Metoda pro naklápění vozových skříní založená na bázi znalostí – komfort naklápěcí techniky za nulový tarif? Ulrich Bitterberg, Salzgitter Zavedením knižního jízdního řádu v elektronické formě a vybavením pro lokalizaci pro bezdrátovou zabezpečovací techniku vlaků budou všechny hnací soupravy disponovat v dohledné době daty pro deskripci průběhu trati a jízdy vlaku. Tato budoucí znalostní databáze na vozidle obsahuje veškeré nezbytné údaje pro ovládání naklápěcí techniky. Před začátkem jízdy se požadované údaje převezmou z knižního jízdního řádu a traťového atlasu (mapy) a upraví se. Během jízdy se vždy přesně analyzuje následný zatáčkový segment a vytvářejí se hodnoty požadované pro přestavnou operaci (pohyb). Popisovaná metoda byla vyvinuta na základě rozsáhlých simulací a úspěšně ověřena prvními testy na funkčním modelu. 1. Úvod Evropské vlaky vybavené naklápěcím ústrojím jsou až doposud téměř výhradně vyzbrojeny senzorovou metodou pro naklápění vozových skříní. Pomocí snímačů zrychlení a setrvačníků se registruje aktuální průběh trati za jízdy (kvalitativně a kvantitativně) a vozová skříň se v závislosti na rychlosti regulovaně naklápí. Pro funkční spolehlivost naklápěcí techniky je rychlá a spolehlivá registrace počátku zatáčky. Poněvadž náklady na měřicí senzory a regulační techniku, nezbytné pro tento účel, včetně vývoje algoritmů řízení a jejich specifické traťové adaptace při senzory řízené naklápěcí technice jsou velmi vysoké, byly již dříve hledány alternativy, které mimo jiné využívají traťové údaje uložené do paměti [1]. Jestliže se této metody s podporou dat používá při jízdě na různých tratích nebo jen na dílčích úsecích trati, musí se před začátkem jízdy zajistit, aby byl vždy zaveden správný traťový datový soubor. Totéž platí v případě, kdy dochází k odchylce od pravidelné trasy (stavební práce, uzávěry na trati atd.). Dále je nutno zajistit, aby traťová data byla vždy aktualizována a aby datový soubor byl na všech vozidlech vždy stejný. 2. Naklápěcí systémy a jejich komponenty K naklápěcí technice se obecně počítají pouze ta zařízení na vozidle, která jsou nezbytná pro aktivní naklápění vozové skříně (t. j. servopohon a předřazená regulační, případně ovládací jednotka). Teprve kombinace opatření pro adaptaci vozidla (kolejově šetrná úprava podvozku se sníženým zatížením kol, vozová skříň) a provozované trati (vedení trasy, přídavná resp. rozšířená technika pro zabezpečení vlaku a řízení provozu) umožňuje realizovat kompaktní uzavřený provozně spolehlivý naklápěcí systém, jehož základní komponenty jsou uvedeny na obr. 1. Vlaky s naklápěcím ústrojím se tudíž od běžných vlaků liší jak svým provedením, tak i provozním použitím.
1
Obr. 1.
Základní komponenty naklápěcího systému
Streckenadaptation Fahrzeugadaptation Trassierungsparameter Betriebsleittechnik Regelung oder Steuerung Wagenkastenverstelleinrichtung Gleischonendes Fahrwerk Wagenkasten und Antrieb Neigetechnik
adaptace trati adaptace vozidla parametry průběhu trasy technika řízení provozu regulace nebo ovládání zařízení pro přestavění vozové skříně kolejově šetrný podvozek vozová skříň a pohon naklápěcí technika
Vícenáklady, které vznikají při nákupu vozidel a nezbytných adaptacích trati, musejí být zvýšeny, minimálně však kompenzovány zvýšením jízdného (a tím i výnosů). Přitom je třeba brát v úvahu, že vzhledem ke tvrdé konkurenci silniční a letecké přepravy lze samotné výnosy ve spojitosti se zlepšením nabídky jen stěží stupňovat zvýšením ceny jízdného. Aby se zajistil ekonomický úspěch provozu vlaků s naklápěcím ústrojím, který očekává každý provozovatel těchto vozidel, musí být prvořadým cílem budoucích vývojových variant naklápěcí techniky snížení nadměrných nákladů ve srovnání s konvenčními vozidly. Přitom může snaha o zdokonalení komfortu přestavění vozů vést i ke konfliktům stanovených cílů. Hledání minimalizace nákladů by se už nemělo omezovat pouze přímo na naklápěcí techniku, nýbrž mělo by zahrnovat všechny komponenty naklápěcího systému. Pouze takováto komplexní vývojová koncepce zaručí citelné snížení nákladů na stavbu a provoz vlaků s naklápěcí technikou a řešení možných konfliktů cílů. 3. Inovace v technice pro zabezpečení a provozní řízení vlaků Nutnost snížení nákladů na využívání železničních tratí (právě v Německu jsou tyto náklady velmi vysoké) v soutěži s jinými dopravními subjekty přiměla akciovou společnost Německé dráhy (DB AG) k intenzivnímu zkoumání možnosti zavedení bezdrátové techniky pro zabezpečení a provozní řízení vlaku (FFB) v prvé řadě na tratích regionálního provozu, neboť tyto tratě se vyznačují většinou značným racionalizačním zaostáváním (četná manuálně obsluhovaná stavědla, hradla a drážní přechody). Vyvíjí se úsilí zavést na německých a evropských hlavních magistrálách jednotný evropský systém řízení vlaků ETCS (European Train Control System), rovněž na radiové bázi. Neodlučitelnou součástí systémů ETCS a FFB je technicky bezpečná signální lokalizace na vozidlech. Technický pokrok, kterého bylo nejprve využito k vojenským účelům při navigaci satelitů (GPS, DGPS) umožňuje dnes pomocí srovnatelně jednoduchých a cenově výhodných přijímačů velmi přesně a spolehlivě lokalizovat pozemní vozidla. Aby bylo možno dosáhnout dostatečné přesnosti a spolehlivosti lokalizace (disponibilita, integrita a kontinuita), je nutno aplikovat pokud možno četné rozdílné traťové a lokalizační signály (obr. 2) pro určování polohy. Nezávisle na sobě zjištěné signály se vzájemně srovnávají a pomocí podrobného traťového atlasu se kontroluje jejich spolehlivost, takže chybné vstupní hodnoty jsou eliminovány. Pouze tímto postupem lze splnit vysoké požadavky na bezpečnost drážního provozu. 2
-
Obr. 2.
Lokalizační systém pro použití trati [7]
Sensoren Digitale Karte / Routen Atlas Zuordnung Identitäten Identitätsprüfung Fahrzeugsensoren Wegsensor Gyro Bake GPS Referenz Ortung Positionsberechnung DGPS-Berechnung Feed Back Law Schätzfilter Fehlermodelle B-Messer Radar GPS an Bord
senzory digitální mapa / seznam tratí přiřazení identity kontrola identity senzory vozidla senzor dráhy gyroindukční senzor radiomaják referenční satelitní navigace lokalizace výpočet polohy výpočet pomocí satelitní navigace zpětná vazba filtr pro odhad (pseudoposun) chybové modely měřič zrychlení radar satelitní navigace na stanovišti (palubě) strojvedoucího
Lokalizační systém udává: - polohu s konfidenčním intervalem - rychlost s konfidenčním intervalem - zrychlení - směr jízdy - identitu nepohyblivého provozního prostředku
3
Elektronický jízdní řád Na stanovištích strojvedoucího na lokomotivách, hnacích a řídících soupravách Německých drah a ostatních drah (cizina, nestátní železniční dopravní společnosti), které používají německé traťové sítě, musejí být neustále k dispozici kompletní podklady o používaných tratích a o řádném chodu vlaků. Tyto podklady zahrnují záznamní knihy o době jízdy, o rychlosti, seznamy o úsecích s dočasně platnou pomalou jízdou se zvláštní úpravou provozu a jinými výjimkami (La), předběžné poznámky k listovému jízdnímu řádu a seznamu tratí, plány regionálních objížděk, základní jízdní řády pro krátkodobě vložené zvláštní jízdy nebo jízdy naprázdno a řády (plány) pro pravidelně se opakující zvláštní přepravy. U vozidel nasazených v celostátní síti vede toto vybavení k vytváření povážlivě rozsáhlých „knihoven“ o 300 svazcích na jednom stanovišti strojvedoucího. Použitím elektronického jízdního řádu (EbuLa) jsou informace obsažené doposud v mnohých knihách a sešitech převedeny do elektronického systému. Takto se poprvé elektronická data s popisem jízdních specifikací vlakové jízdy dostávají na stanoviště strojvedoucího hnací soupravy. Mimoto se v průběhu již zahájeného zavádění elektronického jízdního řádu vytváří infrastruktura pro nezbytné vedení dat pro úpravu, zacházení rozdělování a aktualizaci požadovaných datových souborů jak na vozidle, tak i mimo vozidlo. 4. Záměr a cíl vývoje Již v blízké budoucnosti dokáží strojvedoucí hnacích souprav nejen velmi přesně (a s bezpečnou signální technikou) lokalizovat svou polohu na trati, nýbrž budou disponovat i rozsáhlými informacemi o průběhu trati a o charakteru plánované jízdy vlaku. Spolu se znalostí o aktuálním stavu jízdy, příp. o právě absolvovaném průběhu jízdy je při jízdě k dispozici velký potenciál informací, který je možno využít. Technický design na databázi znalostí založené naklápěcí techniky byl tudíž vědomě dimenzován tak, aby bylo možno použít výlučně uvedená data, která budou za několik málo let standardně k dispozici na každé hnací soupravě (obr. 3).
Obr. 3. Budoucí databáze na vlacích Eigenortung jedes Zuges Daten űber Streckenverlauf
Vlastní lokalizace každého vlaku Data o průběhu trati
4
Ort und Geschwindigkeit Daten űber Zugfahrtverlauf Wissensbasis auf dem Zug
Místo a rychlost Data o průběhu jízdy vlaku Znalostní databáze ve vlaku (obsahuje všechna data nezbytná pro naklápění vozových skříní)
Dosavadní zkušenosti s nasazením vlaků s naklápěcím ústrojím ukázaly, že existuje nezanedbatelný počet cestujících, kterým jízda vlakem s naklápěcí technikou působí přinejmenším lehkou nevolnost, zejména následkem většího počtu krátkých a těsně po sobě jdoucích přestavných operací. Cílem nové komfortnější metody musí být co největší snížení počtu přestavných operací a co nejpomalejší provádění přestavných pohybů. Pro tento účel mají být údaje o průběhu rychlosti zahrnuty do úhlu naklápění závislého na rychlosti, aby bylo možno úhel naklápění optimálně sladit s dílčí zatáčkou a eliminovat korektury úhlu naklápění jako následek jízdním řádem určené změny rychlosti během jízdy částí zatáčky. Tím má nová metoda za použití databáze znalostí (obr. 3), která bude v budoucnu k dispozici, přispět svou strategií řízení k zdokonalení podílu naklápěcí techniky na jízdním komfortu cestujících. Při návrhu ovládacího software byly vzaty v úvahu zejména tyto požadavky: - řízení má iniciovat naklápěcí pohyb pouze tehdy, jestliže by byla překročena cílová hodnota pro příčné zrychlení (obr. 4) bez naklopení vozové skříně (minimalizace naklápěcích operací), - vozová skříň se naklopí jen do té míry, aby byla zadaná cílová hodnota pro příčné zrychlení (obr. 4) těsně podkročena (minimalizace naklápěcího úhlu), - délku přechodu zatáčky (přechodová zatáčka kombinovaná s polohově stejnou rampou převýšení) je nutno co možná dokonale využít (minimalizace rychlosti přestavění), - je nutno podle možnosti eliminovat korektury v nastavení úhlu naklápění na úsecích zatáčky mimo zatáčkové přechody (minimalizace naklápěcích operací). V Německu připouští Řád pro stavbu a provoz železnic (EBO) maximální příčné zrychlení 1,0 m/s², zatímco DG AG usiluje (zpravidla) o příčné zrychlení max. 0,85 m/s². Tato hodnota byla v nové metodě zvolena za cílovou hodnotu příčného zrychlení na úrovni cestujících (obr. 3). Tuto cílovou hodnotu lze překročit až do maximální hodnoty 1,0 m/s², stejně tak lze podkročit shora vypočtené požadované zrychlení o stanovený rozdíl, aniž je nutno korigovat úhel naklápění. Pokud kupř. klesne rychlost jízdy podle jízdního řádu v průběhu zatáčkového úseku o 10 km/h, měl by být úhel naklápění nastaven podle možnosti tak, aby se příčné zrychlení na úrovni cestujících nacházelo na začátku zatáčkového úseku těsně pod maximální hodnotou, na jeho konci však navzdory klesající rychlosti ještě nad minimální hodnotou (obr. 4).
Obr. 4. Mezní, požadované a skutečné hodnoty příčného zrychlení Maximalwert (Vorgabe) Zielwert (Vorgabe) Errechneter Sollwert
maximální hodnota (standardní hodnota) cílová hodnota (standardní hodnota) vypočtená požadovaná hodnota
5
Max. Differenz (Vorgabe) Minimalwert Nullinie
maximální rozdíl (standartní hodnota) minimální hodnota nulová čára
5. Struktura řízení pro databázovou naklápěcí techniku V přehledu celkové konstrukce a struktury řízení na databázi znalostí založené naklápěcí techniky (WINT) jsou znázorněny všechny důležité komponenty (obr. 5). Hlavní komponenta řízení WINT obsahuje jako základní prvek nezbytnou inteligenci řízení, aby mohla ze tří operativních souborů generovaných před začátkem jízdy s přiřazením hodnot pro aktuální polohu trati a pro předpokládanou rychlost jízdy určit podle situace úhel naklápění požadovaný pro průjezd zatáčky. Měření příčného zrychlení (na úrovni nakloněného prostoru pro cestující) slouží výlučně rozpoznání nesprávně zjištěných nebo už neaktuálních naklápěcích úhlů (kupř. v důsledku neplánované změny rychlosti).
Obr. 5. Struktura řízení databází ovládané naklápěcí techniky (světleji: budoucí standardně zabudované komponenty telematiky, tmavě: aktualizační prvek a chybový senzor) WINT-Rechner Laufwegdatei Fahrtdatei Signaldatei WINT-Steuer VWE-Stellantrieb B-Messer Fahrgastebene EbuLa Zugfahrtgrunddaten Streckenatlas Streckengrunddaten Laufwegdatei für Ortung
počítač systému WINT soubor dat prostorového oddílu soubor dat pro jízdu soubor dat pro signály ovládací prvek systému WINT (naklápěcí technika s databází znalostí) servopohon VWE měřič zrychlení na úrovni cestujících elektronický jízdní řád základní data o jízdě vlaku atlas tratí základní údaje o trati soubor dat prostorového oddílu pro lokalizaci
6
6.1 Průběh aplikace databázově ovládané naklápěcí techniky Po vyzbrojení a přípravě vlaku s naklápěcí technikou na nástupišti výchozího nádraží natipuje strojvedoucí hnací soupravy na elektronickém jízdním řádu číslo vlaku a zvolí výchozí, případně cílové nádraží. Poté, co je elektronický jízdní řád na základě těchto údajů aktivován, stávají se všechna data týkající se naklápěcí techniky disponibilními a jsou přebírána hlavní softwarovou komponentou WINT prostorového oddílu v počítači systému WINT. Na základě údajů o traťových úsecích (a směru jízdy), které má souprava absolvovat, lze na prostorovém oddílu systému WINT zvolit z digitálního traťového atlasu cíleně i další data pro popis průběhu trati a generovat operativní soubor dat pro prostorový oddíl, jízdu a signalizaci (obr. 5). Aktuální stanoviště vlaku je registrováno lokalizačním systémem, je zaznamenáno počítačem WINT jako výchozí poloha (nulový bod) a je definováno v relaci k určenému počátku traťového souboru dat (kupř. do středu přijímací budovy). Celý proces přípravy dat probíhá cíleně pro zvolenou jízdu vlaku před odjezdem vlaku. Zatímco vlak opouští po výhybkovém sektoru výchozí nádraží, volí lokalizační modul na základě změřených poloh správnou trať. Jakmile vlak po odjezdu z výchozího nádraží vjede do úseku, kde je přípustná rychlá jízda v zatáčkách, zapíná se opět počítač systému WINT ovládačem WINT do pohotovostní polohy a posléze se aktivuje při překročení požadované minimální rychlosti. V operativním traťovém souboru dat se nejprve vyhledá počátek další zatáčky, zjistí se vzdálenost až k jejímu počátku a nastaví se dopravní značky pro předstihový interval a událostní distanci (obr. 6). Při každé výpočetní operaci ovládače systému WINT se snímají aktuální hodnoty rychlosti jízdy a polohy dopravní cesty a rovněž i naklápěcí úhel a příčné zrychlení (obr. 5). Jakmile je překročen předstihový interval, realizuje se analýza následného zatáčkového úseku, na kterou (zpravidla) navazuje zjištění charakteristických vlastností zatáčkového úseku. Sem patří mimo jiné i poloměrový limit zatáčky závislý na místně přípustné maximální rychlosti trati, při jejímž překročení lze zatáčku projíždět bez naklápění vozové skříně, aniž by byla překročena limitní hodnota pro přípustné příčné zrychlení v prostoru pro cestující. Při podkročení této poloměrové limitní hodnoty se podle situace předem určují úhel naklápění a ostatní parametry při respektování rychlosti jízdy a v souladu s průběhem poloměru a přechodu zatáčky.
Obr. 6. Vjezd do kolejové zatáčky Vorlaufabstand Bogenübergang Ereignisabstand Übergangsbogen mit lagegleicher Überhöhungsrampe
předstihový interval přechod zatáčky událostní distance přechodová zatáčka s polohově stejnou rampou převýšení značky dopravní cesty
Wegmarken
7
Změny rychlosti jízdy lze v důsledku permanentního pozorování dynamiky jízdy integrovat do stanovení úhlu naklápění. Toto předběžné určování úhlu naklápění se při průjezdu předstihového intervalu stabilně opakuje, aby bylo možno vyrovnávat případně se vyskytující početní chyby a odlehlé hodnoty vzniklé následkem chybně zjištěných veličin stavu jízdy (dopravní cesta, rychlost jízdy). Jakmile je překročen událostní interval následného zatáčkového přechodu, zjišťují se z předem určených hodnot (přes klouzavou střední hodnotu) požadované hodnoty a kontroluje se jejich věrohodnost. Spolu se značkou dopravní cesty pro začátek přestavění se požadované hodnoty dále směrují do softwarového ovládání servopohonu, které po přejezdu značky dopravní cesty nastartuje (analogový) stavěcí servopohon pomocí signálu úměrné otáčivé rychlosti odvozeného z úhlu naklápění a doby přestavění. Během jízdy zatáčkou se počítačově nastavené požadované příčné zrychlení permanentně porovnává se skutečným příčným zrychlením na úrovni cestujících. Pokud se v důsledku změněné jízdní rychlosti podkročí diferenční mezní hodnota, kterou je nutno stanovit, musí být korigován úhel naklápění. Při průjezdu zatáčkami o více úsecích s rozdílným poloměrem a rozdílným převýšením kolejí je nutno kontrolovat s přihlédnutím k průběhu rychlosti i standartní hodnoty pro následné zatáčkové úseky. Při dosažení zatáčkového přechodu mezi dvěma úseky zatáčky je nutno případně iniciovat úpravu úhlu naklápění. Po dosažení závěrečného zatáčkového přechodu se vozová skříň nakloní zpět do nulové polohy. Pokud však mezitím není podkročen ani konec úseku pro rychlou zatáčkovou jízdu a ani mezní rychlost pro aktivaci naklápěcí techniky (tzn., že počítač systému WINT by byl deaktivován), může pak pro následující zatáčku opět započít procedura podle popsaného způsobu. 6.2 Předpovídání rychlosti pro znalostní databázovou naklápěcí techniku Velikost úhlu naklápění, která má být nastavena, se odvozuje z poloměru zatáčky a z rychlosti jízdy. Z databáze znalostí jsou známy poloměry zatáček stejně jako úsekové místně přípustné jízdní rychlosti. U vlaků s naklápěcím ústrojím odpovídají tyto údaje maximální rychlosti tratí. Ještě před počátkem jízdy se z těchto statistických údajů „Seznamu místně přípustných rychlostí“ (VzG) vytvoří s přihlédnutím k jízdně dynamickým parametrům vozidla dynamický rychlostní profil (obr. 7), který představuje jako maximální linie průběh rychlosti při úsporném způsobu jízdy za příznivých povětrnostních podmínek. Rychlost jízdy podle jízdního řádu zůstane v důsledku přídavných časů k jízdní době vždy pod touto maximální linií. Vyhodnocením jízdních údajů z elektronického jízdního řádu lze vzít v úvahu i plánovité zastávky při sestavení dynamického průběhu rychlosti (dynamický seznam místně přípustných rychlostí).
8
Obr. 7. Dynamický rychlostní profil odvozený z příručky „Seznam místně přípustných rychlostí“ (statický seznam místně přípustných rychlostí) a údaje z jízdního řádu (nádražní zastávky uvedené v jízdním řádu). Geschwindigkeit rychlost Weg dopravní cesta In WINT-Laufweg ermitteltes Geschwindigkeitsprofil (dyn. VzG) Rychlostní profil prostorového oddílu zjištěný systémem WINT (dynamický seznam místně přípustných rychlostí) Fahrplanmässiger Bahnhofshalt nádražní zastávka podle jízdního řádu
Předpověď rychlosti směrodatné pro určení úhlu naklápění se opírá o aktuální rychlost jízdy, o rychlosti na začátku a konci každého zatáčkového úseku předpovídané rychlostními tendencemi a o průběh dynamického rychlostního profilu. Základem rychlostní tendence a rychlostní prognózy je kontinuální pozorování jízdní rychlosti. Značný počet možných kombinací z předpovídaného a maximálně možného dynamického průběhu rychlosti na jednom zatáčkovém úseku vyžaduje strukturované rozlišení podle jednotlivých případů, aby bylo možno se co nejvíce přiblížit ke skutečnému, avšak doposud neznámému průběhu rychlosti. Předvídatelné rychlostní změny lze podle doposud nashromážděných zkušeností brát v úvahu až po diferenci cca 15 km/h bez korektury úhlu naklápění. 6.3 Hustý sled kolejových oblouků Klasické tratě pro provoz vlaků s naklápěcím ústrojím vykazují značný podíl kolejových oblouků. Kolejové oblouky nezřídka následují ve velmi krátké vzdálenosti po sobě, tzn., že přímé koleje jsou kratší než požadovaný předstihový interval. V takovýchto případech musí začít ovládání na databázi znalostí založené naklápěcí techniky se zjišťováním veličin standartních hodnot pro následný oblouk ještě před koncem právě přejížděného kolejového oblouku. Toto předstihové zjišťování se musí provádět paralelně a vzhledem k zpracování dat nezávisle na aktuálním procesu naklápění. Tyto předem zjištěné hodnoty jsou na konci právě projetého obloukového segmentu po návratu vozové skříně do nulové polohy předávány tak, jako by zjištění hodnoty předtím proběhlo při jízdě na přímé koleji. Tak lze dokonce i na obloucích S s minimální přímou kolejí o délce pouze několika málo metrů zaručit nezpožděný začátek přestavění. 6.4 Korektura úhlu naklápění Na úrovni cestujících se neustále měří příčné zrychlení a zpětně se hlásí na ovládač systému WINT (obr. 5). Registrace této veličiny zrychlení je nutná i u znalostní databázově řízené naklápěcí techniky, aby bylo možno kontrolovat ovládání. Nepředvídané změny jízdní rychlosti s následkem klesajícího nebo stoupajícího příčného zrychlení musejí mít možnost korektury úhlu naklápění, jakmile jsou mezní hodnoty podkročeny nebo překročeny. Pokud se
9
zpracují nepřesné informace o lokalizaci, objeví se nerozpoznatelné početní chyby anebo vypadnou servopohony, pak musí nezávisle na subjektivním vnímání strojvedoucího hnací soupravy (což je ostatně možné jen u první vozové skříně) a na systémem produkovaných kontrolách spolehlivosti existovat možnost rozpoznat v důsledku takovýchto neidentifikovaných poruch už zahájené nesprávné přestavení vozové skříně, aby bylo možno nastavit vozovou skříň zpět do její nulové polohy a vyvolat příslušná poruchová hlášení. K rozeznání příslušných chyb slouží nezávislá softwarová komponenta. Přitom se v závislosti na vytyčení trati, tendenci rychlosti a mezních hodnotách pro minimálně nebo maximálně přípustná příčná zrychlení v různých případových diferencích kontroluje jak korektura úhlu naklápění, tak i výskyt nesprávných standartních hodnot. Je-li v této softwarové komponentě rozpoznán nesprávně nastavený naklápěcí úhel, přepojí se software na opravný provozní režim. Přitom se rozhodne, zda je nutno nastavit jiný naklápěcí úhel nebo zda je příčné zrychlení tak nízké, že bude nutno sklopit vozovou skříň do nulové polohy. Sníží-li vlak s naklápěcím ústrojím za jízdy úsekem oblouku jízdní rychlost, kupř. pro signál oznamující zastavení, poklesne též i příčné zrychlení působící na cestující (obr. 8). Jakmile je zadaná minimální hodnota přípustného příčného zrychlení (obr. 4) podkročena, začíná opravný pohyb. Rychlost přestavění opravného pohybu se volí na bázi shora uvedené doby přestavění tak, aby bylo možno registrovat při dále klesající rychlosti pouze nepatrný vzestup příčného zrychlení (obr. 8, případ Y), za předpokladu existence zvolna pracujícího přestavného pohonu. Jestliže se během nebo krátce po spuštění opravného pohybu dosáhne přímo cílové rychlosti zpožďovacího pohybu, stoupá u zvoleného pomalého provedení přestaveného pohybu příčné zrychlení tím tempem, jakým předtím klesalo (obr. 8, případ X). Cílem je provádět v obou extrémních případech opravu naklápěcího úhlu tak jemně a plynule, jak je to jen možné. V ideálním případě by cestující neměl vůbec zpozorovat opravný přestavný pohyb (právě pro jeho pomalost).
Obr. 8. Potenciální průběhy příčného zrychlení a rychlosti při korektuře úhlu naklápění Beginn der Neigewinkelkorrektur zulässiger Minimalwert Querbeschleunigung Fahrgeschwindigkeit mit weiterem möglichen Verlauf Weg
začátek korektury úhlu naklápění minimální přípustná hodnota příčné zrychlení jízdní rychlost s dalším možným průběhem dopravní cesta
10
Pokud by se při opravném přestavení objevila potřeba rozsáhlejší změny, pak existuje možnost aktualizovat přestavné standardní hodnoty ještě před ukončením nejprve iniciovaného opravného pohybu, aby bylo možno bez časové ztráty a prostoje při přestavení vozové skříně přejít na další opravný pohyb. Pokud se před ukončením opravy naklápěcího úhlu dosáhne přechodu oblouku, přejde se bezprostředně na beztak nezbytnou přestavnou operaci pro nastavení požadovaného naklápěcího úhlu pro další obloukový úsek, příp. pro návrat naklopení vozové skříně do nulové polohy. Jestliže byla zjištěna systémová chyba, přepojí se software na provozní režim nouzového naklápění, při němž se vozová skříň se zadanou rychlostí dopraví zpět na svou středovou polohu (to znamená na nulovou polohu). Příslušné optické hlásiče signalizují strojvedoucímu hnací soupravy poruchu. V závislosti na typu závady se musí případně zajistit snížení jízdní rychlosti na úroveň regulérních vlaků (bez naklápěcího ústrojí) a musí se kontrolovat z ovládacího zařízení vozidla. 6. Nepředvídané odchylky od regulérní dopravní cesty Nepředvídané změny dopravní cesty (výměna kolejí nebo trati s objížďkou) musejí být strojvůdcem vloženy do elektronického jízdního řádu pomocí vstupních kláves u počítačového displeje, aby se průběžně aktualizovala specifická indikace stavu na traťových kolejích. V počítači systému WINT se musí proto znovu projít programový modul „prostorový oddíl WINT“, aby se aktualizovaly operativní datové soubory (obr. 5). Naklápěcí technika přitom nesmí být aktivována. Vysoce přesné lokalizační systémy jsou dnes již schopny rozpoznat kolejové odchylky od regulérní dopravní cesty a iniciovat aktualizaci indikace elektronického jízdního řádu, případně nový start systému WINT. Jestliže se na nějakém nádraží jezdí po vedlejších kolejích mimo regulérní dopravní cestu, nepatrně se prodlužuje dopravní cesta absolvovaná po více kolejích. Protože takovéto neplánovité jízdy se sníženou rychlostí, tj. je bez činné naklápěcí techniky, se provádějí v oblasti nádraží, zůstává objevující se chyba dráhy zprvu bez vlivu. Po opuštění nádraží a zrychlení na maximální rychlost se tato chyba dopravní cesty vyrovnává na nejbližší bodové lokalizaci (návěstidlo, DGPS) dříve, než se vozová skříň musí znovu naklonit. 7. Simulace a první pokusy Pro testy softwaru, příp. jeho jednotlivých komponent během první vývojové fáze bylo vytvořeno virtuální vývojové a zkušební prostředí ve formě programu simulace jízdy, které bylo zdokonaleno pro napodobení jízdy vlaku s naklápěcím ústrojím a pro zadání menu s rozdílnými parametry databázové znalostní techniky naklápění. Aby bylo možno demonstrovat převoditelnost databázové znalostní techniky naklápění, bylo nutno vyprodukovat v druhé vývojové fázi s nepříliš vysokými náklady nosný funkční důkaz. Protože se takový důkaz může zprvu omezit na funkční princip (a tím je nezávislý na konstrukčním provedení), postačilo využití funkčního modelu, který lze provizorně a rychle zabudovat do libovolného vozidla. Na tomto funkčním modelu je sklon vozové skříně simulován tak, že lze zakreslit příčná zrychlení objevující se na úrovni cestujících v nakloněné, příp. horizontální poloze během jízdy. Ve stejné časové rovině se na podlaze modelu zaznamenávají příčná zrychlení nenaklopené vozové skříně (jako referenční hodnota). Srovnání velikosti a časového průběhu obou zrychlení umožňuje za pomoci nashromážděných
11
traťových parametrů a rychlosti jízdy učinit závěry o principiálním způsobu funkce databázové znalostní techniky naklápění. Funkční model pro napodobení funkce servopohonu byl zhotoven na bázi komerčně běžného stavebnicového systému. Měřící plošina se snímačem zrychlení na úrovni cestujících je koncipována jako vertikálně uspořádaný otočný talíř. Pomocí silně zredukované jednotky motor – převod lze nastavovat naklápěcí úhly až do max. 10° v krocích 0,5° a 5°/s. Pohonná jednotka je řízena počitadlem v reálném čase v podstavci modelu, které předává dále vstupní signály počítače systému WINT (předznamenaný úhel naklápění, dobu přestavení a dopravní značku pro začátek přestavení) do přestavných povelů přes digitální analogový měnič na pohon modelu (jako napěťové impulsy). Otočný pohyb je permanentně kontrolován generátorem impulsů vestavěným do jednotky motor – převod (na hřídeli motoru). Funkční model je doplňován vyhodnocovacím software pro registraci (a zobrazení) naměřených zrychlení a naklopené a nenaklopené rovině modelu ve vztahu k ujeté dopravní cestě zkušební jízdy. Signály zrychlení se filtrují dolní propustí mezní frekvence 1 Hz, jsou zachycovány rychlostí snímání 10 až 13 Hz, zobrazovány na displeji počitadla měření a po ukončení měřené jízdy ukládány do paměti. Protože elektronický jízdní řád a digitální atlas tratí se nacházejí ještě ve vývojové fázi, bylo nutno u simulace a pokusů sáhnout zprvu na datové zdroje, které byly k dispozici jinde. Dostatečně přesné zkušební lokalizace bylo možno dosáhnout přenesením signálu dopravní cesty přímo z vysílače impulsů kola na pokud možno nebržděném a nepoháněném soukolí. Tento kontinuální záznam dopravní cesty byl doplňován přesně změřenými značkami dopravní cesty v intervalu mezi 1,5 až 10 km (podle zkušební trati). Dodatečně lze do zkušební lokalizace vložit integrovaný signál rychlosti. 8. Výsledky zkoušky Ve dvou zkušebních řadách byly po několika týdnech nashromážděny zkušenosti a poznatky o funkci a reakcích databázové znalostní techniky naklápění. Určené cíle byly dosaženy a požadavky splněny. Naklápění na obloukovém přechodu probíhá s časovou přesností, totéž platí i o mezipřechodech na kruhových obloucích a obloucích typu S. U obloukových vlaků s uzavřeným krátkým velkopoloměrem se vozová skříň zpětně naklápí do nulové polohy krátkodobě a s časovou přesností (obr. 9). Obloukové vlaky s velkými poloměry projedou bez naklápění, jakmile nekompenzované příčně zrychlení zůstane pod vloženou cílovou hodnotou. Menší změny rychlosti před průjezdem oblouku a během průjezdu zůstávají bez vlivu na nastavení úhlu naklápění. Změny rychlosti známé již dříve ze seznamu místně přípustných rychlostí se zohledňují při zjišťování požadovaných hodnot. Spolehlivě byly prováděny korektury úhlu naklápění při jízdě obloukem v důsledku překročení, případně podkročení maximálních nebo diferenčních mezí příčného zrychlení. Běžné korektury úhlu naklápění se při dosažení přechodu oblouku spolehlivě měnily na regulérní přestavné pohyby. Předčasný začátek naklápěcího pohybu vede při stejném rozsahu chyby na dopravní cestě k větším a tím možná i závažnějším poruchám v průběhu příčného zrychlení než zpožděný naklápěcí pohyb. Hmotnostní setrvačnost vozidla, opožděná účinnost obloukového poloměru na úseku dopravní cesty s následky odstředivé síly v důsledku vzdálenostního intervalu soukolí, příp. otočného čepu, jakož i příčná vůle v primárním a sekundárním odpružení přispívají zřejmě podstatně k tomu, že se zmírňuje účinek vjezdu a výjezdu (v naklopeném nebo nenaklopeném stavu) a přitom působí na cestující s časovým posunem. Není tedy
12
absolutně nutné naprosto přesně zachytit začátek obloukového přechodu. Chyby dopravní cesty až do 10 m jsou bez doposud rozeznatelných ztrát komfortu jízdy tolerovatelné.
Obr. 9. Pokusné jízdy s databázovou znalostní technikou naklápění – výtah ze záznamu měření Querbeschleunigung in m/s² Fahrgeschwindigkeit in km/h Bogen Fahrtrichtung Strecke 3230 Konz-Merzig (Saartal) Streckenabschnitt km 58,1 bis 58,4 Messfahrt
příčné zrychlení v m/s² rychlost jízdy v km/h oblouk směr jízdy trať 3230 Konz-Merzig (údolí řeky Saar) úsek trati 58,1 až 58,4 km měřená jízda
9. Vlastnosti a přednosti metody Úspěšné funkční testy a simulované jízdy prokázaly zásadní funkční spolehlivost databázové znalostní metody naklápění vozových skříní. Nejprve je třeba zdůraznit, že bylo možno dosáhnout obou hlavních cílů vývoje, a to zdokonalení přestavného komfortu naklápěcího pohybu a snížení investičních nákladů. Metoda se vyznačuje těmito výhodnými vlastnostmi: -
-
Vyšší přestavný komfort: databázová znalostní technika naklápění je principálně schopna nastavení naklápěcího úhlu, který stlačuje příčné zrychlení působící na cestující stále pod zadanou maximální hodnotu (obr. 4). Vozová skříň se nepřestavuje víc než je nezbytně nutné. Protože na začátku vjezdu do oblouku odpadá jakákoliv doba odezvy, je k dispozici kompletní průjezdový čas pro obloukový přechod. Takto lze volit podstatně nižší přestavnou rychlost. Přestavný pohyb probíhá velmi rovnoměrně. Snížení vícenákladů na vozidla s naklápěcí technikou: s plánovaným zaváděním radiové zabezpečovací a provozní řídicí techniky (ETCS/ERTMS, FFB) se otevírá pro formování databázové znalostní techniky naklápění perspektivně orientované a integrativní řešení, neboť na jedné straně se stane běžným vybavením technicky bezpečná signální lokalizace
13
-
-
-
vozidel a na druhé straně bude tato lokalizace pro splnění požadavků na spolehlivost vykazovat podrobný atlas tratí. Z digitálního traťového atlasu a elektronického jízdního řádu, který bude v dohledné době zaveden, lze ještě před začátkem jízdy získat veškerá nezbytná data. Vlastní obstarávání dat a péči o ně mimo vozidla nejsou nutné. Současně lze upustit od montáže nákladné, protože vysoce přesné senzoriky na vozidle, s výjimkou jednoduchého měřiče zrychlení. Adaptace na státní nebo regionální směrovací specifika, která je nezřídka nutná u reálných algoritmů senzorické naklápěcí techniky, není u databázové znalostní techniky naklápění nutná, neboť odpovídající informace již plynou přes traťové parametry do určování naklápěcího úhlu. Nižší náklady při adaptaci kolejišť: Čas získaný absencí doby odezvy (při průjezdu přechodového oblouku) je možno využít pro zvýšení požadovaného celkového sklonu vozové skříně, aniž se zvýší maximální přestavná rychlost (4°/s). Tím by mohla stoupnout buď průjezdová rychlost anebo mohou odpadnout adaptační opatření v případě převýšení. Tato opatření byla až doposud nutná u převýšení v menším rozsahu (<100 mm), jakmile byl vyčerpán chybový interval převýšení (doposud 300 mm), avšak zatím ještě stále nelze dosáhnout provozně požadované rychlosti jízdy. Výjimečné povolení pro průjezd kolejových oblouků s chybovým intervalem převýšení větším než 150 mm vyřazuje z rychlé jízdy v zatáčkách traťové úseky s obloukovými výhybkami, kolejovými výtahy, s můstky bez průběžného štěrkového svršku a drážní přechody s asfaltovou vozovkou. Poněvadž ovládání databázové znalostní techniky naklápění reaguje zcela nezávisle na poruchové podněty vyplývajících z kolejové polohy, tzn. že zpětná vazba „místo nespojitosti koleje může vést k reakcím regulace naklápěcí techniky“ je otevřena, odpadá tato část zdůvodnění uvedené restrikce. Problém zajištění proti vykolejení závisí na úpravě podvozku (nízké dynamické příčné síly). Podaří-li se úpravou podvozku a databázové znalostní techniky naklápění případně jen dílčí zrušení vyloučení provozních nucených bodů z obloukové rychlé jízdy, mohou odpadnout velmi nákladná konstrukční opatření pro odstranění provozních nucených bodů.. Rezignace na přídavnou vlakovou zabezpečovací techniku: zavedením režimu FFB bude v budoucnu postavena nezávisle na provozu vlaků s naklápěcí technikou technika zabezpečení a provozního řízení vlaků na četných vedlejších dálkových tratích na novou technicky aktuální základnu. Signální technické adaptace pro provoz vlaků s naklápěcí technikou se pak omezí převážně na softwarové adaptace. Kupř. spínací bod pro zabezpečení drážního přechodu už nebude nutno instalovat do koleje, nýbrž se pouze změní nebo doplní jako vstup do datového souboru trati. Při nasazení vlaků s naklápěcím ústrojím lze upustit od vestavění ZUB 122 (kolejové magnety), neboť všechny relevantní traťové údaje jsou již k dispozici na vozidle a v režimu FFB je nutno ze zásady již předem sdělit do vlaku místa s pomalou jízdou. Permanentní kontrola rychlosti vlaků s naklápěcí technikou požadovaná v Německu je součástí koncepce FFB.
S výjimkou pořízení zkušebních zařízení mohou při využívání databázové znalostní techniky naklápění odpadnout všechna přímá stavební opatření podmíněná existencí naklápěcí techniky. Podíl těchto opatření na všech stavebních opatřeních podmíněných naklápěcí technikou činí v závislosti na daném stavu údržby trati 15,6 až 44,7 %. Při tomto snížení nákladů je nutno vzít do úvahy investice na zavedení režimu FFB. Vybavení tratí zabezpečovací technikou FFB bude však využíváno všemi vlaky a je již jen z důvodu racionalizace beztak naléhavě nutné (snížení trasových cen), takže to nelze přičítat jen provozu vlaků s naklápěcím ústrojím.
14
Rozšíření vlakového provozu s naklápěcí technikou Protože databázová znalostní technika naklápění na rozdíl od senzorické techniky naklápění nevyžaduje žádné speciální převýšené rampy pro kolejová převýšení, jeví se jako možné i nasazení vlaků s naklápěcím ústrojím i na vedlejších tratích, kde jsou kolejové oblouky opatřeny nezřídka žádným nebo minimálním převýšením. Nevelkým zvýšením jízdní rychlosti, kupř. z 60 na 80 km/h nebo z 80 na 100 km/h a zamezením náhlých změn rychlosti v zatáčkových segmentech lze na takovýchto tratích ušetřit s malými náklady ony minuty jízdní doby, které by představovaly zlepšení přípojů, kratší oběhy a v extrémním případě i méně vozidel a křižovatek. Využitelný racionalizační potenciál by zde byl konfrontován (při budoucím standardním vybavení tratí systémem FFB) s minimálními vícenáklady na park vozové techniky. 10. Výhledy Mimo uvedené přednosti lze ovládací metodu techniky naklápění založenou na bázi znalostí jednoduše rozšiřovat tak, aby bylo možno kupř. řídit pneumatické servopohony nebo aktivní příčné pérování, příp. příčné středění. Otázka uvedená v druhé části názvu článku nemůže být k dnešnímu datu definitivně posouzena. I když slibný cíl uvedený v podtitulu „komfort naklápěcí techniky za nulový tarif“ nemůže být zcela dosažen, ukazují až doposud dosažené výsledky zřetelně, že databázová znalostní technika naklápění slibuje průkazný pokrok jak vzhledem k zlepšení komfortu, tak i při minimalizaci nákladů na vozidla a adaptaci tratí. Ve výzkumných aktivitách prováděných doposud v Ústavu pro kolejová vozidla a strojová drážní zařízení university v Hannoveru (prof. Voss) je nutno dále pokračovat, mimo jiné i za účelem souhrnného zhodnocení otázek a problémů načrtnutých v úvodu.
Zdroj: ZEV + DET Glas. Ann. 124 (2000), č. 7., s. 391 – 400 Překlad: Jan Svoboda Korektura: ODIS
15
