Vědeckotechnický sborník ČD

Vědeckotechnický sborník ČD č. 05/1998

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5

Libor Lochman

Zahraniční systémy přejezdových zabezpečovacích zařízení pro provoz u ČD Klíčová slova: kolové čidlo, vozidlové čidlo, vozidlová smyčka, SIEMENS, Scheidt&Bachmann, BUES 2000

1. Úvod V souvislosti s nástupem mikroprocesorové technologie do zabezpečovací techniky u evropských železnic vznikla potřeba širšího využívání nové techniky i v provozu Českých drah. Za první větší aplikaci lze označit instalaci staničního zabezpečovacího zařízení typu SZZ-88 od firmy AŽD v železniční stanici Dřísy (1989). Pokud soustředíme pozornost na přejezdovou techniku, zjistíme, že v době realizace SZZ-88 již byly na Vysoké škole dopravy a spojů v Žilině, katedře Bloky a spoje, navrženy základní ideje pro tvorbu mikroprocesorově řízeného přejezdového zařízení. Tyto myšlenky byly později rozpracovány vývojovým pracovištěm AŽD v Olomouci, a daly vzniknout dnes již ověřenému a schválenému přejezdovému zařízení typu PZZ-E. Firmy, zabývající se zabezpečovací technikou v západní Evropě, bez omezování nesmyslnými embargy vyvíjely již na počátku osmdesátých let systémy, které částečně procesorovou techniku využívaly. Postupem vývoje pak docházelo ke stále výraznější elektronizaci zabezpečovací techniky u západoevropských železnic a dnes je možno konstatovat, že nynější systémy představují z hlediska historického vývoje už druhou nebo i třetí generaci počítačově podporovaných zařízení. Před třemi lety obdržely České dráhy - kromě nabídek na jiné druhy zabezpečovacích zařízení - nabídky na provozní ověření elektronických přejezdových zařízení od firem SIEMENS a Scheidt&Bachmann. Sekce 14 DDC se rozhodla obě nabídky přijmout a určila vhodné lokality pro realizaci. Silnou motivací pro jejich přijetí byla zejména dosavadní existence jediného dodavatele přejezdové techniky pro ČD a dále možnost nasadit a ověřit v podmínkách ČD západní technologii a přispět tak k rychlejšímu srovnání kroku se sousedními železničními správami (a též inspirovat domácí technický vývoj). . Ing.Libor Lochman, nar.1963. Absolvent VŠD Žilina. Působil v ČD-DDC, nyní ve VÚŽ.

13

2. Provozní ověření ELEKSA 93 - SIEMENS Výrobcem přejezdového zařízení typu ELEKSA 93 S je firma SIEMENS Rakousko. Původem se jedná o zařízení, které bylo vyvinuto německou větví koncernu v Braunschweigu a v Berlíně pod označením NE BUE 90 E. Protože však DB AG trvalo i nadále na dodávkách generačně staršího, nicméně systémově zavedeného typu EBÜT 80, našlo zařízení typu NE BUE 90 E na německém území uplatnění pouze u soukromých železničních společností. Krátce poté se uvedeným typem přejezdového zařízení začali zabývat ve vídeňské pobočce koncernu SIEMENS za účelem jeho adaptace pro potřeby rakouských železnic. Upravený systém dostal označení ELEKSA 93 S a obdržel schválení od rakouského ministerstva dopravy. Tento systém byl pak v roce 1995 nabídnut Českým drahám k provoznímu ověření a k případnému navazujícímu technickému schválení a celosíťovému zavedení. České dráhy, sekce 14 DDC vybraly pro ověření nového systému v provozních podmínkách lokalitu, jejíž obtížnost umožnila prověřit zařízení mnohem komplexněji, než jen z pohledu základních vlastností, které musí splňovat přejezdové zařízení v kterékoliv zemi. Cílem bylo proto kromě jiného zjistit, jak je nabízený systém flexibilní při komplikovanějších poměrech, a jak je schopen spolupracovat s ovládacími prvky, pro něž nebyl primárně konstruován. Takovým místem nasazení, u kterého byla navíc velmi nízká míra rizika, že při výpadku systému dojde k závažným obtížím pro silniční i železniční dopravu, byl přejezd v železniční zastávce Nová Paka město. 2.1

Konfigurace PZ Nová Paka město

2.1.1 Plán polohy PZ 70.827

2K 72.214

1K 71.841

Stará Paka

výstražník B

výstražník C

výstražník D

výstražníky A, E

RSR 1.1 70.307

RSR 1 70.000

Nová Paka

Obrázek 1 - Plán polohy PZ v Nové Pace 2.1.2 Řídicí hardware Hardware přejezdového zařízení je umístěn ve skříni, jež se nachází v domku v blízkosti přejezdu. Veškeré rozvody vodičů ve skříni jsou přístupné zepředu, takže skříň mohla být přisunuta ke zdi domku. Napájení a vnější prvky jsou připojeny přes stojan kabelového závěru vedle skříně. 2.1.3 Vnější zařízení Místní obsluha PZ se uskutečňuje dvěma ovládacími prvky: „nouzové otevření“ a „uzavření“, které jsou umístěny na vnější straně domku.

14

K vyvolání výstražného stavu PZ ve směru od Nové Paky jsou použity 2 kusy kolových čidel typu RSR 180 (Frauscher). Vyhodnocení se uskutečňuje v připojovacím modulu, umístěném v rámu skříně. Vyhodnocené signály jsou dále zpracovávány v ELEKSA 93 S za účelem vyvolání výstrahy jízdou vlaku. K vyvolání výstražného stavu PZ ve směru od Staré Paky jsou použity 2 paralelní kolejové obvody, primárně sloužící k ovládání sousedního přejezdového zařízení typu AŽD 71. Pro vyhodnocení stavu těchto kolejových obvodů slouží dvě opakovací relé ve stojanu kabelového závěru. Vyhodnocené signály jsou dále zpracovávány v ELEKSA 93 S za účelem vyvolání výstrahy jízdou vlaku. K vypnutí výstražného stavu jsou použity 2 kusy vozidlových čidel typu FSP od firmy Pintsch & Bamag. Vyhodnocení se uskutečňuje dvěma připojovacími moduly, umístěnými v rámu skříně. Výstroj dále tvoří 5 výstražníků, každý se dvěma červenými a jedním bílým přerušovaným světlem. Připojeny jsou též dva zvonce. Přejezdníky nainstalovány nejsou. 2.1.4 Dálková kontrola Do stanice je přenášeno prostřednictvím reléového rozhraní 5 hlášení (bezporuchový stav, nouzový stav, poruchový stav, výstražný stav a bezanulační stav). V dopravní kanceláři jsou tyto stavy signalizovány výpravčímu svítivkami. Výpravčí má dále k dispozici 4 povely, přenášené bezpečně na PZ (reléové rozhraní). Těmito povely jsou výluka kolového čidla RSR1, vypnutí PZ, uzavření a nouzové otevření. 2.1.5 Archivace Poruchy a změny stavu jsou postupně ukládány do paměti typu FIFO v CPU (cca. 190 hlášení). Prostřednictvím modemů a přenosového vedení do stanice Stará Paka, kde se nachází stanoviště údržby, mohou být tato hlášení ukládána na diagnostickém PC; zde je lze poté dále zpracovávat. 2.2 Dvouvětvový systém SIMATIC jako základ ELEKSA 93 S Koncepce dvouvětvového systému SIMATIC pro použití v železniční zabezpečovací technice je založena na zkušenostech z široce rozšířeného a úspěšně nasazeného systému SIMATIC S5-100U. Aby byla zaručena vysoce spolehlivá technologie pro nejrůznější úlohy v zabezpečovací technice, byly dílčí systémy zdvojeny (subsystém 1 a subsystém 2). Znamená to, že všechny datové vstupy jsou připojeny paralelně na oba hardwarově i softwarově shodné subsystémy. Výsledky, zpracované odděleně v každém subsystému, jsou sdělovány protějšku prostřednictvím desetivodičového propojení. Rozdíly v jejich stavech vedou k okamžitým opatřením, které mají za úlohu zajistit chování fail-safe. Oba subsystémy zpracovávají identický program a reagují proto v bezporuchovém stavu shodně. Pro kontrolu funkčnosti obou subsystémů je každým ze subsystémů cyklicky měněn stav zvláštního relé (KS, KT). Ovládání tohoto relé je sdělováno také protějšku. Každý subsystém je vzájemnou výměnou signálů, změn stavů, poruch a kontrolního cyklu trvale informován o stavu a právě zpracovávané funkci svého protějšku; může proto při chybné reakci zajistit přechod do bezpečného stavu. Software v každé větvi kontroluje 10 signálních vedení protějšího subsystému. Tyto se musí nacházet za normální situace obou subsystémů ve shodných stavech. Dojde-li k rozdílu v těchto signálech, je nastaven každým ze subsystémů definovaný bezpečný stav. 15

Signály, které v bezporuchovém stavu svůj stav nemění, jsou testovány cyklicky (v kontrolním cyklu), a to krátkodobou změnou stavu. Kontrola se provádí protějším subsystémem. Pokud nedojde ke změně ve stavu signálu, je opět nastaven bezpečný stav. Jelikož kontrolou paralelního rozhraní na shodnou funkci a cyklickým prověřováním bezporuchového stavu obou subsystémů může být detekována každá odchylka v činnosti kteréhokoliv subsystému, jež je následně okamžitě převedena do bezpečného stavu, je možné považovat celý systém z hlediska kritérií zabezpečovací techniky za bezpečný. 2.3

Funkční struktura

2.3.1 Paralelní propojení Oba subsystémy S5-100U (CPU 103) pracují zcela samostatně, přestože s identickým uživatelským programem (STEP-5, standardní software pro PZ). Aby bylo bezpečně zajištěno, že oba subsystémy pracují současně, je prostřednictvím 10 párů propojovacích vedení zajištěna synchronizace událostí. Prostřednictvím 10 signálních vedení, které jsou vedeny ze subsystému 1 na subsystém 2 a opačně, sdělují subsystémy svému protějšku svůj samostatně zpracovaný aktuální stav. Protější subsystém tento stav přijme a čeká, zdali dojde v průběhu 1.5 sekundy k témuž výsledku. Paralelní propojení je tvořeno 20 vedeními: • 10 vedení ze subsystému 1 do subsystému 2 10 vedení ze subsystému 2 do subsystému 1 Přenášeny jsou následující stavy (události): • • • • • • • • • •

Povel k zapnutí/vypnutí výstražného stavu Zapnutí bílých světel na výstražnících Zapnutí červených světel na výstražnících Aktivace přejezdníku, PZ uzavřeno PZ uzavřeno/neuzavřeno Porucha Kontrolní cyklus relé KS/KT Nouzové uzavření - aut. uvedení do výstrahy Chyba min. 1 žárovka OK na všech výstražnících

16

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 S10

Principiální schéma ELEKSA 93 S

Dobíječ

Baterie

Oddělení 2.5 kV

Vzájemná kontrola Diagnostika

Subsystém A

Subsystém

Dálková kontrola

B

Čidla, ovládací prvky KS, KT - Bezpečnostní obvod

Modul výstražníku

Výstražník

Výstražník

Modul přejezdníku Přejezdník

Přejezdník

Modul výstražníku

Modul přejezdníku

Obrázek 2 - Principiální schéma zapojení ELEKSA 93 S

Pokud dojde k vyhodnocení události, na kterou je nutno reagovat bezpečnějším směrem, tj. uvedením přejezdového zařízení do výstrahy (např. vlak ovlivnil kolové čidlo), je bezpečnější stav nastaven nezávisle na protějším subsystému. Současně je signálním vedením S1 protějšku sdělen povel k zapnutí výstražného stavu. V časové smyčce každého subsystému je kontrolováno, zda protějšek provádí tutéž funkci. Každý subsystém musí svému protějšku do 1.5 s oznámit, k jakému výsledku dospěl. Je-li událost vyhodnocována i nadále jen jedním subsystémem nebo přijde-li hlášení od druhého subsystému příliš pozdě, je PZ nouzově uvedeno do nevratné výstrahy. Tohoto projevu je dosaženo aktivací nezávislých prověřovacích modulů, které v každém z obou subsystémů kontrolují paralelní vedení S1 až S5. Rovněž signály S6 až S10 jsou bezpečně vázány a zpracovávány. Pokud by chtěl subsystém zrušit výstražný stav PZ (např. po projetí vozidlových čidel), provádí se prostřednictvím paralelního rozhraní porovnání odpovídajících signálů. Povel ke zrušení výstražného stavu bude proveden jen tehdy, jestliže se oba subsystémy shodly, oba subsystémy vyhodnotily tentýž signál a od svých protějšků totožný signál přijaly. Neprotestuje-li žádný z prověřovacích modulů a dávají-li oba subsystémy shodné signály na výstupní prvky přejezdového zařízení, je povel ke zrušení výstražného stavu uskutečněn.

17

Při zaznamenání vstupu vedoucího k vyvolání výstražného stavu je tolerováno oběma subsystémy zpoždění 1.5 sekundy. Při ukončování výstražného stavu je tento čas prodloužen na 6 sekund. V této době ovšem zůstává PZ ve výstražném stavu. Nedojde-li po uplynutí této doby ke shodnému výsledku v obou subsystémech, je PZ nouzově uvedeno do nevratné výstrahy. 2.3.2 Cyklická synchronizace Oba subsystémy mají nezávislé bezpečnostní obvody, které jsou cyklicky (v nastavitelném cyklu 10 - 999 s) testovány. Znamená to, že oba subsystémy ovládají cyklicky své příslušné KS (KT) relé. Přítah a odpad obou relé je oběma subsystémy zpětně kontrolován. 2.3.3 Zapnutí výstražného stavu Každý subsystém je opatřen nezávisle na svém protějšku vlastním výstupem pro ovládání výstražného stavu. Každý povel k vyvolání výstrahy je protějšku sdělen prostřednictvím signálního vedení S1 (logická 0 = zapnuto), návazně se mění signál S3 na logickou 1 (červená světla výstražníků zapnout). Je-li dosaženo stavu PZ uzavřeno a PZ je v bezporuchovém stavu, jsou si předávány kontrolní signály S4. 2.3.4 Vypnutí výstražného stavu Každý subsystém musí samostatně vyhodnotit povel ke zrušení výstražného stavu a přepnout signál S1 do logické 1. Po pozitivním porovnání obou S1 informací může být povel ke zrušení výstražného stavu vykonán. Nakonec musí oba systémy současně rozpoznat stav PZ otevřeno a sdělit tuto skutečnost svému protějšku. Teprve pak je možno PZ považovat za otevřené a červené světlo je odepnuto. 2.3.5 Uvedení PZ do základního stavu Každý subsystém musí samostatně vyhodnotit povel k zapnutí lunobílého světla, tj. signál S2 přepnout do logické 1. Po pozitivním porovnání obou S2 informací může být povel k uvedení zařízení do základního stavu vykonán. 2.3.6 Modul ovládání výstražníku Modul ovládání výstražníku (LZA) byl vyvinut pro ovládání dvou výstražníků. Modul ovládá shodně oba výstražníky a kontroluje přerušení vlákna a zkrat na všech žárovkách. Kontrola přerušení vlákna a zkratu je periodicky prováděna taktéž u zhaslé žárovky. Výstražníky jsou prostřednictvím modulu přiřazeny vždy jen jednomu kanálu. Druhý kanál nemá možnost tyto výstražníky ani ovládat ani kontrolovat. Z toho důvodu musí být v každém směru, ze kterého se k přejezdu může blížit silniční uživatel, zřízen alespoň jeden výstražník od každé větve SIMATICu. Na realizovaném přejezdovém zařízení (viz ‫ )א‬jsou subsystémem 1 řízeny výstražníky A, B a E, subsystémem 2 pak výstražníky C a D. Modul LZA obsahuje vlastní CPU a je připojen na sběrnicový systém SIMATIC S5-100U. S centrálním modulem LZA komunikuje za použití pevného protokolu. Protokoly jsou si navzájem vyměňovány i tehdy, když nedochází k žádné změně stavu, aby LZA modul mohl zjistit, zda centrální modul SIMATIC S5-100 ještě pracuje (a též naopak). Zjistí-li modul LZA výpadek centrálního modulu, automaticky sám zapíná na výstražnících červená světla. 2.3.7 Ovládání závor 18

Pro řízení pohybu závor slouží standardní osmivýstupový digitální modul s reléovým rozhraním ,na který jsou připojeny výkonové stykače. Snímání polohy závorových břeven je provedeno přes taktéž standardní osmivstupový digitální modul. Vlastní ovládací procesy jsou vykonávány v CPU. 2.3.9 Napájení systému Napájení zařízení je zajišťováno z akumulátorového bloku Sonnenschein Dryfit OGiV (24 V=, 108 Ah). Napájení akumulátorů zajišťuje dobíječ Benning 24 V= / 60 A. Dobíječ je napájen z veřejné sítě (230 V +/- 15%, 50 Hz). Každý subsystém je napájen z vlastního DC/DC měniče. DC/DC měniče jsou napájeny z akumulátorového bloku. Výstupní napětí je dvojnásobně kontrolováno.

2.3.8 Schéma připojení vnějšího zařízení Nápravová čidla RSR1 a RSR1.1 Vozidlová čidla FS1a a FS1b Kolejové obvody 1K a 2K

Subsystém 1

Pohony závor 1 a 2 Výstražníky A, B a E Výstražníky C a D

Ovládání zvonců

Subsystém 2

Místní obsluha Rozhraní ke kontrol. skř. Obrázek 3 - Schéma připojení vnějšího zařízení

19

3. Zkušenosti z ověřování ELEKSA 93 a jejich přínos pro budoucí přejezdová zařízení V průběhu provozního ověřování, ale také již před jeho zahájením bylo nutné vyřešit množství otázek, které vyplývaly z potřeby jednak adaptovat zahraniční systém pro naše podmínky, jednak definovat dosud chybějící podmínky činnosti elektronického přejezdového zařízení. K tomu se dále přiřadila možnost určit si další vlastnosti, kterými by mohlo zařízení nové generace disponovat, a které u reléových systémů nebyly myslitelné. Níže uvedený výčet shrnuje poznatky, ke kterým se v průběhu práce se systémem ELEKSA 93 S došlo, a závěry z nich vyplývající. 3.1 Základní kritéria vstupů z kolejových obvodů Přejezdové zařízení ELEKSA 93 S je jako zařízení původně určené pro německé (rakouské) železnice koncipováno pro spolupráci s bodovými ovládacími prvky. Přestože výrobce uvádí, že spolupráce s kolejovými obvody je možná, základní algoritmy činnosti zařízení odpovídají právě ovládání prvky bodovými. Při úvahách o nasazení takového typu zařízení do provozu Českých drah se shodně s tím uvažovalo o potřebě systémově nahradit dosavadní liniové způsoby ovládání přejezdových zařízení kolejovými obvody z důvodu jejich problematické spolehlivosti na málo zatížených tratích. (Na síti ČD sice existuje několik exemplářů PZ typu VÚŽ 77, tyto však postupně dožívají.) Prvním elektronickým přejezdovým zařízením tohoto typu se stal systém PZZ-E firmy AŽD instalovaný v Oboře u Plzně. Ve shodě s výrobním sortimentem firmy AŽD jsou jeho ovládacími prvky Anulační soubory typu ASE5. Při stanovování podmínek činnosti přejezdového zařízení od firmy SIEMENS musel být ovšem řešen problém obecněji, neboť se žádalo použití nikoliv jen standardních bodových prvků, jako jsou kolová či vozidlová čidla, ale též využití stávajících kolejových obvodů pro tuto funkci. V souladu s konfigurací přejezdového zařízení v Nové Pace bylo potřeba využít kolejových obvodů sloužících pro liniové ovládání sousedního přejezdu typu AŽD 71 k bodovému spouštění výstrahy PZ ELEKSA 93 S. Bodový charakter nabyly kolejové obvody z toho důvodu, že jejich umístění nepokrývá celou délku přibližovacího úseku. Důsledkem takového uspořádání byla nutnost definovat chování systému přejezdového zařízení při různých stavech kolejového obvodu tak, aby bylo na jedné straně zajištěno správné chování přejezdového zařízení při mimořádných stavech na kolejovém obvodu, a na straně druhé nebyla snížena úroveň bezpečnosti. Výsledky ověřovacího provozu přinesly další potřebu úprav logiky po spolupráci s kolejovými obvody, až se tato ustálila na stavu, který je popsán níže a jehož aplikace bude i nadále vyžadována u dalších instalací přejezdových zařízení. 3.1.1 Kolejový obvod volný Kolejový obvod je možno považovat za volný, pokud nedošlo k odpadu kolejového relé na dobu delší než 3 sekundy. Pokud je odpad relé kratší než tři sekundy, je nutno zahájit měření času; dojde-li nyní k následnému odpadu relé do 10 sekund (i na dobu kratší než 3 sekundy), je obvod nutno považovat za obsazený, a to již od okamžiku prvního odpadu kolejového relé. Důvodem tohoto opatření je potřeba eliminovat krátkodobé propady kolejového relé, které mohou být zapříčiněny: • vnitřními stavy kolejového obvodu 20

• krátkodobým šuntem při přecházení kolejového obvodu kozou s řetězem • zkouškou šuntové citlivosti Pokud by tyto případy nebyly eliminovány, došlo by k nevratnému vyvolání výstrahy, neboť přejezdové zařízení by očekávalo jízdu vlaku směrem k přejezdu a z důvodu zajištění bezpečnosti by bylo nuceno trvale signalizovat výstražný stav. Výstražný stav by mohl být ukončen jen manuálním zásahem obsluhy. Je pochopitelné, že pokud má být kolejový obvod za uvedených podmínek uplatněn ve funkci bodového zapínacího prvku, musí být jeho začátek předsunut před vypočítaný začátek přibližovacího úseku. V praxi se ovšem budování nových kolejových obvodů pro tento účel nepředpokládá, a u obvodů, které jsou využity pro sousední přejezd bývá tento požadavek bez obtíží splněn, takže je naopak potřebné okamžik spuštění výstrahy odložit (samozřejmě s přihlédnutím k výše uvedenému 3 sekundovému opoždění). 3.1.2 Kolejový obvod obsazen Obdobný problém jako v předchozím případě je nutno řešit, když se uvažuje o vyhodnocení obsazení kolejového obvodu, resp. ukončení obsazenosti obvodu po jeho uvolnění železničním vozidlem. Tento výstup kolejového obvodu je logicky vyhodnocován jednak pro uvedení přejezdového zařízení do základního stavu (působí-li kolejový obvod ve vzdalovacím úseku) jednak pro detekci uvolnění kolejového obvodu, nepokračuje-li vlak směrem k přejezdu. Posledně jmenovaná situace je velmi důležitá v případech, kdy sled obsazování a uvolňování kolejového obvodu slouží pro rozlišení směru jízdy vlaku - rychle po sobě následující ovlivnění kolejového obvodu může způsobit zaregistrování chybného směru jízdy a z toho vyplývající nevratné uvedení přejezdového zařízení do výstrahy. Pro správnou funkci přejezdového zařízení proto byla stanovena níže uvedená podmínka: Po zjištění, že kolejový obvod je obsazen, je nutno příznak obsazení udržet po dobu 10 sekund od posledního okamžiku, kdy bylo kolejového relé ještě odpadlé. Pouze po aplikaci této podmínky je povoleno považovat kolejový obvod za uvolněný, a tak vyloučit vlivy krátkodobých ztrát šuntu. 3.2 Napájení PZ S problematikou napájení přejezdového zařízení byly spojeny obtíže zejména z důvodu nedostatečné přesnosti kritérií, uvedených v ČSN 34 2650. Z toho důvodu bylo nezbytné při projednávání požadavků na zařízení nejprve určit chybějící parametry tak, aby se nové zařízení z hlediska požadavků na napájení nijak nelišilo od zařízení již provozovaných, přesněji řečeno, aby jeho požadavky na napájení nebyly přísnější než u zařízení dnešních. Druhou oblastí, která byla v souvislosti s napájením elektronického zařízení řešena, byla možnost upravit režim činnosti přejezdového zařízení v případech, kdy dojde k omezení napájecích zdrojů. Dále uvedené podmínky činnosti jsou výtahem z těch, které byly na zařízení ELEKSA 93 S úspěšně uplatněny, a jejichž použití se předpokládá u všech dalších typů elektronických přejezdových zařízení. 3.2.1 Základní kritérium Norma ČSN 34 2650 stanoví, že při absenci druhé přípojky síťového napájení musí být zařízení schopno vykonávat svou funkci po dobu 8 hodin od okamžiku výpadku základního napájení. Při zkoušení zařízení v laboratořích SIEMENS Vídeň bylo splnění tohoto kritéria prověřováno tak, že bylo zařízení ponecháno po dobu 12 hodin ve výstražném stavu, byla 21

odečtena úroveň napětí baterie a poté následoval opakovaný test celého cyklu základní stav výstražný stav, a to se simulovanou činností závorových břeven. 3.2.2 Pokles napájecího napětí při výpadku sítě Pro chování přejezdového zařízení při výpadku sítě (a absenci druhé přípojky) se určuje postup, který je v současné době zapracován i do nového návrhu ČSN 34 2650: Při výpadku sítě se indikuje nouzový stav a je dovoleno odepnout lunobílá světla výstražníků. Po poklesu napětí baterie pod mez stanovenou pro bezpečnou funkci systému nebo pod práh požadované svítivosti žárovek výstražníků je nutno indikovat poruchový stav přejezdu a ukončit činnost závor (vždy však v horní koncové poloze). Ostatní funkce musí zařízení plnit v celém rozsahu. Při poklesu napětí pod kritickou mez, stanovenou výrobcem baterií, je dovoleno přejezdové zařízení odpojit od napájení. Toto odpojení se však nesmí uskutečnit dříve než po uplynutí kritické doby od indikace poruchového stavu. Novinkou v uvedené specifikaci je zejména možnost odpojit činnost mechanické výstrahy, což významně šetří baterii před proudovými nárazy při zvedání závorových břeven. Dále byla též upřesněna činnost přejezdu po poklesu napájecího napětí baterie pod stanovenou mez. Zde je novým pojmem kritická doba, což je doba, za kterou je schopno nejpomalejší železniční vozidlo (20 km/h) urazit vzdálenost od místa, ve kterém mohlo být zpraveno o poruchovém stavu přejezdového zařízení, k vlastnímu přejezdu. 3.3 Prověření správné činnosti jednotlivých druhů výstrah Nové principy elektronického přejezdového zařízení umožňují i nové pohledy na vyhodnocování správné činnosti vnějších prvků signalizujících stav PZ silničnímu uživateli, jakož i přesnější definování parametrů, které musí jejich řídicí obvody splňovat. 3.3.1 Činnost světelné výstrahy Nastavení frekvence přerušování svitu žárovek výstražníků je možné podstatně zpřísnit - u nových zařízení jsou proto definovány úrovně: • červená světla 1 Hz ± 5%, poměr světlo/tma 50% ± 5% • lunobílá světla 2/3 Hz ± 5%, poměr světlo/tma 50% ± 5% Nově uspořádané řídicí obvody napájení návěstních žárovek dále umožňují přesnější nastavení a kontrolu napájecího napětí žárovek. Např. modul výstražníku ELEKSA 93 S je koncipován jako impulsní spínač napětí 24 V, který při frekvenci 50 Hz automaticky mění šířku impulsu v závislosti na velikosti odporu vedení k žárovkám tak, aby bylo dosaženo požadované svítivosti1. Tato změna je samozřejmě konečná, aby nedošlo k maskování případné poruchy na žárovce. Jinou možností,jak zlepšit kontrolu funkce zařízení, je provádění testů celistvosti vlákna žárovky za studeného stavu. Tato metoda umožňuje detekovat poruchu předtím, než vznikne potřeba vadnou žárovku použít a účinně tak napomáhá zkrátit dobu, po kterou přejezdové zařízení není v bezporuchovém stavu.

1

Svítivost se určuje nepřímo z elektrických parametrů žárovky, které jsou programovatelné na každém modulu výstražníku.

22

3.3.2 Činnost zvukové výstrahy Na činnost zvukové výstrahy se vztahují z hlediska přesnosti řídicích obvodů tytéž požadavky jako u výstrahy světelné (frekvence - 1 Hz ± 5%). Nově se ovšem zavádí požadavek kontrolovat funkci zvukové výstrahy, a to buď snímáním vyvolaného zvuku, nebo alespoň kontrolou funkčnosti napájecího proudového okruhu zvukového zdroje. 3.3.3 Činnost závorových břeven Právě činnost mechanické výstrahy byla oblastí, která z hlediska uplatnění nových požadavků v souvislosti s novou generací přejezdových zařízení doznala největších úprav. Relativně jednoduché požadavky, stanovené normou na přejezdová zařízení, se ukázaly být podstatně komplikovanějšími při jejich transformaci do logiky řízení a vyhodnocování činnosti závorových břeven. Důvodem byl jednak požadavek na omezení doby záběrového proudu při zvedání břevna, dále pak potřeba přesněji určit nesprávnou činnost mechanické výstrahy z hlediska sklápění a zvedání břeven, resp. kontroly jejich koncové polohy. Dále jsou proto uvedeny postupy, které je možno považovat za nové. Pokud při sklápění břeven závora nedosáhne dolní koncové polohy do 10 s, je nutno indikovat nouzový stav. Pokud při zvedání břevna závora nedosáhne horní koncové polohy do 10 s, musí dojít k odpojení ovládacího proudu a indikaci nouzového stavu. Následuje dále odměření doby 20 s a poté připojení ovládacího proudu na dobu 10 s - pokud ani nyní nedojde k dosažení horní koncové polohy, zůstává závora v dolní poloze (jen ta porouchaná). Světelná výstraha musí zůstat aktivní na všech výstražnících až do doby dosažení horní koncové polohy všech závorových břeven. Pro další pokus o zvednutí břeven je možno použít tlačítka pro nouzové otevření přejezdu místní nebo dálkové. Dojde-li nyní k dosažení horní koncové polohy, ukončí přejezdové zařízení výstražný stav. Pro kontrolu správnosti horní koncové polohy břevna je definováno, že pokud dojde k rozpojení kontaktu kontroly horní koncové polohy třikrát v době do 30 sekund, je vyvolán nouzový a výstražný stav. Po odměření předzváněcí doby pak následuje sklopení závorových břeven. Pokud dojde k opuštění dolní koncové polohy břevna, je nouzový stav vyvolán neprodleně. Nouzový stav trvá vždy až do doby, kdy je následnou jízdou vlaku potvrzeno, že činnost mechanické výstrahy je úplná a správná. Teprve poté je možno považovat nouzový stav za ukončený. Pokud přejezdové zařízení vyžaduje pro kontrolu správné funkce celého zařízení jízdu alespoň jednoho vlaku v každém směru, dochází k ukončení nouzového stavu až po splnění této podmínky. 3.4 Obsluha z kontrolní skříňky, z domku přejezdu Co se týče manuální obsluhy přejezdového zařízení, tato oblast nedoznala větších změn. Došlo zde jen k úpravě činnosti nouzového otevření přejezdu tak, aby obsluhující pracovník nemusel trvale držet tlačítko otevření přejezdu a dále k uplatnění funkce dopravní klid na přejezdu, který nebyl v dosavadní normě ČSN 34 2650 definován.

23

3.4.1 Nouzové otevření přejezdu Povel nouzové otevření přejezdu musí být možno uplatnit vždy, s výjimkou přejezdu vyloučeného (nesmí být ani závislý na stavu smyček či kolejových obvodů). Toto ustanovení je velice důležité právě při implementaci zahraničních zařízení, neboť u jiných železničních správ je možnost použít tento povel omezeně v případech, kdy přejezdové zařízení spolehlivě registruje vlak v prostoru přejezdu. Tehdy je nouzové otevření vyloučeno. Další podmínky reakce na povel k dálkovému nouzovému otevření: • v případech, kdy je možno z vnitřního stavu přejezdového zařízení vyvodit, že se žádný vlak nenachází v obvodu přejezdu (mezi zapínacími prvky) a žádný z kolejových ovládacích prvků není ovlivněn (ani poruchou), je důsledkem ovlivnění tlačítka nouzového otevření zrušení výstrahy trvalé (bez zapnutí lunobílých světel). • v ostatních případech je povel aktivní po uplynutí stanované doby (cca. 180 - 240 s) od okamžiku vyvolání výstrahy, a to po dobu 100 s. Ovlivnění tlačítka po uplynutí 100 s opět otevře PZ na dobu 100 s, atd. Je-li ovšem PZ otevřeno povelem z tlačítka nouzového otevření na dobu 100 s, musí být možné otevření okamžitě zrušit opětovným ovlivněním téhož tlačítka. 3.4.2 Dopravní klid Uplatnění povelu dopravní klid vyvolá na přejezdovém zařízení následující reakce: • odpojení lunobílého světla v případě, že zařízení zaregistrovalo ovlivnění kolejových ovládacích prvků, nebo se vnitřně nenachází v základním stavu, • závory jsou uvedeny do horní polohy • z hlediska vnějších projevů zařízení dále nereaguje na žádné podněty, vnitřně ovšem registruje ovlivnění jednotlivých vstupů a uvádí se do příslušného stavu2 tak, aby po zrušení dopravního klidu bylo schopno zaujmou aktuální stav 3.4.3 Výluka ovládacích prvků v domku přejezdu Do současné doby je na přejezdových zařízeních provozovaných Českými drahami aplikována tzv. výluková zásuvka, která umožňuje dezaktivovat vliv kolejových ovládacích prvků ve zvolené koleji na činnost přejezdového zařízení. U elektronických zařízení má tato zásuvka podobu ovladače, který svou polohou, popř. i přídavnou indikací informuje o svém stavu. Novinkou, která byla poprvé uplatněna u zařízení ELEKSA 93 S pro ČD, a která našla své místo i v ČSN 34 2650, je, že u jednokolejných přejezdů se přejezdové zařízení, u kterého byla provedena výluka ovládacích prvků, dostává automaticky do poruchového stavu. 3.4.4 Výluka ovládacích prvků z kontrolní skříňky U zařízení s bodovými ovládacími prvky, která zabezpečují přejezd v blízkosti stanice, takže jejich přibližovací úseky zasahují do záhlaví, popř. až do zhlaví stanice, je potřebné se vypořádat s problematikou posunu, který nezajíždí až do přejezdu (zpravidla posun po označník). Vzhledem k tomu, že bodové prvky jsou přímo navázány na přejezdové zařízení, a 2

Výjimkou je činnost časovačů, které neběží (např. měření mezní anulační doby), nebo jejich výstupy nejsou aktivní.

24

nejsou tedy žádným způsobem součástí staničního zabezpečovacího zařízení, musí být možno zavést zvláštní ovládání pro tyto situace z kontrolní skříňky přejezdu. Nové typy přejezdových zařízení proto musí disponovat bezpečným vstupem, při jehož ovlivnění dezaktivují vliv určeného ovládacího prvku na činnost zařízení. Obdobně jako je tomu u výluky ovládacích prvků v domku přejezdu, i zde se žádá indikovat poruchový stav, neboť v době výluky není přejezdové zařízení schopno bezpečně vyvolat výstrahu odvozenou od jízdy železničního vozidla přes neaktivní prvek. 3.5 Diagnostická paměť Všechna elektronická přejezdová zařízení disponují pamětí několika posledních stavů přejezdu. Tato paměť může být dále použita při detekování závad, preventivní diagnostice, popř. při rozborech nehodových událostí na přejezdu. Z těchto důvodů musí záznamy této diagnostické - paměti obsahovat: • ovlivnění kteréhokoliv ovládacího prvku • skutečný okamžik obsazení a uvolnění kolejového obvodu (tedy nikoliv záznam jejich logického stavu po umělém prodloužení předcházejícího stavu o 10 s), a to i tehdy, je-li doba obsazení kratší než 3 sekundy • činnost vnějších ovládaných prvků - jednotlivých vláken světel výstražníků, polohy a směru pohybu závorových břeven • stav indikací na kontrolní skříňce • stav manuálních povelů z kontrolní skříňky (okamžik zavedení a zrušení) • vnitřní stav zařízení (základní, vypnutý, výstražný, anulační,...) pro každý z obou přejezdů • důležité vnitřní stavy vlastního systému dle specifikace dodavatele • diagnostické informace pro údržbu, které mohou napomoci identifikovat vadný modul systému

4. Příprava instalace BUES 2000 Již v roce 1993 projevila firma Scheidt & Bachmann zájem provozně ověřit v podmínkách Českých drah přejezdové zařízení typu BUES 2000. Toto zařízení, které bylo vyvinuto na počátku devadesátých let jako plně elektronické přejezdové zařízení, bylo v té době ověřováno u některých privátních železnic v západní Evropě a bylo též předáno EBA pro účely technického schválení. Firma nabízela v České republice bezplatné ověření způsobilosti nového přejezdového zařízení pro České dráhy v provedení jednokolejného ostrovního zařízení (bez vazeb na stanici či jakýchkoliv jiných přídavných funkcí). Tato filosofie ověřování ovšem nebyla zástupci ČD přijata, neboť v případě ověřování nových zařízení je vždy záměrem co možná nejkomplexnější odzkoušení zařízení (a též i potřeba jeho umístění do lokality, která výměnu přejezdového zařízení nutně vyžaduje). Na nabídku bylo proto reagováno tak, že byl navrhnut přejezd v zastávce Nová Paka město (viz výše). Po cca. půlroční odmlce firma Scheidt & Bachmann oznámila, že z kapacitních důvodů nemůže svým závazkům dostát a od svého záměru ustupuje.

25

Brzy poté, co se úspěšně rozeběhla akce ELEKSA 93 S, ozvali se zástupci firmy Scheidt & Bachmann znovu s tím, že nyní jsou schopni splnit i náročnější požadavky. Jelikož Nová Paka byla již novým zařízením osazena, bylo vybráno místo nové, kterým se stala železniční stanice Hanušovice, přesněji mezistaniční úsek Hanušovice - Jindřichov. V tomto místě se bude jednat o náhradu systému VÚD, který zde ovládal dva sousedící přejezdy (km 0.734 a 0.809). Původním záměrem bylo proto použít též jen jediný blok zařízení BUES 2000; to se však ukázalo jako neschůdné, takže do jednoho společného domku budou instalována dvě zařízení se společným napájením a se sdílenými kolejovými ovládacími prvky. Těmito prvky budou jednak firmou dodané vozidlové smyčky FSSB, které mají certifikaci od EBA jako bezpečný prvek pro spouštění výstrahy, jednak pak kolejové obvody, v tomto případě však - odchylně od Nové Paky - jako liniový ovládací prvek. Situaci v Hanušovicích dále komplikuje vlečka, která odbočuje v těsné blízkosti přejezdů a posun ze stanice, pro jehož vykonávání bude potřeba dezaktivovat první ovládací vozidlovou smyčku. Vlastní ovládání kolejovými prvky je doplněno o povel ke spuštění výstrahy na přejezdovém zařízení odvozený od postavení odjezdového návěstidla ve směru Jindřichov. Naopak přejezdové zařízení BUES 2000 bude odpovědné za vydání příkazu ke spuštění výstrahy na dalším přejezdu v témže směru. Informace o stavu přejezdu budou přenášeny jednak na kontrolní skříňku v dopravní kanceláři v žst. Hanušovice, jednak pak na stavědlo, odkud je řízen posun. Z uvedeného je patrné, že situace, ve které bude přejezdové zařízení ověřováno je dostatečně složitá na to, aby bylo prověřeno, že nabízené zařízení je dostatečně flexibilní a že dodavatelská firma je schopna vyhovět požadavkům, které mohou být na přejezdové zařízení v síti Českých drah kladeny.

5. Závěr Možnost podílet se na instalaci nových typů přejezdových zařízení do provozu na síti Českých drah přinesla všem zúčastněným množství nových zkušeností. Jejich využití je možno pozorovat již dnes při tvorbě nových norem (ČSN 34 2650) pro železniční přejezdová zabezpečovací zařízení, jakož i základních technických požadavků na tuto kategorii zabezpečovacích zařízení pro České dráhy. Nově nasazená zařízení po svém zavedení dále umožní vytvořit konkurenční prostředí na trhu s přejezdovými zařízeními a zlepšit tak sortiment použitelných typů v provozu Českých drah.

26

1.493

L

Jindřichov 1.463

2

50

1.062

40

1.015 1.007 1.000 0.950 20

vlečka 0.844 0.832

0.831

0.825 0.819 0.809 0.802 40

0.771 0.758 40

0.734 0.724 Lc

0.700

0.629 15

0.610 0.573 0.500 0.420 0.400

40

1

0.389 0.200

Hanušovice

Sx

Obrázek 4 - Situace na PZ v Hanušovicích 27

Literatura: 1. ČSN 34 2650 Předpisy pro železniční přejezdová zabezpečovací zařízení.1989. 2. ČSN 34 2650 Předpisy pro železniční přejezdová zabezpečovací zařízení:návrh změny.1998. 3. Základní technické požadavky pro elektronická přejezdová zařízení.Praha:ČD-DDC O14,1997. 4. Protokol ze závěrečného vyhodnocení PZ Jindřichov.Praha:ČD-VÚŽ O7, prosinec 1997.

v km

0.734,

0.809

Hanušovice

-

5. Vyhodnocení provozního ověřování ELEKSA 93 S v zast. Nová Paka město, SDC Trutnov: zápisy ze tří komisionálních projednání. Praha:ČD 1997. 6. Příručka pro obsluhu a údržbu přejezdového zařízení ELEKSA 93 Nová Paka město.Praha:Siemens listopad 1996.

Praha, únor 1998

Lektoroval:Ing.Petr Varadinov ČD-DDC,odb.14

28

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5

Ivo Myslivec, Pavel Špaček, Božetěch Šula

Automatické vedení vlaku AVV klíčová slova: cílové brzdění, regulace rychlosti, energetická optimalizace zabezpečovač jízdy vlaku, popis tratě ,Route Map, traťový informační bod

1. Charakteristika Systém AVV ČD je určen pro automatizaci řízení kolejových vozidel na tratích Českých drah. Zařízení je součástí vyššího systému řízení jízdy hnacích (a řídicích) vozidel označeného CRV&AVV, tj. Centrální Regulátor Vozidla a Automatické Vedení Vlaku. Zařízení je navázáno na liniový vlakový zabezpečovač ČD typu LS 90. Soubor zařízení se skládá z funkční, traťové a datové části. Mobilní část tvoří řídicí počítač, snímače traťových informačních bodů, zadávací klávesnice a displej na stanovišti strojvedoucího. Jádrem řídicího počítače jsou výkonné mikroprocesory (existuje verse 32 bitová a 16 bitová). Traťovou část tvoří systém adresných traťových informačních bodů. Adresná informace je kódována v zabezpečeném kódu a je přenášena na vozidlo pomocí stejnosměrného magnetického pole. Datová část, tzv. Route Map, obsahuje popisy tratí a data z jízdních řádů vlaků a je uložena v mobilní části zařízení ( v paměťovém poli řídicího počítače). Soubor CRV&AVV poskytuje mimo funkce ručního řízení vozidel ještě funkci řízení vozidla s automatickou regulací rychlosti jízdy (základní režim řízení vozidla) a funkci automatického cílového brzdění a vedení vlaku. . Dr.Ing. Ivo Myslivec, nar.1967. Absolvent FEL ČVUT Praha, obor technická kybernetika. Na VŠDS Žilina obhájil doktorskou práci z oblasti řídicích systémů hnacích vozidel.Do r.1996 ve VÚŽ, nyní v AŽD Praha s.r.o. se zabývá vývojem automatizačních a zabezpečovacích systémů. Ing.Pavel Špaček, nar.1951. Absolvent FEL ČVUT Praha, obor technická kybernetika. V letech 1975-96 pracovník VÚŽ, nyní vedoucí odd. vývoje automatizačních a řídicích systémů pro kolejová hnací vozidla v AŽD Praha s.r.o. Ing. Božetěch Šula, CSc., nar.1928. Absolvent Strojní fakulty ČVUT Praha, obor kolejová vozidla. Dizertační práci obhájil na VŠŽ Praha.Problematiku automatického řízení kolejových hnacích vozidel rozvíjel za svého působení v Moravskoslezské vagónce Studénka, později ve Výzkumném ústavu dopravním, resp. železničním. Nyní spolupracuje s AŽD Praha s.r.o.

2. Popis struktury systému AVV ČD - Obrázek č. 1 29

2.1. Funkční část 2.1.1. Centrální regulátor vozidla (CRV) Základní funkční částí systému je centrální regulátor vozidla (dále CRV), jehož úkolem je zajistit řízení vozidla v režimu "Automatická regulace rychlosti", kdy je vozidlo řízeno tak, aby dodržovalo (v režimu Jízda) resp. pouze nepřekračovalo (v režimu Výběh) nastavenou požadovanou rychlost. Tuto základní funkci je systém AVV schopen plnit na každém vozidle, na němž je instalován, a na každé trati, přičemž trať v tomto případě nemusí být vybavena žádným s AVV spolupracujícím zařízením. CRV je vnitřně členěn na centrální řídicí člen (CŘČ) a regulátor rychlosti (RR). Požadovaná rychlost může být zadávána buď přímo strojvedoucím nebo zařízením pro automatické cílové brzdění. 2.1.2. Regulátor rychlosti (RR) − −

− − −

Regulátor rychlosti je charakterizován následujícími rysy: navádění na požadovanou rychlost je aperiodické navádění a udržování rychlosti se děje regulací výkonu (je-li požadovaná rychlost větší než rychlost skutečná) nebo regulací brzdy (je-li požadovaná rychlost menší než rychlost skutečná). udržování rychlosti s vysokou přesností (+/- 1km/hod) podle sklonu tratě buď regulací výkonu, nebo regulací brzdy při brzdění se přednostně využívá dynamická brzda (pokud ji vozidlo má) možnost odměřování "konce vlaku" - automatické pozdržení předvolené rychlosti, dokud konec vlaku nemine místo, kde začíná vyšší dovolená rychlost.

K řízení tažné a brzdné síly vozidla se používá jednotný signál „poměrný tah“. Tímto signálem je možno řídit i několik (i navzájem různých) vozidel v soupravě. „Poměrný tah“ svou definicí vylučuje možnost vzniku požadavku většího, než je okamžitá trakční schopnost toho kterého vozidla. Na určitou hodnotu „poměrného tahu“ reagují různá vozidla hodnotou tažné (brzdné) síly poměrnou ke své okamžité maximální hodnotě. Zároveň „poměrný tah“ zajišťuje okamžitou reakci vozidla na změnu požadavku 2.1.3. Regulátor cílového brzdění (RCB) a optimalizátor jízdy vlaku (OJV) Regulátor cílového brzdění (dále RCB) a optimalizátor jízdy vlaku (dále OJV) jsou vrcholovými částmi systému. Takto úplný systém (CRV&AVV) je schopen zajistit automatické řízení vlaku (ATO - automatic train operation) tak, že zajišťuje: − respektování traťové rychlosti a dále samočinné cílové brzdění před místem, kde je snížena, − respektování návěstních znaků návěstidel a samočinné cílové brzdění k hlavním návěstidlům zakazujícím jízdu nebo povolujícím jízdu sníženou rychlostí, − samočinné cílové brzdění k nástupištím těch stanic a zastávek, ve kterých má vlak zastavit, − strojvedoucím spouštěné cílové brzdění k začátkům přechodných pomalých jízd (pomalé jízdy trvalejšího charakteru se mohou zanést do popisu tratě),

30

− samočinné zadávání výběhu v okamžiku, kdy je možné nejbližší stanice nebo zastávky dosáhnout jízdní strategií výběh - brzda v předepsaném čase (typicky +/- 3 s). Uvedený způsob jízdy vede ke minimální spotřebě energie pro trakční účely. Přitom přesnost navedení na určené místo zastavení vlaku nepřesahuje +/- 3 m, což je cca +/- 3 promile z odměřované vzdálenosti. Výše uvedené stručné body v sobě skrývají další schopnosti systému AVV: systém např. nedovolí překročení traťové, stanovené či návěštěné rychlosti ani při většině chybných manipulací strojvedoucího (např. omylem navolená větší rychlost, předčasná volba vyšší rychlosti apod.), zabrání nechtěnému projetí zastávky, omezuje možnost předčasného odjezdu, omezuje riziko "zapomenutí" návěstního znaku, přispívá ke snížení spotřeby energie (změřené úspory činily u osobního vlaku cca 30 %, v některých mezistaničních úsecích však až 80 % energie proti běžnému strojvedoucímu). 2.2. Traťová část - informační body Traťová část systému AVV je tvořena traťovými informačními body typu MIB 6, rozmístěnými v kolejišti podle určitých zásad. Informační bod sestává ze dvou dřevěných hranolů (profilu dřevěného pražce), uložených podélně v koleji. V těchto hranolech je umístěno celkem 8 permanentních magnetů. Rozmístění a polarita magnetů nesou informaci, kterou je schopno vozidlo svými patřičnými, jednoduchými snímači zjistit. Tato informace je unikátní u každého bodu v síti ČD. Použitý systém kódování poskytuje zabezpečení až na úrovni H = 8 a dává přes 30 000 směr jízdy rozlišujících variant. Tento počet je pro celou síť ČD postačující. Informační body tedy poskytují jednoznačnou informaci o okamžité poloze vlaku. Ostatní neproměnné informace potřebné pro vedení vlaku, jako například traťová rychlost (tedy i relativně zvýšená rychlost v obloucích pro jednotky s naklápěcími skříněmi v důsledku respektování všech úrovní pro ně povolené hodnoty nedostatku převýšení a délek přechodnic), poloha návěstidel, sklon tratě a jiné, získává AVV z mapy tratě (součást mobilní části), a to na prakticky libovolnou vzdálenost před vlakem. Při větvení tratě (staniční zhlaví) se prostřednictvím informačního bodu zjistí skutečné pokračování vlakové cesty (staniční či traťová kolej). Z uvedeného vyplývá, že informační body musí být instalovány především za každým zhlavím nebo kolejovým rozvětvením (míněno pro vlakové cesty, ne pro posunové). Většina zhlaví je přitom pojížděna oběma směry, takže na vícekolejných tratích (a v odbočných stanicích na jednokolejných tratích) budou podle předcházející zásady instalovány informační body z obou stran vícekolejných zhlaví. Na straně staniční koleje budou přitom informační body umísťovány v blízkosti izolovaných styků odjezdových (cestových) návěstidel - tím budou soustředěny do jednoho místa prvky vyžadující jistý ohled při údržbě kolejiště. Na straně tratě pak budou umístěny ve vzdálenosti nejméně 50 m od styku krajní výhybky, aby nemohly být zaměněny za magnety sloužící k označení hranice definičního úseku tratě (nepatřící k systému CRV&AVV). Na širé trati slouží informační body v zásadě pouze k upřesňování polohy vlaku na trati. Zde je však třeba brát v úvahu ještě skutečnost, že "adresy" informačních bodů mohou být zároveň použity pro identifikaci návěstidel při radiovém přenosu návěstních znaků. Pro trať s autoblokem tak vychází požadavek na 1 informační bod pro dvojici protisměrných oddílových návěstidel (nejsou-li obě návěstidla umístěna v témže místě, postačí 1 informační bod u jednoho z nich). Na vícekolejné trati přitom vjezdovému návěstidlu a prvnímu 31

návěstidlu automatického bloku (pokud netvoří protisměrnou dvojici oddílových návěstidel) přísluší informační bod na začátku traťové koleje (tj. u zhlaví - viz předešlý odstavec). Umísťováním informačních bodů k oddílovým návěstidlům je i zde dodržována zásada soustředění prvků vyžadujících ohled, navíc konstrukce informačního bodu nebrání strojnímu podbíjení. Počet informačních bodů potřebných pro vybavení konkrétní tratě vychází z počtu a velikosti stanic, z počtu traťových kolejí a traťových oddílů. Přibližný odhad lze přitom získat z délky tratě: pro dvoukolejnou trať Praha-Kolín (0. kolej není osazena) vychází 162 bodů na 62 km, tj. cca 2.6 bodu na kilometr, přitom ve stanicích jsou osazeny jen koleje, ve kterých mohou zastavovat vlaky osobní přepravy (obvykle 4 nebo 5 kolejí). Při respektování vlivu velkých stanic lze pak dospět k nejpesimističtějšímu odhadu 3.5 bodu na 1 km dvoukolejné tratě. Jako příklad rozmísťování traťových informačních bodů poskytuje schematické znázornění na obr.č.2. 2.3. Datová část 2.3.1. Popis tratě (Route map) Popis tratě vzniká zpravidla současně s projektem osazení tratě informačními body (tzv. prvotní pořízení). Zásady pro zpracování tohoto projektu, tj. především volba a umístění informačních bodů, byly uvedeny výše v čl. 2.2. Na tomto místě je třeba zdůraznit, že sestavování popisu tratě využívané vozidly s naklápěcími skříněmi z principu nevyžaduje z tohoto důvodu zvyšování počtu informačních bodů. Během dalšího užívání je pak popis tratě tratě aktualizován, například z důvodů změny rychlostního profilu tratě, změny polohy návěstidel při rekonstrukci zabezpečovacích zařízení, zřízení nové zastávky a podobně. Při větších rekonstrukcích tratí a stanic může být někdy nutné změnit polohu nebo i počet IB v rekonstruovaném místě. 2.3.2. Data ze (sešitových)jízdních řádů Obsahují především informace o číslech a trasách a stanovené rychlosti vlaků, na kterých má být systém RCB v činnosti, dále informace o zastavování těchto vlaků v jednotlivých stanicích a zastávkách a v neposlední řadě informace o časech příjezdů a odjezdů, resp. průjezdů těmito stanicemi, zastávkami nebo jinými významnými body tratě. Organizace datové paměti systému RCB umožňuje jak společné, tak i oddělené uložení popisů tratí a dat ze sešitových jízdních řádů (v druhém případě s různými přístupovými právy), rovněž je možné poměrně snadno omezit možnosti programových prostředků určených pro pořizování popisu tratí (a dat z jízdních řádů) pouze na zpracování dat z jízdních řádů. Od pracovišť odpovídajících za popisy tratí potřebuje zpracovatel dat z jízdních řádů pouze číselník tratí a výchozích míst na tratích (pro popis trasy vlaku) a číslování stanic a zastávek na jednotlivých tratích. 2.3.3. Pořizování a údržba datové části Práce týkající se pořízení a údržby dat pro systém AVV je vhodné rozdělit na: − prvotní pořízení a (ad hoc) údržbu popisu tratí, − pravidelné (roční) zpracování dat ze sešitových jízdních řádů a jejich (ad hoc) údržbu,

32

− šíření výše uvedených dat a jejich instalaci na vozidlech. Je zcela reálné získávat data ze sešitových jízdních řádů automatizovaně, na základě jiných databázi obsahujících potřebná data. Pokud tedy existují data pro automatizovaný tisk SJŘ, je možné z nich čerpat i pro data pro AVV. Vzhledem ke každoročnímu využití se vytvoření programových prostředků pro tyto účely vyplatí. Zatímco první dvě z výše uvedených činností by měly být zajišťovány kvalifikovaným pracovištěm, zbylou činnost může poměrně snadno zajistit i jiné pracoviště (s nižšími kvalifikačními nároky). Osoba zajišťující šíření a instalaci dat na vozidla nečiní žádné zásahy do popisu tratě, nýbrž pouze způsobem k tomu určeným zavádí popis jako celek do příslušných paměťových oblastí na vozidlech. Prostředky, jimiž jsou vozidla pro tyto účely vybavena, jsou pak již schopny v dostatečné míře kontrolovat korektnost této činnosti (testy úplnosti a konzistence přenášených dat apod.). Popis tratí (Route Map) celé sítě tratí České republiky (a data z jízdních řádů pro vlaky, přicházející v úvahu ) se svým objemem vejde do paměti umístěné na procesorové desce řídicího počítače (polovičního evropského formátu). 2.3.4. Další možnosti využití Použití informačních bodů a popisu tratě se neomezuje pouze pro účely automatizace vedení vlaku. Informační body je možno zaznamenávat např. do záznamu jízdy v rychloměru (tím dojde k žádané dráhové synchronizaci záznamu se skutečností), je možno je využívat pro orientaci měřicích vozů traťového svršku či trakčního vedení, využívat je k ochraně vícesystémových vozidel na styku dvou proudových soustav (k tomuto účelu jsou body instalovány např. v žst. Kutná Hora hl.n.), získávat z nich informace pro činnost informačních systémů ve vlaku či pro řízení naklápění vozidel s naklápěcími skříněmi (např. zákaz naklápění ve zhlavích) a dále pro adresné radiové návěstění. 3. Vzájemný vztah mezi zařízeními VZ-ČD (LS90 a předchozí verze) , AVV-ČD a ETCS 3.1. Vztah mezi VZ-ČD a AVV- ČD VZ-ČD je liniovým vlakovým zabezpečovačem - LVZ a je koncipován jako zabezpečovač s kontrolou bdělosti strojvedoucího a s přenosem návěstních znaků na stanoviště strojvedoucího (nazývaným též „kabinovou signalizací“, jejíž přínos, a to nejen pro bezpečnost provozu, je významný a provozem potvrzený). VZ - ČD je systému automatického vedení vlaku AVV nadřazen a AVV do jeho činnosti nijak nezasahuje. VZČD, resp. jeho mobilní část, poskytuje pro zařízení AVV na kódované trati návěstní znaky návěstidla, ke kterému se vlak blíží. Nejnovější verze mobilní části VZ-ČD LS90 má již ve své konstrukci k tomu vytvořené výstupy určené pro AVV, zatímco u starších verzí je třeba pro tento účel zřídit příslušný samostatný interface, který byl vytvořen v oblasti sdělovací a zabezpečovací techniky Výzkumného ústavu železničního. Na druhé straně AVV nesnímá ze strojvedoucího povinnost potvrzovat bdělost, když to zařízení VZ-ČD vyžaduje. Dále AVV doplňuje činnost vlakového zabezpečovače v tom, že samočinně řídí výkon a brzdy vlaku tak, aby: − vlak jel nejvýše rychlostí, která odpovídá dovolené rychlosti v tom kterém úseku tratě včetně stanovené rychlosti toho kterého vlaku pro ten který úsek tratě, počítaje v to i jednotky nebo vlaky s naklápěcími skříněmi, i když by strojvedoucí uplatňoval požadavek na rychlost vlaku vyšší, 33

− začal vlak zvyšovat rychlost, teprve když celý vlak vjede do úseku, kde je dovolená vyšší rychlost, než v úseku předchozím, i když by strojvedoucí uplatnil volbu vyšší rychlosti dříve než se tak stane, − vlak projížděl místem, odkud platí rychlost nižší než před ním, již patřičně sníženou konstantní rychlostí, − vlak zastavil 50 m před návěstidlem v poloze „Stůj“ tak včasným zahájením snižováním rychlosti, aby k tomu stačilo cca 50% účinnosti brzd. 3.2. Vztah mezi zařízením ETCS a AVV Zařízení ETCS je koncipováno jako zabezpečovač s kontrolou rychlosti vlaku. To znamená, že rychlost vlaku neřídí, nýbrž hlídá překročení ještě dovolené rychlosti tím, že na toto nebezpečí nejdříve akusticky či opticky upozorní strojvedoucího. Při následném překročení této ještě dovolené rychlosti zasahuje zavedením „provozního“ účinku brzd (předem stanoveným stupněm) a v povážlivějším případě, když shledá, že zavedený provozní brzdicí účinek není dostatečný, zavede urgentní brzdění (rychločinné brzdění) a to v tomto případě vždy podle našich předpisů až do zastavení vlaku. Ještě dovolenou rychlostí se zde myslí rychlost, ze které má vlak reálnou možnost před návěstidlem v poloze „Stůj“ s využitím „provozního“ účinku brzd zastavit, anebo začátek úseku se sníženou rychlostí neprojet vyšší rychlostí, než je tato snížená. AVV může spolupracovat se zařízením ETCS těmito způsoby: − Zařízení AVV jakožto zařízení ve funkční úrovni označované v zahraničí jako ATO (Automatic train operation) doplňuje funkci ETCS tím, že řídí jízdu vlaku jak bylo v předešlém popsáno, tj. reguluje rychlost vlaku tak, aby nedocházelo k zásahům zařízení ETCS jakožto zabezpečovače. − V případě, že by byla trať vybavena (euro)balízami a příslušná vozidla náležitou mobilní částí (ETCS) a každá balíza by nesla svůj místně adresný znak (což se předpokládá), zařízení AVV je schopné přes definované rozhraní přejímat z ETCS pro svou činnost potřebné informace. Potom by AVV nepotřebovalo své traťové informační body MIB 6. − Na druhé straně zařízení AVV může pro ETCS poskytovat informace ze svého propracovaného a vyzkoušeného systému popisu tratě tzv. Route Map. 3.3. Grafické znázornění vztahů mezi AVV a zabezpečovačem VZ-ČD a případně s moderními zabezpečovači s kontrolou rychlosti např. Ericab 700 nebo ETCS 3.3.1. Obrázek č.3 Na obr.č.3 je znázorněno chování se moderního zabezpečovače s kontrolou rychlosti při přibližování se vlaku k návěstidlu v poloze „Stůj“. Dále je současně zobrazena spolupráce VZ-ČD s AVV na trati s automatickým blokem a přenosem návěstních pojmů na stanoviště strojvedoucího; obojí v případě vlaku jedoucího rychlostí 160 km/h. V tomto obrázku jsou znázorněny meze pro zásah zabezpečovače s kontrolou rychlosti. Jsou to: − Mez pro varování, což je ona výše zmíněná „ještě dovolená“ rychlost. − Mez pro uplatnění „provozního brzdění“. − Průběh uplatnění rychločinného brzdění, což nastává v případě, že účinek „provozního brzdění“ je nedostatečný. 34

Dále je na tomto obrázku znázorněno brzdění „ideálním strojvedoucím“ anebo zařízením AVV, tj. jeho částí - cílovým brzděním. Má variantu odpovídající stávajícímu návěstění, kdy v okamžiku objevení se „žlutého světla“ na opakovači LVZ musí strojvedoucí nebo AVV zahájit brzdění s takovým účinkem, aby u následujícího návěstidla (v tomto případě v poloze „Výstraha“) měl vlak rychlost nejvýše 120 km/h. V případě radiového návěstění průběh brzdění „ideálním strojvedoucím“ nebo zařízením AVV je charakterizován dřívějším počátkem brzdění, ale s významně nižším účinkem brzd, což dále zvyšuje bezpečnost, dává možnost téměř výlučného použití dynamické brzdy s významným šetřením součástí třecích brzd. To pak vede k významným úsporám v udržovacích nákladech (drahých) vozidel a jednotek. Taktéž včasným zahájením brzdění se získává čas pro možnost pominutí příčiny, ze které je příslušné návěstidlo v poloze „Stůj“, a tím šetření trakční energie pro eventuální rozjezd ze zastavení. Rozdíl ve vnějším projevu funkce AVV a zabezpečovače s kontrolou rychlosti spočívá v tom, že zabezpečovač s kontrolou rychlosti zavede buď „provozní brzdění“ (s určitým stupněm využití brzd) anebo „rychlobrzdu“ s maximálním účinkem brzd včetně brzd magnetických kolejnicových, pokud je jimi vlak vybaven a po zavedení brzdění není již tento proces regulován a zastavení vlaku, co se týče místa vzhledem k návěstidlu v poloze „Stůj“, je dáno skutečným účinkem brzd vzhledem k předpokládanému. Na druhé straně část AVV cílové brzdění navádí vlak trvalou regulací účinku brzd na určité místo (50 m) před návěstidlem v poloze „Stůj“. 3.3.2. Obrázek č.4 Na obrázku č. 4 je znázorněno přibližování se vlaku k místu, odkud je dále povolena jízda sníženou rychlostí. Co se týká zabezpečovače s kontrolou rychlosti jsou zde opět znázorněny : − Mez pro akustické případně optické varování strojvedoucího, že je nejzazší potřeba zahájit brzdění. − Mez pro samočinné zavedení „provozního brzdění“. − Průběh urgentního (rychločinného) brzdění v případě, že zabezpečovač s kontrolou rychlosti zjistí, že „provozní brzdění“ je nedostatečné. Přitom vždy urgentní brzdění končí zastavením vlaku. „Provozní brzdění“ vždy citelným podkročením nové dovolené rychlosti (a časovou ztrátou) v důsledku toho, že lze odbrzdit, až když rychlost vlaku klesne na novou nižší dovolenou hodnotu a dále v důsledku toho, že železniční brzdy mají poměrně dlouhé odbrzďovací doby. Oba průběhy ukončení brzdění příslušného zásahu zabezpečovače s kontrolou rychlosti jsou v obrázku znázorněny vpravo za svislou osou rychlosti, která zde prochází cílem. Dále je v tomto obrázku zakreslen průběh brzdění „ideálního strojvedoucího“ nebo zařízení na úrovni ATO, v našem případě AVV, doplňujícího VZ-ČD. Je vidět, že brzdění „ideálního strojvedoucího“ a AVV (ATO) počítá s odbrzďovací dobou a navádí vlak k místu, kde začíná snížená rychlost tak, aby tímto místem projížděl již patřičně sníženou konstantní rychlostí. Je také znázorněn průběh pro případ stávajícího návěstění a pro případ radiového přenosu návěstních znaků. Tento druhý případ je z časového hlediska výhodnější. Případ snížení rychlosti se samozřejmě netýká jen návěstidla (vjezdového, cestového, odjezdového). V případě trvalého snížení traťové rychlosti funkce zabezpečovače s kontrolou rychlosti je tatáž i se svými důsledky. AVV si bere o této situaci informace z popisu tratě - Route Map a průběh brzdění odpovídá naznačenému průběhu v obr.č. 4 jako pro případ radiového přenosu návěstních znaků. I pro „ideálního strojvedoucího“ bude muset být patrně zaveden další

35

rychlostník s předvěstníkem umístěným na dvojnásobnou zábrzdnou vzdálenost s údajem 120 km/h. 3.3.3. Radiový přenos návěstních znaků Z obrázků č.3 i 4 je patrný přínos radiového přenosu návěstních znaků. Je dán tím, že lze radiem přenést návěstní znaky, které stávající zabezpečovač LVZ i v jeho novější verzi LS90 nepřenáší. Jsou to především návěsti „Očekávej 40“, „Očekávej 60“, „Očekávej 80“, „Očekávej 100“. Další jízda za kritické návěstidlo je povolena nejvýše rychlostí „60“, „80“, „100“ km/h. Dále je tento přínos dán tím, že lze informovat strojvedoucího (a AVV) o návěsti „Stůj“ kritického návěstidla už v situaci, kdy na opakovači na stanovišti strojvedoucího svítí ještě „zelené světlo„ - tedy volno, jízda maximální možnou rychlostí. K přínosům radiového přenosu návěstních znaků uvedeným v komentářích k obrázkům č.3 a 4 přistupují ještě evidentní úspory energie potřebné pro trakci. Při radiovém přenosu návěstních znaků při jízdě k návěstidlu v poloze „Stůj“ je to dřívější přerušení trakce (výběh) a při jízdě k místu, odkud platí snížená rychlost, je to zase časová úspora, kterou lze využít k hospodárnějšímu způsobu jízdy vlaku. V případě zařízení AVV to umožňuje jeho část - optimalizátor jízdy vlaku. Je evidentní, že radiový přenos návěstních znaků musí být adresný, že ten který radiogram je příslušný výlučně určitému oddílu tratě na jehož konci je návěstidlo, jehož návěstní znak se tímto radiogramem přenáší. To však znamená, že vlak, který tento radiogram smí přijmout a řídit se jím, musí znát adresu oddílu, ve kterém se nachází, a pro který tento radiogram platí. Pro zjištění této adresy slouží vlaku traťové informační body a popis tratě Route Map. Tento přenos návěstních znaků umožňuje tzv. kabinovou signalizaci se všemi navazujícími důsledky i na těch kolejích, kde nelze zřídit kódování, případně na tratích bez automatického bloku a liniového přenosu návěstních znaků. Zabezpečovač s kontrolou rychlosti pracující na bázi bodového přenosu informace z tratě na vozidlo nemůže u ČD existovat samostatně z důvodu absence tzv. pojistnéprokluzové vzdálenosti. Musí být doplněn buď liniovým přenosem návěstních znaků pomocí stávajícího VZ-ČD, nebo pomocí smyčky v koleji přiměřené délky, nebo pomocí radiového adresného přenosu. 4. Zkušenosti z provozu Systém CRV&AVV (plně v mikroprocesorové verzi) je v běžném každodenním provozu na trati Praha Masarykovo n. - Kolín, na elektrické motorové jednotce (e.m.j.) 470.001/002 od roku 1993 a na e.m.j. 470.003/004 od roku 1994. Podle praktických zkušeností strojvedoucích je neocenitelným pomocníkem zejména při zhoršené viditelnosti, zvláště za mlhy apod. Způsob zobrazování funkce zařízení na displeji před strojvedoucím je výsledkem dlouhodobého ověřování a především respektování potřeb a názoru mnoha desítek strojvedoucích. O tom co, z jakých příčin a jak se zobrazuje na displeji (a ještě jinak sděluje) strojvedoucímu, by si zasloužilo napsat samostatné pojednání. Zde snad je potřebné vyzdvihnout alespoň to, že zařízení nevyžaduje, aby strojvedoucí podle údajů na tomto displeji vlak řídil, nýbrž slouží pouze k občasné kontrole funkce a stavu zařízení, což neodvádí strojvedoucího od sledování tratě. Jedině při eventuální poruše, výpadku či omezení funkce např. při ztrátě orientace systému na trati v důsledku absence důležitého traťového informačního bodu (především za kolejovým větvením ) zařízení akusticky strojvedoucího upozorní a výrazný nápis (a změna celkového zobrazení) na displeji tuto situaci oznámí a 36

strojvedoucího vyzve k převzetí řízení. Pokud by strojvedoucí na tuto výzvu nereagoval, zařízení vlak samočinně zastaví. Zvláště se dbalo na to, aby v těchto případech bylo ze zobrazení na displeji výrazně a naprosto zřejmě patrné, že systém AVV je mimo svojí funkci (nevede automaticky vlak a cílově nebrzdí). Významnou skutečností je také to, že způsob zobrazování, sdělování a ovládání systému AVV tzv. Man machine interface je uživatelsky přístupný, nevyvolává u strojvedoucího pocit vyřazenosti z procesu řízení vlaku a tudíž snížení jeho pozornosti. Strojvedoucímu umožňuje systém AVV do své činnosti kdykoliv zasáhnout v bezpečnějším smyslu a jeho zásah respektuje až do souhlasu k jeho zrušení . Tedy strojvedoucí může ručně přibrzdit (či zabrzdit nebo i zastavit) či navolit rychlost nižší než systém nabízí. V každém případě pokyn (souhlas) k rozjezdu a k zvýšení rychlosti vlaku přísluší výlučně strojvedoucímu (u zvýšení rychlosti v hodnotové formě potvrzení ). Jak již jsme uvedli, vyšší systém řízení CRV&AVV se provozně u ČD využívá u elektrických jednotek (e.j.) řady 470, dále jsou jím vybaveny e.j. řady 471 a také mají být tímto systémem vybaveny třísystémové el.jednotky s naklápěcími skříněmi řady 680 pro koridorové tratě. Systém CRV&AVV je ve funkční úrovni CRV, tj. s automatickou regulací rychlosti použit u motorových a řídicích vozů řad 843 a 943 a v dřívější analogové verzi na dalších více než 450 vozidlech ČD (a ŽSR). ČD-GŘ, odb. techniky, odd. kolejových vozidel požaduje u nově konstruovaných vozidel jejich vybavení alespoň do úrovně CRV, tj. s automatickou regulací rychlosti jakožto základním režimem řízení vozidla. 5. Závěr Systém a použité principy AVV (respektive CRV&AVV) vznikly a byly provozně ověřeny dlohodobou péčí odvětví vozby (kolejových vozidel) bývalého Federálního ministerstva dopravy, Ústředního a nyní Generálního ředitelství ČD. Prvotním účelem tohoto systému včetně jeho komponentů bylo, aby se těsným využíváním omezujících parametrů tratí a vozidel zlepšila efektivnost a atraktivnost jízdy vlaku. Ukazuje se, že tento systém v nynější existující podobě jeho komponent tyto prvotní požadavky zcela splňuje a v řadě směrů předstihuje běžný standard i u nejvyspělejších železničních správ. Při realizaci tohoto zařízení, zejména části cílové brzdění, se přišlo na to, že použité principy a prostředky jsou obdobné principům a prostředkům moderních zabezpečovačů s kontrolou rychlosti. Systém AVV si nečinil nárok, jak z výše uvedeného vyplývá, být konkurentem moderních zabezpečovacích systémů, ale doplňkem realizujícím kromě jiných funkcí cílové brzdění, které je možno bez nadsázky nazvat „inteligentním provozním brzděním“. Při tom se záměrně předpokládalo, že ochranu proti poruše poskytne zabezpečovací zařízení buď stávající VZČD, či některý z moderních zabezpečovačů s kontrolou rychlosti (ostatně i některé soudobé zahraniční předpoklady o systémech ATO tuto myšlenku podporují). Svého času se uvažovalo, že by to mohlo být zařízení Ericab 700 (které mělo být licenčně vyráběné v Bulharsku jako zabezpečovač RVHP typu „ALSK2“) a z toho důvodu bylo i zkoušeno na elektrické lokomotivě ř.363 na Železničním zkušebním okruhu VÚŽ v druhé polovině roku 1988. Již delší dobu se čeká na zabezpečovač s kontrolou rychlosti, vznikající v rámci projektu ETCS. Protože se nezdá, že by systém ETCS byl do zahájení provozu jednotek řady 680 (s naklápěcími skříněmi) na 1. koridoru k dispozici k provoznímu nasazení a využívání, realizuje se zařízení AVV (spolu s VZ-ČD LS90, v projektu této jednotky obsažené) s prvky s extrémní spolehlivostí a doplňuje se realizačními způsoby, které spolu maximálně zvyšují bezpečnost a mají výstupy přímo, tj. mimo vozidlovou datovou sběrnici, na rychločinné brzdění. Vlastní zařízení CRV&AVV na moderní e.m.j. ř. 471 a připravované pro e.m.j. s naklápěcími skříněmi ř.680 je v jejich řídicím počítači realizované na třech, resp. čtyřech funkčních a jedné zdrojové kartě polovičního evropského formátu. 37

Literatura 1.POSPÍŠIL, M. a ŠULA, B. Automatické řízení trakčních vozidel. Sborník prací Výzkumného ústavu železničního,1974, sv.1, s.7-28. 2 KUBÍK,L. a ŠULA,B.Regulace rychlosti kolejových trakčních vozidel a její použití u motorových lokomotiv. Elektrotechnický obzor, 1980,č.8. 3. ŠULA,B.Einfluss der Fahrtechnik auf den Energieverbrauch eines Personenzuges. Elektrische Bahnen, 1990,no.4. 4.ŠULA,B.Cílové brzdění a automatické vedení vlaku u ČD.Nová železniční technika,1996,č.2. 5. LIESKOVSKÝ, A. Styk mikropočítačového řídicího systému moderních hnacích vozidel s technickým okolím a obsluhou: kandidátská disertační práce. Žilina: VŠDS,1995. 6.MYSLIVEC,I.:Příspěvek k řešení traťové části vlakových automatizačních a zabezpečovacích zařízení včetně prostředků pro tvorby mapy tratě pro vozidlo: doktorská disertační práce.Žilina: VŠDS,1995. 7. LIESKOVSKÝ, A.,MYSLIVEC, I. a ŠULA, B. Moderní řídicí systémy hnacích vozidel Českých drah. Automatizace,1996,č.8. 8. Návod k obsluze a popis systému pro údržbu zařízení pro cílové brzdění lokomotivy č.163.034.: interní materiál. Praha: ČD -VÚŽ, 1991. 9. Návod k obsluze a popis systému pro údržbu zařízení pro elektrickou jednotku ř.470 : interní materiál. Praha: ČD - VÚŽ, 1993. 10.Želsem 92: sborník z konference. Loučeň: Želsem 1992. 11.Želsem 94: sborník z konference. Loučeň: Želsem 1994. 12.Cílové brzdění: sborník z konference. Praha: Želsem 1994. 13.Elektro 95: sborník z konference. Žilina: VŠDS 1995. 14.TransCom: sborník z konference. Žilina: VŠDS 1995. 15.ProRail 95: sborník z konference. Žilina: VŠDS 1995. 16.Elektrické pohony: sborník u konference. Plzeň: ZČU 1995. 17.Pátý oborový den vědeckých a pedagogických pracovníků VŠ: sborník z konference. Praha: ZČU 1995.

Praha, duben 1998

Lektoroval: Doc.ing.Ivan Konečný,CSc. ČD-VÚŽ, vedoucí oblasti O7

38

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5 Bohumil Nádvorník

Vlakové zabezpečovací zařízení pro jednotku ř.680 klíčová slova: síť DB AG, síť ÖBB, ETCS, balíza Úvod Vlakovým zabezpečovacím zařízením se vybavují hnací vozidla určená pro traťové výkony. Zajišťují kontrolu činnosti strojvedoucího a jeho reakci na zařízení infrastruktury zajišťující bezpečnost dopravy. Vlastní provedení těchto zařízení u jednotlivých železničních správ je dáno jejich historickým vývojem, provozními podmínkami a dopravní filosofií. Proto je zařízení různorodé jak po stránce funkční, tak i z hlediska rozhraní na stanovišti strojvedoucího. U některých zařízení se přenáší návěstní pojmy z tratě, u jiných se uskutečňuje kontrola rychlosti v určených místech nebo automatický náběh na brzdnou křivku v závislosti na místě zastavení. Rozdílné jsou i názory na prokluzové vzdálenosti. Přenos informací z tratě na hnací vozidlo se uskutečňuje buď bodově v určených místech tratě anebo liniově, kde je přenos informací kontinuální. Bodové systémy kontrolují projetí návěsti “STŮJ” (např. systém RPS), nebo pracují s kontrolou jednoho či dvou předem určených stupnů rychlostí ( např. systém INDUSI, Signum ) až po zařízení s vícenásobným přenosem informací ve formě telegramu (např. zařízení ZUB 100, EBICAB). Základní nevýhoda všech bodových systémů je dána jejich principem, tj. nemožností aktualizace jízdního režimu vlaku při změně návěstní informace. To znamená, že pokud dojde k přenosu informace o snížení rychlosti vlaku nebo jeho zastavení,pak dojde k brzdění bez ohledu na to, že mezitím došlo ke změně této návěsti na návěst,povolující nesníženou rychlost vlaku. Tuto nevýhodu odstraňuje liniový systém. Podle způsobu přenosu z tratě na hnací vozidlo se používají systémy nízkofrekvenční (systém LS, ATB, TBL) s omezeným počtem přenášených informací anebo nákladné systémy vysokofrekvenční ( LZB 8O, TVM 430) s větším počtem přenášených informací. Tabulka č. l Přehled systémů vlakových zabezpečovačů u zahraničních železnic Typ zařízení Železnice liniový přenos bodový přenos DB

LZB 80

INDUSI, ZUB 100

ÖBB

LZB 80

INDUSI

SNCF

TVM 430

KVB (EBICAB), RPS

SJ

ATC-2 (EBICAB)

SBB

Signum, ZUB 100

FS

BACC

DSB

ZUB 100

SNCB

TBL

NS

ATB

ČD

LS II-IV, LS 9O

Ing.Bohumil Nádvorník,absolvent Fakulty elektrotechnické Vysoké školy železniční Praha. Specialista na vlakovou zabezpečovací techniku, nyní v ČD-DDC, odb. automatizace a elektrotechniky. Mezinárodní integrace

43

Požadavek na zkrácení jízdních dob v mezinárodní dopravě si vynutil zkrácení pobytu vlaků na hranicích a vyloučení přepřahů hnacích vozidel nehledě na rozšiřování provozu přímých ucelených jednotek jejichž vozební ramena přesahovala i území několika států. S ohledem na odlišnosti národních systémů vlakových zabezpečovačů bylo nutno tyto případy řešit vybavováním hnacích vozidel národními systémy. Z toho důvodu jsou např. dvousystémové lokomotivy ř. 372 ČD a 230 DB vyrobené podnikem ŠKODA Plzeň vybaveny mobilní části vlakového zabezpečovače typu LS IV pro provoz na síti ČD a zařízením LZB 80 (INDUSI) pro provoz na tratích DB AG. To je pochopitelně nouzové řešení. Proto již v 70.letech byl učiněn v rámci UIC pokus o sjednocení systémů vlakových zabezpečovačů v rámci programu A 46 zejména pro vysokorychlostní tratě. Tehdy nedošlo k sjednocení názorů a nový pokus byl učiněn v 90.letech v rámci projektu A200 ERRI pod názvem ETCS (European Train Control Systems), se záměrem vytvoření jednotného vysokokapacitního vlakového zabezpečovače,funkčně kompatibilního s národními systémy. Na jeho vývoji se podílela finančně řada železničních správ a konsorcium výrobních firem. Bylo zvoleno řešení s jednotným počítačovým systémem, ke kterému se připojují interface pro národní systémy. Tento projekt měl být podle původního harmonogramu ukončen sériovými dodávkami v roce l995 což se v průběhu vlastního řešení ukázalo nereálné s ohledem na náročné práce související se specifikací jednotných požadavků. Teprve v průběhu let l995-96 vznikly pilotní stavby, které byly uvedeny do zkušebního provozu počátkem roku l998 (Vídeň-Budapešť, Barcelona-Sevilla a Stuttgart-Bruchsal). V r.1997 byly testovány prototypy traťových informačních bodů balízy - ve vídeňském Arsenalu a na ŽZO-VÚŽ ve Velimi. Seriové dodávky zařízení lze očekávat tedy kolem roku 2000. Tento stav dodávek jednotného systému ETCS pochopitelně ovlivnil i přípravu a vybavení jednotek ř. 680 pro ČD. Návrh řešení vlakového zabezpečovače pro jednotku ř. 680 Základním požadavkem z hlediska vlakového zabezpečovače bylo zajištění jeho funkce při provozu na síti DB AG, ČD a ÖBB. S ohledem na výše uvedené důvody a po konzultacích s DB a ÖBB bylo rozhodnuto, že tato vozidla , která budou zajišťovat provoz v úseku Berlín - Praha - Vídeň budou vybavena národními systémy. Které systémy přicházejí v úvahu: a) Pro podmínky vyplývající z provozu na síti DB AG: Podle předpisů DB AG musí být v traťovém úseku, kde je rychlost větší než 160 km/h, použit liniový systém LZB 80. Jedná se o systém, kde se přenos informací mezi vozidlem a tratí, avšak i opačně, uskutečňuje pomocí induktivní vazby pomocí kabelové smyčky uložené mezi kolejovými pásy. Poloha vlaku se přitom odvozuje od míst, kdy smyčky jsou překříženy (po 100 m). Na trati jsou tzv.staniční ústředny LZB. Jejich bezpečný redundantní mikroprocesorový systém (2 ze 3) zpracovává údaje přenášené ze staničního a traťového zabezpečovacího zařízení - návěstní informace, údaje o vlakové cestě, proměnné informace ze sousedních stavědlových ústředen a dále konstantní informace o trati (spádové poměry, rychlostní profily), které jsou doplněny o údaje přenesené vlaku, tj. délka vlaku, druh brzd, poloha vlaku, skutečná rychlost vlaku. Všechny tyto údaje zpracuje počítač v ústředně LZB a výsledkem je vypočetprůběhu jízdy každého vlaku, který se ve formě telegramu přenese na vozidlo, kde se vyhodnotí a v případě omezení rychlosti se vlak navede na optimální brzdnou křivku. Telegram se přenáší rychlostí 12OO bit/s na nosném kmitočtu 36 kHz ve směru z trati na hnací vozidlo a v opačném směru rychlostí 600 bit/s na nosném kmitočtu 56 kHz. Traťové úseky s rychlostí do l60 km/h jsou vybaveny bodovým zabezpečovačem INDUSI. Tento systém je charakterizován informačními body na trati. Tyto body tvoří rezonanční obvody naladěné na jeden z následujících kmitočtů: 500 Hz, 1000 Hz a 2000 Hz.Na hnacím vozidle je generátor těchto kmitočtů a vyhodnocovací zařízení, které indikuje pokles úrovně proudu při průjezdu nad příslušným traťovým informačním bodem. Pomocí těchto bodů se do jisté míry kontroluje rychlost vlaku v závislosti na programu, který strojvedoucí nastaví před jízdou vlaku podle sešitového jízdního řádu. Např. při průjezdu nad rezonančním obvodem 1000 Hz musí strojvedoucí potvrdit do 4 s obsluhou tlačítka bdělosti příjem informace a snížit rychlost vlaku pod 60 km/h. Nepotvrdí-li tuto skutečnost do 4 s dojde k brzdění. Po 20 s se kontroluje zda skutečně došlo ke snížení rychlosti. Při průjezdu nad rezonančním obvodem 500 Hz se kontroluje zda není překročena rychlost 40 km/h, je-li na předvěsti návěstní znak snížení rychlosti na 40 km/h. Kontrola rychlosti se tedy provádí v místech umístění informačních bodů. Tento systém využívají všechny kategorie vlaků. Protože soupravy s výkyvnými skříněmi mohou překročit traťovou rychlost až o 30% jsou přijaté informace korigovány systémem ZUB 122. Tento systém je rovněž bodový a v určených místech zajišťuje přenos informací z tratě na vozidlo formou séruového datového telegramu. Jedná se o pasivní členy, které jsou při průjezdu vlaku nad informačním bodem vybuzeny kmitočtem 100 kHz, a informační bod na kmitočtu 50 kHz přenese zpět telegram v němž je zakódována informace o traťových

44

údajích (vzdálenost k dalšímu bodu, vzdálenost k výhybce s omezením rychlosti, cílová rychlost, možná prokluzová vzdálenost apod.).Telegram je zabezpečen odstupem H=4 proti rušení a během průjezdu nad informačním bodem se vyšle nejméně 3x. Tyto údaje vyhodnotí mobilní část na vozidle a v případě potřeby se současně generuje optimální brzdná křivka.Systém ZUB 122 je svým řešením obdobou jednotného evropského vlakového zabezpečovače ETCS. b) Pro podmínky vyplývající z provozu na síti ČD: ČD mají hlavní tratě vybaveny automatickým blokem s dodatečným kódováním pro liniový vlakový zabezpečovač. Jedná se o nízkofrekvenční systém kontrolou bdělosti s přenosem 4+1 návěstních znaků na hnací vozidlo pomocí frekvenčně-impulsního kódu, kterým se přímo napájí kolejový obvod. Tabulka č.2 Porovnání vlastností mobilních zařízení LS II-IV a LS 9O Parametr

LS II - LS IV

LS-90

120 km/h

160 km/h

Vazba na bodový kanál

ne

ano

Vazba na cílové brzdění

ne

ano

jen červená

všechny

ne

ano

Max. rychlost vlaku

Registrace náv.pojmů Diagnostika Příkon

100W/24V

max.60 W

85 VA/115V,4OOHz Rozměry přístroj.skříně

861x584x295 mm

483x266x302 mm

Pro rychlosti vlaků do l60 km/h je u ČD předepsáno provedení mobilní části typu LS 90. Toto provedení oproti předchozímu(LS II - LS IV ) má řadu konstrukčních a funkčních odlišností. Rozdíly jsou patrny z tabulky č. 2 a 3. Tabulka č. 3 Provozní vlastnosti zařízení LS 90 Rychlost V v km/h

Povolující znak

Větší než V konstrukční

žádný

V = 120 až V konstrukční

zelená

V = 40 až 120

zelená, žlutá

Menší než 40

zelená, žlutá, žluté mezikruží

Z tabulky č. 3 vyplývá, že povolující znak při rychlosti nad l20 km/h je pouze zelená. Při kódu žlutého světla je tedy nutno obsluhovat tlačítko bdělosti na rozdíl od staršího provedení. Dále se využívá informace z elektronického rychloměru “Soulad vzad”- hnací vozidlo couvá v souladu s nastavením ovládacích prvků na stanovišti strojvedoucího. Při příjmu informace “Nesoulad” , kdy pohyb vozidla není v souladu s nastavením prvků daného stanoviště dojde k zabrzdění. Tím se řeší známý problém ujetí nezabrzděné soupravy na spádu. Další odlišností inovovaného řešení je funkce, která zajišťuje , že při příjmu povolujících znaků a návykové obsluhy tlačítka bdělosti se po dobu stlačení tlačítka bdělosti aktivuje akustická výstraha. Zařízení spolupracuje s elektronickým rychloměrem METRA a to jak po stránce funkční, tak i možnosti registrace všech návěstních pojmů a úkonům které se registrují v paměti rychloměru. Zařízení spolupracuje se zařízením pro cílové brzdění ( AVV ) a má prostorovou přípravu pro případné doplnění o bodový přenosový kanál. c) Pro podmínky vyplývající pro provoz na síti ÖBB Většina tratí ÖBB je vybavena bodovým systémem INDUSI,ktejako systém používaný u DB AG.

45

rý má obdobné funkční vlastnosti

Závěr Z uvedeného přehledu vyplývá, že jednotky ř. 680 budou vybaveny následujícím systémy vlakového zabezpečovače: - zařízením typu LZB 8O do kterého je konstrukčně integrováno zařízení INDUSI - zařízením typu ZUB 122 - zařízením typu LS 9O První dvě zařízení budou komunikovat s ostatními obvody vozidla pomocí vozové sběrnice. Zařízení LS 9O nemá možnost přímé komunikace.Zda bude použit A/D převodník, není dosud rozhodnuto. Rovněž není dosud rozhodnuto, zda bude využito zařízení LS 9O pro periodickou kontrolu bdělosti strojvedoucího na tratích DB AG a ÖBB jako náhrada místo zařízení kontroly bdělosti strojvedoucího Sifa, jehož použití na těchto tratích je předepsáno. Je zřejmé, že osazení jednotky ř.680 jednotlivými národními systémy není optimální řešení.Komplexní perspektivní řešení vlakového zabezpečovače pro hnací vozidla určená pro mezinárodní železniční dopravu přinese systém ETCS.

Praha, duben 1998

Lektoroval: Doc.Ing.Ivan Konečný,CSc. ČD-VÚŽ,vedoucí oblasti O7

46

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5

Komentář:

Václav Chudáček, Libor Lochman

VLAKOVÝ ZABEZPEČOVACÍ SYSTÉM ERTMS/ETCS Klíčová slova: vlakové zabezpečovací zařízení, radioblok, balíza, projekt ERTMS/ETCS 1.

Úvod

Hlavním úkolem vlakového zabezpečovacího zařízení je zajistit, že nedojde k ohrožení vlaků při omylu nebo indispozici strojvedoucího. K tomu účelu zařízení obecně musí shromáždit potřebné informace, podle nich stanovit limity bezpečného pohybu vlaku, trvale dohlížet na jejich dodržování a zasáhnout do jízdy vlaku v případě, že jsou překročeny. Tyto své základní činnosti může zařízení plnit v různém rozsahu a na různé úrovni, v závislosti na požadavcích železniční správy. Rozsah jednotlivých činností je funkcí dostupných informací a má značný vliv na celkové náklady na pořízení a provoz systému. Pokud jsou informace dostatečné (a to jak obsahem, tak kvalitou), je možné za normálních provozních podmínek zcela vyloučit případ nerespektování návěstidel a rychlostních omezení vlakem. Kromě toho je při využití nových technologií vlakové zabezpečovací zařízení přímo předurčeno podílet se na celkovém řízení dopravy mnohem výrazněji než doposud. Může totiž samo poskytovat řídicímu dopravnímu systému důležité základní informace. U klasických zařízení je informace o poloze vlaku získána pomocí fixních zařízení umístěných podél trati (kolejovými obvody, počítači náprav) s nejistotou délky překlenovaného úseku. Informace o rychlosti vlaku je málo aktuální, častěji vůbec nedostupná. Moderní vlakový zabezpečovač je schopen tyto informace poskytnout řídicímu systému přesně jako produkt své běžné činnosti a při významně nižších investičních nákladech. S vhodně koncipovaným vlakovým zabezpečovacím zařízením lze pak i dospět k mnohem sofistikovanějším řídicím systémům jako je pohyblivý blok, komplexní radioblokový systém atp. Během let byla vytvořena v různých zemích a v různých obdobích řada vlakových zabezpečovacích zařízení rozdílné úrovně a většinou vzájemně nekompatibilních. Protože inteligentní státy a železnice předvídají zvyšování hustoty vlakové dopravy a výraznou globalizaci dopravy v rámci Evropy, je mj. připravován i standard evropského vlakového zabezpečovacího zařízení pod označením ERTMS/ETCS (European Rail Traffic Management System/ European Train Control System) tak, aby umožnil jak bezproblémové překračování hranic (doposud je na hranicích nutné buď přepřahat nebo hnací vozidla vybavit více vlakovými zabezpečovacími systémy), tak postupný přechod na dokonalejší řídicí systémy. . Ing.Václav Chudáček,CSc., nar.1943. Absolvent VŠD 1965, působil v ČD-DDC, nyní ve VÚŽ. Ing.Libor Lochman, nar. 1963. Absolvent VŠD Žilina, působil v ČD-DDC, nyní ve VÚŽ.

49

Tento článek vychází z prací výboru ERRI A200 , provedených v rámci projektu ETCS, prací Users Group v rámci projektu ERTMS a dalších prací. Jeho smyslem je poskytnout širší odborné veřejnosti úvodní informace o základních možnostech zařízení a aktuálním stavu projektu v Evropě a u ČD.1 2.

Všeobecný popis

Systém je navržen jako otevřený a přizpůsobivý různým potřebám a požadavkům jednotlivých evropských železničních správ. Prostým přidáním technických nebo softwarových modulů je možné měnit jeho zaměření od relativně prostého vlakové zabezpečovače s kontrolou rychlosti až po vysoce výkonný systém pohyblivého bloku nebo rozhodující součást komplexního radioblokového systému. 2.1

Přenos informací

Vlak, jedoucí pod dohledem ERTMS/ETCS, se smí pohybovat pouze po přijetí platného povolení k jízdě. To může být vydáno staničním nebo traťovým zabezpečovacím zařízením, resp. centrálou radiobloku (RBC). Na vlak je předáno bodovým prostředkem balízou, semikontinuálním prostředkem - smyčkou nebo liniově - rádiem. V prvních dvou případech lze přijmout povolení k jízdě jen v době, kdy se vlak nachází nad těmito zařízeními, u rádia s plným pokrytím tratě je možné povolení k jízdě vyslat prakticky kdykoliv, a to buď na základě žádosti z vlaku, nebo inicializací staničním (traťovým) zařízením, přičemž inicializace může být řízena událostí nebo cyklicky. Povolení k jízdě je ohraničeno prostorově nebo prostorově a časově. Přijetím platného povolení k jízdě je vlaku dovolen pohyb do jisté vzdálenosti; nebude-li této polohy dosaženo do určité doby (dané případným časovým ohraničením), vlak musí zastavit a povolení k jízdě zanikne. Povolení k jízdě dovoluje vlaku jízdu s cílovou rychlostí nulovou nebo nenulovou. Povolení s nenulovou cílovou rychlostí může být samozřejmě předáno pouze v případě, že vnější zařízení garantuje před dosažením hranice povolení k jízdě předat povolení nové, nebo-li, že za cílovým místem je připravena další vlaková cesta minimálně na zábrzdnou vzdálenost z předchozí cílové rychlosti. Současně s povolením k jízdě nebo samostatně mohou být na vozidlo předána i ostatní data popisující infrastrukturu před vlakem (rychlostní limity, sklony, příkazy, oznámení atd.) pro úplný dohled je nutné pouze zajistit, že budou všechny informace předány včas. Použít lze libovolného přenosového prostředku: balízy, smyčky nebo rádia. (Fixní informace mohou být navíc umístěny na vozidle již předem v tzv. mapě trati.) 2.2

Funkce

Na základě dat popisujících infrastrukturu před vlakem, povolení k jízdě a dat charakterizujících vlak lze určit pro každou polohu vlaku maximální rychlost, s níž se vlak může ještě bezpečně pohybovat. Při znalosti okamžité polohy a okamžité rychlosti vlaku lze pak rozhodnout, zda se vlak pohybuje v bezpečných hranicích, zda se připravuje je opustit,zda je již překročil atd. a podle povahy přijmout rozhodnutí o nutných zásazích do další jízdy vlaku. Během těchto procesů je třeba vykonat určité elementární funkce. 1

Materiály ERTMS vykazují od původních materiálů ETCS určité odchylky, dané zejména přednostní orientací na radiobloky. Pro účely tohoto článku nejsou odchylky příliš významné a tak se v textu dopouštíme jistých zjednodušení.

50

Obecný příklad základních funkcí je na obr. 1. Spodní část obrázku reprezentuje trať, horní část strukturu hlavních funkcí na vozidle. Komunikace mezi traťovým zařízením a vozidlem probíhá přes vzduchovou mezeru pomocí jednoho z přenosových zařízení - balízy, smyčky nebo rádia. Některé z funkcí uvedených na straně vozidla mohou být za určitých podmínek provedeny i na straně tratě; do mobilního zařízení se pak přenese výsledek funkce, aniž by bylo nutné mobilní zařízení měnit. Charakteristika základních funkcí : • Výpočet statického rychlostního profilu - tato funkce počítá maximální rychlost, kterou vlak nesmí překročit (bezpečný rychlostní profil) nebo maximální rychlost, kterou strojvedoucí může jet bez jakékoliv intervence zařízení (nominální rychlostní profil). Primární data mohou obsahovat fixní omezení rychlosti, nebo soubor statických

Vlaková část ETCS

Vlastnosti vlaku Statické rychlostní profily

Nejvíce omezující stat. profil

Dynam. rychlostní profil

Komparace

Brzdění

Vzduchová mezera ETCS Primární údaje o jízdní cestě

Traťová část ETCS

Obr. 1 rychlostních profilů pro různé typy vlaků - závislá omezení rychlosti se vyberou podle charakteristik vlaku. Existuje tedy obvykle více různých statických rychlostních profilů jeden pro každý soubor působících vlakových a traťových faktorů, např. geometrie trati, tunely, troleje, třída vlaku atd. Statický rychlostní profil se dále koriguje délkou vlaku (podle toho, zda omezení rychlosti platí pro čelo vlaku nebo pro celý vlak atd.) a maximálně možnou odometrickou2 chybou (pomocí tzv. konfidenčního intervalu odometru) a to podle bezpečnostních kritérií. • Výběr nejvíce omezujícího statického rychlostního profilu - tato funkce vybírá nejvíce omezující rychlostní profil mezi různými statickými rychlostními profily, předzpracovanými funkcí Výpočet statického rychlostního profilu. Nejvíce omezující rychlostní profil pak sestává z nejvíce omezujících segmentů ze všech individuálních

2

Odometr - zařízení pro měření ujeté vzdálenosti - obdoba rychloměru.

51

statických rychlostních profilů, kterým vlak musí vyhovět. Všechny výpočtu musí být opět prováděny s uvažováním nejhorších podmínek a tolerancí z hlediska bezpečnosti. • Výpočet dynamického rychlostního profilu - funkce počítá individuální dynamické brzdicí dohledové křivky, tj. křivku intervence brzd, varovnou křivku atd. Tyto dynamické rychlostní profily vycházejí z nejvíce omezujícího statického rychlostního profilu, individuálních brzdových vlastností vlaku a sklonů. Výsledkem tedy je předvídání dynamického chování vlaku pro účely dohledu. Alespoň výpočet křivky intervence nouzové brzdy musí být proveden opět s uvážením nejhorších podmínek z hlediska bezpečnosti. • Porovnání aktuální rychlosti a polohy vlaku s brzdovou křivkou - tato funkce určuje rozdíl rychlosti a dráhy mezi brzdicími křivkami a skutečnou rychlostí a polohou vlaku. Srovnání umožňuje včas generovat varování, příkazy k aplikaci brzd atd. • Brzdění - tato funkce zajišťuje řízení dostupných brzdových prostředků. Když v důsledku předchozí funkce bude vydán příkaz k aplikaci brzdy, může systém působit nejprve na provozní brzdu a v případě, že provozní brzda nepracuje správně, bude spuštěna nouzová brzda. Aplikace nouzové brzdy se děje způsobem, který zajišťuje co nejvyšší bezpečnost. Kromě těchto základních funkcí je systém schopen provádět i další funkce, které již nejsou přímo spojeny s dohledem nad pohybem vlaku, ale účelně využívají stejných přenosových cest a koncových zařízení, např.: • místní čas (kalendář) - vlaky se mohou pohybovat v různých časových zónách, strojvedoucímu je vždy poskytován místní čas, který nemusí být totožný s hodinami vlastního mobilního zařízení. Informace o místním času mohou být do systému přeneseny jakýmkoliv médiem, používajícím formát dat ERTMS/ETCS. K nastavení odpovídajícího času dochází například při zapnutí systému nebo při minutí balízy v oblasti časové hranice. • pomocné funkce na vlaku: • řízení pantografu, • řízení obvodu jističe, • přepínaní trakce, • řízení hlavního vypínače, • řízení dveří. • pomocné funkce na trati: • úrovňové přejezdy : • předání dat známých na vozidle do přejezdu pro jeho korektní aktivaci, • modifikace rychlostního profilu při poruše přejezdu atd., • varování traťových čet, • silný vítr, • tunely, • mosty, • potkávání vlaků.

52

2.3

Aplikační úrovně

Řídicí a dohlížecí funkce pracují nezávisle na typu přenosového média (balíza, smyčka, rádio, STM). Lokalizační funkce (tj. orientace vlaku na infrastruktuře) je založena na unikátně identifikovatelném a přesně lokalizovatelném zařízení na trati - balíze. Její poloha je pak referenčním místem balízového souřadného systému, v němž balíza představuje počátek a veškeré přenášené vzdálenosti jsou vztaženy k tomuto počátku (každá balíza má tedy svůj vlastní souřadný systém). Odometr na vozidle poskytuje referenční polohu všem funkcím, u bezpečnostně relevantních výpočtů se bere v úvahu i nepřesnost odometru (tzv. konfidenční interval). Přenos polohových informací mezi tratí a vozidlem probíhá zásadně v balízových souřadnicích. Poloha vlaku v balízově orientovaném souřadném systému pak například sestává z identity balízy (skupiny), orientace balízové skupiny, vzdálenosti od balízy a informace říkající, zda vlak minul balízu v normálním nebo reverzním směru. 2.3.1 Aplikační úroveň 1 Tato úroveň (obr. 2) je určena jako doplněk klasického staničního a traťového zabezpečovacího zařízení, které zajišťuje detekci vlaku a další funkce obvyklými prostředky. Navíc je trať doplněna bodovými přenosovými zařízeními - balízami (nebo skupinami balíz), které vlaku předávají všechny relevantní informace. Balízy jsou zároveň využity jako referenční bod k předávaným vzdálenostním informacím, k orientaci směru jízdy a ke korekci odometru. Časově proměnné informace (povolení k jízdě atd.) jsou předávány prostřednictvím přepínatelných balíz, které jsou přes kabel a interface (LEU) připojeny ke klasickému zabezpečovacímu zařízení (podle výhodnosti k návěstidlu nebo stavědlu). Neproměnné informace mohou být přenášeny nepřepínatelnými balízami. V případě potřeby sdělit zprávu z vlaku na trať (aplikace to však nevyžaduje) je možné použít balízu obousměrnou.

Obr. 2 2.3.2 Aplikační úroveň 2 Zařízení této úrovně (obr. 3) je také v principu určeno k aplikaci na tratích s klasickým staničním a traťovým zabezpečovacím zařízením. Časově proměnné informace (povolení 53

k jízdě atd.) jsou však zásadně předávány na vozidlo prostřednictvím rádia, a tak odpadá dodatečná kabelizace k přepínatelným balízám. Neproměnné informace mohou být přenášeny jak radiovým kanálem, tak nepřepínatelnou balízou nebo obojím, a to v jakémkoliv poměru. Balízy nadále slouží jako referenční bod pro vlaku předávané vzdálenostní informace, k orientaci směru jízdy a případně korekci odometru. V případě potřeby lze opět použít balízy obousměrné.

Obr. 3 2.3.3 Aplikační úroveň 3 Tato úroveň (obr. 4) je určena pro realizaci RBC. Pokud při stejném vybavení jako u úrovně 2 bude vlak vybaven prostředkem pro bezpečnou detekci celistvosti vlaku, může vlak sám bezpečně hlásit (prostřednictvím rádia) svou polohu a tedy odpadá potřeba klasických zařízení pro detekci vozidel. Lze pak prostřednictvím RBC realizovat i takovou funkci jako je pohyblivý blok.

54

Obr. 4 2.3.4 Kooperace ERTMS/ETCS s existujícími systémy Minimálně pro přechodné období je nezbytné, aby mobilní zařízení ERTMS/ETCS dovolilo provoz na infrastruktuře vybavené existujícím národním systémem vlakového zabezpečovače. Tuto funkci zajistí modul STM (obr. 5). Jeho úkolem je přijmout z existujícího národního zařízení stávající informace a převést je do formátu ERTMS/ETCS. To umožní, aby činnost dalších částí systému zůstala v podstatě zachována stejně jako kdyby přijímala data z přenosových kanálů ERTMS/ETCS a to při nejmenším celkovém množství hardware i software a bez ztráty již existujících dat. Jestliže jednu nebo více proměnných nezbytných pro plnou funkci dohledu systému ERTMS/ETCS nebude možné odvodit z informací přenášených existujícím systémem, lze použít následující opatření : a) STM přiřadí bezpečnou hodnotu (omezující implicitní hodnotu, předem uloženou v STM) k chybějící proměnné, b) infrastruktura bude doplněna ETCS balízou přenášející chybějící proměnnou a přídavná proměnná bude vložena do souboru přenášených proměnných přídavným předzpracujícím programem běžícím v STM. Tato koncepce je velmi výhodná pro řešení přechodu z našeho systému LS na systém ERTMS/ETCS a spolu se zavedením mapy tratě umožní minimalizovat náklady v přechodném období.

55

Vlaková část ETCS Vlastnosti vlaku Statické rychlostní profily

Nejvíce omezující stat. profil

Dynam. rychlostní profil

Komparace

Brzdění

Fiktivní vzduchová mezera (Emulace trať. zař. ETCS)

ETCS Data

Modul STM

Konv. tabulka

Vzduchová mezera Primární data exist. systému

Trať. část existujícího systému Obr. 5

2.4

Architektura mobilní části systému Na obr. 6 je blokové schéma mobilní části systému ERTMS/ETCS. Zařízení se skládá z :

• prostředků pro styk s obsluhou - na každém stanovišti strojvedoucího (MMI), • přenosových modulů pro komunikační kanály : • balízy (BTM), • smyčky (LTM), • rádio - interface k radiovému datovému kanálu (RIM), • národní - (STM), • interface k součástem hnacího vozidla - brzdy, pantograf, dveře atd. (TIU), • modulu zabezpečovacího počítače - vlastního jádra systému (EVC), • komunikační sběrnice (ETCS) a distribučního vedení (CTODL), • dalších modulů systému : • časové a odometrické jednotky (TOU), • řídicího počítače (MC), • záznamové jednotky (RU).

56

MMI TOU

EVC

MMI

MC

RU

CTODL BUS

ETCS BUS TIU BTM

RIM

LTM

STM

Obr. 6

Modul EVC je bezpečným "mozkem" mobilní části systému. Data si s ostatními částmi systému vyměňuje v ETCS formátu po ETCS Bus (Open Data Communication Link). Obsahuje software vykonávající příslušné řídicí a dohlížecí algoritmy - třídí a rozbaluje informace přijaté od traťové části, provádí výpočet statického a dynamického rychlostního profilu, porovnání aktuální rychlosti a polohy s dynamickým rychlostním profilem, prostřednictvím TIU inicializuje funkce brzdění. Modul je schopen i v případě poruchy poslat příkaz k neprodlenému zastavení do interface nouzové brzdy v jednotce TIU zvláštním přímým vedením. Zajišťuje i další pomocné funkce vztahující se k úrovňovým přejezdům, varovnému zařízení traťových čet atd. EVC má dostatečnou časovou a paměťovou kapacitu pro řízení databáze traťové mapy a počítá i s pozdějším rozšířením systému bez potřeby nahradit jej výkonnějším modelem. Modul řídicího počítače (MC) ovládá funkce vlakového zařízení, které nesouvisí přímo s bezpečností. Řídí komunikaci styku s obsluhou (MMI), ovládá diagnostiku atd. Modul záznamové jednotky (RU) není povinou součástí systému, zachycuje v podstatě všechny události hlášené přes sběrnici ETCS a ukládá je spolu s časovými a odometrickými údaji v době hlášení. Časová a odometrická jednotka (TOU) zajišťuje prostřednictvím distribuční sítě CTODL časové a odometrické (poloha, rychlost, zrychlení, vnitřní čas systému) údaje pro všechny ostatní moduly. Vstupem jednotky (na obrázku nenaznačeným) je snímač odometru. Jednotka zajišťuje také detekci pohybu vozidla při vypnutém zařízení. Jednotka styku s obsluhou (MMI) je na každém stanovišti strojvedoucího a má podobu barevného displeje kombinovaného s klávesnici (touch screen) a doplněného akustickým výstupem. Její umístění odpovídá ergonomickým pravidlům, zobrazení informací

57

pro strojvedoucího je pro provoz v módu ERTMS/ETCS univerzální (jazyk popisků je možné volit). Je však navržena tak, že umožňuje (volitelně) při jízdě po existující národně vybavené infrastruktuře zobrazit informace pro strojvedoucího, blízké zavedeným zvyklostem. Přenosový modul balízy (BTM) snímá informace z míjených balíz. Anténa na vozidle trvale vysílá nosnou vlnu vhodnou pro napájení balízy, takže vlastní balíza na trati může být energeticky pasivní. K přijaté informaci z balízy je v BTM neprodleně připojen časový a odometrický údaj - razítko. BTM přijímá, razítkuje a prověřuje (zjišťuje chyby a stejnost) přicházející informace po celou dobu, kdy přijímací anténa zachycuje zprávy z balízy. BTM je současně schopen (měřením intenzity signálu) detekovat střed balízy v rozsahu ± 20 cm od skutečného středu balízy. Protože vybraná technologie balízy a umístění balízy nedovoluje přímé určení směru jízdy, ke kterému balíza patří (tj. směr, v kterém je skupina balíz míjena, ve vztahu k normálnímu směru balízy), vyhodnocení směrově závislé platnosti balízové informace je založeno na sekvenci balíz ve skupině nebo dvou bodů přenosu. Technologie naopak umožňuje také datový přenos v opačném směru - z vlaku do balízy. I ten je řízen BTM transparentním způsobem kódováním signálu, určeného pro napájení balízy. Přenosový modul smyčky (LTM) a modul radiového interface (RIM) se použijí pouze v případě využití těchto přenosových kanálů. Jejich funkce je obdobná jako u BTM. Použití modulu BTM je vždy nezbytné, protože balízy i v těchto případech slouží jako reference. 3

Módy mobilního zařízení

Palubní zařízení je schopné zvládnout všechny provozní situace. Podle okolností se zařízení z hlediska obsluhy (strojvedoucího) nachází v jednom z dále uváděných módů, pro který je vždy přesně definována odpovědnost strojvedoucího a zařízení. 3.1

Zapnutí

Jakmile strojvedoucí vstoupí do kabiny a oživí řídicí pult, zařízení ERTMS/ETCS se zapne spolu s ostatními zařízeními lokomotivy. Zapnutím se spouští automatické testování všech částí systému, které mají vliv na bezpečnost. Trvání celého testu nepřesahuje 15s a může proběhnout pouze na stojícím vozidle. Všechny detekované závady, jakož i úspěšné dokončení testu, jsou zobrazeny strojvedoucímu na obrazovce a registrovány v paměti. Poté může strojvedoucí zvolit mód Zadání dat nebo Posun. Tím opustí mód Zapnutí a přejde do módu nově zvoleného. Pokud je však zařízení řízeno jiným zařízením (např. při jízdě soupravy s více hnacími vozidly), přejde po testu automaticky do podřízeného módu Spící. Na vozidle umístěný detektor pohybu „studeného“ vozidla (tj. vozidla s vypnutým zařízením) registruje, zda mezi vypnutím zařízení a opětovným zapnutím došlo k pohybu vozidla. Pokud ano, budou z paměti zařízení odstraněny všechny informace, vztahující se k jeho poloze. Zařízení v oblasti aplikační úrovně 2 nebo 3 mohou získat novou informaci o poloze vozidla z RBC. Také přechod do módu Posun se v těchto případech uskuteční teprve po souhlasu RBC. 3.2

Zadání dat

Tento mód volí strojvedoucí prostřednictvím MMI na stojícím vozidle. Data o vlaku mohou být zadána automaticky, prostřednictvím manažerského systému nebo z paměti systému, nebo ručně strojvedoucím. Ručně či automaticky zadávaná data, relevantní pro

58

bezpečnost vlaku, musí strojvedoucí individuálně potvrzovat. Ostatní automaticky zadávaná data potvrzuje strojvedoucí skupinově. Je možné přepisování a opravování dat. Ruční vstup dat je veden v dialogové formě a kde je to možné, jsou vkládaná data porovnávána s uloženými limitními hodnotami nebo je zkoumána konzistence dat. V případě nesouladu jsou data odmítnuta. Po ukončení procedury vstupu dat lze přejít do módu Posun, Přípřež nebo Částečný dohled. Pokud se do módu Zadání dat přešlo z některého jiného módu (nešlo o počáteční fázi startování zařízení, ale jen o opravu vlakových dat), volbou Vlak na MMI se uskuteční návrat do toho módu, v němž zařízení bylo před vstupem do módu Zadání dat. Pro přechod do módu Posun nebo Přípřež v úrovni 2 nebo 3 je opět nutný souhlas RBC. 3.3

Úplný dohled

V tomto základním módu je bezpečnost pohybu vlaku plně zajišťována zařízením. Předpokladem je přítomnost všech potřebných dat o vlaku a trati. 3.4

Částečný dohled

Částečný dohled bude zařízení vykonávat při zvládání různých poruchových stavů a provozních nepravidelností a jde vlastně o degradované módy Úplného dohledu. Dále jsou uvedeny provozní situace, kdy vlak nebude mít kompletní data a zodpovědnost částečně přebírá strojvedoucí. Neinformovaný Když vlak opouští oblast vybavenou traťovou částí ERTMS/ETCS, bude mu poslední balízou vybavené oblasti nebo rádiem předána informace, která zařízení přepne do módu Neinformovaný. V tomto módu je vlak dohlížen podle charakteristik vlaku, s cílovou vzdáleností, která může být nekonečná. Strojvedoucí musí respektovat vnější návěstidla a charakter tratě na vlastní odpovědnost. Zařízení bude přijímat pouze vybrané telegramy a informace z kanálu STM. Ostatní telegramy systému ERTMS/ETCS bude ignorovat (tím se umožní např. příprava nového dosud neschváleného úseku tratě). Nezavěšený postrk Nezavěšený postrk tlačí vlak na určitou vzdálenost. Tento mód volí strojvedoucí na pokyn dopravního zaměstnance, z příslušné hlavní balízy dostává údaj o rychlosti sunutí a vzdálenost sunutí. Po volbě módu může hnací vozidlo ujet určitou vzdálenost (národní hodnota), v níž musí dostat informaci o povolení jízdy nezavěšeného postrku z balízy, nebo bude zastaven. Po příjmu povolení k postrku zařízení bude ignorovat příjem signálu „Stůj“ na povolenou vzdálenost. Při přiblížení se ke konci dovolené vzdálenosti vlak počítá brzdnou křivku, aby sunoucí lokomotiva nepřejela povolenou hranici. Návrat zpět se děje v módu Jízda podle strojvedoucího (volnost tratě garantuje zařízení, vydávající povolení k jízdě postrku). V případě RBC vydává povolení k zpětné jízdě RBC a návrat se děje s plnou kontrolou.

59

Jízda podle rozhledu Tento mód je použit v případě, kdy se vlak má plánovaně pohybovat v úseku obsazeném již jiným vlakem, resp. v případě, kdy se vlak má spojit s jiným vlakem. Strojvedoucí nemůže zvolit tento mód sám. Povolení k přechodu do tohoto módu dostane zařízení z RBC nebo hlavní balízy. Přechod musí potvrdit strojvedoucí. Zařízení dohlíží na jízdu v souladu s přijatým rychlostním profilem a navíc hlídá maximální rychlost, povolenou pro použití tohoto módu národními předpisy. Jízda podle strojvedoucího Tento mód se použije, když : • se vlak ocitne uvnitř oblasti úrovně 1 bez povolení k jízdě, nebo ztratí svou polohu a dostane ústní povolení od dopravního zaměstnance k přechodu do tohoto módu, • traťová část zařízení řádně nepracuje a strojvedoucí dostane ústní povolení k projetí návěstidla na „stůj“. V obou případech podle národních pravidel (např. souhlas dispečera) přebírá zodpovědnost za jízdu strojvedoucí a zařízení nerespektuje chybějící povolení k jízdě. Ve druhém případě je potlačení funkce po projetí návěstidla platné pouze pro toto návěstidlo. Projetí stůj Když vlak mine konec povolení k jízdě, bude aplikováno nouzové brzdění až do zastavení. Když vlak zastaví, strojvedoucí musí projetí potvrdit. Toto potvrzení uvolní nouzovou brzdu. K situaci může dojít ze tří příčin: • neočekávané zkrácení povolení k jízdě, • projetí návěstidla na stůj (maximálně s mezní přibližovací rychlostí stanovenou národními předpisy, nebo vypočtenou zařízením podle dohodnutých algoritmů), • minutí balízy s příkazem „Stop pro posun“ při posunu. Ve všech případech strojvedoucí musí kontaktovat příslušného dopravního zaměstnance a od něj získat další povolení k jízdě. V případě RBC to může být zasláním nového povolení k jízdě, v úrovni 1 na pokyn dopravního zaměstnance pokračuje v módu Jízda podle strojvedoucího. 3.5

Podřízení

V obou následujících případech není kontrola rychlosti aktivována, protože palubní zařízení se nenachází na vedoucím hnacím vozidle. Přípřež Použije se u dalšího hnacího vozidla v činnosti na vlaku (přípřež, zavěšený postrk, ale i jiné hnací vozidlo uvnitř vlaku), ale neřízeného z vedoucího vozidla přímo. Protože je v takovém případě na vozidle strojvedoucí, MMI může (je-li zřízena linka) poskytovat informace stejné jako na vedoucím vozidle. Funkce aktivované při projetí návěstidla na stůj jsou potlačeny. Zařízení může také spolupůsobit při poskytování informaci o celistvosti vlaku 60

(např. když je vozidlo na konci vlaku, může vysílat informaci o poloze konce vlaku pro RBC). Spící Použije se u závislých hnacích vozidel dálkově řízených z vedoucí lokomotivy. Protože v tomto případě není na stanovišti strojvedoucí, zachovává si zařízení pouze funkce spojené s hlášením polohy (např. jako konec vlaku). 3.6

Posun

Posun musí být prováděn v tomto módu, jde opět o degradovaný mód, strojvedoucí je za pohyb během posunu zodpovědný. Mohou, ale nemusí být přenášeny údaje o trati, případné údaje o vlaku nejsou brány v úvahu. Oblast posunu může být stanovena pevně nebo dočasně. Pevná oblast je chráněna speciálními balízami, zabraňujícími opuštění oblasti, dočasná oblast může být vytvořena prostřednictvím RBC. Rychlost je dohlížena podle národně stanovené hodnoty. Mód je v oblasti zařízení úrovně 1 aktivován strojvedoucím, v úrovni 2 a 3 RBC. 3.7

Porucha systému

Pokud je v systému detekována neopravitelná porucha, která nedovoluje další provoz zařízení, zařízení přejde automaticky do tohoto módu a bude aktivována nouzová brzda. Strojvedoucí může, podle údajů MMI a v souladu s předpisy, po zastavení vyřadit systém částečně nebo plně. Při úplném vyřazení zařízení přejde do módu Vyřazení. 3.8

Vyřazení

V tomto módu jsou plně vyřazeny veškeré řídicí funkce, systém ERTMS/ETCS nadále neovlivňuje brzdy. Pokud lze, zobrazuje se na MMI pouze aktuální rychlost vlaku, což strojvedoucímu signalizuje plnou zodpovědnost za jízdu vlaku. Zařízení pro Vyřazení je zvláštním způsobem chráněno, aby se předešlo jeho nežádoucímu použití. Vyřazení je registrováno. 3.9

Vypnutí

Tento mód se aktivuje pokud je zařízení napájeno ale není aktivováno žádné stanoviště a zařízení není v módu Spící. Za tohoto stavu zařízení poskytuje ochranu proti ujetí v obou směrech a je aktivován detektor pohybu studeného vozidla. Pokud bude následně totéž stanoviště do určité (národně stanovené) doby aktivováno, aniž by bylo vypnuto napájení, systém se vrátí do téhož módu, ve kterém bylo před zavedením Vypnutí. Tedy například při změně strojvedoucího, když první opustí vozidlo uvedené do tohoto módu, a druhý aktivuje stejný řídicí pult do určené doby, obnoví se původní mód se všemi daty. Pokud bude zařízení ve stavu Vypnutí a bude detekováno dálkové řízení vozidla z jiné hlavní trakční jednotky, zařízení přejde do módu Spící.

61

4

Stav projektu ERTMS/ETCS v rámci EU a UIC

Projekt byl z podnětu a za řízení UIC zahájen v roce 1991 v ERRI pod označením ETCS. Na projektu se kromě železničních správ postupně podílelo i sdružení hlavních evropských výrobců zabezpečovací techniky (EUROSIG) a další struktury EU, která posléze celý projekt pro jeho závažnost zahrnuly do svých vlastních plánů pod označením ERTMS. V roce 1995 byly v ERRI dokončeny funkční požadavky (FRS) a systémové požadavky (SRS), v roce 1997 pak byly dokončeny práce Users Group na revizi systémových požadavků podle EU. Současně byly ověřovány některé uzly systému (balíza, MMI atd.) a probíhaly přípravy pilotních projektů. V roce 1996 byl připraven projekt Vídeň - Budapešť, v roce 1997 další tři testovací úseky - po jednom u každé z železnic Users Group (SNCF, DB, FS) a projekt EMSET (trať mezi Madridem a Sevillou, určená zejména pro testování vlakové části zařízení). Výsledky všech uvedených testů by měly být k dispozici na přelomu let 1998/99. Bude se jednat nejen o prokázání funkceschopnosti a bezpečnosti jednotlivých částí systému, ale i o praktické testy interoperability vozidlových a traťových částí na zkušebních úsecích. Další projekty jsou zatím ve stadiu příprav. Ve spolupráci UIC a EU je nyní připravováno otevření projektu HEROE, který je nástavbou programu ERTMS/ETCS. Jeho cílem je vytvořit základní soubor pravidel při aplikaci ERTMS/ETCS a připravit i obecná pravidla pro vedení vlaku a řízení vlakové dopravy tak, aby byly do budoucna v Evropě vytvořeny předpoklady pro řízení vlakové dopravy přesahující hranice jednotlivých železničních správ. České dráhy účast na tomto projektu také potvrdily.

Praha, duben 1998

Lektoroval:Ing.Vladislav Kyjovský

62

Komentář:

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5

Jiří Martinovský

Evropský digitální rádiový systém pro železnice - EIRENE klíčová slova: GSM-R, automatické řízení vlaku Úvod Rozvoj vysokorychlostních tratí u vyspělých evropských železničních správ ukázal, že hranice národních železničních správ jsou malé pro efektivní využití této dopravy, která úspěšně konkuruje automobilové i letecké dopravě. Tyto důvody vedly Mezinárodní železniční unii (UIC) k definování tzv. pan-evropské železniční sítě - sítě železničních vysokorychlostních koridorů. Základním problémem pro dopravní proces v mezinárodních rozměrech je nekompatibilita národních systémů infrastruktury i způsobů řízení železniční dopravy. Ve snaze unifikovat dopravní technologii v evropském prostoru, vyvinuly vyspělé železniční správy jistý tlak na UIC s požadavkem na vypracování kritérií, která by definovala jednotné technicko - provozní podmínky pro mezinárodní provoz. Pod tlakem těchto požadavků UIC zahájila v r. 1992 práce na řešení rozsáhlého projektu pod pracovním názvem ERTMS/ETCS ( Evropský systém pro řízení železniční dopravy ). Na financování tohoto projektu se podílí Evropská unie EU s přispěním evropských železničních správ a průmyslu. Jednou z dílčích částí tohoto velkolepého projektu, která má zásadní význam pro vytvoření podmínek k jeho efektivní realizaci je dílčí projekt EIRENE - „ Evropská integrovaná železniční rádiová síť“. Postup řešení projektu EIRENE Řešení projektu EIRENE bylo pod záštitou UIC zahájeno v průběhu r. 1992. Významné mezníky v jeho průběhu představuje : . Ing. Jiří Martinovský, absolvent VŠD v Žilině, obor elektro-slaboproud.Výzkumný pracovník a systémový specialista v oblasti rádiové techniky, nyní zaměstnán v ČD-TÚDC. Podílí se na řešení nového evropského rádiového systému pro železnice v projekčním týmu UIC-EIRENE, kde je zástupcem ČD. • 1992/93

- definování základních technických požadavků pro realizaci evropského

63

standardu rádiové technologie v budoucích železničních mobilních systémech • 1993

- volba standardu GSM ( Globální Systém pro Mobilní komunikaci ) jako technologický základ pro železniční rádiový systém GSM-R (GSM-Railway)

• 1994/95 - definování jednotných úseků v evropském kmitočtovém pásmu 900 MHz a jejich schválení evropskou správou pro využití kmitočtového spektra CEPT • 1995

- založení konsorcia MORANE ( Mobilní rádio pro evropskou železniční síť) pověřeného vývojem prototypů a provedením technických a provozních

zkoušek • 1996 - dokončení modifikací standardu GSM -R k uspokojení specifických požadavků železnic Konsorcium MORANE Cílem aktivit konsorcia MORANE je specifikovat, vyvinout, testovat a schválit prototypy nového rádiového systému EIRENE, podle standardu definovaného UIC. Na činnosti konsorcia MORANE se podílí 21 evropských partnerů; 7 železničních společností, 3 výzkumná pracoviště a 11 výrobců rádiových zařízení. Projekt MORANE je rozdělen do dvou fází: Fáze 1 ( 1996-1997 ) – vypracování detailních specifikací systému – vývoj specifických technických prostředků pro železnice – testování systému na zkušebních traťových úsecích u DB, SNCF a FS Fáze 2

( 1996-1999)

– na základě rozboru výsledků testování vypracování dalších specifikací – vývoj specifických železničních telekomunikačních požadavků – kompletace rádiových služeb pro přenos dat GPRS ( General Packet Radio Service ) Je možno konstatovat, že předpokládaný časový harmonogram prací je s poměrně velkou přesností dodržován. EIRENE - základní technické specifikace S přihlédnutím k rozsahu projektu je možno na tomto místě uvést pouze některé základní technické specifikace, které podají rámcový přehled o rádiovém systému EIRENE 1. Předmět projektu Technické specifikace EIRENE definují rádiový systém, splňující požadavky evropských železnic na mobilní komunikace. EIRENE zahrnuje pozemní hlasové a datové rádiové

64

komunikace stacionárních drážních zařízení spolu s potřebami pozemních mobilních komunikací, které mají zaměstnanci dráhy pracující podél tratí, železniční stanice, depa a také administrativní a řídící personál. EIRENE bude rovněž zajišťovat vzájemnou komunikaci vlaků a pracovníků přejíždějících statní nebo jiné hranice. Komunikační možnosti systému EIRENE jsou znázorněny na obrázku č.l. Předmět a rozsah EIRENE Železniční pevná síř Řídící centrum Další sítě EIRENE

Národní síť EIRENE

Hlasové a datové omunikace - strojvedoucí ERTMS/ETCS vlakový personál,informace pro cestující

Komunikace pro řízení posunu

Meznárodní vlaky

Široké oblastní komunikace Vlakové komunikace

2. Přehled některých funkcí systému Systém je založen na standardech ETSI GSM fáze 2, fáze 2+ a fáze 2++, v nichž jsou definovány základní služby pro účastníky veřejné sítě GSM: Fáze 2 -služba přenosu hovoru mezi 2 body -služba datového přenosu mezi 2 body -faxová služba -konference 3 účastníků -další speciální služby ( přenos krátkých zpráv, přednostní volání a další) Fáze 2+ -služba skupinového volání ( tzv. oběžník ) -prioritní volání -optimální trasování přenosu a pod. Fáze 2++ zahrnuje celou řadu dalších služeb, z nichž nejzávažnější jsou datové paketové přenosy.

65

Aby bylo možno splnit další požadavky na funkční vybavení, je standard doplněn o služby pro specifické železniční aplikace: -výměna informací, týkajících se adres a polohy mezi vlakem a pozemní stanicí -nouzové hovory -režim pro vlakový posun -komunikace mezi několika strojvedoucími -možnost přímé komunikace pro operaci typu soustava - soustava -funkční specifikace pro pracoviště dispečera -specifická konfigurace systému Pro splnění specifických železničních požadavků na služby se vyžaduje určitý počet dodatků a modifikací k standardu GSM fáze 2. Hlavní aspekty jsou shrnuty v následujících odstavcích. Kmitočty Zařízení bude schopno pracovat v následujících kmitočtových pásmech: Pásmo

kmitočet (MHz)

veřejná GSM

880 - 915 / 925 - 960

železniční GSM-R

876 - 880 / 921 - 925

Hlasové vysílání a možnosti skupinových hovorů Všechna mobilní zařízení budou podporovat tyto služby tak, jak je definováno v odpovídajících specifikacích GSM fáze 2+ a budou se používat zejména pro: -vysílání zpráv od řídících pracovníků určitým vlakovým skupinám v obvodu jejich působnosti -skupinové hovory mezi vlakovými strojvedoucími a řídícími pracovníky v rámci předem definovaných oblastí -skupinové hovory mezi pracovníky podél tratí, členy posunovacích čet, staničními pracovníky a podobnými skupinami v rámci předem definovaných oblastí Víceúrovňová priorita a preempce Tato specifikace zařízení GSM fáze 2+ bude realizována za účelem dosažení vysoké výkonnosti systému, nezbytné pro nouzové skupinové hovory. Rovněž bude umožňovat přednostně odbavovat požadavky na služby pro určité typy komunikačního provozu na daném systému ( např. bezpečnost /ATC/, provozní a administrativní komunikace a další. 66

Funkční číslování účastníků provozu Mnoho pracovníků železnic potřebuje adresaci prováděnou spíše podle funkčních čísel, než podle čísel osobních. Funkční čísla se mohou měnit na pravidelném základě. Hlavním příkladem jsou strojvedoucí vlaků, kteří potřebují být adresováni podle jízdních čísel vlaků, která se mění s každou cestou. Aby bylo možno překonat tento problém, je k dispozici převáděcí možnost, která zajistí směrování hovorů pro funkční čísla na osobní číslo, v daném okamžiku nejvhodnější . Tímto způsobem budou hovory uskutečněné na vlakové číslo směrovány sítí na odpovídajícího strojvedoucího nebo lokomotivu daného vlaku v daném čase. Adresování závislé na poloze Je potřebné, aby strojvedoucí vlaků mohli kontaktovat řídící pracovníky dopravy a jiný personál stisknutím jediného tlačítka. S tím, jak vlak projíždí různými oblastmi sítě, adresy těchto pracovníků se mění. Z tohoto důvodu je požadován prostředek pro adresaci hovorů z vlaku v závislosti na jeho poloze, na určitá funkční místa v organizaci drážní dopravy. Jediným zdrojem informací o poloze, který je k dispozici v rámci sítě GSM je buňka, ve které se vlak nachází. Existuje také několik vnějších zdrojů, ze kterých lze získat přesnější polohové informace. Jsou to autonomní systémy zjišťování polohy vlaku, vysílací a přijímací jednotky podél tratí a informační systémy založené na pozemní bázi. Přímý režim Železniční mobilní zařízení mohou podporovat přímý komunikační režim, kterým může mobilní zařízení komunikovat se všemi mobilními zařízeními v nějaké lokální oblasti bez použití infrastruktury GSM. Takový režim se požaduje tam, kde: - není k disposici žádná infrastruktura GSM; - došlo k selhání zařízení infrastruktury GSM Síťové plánování Základním aspektem pro realizaci projektu digitálního rádiového systému je definování všech vstupních požadavků na rozsah služeb poskytovaných systémem. Cílem síťového plánování je dosáhnout nejen propojitelnosti mezi sítěmi, ale zároveň zajištění stálé úrovně služeb, které jsou na GSM - R požadovány. Jako základní plánovací hodnotu u globální sítě je považováno pokrytí rádiovým signálem v hodnotě 95% času nad 95 % označené oblasti pokrytí, kdy daný systém bude zajišťovat komunikaci pro vlaky jedoucí rychlostí až 500 km/hod. Poměr úspěšného předání informace v průběhu cesty vlaku by měl být nejméně 99,5 % . 67

Zvlášť důležitým je splnění požadavků na čas zřízení spojení, který je definován podle tříd priorit volání. Jednotlivé typy volání podle tříd jsou uvedeny v tabulce. Třída

Typ volání

I

Nouzová volání, která vycházejí z mobilního zařízení, jsou typu z bodu do bodu a směřují na pevný terminál; Skupinová/vysílací nouzová zařízení na pevný terminál

Ia II III

Čas zřízení spojení

volání

z mobilního

<1s

Naléhavá skupinová volání z mobilního zařízení na mobilní zařízení

<2s

Všechna provozní volání, která nespadají do výše uvedených Všechna volání s nízkou prioritou

<5s < 10 s

Základní specifikace mobilního zařízení a) Technické požadavky Aby byly umožněny úspory z hromadné výroby, budou všechna mobilní zařízení EIRENE specifikována na společné úrovni základních služeb, možností a charakteristik. Generická výstavba mobilní stanice EIRENE se skládá z následujících technických prvků: - mobilní ukončení GSM - MT, obsahující mobilní zařízení GSM a SIM - mobilní ukončení přímého režimu pro komunikaci v přímém režimu - aplikace EIRENE standardizované charakteristikami mimo GSM - rozhraní člověk - stroj; závislé na typu radiového zařízení Všechna mobilní zařízení budou schopna provozu na kmitočtových pásmech veřejné GSM a UIC ( GSM - R ). b) Funkční požadavky Mobilní zařízení umožňuje realizaci následujících funkcí orientovaných na hovor, které jsou strojvedoucímu k dispozici: - volání dispečera, výpravčího, elektrodispečera - volání jiných strojvedoucích v dané oblasti - odeslání a příjem nouzového hovoru - komunikace s ostatními strojvedoucími v témže vlaku - volání vlakové čety

68

- volání ostatních oprávněných uživatelů - přijímání hlasových hovorů ke strojvedoucímu - přijímání krátkých textových zpráv - ukončení hovorů - zahajování / opouštění posunového režimu Výše citované funkce jsou pouze základní. Kromě těchto mobilní zařízení umožňuje další funkce, související s automatizací dopravního procesu a jízdy vlaku. Základní specifikace pevných řídicích zařízení V železniční provozní struktuře může existovat několik typů řídících a dozorčích pracovníků. Jedná se o dispečera, výpravčího, elektrodispečera, staniční dozorčí, dozorčí pro služby, údržbu apod. Tyto funkce mohou být fyzicky odděleny nebo sloučeny. Většina komunikací se však odehrává s vlakovým dispečerem nebo výpravčím. Ovládací pracoviště dispečera musí zajišťovat následující funkce: - zobrazení všech mobilních zařízení, která jsou pod řízením tohoto dispečera, se zobrazením jejich funkční identity ( číslo vlaku, lokomotivy, čety a polohu ). - frontu všech příchozích hovorů nebo požadavků na hovor s tím, že hovory s vysokou prioritou jsou na vrcholu fronty - umožnění vytváření hovorů s parametry nouzové situace, bezpečnostního hovoru s prioritou na jakékoliv mobilní zařízení volbou z displeje - umožnění vytváření skupinových hovorů s prioritou nouzové situace - umožnění odesílání a přijímání krátkých zpráv ( SMS ) Funkční vlastnosti základnových zařízení dalších řídicích a dozorčích pracovníků lze vytvářet kombinací výše uvedených funkcí podle zvyklostí a technologie řízení u jednotlivých železničních správ. Datový přenos GPRS/ERTMS Zvláštní pozornost při využití nového digitálního rádiového standardu EIRENE vyžaduje možnost datových zpráv GPRS jako nosné služby v evropském systému řízení železniční dopravy ERTMS. Cílem UIC je provést detailní specifikace GPRS / ERTMS s tím, že po jejich dokončení a následných provozních zkouškách bude komplexní systém evropským železnicím k dispozici. Předpoklad prvních implementací je v r. 1999. Podíl ČD na řešení projektu EIRENE

69

České dráhy se na řešení projektu EIRENE podílejí od roku 1994 účastí svých zástupců ve stálé pracovní komisi UIC pro radiovou techniku (7B9), projekčním týmu UIC - EIRENE a v pracovní skupině uživatelské UIC - UG. Velkým přínosem pro ČD je aktuální podrobná technicko - uživatelská informovanost o podrobnostech projektu, jehož následná realizace u evropských železnic bude nutnou podmínkou jejich bezproblémového začlenění do tzv. pan-evropské železniční sítě. V rámci činností komisí UIC v předmětné problematice byl zpracován návrh „Protokolu o společném stanovisku“ k zavádění nových rádiových systémů pro železniční provozy dle standardu EIRENE mezi členskými železnicemi UIC. Tato dohoda byla signována v červnu 1997 zástupci 26 evropských železničních správ, včetně ČD. Závěr Autor článku se pokusil ve velmi zkrácené formě podat základní informaci o rozsáhlém evropském projektu, jehož provozní a technické testy probíhají v současné době u německých, francouzských a italských železnic. Výsledky testů, které mají být ukončeny koncem roku 1998, podají definování konečných specifikací systému. Průmyslová sféra, která se na testech podílí, bude moci zahájit výrobu a dodávky jednotlivých komponent rádiového digitálního systému EIRENE. České dráhy, podobně jako většina evropských železnic, zahájily přípravné práce, které jsou nezbytné k implementaci systému do podmínek vlastního železničního provozu.

Praha, duben 1998

Lektoroval: Ing.Zdeněk Kaufmann ČD-DDC, O 14

70

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5

Pavel Bartoň

Testování ATM prvků v telekomunikační síti Českých drah klíčová slova: technologie ATM, datová síť Českých drah, místní počítačová síť (LAN), rozlehlá datová síť (WAN),technologie SDH, pobočkové telefonní ústředny

Účel provádění testů ATM prvků u Českých drah S rozvojem síťových aplikací dochází v současnosti i u Českých drah k prudkému nárůstu požadavků na propustnost datových sítí a jejich integraci se sítěmi hlasovými. Vzhledem k tomu, že u ČD již existuje privátní datová síť WAN postavená na standardech X.25, Frame Relay a TCP/IP a privátní telefonní síť hlavních a pobočkových ústředen, přistoupila ČD-DDC,Správa železničních telekomunikací Praha (dále SŽT)jakožto provozovatel těchto sítí k ověřování možnosti postupného přechodu na integrovanou telekomunikační síť založenou na technologii ATM. Cílem těchto testů bylo stanovit strategii pro nasazování ATM a integraci hlasových a datových služeb a stanovení kritérií pro výběr páteřních a přístupových přepínačů s ohledem na jejich technické parametry, cenové relace a v neposlední řadě na jejich kompatibilitu se stávajícími komponentami sítě WAN a přístupových sítí LAN. Popis současného stavu telekomunikačních sítí u Českých drah Síť WAN, jak již bylo uvedeno,je postavena na protokolech Frame Relay a X.25 (přepínače řady AXS60xx a AXS3xxx od firmy Ascom) a TCP/IP (routery řady 75xx a 4700 od firmy Cisco). Páteřní spoje jsou z velké části provozovány na 3. vrstvě modelu OSI jako přepínaná síť Frame Relay a X.25. Tyto dvě sítě jsou spolu propojeny a vytvářejí takto heterogenní přenosové prostředí. Do této sítě jsou připojeny samostatné počítače i lokální počítačové sítě (LAN). Samostatné počítače jsou připojeny protokoly X.3 (na PAD X.3/X.28) a PPP (na asynchronní porty routerů Cisco 25xx). Ve výjimečných případech jsou některé specializované počítače připojeny protokolem X.25. . Ing.Pavel Bartoň, nar.1964. Absolvent VŠSE Plzeň, obor technická kybernetika. Působil ve Výzkumném ústavu železničním, od r.1995 v ČD-DDC, Správě železničních telekomunikací v oboru rozvoje datových sítí.

71

Sítě LAN jsou u ČD vybudované především na základě kombinace klasického sdíleného a přepínaného Ethernetu, v lokalitách s většími požadavky na propustnost sítě LAN je použita kombinace technologií klasického Ethernetu a 100VG AnyLAN. Ve větších budovách s více organizačními jednotkami je v páteřních trasách sítí LAN použita technologie Fast Ethernet s protokolem ISL (Inter Switch Link protokol) pro možnost tvorby virtuálních sítí LAN (VLAN). Tyto sítě LAN jsou připojovány na Ethernet či Fast Ethernet porty routerů Cisco. Telefonní síť se skládá většinou z analogových hlavních a pobočkových ústředen. V současné době ale i zde dochází k digitalizaci. Postupně jsou nasazovány digitální pobočkové ústředny HiCom 300 od firmy Siemens, TTC-2000 od firmy Tesla Telekomunikace s.r.o., ústředny od firmy Philips a v malém počtu i jiné. Telefonní a datová síť nejsou spolu propojeny (vyjma provozu některých komutovaných spojů), obě sítě však využívají shodnou telekomunikační infrastrukturu. Správa IP sítě WAN a některých sítí LAN se odehrává pomocí HP OpenView na platformě HP UX a WIN NT. Výběr zúčastněných firem, zadání testovacích kritérií. Během června a července 1997 byly provedeny úvodní pohovory se zúčastněnými firmami a byla stanovena kritéria testů. Testy byly otevřenou záležitostí pro všechny výrobce ATM prvků, konkrétnější jednání byla vedena s firmami Cisco Systems (zastoupení v ČR Cisco Systems, s.r.o.), Fore Systems (zastoupení v ČR Core Compurer s.r.o.), Xylan (zastoupení v ČR Unient Communications, a.s.) a 3Com (zastoupení v ČR 3Com Praha,s.r.o.). Jednání s firmou 3Com nedospěla ke konkrétním výsledkům, firma Xylan sdělila, že náklady na materiální zajištění testů (doprava, clo, zákaznický servis) by byly příliš vysoké, a proto nabídla testovací kapacity v pobočce v Holandsku. Pro testování byla z důvodu existence potřebných prvků telekomunikačních sítí vybrána lokalita Plzeň. Pro vytvoření konektivity na stávající routery a LAN přepínače Cisco a na pobočkové ústředny Hicom firmy Siemens a TTC-2000 , které jsou v této části sítě ČD již nasazeny, byly zapůjčeny od firem Alef Nula, a.s. a Siemens komunikační systémy s.r.o. potřebné moduly a aktivní prvky. Firma VÚMS Datacom zapůjčila optické přenosové prostředky RAD AMC101. Testování bylo zahájeno 15.9.1997 a bylo rozloženo do několika etap s využitím již provozovaných prvků v lokalitách Plzeň - zesilovací stanice, Plzeň - hlavní nádraží, žst. Nepomuk, Strakonice - zesilovací stanice. Pro testy byla podle potřeby uvolňována 4 vlákna na optickém kabelu na trase Plzeň zesilovací stanice - Strakonice. Vzhledem k potřebné minimalizaci HW rekonfigurací byly stanoveny následující etapy:

72

1. etapa - testy pouze v lokalitě Plzeň. Síť byla zapojena podle obrázku 1 a byly provedeny následující testy: • testy kompatibility ATM přepínačů (switch) se stávajícími zařízeními ( routery Cisco, TLF ústřednami Siemens a přepínači Cisco) • testy VLAN přes ATM síť • testy telefonní komunikace přes ATM síť ( pro tyto testy bylo generováno zatížení ATM sítě pomocí datové komunikace mezi ATM LAN adaptery po pevně zbudované cestě: ATM LAN adapter-1, ATM switch-3, ATM switch-1, ATM switch-2-port1, patch cord, ATM switch-2-port2, ATM switch-1, ATM switch-3, ATM LAN adapter-2 • ověření rozsahu podpory jednotlivých prvků pro RMON pod OpenView for Windows NT.

73

VLAN 1

VLAN 2

ATM LAN adapter

VLAN 2

ATM LAN adapter

ATM OC-3c UTP 10Base-T

ATM OC-3c UTP

10Base-T

10Base-T

Catalyst C3000-1

Catalyst C3000-2 ATM switch-3

100Base-TX

100Base-FX

Catalyst C5000 ATM OC-3c MM

CISCO 7505

ATM OC-3c MM

IP ČD

ATM OC-3c MM

ATM switch-1

E-1

TLF-1

Siemens HiCom 300-1

Plzeň - Purkyňova

ATM SM

VLAN 1

VLAN 2

TLF-2 10Base-T

10Base-T

ATM MM

Ethernet switch with VLAN

E-1

Siemens HiCom 300-2

ATM switch-2

Plzeň -Sušická

obrázek č.1. Zapojení pro 1. etapu testů 2. etapa - testy rozšířeny o lokalitu Strakonice podle obrázku 2 a byly provedeny testy: 74

•

testy kompatibility s tlf ústřednou TTC-2000

•

test přesměrování komunikace při přerušení linky

TLF-1

TLF-2

Siemens HiCom 300-1

Siemens HiCom 300-2

E1

E1

ATM switch-1

ATM switch-2 ATM OC-3c 2 km

ATM OC-3c 2 km

Plzeň zesilovací stanice

Plzeň -Sušická

ATM OC-3c

ATM OC-3c

36 km

FO-FO konvertor AMC-101

36 km

FO-FO konvertor AMC-101

žst. Nepomuk

ATM OC-3c

ATM OC-3c

45 km

45 km

TTC 2000 E1

Strakonice zesilovací stanice

TLF-3 ATM switch-3

obrázek č.2 Zapojení pro 2. etapu testů

75

3. etapa - testy SDH podle obrázku 3 tak, že ATM přepínače nebyly propojeny přímo, ale přes SDH prvky.

TLF-1

TLF-2

Siemens HiCom 300-1

ATM switch-1

Siemens HiCom 300-2

E1

ATM switch-2

E1

155Mbps FO SM 2 km

SDH

155Mbps FO SM 2 km

SDH

Plzeň -Sušická

Plzeň zesilovací stanice

155Mbps FO SM 36 km

SDH

45 km 155Mbps FO SM

155Mbps FO SM 36 km

žst. Nepomuk

45 km 155Mbps FO SM

SDH

TTC 2000 E1

Strakonice zesilovací stanice

TLF-3 ATM switch-3

ob obrázek č.3 Zapojení pro 3. etapu testů

76

Specifikace optické trasy: Trasa Plzeň ZS – Nepomuk: Nepomuk – Horažďovice: Horažďovice – Strakonice:

naměřený útlum 14,7 dB 9,3 dB 7,0 dB

délka 37,4 km 25,1 km 18,1 km

2. etapa předpokládala nasazení ATM přepínačů pouze v Plzni a ve Strakonicích. Jelikož útlum celkové trasy činil 31 dB, nebylo možné tuto vzdálenost překlenout bez nějaké formy retranslace. Pro toto byly vybrány modulární opakovače AMC-101 od firmy RAD. Vzhledem k nízkým útlumům na trase Nepomuk – Horažďovice – Strakonice byly opakovače umístěny pouze v Nepomuku. Popis testovaných prvků ATM switch Lightstream 1010, výrobce Cisco Architektura přepínače: Neblokující přepínací sběrnice se sdílenou pamětí a celkovou propustností 5 Gbps. Sdílené ATM buffery (vyrovnávací paměti) o velikosti 65536 ATM buněk (53 Bytů). Pětislotové šasi s nosičem ventilátorů a redundantními zdroji sdílejícími zátěž. Podpora autentifikace přístupů systémem TACACS+. ATM switch Fore Runner ASX-1000, výrobce Fore Systems Inc. Architektura přepínače: Neblokující přepínač s vnitřní sběrnicí na bázi časového dělení (TDM) s přenosovou rychlostí až 10 Gbps. Vzhledem k neblokující architektuře jsou buffery umístěny až na výstupních portech. Architektura je označována jako "Distributed Shared Memory". Šasi šetnáctislotové s nosičem ventilátorů a redundantními zdroji sdílejícími zátěž. Podpora autentifikace přístupů systémem TACACS+. ATM switch Fore Runner ASX-200BX, výrobce Fore Systems Inc. Architektura přepínače: Funkčně shodný přepínač jako Fore Runner ASX-1000 s nižším výkonem. Vnitřní sběrnice na bázi TDM s přenosovou rychlostí 2,5 Gbps. Šasi čtyřslotové s nosičem ventilátorů a redundantními zdroji sdílejícími zátěž. Podpora autentifikace přístupů systémem TACACS+. Workgroup switch Catalyst 5000, výrobce Cisco Architektura přepínače: Mediově nezávislá architektura, integrované přepínání rámců a buněk s podporou všech LAN a ATM přepínaných technologií prostřednictvím široké škály Ethernet, Fast Ethernet, FDDI, Token Ring a ATM switch modulů, plná podpora síťového operačního systému Cisco IOS (směrování). Přepínací sběrnice s třemi úrovněmi priority, bridgovací tabulka pro 16.000 MAC adres. Architektura Netflow switching kombinuje jednoduchost a rychlost přepínání na 2. vrstvě OSI modelu s inteligencí a rozšiřovatelností směrování na 3. vrstvě. Neblokující sběrnice o propustnosti 1.2 Gbps (respektive 3.6 Gbps u Catalystu 5500 a výhledově u Catalystu 5000). Obsahuje funkce LES (LAN Emulation Server), LECS (LAN Emulation Configuration Server)a BUS (Broadcast and Unknown Server) pro podporu tvorby emulovaných LAN. Podpora autentifikace přístupů systémem TACACS+.

77

Workgroup switch ES-3810, výrobce Fore Systems Inc. Architektura přepínače: Distribuovaná store-and-forward architektura. Propustnost 1.08 Gbps. Latence (doba průchodu packetu switchem) 50 µs ATM-Ethernet, 61µs Ethernet-Ethernet. Bez funkcí LES,BUS,LECS. Workgroup switch PH-8000, výrobce Fore Systems Inc. Architektura přepínače: Distributed shared memory switching (store and forward). Podpora routingu IP, IPX, AppleTalk; protokoly RIP, OSPF. Propustnost až 3,2 Gbps. Latence <100 µs ATM-Ethernet. Funkce LES a BUS.

Výsledky testů ATM přepínačů 1. etapa • •

• •

testy kompatibility přepínačů ATM se stávajícími prvky Kompatibilita na úrovni standardů prokázána u všech testovaných zařízení testy přístupových workgroup switchů na VLAN přes ATM síť Plná funkčnost prokázána u všech testovaných zařízení. Maximální počet VLAN: Cisco Catalyst5000 1000 Fore ES-3810 16 Fore PH-8000 32 testy telefonní komunikace přes ATM síť Kompatibilita na úrovni standardů pro ISDN pobočkové ústředny u Hicom-300 prokázána. Ověření rozsahu podpory jednotlivých prvků pro RMON a HP Open View Managovatelnost je u prvků Fore i Cisco řešena firemním softwarem, který je spustitelný jako samostatná aplikace pod operačním systémem HP-UX nebo WIN NT nebo jako aplikace zaintegrovatelná do HP OpenView. V případě FORE není k dispozici modul do HP OpenView pro WIN-NT. Pro přepínače ATM doposud nebyl stanoven standard pro dálkový dohled, a proto se testy omezily pouze na přístupové workgroup switche, které podporují pouze vybrané SNMP MIB II / RMON skupiny.

2. etapa •

testy kompatibility s telefonní ústřednou TTC-2000 TTC-2000 v době testů nepodporovala Q-signalizaci. Podpora byla pouze pro K-signalizaci pro starší typy ústředen.

•

testy přesměrování komunikace při ztrátě linky Funkčnost prokázána u všech testovaných zařízení.

Z důvodu nedostupnosti generátoru ATM buněk a ATM analyzátoru nebylo možné provést testy prvků při plném zatížení. Tyto testy provedly ”Evropské síťové laboratoře” v Paříži ve

78

spolupráci s časopisem Data Communication, kde byly publikovány v červenci 1997 v labtestu ”Mix-and-Match ATM” a jsou dostupné na adrese: http://www.data.com/Lab_Tests/mix.html. Obecně lze říci, že obě firmy,které se zúčastnily testů splňují standardy stanovené ATM fórem, a navíc nabízejí svoje privátní doplňkové služby. 3. etapa •

testy SDH

Za účelem otestování systému SDH v reálných podmínkách provozu ČD bylo nasazeno zařízení ISM 2000 firmy LUCENT Technologies. Toto zařízení bylo instalováno v komunikačních uzlech ČD Plzeň-Škroupova,Plzeň-Sušická,Nepomuk a Strakonice. Konfigurace zařízení byla navržena s linkovými výstupy 622 Mbps s optickým rozhraním. Desky TGU, PPC a PSF byly zdvojeny. Strana příspěvkových toků byla vystrojena deskami 2 Mbps s redundantní deskou a deskami 155/140 Mbps čisté kanály. Toky 2 Mbps byly provozovány s impedancí 120 Ohmů, toky 155 Mbps byly provozovány s elektrickým rozhraním s impedancí 75 Ohmů. Kanály 155 Mbps byly využity pro provoz zařízení ATM v samostatných relacích Plzeň Škroupova-Plzeň Sušická a Plzeň Škroupova-Strakonice. ATM zařízení disponovalo optickým výstupem, proto byly použity opticko-elektrické konvertory AMC 101 firmy RAD. Před nasazením zařízení ATM byl ověřen bezchybný provoz transportní části sítě analyzátorem STM1 EST-2100. Reálný provoz datové komunikace přes zařízení SDH a ATM byl ověřen pracovníky SŽT a byl shledán bezchybným. Za účelem vzájemného propojení telefonních ústředen byly zřízeny toky 2 Mbps v relaci Plzeň Škroupova-Plzeň Sušická a Plzeň Škroupova-Strakonice. K přímému nasazení provozu ústředen na připravené toky nedošlo, jejich bezchybná funkce byla ověřena analyzátorem rámce PFA 35. Dne 21.11.1997 bylo provedeno seznámení s technickými parametry zařízení SDH ISM-2000 s následným praktickým předvedením kruhové ochrany provozovaných toků a ochrany HW zdvojením desek. Provoz byl simulován z analyzátorů STM1 EST-2100 a PFA35. Závěrem zkušebního provozu lze konstatovat, že zařízení ISM2000 lze v podmínkách ČD použít. Zhodnocení výsledků testů Testy prokázaly použitelnost technologie ATM v prostředí telekomunikační sítě ČD a možnost jejího nasazení na některé kabelové trasy už i v současné době. V testovací lokalitě Plzeň bylo vybudováno prostředí pro provádění dalších testů. V návaznosti na testy ATM budou v průběhu roku probíhat testy ISDN prvků a dalších telekomunikačních prostředků.

79

S ohledem na správu ATM přepínačů a na firemní doplňkové služby považujeme za vhodnější nasazování ATM prvků do sítě ČD od jednoho Ovýrobce. V průběhu testování se však neprojevil žádný problém, který by zabraňoval koexistenci prvků firem Cisco a Fore systems v telekomunikační síti Českých drah. Výsledky porovnávacích testů provedených SŽT budou k dispozici na adresách http://www.szt.cdrail.cz pro přístup z IP sítě ČD a http://www.cdrail.cz, kde bude část informací zrcadlena pro přístup z veřejného Internetu. Závěrem České dráhy děkují všem zúčastněným firmám za bezúplatné zapůjčení potřebných komponent a za technickou podporu, bez nichž by nebylo možné tyto testy vůbec zrealizovat.

Plzeň,únor 1998

Lektoroval:Ing.Arnošt Dudek ČD-DDC,O-14

80

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5

Raimund Moliš

Pilotní projekt ATM v Olomouci Klíčová slova: datová síť Českých drah, rozlehlá datová síť (WAN), technologie ATM, technologie SDH Úvod V současné době je zaznamenáván u Českých drah (ČD) prudký nárůst požadavků na přenos dat, ale též na dálkové okruhy telefonní sítě a v neposlední řadě snaha o ověření přenosu obrazu v reálném čase. U ČD existuje řada provozovaných aplikací, které souvisejí přímo s provozem.Jsou to rezervace místenek a prodej mezinárodních jízdenek, evidence pohybu vozů, kontrola přepravy a elektronická pošta. Největší nárůst objemu přenášených dat byl vyvolán požadavkem na zavedení ekonomického systému SAP R/3 u ČD. Vedle těchto datových přenosů existují doposud telefonní přenosy, které byly budovány v šedesátých letech a na tato léta i dimenzovány. S probíhající restrukturalizací ČD a stále větší centralizací vzrůstají i požadavky na telefonní okruhy s větší kapacitou a orientovaných do nových směrů. Co se týče přenosu obrazu, hovoří se o zabezpečení neobsazených zastávek, kontrole projíždějících vlaků dispečery a v neposlední řadě i videokonference v souvislosti s zmíněnou centralizací. Splnění všech výše uvedených požadavků nabízí použití technologie ATM (Asynchronous Transfer Mode). Jako jeden z argumentů proti této technologii se uvádí nedostatečná standardizace. Pravdou je, že standardizace v této oblasti není plně zajišťována žádnou z velkých mezinárodních standardizačních organizací (ITU, ISO), ale sdružením výrobců v tzv. ATM fóru. Podobným způsobem je však zajišťována standardizace protokolů TCP/IP (doporučení RFC) a Internet se přesto stal nejrozšířenější celosvětovou sítí. U ČD byla zpracována studie „Digitalizace tranzitní úrovně služební telefonní sítě ČD“, která v roce 1994 navrhla přenosovou síť pomocí technologie SDH. Za této situace se pracovníci ČD Divize dopravní cesty Správa železničních telekomunikací Praha (dále pouze SŽT) na pracovišti Provoz datové sítě (PDS) Olomouc dostali k pilotnímu projektu ATM. Úlohou tohoto článku není podrobně seznamovat s principy ATM, zaměříme se pouze na pilotní projekt a zkušenosti s nasazeným zařízením ATM. . Ing.Raimund Moliš, nar.1965. Absolvent FE VUT Brno, katedry telekomunikací. Postupně pracovník sdělovacího oddělení SZD Olomouc,vedoucí dohledu a servisu datové sítě ČDOSŽT, nyní SŽT PDS Olomouc. Návrh ověření ATM

81

Firma Philips projevila zájem nabídnout ČD nové zařízení, které by se mohlo stát základem pro digitalizaci páteře telekomunikací ČD. Hlavním úkolem SŽT bylo ověřit, zda zařízení Philips splňuje deklarované parametry a zda též splňuje požadavky ČD na toto zařízení. Ověřování probíhalo na pracovišti PDS Olomouc. Náplní pilotního projektu bylo vybudování páteře ATM a jejího dohledu, vybudování sítě kamer pro dispečerský dohled nádraží Olomouc hl.n. a připojení stávajících datových a telefonních okruhů. Osou pilotního projektu se stalo vybudování ATM páteřního trojúhelníku s cílem ověření zálohování jak zařízení tak i okruhů. Tento trojúhelník je pouze logický, neboť je k dispozici pouze lineární úsek gradientního kabelu, na který navazuje kabel jednovidový. Před zahájením pilotního projektu bylo nutno ověřit, zda gradientní kabel splňuje podmínky širokopásmového přenosu. Pro páteřní uzly ATM byly vybrány lokality: zesilovací stanice Jungmannova, obchodně provozní ředitelství Nerudova a automatická telefonní ústředna Albertova. Použitá zařízení ATM Použity byly dvakrát uzly ATM MMX 5000 a jednou ATM NODE 10000, přičemž karty rozhraní jsou mezi nimi zaměnitelné. ATM uzly od firmy Philips nabízí tyto karty: ATM/SDH modul - 1 nebo 2 portový přístupový modul do sítě, převádí ATM na STM-1 SDH a umožňuje připojení jednovidových vláken konektory EC rychlostí do 155Mbit/s ATM/PDH34 modul - 1 portový přístupový modul do sítě, převádí ATM na E3 PDH a umožňuje připojení koaxiálních kabelů s impedancí 75 ohm přes rozhraní G.703 rychlostí 34Mbit/s ATM/PDH2 modul - 4 nebo 8 portový přístupový modul do sítě, převádí ATM na E1 PDH, umožňuje připojení rozhraní G.703 rychlostí 2Mbit/s a inversní multiplexing SMDS/CBDS modul - 1 portový modul s rozhraním HSSI pro rychlé připojení, např. routeru rychlostmi 17, 25, 34 nebo 52Mbit/s, obsahuje software pro IP over ATM CLS modul - connectionless server pro IP over ATM CBR modul - 2 portový nabízí emulaci spojení bod - mnohobod okruhy CBR adaptační vrstvy ATM (AAL1) na rozhraní V.11, G.703 na rychlostech 64kbit/s až 2Mbit/s a G.704 na n-krát 64kbit/s FR modul - 4 portový přístup FR do ATM přes čtyři rozhraní V.11 max. rychlostí 8Mbit/s pro celý modul, který umožňuje nastavení služeb UBR, VBR-rt a VBR-nrt adaptační vrstvy ATM AVT-BCE modul - 1 portový nabízející buď MPEG2 audio- a video přenos nebo emulaci širokopásmového okruhu na rozhraních DVB nebo G.703 nebo V.11 na rychlosti do 40Mbit/s SUP1G modul - 1 portová centrální jednotka umožňující lokální dohled SUP2G modul - centrální jednotka umožňující vzdálený dohled TRM modul - zakončení ATM sběrnice

82

PSU modul - zdroj +5V, -5V a +48V SWX modul - ATM uzel Anyswitch modul - umožňuje přepínání FR a CBR mimo ATM Jednotlivé uzly byly osazeny dvěma navzájem zálohovanými moduly PSU, 2 x ATM/SDH, SWX, FR, CBR a SUP2G. Všechny karty umožňují výměnu za provozu (hot swapping) . Uzel MMX má kapacitu 10 slotů, proto lze sběrnici ATM prodloužit a uzel lze stohovat (tzn. zapojit dva ATM uzly nad sebe a jejich sběrnice propojit). Jelikož ATM/SDH modul umožňuje připojení pouze jednovidového vlákna, bylo nutno použít pro přechod na gradientní vlákno konvertor. Použitá verze programového vybavení uzlu (firmware) je 3.1, nyní firma Philips nabízí verzi 3.2 a vyvíjí verze s novými doporučeními ATM fóra. Špičkové zatížení uzlu může dosáhnout 1,2 Gbit/s. Limit toku dat na sběrnici je 600 Mbit/s. Zařízení bylo i s bezvýpadkovým zdrojem napájení (UPS) instalováno do 19“ rámu. Na obrázku č.1 je znázorněno zapojení ATM páteře. Služby ATM nabízené uzly ATM NODE 10000 a MMX 5000 UBR - nespecifikovaná bitová rychlost Koncovým bodům se nabízí pouze přenosová rychlost, která je právě k dispozici. Pro tuto službu nabízí firma Philips výše zmíněné karty FR, SMDS-CBDS a ATM. CBR - konstantní bitová rychlost Koncové uzly oznámí svoji požadovanou přenosovou rychlost, kterou mají potom při přenosu trvale zaručenou. Pro tuto službu nabízí firma Philips výše zmíněné karty CBR a AVT-BCE VBR-rt - proměnná bitová rychlost v reálném čase Koncové uzly se dohodnou na maximální a průměrné přenosové rychlosti a na maximálním zpoždění. Pro tuto službu nabízí firma Philips výše zmíněnou kartu FR. VBR-nrt - proměnná bitová rychlost bez reálného času Koncové uzly se dohodnou na maximální a průměrné přenosové rychlosti. Pro tuto službu nabízí firma Philips výše zmíněnou kartu FR. ABR - dostupná bitová rychlost Koncové uzly se dohodnou na špičkové a minimální přenosové rychlosti a na míře ztráty buněk při navázání spojení. Tato služba není ještě dostatečně rozpracována v ATM fóru, proto ani firma Philips tuto službu nenabízí.

Ověření jednotlivých přenosů Pro ověření přenosu hovoru bylo vybráno spojení mezi automatickou telefonní ústřednou a zesilovací stanicí, kde se využilo multiplexní části PCM, která byla oddělena od linkové části a zapojena přes rozhraní G.703 modulu CBR rychlostí 2Mbit/s.

83

Pro ověření přenosu dat bylo vybráno spojení mezi páteřním routerem Cisco na zesilovací stanici a dvěma přístupovými routery Cisco na obchodně provozním ředitelství a mezi dvěma uzly Ascom pomocí modulu FR na rychlostech 2Mbit/s (páteřní router 4Mbit/s). Přenos obrazového signálu byl ověřován mezi zesilovací stanicí a obchodně provozním ředitelstvím dvěma scout video transceivery Philips přes moduly CBR rychlostí 128kbit/s. Na obrázku č.2 je zapojení aplikací na jeden uzel. Ověření dohledu ATM Zařízení ATM Philips umožňuje dva druhy dohledu: místní(program LAW) a vzdálený(program LAW+). Vzhled a obsluha obou programů je identická. Program slouží ke konfiguraci, příjmu výstražných hlášení a sledování provozu v síti ATM. Pro lokální připojení je potřeba počítač PC s minimálně 8MB RAM a programovým vybavením MS Windows 3.1. PC se připojí přímo do karty SUP1G nebo SUP2G. Pro vzdálený dohled jsou dvě možnosti připojení. První nabízí dohled s protokolem SNMP přes HP Unix stanici a program HP Open View. Druhá možnost je přes MS Windows NT 3.5 Workstation s X.25 Atlantis kartou. Vzdálený dohled se připojuje do uzlu ATM přes multiprotokolový uzel Compac MCX104 Philips protokolem X.25 nebo ethernet podle dohledové stanice (verze Compacu je různá pro X.25 nebo Eth.) V našem případě byla zvolena MS Windows NT pracovní stanice. Compac je připojen na SUP2G kartu dvěma přípoji: X.25 a FR. FR slouží pro spojení mezi uzly Compac a X.25 pro přístup do uzlu ATM.Zapojení dohledu je patrné z obrázku č.1. Zkušenosti a závady z provozu ATM Co se týče samotných uzlů ATM, většina závad byla odstraněna během zkušebního provozu. Závady se projevily hned při instalaci desek, kde byly špatně zahořené čtyři karty (SWX, FR, SUP2G a CBR). Další závada přímo na zařízení ATM nastala až v ostrém provozu, kdy následkem výpadku napájení ze sítě a přechodu napájení na agregát došlo k poškození bezvýpadkového zdroje UPS a následně k poškození obou PSU na uzlu Albertova (tuto závadu lze přičíst na vrub špatné UPS). Příčina této poruchy nebyla doposud řádně vysvětlena. Další poruchy se týkají převážně vzdáleného dohledu. Nešťastným řešením se zdá dohled ATM pomocí dalšího zařízení, které samo vnáší do provozu poruchy. Jeden uzel Compac MCX 104 byl ve zkušebním provozu vyměněn a u dalších je nutno občas provádět reset následkem přerušení X.25 spojení. Také X.25 karta se musí často resetovat ze stejných příčin a navíc spojení s jednotlivými ATM uzly se často přerušují a je nutno je znovu navázat. Pro toto X.25 spojení je ke všemu nutné mít podporu v podobě trvale spuštěného pingu na ATM uzel, který zajišťuje vytvoření virtuálního kanálu pro spojení X.25 karty s uzlem Compac. Co se týče programového vybavení, francouzská verze byla naštěstí vyměněna za anglickou. Přesto lze mít vůči tomuto programovému vybavení řadu výhrad, hlavně pokud jde o spolupráci s X.25 kartou. Tato karta nekomunikuje s běžnými ovladači (např.pro video kartu), dodavatel rovněž upozornil na problém přechodu na nové verze MS Windows NT. Zatím byla úspěšně převedena pracovní stanice na server téže verze.

84

Dohled hlásí výstrahy o výpadku napětí, přestože k nim nedochází. Bylo přislíbeno odstranění této závady, což se doposud nestalo. Obsluha, která je často ztížená výpadky spojení a nutnosti resetovat celou stanici, je dobře informována o výstrahách a provozu na síti ATM, ale není dobře informována o topologii a konfiguraci. Konfigurace spojení by mohla být zjednodušena. Při konfiguraci je potřeba sledovat spojení ve všech detailech od začátku do konce, přestože některé části by mohl systém nabízet sám. To se stane potřebným zvláště při větším počtu uzlu a hlavně větším počtu spojení přes ATM. Co se týče samotného uzlu ATM, velký nedostatek je v tom, že toto zařízení se současným firmware neumožňuje automatické přesměrování při výpadku linky nebo uzlu. Další nedostatek spočívá v tom, že nebyla vyzkoušena adresace ATM a připojení LAN pomocí IP protokolu přes ATM v přístupové síti, protože páteřní routery nejsou v současnosti vybaveny rozhranním HSSI. Zařízení omezuje využití jednotlivých služeb adaptační vrstvy na jednotlivé karty. Závěr a výhled do budoucnosti Veškeré nasazené přenosy běží přes ATM bezproblémově. Použitý uzel ATM je vhodný pro páteřní síť WAN hlavně ve spojení s SDH technologií a možností tohoto uzlu vydělovat kanály až do úrovně PCM multiplexoru. Právě vydělování některých kanálů by se mělo v nejbližší době prověřit. Je nutné, aby firma Philips zdokonalila dohled ATM uzlů a aby nové verze firmware umožnily nové služby bez nutnosti výměny hardware, ať už výše zmíněné přesměrování, ale i nové standardy např. P-NNI. Bylo by vhodné mít karty umožňující přímý vstup ATM protokolu do uzlu a umožnit tak připojení přístupových zařízení bez převodu protokolu. Zařízení bylo nejlépe prověřeno po povodních, kdy se přes něj uskutečnilo náhradní telefonní spojení mezi ATU a ZS, a datové spojení mezi OPŘ a ZS, neboť optickým kabelům na rozdíl od kabelů metalických voda neublížila. V současnosti se uvažuje o novém nasazení těchto ATM uzlů. Na závěr je nutno říci, že zařízení ATM firmy Philips splňuje zadané podmínky s výjimkou dohledu, který je naopak nevyhovující. Pro další nasazení tohoto typu uzlu ATM u ČD je nutno jej porovnat se zařízeními od jiných výrobců a ověřit zbývající možnosti, které zařízení nabízí.

Olomouc,únor 1998

Lektoroval:Ing.Arnošt ČD-DDC,O-14

Dudek

85

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5

Vladimír Igielski

Geometrické parametry kolejí pro jednotky s naklápěcími skříněmi (NS) Klíčová slova : technické parametry pro naklápěcí systém, základní návrhové parametry pro provoz jednotek, aktivace naklápění, kompensační faktor, jízdní komfort, korekční signál A. Úvod Při rozhodování o způsobech modernizace vybrané sítě ČD byla přijata varianta s využitím provozu jednotek s naklápěcími skříněmi . Hlavním cílem modernizace je dosažení větších cestovních rychlostí. Podstatné zvýšení traťových rychlostí při využití klasických souprav i s využitím modernizačních prvků geometrických parametrů koleje (dále jen GPK) s ohledem na převážně členité území, kterým koridory modernizované sítě ČD procházejí, by si vyžádalo značné investiční náklady na přeložky tratí ( zvětšení poloměrů oblouků). Využití jednotek s naklápěcími skříněmi (dále jen NS) s možností zvýšení rychlosti v obloucích o 20 až 30% umožní provedení modernizace (optimalizace) v převážném rozsahu na stávajícím tělese trati, zatím co přeložky se účelně navrhnou jen zcela výjimečně v místech, která nejvíce limitují traťovou rychlost s přihlédnutím k navazujícím úsekům trati. V r. 1995 se uskutečnila veřejná obchodní soutěž na výrobu deseti 7 vozových elektrických jednotek NS pro ČD,vítězem soutěže se stalo konsorcium ČKD Praha Holding a.s., Moravskoslezská vagónka Studénka a.s., Fiat s.p.A. Torino a Siemens AG Berlin . V závěru r. 1995 byly schváleny základní technické podmínky pro výrobu jednotek. Dodavatelem podvozků a naklápěcího systému je firma Fiat Ferroviaria Savigliano. Technické parametry stanovené pro naklápěcí systém jsou společně se základními návrhovými parametry pro provoz jednotek u ČD určující při posuzování možnosti zvýšení rychlosti jednotek NS v daném místě nebo při navrhování úpravy geometrických parametrů koleje v přípravné i projektové dokumentaci jednotlivých staveb modernizované sítě ČD, na kterých se uvažuje provoz jednotek NS. Je účelné navrhnout hodnoty geometrických parametrů koleje GPK (tj. pro geometrické uspořádání zejména stanovení potřebných délek přechodnic a z hlediska konstrukčního uspořádání stanovení hodnoty převýšení) co nejvstřícněji vlastnostem naklápěcího systému, aby návrh byl co nejefektivnější a zachoval plynulost traťové rychlosti pro rychlost jednotek NS (dále jen Vk). Z toho důvodu byly zásady pro návrh GPK z hlediska provozu jednotek NS zahrnuty do . Ing.Vladimír Igielski, nar.1939. Absolvent Vysoké školy dopravní Praha 1961, zaměření údržba a rekonstrukce tratí. Systémový specialista odboru stavebního ČD-Divize dopravní cesty.

89

novelisované ČSN 73 6360 „Konstrukční a geometrické uspořádání koleje železničních drah a její prostorová poloha, část 1: Projektování″, příloha E (účinnost od 1. 8. 1997). Aktivní naklápěcí systém firmy Fiat Ferroviaria využívá nucené naklápění vozových skříní podle povelů elektronických počítačů na každém voze jednotky. Povely jsou určeny vyhodnocením signálů snímačů na vozech (gyroskopy na předním podvozku čelního tzv. hlavového vozidla, snímače bočního zrychlení na obou podvozcích hlavového vozidla a na vozové skříni každého vozu, snímače rychlosti na hlavových vozech a dva snímače úhlu naklopení na každém voze). Naklápění se uskutečňuje hydraulicky, naklápěcí zařízení je umístěné pod podlahou vozů. B. Technické parametry jednotek NS (ř. 680), určené pro vývoj u ČD, a základní návrhové parametry pro provoz jednotek u ČD, které mají vliv na návrh (posouzení) GPK a další související zásady pro projektování 1) Maximální úhel naklopení Maximální úhel naklopení vozových skříní je 80. Z důvodu funkce primárního a sekundárního vypružení při max. hodnotách nedostatku převýšení je max. efektivní hodnota naklopení vozové skříně nižší o 1,50, tj. využije se hodnota β = 6,50. 2) Maximální eliminace nedostatku převýšení odpovídající úhlu naklopení β = 6,50 je max Ike = 170 mm. 3) Maximální neeliminovaný nedostatek převýšení na vozové skříni, který pocítí cestující, je stanoven jako základní návrhový parametr pro provoz jednotek u ČD max Ikn = 100 mm (tj. neeliminované příčné zrychlení max 0,65 m.s-2). 4) Maximální hodnota nedostatku převýšení na podvozku max Ik = max Ike + max Ikn = 270 mm

(1)

(tj. nevyrovnané příčné zrychlení = 1,76 m/s2), viz obr.1. Max Ik je základní návrhový parametr pro projektování u ČD (ČSN 73 6360 - 1, příloha E) a vlastně v rozhodující míře určuje možnost zvýšení rychlosti jednotek NS. Z hlediska vlivu na železniční svršek lze připustit tuto větší hodnotu Ik (2,7 resp. 2,2 - krát větší než u klasických vozidel), neboť jednotky NS mají hmotnost na nápravu jenom 13,5 t . Ze základního vztahu

11,8 . Vk2

Ik = ptk - p =

-p

(2)

r vychází:

max Vk = 0,291 .√ r ( p + 270 ),

pro p= 150 mm : max Vk = 5,96 .√ r

(3) (3a)

Při porovnání s max. rychlostí klasických souprav při I = 100mm, tj. max V = 4,60 √ r , se jedná o zvýšení rychlosti pro p = 150mm o 30%. Ve skutečnosti jsou časové úspory

90

v konkretních traťových úsecích i se složitými směrovými poměry jen asi 15%, což vyplývá z porovnání tachogramů jízd obou druhů vozidel v celé délce traťových úseků. Některé zahraniční železniční správy (zejména DB) využívají větších hodnot Ik, např. až 320 mm (připouští se však větší hodnota neeliminovaného nedostatku převýšení na vozové skříni než 100 mm, což je na úkor komfortu jízdy). Sledování vlivu maximální hodnoty nedostatku převýšení Ik bude předmětem ověřovacího provozu prototypu jednotky NS.Podle posledních zkušeností zahraničních železničních správ se nedoporučuje využívat maximálních hodnot Ik podle výrazu (1) v obloucích o malých poloměrech.Při zpracování projektové dokumentace je třeba v obloucích s poloměrem menším než 300 m počítat s hodnotou max Ik = 240 mm. Uvedená hodnota max Ik = 270 mm platí pro běžnou kolej. V koleji s pevnými místy nelze se zvýšením nedostatku převýšení prakticky uvažovat. Pevnými místy se rozumějí místa, kde se mění tuhost koleje a místa, která nebývají zahrnuta do pravidelného propracování koleje ( výhybky, mostní konstrukce bez kolejového lože, pevné přejezdy). Přitom přejezdy s celopryžovou konstrukcí se za pevná místa nepovažují, protože jejich konstrukce umožňuje průběžně pružné uložení koleje. V koleji s pevnými místy je třeba počítat s hodnotou Ik : v oblasti výhybek a kolejových křižovatek s pevnými srdcovkami max Ik = 110 mm, v oblasti výhybek a kolejových křižovatek s pohyblivými hroty srdcovek, pevných úrovňových přejezdů, mostů bez průběžného kolejového lože, dilatačních zařízení a přechodů z koleje s kolejovým ložem na kolej bez kolejového lože max Ik = 130 mm. Výhledově se předpokládá, že na základě provozních zkoušek jednotek NS mohou být hodnoty Ik v koleji s pevnými místy poněkud zvětšeny. Doporučuje se proto navrhovat délky přechodnic s jistou rezervou ( zejména v limitních místech ). V obloucích bez přechodnic a bez převýšení se neuvažuje dle těchto zásad se zvýšením Ik( a tedy se zvýšením rychlosti) ve srovnání se zásadami pro klasická vozidla. 5) Kompensační faktor Naklápění se uskutečňuje v závislosti na změřené hodnotě příčného zrychlení (nedostatku převýšení Ik ) na podvozcích hlavového vozidla. Po aktivaci naklápění ve vzestupnici je hodnota eliminovaného příčného zrychlení pomocí naklopení ( Ike ) určena zadaným kompensačním faktorem æ Ike = æ . Ik

(4)

Podle technických podmínek pro vývoj jednotek NS pro ČD je hodnota kompensačního faktoru stanovena æ = 0,8. Kompensační faktor se zavádí z toho důvodu, aby v přechodnici k oblouku s velkou hodnotou Ik se zmenšil rozdíl mezi hodnotou Ik v oblouku a hodnotou Ik v místě přechodnice, kde se dosáhne max. hodnota naklopení max β = 6,50. Při zadané hodnotě æ = 0,8 nastane max. naklopení 6,50 až v místě, kde Ik = 170:0,8 = 213mm. Náhlý nekompensovaný nárůst neeliminovaného příčného zrychlení (neboli Ik) v závěru přechodnice je potom zmenšený ve srovnání se situací, kdyby naklápění krylo plně hodnotu Ik až do hodnoty, která odpovídá úhlu 6,50 tj. do hodnoty max Ike= 170mm (obr. 4 a 5). Vztah úhlu

91

naklopení β a kompensačního faktoru æ je na obr. 2. Zadanou hodnotu kompensačního faktoru lze po ověření upravit ( např. æ = 0,7). 6) Podmínky pro aktivaci naklápění ( prahové hodnoty ) a) Prahová hodnota převýšení pro aktivaci a urychlení naklápění hlavového vozidla je zadána p = 13 mm při jízdě ve vzestupnici z přímé do oblouku a ∆p = 13 mm pro urychlení naklápění při jízdě v mezilehlé vzestupnici a ve vzestupnici z oblouku do přímé. Znamená to, že naklápění hlavového vozidla započne až v té části přechodnice, kde integrací signálu gyroskopu na 1. podvozku hlavového vozidla je zjištěna hodnota p = 13 mm ( gyroskop snímá úhlovou rychlost naklápění nápravy ve vzestupnici). Aby bylo jednoznačně zjištěno, že se jedná o oblouk s převýšením, u kterého má nastat naklápění, je třeba s ohledem na provozní odchylky v převýšení navrhovat nominální hodnotu převýšení p ≥ 30 mm. Z hlediska funkce naklápění ve vzestupnici se doporučuje navrhovat p ≥ 40 mm. Tato zásada se týká i rozdílu převýšení v sousedních částech složeného oblouku s převýšením ( mezilehlá vzestupnice ). V oblouku bez převýšení se naklápění podle uvedených zásad neaktivuje. Pro návrh GPK v oblouku bez převýšení platí pro jednotky NS zásady pro návrh GPK klasických vozidel pro navrhovanou rychlost Vk. Ve staničních kolejích (mimo koleje hlavní) a v kolejových spojkách se neuvažuje se zvýšením rychlosti jednotek NS ve srovnání s rychlostí pro klasické soupravy. b) Minimální hodnota nevyrovnaného příčného zrychlení neboli nedostaku převýšení Ik na podvozku je pro aktivaci naklápěcího systému 0,1 m.s-2 neboli Ik = 15 mm. Z doporučeného vztahu pro projektování Ik = 1,8 . p vyplývá, že prahová hodnota nedostatku převýšení pro aktivaci naklápění Ik = 15 mm se zpravidla neuplatní ( uplatňuje se především prahová hodnota převýšení p = 13 mm) a má tedy úlohu při vypínání naklápěcí činnosti na konci přechodnice při jízdě do přímé koleje. Zatím co při jízdě z přímé do oblouku bez převýšení se naklápění neaktivuje , při jízdě ve složeném oblouku z části s převýšením do části bez převýšení zůstane naklápěcí zařízení v činnosti. c) Minimální rychlost pro aktivaci naklápění je stanovena > 65 km/h . To znamená, že zvýšení rychlosti s využitím naklápění se má navrhovat jenom v těch úsecích, kde GPK vyhovují pro traťovou rychlost klasických souprav ≥ 70 km/h. Při rychlosti klasických souprav < 70 km/h se zvýšení rychlosti pro jednotky NS nenavrhuje. Volba minimální rychlosti pro aktivaci naklápění je předmětem zadání technických podmínek pro jednotky NS. 7) Součinitel sklonu vzestupnice Vzestupnice lineární :

normální 8. Vk , zmenšený 6. Vk

Vzestupnice podle Blosse : normální 5. Vk , zmenšený 4. Vk Ve vzestupnici podle Blosse se vztahuje uvedená hodnota součinitele sklonu vzestupnice na její střed (SP). 92

Využít menších hodnot součinitele sklonu vzestupnic ve srovnání s klasickými vozidly je možné z důvodu dobré přizpůsobivosti podvozků jednotek NS jízdě ve vzestupnici. 8) Maximální rychlost naklápění Postupné naklápění v přechodnici se uskutečňuje v závislosti na hodnotě nevyrovnaného příčného zrychlení zjištěné akcelerometrem na 1. podvozku. Rychlost naklápění Vβ je max 50.s-1, tj. 131 mm.s-1. Tato maximální rychlost naklápění ( rotace ) je blokována. Zahraniční směrnice pro provoz jednotek NS s naklápěcím systémem firmy Fiat sice neuvádějí nutnost zvláštního posouzení délky přechodnice s ohledem na max. rychlost naklápění, je však doporučena zásada navrhovat GPK tak, aby hodnoty Ik a p byly ve vzájemném poměru Ik : p = max Ik : max p ,

(5)

tj. v podmínkách pro ČD v poměru 270 : 150 = 1,8 Pokud bychom přísně dodržovali zásadu Ik = 1,8 . p , nebylo by třeba z hlediska funkce naklápění ( max. rychlost naklápění 50/s ) žádnou kontrolu délky přechodnice provádět, protože ta by byla vždy zajištěna určením potřebné délky vzestupnice, a to i v případě použití nejmenšího součinitele sklonu vzestupnice podle ČSN 73 6360 - 1, příloha E, tj. pro lineární vzestupnici 6 . Vk . p lp min ≥ (6) 1000 Při dodržení zásady Ik = 1,8 . p bychom ovšem v oblouku u nástupiště např. pro p = 60mm mohli využít jenom Ik = 108 mm, tj. naklápěcí zařízení by nepřineslo u oblouků s nutnou menší hodnotou převýšení žádný efekt. V italské literatuře se uvádí, že od zásady Ik : p = max Ik : max p ( tj. např. poměr 1,8 uvažovaný v podmínkách ČD) lze udělat jistou odchylku. V ČSN 73 6360 - 1, příloha E, je uvedené omezení Ik ≤ 3 . p

(7)

Při použití hodnoty Ik > 1,8 . p proto musíme provést posouzení délky přechodnice s ohledem na rychlost naklápění max 50/s podle vztahu:

lp ≥

2,2 . Vk . Ik . p

(vzorec platí pro přechodnici s lin. vzestupnicí)

1000 .( p - 13 )

(8)

tak, aby k plnému naklopení došlo v převážné míře v průběhu jízdy v přechodnici a aby nenastalo doklápění v čistém oblouku. Výraz (8) je určen na základě prahové hodnoty pro aktivaci naklápění p = 13 mm a s určitou rezervou pro reakci hydraulického systému ( 0,2 s) . Nutnost posouzení u přechodnice s lineární vzestupnicí podle výrazu (8) přichází v úvahu jen pro menší hodnoty převýšení (p < 112 mm, kdy délka vzestupnice určená podle výrazu (6) nezajišťuje vždy zároveň i požadovanou délku přechodnice pro naklopení ). 9. Posouzení na časovou změnu nedostatku převýšení (boční ráz) 93

Při použití faktoru kompensace 0,8 je hodnota bočního rázu na vozové skříni při naklápění, tj. v rozhodující části přechodnice, snížena na 20% bočního rázu na podvozku. Tím je zajištěn z hlediska bočního rázu na vozové skříni dostatečný komfort jízdy. Hodnota kompensačního faktoru se projeví příznivě i v závěrečné části přechodnice k obloukům s velkou hodnotou Ik (kde faktor kompensace 0,8 příznivě zkracuje délku s plnou hodnotou bočního rázu i na vozové skříni) - viz obr. 2 a obr. 5. Podle ČSN 73 6360 - 1, příloha E, se připouští ve složitých poměrech poměr Ik a p : 3,0 . p < Ik ≤ 3,5 . p ,

(9)

avšak s podmínkou posouzení délky přechodnice s lineární vzestupnicí na boční ráz v počáteční části přechodnice před místem, kde převýšení dosáhne hodnotu p = 13 mm (prahovou hodnotu pro aktivaci naklápění) :

lp ≥

3,2 . Vk . Ik (10) 1000

Dodržením délky přechodnice dle výrazů (6) a (10) bude zajištěna vyhovující hodnota bočního rázu i v části přechodnice před KP = ZO , je-li 213 < Ik ≤ 270 ( obr.5 - část délky přechodnice s plnou hodnotou bočního rázu i na vozové skříni - viz též bod 5 ). Pro dobrou funkci naklápěcího systému je nutné, aby délka přechodnice byla stejná jako délka vzestupnice. Z uvedeného vyplývá, že při dodržení zásad navrhování a posuzování délky přechodnice podle ČSN 73 6360 - 1, příloha E, bude zajištěn dostatečný komfort jízdy z hlediska časové změny nedostaku převýšení ( bočního rázu ) na vozové skříni v přechodnici. Větší hodnota bočního rázu na podvozku bude z hlediska vlivu na konstrukci koleje kompenzována menší hodnotou hmotnosti na nápravu , tj. 13,5 t . 10) Korekční signál Jednotky s naklápěcí technikou, vyvíjené pro ČD, mají řízené naklápění podle systému firmy Fiat Ferroviaria v závislosti na hodnotě nevyrovnaného příčného zrychlení, které se určuje v každém místě podle signálu akcelerometru umístěného na předním podvozku prvního vozu jednotky. Signál akcelerometru je po filtraci zpožděný o ∆T = 0,5 až 0,6 s a proto se pro naklápění 1. vozu využívá též signálu gyroskopu na předním podvozku. Další vozy jednotky jsou naklápěny již jen podle akcelerometrického signálu s časovým odstupem dle okamžité rychlosti a v závislosti na vzdálenosti od čela jednotky. Ze signálu gyroskopu ( tj. úhlová rychlost naklápění nápravy ve vzestupnici) se dá v každém místě získat údaj o sklonu vzestupnice 1:n a integrací signálu hodnota převýšení p(t) ( v mezilehlé vzestupnici ∆p(t) ), přičemž časové opoždění při zpracování signálu gyroskopu cca 0,1 s lze již zanedbat. Signálu gyroskopu se využívá pro získání korekčního signálu, který se sčítá s opožděným signálem akcelerometru a tento součet se přibližuje okamžité hodnotě příčného zrychlení, které se použije pro regulaci naklápění 1.vozu jednotky (naklopením se kryje 0,8 hodnoty příčného zrychlení na podvozku - kompensační faktor æ ). Významné je stanovení hodnoty potřebného korekčního signálu. Využívá se opět stanovené zásady, že projektované hodnoty odpovídají zpravidla poměru Ik : p = max Ik : max p = 270 : 150 = 1,8.

94

To znamená, že velikost korekčního signálu pro opravu akcelerometru je určena podle stanoveného vztahu

(urychlení ) signálu

Ik = 1,8 . p

(11)

Potřebná hodnota korekčního signálu k(t) v přechodnici v daném místě pro vyrovnání opoždění akcelerometrického signálu o ∆T je určena teoretickým výrazem využívajícím hodnot průběhu převýšení ve vzestupnici, zjištěných integrací signálu gyroskopu : 1,8 . ( p(t) - p(t - ∆T) )

2

k(t) m/s =

,

(12)

153 tj. předpokládá se, že projektovaná hodnota nevyrovnaného příčného zrychlení (na podvozku) se navrhuje 1,8 . p an = ( neboli Ik = 1,8 . p ) 153 Hodnota korekčního signálu ve střední části lineární vzestupnice je konstantní (obr. 3,4,5 ). Tato hodnota je určena podle výrazů (11) nebo (12) ve vztahu :

K (m/s2) =

∆T

Ik

1,8.p . ∆ T . Vk

. 153

=

3,27. Vk . ∆ T =

T (lp)

153 . 3,6 .lp

,

(13)

n

přitom 1 : n je sklon lineární vzestupnice. V krajní části přechodnice s lin. vzestupnicí na vzdálenost l∆T (délka odpovídající opoždění filtrovaného akceler. signálu) se uskutečňuje nárůst korekčního signálu lineárně v závislosti na okamžité hodnotě převýšení p(t). Sestupná část korekčního signálu se v navazující části kružnicového oblouku za přechodnicí vytvoří obdobně. Obrazec korekčního signálu v přechodnici s lineární vzestupnici je uveden na obr. 3, 4 a 5. Přitom jeho velikost K je vyznačena ve velikosti korekce nedostatku převýšení dle vztahu K(mm) = 153 . K (m/s2) . Lze též vyjádřit K(mm) = 1,8 . p∆T . Aby korekční signál co nejúčinněji opravil signál akcelero-metru, bylo by nutné navrhovat přibližně Ik = 1,8 . p , čili 4,2 . Vk2 p=

(14) r

Výraz (14) vlastně odpovídá výrazům pro výpočet doporučeného převýšení pro klasické soupravy se zvýšením rychlosti Vk o 30 resp. 25% . Pokud volíme ve složitých směrových poměrech Ik > 1,8 . p, tj. odchylně od výrazů (11) a (14), je třeba délku přechodnice upravovat (kontrolovat) rovněž podle bodu 8) a 9). Tím se zajistí příznivé podmínky pro komfort jízdy čelního vozidla i z toho hlediska, že korekční signál neopraví v plné hodnotě opožděný akcelerometrický signál , ale pouze částečně .

95

Pro zajištění správné funkce předklápění dle korekčního signálu pro 1. vůz jednotky jsou uvedeny některé zásady v ČSN 73 6360 -1, příloha E, např. aby nárůst Ik byl stejného smyslu jako změna převýšení (týká se mezilehlé přechodnice se vzestupnicí ve složeném oblouku). C. Otázky bezpečnosti Při pojíždění kolejových oblouků vyšší rychlostí musí být dodržena stejná kriteria bezpečnosti (podle vyhl. UIC 518 VE), jako u hnacích vozidel a jednotek klasického provedení . 1) Odpor proti příčnému posunutí koleje Mezní hodnota pro příčnou pevnost koleje se posuzuje podle Prud’hommeova kriteria :

( ∑ Y )2m ≤ 1,0 .( 10 +

2 . Qo )

( kN),

3 kde Qo je nominální kolová síla . 2) Maximální hodnota poměru vodicí a kolové síly (Y/Q) Bezpečnost proti vykolejení je prokázána , je-li splněna podmínka Y / Q < 0,8 3) Maximální kvazistatická hodnota vodicí síly : Yqst ≤ 60 kN 4) Maximální kvazistatická hodnota svislé kolové síly: Q qst ≤ 145 kN Hodnoty (ΣY)2m , Yqst a Qqst na vnějším kolejnicovém pásu s narůstajícím bočním zrychlením na podvozku se zvětšují. Toto zvětšení je eliminováno ve srovnání s klasickými vozidly nižší hmotností jednotek NS na nápravu 13,5t. Poměr Y/Q z hlediska bezpečnosti proti vykolejení zůstává při zvýšení rychlosti téměř konstantní. Konstrukce podvozků je řešena vzájemným pružným spojením podélníků rámu s přirozenou větší přizpůsobivostí jízdě v koleji se vzájemným sklonem kolejnicových pásů. Nasazení jednotek s naklápěcí technikou bude vyžadovat dobrý standard v údržbě GPK. Hodnocení odchylek GPK dle ČSN 73 6360 - 2, zjištěných měřicími vozy musí odpovídat podmínkám pro vyšší traťovou rychlost jednotek NS. Ověřuje se možnost vybavení prototypu jednotky NS (ř. 680) měřicím zařízením pro kontrolu GPK z hlediska odezvy vozidla s hodnocením jednak dle bodů C.1) až 4) a hodnocením velikosti nevyrovnaného příčného zrychlení na podvozku an . Kolej musí být zásadně bezstyková a jejímu zřizování a údržbě bude nutné věnovat zvýšenou pozornost. Při posouzení únosnosti kolejnic je třeba počítat s větší boční silou v obloucích při jízdě s větším nevyrovnaným příčným zrychlením (prostorová napjatost) . V podmínkách zadání pro vývoj jednotek NS je stanovena max. hmotnost na nápravu obsazené jednotky 13,5 t, čímž se kompensuje větší hodnota složky namáhání kolejnic od sil působících v příčném směru. Pro výhledové nasazení jednotek NS se doporučuje použít zásadně kolejnic tv. UIC 60. Využití větších hodnot Ik než hodnot platných pro klasická vozidla (tj. max 100mm, výjimečně 130mm) v koleji tv. S49 musí být posouzeno podle konkretních traťových poměrů 96

(požadovaná rychlost, charakter GPK) a doporučuje se max. hodnotu Ik (270 mm) uvedenou dle bodu B.4) omezit. D. Závěr Zavádění naklápěcí techniky je bezesporu přínosem pro záměry na zvyšování rychlosti osobní dopravy při snaze úspory nákladů na rekonstrukce tratí. Využití se předpokládá především na silně provozovaných hlavních tratích, v současné době v rámci realizace a přípravy modernizace ( optimalizace ) vybrané sítě ČD. DB AG v r. 1992 s úspěchem zavedla provoz dvoudílných dieselelektrických jednotek VT 610 s naklápěcími skříněmi pro max. rychlost 160 km/h na některých vybraných regionálních tratích, čímž se dosáhlo podstatné zkrácení jízdních dob. Zavádění provozu jednotek NS bude úkol dlouhodobý, a to jak z hlediska vývoje a výroby jednotek , tak i z hlediska stavební přípravy. Zajištění provozu jednotek NS vyžaduje vysoký standard údržby železničního svršku a spodku, jde ale v podstatě pouze o naplnění toho, co už léta máme v předpisech, tzv. „normový″ stav. Bude nutné věnovat pozornost i skladbě ostatního provozovaného vozidlového parku na těchto tratích, především jeho technickému stavu, aby svými dynamickými účinky neznehodnocoval kvalitu GPK nezbytnou pro provoz jednotek NS a nezvyšoval tak náklady na údržbu tratí. Na základě koncepce výhledového provozu jednotek NS je třeba veškerou stavební činnost na vybraných tratí přizpůsobit tomuto záměru, a to i z hlediska navrhování parametrů GPK. Zvýšenou pozornost je třeba věnovat odstraňování pevných míst v koleji. Při zpracování a posuzování návrhů GPK je nutné přihlížet současně k zásadám platným pro klasická kolejová vozidla i pro jednotky s naklápěcími skříněmi. Významné z hlediska provozu jednotek NS bude i zavádění nové zabezpečovací techniky. Naprosto nezbytné bude vybavení jednotek NS mobilní částí a traťových úseků stabilní traťovou částí systému pro automatické vedení vlaku zejména z hlediska řízení rychlosti jednotek podle hodnot traťové rychlosti Vk. Zavádění nové zabezpečovací techniky může ovlivnit i možnosti zdokonalení řízení naklápění. Použité značky a zkratky : an

nevyrovnané příčné zrychlení

(m.s-2)

β

účinný úhel naklopení vozové skříně

(o)

GPK

geometrické parametry koleje

I

nedostatek převýšení

(mm)

Ik

nedostatek převýšení v kolejích s provozem jednotek NS

(mm)

Ike

dtto eliminovaný naklopením

(mm)

Ikn

dtto neeliminovaný

(mm)

lp

délka přechodnice

(m)

k(t), K

Korekce signálu akcelerometru

(m.s-2),(mm)

æ

faktor kompensace ( podíl Ike: Ik )

nk

součinitel sklonu vzestupnice pro koleje s provozem jednotek NS 97

NS

naklápěcí skříně

p

projektované převýšení koleje

(mm)

ptk

teoretické převýšení pro rychlost Vk jednotek NS

(mm)

r

poloměr kružnicového oblouku

(m)

V

rychlost

(km.h-1)

Vk

rychlost jednotek NS

(km.h-1)

Vβ

rychlost naklápění

(o.s-1), (mm.s-1)

Literatura : - BIANCHI,CASINI,ELIA,LOSA. Dall’ ETR 401 all’ ETR 450. La tecnica professionale, Maggio 1989,no.5. - KOTTENHAHN. NeiTech-Systeme bei der DB AG. Příspěvek na oborovém dni fy Siemens v Praze 22.8.1995. - KOZINKA,KVARDA. Italská jednotka ETR 401 Pendolino na tratích ČSD. Železniční technika, 1990, č.3. - HŘEBAČKA, KREJČIŘÍKOVÁ. Podmínky provozu vozidel s výkyvnými skříněmi ve vztahu k jejich účinkům na konstrukci koleje. Nová železniční technika, 1995, č.2. - Fiat Ferroviaria.Vysokorychlostní železniční doprava. Praha: ČD-Technická ústředna provozu, 1995. - Technické podmínky pro elektrickou třísoustavovou jednotku s naklápěním vozových skříní v tlakotěsném provedení na rychlost 230 km/h.( Vývoj ČD ). 1995. - ČSN 73 6360 Konstrukční a geometrické uspořádání koleje železničních drah a její prostorová poloha. Část 1. Projektování. Část 2.Stavba a přejímka, provoz a údržba. Praha, duben 1998

Lektorovala : Ing. D.Marusičová ředitelka odboru stavebního ČD-DDC

β0 ptk = p + Ik

98

Ik = Ike+ Ikn rovina ptk Ikn β0

Ike

ptk

p T.K.

Obr. 1 Naklopení vozové skříně v oblouku s převýšením

Ikn

an neelim.

na voz. skříni mm

m.s-2 β= 3o 4 o 5 o 6 o 7 o 8 o 9 o

150

1,0

æ = 0,5 0,6 β= úhel naklopení

100

0,7 0,5

0,8

50

0,9

0

0

0,5

1,0

1,5

2,0 m.s-2 an na podvozku

0

50

100

150

200 99

250

300

mm

Ik

270mm Obr. 2 Faktor ( koeficient ) kompensace æ I filtr.signál akcelerometru (zpoždění ∆T) ZP

KP=ZO

KO=ZP Ik=1,8p ( an)

l ∆T

l ∆T

KP l ∆T

lp

l ∆T

lp

II. Filtr. signál gyroskopu

III. Korekční signál :

K=1,8p∆T K=1,8p∆T

IV.( = I.+III.) Opravený signál akcelerometru ZP

Ik=1,8p (an) KP=ZO

KO=ZP

KP

Obr.3 Korekce signálu akcelerometru pro naklápění 1.vozu v přechodnicích s lineár. vzestupnicemi Pozn. : Obrázek vyjadřuje případ úplné opravy akcelerometrického signálu , tj. pro vztah projektovaných hodnot Ik=1,8 . p. Naklápění hlavového vozidla se řídí podle opraveného akcelerometrického signálu IV.

100

Ik ≤ 213 mm (0,8Ik ≤ 170 mm) l ∆T

průběh převýšení p průběh Ik na podvozku

průběh Ik podle vyrovn. signálu akcelerometru ( zpoždění o ∆T ) skutečný průběh Ik p∆T p=13mm

Ike= 0,8Ik Ik=1,8p

K 5o/s

Ikn =0,2Ik ZP

průběh Ikn na voz. skříni

KP=ZO podle æ = Ike : Ik = 0,8

l ∆T lp l ∆T

l ∆T

Korekce: ZP

K=1,8 p∆T lp

KP=ZO

Obr. 4 Korekce signálu akcelerometru pro naklápění 1. vozu v přechodnici a průběh naklápění Pozn.: Naklápění znázorňuje průběh hodnoty Ike . O hodnotu naklopení Ike je zmenšena hodnota Ikn na vozové skříni ve srovnání s velikostí hodnoty nedostatku převýšení Ik na podvozku . Naklápění započne v místě prahové hodnoty převýšení p = 13 mm. Průběh převýšení je znázorněn v horní části obrázku. Na tomto obrázku je znázorněn případ Ik ≤ 213 mm (0,8 . Ik ≤ 170 mm). Obrázek platí pro vztah projektovaných hodnot Ik = 1,8 .p. Naklápění 2. a dalších vozů jednotky je uskutečňováno již podle skutečného akcelerometrického signálu dle vztahu æ = Ike : Ik = 0,8 i v přední části přechodnice za ZP.

101

Ik > 213mm ( 0,8 Ik > 170mm)

průběh převýšení l∆T

p průběh Ik na podvozku

průběh Ik podle vyrovn. signálu akcelerometru ( zpoždění o ∆ T ) skutečný průběh Ik p∆T p=13mm ZP l∆T

K

( Ik= 213mm)

50/s

Ike=170mm Ik= 1,8p ( > 213 mm) průběh Ikn na voz. skříni Ikn=Ik-170

KP=ZO podle æ = Ike : Ik = 0,8 lp

l∆T

l∆T

Korekce:

K=1,8 p∆T

ZP

lp

KP=ZO

Obr.5 Korekce signálu akcelerometru pro naklápění 1. vozu v přechodnici Pozn.: Naklápění znázorňuje průběh hodnoty Ike . O hodnotu naklopení Ike je zmenšena hodnota Ikn na vozové skříni ve srovnání s velikostí hodnoty nedostatku převýšení Ik na podvozku . Naklápění započne v místě prahové hodnoty převýšení p = 13 mm. Průběh převýšení je znázorněn v horní části obrázku. Na tomto obrázku je znázorněn případ Ik > 213 mm ( 0,8 . Ik > 170 mm). Max. účinné naklopení β = 6,50 ( odpovídá Ike = 170 mm) nastane ještě v přechodnici před KP = ZO a v krátké závěrečné části přechodnice je nárust Ikn stejně náhlý jako nárust Ik . Obrázek platí pro vztah projektovaných hodnot Ik = 1,8.p. Naklápění 2. a dalších vozů jednotky je uskutečňováno v přední a střední části přechodnice podle skutečného akcelerometr. signálu dle vztahu æ = Ike : Ik = 0,8.

102

VĚDECKOTECHNICKÝ SBORNÍK ČD ROK 1998

ČÍSLO 5

Jaroslav Novotný

Spolupráce sběrače proudu a trolejového vedení Klíčová slova : trolejový drát,kontakt, pantograf, polopantograf, smykadlo pantografu, obložení smykadla Úvod Vynálezem elektromotoru vznikla snaha využít jej pro pohon dopravních prostředků. Energii pro pohon bylo možno získat buď přímo ze zdroje na dopravním prostředku (akumulátor nebo chemická baterie), nebo ji dodávat z vnějšího zdroje přívodním vedením. Forem přívodních vedení bylo v počátcích více: Kabel - trakční vozidlo se mohlo pohybovat pouze v dosahu kabelu, jehož délka omezovala ujetou dráhu. S výhodou byl tento způsob využíván u kolotočů a do současné doby se kabel používá pro přívod energie u stavebních jeřábů, nakladačů apod. Třetí kolejnice - pro odběr proudu vrchem (obdoba elektrických vláčků MERKUR) Uvedený způsob možno použít pro velké nebezpečí úrazu elektrickým proudem. Třetí kolejnice - pro odběr proudu pod úrovní vozovky. Ani tento způsob nedoznal rozšíření pro značnou poruchovost . Závady vznikaly zanesením nečistot do prostoru třetí kolejnice - kamení, sníh apod. Třetí kolejnice - pro odběr z boku spodem. Provedení přívodního vedení omezilo možnost úrazu elektrickým proudem, nedovolovalo však podstatné zvýšení napětí a vyžadovalo oddělit dráhu od ostatního provozu. Tomuto požadavku vyhovují předměstské oddělené rychlodráhy a podzemní dráhy, které nevyžadují přenos velkých výkonů na velké vzdálenosti. Tento způsob je použit u pražského METRA. Povrchové kontakty - pokusně byly použity u pražských tramvají na Karlově mostě. Napětí na kontakt se dostávalo pouze při průjezdu vozidla nad kontaktem, který byl mechanicky tíhou vozidla zapínán. Trolejový drát - natažený nad vozidlem buď bez bočních výchylek pro sběrač - kladku, nebo s výchylkami - klikatostí pro sběrač lyru nebo pantograf, aby nedocházelo k vydírání drážek ve smykadle. . Ing.Jaroslav Novotný, nar.1935. Absolvent Fakulty strojní a elektrotechnické VŠD Žilina. V ČD zastával různé funkce včetně přednosty služby v oboru trakčního vedení. Většina výše uvedených způsobů omezuje použití napětí nad 600 až 1000 V a nehodí se pro provoz na železnici, kromě trolejového drátu, který dovoluje zvyšovat napětí přes dříve

103

uvedenou mez a tím umožňuje technicky a ekonomicky přenos potřebných výkonů na větší vzdálenosti, což u železnice je rozhodující. Na dobrou spolupráci sběrače s trolejovým vedením za různých rychlostí vozidla působí mnoho vlivů: - vozidlo jede po reálné trati, čili má nekontrolovatelné výškové a směrové pohyby způsobené vlivem trati a vypružení vozidla, - trolejové vedení má různou pružnost, - není v konstantní vzdálenosti od kolejí (vliv tunelů, nadjezdů, úrovňových přejezdů ), provoz je za všech druhů počasí, větru, mrazu, vysokých veder a za takto měnících se podmínek je vyžadován trvalý kontaktní přítlak smykadla sběrače s trolejovým drátem. Teoreticky lze kvalitní styk získat těžkým vedením s maximální hmotností (např. kolejnice zavěšená nad vozidlem) a nehmotný sběrač odebírá proud (nehmotný proto, aby dokázal při všech rychlostech měnit svoji výšku dle pohybů vozidla), nebo absolutně lehkým pružným vedením (snad pavučinou) a těžkým sběračem. Oba způsoby jsou však nereálné a skutečnost se pohybuje mezi popsanými krajnostmi. Další úvahou je otázka ekonomická, která zařízení je vhodné nákladně vylepšovat, do jaké míry se vyplatí laciný sběrač a drahé vedení nebo drahý sběrač a relativně laciné vedení. Z výše uvedeného je to vždy kompromis. Zkušenosti ukazují, že trolejové vedení by mělo být relativně levnější a sběrače by se měly přizpůsobit trolejovému vedení v závislosti na rychlosti. Je to proto, že délka vybudovaných vedení je velká, ale vozidel pro vysoké rychlosti je relativně málo a pro běžný provoz (okolo 100 km/h) vystačí i „horší“ sběrače, které s tímto levnějším vedením dobře spolupracují. Popišme si proto jednotlivé prvky spolupráce a jejich vývoj. Trolejové vedení Trolejové vedení prosté Je to nejjednodušší vedení skládající se pouze z trolejového drátu zavěšeného nad jízdní dráhou vozidla. Zavěšuje se na vodorovné konzoly, příčné dráty nebo na náhodné konstrukce, např. u mostů apod. Podélná vzdálenost závěsných bodů (rozpětí stožárů) je v závislosti na průhybu vodiče a na maximální dovolené rychlosti vozidel. Průhyb vodiče je přibližně určen vzorcem: q . a2 f= 8.H (obr. 1) kde

f = největší průhyb vodiče uprostřed rozpětí [m],

104

q = tíha jednoho metru vodiče [N/m], H = vodorovná síla ve vodiči (tah) [N] a = rozpětí podpěr [m] Z uvedeného vzorce je zřejmé, že průhyb vodiče ovlivňuje tíha vodiče, rozpětí a tah ve vodiči. Prosté nekompenzované trolejové vedení (vodič je pevně ukotven) se používá v městské dopravě. Jeho nevýhodou je značná změna průhybu v závislosti na teplotě a značný počet podpěr, když rozpětí bývá 15 - 20 m. Rychlosti dosahované na uvedeném vedení jsou do cca 50 km/h. Pro zvýšení dovolené rychlosti se provádí kompenzace délky vodiče pohyblivým kotvením s cílem dosáhnout neměnnost průhybů. Francouzské železnice provedly úspěšné pokusy s upraveným kompenzovaným prostým trolejovým vedením při rychlostech okolo 120 km/h. Úprava spočívala v zavěšení trolejového drátu na pomocné lano délky 10 m při rozpětí stožárů max. 63 m. Při zkouškách se vedení osvědčilo a spolupráce sběrače s trolejovým vedením (začínající polopatografy) byla dobrá a zajistila řádný přenos elektrické energie na lokomotivu. Spolupráce sběrače s prostým trolejovým vedením má různý charakter a závisí na vzdálenosti sběrače od místa zavěšení trolejového drátu a směru pohybu. Zjednodušeně lze spolupráci popsat takto: Započneme-li pohyb sběrače od středu rozpětí (pohybujeme se k místu zavěšení) trolejový drát se postupně zvedá a tím nutí sběrač též ke zvedání. Kontaktní přítlak sběrače klesá a čím rychleji vozidlo jede, tím je přítlak nižší a způsobuje opalování trolejového drátu. Popsaný jev probíhá až do místa zavěšení, kde se trolejový drát láme, klesá dolů a nutí sběrač klesat. Sběrač při svém pohybu v místě zavěšení trolejového drátu má z předchozího pohybu kinetickou energii zdvihání, prudce naráží na klesající trolejový drát, který velmi silně odírá a získává energii na klesání. V celé své dráze klesání je zvětšený přítlak mezi smykadlem sběrače a trolejovým drátem a z toho plynoucí větší otěr. V nejnižším bodě trolejového drátu (uprostřed rozpětí) má sběrač stále kinetickou energii klesání, snižuje se přítlak a celý děj se opakuje. Z popsaného děje je též zřejmý nedostatek prostého vedení - značné opotřebení trolejového drátu, které lze snížit pouze vysokou kvalitou sběrače. Uvedený popis děje platí i pro ostatní druhy trolejových vedení, a to vždy v prostoru mezi dvěma věšáky. Snahou je snížit rozdíly výšky na minimum, řádově se dostat na hodnotu cca 0,01 m a méně. Řetězovkové trolejové vedení svislé Zavěsíme-li řetěz mezi dva závěsné body, vytvoří křivku, kterou nazýváme řetězovka. Stejnou křivku vytvoří jakékoliv tenké, pružné materiály, jako např. lano apod. Aby bylo možné zvětšit rozpětí podpěr u prostého trolejového vedení, byl v dalším vývoji nahrazen velký počet podpěr nosným lanem pevně zakotveným. Nosné lano vytváří mezi závěsnými body řetězovku a trolejový drát je nesen různě dlouhými věšáky, aby zachovával co nejmenší rozdíly výšek. Průhyb trolejového drátu mezi dvěma věšáky je cca 1 cm. Tím bylo vytvořeno řetězovkové vedení polokompenzované. Rozpětí trakčních stožárů se tím neomezeně zvětšilo, prakticky však nepřekračuje na ČD 80 m a při rekonstrukcích koridorových tratí se používá rozpětí cca 60 m.

105

Pevně zakotvené nosné lano při změnách teplot vykazuje změny průhybu, které se přenáší na trolejový drát. Nejvýhodnější vlastnosti pro nosné lano má ocel, která při změnách teploty má malé změny v délce lana a tudíž i malé změny průhybu. Nevýhodou oceli je koroze, a tak se používají i lana měděná a bronzová s ohledem na jejich stálost - nekorodují a jejich větší změny délek a tudíž i průhybů se v závislosti na teplotě musí řešit jinak. Takovéto vedení se nazývá polokompenzované. Pro snížení vlivu změn teploty, které způsobují v místě závěsu lom trolejového drátu (stejně jako u prostého vedení), byly použity úpravy : Pod místem závěsu se montoval závěs “Y“, nebo byl v místě závěsu věšák zcela vynechán. Tím se výška trolejového drátu lépe vyrovnala vůči koleji a i chod smykadla se tím značně zlepšil. Svislé řetězovkové polokompenzované vedení s provedenými úpravami vyhovuje u ČD pro rychlosti do 80 km/h, ale běžně se nepoužívá. Bylo použito na trolejové vedení vedlejších staničních kolejí, ale použitím lan z mědi nebo bronzu docházelo na trolejových výhybkách k haváriím při průjezdu sběračů. Další vývoj svislého řetězovkového vedení byl zaměřen na odstranění průhybů vzniklých změnou teplot. Bylo toho dosaženo kompenzací tahu nosného lana - pohyblivým kotvením se odstranily vlivy dilatace a tah v nosném laně zůstal konstantní. Tím zůstaly i průhyby nosného lana stejné jak v létě, tak v zimě a pro provoz vzniklo svislé řetězovkové vedení celokompenzované. Pro toto vedení se používá i závěs „Y“, ale je prodloužený a nazývá se přídavným lanem. ČSD, při zahájení elektrizace hlavních tratí v letech okolo roku 1950, si vybrala právě tento typ vedení, který spolehlivě vyhoví pro rychlosti do 160 km/h i pro sběrače, které se v té době vyráběly a provozovaly. Řetězovkové vedení šikmé U svislého řetězovkového vedení je klikatost trolejového drátu zajišťována bočními držáky, které místně zvětšují hmotu trolejového drátu. Při průjezdu smykadla se zvětšovaly přítlačné síly a docházelo k zvětšenému opotřebení trolejového drátu. Aby bylo možné boční držáky vyřadit, byla klikatost trolejového drátu zajišťována tak, že klikatost nosného lana byla větší a nosné lano pomocí věšáků odtahovalo trolejový drát od osy koleje. Vzniklo pružné, elastické trolejové vedení, které by mělo vyhovovat pro rychlosti do 160 km/h pro všechny sběrače, ale jeho boční nestabilita - citlivost na odvanutí trolejového drátu z plochy smykadla a velmi náročná regulace zabránila jeho rozšíření (bylo použito na trati Rybník Lipno n/Vltavou, kde vanou větry převážně podél trati a ne napříč a pak bylo vybudováno ještě na malém okruhu na VÚŽ - ŽZO Velim). Byly konstruovány další typy vedení, ale jejich složitost a zejména cena byla hlavní překážkou jejich rozšiřování a pozornost byla více zaměřována na sběrače. Pružnost trolejového vedení Dáme-li vedení nějaký impulz, např. poryvem větru, přítlakem sběrače a jeho jízdou, vedení se rozkývá a kmitá v závislosti na rozpětí stožárů (místa zavěšení), hmotnosti vodičů a tahu ve vodičích. Je to vlastnost každého pružného vedení a je nutno s pružností vždy počítat. 106

V provozu je vždy o vzruch postaráno. Zvednutý sběrač nadzvedává trolejové vedení jak při stání vozidla, tak při jeho jízdě. Zvednutí trolejového vedení je různě velké v závislosti na vzdálenosti od místa jeho zavěšení. Při jízdě navíc sběrač tlačí před sebou vlnu - vytváří rozruch, který se šíří oběma směry po vedení rychlostí v závislosti na hmotnosti a tahu ve vodičích. Pro používaná vedení na ČD je tato rychlost cca 350 - 450 km/h. Z této skutečnosti vyplývá, že pro rychlosti sběrače nižší se vedení chová pružně, pro rychlosti vyšší pak je vedení nepružné, tuhé, které značně namáhá sběrač, který musí svým výškovým pohybem smykadla nahradit i ztracenou pružnost vedení. Současně je trolejovému vedení vnucováno kmitání závislé na rychlosti vozidla sběrače a na rozpětí stožárů. Dojde-li ke shodě frekvencí, vnucované a vlastní trolejového vedení, může tento stav (rezonance) vytvořit nebezpečné výkyvy. Pro současná používaná vedení na ČD jsou vnucované kmity v rezonanci s kmitáním vedení při rychlostech 180 - 200 km/h. Z uvedeného tedy vyplývá skutečnost, že provozování vysokorychlostních vozidel z hlediska trolejového vedení je vhodné při rychlostech do 160 km /h, pak následuje nevhodný interval rychlostí mezi 160 - 210 km/h a dále lze provozovat v pásmu 210 - 350 km/h, což je pro ČD dostatečný rozsah. Požadavek pro rychlosti přes 210 km/h je v co nejkratším čase překonat kritickou rychlost 160 - 210 km/h, čili mít dostatečný přebytek síly pro zrychlování a tím zkrátit dobu provozu, kdy je nebezpečí velkých rozkmitů vedení řádově 0,5 m (vzniká nebezpečí dotyku trolejového vedení s okolními konstrukcemi nad vedením - mosty ap. a s nosnými konstrukcemi vlastního trolejového vedení jako jsou směrová lana, ramena L3 apod.). Provoz trolejového vedení pro tyto rychlosti se zatím na ČD neuvažuje, ale úvahy o zvýšení rychlostí na cca 180 km/h jsou pro provoz nebezpečné. Sběrače Základním požadavkem na sběrač je, aby dokázal sledovat trolejový drát pokud možno při stále stejném přítlaku a při všech rychlostech vozidla. Právě rychlost vozidla je největším a nejtěžším kritériem pro sběrač. Jak bylo uvedeno v části o trolejovém vedení, výška trolejového drátu se po délce trati trvale mění, jednak s ohledem na terénní vlivy (mosty, tunely, úrovňové přejezdy apod.), což jsou velké změny výšky,jednak podle vlastností trolejového vedení, kde jsou průhyby a kde působí i pružnost vedení. Průhyby závisí na hmotnosti vedení, rozpětí stožárů a na tahu ve vodičích. Sběrač tedy musí nutně neustále měnit svoji výšku a protože je hmotný, musí zde vznikat síly, které sběrač donutí tuto výšku měnit. Při pohybu dolů jsou to síly způsobující zvětšení kontaktního přítlaku, při zvedání sběrače pak kontaktní přítlak klesá. Velikost sil je závislá na hmotnosti sběrače. Proto je sběrač pružně dělen na samostatné celky, není jednolitý, aby díly (smykadlo), které se musí často vertikálně pohybovat, měly minimální hmotnost. Sběrač tyčový s kladkou nebo botkou Z hlediska hmotností se jedná o sběrač s relativně nejmenší hmotností, jednoduchá konstrukce tyče navíc svou vlastní pružností vyhovuje požadavkům drobných výchylek kontaktní hlavice, způsobených průhyby vedení. Výhody lze zřetelně vidět při jízdě trolejbusů, kde se tyče přímo vlní a i při rychlostech přes 60 km/h na prostém vedení je

107

kontakt výborný bez zjevných záblesků. Nevýhodou jsou složité trolejové výhybky a nebezpečí poškození vedení i tyčového sběrače při vypadnutí kladky nebo botky z trolejového drátu. To je příčinou, že je tyčový sběrač použit pouze u trolejbusů a z provozu tramvají téměř vymizel. Sběrač lyra Sběrač lyra (dva pospojované tyčové sběrače vedle sebe s upevněným vodorovným smykadlem na konci tyčí) odstraňuje největší nevýhodu tyčového sběrače - nemůže vypadnout z trolejového drátu, vyžaduje ale klikatost trolejového drátu, aby bylo rovnoměrné opotřebení smykadlové části, a nevyžaduje složité trolejové výhybky, postačí překřížení dvou trolejových drátů stejně jako u všech dalších sběračů. Tato překřížení přesto vyžadují dodržování určitých pravidel, proto i prosté překřížení nazýváme trolejovou výhybkou. Výhody pružnosti z tyčového sběrače jsou téměř zachovány. Při zvyšování rychlosti však dochází k náporu větru na konstrukci lyry, ta je stlačována dolů a dochází ke snižování přítlaku, případně až k přerušení kontaktu. I tento sběrač z praktického provozu vymizel pro nezajištění dobrého, vodivého kontaktu. Sběrač pantograf Dalším vývojem lyry vznikl pantografický sběrač, který systémem ramen drží smykadlo ve výšce, umožňuje různou výšku trolejového drátu a speciálním uchycením zvedací pružiny zachovává téměř stejný přítlak po celou aktivní změnu výšky. Koncové polohy pak již tuto vlastnost nemají, při maximálním dosahu smykadla přítlak klesá až na nulu, při minimální výšce smykadla pak přítlak neúměrně stoupá. Jedná se však o výšky, kde se běžně trolejový drát nevyskytuje a kdy při těchto extrémech je vždy omezena rychlost vozidla. Sběrač svou hmotností špatně vyrovnává změny výšek a proto jeho konstrukce byla upravena tak, aby průhyby na vedení mezi věšáky a mezi místy zavěšení trolejového vedení vyrovnávalo pouze smykadlo, které je pružně uchyceno ve vrcholku sběrače. Tím se odstranilo násilné kmitání celého sběrače, a ten mění svoji polohu jen při zásadních změnách výšky trolejového vedení. Pružné uchycení smykadla (jinak zvané sekundární vypružení), montované lokomotivkou ŠKODA v letech 1965 - 1975, přineslo do provozu některé špatné vlastnosti. Pružné uchycení smykadla je na jeho obou koncích.Když smykadlo stlačuje trolejový drát, který je jednostranně vychýlen, je i smykadlo stlačeno na jedné straně, povrchová plocha není rovnoběžná s příčnou polohou kolejí a na trolejových výhybkách vznikají nebezpečné rozdíly výšek mezi smykadlem a nabíhajícím trolejovým drátem. Je-li trolejový drát až za pružným uchycením, dochází dokonce k vyřazení z činnosti u pružiny na opačném konci smykadla. Návrh pružin pak vyžaduje nelineární průběh sil, nebo jiná opatření k zajištění správného příčného sklonu smykadla. Význam kvalitního sekundárního vypružení se projevil po změně vahadlového sekundárního vypružení na „hrníčky“, a to nejen v oblasti ČSD, ale i u bulharských a sovětských železnic, kam byly lokomotivy Škoda dodávány. Sekundární vypružení fungovalo pouze v té době, když byl trolejový drát v těsné blízkosti hrníčku, nad ním nebo dokonce až za ním. Byl-li trolejový drát uprostřed smykadla, hrníčky nic nezaznamenaly a případné změny výšky musel vyrovnávat vždy celý pantograf. Dle dřívějších zkušeností docházelo k maximálnímu opotřebení trolejového drátu v místech se zvětšenou hmotností, pod těžkými svorkami a bočními držáky, které drží určenou klikatost, kde byl i zvětšený

108

přítlak. Uprostřed rozpětí, kde byly pouze věšáky, bylo opotřebení minimální. V té době však bylo vše naopak. Konstrukčním vlivem málo funkčního sekundárního vypružení (a mnohdy i zadřenými hrníčky) došlo k maximálnímu opotřebení uprostřed rozpětí a vertikální pohyby trolejového drátu i minimální , musel vyrovnávat celý sběrač a u bočních držáků bylo opotřebení nejmenší, zde totiž sekundární vypružení alespoň částečně fungovalo. U SNCF - francouzských železnic se v té době připravovalo zvyšování rychlostí. Použití dieselového motoru jako prvotního zdroje nevyhovělo - velikost motorů pro požadované výkony by zabrala většinu místa a nezbylo by místo na cestující. Jedině použití závislé elektrické trakce mohlo zvýšení rychlostí umožnit. Dle zkušeností z japonských železnic, kde trolejový drát byl těsně nad vozidlem a sběrač a jeho sektorové vypružení vyrovnával pouze nerovnosti mezi místy zavěšením trolejového vedení a věšáky, byl konstruován i sběrač s dvojím sekundárním vypružením. Smykadlo na vrcholku pomocného malého polopantografu vyrovnávalo průhyby mezi věšáky, malý pomocný polopantograf pak průhyby mezi místy zavěšení trolejového vedení a normální pantograf vyrovnával velké konstrukční změny výšky. Složitost zařízení však nevedla k požadovanému efektu a zůstalo jen stále jedno sekundární vypružení. Samostatný oddělený rozvoj závislé elektrické trakce v minulosti přinesl další problémy pro sběrače. Jednak to byly rozdílné elektrizační soustavy, které si jednotlivé železniční správy zavedly, ale hlavně to byly rozdílné požadavky na styk sběrač - trolejový drát. Byly zde použity různé klikatosti a různé přítlaky.Při přejezdu elektrické jednotky do jiného systému byl pro každý systém a někdy i mezi různými společnostmi vyžadován sběrač pro příslušný systém nebo společnost.Problém byl v tom, že jsou pouze dvě místa pro umístění sběračů na lokomotivě, a to nad osami dvojkolí u dvojnápravových vozidel a nad otočnými čepy podvozků u podvozkových vozidel. Lokomotiva, jedoucí přes více než dvě soustavy, neměla kam umístit další sběrač. Proto byl pantograf rozdělen na polopantografy a problém byl vyřešen. Sběrač polopantograf Konstrukce polopantografu vykázala některé výhody, které pomohly jeho rozšíření, ale jsou i určité nevýhody. Výhodou, a to rozhodnou, je snížení hmotnosti cca o 1/3, horní část konstrukce má s ohledem na sekundární vypružení téměř vlastnosti tyčového sběrače nebo lyry a podstatné je i zmenšení prostoru, který sběrač zabírá na střeše. Nevýhodou jsou některé mechanické vlastnosti při dotyku smykadla s trolejovým drátem. Při jízdě není přítlak smykadla vždy stejný. Je-li konstrukce polopatografu vpředu (jízda ve směru šípu), tření mezi trolejovým drátem a smykadlem způsobuje snižování přítlačné síly.Dojde-li k havarii sběrače, dolní nosné rameno se vztyčí proti vedení a v mnoha případech jej trhá dolů. Při jízdě opačným směrem je smykadlo třením vzpíráno proti trolejovému drátu, zvyšuje se přítlak a při havarii horní rameno může ohrozit trolejové vedení. Proto je žádoucí, aby polopantograf (ale i pantograf) měl na sobě čidlo, které v případě havarie nuceně stáhne zbytky sběrače do polohy mimo prostor vedení. Stykové materiály Každá hmota, která se tře o jinou nebo stejnou hmotu, ubývá. Tření je hrubé nebo hladké v závislosti na tom,jak se hmoty vůči sobě chovají nebo zda jsou na stykové ploše

109

mazané. U prvních sběračů - tyčových byla pro snížení opotřebení materiálů použita kladka z mědi, která se odvalovala po trolejovém drátě. Požadovaný kvalitní kontakt však tím nebyl zajištěn. Mezi kladkou a trolejovým drátem vznikaly drobné elektrické oblouky, tím se trolejový drát opaloval, styková plocha s opáleninami nebyla rovná a stav povrchů se neustále zhoršoval. Byly proto zkoušeny kluzné styky, botka, a pro vlastní styk byly vzaty uhlíky podle vzoru komutátoru elektromotoru.Ty se v provozu osvědčily. Pro lyru, pantograf a polopantograf byly používány různé stykové hmoty, které se upínaly na smykadlo. Ve snaze o nejlepší vodivost a pro provoz při námrazách se zkoušely s ohledem na značné proudy lišty ocelové, měděné a hliníkové. Dle možností se styková plocha přimazávala, ale bez velkých úspěchů. Trolejový drát nebyl hladký, opotřebení bylo značné,i povrch lišt byl špatný. U ČSD na stejnosměrné soustavě 3 kV po roce 1955 to byly nejdříve lišty měděné, kde vždy mezi dvěma lištami byl dvojnásobně široký prostor pro grafitový tuk, kterým se stykové plochy mazaly. Později cca v letech 1965 - 1975 se přešlo na kumaronovou pryskyřici, ale pro úsporu materiálu byl prostor pro umístění mazadla zúžen a stykové plochy nedostatečným mazáním byly hrubé a trolejový drát bylo nutné na hlavních kolejích cca po 10 - 12 letech měnit. Po vzniku nové trakční soustavy na ČSD 25 kV 50 Hz byly používány obdobné materiály i na této soustavě. Dle zahraničních zkušeností došlo cca v roce 1972 - 1975 k přechodu na uhlíkové obložení. To prokázalo svoji životnost, styková plocha se vyhladila a po roce 1975 byly zkoušeny uhlíkové lišty i na stejnosměrné soustavě. Po počátečních problémech bylo v n.p. Elektrokarbon Topoĺčany vyráběno v celku již přijatelné uhlíkové obložení smykadel i pro stejnosměrné lokomotivy. Největším problémem uhlíku u soustavy 3 kV byl odběr proudu za klidu vozidla, např. pro elektrické topení vlaku, kde pro těžké deseti a více vozové rychlíky uhlíky nedokázaly i při zvednutých obou sběračích na lokomotivě přenést potřebný proud a docházelo k přepalování trolejových drátů. Protože přínos uhlíků na smykadlech byl pro trolejový drát vynikající, byly vyvinuty spékané uhlíky s mědí (metalokeramika), které nepoškozovaly hladký povrch na trolejovém drátě (povrch byl vlastně vyleštěn) a bylo dosaženo, že i v klidu lokomotivy byl přenos potřebného proudu zajištěn. Tyto lišty se montovaly na smykadla lokomotiv osobní přepravy a pro nákladní dopravu byly používány čisté uhlíky. V současné době pokračuje vývoj uhlíků tak, aby bylo obložení jednotné pro osobní i nákladní dopravu. Závěr Z celého popisu je zřejmé, že spolupráce sběrače s trolejovým vedením není vždy nejlepší a vyžaduje trvalou kontrolu vlastního sběrače, aby byla zajištěna jeho dobrá pohyblivost. V jeho konstrukci se budou muset vyskytovat tlumící členy, protože nebude možné dovolovat maximální rozkmity a je to jediné zařízení, jehož kontrola nevyžaduje výluky na trati, provádí se v depech. Bude nutné odlišit sběrače pro vysokorychlostní vozidla od sběračů běžných. Na trolejovém vedení bude nutná kvalitnější regulace tak, aby i vysokorychlostní vozidla měla řádnou dodávku energie, a tím se i zlepší spolupráce s běžnými sběrači, kterých bude na trati vždy většina. Uvedené zkušenosti byly získány během provozu, kde řešení vzniklých problémů vždy posunulo spolupráci k lepším parametrům, a současný stav je na dobré úrovni. Trolejový

110

drát je provozem uhlíkového obložení vyleštěn, jeho opotřebení pokleslo na minimum a lze očekávat, že na hlavních kolejích vydrží více než 50 let. Je pravda, že uhlíkové obložení přineslo do dep více práce (jeho životnost je nižší než u měděného obložení), ale tyto práce jsou prováděny mimo provoz na trati, který tudíž není narušován. To vše přispívá k dodržování pravidelnosti dopravy.

Praha, leden 1998

Lektoroval:Ing.Karel Hlava,CSc. ČD-TÚDC,S 24,odd.EMC

111