Dobrosi, A. – Molnár, G. – Parádi, F. Forgalmi, technológiai tervek vizsgálata szimuláció segítségével, különös tekintettel az infrastruktúra kapacitásra
A magyar vasút az elmúlt évtizedben mind az árúszállításban, mind pedig a személyszállításban jelentős térvesztést volt kénytelen elkönyvelni. Ennek oka részben a rendszerváltást követő szállítási igények átstrukturálódásában, a közúti szállítás jelentős térnyerésében, de nem utólsó sorban az elmúlt ötven év hibás vasútpolitikája következtében előálló műszaki leromlásban keresendő. Ugyanakkor az európai közlekedéspolitikai célok között első helyen szerepel a vasúti közlekedés részarányának növelése, amihez az EU országaiban jelentős pénzeszközöket is szánnak. Az Európai Unióhoz való csatlakozásunk közeledtével Magyarországon is elkerülhetetlenné válik a vasút megfelelő műszaki színvonalának helyreállítása, fejlesztése. Az ehhez szükséges beruházási pénzeszközök, (EU és költségvetési támogatásból) részben már rendelkezésre állnak, és remélhetőleg a jövőben is rendelkezésre fognak állni. Fontos feladat azonban annak eldöntése, hogy a rendelkezésre álló pénzforrásokból milyen mértékű infrastruktúra kapacitást állítunk helyre, úgy hogy az a mai, de méginkább a prognosztizált forgalmi igényeket kielégítse, ugyanakkor azonban felesleges kapacitásokat ne hozzunk létre. Eldöntendő kérdés az is, hogy a megfelelő kapacitást extenzív módon (pl. a rendelkezésre álló vágányok számának növelésével), avagy korszerű, európai színvonalú irányítórendszerek (biztosítóberendezés, vonatbefolyásolás, vonatszámjelentés, vonatszám szerinti vágányútállítás, központosított forgalomirányító rendszerek, CIR-ELKE stb.) bevezetésével érjük-e el. Minezen kérdéseknek már a tervezési fázisban történő megválaszolásához kitűnő segédeszköze lehet egy megfelelő módon előkészített és megvalósított szimulációs rendszer, amellyel a folyamatok már a tervezési fázisban modellezhetők, vizsgálhatók, és az eredmények alapján az optimális döntések meghozhatók. Vonalszakaszok kapacitásának, teljesítőképességének vizsgálatához Európában számtalan szimulációs eszközt fejlesztettek már ki, és alkalmaznak is. Ezek közös jellemzője, hogy leképezik ugyan a vizsgált hálózatrész, vonalszakasz topológiáját, a vonatok térbeli és időbeli elkülönitéséből adódó korlátokat, nem számolnak azonban a biztosítóberendezés, és az irányító renszer adta korlátozásokkal, illetve kapacitásnövelő tényezőkkel, továbbá nem kalkulálnak az irányító személyzet tevékenységével sem, azaz makroszintű szimulációt valósítanak meg.
A vizsgálatok minél valósághűbb elvégzése, az eredmények pontosítása érdekében szükség van mikroszintű szimulációs vizsgálatokra is, amelyekbe be van építve mind a műszaki berendezések teljeskörű funkcionalitása, mind pedig az ember (irányító személyzet) tevékenysége is. Jelen cikk egy ilyen, néhány európai vasút számára kidolgozott mikroszintű szimulációs rendszer funkcionalitásáról, felépítéséről számol be. 1. A szimuláció főbb összetevői A szimulációs rendszer a következő főbb összetevőkkel rendelkezik: • • • • • • • •
a szimulálni kívánt hálózatrész topologiájának leírását támogató topográfia editor a biztosítóberendezés funkcionális szimulációja vonat- és tolatómenetek a forgalomlebonyolítást akadályozó zavarok szimulációja a vonatszámjelentés megvalósítása a vonatszám szerinti vágányútállítás az aktuális menetrend leképezése a szimuláció eredményeinek értékelését támogató eszközök (tool-ok).
2. A szimulációs rendszer funkciói A szimulációs rendszer a vizsgálatok elvégzéséhez létrehozza a szimulálandó hálózatrész topográfiájának modelljét (vágányhálózat, váltók, jelzők, sorompók, térközök, lassú jelek, emelkedési és ívviszonyok, stb.). Leképezi magát a biztosítóberendezési funkciókat, valamint a biztosítóberendezés által vezérelt kültéri objektumok működését. A biztosítóberendezési funkciók részben fixek, amelyek a szimulátorban vannak beprogramozva, részben alternatív funkciók, amelyek működését a tervezési fázisban meghatározásra kerülő tervezési esetek befolyásolják. Ezen tervezési esetek beállítása szintén a modell létrehozása során történik. Az emberi tényezőket is figyelembe vevő szimuláció megvalósítása érdekében a szimulációs rendszer rendelkezik a biztosítóberendezés működtetéséhez egy kezelő és visszajelentő felülettel, amelyen keresztül kiadhatók a szimulált biztosítóberendezés számára a parancsok (váltóállítás, jelzőállítás, vágányútállítás, stb.), illetve ahonnan leolvashatók a biztosítóberendezés által generált állapotinformációk. Az ily módon modellezett topológián lehetőség van vonatok és tolatómenetek létrehozására és a biztósítóberendezés pillanatnyi állapota szerinti közlekedtetésére. A vonatok, illetve a tolatómenetek közlekedhetnek akár menetrend szerint, akár a kezelő által manuális módon vezérelve.
Mind a biztosítóberendezés működése (annak időfüggő funkciói), mind pedig a vonatok és tolatómenetek közlekedése valós időben történik. A vonatok és tolatómenetek gyorsítása lassítása a menetdinamikai szabályok szerint valósul meg. A normál, zavarmentes forgalomlebonyolítás mellett lehetőség van különböző zavarok (műszaki és forgalmi) aktivizálására is, amivel vizsgálhatók a zavarok kihatásai. 2.1 Topográfia-editor A szimulációs rendszer rendelkezik egy magasszintű, menüvezérelt topográfiaszerkesztővel (editorral). A topográfia editor segítségével építhető fel a szimulátor számára a vágányhálózat, helyezhetők el a vágányhálózaton az objektumok (váltók, jelzők stb.), rendelhetők össze az egyes objektumok és a vágányhálózat, továbbá határozhatók meg a tervezési esetek Az első fázisában a topográfia grafikus felülete szerkesztendő (rajzolandó meg a monitorfelületen). A grafikus felület bevitelét előre elkészített grafikus menük támogatják. A kiválasztott grafikus elemet (pl. egy váltó) a menüből drag-and-drop technikával helyezhetjük el a szerkesztési felületen, majd méretében változtathatjuk (pl. váltó szárcsíkhosszabbítások). A szomszédos grafikus elemek találkozásuk helyén automatikusan összezáródnak. (1. ábra)
1. ábra Topográfia szerkesztő A grafikus felület elkészültét követően lehetséges az objektumok (szakaszok, váltók, jelzők stb.) definiálása. Ehhez ki kell választani egy grafikus elemet, és az
összerendelő funkciót hívni. Az objektum típusától függően lenyíló ablakban adhatók meg az objektum jellemzői (l. 2. ábra), úgymint • • • •
főtípusa, altípusai térbeli elhelyezkedése (szelvényadatai) működési jellemzői az objektum lehetséges tervezési esetei, stb.
2. ábra Egy jelző objektum paraméterbeállító ablaka A szerkesztő program bezárás előtt elvégzi a bevitt adatok hihetőségi vizsgálatát, negatív eredmény esetén az ablakot nem engedi bezárni, és a hiba jellegére jellemző üzenetet küld. Pozitív eredmény esetén az ablakot bezárja és az objektumot a topológia modell számára létrehozza. Az objektumok adatai az objektumablak újbóli kinyitásával utólag módosíthatók, újra definiálhatók. A már elkészített grafikus felület részben vagy egészben másolható, illetve eltolható (áthelyezhető) anélkül, hogy az összerendelési adatok megváltoznának. A grafikus szerkesztés és a paraméterek beállítását követően mégegyszer végrehajtható egy hihetőségi vizsgálat, ami az előbbi vizsgálaton túlmenően már az egyes objektumok kapcsolatának hihetőségét is vizsgálja. Az újabb hihetőségi vizsgálat pozitív eredményét követően szerkeszthetők a hálózat lehetséges és kívánt vágányútjai. Első lépésben a szerkesztő program a topológiai modell alapján megkeresi és egy adatállományban eltárolja a hálózat definiált vágányúti start és célpontjai között lehetséges vágányutakat (vonat- és
tolatóvágányutak, alap- és kerülővágányutak, elemi és összetett [több elemi vágányútból álló, de egyetlen start-cél kezeléssel beállítandó] vágányutak). (A kereső algoritmus teljesítőképességének bemutatásaként megemlítjük, hogy az összetett vágányutakat befolyásoló jelző attributumok [vonat- /tolatóvágányútban átnyomható igen/nem] hibás tervezési adatai következtében egy adott hálózaton több mint egymilló lehetséges vágányutat találtunk. Ilyen mennyiségü vágányúti lehetőség tervezése természetesen értelmetlen. A tervezési hiba feltárását követően a tervező módosította szóbanforgó attributumot, aminak eredményeként a vágányutak száma értelmezhető mennyiségűre csökkent. A fenti eset példázza a bemutatott szimulációs rendszer tervezési segédeszközként való alkalmazhatóságát is.) A vágányút keresést követően lehetőség van a talált vágányutak további szerkesztésére. Ezen belül lehetséges a talált vágányút megtartása (aktív), elvetése (inaktív), illetve jellemzőinek szerkesztése (prioritás, mmegcsúszási jellemzők, vágányúti sebesség, sebességlépcsőzés, stb.) (l. 3. ábra).
3. ábra Vágányútparaméterek beállító ablaka 3.2 A biztosítóberendezés funkcióinak szimulációja A biztosítóberendezés funkcióinak (beleértve a kezelő és visszajelentő felületet is) szimulációja teljeskörű, azaz a szimulált berendezés mind logikailag mind pedig időben ugyanúgy viselkedik mint az igazi berendezés (ide nem értve természetesen a biztonsági viselkedést, illetve az azzal összefüggő funkciókat, amelyek a feladat megoldásához értelemszerűen nem szükségesek). A szimuláció megvalósítja a biztosítóberendezés összes vezérlő (pl. váltóállítás, vágányútállítás, részvágányúti
oldás, oldalvédelem), kizáró (pl. vágányúti kizárások), és megengedő (pl. párhuzamos vágányutak, kettős terelésű oldalvédelmi váltó esetén)funkcióját. A váltófutási idők, illetve a váltóállító lánc időzítése körzetenként paraméterezhető. Az időfüggő funkciók (pl. váltó átállása) valós időben hajtódnak végre. Ezen túlmenően lehetőség van kétszeres, ötszörös és korlátozott mértékben tízszeres időgyorsításra is. A kezelő és visszajelentő felület elektronikus. A visszajelentés maximum nyolc monitoron, párhuzamosan két (opcionálisan három, négy) munkahelyen történhet. A visszajelentő felület lehet egyszintű, de lehetőség van kétszintű (lupekép, áttekintő kép) ábrázolásra is. A kezelés egér segítségével, az egyes objektumokhoz rendelt, legördülő menükön keresztül történik mind a lupe, mind pedig korlátozottan az áttekintő képen keresztük. A különleges kezelések (pl. veszélyes számlált kezelések) a kívánt szabályok betartásával hajthatók végre (megerősítés, maximum/minimum időablak, stb.) (l. 4. ábra).
4. ábra A szimulátor kezelő és visszajelentő felülete 3.3 Vonatok, tolatómenetek mozgásszimulációja A szimuláciús rendszerben létrehozhatók vonatok, illetve tolató menetek, amelyek a biztosítóberendezés állapotának (váltók állása, jelzők jelzési képe), valamint a vonatra és a pályára előírt sebességnek megfelelően valós időben (vagy időgyorsítás mellett) közlekedtethetők. A vonatok, tolatómenetek a jelzők állásának megfelelően automatikusan indulnak, gyorsítanak, kifuttatnak, fékeznek és megállnak, de lehetőség van manuális, kezelői parancsra történő manőverekre is.
A vonatok gyorsítása a mentdinamika (vontató jármű vonóerő-sebesség diagramja, vonattömeg, menet/pályaellenállás) figyelembe vételével történik. A fékezésnél vonattípusonként kétféle féklassulás figyelembe vételére van lehetőség (üzemi és vészfék). A szimulációs rendszer háromféle vonatfajtát különböztet meg: • vonat (normál) • ingavonat • tolatómenet A normál és az inga vonatfajtán belül többféle vonattipus megkülönböztetétésre van lehetőség (Pl.: EC, IC, gyors teher, ROLA, stb). A egyes vonattípusok számára azon túlmenően, hogy különböző üzemi, illetve default paraméterekkel (max. sebesség, féklassulás, tömeg, stb.) rendelkeznek, különleges üzemi viselkedést is lehet definiálni (pl. ROLA vonat kitérőbeli max. sebessége). Vonattipustól függően vezérelhető pl. az állomások egyes vágányain való megállás vagy áthaladás (ha a menetrend másként nem írja elő). A vonatokhoz menetrend rendelhető. Ez esetben a vonatok generálását, indulását állomási áthaladását/megállását, illetve megszűnését a menetrend vezérli. Menetrend nélküli vonatok esetén vonattípustól függő default viselkedés a mérvadó. 3.4 Menetrendi üzem A szimulációs rendszer rendelkezik egy menetrendi modullal is. E modulhoz tartozik egyrészről egy menetrendi editor, másrészről egy végrehajtó modul. A menetrendi editor segítségével a szimulációs rendszer menetrendi adatbázisa tölthető fel a szükséges adatokkal. A menetrendi editor segítségével a következő menetrendi adatok vihetők be a rendszerbe, illetve (akár on-line, a szimuláció során is) módosíthatók (l. 5. ábra): • • • • • • • • • • •
vonatfajta vonattípus vontatójármű típusa maximális sebesség tömeg járművek száma vonathossz érkezési idő indulási idő minimális állomási tartózkodási idő késés (menetrendi zavarok generálásához)
A mentrendi editor a manuális beíráson túlmenően lehetőséget nyújt mentrendi adatok másolására, többszörözésére, eltolására, szűrésére és sorrendezésére is. Az egyes mezők kitöltését a rendszer által felajánlott, választható adatok felkínálása könnyíti meg.
5. ábra Menenetrendi adatok 3.5 Zavarszimuláció A forgalmi, technológiai vizsgálatokhoz hozzá kell, hogy tartozzon a műszaki és forgalmi zavarok, vágányzárak hatásának vizsgálata. E tekintetben a szimulációs rendszer a következő lehetőségeket ajánlja fel: Műszaki zavarok Minden egyes objektumhoz hozzárendelhető műszaki zavaroknak egy egész sora, amelyek a biztosítóberendezés normálistól eltérő működését eredményezik, és ezáltal akadályozzák a menetrend, illetve a technológiai terv szerinti forgalomlebonyolítást. Ezen műszaki zavarok beállításával vizsgálhatók a zavarok hatásai, illetve stratégiák dolgozhatók ki a zavarok hatásának minimalizálására (példaként l. 6.ábra).
6. ábra Váltózavarok létrehozása Forgalmi zavarok Forgalmi zavarokat a szimulációs rendszer kiegészítő késések beépítésével hozza létre. A késés megadása történhet konkrét értékkel, vagy véletlenszerűen képzett értékkel. E célra kétféle lehetőség áll rendelkezésre: • késés definiálása egy adott vonat számára egy adott állomáson; ez esetben a vonat számára az adott állomáson előírt minimális tartózkodási idő hosszabodik meg a menetrendi adatállományban megadott értékkel (l. 5. ábra). • késés definiálása egy adott állomás adott vágányára; ez esetben az adott vágányon közlekedő összes vonat előírt minimális tartózkodási ideje hosszabodik meg a a megadott értékkel (l. 7. ábra).
7. ábra Késés definiálása egy adott vágányon
Vágányzárak Lehetőség van vágányzárak definiálására is. Amellett, hogy egy megvalósított biztosítóberendezési funkció figyelmeztet a vágányzár irányába való vágányút beállítási tilalmára, a vonatgenerálások átirányításával lehetőség van a vágányzári korlátozások figyelembe vételére. Vágányzárak definiálása mellett vizsgálható azok hatása, illetve a forgalomátszervezési variánsok értékelhetők. Vontatójármű zavarok Vontatójármű zavarok a következők lehetnek: • teljesítmény csökkenés • fekve maradás • fékhatás csökkenés (megcsúszás megállj állású jelzőnél) 3.6 Vonatszámkövetés A szimulációs rendszer megvalósítja a vonatszám követést, azaz a kezelői felületen megjelennek a vonatszámok a megfelelő vágányszakaszokhoz rendelt vonatszám optikákban. E funkció beépítésével vizsgálható, hogy milyen hatást gyakorol a forgalomlebonyolítás szervezettségére, ha a kezelő személyzet pontos információkkal rendelkezik a vonatok pillanatnyi helyzetéről. 3.7 Vonatszám általi vágányútvezérlés A korszerű forgalomirányítás egyik eszköze az automatikus vágányútállítás vonat szám által vezérelve. Ez az automatizmus amellett, hogy különösen döntően átmenő forgalmú állomásokon tehermentesíti a kezelő személyzetet, garantálja azt is, hogy a forgalomlebonyolításhoz szükséges vágányutakat az automatika kellő időben (nem előbb és nem később) kisérli meg beállítani, igazodva az optimális forgalomlebonyolításhoz. A szimulátorbeli megvalósításással vizsgálható a e funkció kapacitásra, illetve a menetrendszerűségre gyakorolt hatása. 4. Kiértékelő eszközök Egy szimulációs folyamat értékelése akkor lehet teljes, ha a szimuláció folyamán szerzett tapasztalatokon, megállapításokon túlmenően, a szimuláció végén olyan összesített adatok is rendelkezésre állnak, amelyek analizálásával a vizsgált folyamat megitélhető, illetve a variánsok összehasonlíthatók. E célból a szimulációs rendszer a következő adatokat szolgáltatja: • út-idő diagram • objektum állapot-idő diagram • késési időadatok
• infrastruktúra kihasználtsági adatok Az út-idő diagram az egyes vonatok haladását ábrázolja az idő függvényében (l. 8. ábra). Egyúttal az út-idő diagramban ábrázolódnak az egyes vonatok által érintett jelzők időbeli állapotai is. Ezen eszköz segítségével megállapíthatók a forgalmi ütközések, az esetleges túl korai, vagy túl késői vágányútállítások. Az út-idő diagram azon túlmenően, hogy már a szimuláció folyamán online kijeleződik, utólag is visszaolvasható és analizálható egy már lefuttatott szimulációról (offline).
8. ábra Út-idő diagram Az objektum állapot-idő diagram az egyes, a szimulációban résztvevő objektumok állapotát (váltóállás, lezárás, szakaszfoglaltság, jelző jelzési képe stb.) ábrázolja az idő függvényében (l. 9.ábra). Analizálásával megállapítható, hogy az egyes vonatok közlekedéséhez szükséges vágányutak beállításának mik voltak az akadályai, illetve, hogy mely időszakokban állnak rendelkezésre (nincsenek igénybe véve) az objektumok. Az objektum állapot-idő diagram szintén kijelezhető a szimuláció folyamán (online), de utólag is visszaolvasható egy már lefuttatott szimulációról (offline). Tekintettel a nagyszámú objektumra, lehetőség van különböző szűrők szerinti ábrázolásra is (váltók, jelzők, vágányutak, kiválasztott objektumok stb.).
9. ábra Objektum-idő diagram A szimuláció során az egyes vonatok kiegészítő késési időadatai egy adatállományban regisztrálódnak. A szimuláció végeztével ezen adatok alapján különböző összesítések képezhetők, amelyek alapján megitélhető a vizsgált folyamat. A szimuláció során objektumonként, a teljes vizsgált időszakra vonatkoztatva, illetve részidőszakonként (pl. óránként) kihasználtsági adatok (foglaltság, vágányúti igénybevétel, váltóállásállás, jelzési kép stb.) képződnek és tárolódnak egy adatállományban. Ezen adatok utólagos analízise alapján megitélhető, hogy a vizsgált hálózatban hol vannak a szűk kapacitások, illetve, hogy mely kapacitások feleslegesek, vagy indifferensek a forgalomlebonyolítás szempontjából. 5. Összefoglalás A röviden bemutatott szimulációs rendszer hatékony eszköze a forgalomirányítás tervezésének, a különböző forgalmi, technológiai tervvariánsok összehasonlításának, valamint a meglévő, illetve a szükséges kapacitások megitélésének. Alkalmazásával már a tervezési fázisban, vagy akár egy vonalszakasz, vasútállomás átépítése során az egyes építési fázisokban vizsgálhatók a forgalomlebonyolítás körülményei, akadályozó tényezői. Az alkalmazás során szerzett tapasztalatok, valamint a felhasználói igények alapján a rendszer folyamatosan továbbfejlődik, részben a felhasználói komfort növelésének, részben pedig a szimulációból kinyerhető adatok bővítésének irányában.
A rendszerrel szerzett nemzetközi tapasztalatok jók, ez is az oka annak, hogy a bemutatott szimulációs rendszert egyre több vasúttársaság alkalmazza már több éve, illetve kívánja alkalmazni a vasútüzem különböző területein is (kiképzés, biztosítóberendezések tervezése, forgalmi tervezés, vizsgálatok).
Prüfung der technologische Pläne mit Hilfe von Simulation, besonders auf die Infrastrukturkapazität geachtet Bei der Planung einer Eisenbahnstrecke oder eines Eisenbahnknotenpunktes ist eine der wichtigsten Aufagbe, die nötige Infrastrukturkapazität festzustellen. Diese Beilage beschäftigt sich mit einer Mikrosimulationsmethode, in dem die die Kapazität beeinflussende Parameter und Funktionen, besonders auf den Stellwerksund Leittechnik geachtet, ganz ausführlich nachgebildet sind. Durch die Prüfung dieser Simulationstechnik kann festgestellt werden, ob die geplante Kapazität für die Ansprüche der Betrieb zu leisten genügend ist, bzw. wo sind die Kapazitätsengpunkte oder Kapazitätüberschuss.
Investigations of Railway Technological Plans with Simulation, Focused on the Capacity of Infrastructure At the planning of a railway line or junction the most important task is to determinate the necessary capacity of the infrastructure. This article describes a microsimulation method in which all of the parameters and functions are realised which influence the capacity, with special attention on the interlocking and controlling systems. By the examinations of this simulation technology we can compare the planned capacity with the requirements of the railway’s technology, and the insufficient and extra capacities can be found.
Szerzők: Dobrosi Attila 1974-ben született Mezőkövesden. 1998-ben szerzett közlekedésmérnöki oklevelet a BME Közlekedésmérnöi karán. 1998 tól a Közlekedésautomatikai Tanszék irányítása alatt doktoranduszi képzésben vesz részt. 2001 óta aTran-SYS Rendszertechnikai Kft.-nél rendszerfejlesztő mérnök.
Molnár Géza 1974-ben született Szolnokon. 1998-ben szerzett közlekedésmérnöki oklevelet a BME Közlekedésmérnöi karán. 1998 tól a Közlekedésautomatikai Tanszék irányítása alatt doktoranduszi képzésben vesz részt. 2001 óta aTran-SYS Rendszertechnikai Kft.-nél rendszerfejlesztő mérnök.
dr. Parádi Ferenc 1949-ben született Nagytályán. 1972-ben szerzett közlekedésmérnöki oklevelet a BME Közlekedésmérnöi karán. 1972 óta a Közlekedésautomatikai Tanszék oktatója, jelenleg egyetemi docensi beosztásban. Doktori oklevelet szerzett 1978-ban a Budapesti Műszaki Egyetemen, majd 1991-ben a Drezdai Közlekedési Egyetemen. 1994-óta aTran-SYS Rendszertechnikai Kft. tulajdonosa és ügyvezetője.
