Databáze prognóz spotřeby trakční energie u Německé dráhy Thomas Meinlschmidt, Jürgen Seibt, Andreas Hauser Pro ekonomické a ekologické posouzení alternativních tratí, nových koncepcí vozidel nebo změněných provozních postupů je třeba zjistit jejich vliv na spotřebu energie u všech tím ovlivněných vlaků. To se provádí pomocí energetické databáze, jejíž koncepce, funkčnost a použití jsou zde popsány.
1. Úvod S drážní reformou z roku 1994 byly změněny společnosti Deutsche Bundesbahn a Deutsche Reichsbahn na Deutsche Bahn AG. Jako bezprostřední důsledek této změny bylo třeba sladit řízení koncernu a jeho jednotlivých podniků podle nových zásad. V této souvislosti získalo na značně větší důležitosti hodnocení alternativ vedení tratí, nových koncepcí vozidel a optimálnějších provozních postupů vzhledem k očekávaným vlivům v celé síti na trakční energii a tím též na emise škodlivých látek. Ekologická hlediska jsou pro železnici jako dopravce důležitým konkurenčním faktorem vzhledem ke konkurentovi - silnici. Proto si DB AG dala za cíl snížit primární spotřebu energie k roku 2005 o 25 % proti hodnotám roku 1990. Faktory ovlivňující spotřebu energie nebyly ovšem dosud s dostatečnou přesností kvantifikovatelné, protože jen málo hnacích vozidel je vybaveno počítadlem energie a při současné DV metodě pro zjišťování spotřeby energie je možno posuzovat pouze jednotlivé vlaky. Tím lze sice např. relativně dobře popsat možnosti úspor energie u technických opatření u vozidel, jako je lehká konstrukce, akumulace brzdné energie, zpětné napájení brzdnou energií nebo uplatnění energeticky úsporného způsobu jízdy podporované počítačem, ale pouze tehdy, pokud posuzujeme vlaky jednotlivě. Málo je ovšem známo o působení takových opatření v celé železniční síti, právě tak jako o působení opatření pro optimalizaci provozních postupů. Jsou zapotřebí kvalifikované údaje o energetické spotřebě celých skupin vozidel, např. seřazených podle stavební série (typu), území nasazení nebo příslušnosti k jedné z přepravních oblastí (DB Reise & Turistik, DB Cargo nebo DB Regio), a to v závislosti na traťových a vozidlových parametrech a parametrech odvislých od průběhu jízdy vlaku jako jsou např.: • délka, stoupání, zakřivení, • typ hnacích vozidel, druh vlaku, délka vlaku, vlečné zatížení, celková hmotnost, koeficient odporu vzduchu, • rychlost, způsob jízdy. V budoucnosti to bude možné pomocí energetické databáze, zaváděné u DB AG v oblasti představenstva Systémové sdružení Dráha, v oblasti Výroba, v odděleních Jízdní dynamika a Výpočty spotřeby. V dalším se popisuje nejdříve vývoj a funkčnost energetické databáze, přičemž se článek v krátkosti bude zabývat jízdní dynamikou, která je základem. Dále bude poukazováno na první využití a na předpokládaný vývoj energetické databáze v rámci nově koncipované simulace jízdy vlaku.
2. Vývoj energetické databáze Spotřebu energie jízdy vlaku je možno zjistit v zásadě buď měřením při provozu nebo výpočtem metodou simulace. Výhody a nedostatky obou způsobů jsou proti sobě postaveny v tabulce 1. Tabulka 1: Zjišťování spotřeby energie při jízdě vlaků měřením nebo simulací
Přednosti
Nedostatky
Měření během jízdy vlaku
Výpočet pomocí simulace
Dosažitelná vysoká přesnost pro jednotlivou konkrétní jízdu vlaku
Nižší technický, personální a časový výdaj
Všeobecně platné údaje nejsou možné
Vliv mnohých rušících veličin, které lze jen těžko podchytit
Drahé vybavení hnacích vozidel měřícími přístroji Málo vhodné pro prognózy
Vhodné pro prognózy a plánovací varianty tratí, vozidel a způsobů provozu
Jen ztěží lze provést výpočet spotřeby energie pro skutečné jízdy vlaku
Dodatečné náklady pro zachycení, ukládání dat v paměti, přenos a zpracování velkých množství dat
Pro zde požadované výroky se nabízejí simulační metody. Dodatečná bodová měření slouží k ověření použitých simulačních postupů, příp. ke stanovení vlivu rušivých veličin, které se vyskytnou v průběhu jízdy. Cílem vývoje energetické databáze bylo umožnit zkoumání a hodnocení energetické spotřeby vlaků v jízdním řádu. Tím měly být získány odpovědi např. na tyto otázky: • jak vysoká je spotřeba energie jednotlivých přepravních oblastí? • jak vysoká je spotřeba energie jednotlivých produktů, druhu vlaků nebo stavební série (typu) hnacího vozidla? • jak vysoká je spotřeba energie v určitém časovém nebo prostorovém výřezu?
• jak velké úspory energie lze dosáhnout výměnou jedné verze hnacího vozidla za jinou, např. lokomotivou taženou soupravu za motorový vlak? • jak velké úspory energie lze očekávat od konstrukčních nebo jiných technických změn na vozidlech, např. lepšími aerodynamickými vlastnostmi, menší hmotností, novým systémem pohonu a dalšími. Na otázky tohoto druhu je možno odpovědět, pokud se podaří pro každý v jízdním řádu zařazený vlak provést jízdně-dynamickou simulaci a vedle dalších výsledků uložit do paměti databáze o spotřebě energie. Do hodnocení denního dopravního klíče jednoho vlaku mohou být zahrnuty též údaje týkající se dnů nasazení v ročním jízdním řádu. Podle časového hodnocení by bylo možné i prostorové hodnocení dat vlaku, pokud se do paměti databáze podrobně uloží jízdy vlaku společně se služebnami (provozovnami) a tratěmi. V DV metodě AG 280 má DB AG k dispozici výkonný a osvědčený simulační nástroj pro výpočet jízdních dob pro jednotlivé vlaky včetně propočtu spotřeby energie. Základem pro simulaci je tzv. „hladká“ (tj. dobře organizovaná), nerušená jízda. Tím se rozumí způsob jízdy, při kterém se maximálně využije jak výkonu pohonu hnacího vozidla, tak i přípustné traťové rychlosti a nenastanou žádná dodatečná, z provozního hlediska podmíněná zastavení nebo redukce rychlosti. Naproti tomu může skutečně prováděná jízda zahrnovat i úseky, ve kterých se jede pomaleji než je technicky a provozně možné, tedy způsobem jízdy šetřícím energii za využití rezerv v jízdní době. Tzv. hladká jízda, předpokládaná v simulaci, vykazuje vyšší spotřebu energie proti jízdě prováděné strojvedoucím hnacího vozidla se znalostí tratě. Ve skutečnosti ale dochází z provozních důvodů i k rušeným jízdám, když vlak musí snížit rychlost, nebo dokonce zastavit. V těchto případech leží vypočítaná spotřeba energie níže než skutečná. Na základě známých datových struktur dat tratí, hnacích vozidel a vlaků použitých pro simulaci a prokázané kvality výsledků byl využit simulační základ (jádro) DV metody AG 280 pro výstavbu energetické databáze. Tím jsou prakticky využitelné i stávající rozsáhlé datové soubory pro tratě a vozidla. Z technických důvodů se tento simulační základ pro energetickou databázi převede z výrobního prostředí (velký počítač IBM) do prostředí klient/server okolí (Windows NT). Přitom databáze je umístěna na serveru, zatímco na zákaznických počítačích je instalováno prostředí simulace. Základní výstavba energetické databáze a její vazba se simulačním nástrojem a dalším databázemi je ukázána na obr. 1.
Obr. 1 Základní výstavba energetické databáze a vazba se simulačním nástrojem a dalšími databázemi
Jízdní dynamika Traťová databáze
Data z jízdního řádu
Energetická databáze Simulační modul
Databáze vozidel (Tfz, vozy, druhy vlaků)
Jednotlivá data vlaku
Vzorový průběh cesty
Nástroj dotazování (zkoumání)
Vzorová sestava vlaku
Simulační jednotky
(Tfz: hnací vozidlo, lokomotiva, motorový vůz nebo čelní hnací jednotka)
V současné době se v DB AG pracuje na nové, moderní simulační metodě pro jízdu vlaku. Zde se má provést i propočet energii šetřících způsobů jízdy, např. předčasným odpojením trakčního výkonu nebo snížením nejvyšší rychlosti s energetickým využitím časové jízdní rezervy, která je event. k dispozici. Další výhodou nové simulační metody se stane možnost zohlednit nové technologie pohonu, např. akumulace brzdné energie v setrvačníkovém akumulátoru energie na vozidle. Na obr. 1 znázorněná stavebnicová vazba simulační metody pro jízdu vlaku s energetickou databází ukazuje přednosti nové metody v plném rozsahu. Výstavba energetické databáze má za základ tato východiska: v celém ročním jízdním řádu DB AG je zapsáno asi 54 000 různých vlakových jízd. Jejich úplná simulace by stála mnoho peněz. Jízdou v taktu ale jezdí mnoho vlaků shodné sestavy a ve shodném průběhu cesty. Dále jsou rozdíly vlakových sestav z části tak nepatrné, že nemají na výsledek simulace žádný vliv. Analýzou sestav vlaků a průběhu cesty všech v jízdním řádu obsažných vlaků lze sestavit vzorové sestavy a vzorové průběhy cesty. Tím je umožněno snížit náklady na simulaci přibližně o 75 %. Z obr. 1 je patrný proces zaplňování energetické databáze. Přes rozhraní ústřední DV metody „Společné obsazování dat jízdního řádu“ se údaje z jízdního řádu zavedou do databáze. Pouze vzájemně nesourodé průběhy cesty a vlakové sestavy se uloží do paměti odděleně. Pro provedení simulace podle v současné době prováděné simulační metody jízdy vlaku musí se údaje o průběhu cesty v jízdním řádu převést do formátu simulační metody.
V údajích jízdního řádu je průběh cesty udán jako řazení provozoven (dopraven). U každé provozovny je vedle zkratky, provedené podle Směrnice DB „100 zkratek míst“, uveden čas příjezdu a odjezdu vlaku. Proces simulování jízdy vlaku ovšem vyžaduje zobrazení průběhu cesty jako řazení tratí, vždy s počáteční a konečnou provozovnou na každé zúčastněné trati. Nutná konverze dat pro tento účel je zautomatizována. Ze vzorových průběhů cesty a vzorových sestav vlaků se pořídí simulační jednotky, které jsou nutné pro zjištění spotřeb energií všech vlaků, obsažených v jízdním řádu. Ty jsou potom postupně zpracovávány simulačním modulem. Výsledky těchto vzorových vlaků se nakonec přiřadí ke stávajícím konkrétním vlakům s jízdního řádu, Pro uložení dat se používá systém databanky Oracle pod serverem Windows NT 4.0. Vedle administrativního nástroje, který se využívá pro zavádění jízdních řádů a pro vkládání nových nebo změněných sestav vlaků, byl vyvinut zvláštní „dotazovací nástroj“. Ten ovšem neumožňuje modifikaci nebo doplnění databáze, přesto dovoluje přistoupit ke všem údajům energetické databáze, tedy jak ke standardním jízdním řádům, tak k provedeným mimořádným zkoumáním a ty podle požadovaných kritérií vyhodnotit a znázornit. 3. Jízdně - dynamické základy Metoda simulace jako nástroj ke zjišťování doby jízdy, rychlosti, mezní zátěže, spotřeby energie a mnoha dalších veličin je u Německé dráhy již delší dobu využívána a dále rozvíjena. Přitom postupují do realizace jak nové vědomosti o technice vozidel a pohonů, nové způsoby a metody techniky simulace, tak i konkrétní požadavky zákazníků na obsah a formu výsledků. Pojem „simulace jízdy vlaku“ přitom zahrnuje všechny způsoby, metody a nástroje pro simulaci železničního provozu, které jsou k dispozici v odděleních „Jízdní dynamika“ a „Výpočty spotřeb“ a užívají se. Uvnitř těchto souborů představuje energetická databáze návod, které odpovědi, při užití stávajících simulačních metod, mohou být podány na dotazy, důležité z hlediska spotřeby energie. Základy jízdně dynamických zkoumání tvoří zvažování sil, působících na vlakový soubor: • tažná a brzdící síla, • odporové síly při jízdě, skládající se v podstatě z valivého odporu a odporu vzduchu, • odporové síly trati, skládající se z odporu sklonu a odporu v obloucích, • posuvné a rotační setrvačné síly hmoty. V ustáleném stavu má suma těchto sil hodnotu 0. Jako přebytek tažné síly nebo jako brzdící síla se mění pohybové chování vlaků, přičemž jej zrychluje nebo brzdí. Velikost těchto sil závisí na vlastnostech vozidla a trati a na okamžitém stavu pohybu vlaku. Pro numerickou simulaci se tato trvající dynamická hra rozloží do jednotlivých kroků a spočítá se součet sil pro každý krok (obr. 2). Podle druhu simulačních kroků rozlišují se ∆t, ∆s a ∆v metody kroků, které lze rovněž kombinovat. Simulační program, užitý pro energetickou databázi, pracuje podle kombinace metody kroků ∆t, ∆v:
• ve fázi rozvoje tažné síly, tedy od počátku zapojení tažné síly až do překonání jízdního odporu se počítá metodou kroku ∆t, • potom, co je vlak uveden do pohybu, pokračuje další simulace podle metody kroku ∆v. Trakční spotřeba energie se rovněž zjišťuje v krocích ∆v, přičemž se částečně přihlíží k experimentálně zjištěným tabulkám výkonu a spotřeby hnacího vozidla. Celková potřebná trakční energie se získá součtem jednotlivých sum energií přes všechny kroky ∆v. Obr. 2. Jednotlivé kroky simulace jízdy vlaku Jednotlivé kroky simulace jízdy vlaku Stav vlaku na Součet působících sil začátku simulačního kroku (v,s,t ...)
Výsledné Účinná zrychlení zrychlující nebo brzdící síla
Výsledná změna rychlosti
Stav vlaku na konci simulačního kroku (v,s,t,..)
4. Funkčnosti energetické databáze Jako výsledek simulačního procesu jsou k dispozici pro každou jízdu vlaku především tyto veličiny: • čistý jízdní čas, • práce hnacího vozidla na obvodu hnacího kola, • brzdící práce na obvodu kola, • odběr trakční energie na pantografu nebo množství motorové nafty, • teoreticky zpětně získatelná brzdící energie na pantografu. Tyto údaje se mohou nejdříve připravit pro každý vlak pro celý průběh cesty. Energetická databáze umožňuje ovšem i řadu zkoumání a hodnocení skupin vlaků. Tak např. můžeme znázornit energetickou spotřebu všech vlaků pro: • určité kalendářní okno, např. všechny vlaky v měsíci květnu, • určité hodinové okno, např. mezi 18. a 19. hod., • celou přepravní oblast, např. DB Cargo, • určitý typ hnacího vozidla, např. pro lokomotivy BR 110, • určitý druh vlaku, např. všechny Intercity. Samozřejmě jsou možné i kombinace takových kritérií. Pro průzkum plánovacích variant se mohou provést srovnávací hodnocení. Pro to se data zvolených vlaků modelují se změněnými vlakovými sestavami. Tím je možno bezprostředně odečíst vliv plánovaného opatření na spotřebu energie. Konečně je také možné sčítat energetické hodnoty ve čtvrthodinovém taktu a s tím i zobrazit špičky zatížení, vztažené k času a trati.
5. Užití energetické databáze Energetická databáze se již uplatňuje jako prognostický nástroj. V konkrétním případě užití by moha být např. zodpovězena otázka, k jakým energetickým úsporám by došlo snížením odporu vzduchu o 10 % u všech vlaků ICE 1. Snížení odporu vzduchu v této množině by bylo možné např. při zakapotování podvozků. Je ovšem třeba vyjasnit, zda by se tak velké náklady pro tuto konstrukční změnu vyplatily. Pro srovnávací simulace se musely vyrobit nové verze hnacích vozidel, které požadovaný snížený odpor vzduchu mají již jako svoji vlastnost. Sestavy ICE 1 posuzovaného jízdního řádu se sejmuly a opatřily se optimalizovanou verzí hnacího vozidla. Nakonec se data vlaků ICE reprodukovala a opatřila identifikačním číslem. Z toho vzniklé nové simulační jednotky se propočítaly a výsledky byly přičleněny k příslušným vlaků ICE 1. Následně se provedlo oddělené zjištění energetické spotřeby pro stávající ICE 1 a pro jeho aerodynamicky optimálnější variantu. Vyhodnocení propočtů prokázalo, že dodatečná dostavba aerodynamického zakrytí podvozků ICE 1 na dnešních tratích, na nichž je vlak nasazován, by nebyla hospodárná. Pro vlaky, které z větší části jezdí v oblasti vyšších rychlostí a pro nově stavěná vozidla, u nichž by bylo možno zakrytí podvozků zohlednit již při konstrukci, by bylo třeba otázku hospodárnosti určitě znovu přezkoušet. 6. Souhrn a výhled V energetické databázi má DB AG nástroj, který umožní téměř libovolné zkoumání a hodnocení energetické spotřeby vlaků v předepsaném jízdním řádu. Vycházeje z toho je možné prokázat energetické důsledky konstrukčních a dalších technických změn na jednotlivých typech vozidel, na rozdílných trasách tratí (při plánování nově budovaných tratí) nebo při změnách provozu. V současné době používané simulační metody pro jízdu vlaků se v budoucnu nahradí moderním systémem, založeným na prostředí klient/server. Přitom se zohlední i rozhraní k energetické databázi, čímž se podstatně zjednoduší jejich aktualizace při změně jízdního řádu. V dalším se má začlenit do nového systému rovněž modul, s nímž bude možno zohlednit různé, energie šetřící způsoby jízdy. Přitom zvolí, vycházeje z plánovitě využitelné jízdní doby a při zohlednění parametrů tratě a vozidel, program vhodného způsobu úspor energie. Může být např. stanoven co nejpřesnější okamžik odpojení tažné síly tak, aby vlak dojel do cíle ještě přesně. Odpovídající algoritmy se v současné době vyvíjejí a testují.
Pramen: Elektrische Bahnen 99 (2001) 3 Překlad: Jiří Mencl Korektura: ODIS
