Wpływ systemu sterowania realizującego zasadę ruchomego odstępu blokowego na przepustowość linii kolejowej

Wpływ systemu sterowania realizującego zasadę ruchomego odstępu blokowego na przepustowość linii kolejowej Andrzej TORUŃ Seminarium Naukowo Techniczne Instytutu Kolejnictwa (04.06.2013) 1 1

W poprzednim odcinku...(2012) Wykorzystanie metod bezpiecznej transmisji w systemach otwartych w aplikacjach systemów sterowania ruchem kolejowym Udowodnione zostało, iż możliwe jest osiągnięcie bezpieczeństwa transmisji w STO na poziomie SIL-4 i postawiona została teza: Możliwe jest zaproponowanie nowego podejścia do lokalizacji pojazdów kolejowych wykorzystującego standardowe techniki informacyjne (transmisja bezprzewodowa w standardzie STO, lokalizacja GNSS) umożliwiającego osiągnięcie lepszego poziomu funkcjonalności w eksploatowanych systemach kierowania i sterowania ruchem kolejowym przy zachowaniu wymaganego poziomu bezpieczeństwa.

CEL PREZENTACJI Weryfikacja tezy i udowodnienie, iż wprowadzenie nowej metody lokalizacji pociągu w procesie sterowania ruchem kolejowym poprawi zdolność przepustową linii kolejowej (bez konieczności wymiany infrastruktury) oraz nie pogorszy płynności ruchu pociągów. Metoda lokalizacji w tym przypadku, rozumiane jest jako sposób określenia (wyznaczenia) położenia pociągu na szlaku wraz z algorytmem wykorzystania tej informacji w procesie sterowania ruchem pociągu. Tak więc pod pojęciem metody lokalizacji należy rozumieć ciąg działań związanych ze sterowaniem pociągiem polegający na: określaniu pozycji pociągu, przekazaniu tej informacji do centrum sterowania oraz przekazaniem maszyniście zwrotnych informacji określających tryb dalszego postępowania prowadzenia pociągu tak, aby zachowane zostały warunki bezpiecznej jazdy pociągu. 3

WSTĘP Zasada prowadzenia ruchu - SOB V Krzywa prędkości pociągu 2 160 V max 100 0 (2) (1) S odstęp blokowy (n-1) odstęp blokowy (n) odstęp blokowy (n+1)

WSTĘP Zasada prowadzenia ruchu w proponowanej metodzie lokalizacji V KP2 KP'2 CP(2) CP'(2) KZJ(2) KP1 = KP'1 Krzywa prędkości pociągu 2 (2) Rzeczywista krzywa prędkości pociągu 2 CP(1) = CP'(1) KZJ(1) Przyjęta krzywa prędkości pociągu 1 (2)' (1)' S (2) (1) D_P(2) lh(2) ZDO D_P(1) ROBBmin

WSTĘP Porównanie wariantów prowadzenia ruchu droga następstwa l r l b l b l o l t l p a) L 3 r l r l b l b l b l o l t l p b) L 4 r l hz ZDO c) L ROB n

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Założenia 1. W celu oszacowania wpływu proponowanej metody ROB na przepustowość linii kolejowej dokonano obliczenia i porównania parametru teoretycznej zdolności przepustowej N max w odniesieniu do stanu aktualnego (SOB). 2. Obliczenia wykonane zostały dla linii referencyjnej - fragment międzynarodowego korytarza E-65 linia Nr 4 CMK (Centralna Magistrala Kolejowa) na odcinku Psary Góra Włodowska. 3. Na podstawie prognoz przewozowych zdefiniowano dobowy potok ruchu: V max = 220km\h, pociągi IC z ETCS L1 opcjonalnie, (10%), V max = 160km\h, EuroCity, InterCity, (35% bez pociągów szybkich, 25% po redukcji), V max = 140km\h, Ekspresowe krajowe, (30%), V max = 120km\h, (między wojewódzkie pospieszne, towarowe niemasowe) (10%), V max = 70km\h, towarowe masowe (25%),

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Założenia 4. W celu wyznaczenia N max (dla poszczególnych wariantów wyposażenia linii SOB, SOB z ETCS L1, ROB), dokonano przejazdów teoretycznych z wykorzystaniem oprogramowania SOT dla niżej zdefiniowanych rodzajów pociągów: pociąg pasażerski V=220km/h lokomotywa E113 6MW, ciężar składu 400T, długość pociągu 205m, liczba wagonów 7, droga hamowania zasadniczego 2500m, pociąg pasażerski V=160km/h lokomotywa EP-09, ciężar składu 400T, długość pociągu 205m, liczba wagonów 7, droga hamowania zasadniczego 1600m, pociąg pasażerski V=140km/h lokomotywa EP-08, ciężar składu 400T, długość pociągu 205m, liczba wagonów 7, droga hamowania zasadniczego 1250m. pociąg towarowy V=120km/h lokomotywa EBR-189, ciężar składu 1000T, długość pociągu 600m, liczba wagonów 30, droga hamowania zasadniczego 900m. pociąg towarowy V=70km/h lokomotywa ET-22, ciężar składu 3200T, długość pociągu 600m, liczba wagonów 30, droga hamowania zasadniczego 900m.

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Wyniki przejazdów teoretycznych (SOT)

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Wyniki czasów przejazdu przez odcinek krytyczny czasy blokowania T Typ pociągu reprezentatywnego Wariant testowy I T SOB [s] II T ROB [s] III T SOB(ETCSL1) [s] V 200 xxx xxx 102 V 160 138 66 138 V 140 156 66 156 V 120 180 66 180 V 70 312 66 312

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej N max = 1 φ 1440 T N max teoretyczna maksymalna przepustowość szlaku, 1440 liczba minut w dobie T czas blokowania odcinka (okres wykresu ruchu) φ współczynnik płynności ruchu (zawiera się w przedziale 0.2 0.3)

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej N r = N max ε v1 n v1 ε v2 n v2 ε v3 n 3.. N r teoretyczna przepustowość szlaku uwzględniająca współczynniki redukcji tras wynikające z ruchu mieszanego ε v(1,2,3,...) współczynnik redukcji tras dla poszczególnych typów pociągów w odniesieniu do typu najczęściej kursującego pociągu (stosunek czasu przejazdu rozpatrywanego pociągu do czasu przejazdu pociągu referencyjnego) n v(1,2,3...) liczba poszczególnych typów pociągów

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej

[poc./doba] Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Wyniki Zdolność przepustowa linii [poc./doba] Wariant testowy SOB ROB SOB (ETCSL1) N max 500.87 1047.27 500.87 N r 397.52 1047.27 390.13 1200 1000 800 600 400 200 0 Nr Nmax SOB ROB Rozpatrywane warianty SOB(ETCS L1)

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Weryfikacja wyników obliczonych analitycznie badania symulacyjne Określenie systemu, celu budowy modelu symulacyjnego Dokumentowanie symulacji, wykorzystanie wyników Budowa modelu w narzędziach programowania Analiza i interpretacja wyników symulacji Przygotowanie danych wejściowych Realizacja eksperymenty symulacyjnego właściwego Weryfikacja modelu Eksperyment wstępny Planowanie symulacji

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Weryfikacja wyników obliczonych analitycznie badania symulacyjne Badania wykonane zostały w programie SYM_POC symulator pociągu, napisanym w języku programowania Borland Pascal (wersja 2006 w środowisku systemowym WINDOWS), w aplikacji do wspomagania wizualizacji procesów Rapid Application Design. Program SYM_POC stanowi konfigurowalne (dostosowane do indywidualnego parametryzowania) narządzie symulacyjne umożliwiające obliczenie zdolności przepustowej linii kolejowej dla różnych warunków i zasad prowadzenia ruchu. Funkcjonalnie program ten składa się z dwóch modułów (komponentów): Moduł projektowania pociągów SYM_POC_Edytor_Pociagow, Moduł symulacyjny właściwy SYM_POC.

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Algorytm przygotowania danych symulacyjnych START START Uruchomienie edytora pociągów Uruchomienie dowolnego edytora plików tekstowych Definicja pociągów (długość, masa, Vmax, typy wagonów i lokomotyw,...) Baza danych rzeczywistych wagonów Baza danych rzeczywistych lokomotyw Edycja pliku opis tras, struktura potoku ruchu definicja warunków Pliki wyjściowe konfiguracyjne opisujące pociągi Plik wyjściowy opisujący konfigurację symulacji Zakończenie procesu Zakończenie procesu

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Okno dialogowe edytor pociągów

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Algorytm procesu symulacji START Wywołanie procesu symulacji _# start_sym_poc_ Symuluj_SOB.bat Parametryzacja procesu (*.cfg) Uruchomienie interfejsu użytkownika Wprowadzenie parametrów symulacji /interejs użytkownika/ START SYMULACJI Wylosuj pociąg Sprawdź warunek dla jazdy pociągu Nie Czy spełniony warunek jazdy? Tak Wyjazd pociągu, śledzenie ruchu pociągu Aktualizuj prezentacje graficzną przebiegu symulacji Nie Czy koniec symulacji (np. t=ts)? Zapisz dane pośrednie symulacji Tak Zatrzymaj symulację Zapisz wyniki symulacji STOP

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Obraz procesu symulacji

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Obraz procesu symulacji

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Obraz procesu symulacji plik wynikowy

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Wyniki Nr kolejny symulacji Zdolność przepustowa linii N [poc./doba] N SOB N ROB 01 440 1074 02 423 1072 03 418 1076 04 427 1055 05 435 1060 06 423 1096 07 416 1084 08 421 1041 09 431 1089 10 417 1068

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na przepustowość linii kolejowej Wyniki badań symulacyjnych w programie SYM_POC Struktura obsługiwanej kolejki, kolejność według wylosowanych rodzajów pociągów Czas T potrzebny na wyprawienie pięciu kolejnych pociągów [s] [kolejka FIFO] T SOB T ROB EAP-08 EAP-08 EAP-09 EAP-09 EAP-09 563 220 EAP-08 EAP-08 EAP-08 EAP-08 ET-22 827 279 EAP-08 EAP-08 EAP-08 EBR-189 EAP-09 604 316 EAP-08 ET-22 EAP-08 EAP-08 EAP-09 632 269 EAP-08 ET-22 EAP-08 EAP-08 EBR-189 607 270 ET-22 EAP-08 EBR-189 ET-22 EAP-09 678 276 ET-22 EBR-189 EBR-189 EAP-09 ET-22 759 307 EAP-09 EAP-09 ET-22 ET-22 ET-22 911 400 EBR-189 ET-22 ET-22 EAP-08 EAP-08 775 314 EAP-09 EAP-08 ET-22 EAP-09 EAP-09 651 248

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Definicja zakłócenia Pod pojęciem zakłócenia należy rozumieć prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia polegającego na zatrzymaniu się pociągu na szlaku na skutek prawidłowej reakcji urządzeń BKJP wynikającej z faktu odebrania sygnałów alarmowych, błędnego działania człowieka (maszynisty) lub na skutek uszkodzenia urządzeń. Na skutek wystąpienia takiego zdarzenia dalsza jazda odbywa się zgodnie obowiązującymi na PKP przepisami prowadzenia ruchu pociągów Ir-1 zgodnie z 31 oznacza to, że: nie obowiązuje zasada, zgodnie z którą na jednym torze szlaku, lub odstępu może znajdować się równocześnie tylko jeden pociąg, oraz że nie ma innych przeszkód w kontynuowaniu jazdy, a bezpieczeństwo ruchu pociągów zależy wyłącznie od obserwacji toru, jak również od odpowiedniego regulowania prędkości jazdy pociągów i zatrzymania ich w porę przed przeszkodą, prowadzący pojazd kolejowy z napędem powinien tak regulować prędkość jazdy, aby w przypadku zauważenia przeszkody do kontynuowania jazdy mógł zatrzymać pociąg przed przeszkodą lub sygnałem Stój, prędkość jazdy nie może przekraczać 20 km/h.

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa λ 1 0 1 µ 1 dp 0 (t) = λ dt 1 P 0 (t) + μ 1 P 1 (t) dp 1 (t) = λ dt 1 P 0 t μ 1 P 1 (t) P 0 t + P 1 t = 1 P 0, P 1 odpowiednio prawdopodobieństwo przebywania w określonym stanie 0, 1, λ 1 intensywność zdarzeń związanych z dojechaniem pociągu do sygnalizatora celem odebrania informacji dotyczącej sposobu dalszego postępowania przez maszynistę, μ 1 odwrotność czasu potrzebnego na przekazanie informacji maszyniście, o trybie dalszego postępowania sposobu prowadzenia pociągu, tak aby zachowane były warunki bezpieczeństwa prowadzenia ruchu kolejowego.

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa λ 1 0 1 dp(t) dt = ΛP(t) P t = P 0 t P 1 t macierz stochastyczna µ 1 μ 1 Λ = λ 1 macierz intensywności λ 1 μ 1 P (t) odpowiednio prawdopodobieństwo przejścia do poszczególnych stanów, λ 1 intensywność zdarzeń związanych z dojechaniem pociągu do sygnalizatora celem odebrania informacji dotyczącej sposobu dalszego postępowania przez maszynistę, μ 1 odwrotność czasu potrzebnego na przekazanie informacji maszyniście, o trybie dalszego postępowania sposobu prowadzenia pociągu, tak aby zachowane były warunki bezpieczeństwa prowadzenia ruchu kolejowego.

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa λ 1 0 1 Stosując transformaty Laplace a wyznaczone zostały graniczne prawdopodobieństwa przebywania w poszczególnych stanach systemu przy założonym czasie działania systemu t. µ 1 P 0 = P 0 t t = μ 1 λ 1 + μ 1 P 1 = P 1 t t = λ 1 λ 1 + μ 1 P (t) odpowiednio prawdopodobieństwo przejścia do poszczególnych stanów, λ 1 intensywność zdarzeń związanych z dojechaniem pociągu do sygnalizatora celem odebrania informacji dotyczącej sposobu dalszego postępowania przez maszynistę, μ 1 odwrotność czasu potrzebnego na przekazanie informacji maszyniście, o trybie dalszego postępowania sposobu prowadzenia pociągu, tak aby zachowane były warunki bezpieczeństwa prowadzenia ruchu kolejowego.

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa model SOB λ 1 0 1 P 0 = P 0 t t = λ 12 +μ 1 μ 2 λ 12 +μ 1 λ 2 +μ 2 + λ 1 λ 12 + μ 2 µ 1 P 1 = P 1 t t = λ 1 μ 2 λ 12 +μ 1 λ 2 +μ 2 + λ 1 λ 12 + μ 2 µ 2 λ 2 gdzie: 2 λ 12 P 2 = P 2 t t = P 0, P 1, P 2 odpowiednio prawdopodobieństwo przebywania w określonym stanie 0, 1, 2 λ 1 λ 12 + λ 2 λ 12 +μ 1 λ 12 +μ 1 λ 2 +μ 2 + λ 1 λ 12 + μ 2 λ 1 intensywność zdarzeń związanych z dojechaniem pociągu do sygnalizatora celem odebrania informacji dotyczącej sposobu dalszego postępowania przez maszynistę, λ 12 intensywność zdarzenia polegającego na błędnej reakcji maszynisty, nieprawidłowa obsługa systemu SHP/CA, λ 2 intensywność zdarzeń związanych z odebraniem przez pociąg sygnału RadioStop, wdrożeniem hamowania służbowego (bez ingerencji maszynisty) do całkowitego zatrzymania pociągu, μ 1 odwrotność czasu potrzebnego na przekazanie informacji maszyniście, o trybie dalszego postępowania sposobu prowadzenia pociągu, tak aby zachowane były warunki bezpieczeństwa prowadzenia ruchu kolejowego μ 2 odwrotność czasu potrzebnego maszyniście do ponownego ruszenia po zatrzymaniu automatycznym pociągu.

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa model SOB λ 1 0 1 µ 1 µ 2 λ 2 λ 12 2 P 2SOB =1.41 10-5

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa model SOB λ 1 0 1 µ 1 µ 2 λ 2 λ 12 2 P 2SOB =1.41 10-5

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa model proponowanej metody 3 λ 3 0 λ 32 +μ 3 μ 2 P 0 = P 0 t t = λ 3 λ 32 + μ 2 + λ 2 λ 32 + μ 3 + μ 2 λ 32 + μ 3 µ 3 λ 3 λ 32 + λ 2 λ 32 + μ 3 P 2 = P 2 t t = λ 3 λ 32 + μ 2 + λ 2 λ 32 + μ 3 + μ 2 λ 32 + μ 3 µ 2 λ 2 λ 32 2 λ 3 μ 2 P 3 = P 3 t t = λ 3 λ 32 + μ 2 + λ 2 λ 32 + μ 3 + μ 2 λ 32 + μ 3 P 2ROB =4.69 10-6

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa model proponowanej metody λ 3 3 0 µ 3 µ 2 λ 2 λ 32 2 P 2ROB =4.69 10-6

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem modeli Markowa model mieszany (1-β) λ 31 ω [%] P 2 (ω) 0 1.41 10-5 10 1.29 10-5 20 1.18 10-5 ω λ 3 (1-ω) λ 1 30 1.08 10-5 3 0 1 40 9.83 10-6 50 8.87 10-6 µ 3 µ 1 60 7.95 10-6 µ 2 λ 2 70 7.07 10-6 β λ 32 λ 12 80 6.24 10-6 2 90 5.44 10-6 100 4.69 10-6

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem badań symulacyjnych w środowisku MATLAB

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem badań symulacyjnych w środowisku MATLAB P 2ROB =2.53 10-6

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem badań symulacyjnych w środowisku MATLAB

Oszacowanie wpływu proponowanej metody na zakłócenia w ruchu Weryfikacja z zastosowaniem badań symulacyjnych w środowisku MATLAB P 2SOB/ROB =5.72 10-6 P1 SOB/ROB =1.0367 10-1 P3 SOB/ROB = 8.9601 10-1.

WNIOSKI 1. Zaproponowana metoda lokalizacji pociągu pozwala na zwiększenie zdolności przepustowej linii kolejowej bez konieczności zabudowy dodatkowych urządzeń w infrastrukturze przytorowej. 2. Metoda nie wprowadza dodatkowych zakłóceń w ruchu pociągów w odniesieniu do aktualnie stosowanych na kolejach polskich systemów bezpieczeństwa.

Dziękuję za uwagę Instytut Kolejnictwa Zakład Sterowania Ruchem i Teleinformatyki ul. Józefa Chłopickiego 50 04-275 Warszawa telefon: (22) 47 31 490 fax: (22) 47 31 360 e-mail: automatyka@ikolej.pl ANDRZEJ TORUŃ telefon: (22) 47 31 490 e-mail: atorun@ikolej.pl 40