q 1 + 0,36 tg55 3. Wskaźnik wykolejenia, a kąt nabiegania W przypadku przejazdu pojazdu przez łuk dochodzi bardzo często do nabiegania koła pojazdu na szynę pod kątem α, który nazywa się w kolejnictwie kątem nabiegania (niem. Anlaufwinkel, ang. stricking angle, fr angle d attage ). Sytuację koła pojazdu na łuku toru opisuje rys.2 oraz rys.3. Legenda: a- mała półoś elipsy b- duża półoś elipsy r- promień krzywizny wierzchołka hiperboli γ- kąt pochylenia obrzeża Rys.3. Aproksymacja przebiegu punktu styku przez łuk toru wg [2] 43

44 Rys.4. Przemieszczenie punktu styku podczas przejazdu koła pojazdu przez łuk toru wg [2] Kąty nabiegania α mogą przyjmować różne wartości, przy czym jedną z maksymalnych wartości α=3,23 wyliczono podczas przejazdu wagonu towarowego 218K (Hbbins) przez łuk o promieniu R=70 m [2,3]. Jak wynika z doświadczeń eksploatacyjnych pojazdów tramwajowych duże kąty nabiegania ok. 3, występują podczas przejazdu przez łuk o promieniu R=17,5 m i wózków o bazie 1850 mm [2]. Duże kąty nabiegania α powyżej 3? występują podczas przejazdu wagonów towarowych przez łuki o małym promieniu, tzw. tory warsztatowe, co zostało wykazane w [6 8]. Analizując rys.3 oraz rys.4 można zauważyć, że jeśli punkt styku koło szyna wędruje na wycinku hiperboli, to wówczas powstaje kąt nabiegania α. Punkt wierzchołkowy (niem. Scheitelpunkt ) hiperboli można wyznaczyć ze wzoru: 2 b r = (6) a Półoś b odpowiada promieniowi koła R w punkcie styku. Półoś a może być wyliczona za pomocą kąta pochylenia obrzeża na podstawie następującego wzoru: R a = (7) tanγ Z zależności (6) oraz (7) wynika zależność dla aproksymowanego przemieszczenia promienia koła: r=r tanγ (8) W wyniku kąta nabiegania α punkt styku na kole przemieszcza się na odcinku drogi c, w wyniku czego można zapisać: c = r sinα (9) względnie: c=r tanγ sinα (10) Skośne nabieganie koła pojazdu na szynę przedstawia również rys.5. Rys.5. Skośne nabieganie koła na szynę Oznaczenia na rys.5: A, B punkty styku koła z szyną, odpowiednio na powierzchni tocznej i obrzeżu koła γ- kąt pochylenia obrzeża α- kąt nabiegania koła na szynę µ- współczynnik tarcia r- promień powierzchni tocznej r - promień obrzeża, sięgający do ostatniego punktu na boku obrzeża h- odległość w kierunku pionowym pomiędzy punktami A i B Uwzględnienie poślizgu podczas jazdy przez łuk toru Poślizg w kierunku pionowym można określić z rys.6. Rys.6. Prędkości przy przemieszczeniu punktu styku wg [2] 44

45 Legenda: R- promień punktu styku koła i szyny c- przemieszczenie punktu styku koła i szyny (punkt styku B znajduje się na obrzeżu koła) ω- prędkość obrotowa koła v- prędkość liniowa w punkcie styku v x - składowa prędkości w kierunku jazdy v y - składowa prędkości w kierunku poprzecznym do kierunku jazdy. Przemieszczeniu c punktu styku, wynikającemu z prędkości na kole towarzyszy poślizg. Poślizg w kierunku pionowym można wyznaczyć z następującej zależności: v s z Z = (11) v Z warunków geometrycznych wynika zależność: v Z c = (11) v R Z zależności (11) wynika wzór na poślizg w kierunku pionowym: S z =tanγ sinα (12) W karcie UIC [10] znajduje się zależność, określająca zależność współczynnika tarcia od poślizgu: n 1 µ = 1 µ S n 1 + K s y n (13) Poszczególne parametry wyrażają się wzorami: 1 2 µ S = ( Q 24,25Q + 571,5) (14) K = Q 24,25 Q + 219,5 (15) n = 0,05 Q + 2,2 (16) gdzie: -Q nacisk pionowy koła na szynę wyrażony w tonach. 1 n n n 1 1 µ = µ + (17) S K s y Równanie (17) można aproksymować do funkcji wykładniczej: s ( y ) d µ = µ S 1 e (18) Wyraz d wyznacza się ze wzoru empirycznego: d=-10 Q+460 (19) gdzie: Q- nacisk koła w tonach. Na rys.7 przedstawiono graficzne zależności pomiędzy współczynnikiem tarcia i poślizgiem, natomiast na rys.8 przedstawiono tzw. krzywe aproksymacyjne. Zakładając, że przebieg współczynnika tarcia w zależności od poślizgu jest niezależny od kierunku, względnie zależność współczynnika tarcia od poślizgu pionowego przebiega identycznie jak zależność współczynnika tarcia od poślizgu poprzecznego. Obowiązuje więc równanie: s y = s Z (20) Rys.7. Związek między współczynnikami tarcia koła-szyny i poślizg dla różnych nacisków pionowych zestawu kołowego 2Q na tor wg [2] Rys.8. Aproksymacja ustalonych krzywych w karcie UIC [10] poprzez funkcję wykładniczą dla różnych pionowych nacisków zestawów kołowych (2Q) na tor wg [2] Niniejszą funkcję można wyrazić za pomocą aproksymacji przez funkcję wykładniczą: () γ µ ( 1 e ) d tanγ sinα S sinα ( 1 e dtanγ ) tan() γ Y tan = (21) Q 1+ µ S Kąt nabiegania α koła pojazdu na szynę wyraża się wzorem: 2a 1 α = (22) gdzie: 2 R 2a-baza pojazdu R- promień łuku toru. Na rys.9 przedstawiono zależność współczynnika (Y/Q) wg kryterium Nadala (czerwona linia) oraz rozszerzoną wartość współczynnika Nadala o kąt nabiegania dla kąta pochylenia obrzeża 70, nacisku zestawu kołowego na tor wynoszącego 19t oraz współczynnika tarcia µ=0,36 i dla różnych promieni łuku toru. Jak widać z rys.9 przy uwzględnieniu kąta nabiegania kryterium Nadala przyjmuje większe wartości od ustalonej w przepisach 1,2. Jeśli tak, to należy uznać, że w kryterium Nadala istnieją rezerwy, zależne od kąta nabiegania koła pojazdu na szynę. Krzywa wg Nadala, uwzględniająca kąt nabiegania dla większych jego wartości jest tożsama z tradycyjnym kątem nabiegania. Na rys.10 przedstawiono zależności wskaźnika wykolejenia od kąta nabiegania i łuku toru, dla kątów 45

46 pochylenia obrzeża, wynoszących odpowiednio: γ=80 o, γ=76 o,γ=73 o,γ=70 o, γ=68 o, γ=64 o,γ=60 o i γ=50 o. Wykresy wskaźnika wykolejania (Y/Q) przedstawiono dla nacisku zestawu kołowego na tor wynoszącego 19t, współczynnika tarcia µ=0,36 i pojazdu o bazie 2a=2,5 m. Rys.9. Dopuszczalne wartości (Y/Q) wg kryterium Nadala i wg rozszerzonego równania wg Nadala w zależności od kąta nabiegania dla kąta pochylenia obrzeża 70, 2Q=19t i współczynnika tarcia µ=0,36 wg [2] Rys.10. Dopuszczalne wartości wskaźnika (Y/Q) wg rozszerzonego kryterium Nadala w zależności od kąta nabiegania dla różnych kątów pochylenia obrzeża, 2Q=19t i µ=0,36. Promienie łuku toru ustalone dla pojazdu o bazie 2a-=2,5 m wg [2] Następnie przeprowadzono obliczenia dla wagonu 218 K (Hbbins) z rozsuwanymi ścianami o bazie 10m. Wagon 218 K przedstawiono na rys.11. Wagon 218K (Hbbins) posiada następujące parametry techniczne: masa własna wagonu - max.16,5t długość ładowana mm szerokość ładowana-2580 mm wysokość ładowna-3050 mm baza wagonu mm maksymalny nacisk pionowy zestawu kołowego na tor-22,5t maksymalna prędkość wagonu załadowanego km/h maksymalna prędkość wagonu próżnego -120 km/h szerokość (prześwit) toru mm. Wyniki obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) zebrano w tabeli 2. Przed wykonaniem analizy wyników należy zwrócić uwagę, że wyprowadzona zależność na wskaźnik wykolejenia, określona wzorem (21), przyjmuje postać wzoru (2) jeżeli: µ=µ S (23) Wówczas zależność, określona wzorem (18) przyjmuje taką postać pod warunkiem, że s ( 1 e y ) d = 1 (24) A to oznacza, że funkcja e -dsinγ sinα zmierza do wartości 0. Wyniki obliczeń dla współczynnika µ s =0,36 dla wagonu 218 K przedstawiono w tabeli Radialne ustawianie się zestawu kołowego w łuku, a wskaźnik wykolejenia Analizując wyniki przedstawione w tabeli 2 można zauważyć, że wraz ze wzrostem kąta nabiegania α, którego wartość rośnie wraz ze zmniejszeniem się promienia łuku toru można wyciągnąć wniosek, że kryterium Nadala może przyjmować: większe wartości od tradycyjnie wyliczonych dla małych kątów nabiegania α, które pojawiają się na odcinkach prostych toru R>1800 m oraz łukach o dużych promieniach 600m<R?1800 m wartości równe tradycyjnie przyjmowanych dla dużych kątów nabiegania α, które pojawiają się na łukach małych 250 R<600 m oraz na łukach bardzo małych 250 R<400 m (definicje zakresów łuków zgodnie PN-EN 14363:2007[12]). Rys.11. Wagon dwuosiowy typu 218K (Hbbins) z rozsuwanymi ścianami 46

47 Zestawienie wyników obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) dla różnych kątów nabiegania α i współczynnika tarcia µ=0,488 dla wagonu dwuosiowego z rozsuwanymi ścianami 218 K (Hbbins) Tabela 2 L.p. Q [t] µ s [-] d [t] R [m] α [rad] α [ ] sinα Y [-] Q Y Q NAD 1. 4,125 0, , ,0286 4, ,59 0, ,125 0, , ,0572 9, ,26 0, ,125 0, , , ,0951 1, ,08 0, ,125 0, , ,2864 4, ,964 0, ,125 0, , , ,3580 6, ,9615 0, ,125 0, , , ,4772 8, ,9610 0, ,125 0, , ,016 0,9167 0,0159 0,96 0, ,125 0, , ,02 1,1459 0,0199 0,96 0, ,125 0, , ,025 1,4323 0,0249 0,96 0, ,125 0, , ,033 1,8907 0,0331 0,96 0,96 Zestawienie wyników obliczeń wskaźnika wykolejenia (Y/Q) dla różnych kątów nabiegania α i współczynnika tarcia µ=0,36 dla wagonu dwuosiowego z rozsuwanymi ścianami 218 K (Hbbins) Tabela 3 L.p. Q [t] µ s [-] d [t] R [m] α [rad] α [ ] sinα Y [-] Q Y Q NAD 1. 4,125 0, , ,0286 4, ,808 1, ,125 0, , ,0572 9, ,493 1, ,125 0, , , ,0951 1, ,324 1, ,125 0, , ,2864 4, ,202 1, ,125 0, , , ,3580 6, ,200 1, ,125 0, , , ,4772 8, ,200 1, ,125 0, , ,016 0,9167 0,0159 1,200 1, ,125 0, , ,02 1,1459 0,0199 1,200 1, ,125 0, , ,025 1,4323 0,0249 1,200 1, ,125 0, , ,033 1,8907 0,0331 1,200 1,200 Wyniki teoretyczne skłaniają do wyciągnięcia wniosku, że w przypadku ciasnych i średnich zakresów promieni, jednym z technicznych rozwiązań byłoby zmniejszenie kątów nabiegania poprzez zastosowanie radialnego sterowania zestawów kołowych układów biegowych lub zastosowania sprzęgów wózkowych w lokomotywach. Przykład nowoczesnego wózka z hamulcami tarczowymi oraz radialnym sterowaniem zestawów kołowych typu RC25NT (RadialControl25NewTechnology), zaprojektowany i wyprodukowany przez firmę Eisenbahnlaufwerke GmbH &Co.KG w Halle (ELH) jest przedstawiony na rys 12 i rys.13. W wyniku takiego zabiegu, kąty nabiegania maleją, zestawy kołowe wpisują się łatwiej w łuk toru. Kolejną korzyścią, jest zmniejszenie zużyć obrzeży kół, co pozwala na zwiększenie żywotności kół jezdnych, a w efekcie na poprawienie konkurencyjności transportu szynowego na rynku przewozowym towarów. Reasumując mechanizm radialnego sterowania zestawów kołowych wózka RC25NT zapewnia: bezpieczną równoległość zestawów kołowych na torach prostych oraz udoskonalone ustawianie się zestawów kołowych w łuku, niskie koszty napraw i konserwacji; przy wymianie zestawów kołowych mechanizm sterowania nie musi być demontowany, przez co zapewnione jest utrzymanie dokładności prowadzenia zestawów kołowych. 47

48 Wózek typu RC25NT jest przeznaczony do wagonów towarowych, przystosowanych do nacisku zestawów kołowych na tor, wynoszącego 25t oraz prędkości 100 km/h. Badanie pojazdów, a w szczególności wagonów towarowych w stanie próżnym, ma istotne uzasadnienie, gdyż najczęściej dochodzi do wykolejania w tym stanie. Wynika to ze wskaźnika wykolejenia, gdyż wtedy odciążenie koła Q może być decydujące dla bazowej wartości nacisku Q. Wyliczone wartości kątów nabiegania dla analizowanych przypadków są realne i pokrywają się z praktyką eksploatacyjną, Rys.13. Mechanizm sterowania radialnego wózka RC25NT wg [5] Rys.12.Wózek RC25NT, przeznaczony do ciężkich przewozów towarowych wg [5] Należy podkreślić, że każdy luz wzdłużny zwiększa możliwość wpisywania się pojazdu w łuki. W ten sposób zmniejsza się kąt nabiegania w łukach. Uzasadnia to wzór na określenie minimalnego promienia łuku toru, przez który może przejechać pojazd np. dwuosiowy wagon towarowy. W przypadku przejazdu przez łuk o promieniu R wagonu dwuosiowego o bazie 2p, luzach poprzecznych 2q, luzach wzdłużnych 2qw i luzie zestawu kołowego w torze ε minimalny promień łuku toru, w który może wjechać pojazd wynosi: R= p sin arc cosψ q w ε + 2 tgγ s 2 sin arc cos ψ q w ε + 2q + tgγ s p (25) Wyniki uzyskanych kątów nabiegania α dla wagonu z rozsuwanymi ścianami typu 218K są realne i mają swoje potwierdzenie w praktyce kolejowej. Należy wziąć pod uwagę, że wskaźnik wykolejenia, jako kryterium w tradycyjnej formie jest funkcją dwóch zmiennych tzn. kąta pochylenia obrzeża γ oraz współczynnika tarcia µ pomiędzy kołem a szyną. Dzięki dalszym badaniom udało się uwzględnić w kryterium wykolejania kąt nabiegania α. Należy podkreślić, że wskaźnik wykolejania jest zależny od współczynnika tarcia między kołem a szyną, który z kolei zależy od: 48 prędkości pojazdu, warunków atmosferycznych (temperatura otoczenia, wilgotność powietrza), wyposażenia pojazdu w urządzenia do smarowania obrzeży kół, wyposażenia w urządzenia stacjonarne przytorowe do zwilżenia powierzchni szyn na łukach toru (stosowane głownie przez koleje szwajcarskie SBB oraz koleje austriackie ŐBB), wyposażenia pojazdu w urządzenia do piaskowania, zanieczyszczenia i zużycia szyn (patrz rys.2), chropowatości powierzchni tocznej i obrzeży kół oraz szyn kolejowych itd. Zależność wskaźnika wykolejenia dla poszczególnych kątów pochylenia obrzeża γ od współczynnika tarcia przedstawiono w tabeli 4. Należy zwrócić uwagę na to, że wartość współczynnika tarcia µ=0,36 nie jest wartością maksymalną występującą w kolejnictwie. Norma PN-EN 14363:2007 [12] przedstawia wykres zależności wskaźnika wykolejania od kąta pochylenia obrzeża dla różnych współczynników tarcia. Wykres ten jest przedstawiony na rys.14. Jak widać z rys.14, współczynnik tarcia między kołem i szyną może wynosić nawet µ=0,5. Jak wynika z doświadczeń eksploatacyjnych, zdobytych poza granicami kraju współczynnik tarcia może osiągnąć nawet w sprzyjających warunkach wartość 0,6 [1,3,4]. Tak więc kryterium Nadala, jako wskaźnik wykolejania o wartości 1,2 ma charakter umowny i jego spełnienie w warunkach ekstremalnych może być niewystarczające.

49 Zależność współczynnika wykolejenia (Y/Q dla różnych kątów pochylenia obrzeży koła od współczynnika tarcia między kołem a szyną Tabela 4 l.p. Wartość kąta pochylenia obrzeża γ [?] Współczy-- nnik tarcia [-] Wartość wskaźnika wykolejenia Wpółczynnik tarcia [-] Wartość wskaźnika wykolejenia [-] Współczynnik tarcia [-] Wartość wskaźnika wykolejenia [-] ,36 0,845 0,2 1,137 0,1 1, ,36 0,875 0,2 1,178 0,1 1, ,36 0,906 0,2 1,221 0,1 1, ,36 0,939 0,2 1,265 0,1 1, ,36 0,972 0,2 1,312 0,1 1, ,36 1,007 0,2 1,360 0,1 1, ,36 1,042 0,2 1,411 0,1 1, ,36 1,079 0,2 1,465 0,1 1, , ,2 1,521 0,1 1, ,36 1,158 0,2 1,581 0,1 1, ,36 1,200 0,2 1,644 0,1 2, ,36 1,243 0,2 1,710 0,1 2, ,36 1,289 0,2 1,781 0,1 2, ,36 1,336 0,2 1,856 0,1 2, ,36 1,386 0,2 1,936 0,1 2, ,36 1,438 0,2 2,022 0,1 2, ,36 1,493 0,2 2,114 0,1 2, ,36 1,551 0,2 2,213 0,1 2, ,36 1,612 0,2 2,320 0,1 3, ,36 1,677 0,2 2,437 0,1 3, ,36 1,746 0,2 2,563 0,1 3,555 Rys.14.Przebieg funkcji wskaźnika wykolejenia (Y/Q) w zależności od współczynnika tarcia µ między kołem a szyną oraz kąta pochylenia obrzeża γ koła wg PN-EN 14363:2007 [12] 4. WNIOSKI Jak widać z przedstawionych analiz kryterium wykolejenia, zwane kryterium Nadala mające już bardzo długą historię podlega ciągłemu rozwojowi. Rozwój ten odbywa się na drodze analiz teoretycznych oraz badań empirycznych. Badanie samego kryterium i jego uściślanie ma na celu, zwiększenie bezpieczeństwa kursujących pojazdów podczas przejazdu w ekstremalnych warunkach (mała prędkość, wysoki współczynnik tarcia) przez tory wichrowate. Zwiększenie tego kryterium,w sensie wartości, daje bardzo duże korzyści i przyczynia się do zwiększenia konkurencyjności transportu szynowego. Warto zauważyć, że w okresie eksploatacji pojazdu szynowego, dopuszczalna wartość współczynnika wykolejenia zmienia się w zależności od prędkości pojazdu (współczynnika tarcia), trajektorii toru (tory proste, łuku o dużym promieniu, łuki o małym promieniu oraz łuki o bardzo małym promieniu), wartości kąta pochylenia obrzeża, stanu utrzymania zarysu zewnętrznego koła oraz szyn. Badania nad wskaźnikiem wykolejenia (Y/Q) powinny być przeprowadzone równolegle z pracami nad zabezpieczeniami technicznymi pojazdów szynowych przed wykolejeniami..polega to na ciągłych inwestycjach technicznych w zakresie wyposażeniu taboru szynowego w system zapobiegawczo-prewencyjny, jeśli chodzi o wykolejenia. W przypadku zastosowania mechanizmów, umożliwiających qausi-radialne lub radialne ustawianie się zestawów kołowych w łuku, osiąga się jeszcze jedną zaletę zawieszenia lub układu biegowego, do jakich można zaliczyć mniejsze zużycie obrzeża kół zestawu kołowego oraz powierzchni szyn. Zgodnie z tendencjami rozwoju pojazdów szynowych, rośnie zapotrzebowanie na ultralekkie konstrukcje. W związku z powyższym, bezpieczeństwo przed wykolejeniem nabiera priorytetowego znaczenia. 49