Vědeckotechnický sborník ČD č. 11/2000
Marie Skřivanová
Elektrická informační zařízení pro cestující Klíčová slova: informační zařízení, listová jednotka, LED diody, elektromagnetické bistabilní prvky, displeje s tekutými krystaly.
Úvod Úroveň poskytování informací o nabízených službách, popřípadě pomocné informace navigující uživatele v neznámém prostředí významným způsobem spoluvytvářejí image poskytovatele těchto služeb. Podávání informací o jízdě vlaků se pro cestující veřejnost zajišťuje prostřednictvím akustických a vizuálních informačních zařízení, která zjednodušují klientům orientaci při pohybu v nádražních prostorách a poskytují aktuální informace o
vlakových spojích.
Postupným vývojem od manuální obsluhy vývěsních tabulí s pevnými informacemi, obvykle pouze o směru jízdy vlaku, případně odjezdové koleji, se v drážním provozu začala využívat elektrická informační zařízení, umožňující automatické vydávání informací v reálném čase podle provozní situace v železniční stanici. Elektrická informační zařízení se dělí podle způsobu podávání informací na: vizuální, hlasová, audiovizuální, akustická orientační. Vizuální informační zařízení Vizuální
informační
zařízení
je
z technického
hlediska
tvořeno
souborem
programovatelných zobrazovacích tabulí připojených prostřednictvím komunikační sběrnice a speciální komunikační karty na řídící jednotku informačního systému. Vzhledem k možnosti
Marie Skřivanová, od r. 1967 zaměstnána ve VÚŽ ve výzkumné oblasti sdělovací a zabezpečovací techniky, od r. 1993 v ČD DDC, odboru automatizace a elektrotechniky.
vzájemné kompatibility se systémem hlasového informačního systému tvoří v případě obou instalací řídící jednotku celého informačního systému jediný počítač se zabudovanou zvukovou a komunikační kartou. Řídící jednotka zabezpečuje uchování informačních údajů a jejich správu, řízení posloupnosti zobrazování jednotlivých informací, řízení komunikace s informačními tabulemi a monitorování správné činnosti informačních tabulí. Vizuální informace jsou poskytovány na informačních tabulích pomocí zobrazovacích jednotek - základních prvků pro uvádění informací pomocí písmen, číslic a symbolů (např. listová jednotka, modul vytvořený ze světlo emitujících prvků, modul vytvořený z elektromagnetických bistabilních prvků, modul vytvořený z displejů s tekutými krystaly LCD moduly, apod.). Základní informace v grafickém provedení musejí být kontrastní a viditelné ze vzdálenosti, ze které mají být čteny. Tyto informace se na hlavních komunikačních cestách ve stanicích doplňují akustickými, taktilními a viditelnými prvky sloužícími osobám se sníženou schopností pohybu a orientace. Pro reklamní účely může být použit buď poslední řádek s pohyblivým textem, čtyřřádkový text zařazovaný na krátký okamžik mezi informace pro cestující, nebo přídavná tabule umístěná tak, aby nerušila čtení tabulí s údaji pro cestující. Přídavná tabule může být řízena stejným počítačem jako informační systém.
Hlasová informační zařízení Hlasový informační systém je učen pro automatická hlášení příjezdů a odjezdů vlaků staničním rozhlasem v souladu s aktuálním grafikonem železniční stanice v jazyce českém, a příp. podle charakteru stanice i v jazyce německém, anglickém či jiném. Proměnné parametry hlášení musí být nastavitelné podle reálné provozní situace. Z technického hlediska je hlasový informační systém realizovaný na bázi osobního počítače se zabudovanou modifikovanou zvukovou kartou a odposlechovým kontrolním reproduktorem. PC je propojen se staniční rozhlasovou ústřednou. Řízený vstup zvukové karty je možné použít pro připojení mikrofonu k případnému živému vstupu operátora do staničního rozhlasu. Programové vybavení automatického hlasového informačního systému musí vždy umožňovat hlášení v českém jazyce. Obsah předpisem KC 1.
hlášení
musí být v souladu se služebním
Automatický hlasový informační systém musí vždy umožňovat živý vstup operátora do staničního rozhlasu. Nadstandardním vybavením automatického hlasového informačního zařízení může být hlášení se znělkou. U ČD se používají dva speciálně vytvořené SW pro automatické hlášení. Od r. 1996 je zaveden systém HIS, HISpro od firmy BDmikroVOX, který může být součástí vizuálního informačního zařízení Digis pod souhrnným názvem HaVIS. V r. 1999 byl zaveden jako součást zařízení INISS SW, který vyvinula firma Chaps, s.r.o. Tento SW využívá firma Elektročas, s.r.o. k ozvučení svých vizuálních systémů.
Audiovizuální informační zařízení Audiovizuální informační zařízení je vzájemně provázané vizuální (informační tabule) a automatické hlasové
(staniční rozhlas)
informační
zařízení, které
je
ovládané
z jedné centrální řídící jednotky - standardního PC s programovým vybavením umožňujícím potřebné funkce
pro ovládání systému. Audiovizuální informační zařízení musí vždy
umožňovat přechod
na
ruční obsluhu pro operativní informování cestujících o
mimořádnostech v dopravě. V současné době se dají do této skupiny zařadit oba hlavní dodavatelé nových informačních zařízení pro cestující firmy Starmon, s.r.o. a Elektročas, s.r.o.
Akustická orientační informační zařízení Akustické orientační informační zařízení - hlasový majáček řady DHM 5, který dodává firma Elvos, s.r.o., je dálkově ovládané akustické informační zařízení, které spouští nevidomá nebo slabozraká osoba pro usnadnění své prostorové orientace. Uživatel DHM 5 obsluhuje nepřímo prostřednictvím externího zařízení, s nímž je DHM 5 propojen kabelem nebo přímo dálkovým ovladačem. Tato zařízení byla do provozu ČD zavedena na počátku letošního roku. Důvodem byla stavba modernizovaných tratí s vyššími provozními rychlostmi, kde je zvýšené nebezpečí případné kolize nevidomé či slabozraké osoby s projíždějícím vlakem. V současné době jsou zatím v provozu 4 kusy, ale v nebližší době se počítá s jejich hojným nasazením.
Přehled zařízení, používaných v provozu Českých drah První elektrická zařízení pro vizuální informování cestujících o příjezdech a odjezdech vlaků se u tehdejších ČSD začaly používat začátkem sedmdesátých let. Základními prvky těchto systémů jsou zobrazovací jednotky - informační tabule, příp. monitory, na kterých se uvádějí proměnné informace o aktuálním provozu vlaků osobní dopravy a stálé informace, zpravidla vysvětlující význam údajů proměnných informací. Podle určení a umístění se informační tabule dělí na tabule : - pro veřejnost (odjezdové, příjezdové, nástupištní, podchodové, směrové, zpoždění při odjezdu, zpoždění při příjezdu), - kontrolní (odjezdové, příjezdové, zpoždění při odjezdu, zpoždění při příjezdu). Tabulka uvádí zařízení, která jsou v současné době nasazena u ČD. dodavatel zařízení
označení zařízení
zobrazovací prvky
býv. Pragotron, s.p.
Signaltron
listové jednotky
Solari
NET 2000
listové jednoznakové jednotky + přídavná tabule s LED diodami
Starmon, s.r.o.
Digis,
LED diody, elektromagnetické bistabilní terčíky
HaVis
LED diody, elektromagnetické bistabilní terčíky + hlasový informační systém
Chaps, s.r.o.
INISS
elektromagnetické bistabilní terčíky + hlasový informační systém
Elektročas, s.r.o.
IZE 1
mozaikové displeje z tekutých krystalů
GEMA, s.r.o.
Rail info
mozaikové displeje z tekutých krystalů
BDmikroVOX
HIS
samostatný hlasový informační systém
Prakticky do začátku devadesátých let byl jediným tuzemským výrobcem a dodavatelem vizuálních informačních systémů v průběhu cca dvaceti let
státní podnik Pragotron, který vybavil
33 železničních stanic tímto zařízením. Základem systému
Pragotron je soubor informačních tabulí ovládaných mechanickými prvky (řadiče, tlačítka). Z jediného řídícího pracoviště - řídícího pultu, se ovládá buď celý soubor tabulí nebo mohou být
tabule řízeny skupinově, příp. jednotlivě. Informace je uspořádána v řádcích.
Zobrazovacím prvkem jsou překlápěcí listové jednotky s natištěnou informací. Každá informace je natištěna na dvou po sobě jdoucích listech tak, že na líci jednoho listu je horní polovina vodorovně rozděleného nápisu (číslice, znaku) a na rubu předchozího listu je spodní polovina téže informace. Paměťové registry řídícího pracoviště umožňují přepisovat informace z jedné řádky na jinou téže tabule nebo jinou tabuli. Pro ovládání víceřádkových tabulí se využívá automatický přepis řádků nahoru a dolů, čímž se dosahuje dodržení požadovaného chronologického sledu podávaných informací s minimálními nároky na obsluhu, která označí pouze ty řádky, které je třeba vymazat a poté proběhne posun na uvolněné řádky automaticky. Tabule mohou být doplněny analogovými hodinami.
Obr.1: Informační tabule zařízení Pragotron
V současné době se při rekonstrukci těchto prvních zařízení nahrazuje ovládací pult řídícím PC. Programové vybavení počítače obsahuje model informačního systému, vyprojektovaný podle skutečné konfigurace systému. Na tomto modelu se provádějí všechny požadované změny informací na tabulích dané funkčními možnostmi programu. Po úpravě modelu jsou aktualizovaná data tabulí, na kterých byly provedeny změny, vyslána sériovým komunikačním portem do elektronické skříně. Řídící elektronika zajišťuje přenos těchto
informací na tabule
pomocí reléových výstupních desek. Současně může vysílat řídící
elektronika specifikované informace ve formě videosignálů na linky televizních monitorů. Programové vybavení počítače umožňuje tyto funkce: výběr informací podle reálného času z časového harmonogramu a jejich výpis na monitor počítače a příslušné tabule, možnost volby poloautomatického provozu s potvrzením každého zápisu na tabule obsluhou, možnost úpravy a doplňování informací v časovém harmonogramu, možnost ruční úpravy a doplňování informací na tabulích, posun informací na tabuli po uvolnění řádku odmazáním neaktuální informace, doplnění dalšího řádku informace automaticky nebo na potvrzení, automatické testování bezchybnosti výpisu na tabulích s uvedením informace o případné chybě na monitoru počítače, možnost vynechat při dalších výpisech vadný řádek tabule, automatické obnovení funkce v reálném čase po skončení případného výpadku napájení, možnost pouze ručního řízení informačního zařízení obsluhou, tj. zablokování výběru informací z časového harmonogramu na monitor počítače a jejich výpisu na tabule, automatické zobrazení určených informací na televizní monitory, výpis chybových hlášení na tiskárnu. Začátkem devadesátých let bylo v železniční stanici Praha hl.n. na nových nástupištích a v novém podchodu poprvé použito informační zařízení NET 2000 italské firmy Solari, která nabízí tato zařízení od r. 1988. V současné době je v šesti zemích nainstalováno více než 150 těchto zařízení. Stejným zařízením je od r. 1996 vybavena celá železniční stanice Brno hl.n. Systém NET 2000 je založen na multiprocesorové výstavbě a skládá se z řídící jednotky a informační
sítě.
Pracuje
automaticky
v reálném
čase
podle
zadaného
programu
vypracovaného podle grafikonu, přičemž případné změny lze zadávat z pracoviště operátora. Řídící jednotku tvoří řídící počítač, všechny potřebné vstupní a výstupní jednotky, modem pro dálkovou diagnostiku a napájecí zdroj. K ní je připojeno pracoviště operátora a pracoviště údržby. Informační síť sestává z informačních tabulí s listovými jednoznakovými jednotkami, elektromagnetickými bistabilními prvky nebo LED diodami, zobrazovacích monitorů a informačních sloupků s dotykovou obrazovkou. Tabule mohou být doplněny hodinami. Připojení periferních zařízení je realizováno pomocí asynchronních linek a standardních
komunikačních rozhraní. Data z tohoto systému lze použít i do jiných informačních systémů.Pro železnici nabízí firma Solari subsystém ASA 2000, který umožňuje automatické hlášení informací pro cestující. Při výběru HW a
tvorbě SW byla stanovena
kritéria
umožňující kompletní integraci subsystému ASA do vizuálního železničního informačního systému. Informace jsou hlášeny staničním rozhlasem automaticky nebo při mimořádné situaci v železniční stanici živým vstupem operátora. Hlášení mohou být podávána v různých jazycích. Subsystém automatického hlášení ASA se aktivuje příkazem základního systému NET 2000.
Obr. 2: Detail jednoznakové jednotky systému NET 2000 Další subsystém vyrobený pro potřeby železnice má označení ITA 2000. Jedná se o automatický telefonní informační systém, který využívají účastníci veřejné telefonní sítě. Kritéria pro výběr HW a SW byla stanovena stejně jako pro subsystém ASA 2000. Informace mohou být podávány v různých jazycích ze slov uložených ve slovnících. Slovníky jsou vytvořeny přeměnou věty vyslovené profesionálním hlasatelem do digitální formy. Pro účely reklamy může být využíván systém LGS 3000, který je řízen počítačem. Obraz z monitoru počítače, vytvořený podle přání zákazníka pomocí SW, je přenášen na
tabule se světlo emitujícími prvky - LED diodami. Každá informační tabule je tvořena z modulů 16x16 LED diod, jejich počet se určuje podle požadované velikosti tabule. Velikost zobrazovací tabule závisí na dvou faktorech: - počtu svislých a vodorovných zobrazovacích prvků a na velikosti zobrazovacích prvků (3, 5 nebo 8 mm), volí se podle vzdálenosti, ze které se budou informace číst. Některé nejvíce používané velikosti tabulí jsou v rámci firmy standardizovány. Obraz na tabuli může být tvořen třemi barvami (červená, zelená a žlutá), doporučuje se použít stejné barvy i při tvorbě vyobrazení na PC. V r. 1994 probíhal ověřovací provoz a posléze byl zaveden do provozu u ČD digitální informační systém Digis, určený pro malé a střední železniční stanice, který dodává firma Starmon, s.r.o. Jedná se o elektronické zobrazovací tabule řízené počítačem. Základem informačního systému je osobní počítač se dvěma sériovými porty. K počítači je připojena jedna nebo více elektronických zobrazovacích informačních tabulí umístěných v prostoru železniční stanice.Informační tabule mohou být dvou, tří nebo čtyřřádkové, zobrazovacím prvkem jsou světlo emitující prvky - LED diody. Informace lze zobrazovat automaticky v závislosti na grafikonu podle dnů v týdnu bez zásahu obsluhy nebo ruční obsluhou.
Obr. 3: Tabule informačního zařízení Digis s LED diodami
Obr. 4: Řídící pracoviště informačního zařízení Digis (vlevo je umístěn monitor kamerového systému, vpravo monitor informačního systému) Programové vybavení počítače umožňuje tyto funkce: vytvoření souborů podle jednotlivých dnů v týdnu, určení doby, kdy se mají jednotlivé řádky zobrazit a smazat (pokud se čas neurčí, bude řádek svítit až do ručního přepsání jiným řádkem), změna pořadí zobrazovaných řádků na tabuli podle potřeby, vložení nového řádku (řádky nad ním se posunou nahoru a vrchní řádek se ztratí), ruční změny v zobrazených informacích (doplnění zpoždění, změna nástupiště apod.), zadávání řídících znaků pro tabuli (šířka písma, hodiny, příp. hodiny s datumem), umístění pohyblivého textu, příp. dalších efektů (přerušované svícení, zasouvání textu apod.) na poslední řádek tabule, vrácení, nebo oprava chybně vykonaného kroku obsluhou kdykoliv v průběhu činnosti upozornění programem na chybu při nesprávné manipulaci . Informační tabule mohou být umístěny buď v krytých prostorách bez intenzivního vnějšího osvětlení nebo ve vnějším prostředí - na denním světle kryté před slunečním zářením. Za snížené viditelnosti je nutné přisvícení. Tabule, kde je zobrazovacím prvkem LED dioda
nesmí být použity jako nástupištní z důvodu možnosti záměny jejich svitu se světelnou návěstí. Později firma Starmon začala dodávat kompletní hlasový (HIS) a vizuální informační systém (Digis) pod názvem HaVIS. Tento systém je tvořen souborem technických
a
programových prostředků, které zabezpečují automatizované generování zvukových hlášení pro cestující a současně poskytují tyto informace ve vizuální formě na zobrazovacích panelech umístěných v prostorách železniční stanice. Systém umožňuje automatický provoz, funkce operátora je minimalizovaná na kontrolu činnosti systému a modifikaci údajů v případě mimořádných situací při provozu vlakových spojů. Komplexnost informačního systému HaVIS je zabezpečena vzájemnou kompatibilitou hlasového informačního systému a vizuálního informačního systému. V r.
1997
proběhlo
provozní
ověření
nové
zobrazovací
technologie
-
elektromagnetických bistabilních prvků. Základním stavebním prvkem je otočný terčík, který je uložen v jehlových ložiscích. V nich se může otáčet o 180°. Krajní polohy vytvářejí dva stabilní stavy. Terčík obsahuje permanentní magnet a k jeho překlopení z jedné polohy do druhé dojde na základě proudového impulsu do cívky elektromagnetu magnetického obvodu, v jehož poli se terčík nachází. Po skončení proudového impulsu se terčík překlopí do požadované polohy, která je dána působením magnetických sil permanentního magnetu v terčíku a elektromagnetu. V této poloze je držen neomezeně dlouhou dobu zbytkovým magnetismem magnetického obvodu. To znamená, že elektromagnetické bistabilní prvky (terčíky) potřebují energii pouze ke změně stavu. Barevné provedení terčíků je zpravidla žlutá kontrastní barva z jedné strany a černá z druhé strany. Jednotlivé prvky se sdružují do modulů, umožňujících zobrazování alfanumerických znaků a grafiky. Pro osvětlení terčíků při nízké intenzitě okolního světla se používá přisvětlení zářivkou zabudovanou do systému. Informační panely s těmito prvky mohou být umístěny i tam, kde může dojít k přímému dopadu slunečních paprsků na zobrazované nápisy i tam, kde nelze použít panely s LED diodami.
Obr. 5: Tabule informačního zařízení Digis s elektromagnetickými bistabilními terčíky V informačním systému Digis/HaVIS může být použita kombinace tabulí s LED diodami a elektromagnetickými bistabilními terčíky. V současné době probíhá ověřovací provoz nástupištních informačních tabulí, na kterých jsou osazeny terčíky doplněné miniaturními LED diodami.
Obr. 6: Tabule informačního zařízení Digis s elektromagnetickými bistabilními terčíky s miniaturními LED diodami Otočné elektromagnetické terčíky jsou základní zobrazovací jednotkou informačního systému INISS (INtegrovaný Informační Systém Stanice), který byl do provozu ČD zaveden v r. 1999. Výrobcem i dodavatelem pro ČD je firma Chaps, s.r.o. Jediným vstupem do systému je standardní PC s příslušným SW a HW vybavením, k němuž je připojen potřebný počet tabulí a vstup rozhlasové ústředny. Programové vybavení umožňuje následující funkce: tvorba časových harmonogramů informací, tj. posloupností informací, které se mají postupně vypisovat na informační tabuli v různém čase, v různých dnech týdne, příp. v jiném období, výběr informací z tohoto harmonogramu a jejich výpis na monitor PC a po potvrzení obsluhou na příslušnou informační tabuli, na víceřádkových informačních
tabulích automatické doplnění dalšího řádku podle
časového harmonogramu, automatické testování správnosti výpisu na informační tabuli s indikací případné chyby na monitoru PC, možnost zablokování příslušného řádku s možností případné diagnostiky závady, automatické obnovení funkce v reálném čase po skončení výpadku napájení,
automatický přenos informace mezi odjezdovou tabulí a nástupištní, eventuálně podchodovou tabulí, automatizované hlášení staničního rozhlasu spolu s jeho synchronizací s výpisy na informačních tabulích. Systém podporuje tyto operace: import dat z elektronického jízdního řádu (IDOS), zavedení vlaku, zrušení vlaku, změna atributů vlaku, různá oznámení cestujícím, přiřazení vlaků k tabulím (určuje které atributy se mají na té-které tabuli vypisovat. Obsluha může podle aktuální dopravní
situace v železniční stanici ručně zadat
zpoždění, změnit nástupiště nebo zadat odklon či výluku. Veškeré provedené změny jsou zapisovány do historie, kterou je možné exportovat a následně statisticky zpracovat. Hlasový výstup je tvořen zvukovou kartou, příposlechovým reproboxem a nízkofrekvenčním linkovým výstupem, který zprostředkuje spojení s rozhlasovou ústřednou v železniční stanici. Vstup rozhlasové ústředny slouží k živému vstupu obsluhy.
Nejnovější zobrazovací technologií zavedenou u ČD v r. 1999 jsou transreflektivní mozaikové displeje z tekutých krystalů (LCD). Systém nabízí firma Elektročas, s.r.o. pod označením IZE 1. Tabule s tímto zobrazovacím prvkem byla u ČD ověřena v železniční stanici Rokycany a první systém byl použit v železniční stanici Cheb. Stejnou technologii zobrazování
nabízí i firma Gema, s.r.o. Její tabule byla ověřována v železniční stanici
Hostivice. Základním stavebním prvkem je displej s tekutými krystaly prosvětlovaný vestavěným zářivkovým osvětlením tabule. Každý displej obsahuje 8 znaků, z nichž každý je tvořen matricí ze 132 optimálně tvarovaných segmentů, což umožňuje lepší rozlišitelnost a čitelnost jednotlivých znaků. Znaky mohou být zvoleny buď o výšce 63 mm s diakritikou včetně malých písmen nebo o výšce 75 mm, kde jsou znaky s diakritikou sníženy. Barva znaků je žlutá na tmavém podkladě. Za displeji je umístěna reflexní fólie odrážející vnější světlo pro zlepšení čitelnosti při přímém osvětlení tabule slunečním světlem. Displeje lze spojovat do libovolně dlouhých řádek (vždy násobek 8 znaků). V případě, že se na tabuli nezobrazuje
žádná informace se z důvodu snížení spotřeby elektrické energie automaticky vypíná osvětlení tabule. Konstrukce tabulí se vyznačuje nízkou hmotností a malou stavební hloubkou. Tabule není třeba temperovat, pracovní teplota je od -20°C do +80°C, při překročení těchto hodnot není zaručen kontrast znaků. Tento stav je vratný a po navrácení teploty do uvedených mezí pracují zobrazovače normálně. Všechny prvky systému, tj. tabule LCD, hlasový výstup, popř. tabule s jiným druhem zobrazovačů, monitory apod., jsou ovládány z jednoho řídícího počítače a jedním programem, subdodavatelem programového vybavení je firma Chaps, s.r.o.
Obr. 7: Tabule informačního zařízení IZE 1 s displeji z tekutých krystalů
Očekávaný vývoj Německá firma MAN Systemelektronik GmbH vyvinula systém Vollmatrix, jehož základním prvkem jsou čtvercové terčíky sdružené v modulech. Každý modul sestává z elektromagnetických elementů a nastavovací elektroniky. Každý čtvercový terčík je složen ze dvou trojúhelníkových. Krátký proudový impuls zajistí změnu barvy. Při nasazení bistabilních terčíků osazených LED diodami, nemusí být informační tabule přisvětlována zářivkou. Dalším stupněm ve vývoji podávání vizuálních informací cestujícím budou pravděpodobně plazmové příjezdové a odjezdové tabule s barevným rozlišením.
Obr. 8: Plazmová informační tabule
Závěr Podaný přehled elektrických informačních systémů pro cestující veřejnost mapuje zařízení požívaná u ČD. Kombinace informačních tabulí s různými zobrazovacími technologiemi v jednom
systému
umožňuje podávání integrovaných audiovizuálních
informací o aktuálním dopravním provozu včetně příp. přídavných informací předem naprogramovaných nebo vkládaných v reálném čase. Koncepční záměry ČD předpokládají nasazení vizuálních a audiovizuálních zařízení v co největším počtu železničních stanic s tím, že je nutné vždy vybavit ucelené úseky železničních tratí stejnou technologií, aby se předešlo nejednotnosti podávaných informací a ztížené orientaci cestující veřejnosti v podávaných údajích.
Literatura: 1. Závazné pokyny pro výběr, projektování a užívání elektricky ovládaných železničních informačních zařízení, 1. Novelizace (č.j. 58548/2000-O14), 2. Technická dokumentace firem Pragotron, s.p., Starmon, s.r.o., Solari di Udine spa, Elektročas, s.r.o., Chaps, s.r.o., Gema, s.r.o.
V Praze, říjen 2000
Lektoroval: Dalibor Slánský ČD DOP O16
Martin Veselý
Data zahraničních železnic v elektronickém jízdním řádu ČD
Klíčová slova: elektronický jízdní řád, IDOS, EDIFACT, MERITS. Význam informací o železničním spojení na ČD České dráhy jsou vzhledem ke své geografické poloze, rozloze, vazbám na ostatní evropské železnice a úrovni infrastruktury jednou z nejvýznamnějších železničních správ na kontinentě. Při cestách vlakem je v posledních letech u nás zcela právem cestujícími očekáván špičkový servis, i proto je pochopitelně kladen patřičný důraz na aktuální, kvalitní a všeobecně dostupné informace o vlacích osobní přepravy nejen vnitrostátní, nýbrž i mezinárodní. Zahraniční vlaky v elektronickém jízdním řádu ČD Na prahu devadesátých let, kdy začaly České dráhy (dříve ČSD) vyvíjet ve spolupráci s firmou CHAPS, spol. s r.o., vlastní informační systém pro hledání spojení v osobní přepravě, byl datový obsah reprezentující zahraniční vlaky v podstatě shodný s údaji uveřejňovanými v knižním jízdním řádu. Veškerá data se importovala do datového formátu IDOS prostřednictvím rozhraní z tehdy u ČSD (později ČD a ŽSR) používaného formátu POPDAT. Přestože se již v té době bylo možné u některých evropských železnic ojediněle setkat se snahami vyvíjet obdobné informační systémy, žádná mezinárodní výměna elektronických dat o vlacích mezi ČD a ostatními železnicemi neexistovala.
Martin Veselý, nar. 1967, 1982 – 1986 gymnázium v Praze 4, od r. 1989 u ČSD (později ČD) jako pracovník přepravy v železničních stanicích uzlu Praha, od r. 1997 správce databáze elektronického jízdního řádu IDOS v odštěpném závodě ČD CIT (později o.z. DATIS), nyní vedoucí projektu IDOS a zástupce ČD v projektu UIC MERITS. Zhruba v polovině devadesátých let byly navázány kontakty s německými, rakouskými a polskými drahami, jejichž podniky IT zpracovávaly data jízdních řádů vlaků osobní přepravy pro KURS-90, tedy informační, rezervační a prodejní systém používaný u všech těchto železnič-
ních správ. Data byla dodávána ve formátu dBase IV, všechny tři dráhy získaly recipročně data ČD v tzv. čistém textovém formátu IDOS. Z důvodů kapacitních omezení objemu zapracovaných vlakových variant, jakož i počtu stanic v databázi, která u nejstarší verze elektronického jízdního řádu ČD pro operační systém MS-DOS přetrvala do těchto dnů, byly sice ze všech dodaných vlaků zařazeny do definitivní databáze až na drobné výjimky pouze vlaky dálkové, podíl zahraničních dat v poměru k objemu základních dat o vlacích ČD a ŽSR byl již v té době značný. Vzhledem k rozdílnosti struktur datových formátů byly při konverzích pro IDOS použity pouze nejzákladnější informace o vlacích, tedy číslo vlaku a jeho kategorie (IDOS pro DOS umožňuje rozlišit pouze devět kategorií, program Jízdní řády pro MSWindows 95 a vyšší, který je oproti verzi DOS i nadále vyvíjen, necelých třicet), výchozí, cílová a mezilehlé stanice vlaku s časy odjezdů a příjezdů, období jízdy vlaku a některé vlakové atributy, jako např. zařazení jídelního, lehátkového či lůžkového vozu, označení možnosti zajištění rezervace místa atd. Nebyly bohužel automaticky přebírány popisy vedení přímých vozů, ani bližší specifikace vlakových atributů, tedy datové a relační vymezení jejich platnosti. Tyto úpravy bylo nutné doplnit do definitivních dat IDOS manuálně, což se ovšem většinou nepodařilo v plném rozsahu. Z pochopitelných důvodů byly totiž vždy při ručních korekturách preferovány spoje Českých drah, navíc bylo nezbytné do databáze dále doplnit údaje o významných zahraničních vlacích převzaté z tištěných předloh. Ještě před obdobím platnosti grafikonu 1998/99 byly kontaktovány některé další železniční správy, které posléze dodaly Českým drahám data svých vlaků osobní přepravy a zároveň souhlasily s jejich zveřejněním v produktech ČD. Každá ze železnic ovšem používá vlastní výměnný datový formát, který je navíc průběžně vyvíjen, což předpokládalo neustálé zásahy do konverzních programů, jejichž prostřednictvím byla data do formátu IDOS převáděna. Takto byly zpracovávány informace především o dálkových vlacích švýcarských, italských, belgických, nizozemských, švédských a rumunských železnic (v celkovém objemu se jednalo o tisíce vlakových variant), data ostatních drah (řádově stovky vlaků) byla i nadále pořizována z tištěných médií. Užší spolupráce s DB AG Německá dráha patří vedle Železnic Slovenské republiky již řadu let k nejvážnějším zájemcům o kompletní elektronická data vlaků osobní dopravy Českých drah. Ve spolupráci s hannoverskou firmou HaCon Ingenieurgesellschaft mbH se pokouší Transport-, Informatik-
und Logistik-Consulting GmbH (Deutsche Bahn Gruppe) shromáždit veškerá data evropských železničních přepravců v produktech známých pod obchodním označením HAFAS, které jsou na evropské, ale i světové špičce mezi elektronickými vyhledávači dopravního spojení. Firma TLC spravuje databázi jednotlivých spojů, přičemž spolupracuje s více než dvaceti zahraničními železnicemi a se zhruba osmdesáti státními i soukromými veřejnými dopravními podniky v Německu. O kvalitě i atraktivitě produktu HAFAS svědčí i jeho webové rozhraní (http://bahn.hafas.de), které během kalendářního roku 1999 zaznamenalo více než miliardu vyhledaných spojení. Není též bez zajímavosti, že řada evropských železnic ukončila vývoj svého vlastního řešení vyhledávače a implementovala produkty firmy HaCon včetně veškeré datové podpory od firmy TLC. Ve snaze zvýšit kvalitu dat dodávaných Českými drahami iniciovala TLC GmbH v roce 1999 změnu praxe při vzájemné výměně dat, která od té doby probíhá obousměrně v čistém textovém formátu Transform-Input (HAFAS-Rohdatenformat). Datové struktury IDOS, v nichž se do té doby podklady o vlacích ČD německému partnerovi předávaly, totiž doplňkové informace o vlakových atributech, jejich datová a relační omezení, prezentovaly pouze formou obecných poznámek, které jsou do jiných formátů nekonvertovatelné. Uživatel proto ani neměl možnost vyhledávat spojení podle vlakových atributů, konečně tuhle alternativu stávající verze programu Jízdní řády (v ČD dříve pod obchodním názvem IDOS Universal) zatím rovněž nepodporuje. Další, nikoli bezvýznamnou překážkou, která brání širšímu uplatnění dat dodávaných ve formátu Transform-Input v produktech ČD, je skutečnost, že zatímco síť, po níž se pohybují vlaky, je v aplikacích HAFAS definována geografickými souřadnicemi jednotlivých železničních stanic a zastávek, v programech IDOS jsou její hrany reprezentovány mezistaničními tarifními vzdálenostmi. Ty jsou získávány nejčastěji z tištěných předloh, které produkují jednotlivé dráhy (zpravidla jde o běžné knižní jízdní řády), v řadě případů je ovšem nutné je odvodit právě ze zeměpisné polohy, jež je uvedena ve strukturách HAFAS. Informace o vzájemné poloze stanic je velmi důležitá pro efektivní nalezení optimálního spojení (podrobnosti o samotném vyhledávacím algoritmu jsou z pochopitelných důvodů obchodním tajemstvím tvůrců obou zmiňovaných řešení), na tomto místě je ovšem nutné podotknout, že poslední verze vyhledávacího programu Jízdní řády pracuje při výpočtu požadovaného spojení vedle tarifních vzdáleností mezi uzly sítě též s údaji o jejich zeměpisné poloze.
Po přechodu na formát Transform-Input České dráhy mimochodem zaujaly roli Serviceprovidera pro Železnice Slovenské republiky (data této železnice jsou konvertována a předávána TLC prostřednictvím ČD, naopak ŽSR touto cestou získávají vybraná zahraniční data), zároveň získaly ČD možnost importovat do svých struktur veškerá data, která jsou obsažena v databázích HAFAS, a zapracovávat do svých produktů ta z nich, jejichž původní dodavatelé – jednotlivé evropské železnice či dopravní podniky – vyslovily souhlas s jejich použitím. Železniční databáze programu Jízdní řády proto již druhým rokem obsahuje v průměru 80 tisíc vlakových variant. Projekt MERITS V polovině devadesátých let se Mezinárodní železniční unie (UIC) začala zabývat otázkou vytvoření společného datového skladu jízdních řádů všech osobních vlaků v Evropě. Ukázalo se totiž, že cestující veřejnost očekává zcela oprávněně široký, kvalitní a především snadno dostupný servis odpovídající všeobecnému pokroku v oblasti informačních technologií. Až na několik výjimek se informace o jízdních řádech sousedních či vzdálenějších železničních správ objevovaly v knižních jízdních řádech evropských drah většinou v nízké kvalitě, neboť vycházely z již překonaných návrhů jízdních řádů. Nakonec ani výměna definitivních knižních jízdních řádů mezi železnicemi nefungovala docela bezchybně. Tak vznikl povinný projekt UIC ”MERITS” (Multiple European Railway Integrated Timetable Storage – Společný sklad integrovaných jízdních řádů evropských železnic), k účasti byly vyzvány všechny evropské železniční správy, jejichž zástupci v létě 2000 podepsali memorandum, jímž vyjádřili projektu svoji podporu. Ještě předtím vznikla přípravná skupina složená ze zástupců pěti evropských drah, která se pokusila definovat zásady pozdější multilaterální spolupráce. Bylo rozhodnuto, že bude založena ústřední databáze pod dohledem UIC, do níž budou všechny železnice pravidelně dodávat kompletní a aktuální jízdní řády osobních vlaků. Po několika letech přípravných prací bylo konečně na podzim 1999 Mezinárodní železniční unií vypsáno výběrové řízení na dodavatele řešení a správy centrální databanky (DBO – DataBase Operator – databázový operátor), která by obsahovala data získaná od jednotlivých železnic a dopravních podniků (DSU – Data Supplier/User – dodavatel/uživatel dat). Ze čtrnácti přihlášených postoupily do užší selekce čtyři subjekty, z nichž byl na jaře 2000 vybrán jeden, a sice TLC GmbH.
Výměna dat o vlacích v projektu MERITS Již v samém počátku realizace projektu bylo rozhodnuto, že se komunikace mezi DSU a DBO bude odehrávat prostřednictvím zpráv ve formátu UN/EDIFACT (United Nations/Electronic Data Interchange for Administration, Commerce and Transport – elektronická výměna dat – zpráv – pro administrativu, obchod a dopravu), jejž popisuje norma ISO9735 (ČSN ISO 9735). Tento systém elektronické výměny dat byl definován na sklonku osmdesátých let a přes všechny přednosti již v některých oblastech ustupuje pozvolna do pozadí. V roce 1995 se však jevil jako spolehlivý a relativně perspektivní. Vývoj standardů EDIFACT koordinuje Evropská hospodářská komise Spojených národů – UN/ECE. Proto je tento standard označován jako UN/EDIFACT. Elektronická výměna dat znamená vzájemnou výměnu přesně strukturovaných zpráv mezi dvěma aplikacemi různých subjektů. Tyto zprávy jsou definovány jednoznačnými syntaktickými pravidly, která jsou společná pro všechny propojené aplikace. Datové rozhraní je přesně definováno standardními oddělovači prvků, služebními segmenty označujícími začátek a konec zprávy, jakož i začátek a konec souboru výměny, standardními typy datových prvků, složenými datovými prvky pro vyjádření složitějších datových elementů a segmenty s dílčími datovými prvky. Základem zprávy je datový prvek, který je složen z konkrétních hodnot. Datové prvky, které spolu souvisejí, se slučují do složených datových prvků. Ty společně vytvářejí tzv. segmenty, přičemž složením služebních a uživatelských segmentů vznikají zprávy. Ty jsou přenášeny jako tzv. soubory výměny (interchange). Výměna dat se pak zásadně odehrává elektronickou cestou, např. prostřednictvím internetu či jiné veřejné datové sítě, sítě GSM nebo radiového, případně satelitního spojení. Komunikace mezi aplikacemi probíhá vesměs automatizovaně. V rámci standardu EDIFACT jsou definovány stovky zpráv pro státní správu, obchod, dopravu atd. Zprávy SKDUPD, SKDREQ a TSDUPD jsou vyhrazeny pro výměnu údajů o jízdních řádech. Vyhlášky UIC č. 918-3 a 920-16, které jsou průběžně aktualizovány v souladu s požadavky jednotlivých železničních správ zúčastněných na projektu, představují detailní specifikaci obsahu a formátu předepsaných segmentů všech úrovní jakož i jednotlivých datových prvků, které tyto tři zprávy obsahují.
Zpráva SKDUPD slouží k základnímu přenosu dat o jízdních řádech, a to v obou směrech mezi DSU a DBO. Zpráva SKDREQ se používá pouze ve směru od DSU k DBO pro přenos specifikaci vyžádaných dat jízdního řádu, která jsou posléze doručena zpět DSU ve formě zprávy SKDUPD či TSDUPD. Konečně zpráva TSDUPD zajišťuje oboustranný přenos detailních statických dat jízdních řádů mezi DSU a DBO.
DSU Z
DSU A TX2
DSU B
EDIFACT
DSU C
DBO
-Syntaktická verifikace -Integrace dat -Chybová hlášení
-Tištěná média -Elektronické jízdní řády
Obr. 1: Tok dat mezi DSU a DBO
Systém výměny dat je v plném provozu od GVD 2001/2002. Železnice jsou povinny respektovat dané technické podmínky a dodat data v předepsaném formátu. Za tímto účelem jednotlivý DSU buďto vlastními silami implementuje formát EDIFACT, nebo použije k pořízení dat a jejich předání DBO stanici TX2 od firmy Sabré, která ji vyvinula na základě objednávky UIC. UIC zároveň na vlastní náklady pořídila deset licencí a instalace hodlá rozdělit mezi železnice, které nebudou schopny předávat svá data přímo v EDIFACT. Třetí možností je užití služeb jiného DSU jako svého service-providera (viz obr. 1), data budou předávána ve formátu, na němž se dohodnou oba DSU. Vždy dva měsíce před začátkem grafikonu je každý DSU povinen dodat DBO svá kompletní verifikovaná data. Nestane-li se tak, je železnice vyzvána k dodání dat, přičemž je o této politováníhodné skutečnosti zároveň informována též UIC. Nepřijdou-li data jeden měsíc před začátkem nového grafikonu, přikročí DBO k manu-
álnímu pořízení dat této železnice a na její náklady. Po shromáždění veškerých dodaných dat je na straně DBO zahájena nejprve jejich syntaktická verifikace. V případě zjištění nedostatků jsou data odeslána zpět DSU s požadavkem na opravu nalezených chyb. Po obdržení syntakticky bezvadných dat provádí DBO další kontrolní činnosti s cílem minimalizovat obsahové nedostatky, např. nekorektní časy, stanice, čísla vlaků a neodpovídající období jízdy vlaku.
PRD+50::::::Karlstejn/Karlstein+0054' POP+273:2000-06-05/2000-1027::111000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000 0000000111000000000000000000000000000000000000000000000011111' PDT++:::50' SER+9' POR+5400014+*1236' POR+5400012+1412*1424' POR+8000027+1655*1655' TRF+X02' POR+8000284+1817*1837' POR+8000260+1929*1931' POR+8000010+2011*2013' POR+8000105+2041*2046' POR+8070003+2055*2057' POR+8000240+2113*2125' POR+8000206+2212*2214' POR+8000044+2245*2247' POR+8000207+2306*2309' POR+8000085+2330*2332' POR+8000082+2338*2340' POR+8000086+2348*2350' POR+8000098+0000:::1*0002' POR+8000041+0010*0012' POR+8000080+0022' ODI+8000284*8000080' SER+26' ODI+8000284*8000080' SER+26'
Obr. 2: Část zprávy SKDUPD
Nově dodaná data jsou porovnávána s daty z předchozích dodávek či z několika uplynulých grafikonů, jsou vyhledávány vazby mezi vybranou konkrétní stanicí a množinou dalších stanic, jakož i mezi několika vybranými významnými železničními stanicemi vzájemně. Postupně dochází k integraci dat mezistátních vlaků, jejichž data jsou získána od dvou či více DSU, zpracovávají se jednotlivé vlakové atributy. Nejpozději jeden měsíc před začátkem grafikonu by měly být na straně DBO ukončeny všechny činnosti spojené s definitivní kontrolou a úpravami veškerých dat a měl by k nim být umožněn přístup všech DSU. Během přípravných prací na projektu MERITS byly tyto záměry drahami zúčastněnými částečně zpochybněny, některé železniční správy nejsou z technických příčin schopny dodat s dvouměsíčním předstihem kompletní a konečná data svých osobních vlaků, jiné správy naopak vyjádřily politování
nad tím, že data ostatních drah bude možné získat teprve čtyři týdny před začátkem nového grafikonu, což již patrně neumožní jejich včasné zapracování do tištěných médií. Bylo rozhodnuto, že prozatím nebudou zúčastněné železnice poskytovat data získaná z databáze DBO třetím subjektům (cestovním kancelářím, soukromým dopravním operátorům atd.). V budoucnu hodlá data poskytovat za úhradu přímo UIC, o takto získané částky bude postupně snižován povinný příspěvek jednotlivých železnic na tento projekt. Toto stanovisko vedení projektu MERITS je zatím ovšem ve stadiu diskuzí na různých úrovních a tedy není uzavřena. Hledá se kompromis mezi snahou co nejvíce zpřístupnit data jízdních řádů s cílem přilákat klientelu na koleje, tedy individuálními obchodními zájmy jednotlivých dopravců či železničních správ, a ochranou duševního vlastnictví, jež představuje zpracovaná databáze údajů o jízdních řádech. S vlastními daty mohou nicméně železnice nakládat i nadále libovolným způsobem. Určité problémy sice přitom zřejmě nastanou s přeshraničními lokálními a mezinárodními dálkovými spoji, nicméně UIC přislíbilo v těchto případech velkorysý přístup. Veškerá data získaná jednotlivými DSU z centrální databáze mohou být naproti tomu libovolně používána při tvorbě knižních jízdních řádů, letáků, brožur, informačních materiálů a veškerých dalších tištěných médií rozšiřovaných některou ze železničních správ, která se účastní projektu MERITS, zároveň je samozřejmě možné zahrnout je do databází vlastních elektronických on- i off-line informačních systémů. ČD předpokládají komunikaci s DBO prostřednictvím internetu (FTP TCP/IP), zvážena bude v případě finanční výhodnosti (DBO hodlá zpoplatňovat veškeré datové přenosy) též možnost použití datové sítě Hermes. I když současná výměna dat mezi TLC a ČD probíhá v obou směrech ve formátu Transform-Input ke všeobecné spokojenosti zainteresovaných stran, budou data Českých drah paralelně exportována též ve formátu EDIFACT. ČD se současně rozhodly přikročit k vlastní implementaci EDIFACT (již počátkem února 2001 zaslaly TLC formou zprávy SKDUPD první data k testování), neboť použití aplikace TX2 od firmy Sabré se nejeví jako perspektivní, a to ze dvou důvodů: Data udržovaná ve formátu IDOS (viz obr. 3) jsou obtížně konvertovatelná, pro zpracování programem TX2 by bylo nezbytné provést tak či tak jejich náročnou úpravu do datového meziformátu, s nímž by TX2 již dokázal pracovat. Konečně využití stanice TX2 k nepřetržitému přenosu zpráv mezi ČD a TLC (vždy ve chvíli, kdy dojde na jedné či na druhé straně k jejich aktualizaci) se nepředpokládá především s ohledem na zpoplatňované datové transfery. Využití TX2 k pořizování veškerých dat je pak
vzhledem k jejich obrovskému rozsahu časově, personálně, a tedy i ekonomicky zcela nerealizovatelné.
/10350 E /2850/50 A 8 1 1>$(3)vlak se zvláštním příplatkem 1>(3)R - možno zakoupit místenku 1>restaurační vůz (servis: Mitropa) 1>ze stanice Nürnberg Hbf (odj.18:37) č.vlaku 50 1>ze stanice Schwandorf (odj.16:56) č.vlaku 2850 1>@TLC:RE 1>@TLC:Z 1>@TLC:ZR 2>00E0000000000000000000001C00000000000F800000000000000000000000000000000000000000000000 000000000 5457076 12:36 96 Praha hl.n. 5473275 14:12 14:24 00 Plzeň hl.n. 5473515 15:13 15:16 00 Domažlice 8000027 16:55 16:56 98 Schwandorf 8000284 18:17 18:37 00 Nürnberg Hbf 8000260 19:29 19:31 00 Würzburg Hbf 8000010 20:11 20:13 00 Aschaffenburg Hbf 8000105 20:41 20:46 00 Frankfurt(Main)Hbf 8070003 20:55 20:57 00 F-Flughafen Fernbf. 8000240 21:13 21:25 00 Mainz Hbf 8000206 22:12 22:14 00 Koblenz Hbf 8000044 22:45 22:47 00 Bonn Hbf 8000207 23:06 23:09 00 Köln Hbf 8000085 23:30 23:32 00 Düsseldorf Hbf 8000082 23:38 23:40 00 Düsseldorf Flughafen 8000086 23:48 23:50 00 Duisburg Hbf 8000098 24:00 0:02 00 Essen Hbf 8000041 0:10 0:12 00 Bochum Hbf 8000080 0:22 00 Dortmund Hbf
Obr. 3: Ukázka datové struktury IDOS
Během přípravných prací byli všichni DSU vyzváni, aby přesně specifikovali obsah dat, která hodlají dodávat DBO. Zároveň byli požádáni o předložení požadavků na periodicitu dodávek a obsah dat proudících v opačném směru. Každá železnice má přirozeně nárok na veškerá data. ČD předpokládají zasílání vlastních dat při každé změně byť i nevelkého rozsahu, která bude navazovat na vytvoření nových verzí dat pro vlastní informační systémy, tedy – jak je obvyklá praxe – jedenkrát až dvakrát měsíčně, příjem dat od DBO se bude odehrávat několikrát ročně a jeho periodicita bude záviset od stanovené výše poplatků za datové přenosy. ČD mají zájem o téměř veškerá data (velmi zhruba celá Evropa kromě lokálních vlaků v Británii), což představuje asi 200 tisíc spojů, resp. tzv. vlakových variant.
Literatura: Petr, J.: Elektronický obchod a EDI, 1. vydání, UNIS Publishing, Brno 1996 Vyhláška UIC č. 918-3, 3. vydání, UIC, Paříž 2000 Vyhláška UIC č. 920-16, 1. vydání, UIC, Paříž 2001
V Praze, leden 2001
Lektoroval: Ing. Luboš Klančík ČD DOP O16
Jiří Koryčan, František Rabčan
Vývoj informačního systému přepravních tržeb z pohledu konstruktérů Klíčová slova: informační systémy, ekonomické systémy, tržby, ISPT –informační systém přepravních tržeb, IS KPT – informační systém Kontroly přepravních tržeb, architektura IS, objektová analýza a design, víceúrovňová architektura. 1. Základní zadání a rozsah ISPT V rámci ekonomického systému ČD, jenž je informačně prezentován systémem SAP/ R3, je klíčová oblast tržeb v účetním modulu. Jelikož jsou tržby v rozsahu cca 25 mld. ročně reprezentovány milióny účetních operací, byly do r. 1999 vkládány do centralizovaného účetnictví ČD v agregované formě tzv. měsíčních odpočtů. Zdrojem těchto dat jsou odúčtovny mezinárodních (KMŽP) a vnitrostátních (KPT) tržeb. Agregovaná podoba dat v účetnictví znemožňuje podrobné analytické výstupy v modulu Controling SAP/R3. Základními cíly od r.1997 pro ISPT je přizpůsobení stávajících a vybudování nových IS umožňujících : • Vytvoření decentralizovaných informačních systémů pro pořízení prvotních účetních dat v místech jejich vzniku, tedy v žel. stanicích a jejich přenos do systému centrální evidence zásilek (CDZ) a na odúčtovny (IS KMŽP a IS KPT) • průběžné denní vkládání dat o fakturacích, platbách a souvisejících dalších účetních operací do účetního modulu SAP/R3 • Výše uvedenými předpoklady zajistit v návazně budovaných IS: • ucelený přehled o pohledávkách za konkrétními odběrateli • přehledy o zaplacených pohledávkách • přehledy za tržby dle jednotlivých komodit zboží • časové rozlišení tržeb • rozlišení tržeb na jednotlivé traťové úseky __________________________________________________________________________ Ing. Jiří Koryčan, absolvent VŠD Žilina, obor Kybernetika v dopravě 1976 (4 roky její externí asistent), od té doby u ČSD/ČD jako analytik, vedoucí Informatiky na Střední dráze, Oblastním ředitelství Olomouc. Člen řady celosíťových týmů ustavených pro koncepce a realizace rozhodujících úloh ČD. Po vzniku CIT (následně DATIS) vedení servisu, školení a realizace IS pro ČD, zejména DOP. Od poloviny r. 1999 pověřen vedením skupiny projektů ISPT. Ing. František Rabčan, absolvent VŠD Žilina 1972, od té doby u ČSD/ČD v SVT Olomouc později v CIT/DATIS jako analytik, později jako špičkový specialista v oboru operačních systémů a vývojových prostředků pro návrhy a programování IS. Autor řady aplikačních programů pro řízení provozu, zejména pak řady speciálních SW komponent vytvářených v rámci systémové integrace IS v ČD. Autor řady vysoce odborných článků v časopisech MAA a Computer World.
Druhotným, avšak velmi podstatným efektem musí být: • racionalizace prací na decentrální úrovni žst. a na odúčtovnách • zprůhlednění celého účetního řetězce s plným respektováním účetního a daňového zákona = bezproblémové kontroly a audit účetnictví • zajištění vyšší věrohodnosti dat (víceúrovňové kontroly) a zajištění bezpečnosti dat i zpracování Rozsah systému : ISPT - informační systém přepravních tržeb v podstatě není samostatným informačním systémem se svébytnou datovou základnou. V rámci tohoto projektu jsou vlastně řešeny hlavně vazby s existujícími úlohami řešenými jako samostatné dílčí projekty s rozsáhlými změnami a doplňky : • CDZ centrální databáze vozových zásilek, • IS KMŽP –informační systém kontroly mezinárodních žel. tržeb, • APM – automatizovaná pracovní místa v žst., kde vznikají informace pro tržby • NP - nákladní pokladny, • VA – vlečková agenda, • VNVK –všeobecné nakládkové a vykládkové koleje , • AVOS – osobní pokladny, • ARES – rezervační terminály), Dále nově jsou vyvolány úlohy : • CLO – celní pracoviště, • DPS – střediska doplňkových přepravních služeb, • IS DOČD – IS dodavatelů a odběratelů ČD = podpůrný průřezový systém online propojený na ostatní , • HP – Hlavní pokladna , • HHP – sumarizace hlavních pokladen ve spádovém KPT • KPT5 - zárodek IS KPT = oddělení účtárny. Veškerá problematika se střetává v totální inovaci Směrnice pro pokladní činnost Hf3 a následně Hf5. Nově jsou vypracovány směrnice pro pokladní činnosti NP, VA, VNVK, CLO, SDPS. • IS DLUH – sledování pohledávek a závazků • Rozlišení tržeb – časový a traťový rozpad tržeb s využitím konkrétních tras vlaků ze systému CEVIS (číselné sledování vozů a vlaků) • Vazby na SAP/R3 – úpravy pro dávkový vstup účetních dat Prakticky se jedná o široký komplex vstupů z veškerých pokladních a potažmo účetních činnosti na úrovni žst. a odúčtoven. Sumárně se jedná cca o 200 tis. účetních vstupů do modulu FI R3 za měsíc. Např. v rámci KMŽP se jedná o sortiment přes 900 typů účetních případů a v rámci vnitrostátních tržeb přes 600 typů. Vzhledem k neúplným možnostem ČD v oblasti financování přenosu bylo rozhodnuto již v počátku vést decentralizované databáze na úrovni HP v žst. a zde také provádět fakturace. Systém řešení mimo výše uvedené byl v oblasti rozvržení činností mezi SAP a vlastní řešení vyvolán též velmi vysokým stupněm zatížení SAP/R3 v rámci ČD, který i s posílením HW konfigurace je na hranici saturace.
Přesto je v rámci řešení zachováno velké přiblížení k reálnému. Probíhající řešení zajišťuje tok dat kontinuální na základě denních uzávěrek pokladen. Prakticky tedy se zpožděním odpovídajícím toku těchto dat v nejhorším případě přenosu po mag. médiích se zpožděním pouhé 4 dny z celé sítě ČD. Projekt se tak dotýká cca 2,5 tis. PC na ČD (podstatná složitost u cca 370 míst NP a 200 míst HP) a spolu s tím cca 3,5 tis. pracovníků. Řešení je vedeno jako jedna z prioritních úloh a trvale po několik let váže kapacitu téměř 30-ti řešitelů u ČD – DATIS o.z. Na vybudování přenosové sítě a pořízení potřebné techniky již bylo vynaloženo cca 110 mil. Kč ISPT je prakticky největším systémem, který byl v historii informatiky ČD řešen vlastními silami a spolu s ekonomickým systémem SAP/R3 tvoří jeden z nejrozsáhlejších systémů v ČR. 2. Architektura ISPT Schéma vnějších vazeb ISPT:
B anka
11
10
O d b ě ra te l
9
12 3
2 IS D O Č D
5
IS P T
C D Z /C E V IS
13 4 R ozpod ílo v á n í trž e b
1a
1b
6
S A P R /3 FI
S A P R /3 C O
7
8 U ž iv a te l
Vysvětlivky - účetní data o tržbách z mezinárodní přepravy: 1. Data o odběratelích včetně „ sapovského čísla“ 2. Nové požadavky nebo změna stávajících dodavatelů/ odběratelů 3. Finanční a provozní data pro účely rozpodílování 4. On-line vazba mezi kmenovými daty SAP R/3 a IS DOČD 5. Rozpodílovaná data dle komodit, makroúseků ….. z osobní i nákladní přepravy 6. Údaje z FI SAP R/3 7. Údaje z CO SAP R/3 8. Bankovní výpis 9. Příkaz k inkasu 10. Faktura vnitro za smluvní přepravy 11. Faktura vnitro za nesmluvní přepravy 12. Trasy zásilek 13. Data o zásilkách 14. Data o platbách v nákladní přepravě 15. Účetní data odpočtu hlavní pokladny 16. Autorizace a rekalkulace dat 17. Skutečně zaúčtované tržby 18. A Vybraná data o skutečně zaúčtovaných tržbách 18. Některá data o tržbách skutečně zaúčtovaná na vybraných analytických účtech z osobní a nákladní přepravy 19. Provozní výkony 20. Trasa zásilek 21. Platby v hotovosti na vedlejších pokladnách 22. Platby v hotovosti na hlavní pokladně 23. Odvod tržeb (data ve tvaru 450-2, výčetka, doklady, hotovost) z podřízené pokladny do nadřízené NP (HP) 24. Odvod z NP včetně podřízených pokladen 25. Odvod tržeb z ručně provedené uzávěrky pokladny (hotovost, výčetka, doklady) 26. Změny číselníků a kódovníků 27. Nezaúčtované položky, chyby 28. Data o zákaznících za atrakční obvod HP 29. Data o tržbách a zaplacených jistotách vnitrostátní řez ČD v dovozu a vývozu 30. Přehledy o pohledávkách z přepravy
Schéma vnitřních vazeb ISPT
13
R o z p o d ílo v á n í trž e b
C E V IS
4
A P M -N P
2
3
IS C D Z
14
D a ta b á z e TRŽBY
15
1b
1b
IS K M Ž P
2
3
1a
IS D O Č D
2
17
S A P R /3 FI
3
17
IS D O Č D
1a
16
A P M -H P
12
IS K P T
10
10 9
2
3
B anka O d b ě ra te l
9
11
30 R o z b o ro v á č in n o s t Č D
D e ta iln í p o h le d n a d e c e n tr á ln í ú r o v e ň Z Á K A Z N ÍK 22
1 ta rifn í bod
VA
VNVK
SPS
CLO
24
IS CDZ
14 APM NP
3 IS DOČD
22
2 25
27
Z Á K A Z N ÍK
23
3 A PM _H P
29 26 24 AVOS
12
10 27
26
9
BANKA
16 ARES
IS K P T A PM _H H P
3. KPT - klíčová část , argumentace pro centralizaci zpracování obecně Výše uvedený systém je v dílčích částech téměř vyřešen, jeho plnému nasazení brání nedokončený informační systém KPT. Příčinami opoždění řešení je kromě enormní technologické náročnosti (složitá logická struktura s mnoha vazbami) i skutečnost, že se radikálně mění systém zpracování z měsíčních agregovaných dávek účetních dat do SAP/R3 na denní dávky prvotních účetních informací. Tento článek je však zaměřen na celkovou architekturu systému a i zde se ukazuje složitost systému: • Sídla jednotlivých KPT jsou 3 (Stod u Plzně, Litoměřice, Olomouc) • Každé z těchto KPT má „spádovou oblast“ z níž přebírají prvotní údaje z decentralizované úrovně, prakticky každé KPT z cca 70-ti Hlavních pokladen žst. • Jednotlivá KPT jsou sice na Intranetové síti ČD, ale z více než 1/3 nejsou komunikující napojené Hlavní pokladny = nutnost řešit náhradní dodávání dat pomocí magnetických medií. • Doposud prováděná počítačová podpora vlastních činností KPT je heterogenní i ve stejných činnostech a její integrace znamená úplné přebudování systému
•
Vlivem neustálých restrukturalizačních změn u ČD je pro stabilitu systému vyžadována relativní nezávislost na organizační struktuře účetních jednotek
HW architektura je určena pro 2 základní funkce IS KPT: • Pro zpracování dat z decentralizovaných systémů APM HP ze žst. - zde bylo doporučeno ponechat stávající již realizovaný stav. Tzn. Dvouúrovňovou architekturu s využitím stávajících NT serverů COMPAQ 3000 ve všech lokalitách KPT (Litoměřice, Stod, Olomouc) pouze s doplněním diskových polí. Systémy jednotlivých serverů bez HW záloh, na jednom serveru realizován databázový server, klientská a aplikační úroveň sloučena pro aplikační části na PC Klientů s instalovaným klientem ORACLE. Funkčně tato část provádí koncentraci dat ze spádových oblastí Hlavních pokladen, jejich interpretaci v desítkách různých přehledů a konverzi do systému SAP/R3 • zbytek funkcí KPT - DATISEM bylo zde doporučeno zřízení jednoho centrálního serverového pracoviště pro všechna střediska KPT v lokalitě Olomouc. Odděleně aplikační servery pod W2000 a Oracle databázový server na samostatném serveru pracujícím pod UNIX, tencí klienti pouze s prezentační vrstvou bez ORACLE klienta s možností dálkového napojení mezi lokalitami. Klíčovým požadavkem uživatelů v 3-úrovňové architektuře je odezva centrálního systému na požadavky klientů. V konkrétním případě návrhu architektury IS KPT pak speciálně pro případy vzdálených klientů pracujících se serverovou lokalitou prostřednictvím TCP/IP sítě ČD. Při hodnocení tohoto požadavku musíme vycházet ze dvou různých režimů on-line interakce klienta se serverem: • Asynchronní interakce -dávkové zpracování zpráv • Synchronní interakce - Dialogové komunikace V rámci komunikace na úrovni přenosu zpráv a souborů mezi aplikacemi je využit prakticky osvědčený komunikační systém, který byl DATISem vyřešen v rámci systémové integrace pro ČD a je používán ve všech aplikacích pracujících na bázi Windows. Jedná se o SW produkty tzv. „TCP/IP komunikačního serveru“ a „Aplikačního komunikačního serveru“. V oblasti dialogové komunikace byla reálnost nasazení vzdálených klientů analyzována na základě praktických měření propustnosti a odezvy Intranetovské sítě ČD. Praktické výsledky byly srovnány s metodikou SAPu pro stanovení parametrů pro dialog. komunikace. Přestože přístup SAPovských klientů (ActiveX) je rozdílný od přístupu užitém v IS KPT (DCOM), výsledky analýzy potvrzují reálnost tohoto přístupu za podmínek uvedených v následujícím bodě. 4. Stanovení a konkrétních nároků na parametry systému Vzhledem k rozsahu článku se omezíme pouze na klíčové podmínky zajišťující patřičnou odezvu systému. Srovnáním údajů metodiky SAP a reálných hodnot IP sítě ČD jednoznačně docházíme k závěru, že práce se vzdálenými klienty v rámci IS KPT je reálná v rozsahu přenosového zpoždění 2-3 sek. při dodržení základních parametrů pro programování prezentační časti SW (SW Klienta):
• Pro technologie přístupu WEB (klienti mimo KPT) max. rozsah požadavku na interakci (přenos z klienta na server) do 2 paketů (prakticky do 3 kB), zpětná odpověď v dialogu max. do rozsahu 50 KB • pro interaktivní přístup Klient /Server max. rozsah požadavku na 1 paket, max. rozsah odpovědi 15 KB • klient bez použití ORACLE klienta (pouze soubory lokální v rámci Visual C resp. Visual Basic) • na klientech realizovat refresh lokálních číselníků klienta (veškeré údaje Combo boxů a údajů obrazovkových šablon ) 1x za 24 h v mimopracovní době resp. při prvním startu klienta v jednom pracovním dnu. • pro „asynchronní“ interakce (přenos zpráv resp. souborů) užít: • veškeré technologické požadavky odpovídající přenosům nad 15 KB • na klientovi pouze prezentační část CrystalReport • realizovat reakci klienta dle podmínek obdobných jako od verze 4.6 SAPu ( přenášet data bez jejího bezprostředního zobrazení = efektivita přenosu vzrostla až 3x ). V IS KPT hodláme obdobnou techniku použít při rozsáhlejších dotazech na datovou základnu a požadavcích na tiskové výstupy. Při požadavku (klient volá aplikační server) vyhodnotí společná komponenta na aplikačním serveru rozsah požadavku a zhodnotí předpokládaný čas na jeho zpracování a rozsah výstupu. Zpětně informuje klienta o parametrech (hlášení pro uživatele) a pošle 1. část požadovaného výstupu jako RPT soubor. Dle reakce uživatele/klienta pak je dále rozhodnuto : • odpověď je krátká, ihned se zobrazí resp. tiskne prezentační částí SW CrystalReport • klient dále pracuje na jiných úlohách a čeká na naplnění celého souboru odpovědi, v pozdějším čase ze své aktivity ověří úplnost a rozhodne o použití • klient další zpracování i přenos stornuje • klient další zpracování i přenos odloží časově do mimopracovní doby. 5.Vymezení bezpečnostních požadavků na systém Z hlediska bezpečnosti musí u tak rozsáhlých systému být servery zdvojeny. Předpokládá se u KPT požadavek na obnovu provozu do jedné hodiny s tím, že záložní porouchaný server bude opraven do dvou pracovních dnů. Databázové servery jsou odděleny od aplikačních vzhledem k předpokládaným počtům transakcí, t.j. pro zajištění odezvy systému. Databázové servery by měly ideálně být provozovány pod operačním systémem UNIX, který vykazuje vyšší stabilitu a zejména výkonnost pro databázové operace. Pro aplikační servery dostačují operační systémy NT resp. W2000. Z hlediska potřeb rozložení zátěže a bezpečnosti zpracování na aplikačních serverech je žádoucí, aby HW konfigurace umožňovala přechod do CLUSTERového režimu. Na tento režim by servery přešly po jeho ověření dlouhodobějším u jiných organizací a odladění aplikačních programů současně s přechodem na operační prostředí W2000. Předpokládaný termín druhá polovina příštího roku. Tímto přechodem se zajistí nepřetržitý chod aplikací i při havárii jednoho ze serverů. Do doby přechodu na CLUSTERový režim bude na aplikačních serverech rozložena zátěž formou rozložení SW komponent.
5. Konkretizace HW konfigurace IS KPT – komunikační schéma
Komunikační schéma Apl. servery
DATIS Pardubice
Diskové pole DB server
Ethernet 100 Mbit DCOM HTTP RPC
TCP/IP
Internet TCP/IP
Klient KPT Olomouc
DCOM
DCOM
DCOM
HTTP
HTTP
HTTP
RPC
RPC
RPC
Klient KPT Stod
Klient KPT Litoměřice
Aplikační servery = propojená dvojice Compaq ML 530 cílově v Clusterovém režimu pod operačním systémem W2000 Databázový server = HP 9000 model L3000 pod operačním systémem HP UNIX. Poznámka: záložní server je využíván pro provozní úlohy. Zvolená varianta integrace aplikací KPT+číselníky ČD na dvojici aplikačních serverů a integrace provozních úloh CDZ a CEVIS do lokality DATIS Pardubice se společným diskovým polem (optikou napojeným) na rychlé LAN síti přináší tyto výhody: • podstatně nejlevnější pořizovací náklady • nejvyšší míra spolehlivosti • 24 h provoz včetně So a Ne bez nároků na nárůst lidí • vyšší profesionalita rozložená na více odborníků • vybudovaný a osvědčený systém zálohování zvládnutý provozní obsluhou = snadnější náběhy nových úloh • možnost přípravy a testování úloh mimo základní pracovní dobu • nejširší variabilita pro ošetření havárií • nejširší variabilita pro rozložení zátěže • minimalizace rezerv diskových prostor • možnost sdílení dat spolupracujícími úlohami bez nároků na přenosy • vytvoření solidní technické základny pro další rozvoj datových skladů přepravních úloh • minimální nárok na licence • úspora provozních nákladů na technickou podporu UNIX serverů a NT serverů
7. Použité vývojové prostředky Výchozí podmínky • Složitost systému strukturální i vnějšími vazbami • zejména požadavek na průhlednost architektury • s možností její modifikace a zejména doplňování funkcí • nezávislost na typu databázového systému (t.č. však využití ORACLE jako jednotného nástroje u IS| ČD pro rozsáhlé systémy) • orientace na Microsoft produkty v oblasti vývoje • nezbytný rozsáhlý řešitelský tým rozmístěný ve více lokalitách vedly k jednoznačnému vymezení pro řešitele: • užití objektové analýzy a designu:
Komponentová implementace • Pro každý navržený objekt z Visual Modeleru: • Generování souboru
*.h a *.cpp
• Implementace popsané funkčnosti do jednotlivých metod • Vytvoření komponenty k objektu: • vygenerování kostry s rozhraním (ATL COM AppWizard) • přidání metod
rozhraní
• Výsledkem je komponenta • Nástroje
pro implementaci
pro každou v modulu
veřejnou metodu objektu dll
:
• Windows NT 4.0, Windows 2000, Microsoft Visual studio 6.0
• stanovení prostředku Visual Modeler jako rozhraní mezi analytiky a programátory • využití Microsoft produktů a strategií pro programování: • použití objektově orientovaného komponentového programování • využití rozhraní COM a DCOM • použití Visual C++ pro tvorbu komponent • tvorba SW pod operačním systémem WIN NT s laděním v prostředí W2000 • využití prostředků VisualBasic pro tvorbu klientského rozhraní na uživatele • realizace přístupu k databázovému serveru pomocí jednotné speciální komponenty, která využívá ADO přístup k ORACLE databázi • použití Crystal Report jako prostředku pro tvorbu výstupů (sestavy, obrazovky,soubory) • využití intranetovských nástrojů pro interaktivní výstupy uživatelů mimo vlastní KPT (ŘDOP, OPŘ). V rámci toho bude optimalizováno rozložení funkcí mezi Intranet. Prostředky dodanými Microsoftem v rámci Avanced Serveru ( IIS) a ORACLE (tzv. Aplikační server) dle níže uvedeného obrázku
S tru k tu ra W eb ap lik ace W e b S e rv e r
A p lik a č n í s e rv e r
in te rn e t in fo rm a tio n s e rv e r
In te rn e t E x p lo re r
W in d o w s 2 0 0 0 S e rv e r ® ¾
V azba na ¾
DCOM N e ts c a p e N a v ig a to r
O b c h o d n í o b je k ty M a in fra m e , U n ix
P řís tu p k d a tů m
HTTP A c tiv e S e rv e r P a g e s (A S P ) S c rip t e n g in e
?
D a ta b a s e O LE DB ADO
J a k ý k o liv k o m p a tib iln í H T M L 3 .2 p ro h líž e č
8. Databázová vrstva
D atab ázo v á v rstv a • D a ta b á z e O ra c le S e rve r v e r. 8 .1 .6 • O p e ra č n í s ys té m : H P U N IX • P o č íta č : H P 9 0 0 0 L 3 0 0 0 (+ z á lo ž n í)
D a ta b á ze a p lik a c eK P T
D a ta b á ze jin ýc h a p lik a c í
Databázový server pracuje s diskovými poli typu Symetrix, které jsou společné pro oba UNIX servery a mají i svůj prostor určený aplikačním serverům jedoucím pod W2000.
Přístup k databázi Oracle OracleServer 8.1.6
DB
TCP/IP
OracleKlient 8.1.6 (7.3.4) ADO - OLE DB Data Správce Aplikační komponenty zpracování DB dat Aplikační komponenty TCP/IP
Klient KPT
Přístup k DB Oracle • Oracle Server 8.1.6- serverováčást DBOracle (dodává Oracle) • Oracle Klient 8.1.6- klientská část DBOracle (dodává Oracle) • Oracle Klient ver. 7.3.4 - pro aplikace AKS, LDOČD • ADO - OLE DB- Microsoft DataAccess Component(MDAC 2.5) • Data Správce- komponenta pro přístup k DB obsahuje metody:
Init(...) Editovat(...) Nacist(...) Naplnit(...)
inicializace - connection_string perzistence objektu -insert, update, delete naplnění objektu - find naplnění seznamu objektů -select
• Aplikační komponenty zpracování DB dat- přístup k DB přes Data Správce nebo prostředky ADO • Aplikační komponenty- přístupné rozhraním DCOM
9. Aplikační vrstva
Aplikační vrstva • OS: Windows 2000 Server Advanced • Počítač: 2x CompaqProLiant ML530T PIII Komponenty COM+
IIS
TCPKS
Komponenty COM
LDOČD AKS Jiné aplikace
• Komponenty COM+ - aplikační a transakční komponenty pod řízením „Component Services “ • aplikace<-> COM+<-> aplikační komponenty • Komponenty COM - lokální (in-proces) komponenty • TCPKS
- kom. server pro zprávovou a souborovou komunikaci
• aplikace<-> TCPKS <-> vzdálená aplikace •AKS - aplikační server pro zprávovou a souborovou komunikaci • aplikace<-> AKS <-> TCPKS <-> vzd álená aplikace • LDOČD
- lokální LDOČD server
• aplikace<-> LDOČD <-> AKS <-> TCPKS <-> vzd álená aplikace • IIS
- Web server pro Web klienty s IE
• IE <-> IIS <-> ASP
10. Prezentační vrstva
Prezentační vrstva • OS: W indows NT 4.0 W S nebo W 2000 Professional • Počítač: Desktop
Klient KPT
• K l ie n t K P T
Tiskový klient
Web klient
- ř íz e n í z p r a c o v á n í a p lik a č n íc h
• Ú č e tn ic t v í, F a k tu r a c e , N á je m n é , S t y k s • u ž iv a te l< - > K l ie n t K P T< - > a p lik a č n í k o m p o n e n t a < - > • T is k o v ý k li e n t
- ř íz e n í v y t v á ř e n í, z o b r a z e n í a tis k
• u ž iv a te l< - > T is k o v ý k li e n t< - > a p lik a č n í k o m p o n e n ta < - > R e p o rt < -> d a ta • W e b k l ie n t
- říz e n í v y tv á ře n í a z o b ra z e n í
• u ž iv a te l< - > I E < - > I I S < - > A S P < - >
V Olomouci, únor 2001
Lektoroval: Ing. Josef Bernard ČD DATIS Praha
Miloslav Jakeš
Možnosti aplikace NATURAL OP (osobní přepravy) Klíčová slova: výkony a tržby na trať resp. na vlak, cestující, naturální ukazatele. 1.
Charakteristika Aplikace NATURAL OP slouží k zobrazení naturálních a hodnotových ukazatelů vý-
konů za sledované období v železniční osobní přepravě, prezentovaných počtem cestujících, osobových kilometrů, výší tržeb v Kč a dalšími ukazateli vztaženými k tarifním bodům, OPŘ, územně správním celkům a traťovým úsekům. Jejím cílem je usnadnit manažerský přístup k datům, která jsou jiným způsobem nedostupná (přiřazení tržeb ke skutečným tarifním bodům nebo úsekům, případně k jednotlivým osobním vlakům) a tím poskytnout pracovníkům ČD informační podporu v rozhodovacích procesech zabezpečujících železniční osobní přepravu. Hodnoty za sledované období jsou názorně zobrazeny v graficky příjemném prostředí s možností textových výstupů všech ukazatelů. Systém je tvořen grafem železniční sítě, k jejímž uzlům (tarifním bodům) jsou přiřazeny objemy přepravy a směrově orientované přepravní proudy. Ty jsou zase jednoznačně přiřazeny ke spojitým hranám grafu sítě. Do programu je zahrnuta také množina vlaků osobní přepravy ČD, na které jsou tržby z osobní přepravy v poměru výsledků sčítání frekvence cestujících rozkalkulovány. Kromě možností aplikace NATURAL OP budou zmíněny ještě další možnosti využívání informačních technologií v železniční osobní přepravě. 2.
Datové schéma aplikace NATURAL OP Datové vztahy aplikace (především vstupy z jiných úloh nebo aplikací) jsou schema-
ticky znázorněny na následujícím obrázku: ___________________________________________________________________________ Ing. Miloslav Jakeš, narozen roku 1965. Absolvent VŠDS v Žilině, obor Provoz a ekonomika železniční dopravy. Pracoval jako správce údajové základny MIS (místní informační systém) žst. Brno Maloměřice, později jako manažer segmentu v ČD s.o. - CIT o.z. V současnosti je ředitelem firmy CID International, a.s.
kilometrická banka, útržkové jízdenky, ...
AVOS, POP, ARES
ASO,CEV,SENA
jízdenky s přesně definovanou trasou
číselníky
CENTRÁLNÍ DATA O ŽELEZNIČNÍ SÍTI
jízdenky s nepřesnou trasou
TP 511
(transformace na elementární proudy)
železniční síť
elementární proudy cestujících SČITLIST vlaky a frekvence
NATURAL OP
VÝSTUPY: Nástupy a výstupy osob ve stanicích Proudy cestujících Zatížení tratí Výkony osobních vlaků
2.1
Vstupy do aplikace K poskytování požadovaných výstupů musí mít aplikace zabezpečen vstup odpovídají-
cích zdrojových údajů/dat: •
data o železniční síti
•
data o vlacích osobní přepravy
•
data o jízdních dokladech s trasou přiřaditelnou k trati
•
data o jízdních dokladech s trasou nepřesně přiřaditelnou k trati
•
data o obsazení vlaků cestujícími (údaje ze sčítacích lístků).
2.1.1 Data o železniční síti Aplikace NATURAL OP zobrazuje mapu železniční sítě s datovým popisem. Síť je zobrazena formou síťového grafu, kde tarifní body, stanice, odbočky aj. jsou uzly grafu a úseky železniční trati jsou hrany spojující uzly. K popisu uzlu grafu patří mimo jiné identifikace tarifního bodu (zde mohou začínat a končit proudy cestujících), název železničního uzlu, příslušnost k OPŘ, k okresu, souřadnice uzlu apod. Hrana grafu je charakterizována svou délkou, polohou na trati a polohou v integrovaném zájmovém úseku (IZU) nebo v makroúseku (MKÚ). IZU je úsek trati, který jak z pohledu charakteru dopravní cesty a její údržby, tak z pohledu technologie obsluhy v osobní i nákladní dopravě má srovnatelnou povahu. Pro hodnocení tratí jsou takto pojaté úseky tratí vhodnější než např. úseky tratí podle civilního jízdního řádu nebo vlakové úseky podle služební rukověti SR72. Pro IZU je možné získat poměrně mnoho standardních výstupů, a to nejen z aplikace NATURAL OP. MKÚ byl zaveden pro ekonomické hodnocení tratí resp. skupiny tratí v projektu SAP/R3. Tvoří ho vždy několik kompletních IZU. Pro ilustraci jsou v následujících tabulkách uvedeny části seznamu IZU a MKÚ. Ukázka seznamu IZU: IZU I00101
Název Děčín státní hranice (DB) – Děčín
IZU I00294
Název Rudoltice v Čechách – Lanškroun
I00102
Děčín – Kralupy nad Vltavou
I00295
Rumburk – Mikulášovice (přes Šluknov)
I00103
Kralupy nad Vltavou – Praha
I00296
Mikulášovice – Dolní Poustevna
I00104
Praha – Kolín
I00297
Rumburk – Mikulášovice (přes Panský)
I00105
Kolín – Česká Třebová
I00298
Krásná Lípa – Panský
I00106
Praha (nákladní průtah Praha-Vršovice – Praha-Běchovice)
I00299
Mělník – Mšeno
I00107
Praha (nákladní obvod Praha-Žižkov)
I00300
Mšeno – Mladá Boleslav
I00108
Česká Třebová – Brno
I00301
Frýdlant v Čechách – Jindřichovice pod Smrkem
I00109
Brno (Židenice – hlavní nádraží)
I00302
Raspenava – Bílý Potok pod Smrkem
I00110
Brno (nákladní průtah)
I00303
Liberec – Jablonec nad Nisou
I00111
Brno – Lanžhot státní hranice (ŽSR)
I00304
Jablonec nad Nisou – Tanvald
I00112
Břeclav – Břeclav státní hranice (ÖBB)
I00305
Tanvald – Železný Brod
I00113
Břeclav – Přerov
I00306
Smržovka – Josefův Důl
I00114
Přerov – Bohumín
I00307
Tanvald – Harrachov
I00115
Bohumín – Petrovice u Karviné státní hranice (PKP)
I00308
Mladá Boleslav – Libuň
I00116
Bohumín – Bohumín státní hranice (PKP)
I00309
Libuň – Stará Paka
Ukázka seznamu makroúseků (MKÚ): MKÚS
Název
Obsahuje IZU
M00101
Děčín státní hranice (DB) – Děčín
I00101
M00102
Děčín – Kralupy nad Vltavou
I00102
Kralupy nad Vltavou – Praha
I00103
Praha – Kolín
I00104
Kolín – Česká Třebová
I00105
Praha (nákladní průtah Praha-Vršovice – Praha-Běchovice)
I00106
Praha (nákladní obvod Praha-Žižkov)
I00107
M00103
Česká Třebová – Brno
I00108
Brno (Židenice – hlavní nádraží)
I00109
M00104
Brno (nákladní průtah)
I00110
Brno – Lanžhot státní hranice (ŽSR)
I00111
Břeclav – Břeclav státní hranice (ÖBB)
I00112
M00105
Břeclav – Přerov
I00113
M00106
Přerov – Bohumín
I00114
Bohumín – Petrovice u Karviné státní hranice (PKP)
I00115
Bohumín – Bohumín státní hranice (PKP)
I00116
2.1.2 Kmenová data – vlaky Pro přiřazení výkonů a tržeb na vlak využívá NATURAL OP číselník vlaků osobní přepravy. Údaje do aplikace vstupují z univerzálně definovaných textových souborů, jejichž prostřednictvím je zabezpečována konstrukce jízdního řádu. Zdrojem jsou aplikace •
SENA – sestava nákresných jízdních řádů
•
CEV – centrální editor vlaků
•
ASO – automatizovaná sestava oběhů
2.1.3 Jízdenky s trasou přiřaditelnou k trati Data z elektronického prodeje jízdních dokladů ve většině případů obsahují přesnou trasu, kterou cestující požadoval. (Výjimkou jsou např. jízdenky oblastní a síťové.) Jedná se o jízdní doklady ze systémů •
AVOS – programu na prodej jízdenek. Systém je instalován ve všech větších tarifních bodech ČD.
•
ARES - automatizovaný rezervační systém. Systém je instalován ve vybraných tarifních bodech ČD.
•
POP – přenosná osobní pokladna, kterou jsou vybaveni průvodčí ve vlaku. Systém je v počátcích svého nasazení ve vybraných stanicích vlakových čet.
Data o těchto prodejích jsou konvertována do univerzální věty o jízdence a vstupují do aplikace TP511 – statistika osobní přepravy. Jelikož však ne každý jízdní doklad představuje jednu jízdu nebo jednoho cestujícího (např. měsíční nebo zpáteční jízdenka), jsou data z těchto prodejů pro potřebu aplikace NATURAL OP konvertována na počet jízd. Ke každé jízdě cestujícího je v datech přiřazen •
nástupní a cílový tarifní bod
•
trasa
•
datum cesty
•
druh jízdenky
•
charakter přepravy (dálková / regionální – kriteriem je vzdálenost přepravy, kdy regionální přepravu uvažujeme do vzdálenosti 50 km)
•
den jízdy v týdnu (Po – Ne).
2.1.4 Jízdenky s nepřesně přiřaditelnou trasou U dat z jízdních dokladů, podle kterých nelze cestujícího k trati přesně přiřadit, případně ani není možné stanovit počet jízd (cestujících), je v aplikaci TP511 - statistika osobní přepravy - vytvořen matematický model převodu dat z jízdních dokladů na data jednotlivých jízd. Transformována jsou data z těchto jízdních dokladů • Kilometrická banka (KMB) Počet cestujících je odvozen z odebraných kuponů (vynásobením koeficientem 0,6). Výchozí stanicí je místo prodeje KMB. Předpoklad je, že se cestující s KMB chová podobně jako cestující s obyčejnou jízdenkou, odjíždí z místa prodeje jízdenky a zase se sem vrací. Pro příslušnou stanici se vytvoří pásma 120 až 600 km s četností cestujících. Do pásem se jízdy rozloží a v poměru nejsilnějších relací nástupní stanice příslušných těmto pásmům jsou vytvořeny uměle záznamy o výchozí a cílové stanici, trase, počtu cestujících a ceně. • Senior pas Předpokládá se, že většina jízd proběhne z/do místa nákupu cenné známky, jízdy jsou vesměs obousměrné a měsíčně je vykonáno průměrně 17 jízd. Do zpracování vstupují i cenné známky prodané v minulých měsících, stále platící. Takto stanovený počet jízd/cestujících se rozdělí do pásem. Pro každou stanici jsou stanovena
poměrná rozložení do pásem, vybrány nejsilnější relace a do nich jsou cestující rozděleni. Každá takto získaná relace je zdvojena o zpáteční cestu v tentýž den. • Lepenkové jízdenky a prodejní automaty (PAJ) Tyto výdeje pásmových jízdenek neudávají cílové stanice. V každé stanici se zjistí počet jízd v jednotlivých pásmech. V každém pásmu se vyberou možné cílové stanice a vytvoří se relace. K jednotlivým relacím se přidělí počet cestujících dle poměru vystupujících cestujících v těchto cílových stanicích (podle sčítání cestujících). Je-li koeficient přepravených cestujících větší než 1, rozloží se do jednotlivých dnů, případně se generuje zpáteční relace. • Síťové a oblastní jízdenky roční a měsíční. Zde je předpoklad, že cestující vyjíždí ze stanice prodeje a opět se vrací. Je nutno vytvořit rozložení jízd do pásem tak, aby byla respektována určená průměrná přepravní vzdálenost. V každé stanici se vynásobením počtu jízdenek stanovenými koeficienty pro jednotlivé typy jízdenek zjistí počet jízd v jednotlivé dny. Jízdenky s dobou platnosti delší než 1 měsíc se rozpočítají i do dalších měsíců platnosti. Cestující jsou rozděleni do pásem podle koeficientů rozložení s respektováním dne v týdnu. U jízdenek oblastních jsou při výběru relací respektovány hranice oblastí. • Síťové a oblastní jízdenky týdenní Postup je obdobný jako v předchozím bodu. • Ostatní jízdenky s počtem cestujících větším než 1 Pro tyto jízdenky je určena relace a zpracování se omezí na rozložení do dnů. Jízdenky stejné relace se podle koeficientů rozloží do dnů a případně se vygeneruje opačná relace. • Junior pas Při rozpodílování se hodnota cenné známky podělí počtem měsíců a vygenerují se záznamy do dalších měsíců. Sečtením se zjistí celkový počet Kč z cenných známek za měsíc. Zjistí se celkový počet osobových km vykonaných cestujícími odbavenými junior pasem za měsíc, stanoví se koeficient celkové ceny známek v Kč/oskm, který se pro každou jízdenku vynásobí počtem osob a kilometrickou vzdáleností jízdenky. Zjištěná cena v Kč se každé jízdence (junior pas) přičte. • Jízdenky z malého pohraničního styku (MPS) vydané ve vlaku
Rozpodílovávají se dle nejsilnějších relací v příslušných pásmech vydávaných v AVOS a ARES. • Jízdenky ručně psané ve vlaku Rozpodílovávají se obdobně jako jízdenky lepenkové a z prodejních automatů. • Integrovaný dopravní systém (IDS) Z výsledků sčítání cestujících (aplikace Sčitlist) se zjistí skutečný výkon (v oskm) v daném úseku IDS a příslušným podílem z průzkumu IDS se pro daný úsek IDS (v obou směrech) vypočítají osobové km. Tyto oskm se podělí délkou úseku IDS a dostaneme počet přepravených cestujících. IDS je rozdělen na jednotlivé tratě a je procentuálně stanoven výkon IDS z výkonu trati v pracovní den, v sobotu a v neděli. Pro každý traťový úsek je z výsledků sčítání cestujících stanoven počet oskm, snížený procentem výkonu IDS na trati stanoveným zvláštním průzkumem. Rozdíl mezi přepravenými osobami a oskm se rozpustí do relací počínaje od nejdelší. Tržby z IDS se rozpustí do vygenerovaných relací. 2.1.5 Podklady ze sčítacích lístků Aplikace SČITLIST poskytuje obsazení každého sledovaného vlaku cestujícími, na každé elementární hraně v jednotlivých dnech sčítání (pondělí až neděle). Sečtením obsazení vlaků na hraně je získáno celkové zatížení hrany v počtu osob. Podíl obsazení vlaku celkovým zatížením hrany vynásobený stem dává procento, kterým se vlak podílí na obsazení hrany. Procento je stanoveno zvlášť pro každý den v týdnu. 2.2
Výstupy z aplikace NATURAL OP Aplikace NATURAL OP ve svých názorných výstupech nabízí údaje
•
počty nastupujících a vystupujících cestujících ve stanicích
•
proudy cestujících charakterizované místem vzniku, cílem a intenzitou proudu
•
zatížení traťových úseků a z nich odvozené výkony vlaků osobní přepravy z pohledu využití cestujícími.
2.2.1 Nástupy a výstupy cestujících ve stanicích Nástupy a výstupy cestujících jsou zobrazeny •
počty cestujících (modré a červené body na mapě)
•
výší tržeb v Kč (žluté body).
Body mají vzhledem k počtu cestujících a výši tržeb proporcionální velikost. Samostatné informační okno zobrazí počet cestujících a výši tržeb podle typu jízdenek, dne v týdnu a dálkové a regionální přepravy. Textový výstup lze získat kopírováním okna do schránky a následným vložením do dokumentu. Výkony z tarifních bodů lze slučovat do územně správních celků (nyní okresů), OPŘ, nebo do množiny definované uživatelem. Výkony zvolených celků jsou vyjádřeny součtem výkonů stanic obsažených v těchto celcích. Na obrázku je zobrazen nástup a výstup cestujících v celé síti s otevřeným informačním oknem stanice. Nástupy a výstupy cestujících jsou rozděleny dle dnů v týdnu. Žádné z uvedených hodnot na tomto obrázku, právě tak jako u obrázků dalších, nejsou hodnotami skutečnými, ale pouze demonstračními.
2.2.2 Proudy cestujících Pro získání názoru na výkony tarifních bodů, případně okresů nebo OPŘ, je možné mezi nimi zjistit proudy cestujících. Označí se výchozí stanice (okres, OPŘ) proudu cestujících a může se označit i stanice cílová, do níž proud cestujících a s ním související tržba směřuje. Pokud cílová stanice není označena, zobrazí se všechny proudy cestujících z výchozí stanice. Je možné kombinovat nastavení filtrů a tím zjistit například proud cestujících v určitý den dle vybraného druhu jízdenek a pod.
Na následujícím obrázku jsou zobrazeny všechny proudy cestujících ze stanice a je otevřeno informační okno, v němž jsou uvedeny počty cestujících nastupujících a vystupujících dle jednotlivých stanic.
2.2.3
Zatížení tratí Přiřazením cestujících a tržeb k trase získáme údaje o zatížení tratí. Hodnoty zatížení
je možné vyjádřit počtem osob na úsek trati, počtem osobových kilometrů na zvoleném úseku a dále celkovou tržbou v Kč na úseku a tržbou v Kč na kilometr úseku. Sledovaným úsekem trati může být jednak elementární traťový úsek, složené úseky jako IZU nebo makroúsek (MKÚS), případně množina tratí jednotlivých okresů a OPŘ. Zatížení tratí lze zkoumat rovněž z pohledu dnů v týdnu, typu jízdenek a dálkové, regionální přepravy Na následujícím obrázku je zobrazeno zatížení IZU Česká Třebová – Brno počtem osob a tržbou na 1 km úseku v členění dle druhu jízdenek, kteréžto hodnoty jsou uvedeny v otevřeném informačním okně.
2.2.4
Tržby a výkony vlaků Výkony vlaků jsou stanoveny (rozkalkulovány) s pomocí údajů o síti vlaků a výsledků
sčítacích kampaní frekvence cestujících na ČD. Z nich je zjištěno obsazení každého vlaku počtem cestujících na každé elementární hraně pro každý den. Součtem obsazení vlaků jedoucích na elementární hraně je získáno celkové denní zatížení elementární hrany. Poté je stanoven procentuální podíl vlaku na obsazení elementární hrany pro každý den. Takto získanými procenty jsou rozpodílovány počty cestujících a tržby na jednotlivé vlaky na každém elementárním úseku. V programu jsou odvozeny ukazatele za vlak pro elementární úsek trati, nebo pro celou trasu vlaku. Jedná se opět o ukazatele počet osob, oskm, výše tržeb v Kč/ km a celková tržba v Kč. Na dalším obrázku je zobrazeno informační okno zatížení sítě výkony vlaků. Je zobrazen pohled na celkové výkony vlaků projíždějících vybraným úsekem (zde Sedlíšťka - Uhersko). Jejich celkový výkon je vyjádřen v oskm a v celkové tržbě na vlak. V pravém sloupci okna je uvedena délka trasy vlaku.
3.
Další rozvoj aplikace NATURAL OP Předpokládá se, že systém NATURAL OP se bude dále rozvíjet v těchto oblastech:
4.
•
podrobnější členění druhů jízdenek
•
rozšíření zapracování i na data z mezinárodních jízdenek
•
vytvoření těsnější vazby na související aplikace (další kapitola)
•
vytvoření nástroje na podporu tvorby relací vlaků osobní přepravy.
Související aplikace Aplikace NATURAL OP ve spolupráci s dalšími aplikacemi, které pro ni mohou být
zdrojem dalších dat, se může stát ještě účinnějším nástrojem pro podporu strategických rozhodnutí v osobní dopravě a přepravě. Tímto budoucím významným zdrojem dat jsou mimo jiné dvě tradiční úlohy celosíťového charakteru se vztahem k osobní přepravě. Jsou to úlohy •
TP 511 - statistika osobní přepravy
•
TP 412 - provozní výkony.
Obě úlohy zpracovávají svá data v měsíčním intervalu (pro strategická rozhodnutí je to interval zcela dostatečný) a také již určitou nezanedbatelnou dobu vytvářejí datové řady a ukládají archivní data, která mohou být dále využívána.
4.1
TP 511 – statistika osobní přepravy Statistické zpracování dat pocházejících z jedné ze dvou částí hlavní činnosti železnič-
ní dopravy - z přepravy cestujících a ze služeb s touto přepravou souvisejících. Zdrojem dat úlohy jsou údaje z prodeje jízdních dokladů vnitrostátní i mezinárodní přepravy vypovídající jak o přepravních výkonech, tak o tržbách z osobní přepravy. 4.2
TP 412 – provozní výkony Úloha zajišťuje zpracování dat ČD a ostatních dopravců o výkonech dynamických ob-
jektů železnice (kolejová hnací vozidla, lokomotivní čety, vlakový personál, vlaky) dosažených na statických objektech železnice (dopravní cesta národní i mezinárodní). Úloha produkuje souhrnné údaje o práci, která byla ve sledovaném období v železniční dopravě vynaložena na to, aby byla zajištěna plánovaná i mimořádná nákladní a osobní přeprava (včetně nezbytné vlastní režijní práce železnice, např. posunu). Tuto práci popisuje soubor ukazatelů definovaných pro výkony jak jednotlivých objektů, tak pro výkony vznikající vzájemnou kooperací statických a dynamických objektů (hrubé tunové km, čisté tunové km, vlakové km, místové km). 4.3
Naturální ukazatele grafikonu vlakové dopravy Aplikace přehlednou grafickou formou zobrazuje pro vybranou jednotku (okres, OPŘ,
úsek tratě - IZU, ...) rozhodující naturální ukazatele grafikonu vlakové dopravy, jako jsou např. místové nebo vlakové kilometry. Ve spojení s aplikací NATURAL OP je možné získat například průměrné využití sedadla osobního vlaku na požadovaném úseku trati za sledované období (měsíc, případně den v týdnu). 4.4
Sčítlist Aplikace pracuje s výsledky průzkumu frekvence cestujících ve vlacích ČD, který je
prováděn zpravidla dvakrát ročně a slouží zejména jako podpora pro tvorbu jízdního řádu. Výsledky průzkumu předkládá aplikace ve zhuštěné, snadno přístupné formě v členění dle stanic, tratí a vlaků s možností textových a grafických výstupů. Z údajů o nástupech a výstupech cestujících do vlaků a ze znalosti pravidelného složení souprav osobních vlaků odvozuje obsazení vlaků na tratích a také výkonové ukazatele jako jsou osobokilometry, průměrná přepravní vzdálenost, vlkm, místové km, kapacita soupravy a její využití apod.
4.5
SAP/R3 – modul CO Do modulu controlingu jsou z aplikace NATURAL OP exportovány určité definované
výstupy. 5.
Závěr Aplikace NATURAL OP je v informatice ČD jednou z mnohých, které již dnes napl-
ňují očekávání vkládaná do informačních technologií. Přispívá k tomu, aby ze základních úloh produkujících primární data mohly být (spolu se zpracovatelskými aplikacemi) vytvářeny řetězce, nebo aby mohly vznikat nové integrované celky, které uvnitř vlastní informační technologie dávají možnost ke vzniku novým přidaným hodnotám. A to není, vzhledem k finanční náročnosti tohoto oboru a k dosavadním zkušenostem s ním, málo.
Literatura: 1. BARTEK, J. a NEUSTADT, M.: Možnosti rozvoje informatiky v obchodně provozní divizi ČD. Vědeckotechnický sborník Českých drah 4, 1997. 2. JAKEŠ, M. a KRÁSENSKÝ, D.: Informační systém managementu. Vědeckotechnický sbor ník Českých drah 4, 1997. 3. FIALA, J.: Uživatelská příručka pro aplikaci NATURAL OP - 2000
Brno, prosinec 2000
Lektoroval: Ing. Luboš Klančík ČD DOP O16
Josef Zbořil
Využití bainitické oceli v srdcovkách výhybek Klíčová slova: srdcovka, materiál Lo8CrNiMo, zkrácený monoblok, mezní stavy materiálu. Úvod V železniční dopravě je jednou z nejdůležitějších částí výhybky srdcovka. Podle geometrického uspořádání jsou jednoduché, dvojité a s pohyblivými částmi. Podle konstrukčního uspořádání se používají srdcovky montované, jejichž součásti jsou vyrobeny ze širokopatních kolejnic a u některých se používají speciální srdcovkové profily. Další skupinou konstrukčního řešení, jsou srdcovky montované „zmonolitněné“, u kterých část součástí tvoří určitý kompaktní celek. Jako příklad můžeme použít řešení, kdy hrot srdcovky a navazující kolejnice jsou vzájemně svařeny a tento celek je společně s křídlovými kolejnicemi sešroubován. Poslední skupinu tvoří srdcovky monoblokové, kdy celá srdcovka včetně přípojných kolejnic tvoří kompaktní blok. Střed srdcovky je odlitek, ke kterému jsou přivařeny čtyři kolejnice. V současné době se používá odlitek s vysokým obsahem manganu. Přivaření kolejnic k tomuto odlitku je provedeno odporovým svařováním stykově s odtavením speciální technologií. V železniční síti ČD jsou tratě rozděleny do šesti řádů, podle „ výsledného přepočteného provozního zatížení koleje Tf v milionech hrubých tun za rok“. Stavbou železničních koridorů se i u ČD zvýšila rychlost na 160 km. h-1. Podle stanovené rychlosti , podle ročního zatížení a nápravového zatížení, se určí vhodnost konstrukčního řešení srdcovky.
___________________________________________________________________________ Josef Zbořil, Ing., nar. 1941. Absolvent VUT Brno, obor dopravní stroje a manipulační zařízení. Nyní v DT výhybkárna a mostárna spol. s r. o. Prostějov, vedoucí inženýr technického rozvoje.
1
Návrh bainitické oceli pro odlitky srdcovek DT výhybkárna a mostárna spol. s r.o. Prostějov, rozhodla o zařazení vývojového úkolu „ Bainitické oceli pro odlitky srdcovek“ již v říjnu roku 1996 . Tento materiál spolu s řešením nové optimální
trajektorie srdcovky se stává hlavním nosným výrobním
programem srdcovek. Nově navržená trajektorie srdcovky vychází z profilu středně ojetého kola ZI-3 a zabezpečuje neklesající a nezvedající se osu kola při přejezdu kola z křídlové kolejnice na hrot srdcovky. Dlouhodobou provozní stabilitu přesně navrženého, vyrobeného, tvarového a výškového opracování srdcovky, umožňuje navržený materiál. Pro komplexnost celého programu bylo nutno
současně řešit odporové svařování stykové s odtavením,
regeneraci a opravy navařováním. Stanovili jsme si, že srdcovky z bainitického materiálu musí vyhovovat pro rychlosti do 200 km /hod. Zatížení na nápravu 25 tun. Musí odolávat vysokému kontaktnímu namáhání mezi kolem a kolejnicí. Materiál musí být svařitelný s běžnými kolejnicemi. Musí umožňovat regeneraci navařováním běžně používanými prostředky. Musí zajišťovat odolnost proti opotřebení, tvorbě převalků, odolnost proti křehkému lomu, v rozsahu provozních teplot používaných u evropských drah. Po dlouhodobých experimentech s návrhem vhodného materiálu, který by splňoval požadavky zadání, byl navržen nový materiál pod označením „ Lo8CrNiMo“, o chemickém složení: C Mn Si Cr Ni Mo B Alc V Ti N P S 0,11 0,50 max 1,6 2,6 0,40 max max max max max max max 0,15 0,80 0,50 2,00 3,00 0,50 0,003 0,045 0,13 0,05 0,012 0,015 0,012 S následujícími mechanickými vlastnostmi: Rp0,2 Rm A5 Tvrdost
840 MPa – 0,885 Rm 1050 – 1300 MPa min. 12% 330 – 400 HB
Slévárna Třinec a.s., řešila problematiku modelování, slévárenství a tepelného zpracování odlitků pro zajištění stability procesu a požadovaných parametrů. Posouzení únosnosti odlitku srdcovky. Konstrukční řešení srdcovky
je provedeno jako zkrácený monoblok. Celkové
uspořádání srdcovky je na obrázku 1. Vlastní odlitek srdcovky, zkrácený monoblok, má odlehčení a směrem k výměně je zakončen dvěma profily kolejnic. K nim jsou přivařeny odporově stykově s odtavením přípojné kolejnice. V části směřující ke konci výhybky je 2
ukončen profilem podobným kolejnici se širší hlavou a stojinou. Zde jsou odporově stykově s odtavením přivařeny přípojné, podélným svárem svařené, hrotové kolejnice srdcovky. K takto vzniklému svařenci jsou přes vložky přišroubovány křídlové kolejnice. Při tomto konstrukčním řešení jsou nepojížděné. To znamená, že celý přechod kola při přejíždění žlábku z „ křídlové na hrotovou“ část se uskutečňuje v oblasti bloku odlitku.
Obr. 1 Pro stanovení únosnosti byla vybrána srdcovka pro svršek UIC 60 a výhybku 1:12-500 pro koridorové tratě s rychlostí 160 km/hod. Rozdělení pražců v oblasti srdcovky je 613mm. Při posuzování únosnosti bylo postupováno podle připravované změny předpisu ČD S3, zpracovávané Doc. Ing. Krejčiříkovou, CSc. Jelikož únosnost železničního svršku se posuzuje podle únosnosti kolejnic a jazyků, nadále budeme srovnávat získané hodnoty s výpočty kolejnic UIC 60, jakost materiálu UIC 900A. Výsledné namáhání kolejnice [Pa] je:
σ = ζ ⋅σ Q + σ t + σ E σQ - napětí v patě kolejnice od zatížení v [Pa] σt – napětí od teploty v [Pa] σE – vnitřní napětí vznikající při výrobě v [Pa] ζ – koeficient vlivu zakřivení kolejnice v oblouku ( 1,15 - 1,30)
σQ = γ ⋅
M WX
kde : M – ohybový moment WX – průřezový modul kolejnice γ − dynamický součinitel Velikost napětí pro největší teplotní rozdíl ( 58°C) dosahuje až
145 MPa
Velikost napětí vznikajícího při výrobním procesu dosahuje až
200 MPa 3
Velikost napětí od zatížení při průjezdu v přímém směru, při smíšené osobní a nákladní dopravě, ( do odbočky menší rychlost) je cca
75 MPa
Celkem tedy cca – 420 MPa Výsledné napětí musí odpovídat mechanickým vlastnostem pro danou jakost oceli. Pro jakost materiálu 900A platí: Rm = 880 ÷ 1030MPa
σ≤
(0,5 ÷ 0,6) ⋅ Rm ϑ
≅ 420 MPa
(1)
kde : ϑ – je součinitel bezpečnosti 1,15 -
čitatel tohoto zlomku je prakticky mez kluzu dané oceli.
Únosnost kolejnice je zaručena, jestliže je splněna podmínka rovnice ( 1 ) Z výpočtu je patrno, že napětí v patě kolejnice od zatížení, při stejném stavu svršku a provozu, je ovlivněno velikostí průřezových modulů WX. Pro posouzení odlitku srdcovky, jsme porovnali průřezové moduly v jednotlivých řezech a stanovili kritický průřez. Z náčrtků č. 2. a č. 3 vyplývá, že kritickým je profil kolejnice UIC60 na přední části odlitku, kde modul průřezu WX = 332 . 10-6m3 WX = 496 . 10-6 m3
Obr. 2
WX = 479 . 10-6 m3
Obr. 3
Z výpočtu vyplývá, že napětí od zatížení činí cca jen 20% maximálně možného výsledného napětí namáhání kolejnice.. Pro ocel Lo8CrNiMo, která má mez kluzu min. Rp0,2 = 840 MPa by podle rovnice ( 1 ) mohlo být výsledné namáhání kolejnice, při součiniteli 1,15
σ ≤ 730MPa .
4
Můžeme tuto podmínku podle rovnice ( 1 ) vyjádřit také tak, že součinitel bezpečnosti dosáhne hodnoty přes 2,00. Z tohoto porovnání oceli jsou patrny značné rezervy navrženého materiálu v porovnání s kolejnicovou ocelí UIC900A. Ověřování odporového svaru stykového s odtavením. Jak již bylo uvedeno, k opracovanému odlitku srdcovky z materiálu Lo8CrNiMo jsou přivařeny přípojné kolejnice a přípojné hrotové kolejnice srdcovky z materiálu UIC 900A. Ověření svaru těchto dvou rozdílných materiálů prováděl Výzkumný ústav železniční. Byla provedena zkouška kolejnic statickým ohybem ( tříbodovým) u tří vzorků. Zkouška byla prováděna podle předpisu ČD S 3/5. Vzdálenost podpor 1000 mm, odporový svar uprostřed rozpětí, síla působí uprostřed, profil kolejnice UIC60. Dosažené síly při lomu kolejnic byly 1560 až 1624 kN a vyhovují předpisu ČD. Dosažený průhyb 20 až 23 mm při lomu je vyhovující, s ohledem na podmínky průhybu stanovené v předpise ČD S 3/5 pro běžné kolejnicové materiály, např. jakosti 900A, které mají v místě svaru srovnatelnou mez kluzu ( Rp0,2). V našem případě se jedná o dva materiály spolu svařené, které mají výrazně odlišnou mez kluzu. Dále byly prováděny únavové zkoušky odporového svaru na třech zkušebních vzorcích, dynamická zkouška v ohybu ( čtyřbodový ohyb), podle předpisu ČD S 3/5. Opakované namáhání σo max = 200 MPa, σo min = 50 MPa, počet cyklů 2,1 . 106 . Všechny vzorky vyhověly podmínkám předpisu. Zkoušky tvrdosti na příčných průřezech kolejnic, jak z materiálu 900A, tak z materiálu Lo8CrNiMo, byly měřeny v souladu s ČSN ISO 6508. Směrodatná odchylka souboru naměřených hodnot tvrdosti HRC činí u materiálu 900A s = 1,310 HRC a u materiálu Lo8CrNiMo s = 0,790 HRC. Materiál odlitku srdcovky tedy vykazuje vyšší homogenitu než běžně užívaný kolejnicový materiál. Výsledky metalografického posouzení – mikrostruktura základního materiálu odlitku srdcovky je vyhovující. Zjištěná lokalita výskytu jemného jehlicovitého martenzitu, v oblasti odporového svaru, není pro únosnost spoje kolejnice – odlitek srdcovky nebezpečná. Odolnost materiálu Lo8CrNiMo proti křehkému porušení. Nekovové částice v ocelích, obecně nečistoty, mají vliv na mechanické vlastnosti ocelí zvláště v případech, kdy jsou ocelové výrobky zatíženy rázovým nebo kmitavým zatížením. Pro běžné typy ocelí existují standardy, podle kterých se klasifikují nečistoty a jejich 5
povolené množství. U materiálu Lo8CrNiMo se jedná o speciální legovanou ocel tepelně zušlechtěnou na bainitickou strukturu a navíc použitou ve formě odlitku. V současné době neexistuje pro tuto ocel standard ve vztahu k nečistotám. Z těchto důvodů jsme se rozhodli neexistující standardy nahradit posouzením vlivu nečistot na křehkolomové chování odlitku srdcovky z materiálu s bainitickou strukturou. Zkoušky byly prováděny na renomovaném pracovišti Ústavu fyziky materiálů Akademie věd ČR v Brně. Zkoušky probíhaly za teplot + 20°C a – 20°C a měly stanovit odolnost tohoto materiálu proti křehkému porušení, respektive proti iniciaci náhlého nestabilního lomu. Dále jsme porovnávali dosažené výsledky s kolejnicovým materiálem jakosti 900A. Z běžně dodávaných kolejnic jakosti 900A a odlitků z materiálu Lo8CrNiMo byla vyrobena zkušební tělesa pro zkoušky rázem v ohybu podle Charpyho (ČSN EN 10 045), pro zkoušky tahem ( ČSN EN 10002), měření lomové houževnatosti při statickém a dynamickém zatěžování při použití zkušebních tyčí typu Charpy ( ČSN 42 0347, ASTM E 1820-99a) a místo V- vrubu byla opatřena únavovou trhlinou, připravenou cyklickým zatěžováním. Zkoušky se prováděly na desítkách zkušebních těles, odebíraných z předem určených míst po profilu kolejnice obou materiálů, jak je znázorněno na obrázku 4. Pro úplnost informací, o vyšetřovaných materiálech bylo provedeno metalografické vyšetření struktur zkoušených ocelí.
Obr. 4
Obr. 5
Při zkoušce rázem v ohybu, se současně s měřením nárazové práce (KV) zaznamenávaly závislosti síla (F) , a přemístění (s) v průběhu rázu ( průhyb) ( viz norma ISO 14 556). Na obrázku 5 je ukázka záznamu těchto veličin v grafu u instrumentovaného kyvadlového kladiva. Charakteristické body v grafu: 6
( Fgy) – síla určená v tranzitním bodě přechodu z lineární části do křivkové ( nelineární) části. reprezentuje sílu , při níž nastává okamžik zplastizování průřezu pod vrubem. ( Fm ) – maximální síla v diagramu (Fiu) – síla v okamžiku náhlého poklesu síly v diagramu. Definuje okamžik nestabilního šíření lomu. ( Fa) – síla v okamžiku zastavení nestabilního šíření lomu. Ve standardech ISO 14 556 jsou uvedeny typy záznamů a jejich označení, které lze obecně při instrumentované zkoušce získat a které reprezentují lomové chování od výrazně křehkého porušení ( záznam typu A ) až po zcela tvárné porušení ( záznam typu F ). Lomová houževnatost se měřila při statickém a dynamickém zatěžování. Při vyhodnocování záznamů (F – s) byly použity následující standardy – bývalá ČSN 420347, ASTM Standard E 1820-99a, ČSN EN ISO 12737, ASTM standard E1921-97. Výsledky zkoušek a jejich hodnocení jsou uvedeny v následujících tabulkách. Pro velký rozsah měření a získaných údajů, budou uvedeny charakteristické výsledky měření pro danou zkoušku a jakost materiálu. Charakteristické veličiny při zkoušce tahem jsou v tabulce na obr.6. Kromě zásadních rozdílů v porovnání ( Rp0,2 a Rm) , můžeme porovnat odolnost proti porušení ( okamžik přetržení zkušební tyče), charakterizovanou veličinami ( Rf a εf) , které vyjadřují mezní hodnotu deformovatelnosti a odolnosti proti porušení daného strukturního stavu. Napětí Rf = Ff / Su reprezentuje napětí pro okamžik porušení v místě krčku zkušební tyče (Ff je síla a Su je průřez v okamžiku přetržení). Veličina εf, reprezentuje skutečnou hodnotu poměrné tahové deformace v krčku v okamžiku přetržení (εf = 2 ln( do/du)
do Rp0,2 Rm Rf A5 Z εf
UIC 900A + 20°C 6 -mm - MPa 525 953 -MPa 1220 -MPa 16 -% 27 -% 32 -%
Lo8CrNiMo Lo8CrNiMo + 20°C - 20°C 6 6 940 940 1150 1150 1750 1610 12 12 53 48 70 66
Zkouška tahem ověřovala a doplňovala deklarované mechanické vlastnosti obou materiálů.
Obr. 6 Výsledky měření nárazové práce ( KV) , charakteristických sil a plastického přemístění v okamžiku lomu jsou uvedeny v tabulce na obrázku č.7. V tabulce jsou uvedeny vypočtené střední hodnoty nárazové práce ( KVstř) a uvedeny typy záznamů ( F – s )při 7
porušení ( standard ISO 14 556 ). Střední hodnoty ( KVstř) jsou vyneseny v grafu, na obr.8, pro zkušební tyče z hlavy kolejnic obou ocelí.
Označení Teplota mater. °C UIC 900A +20 Lo8CrNiMo +20 UIC 900A -20 Lo8CrNiMo -20
KVstř J 6,4 28,0 5,0 13,6
Fgy kN 22,9 24,0
Fm = Fiu kN 16,7 26,2 16,0 25,3
smp= siup mm 0,00 0,41 0,00 0,09
Typ Záznamu A C A C
Obr. 7
Obr. 8
Obr. 9
Koncové body vyznačených úseček v obrázku 8, udávají nejnižší a nejvyšší naměřené hodnoty (KV) při zkušební teplotě – 20°C a + 20°C Z tabulek a obrázků vyplývají závěry o lomovém chování obou ocelí a
očekávané odolnosti proti křehkému porušení. U oceli
Lo8CrNiMo lze očekávat výrazně vyšší odolnost proti vzniku křehkých lomů ve srovnání s odolností proti vzniku křehkých lomů u oceli UIC 900A. Při teplotě –20°C odolnost oceli Lo8CrNiMo proti vzniku křehkých lomů poklesla, ale stále je podstatně vyšší, než u oceli UIC 900A. Na obr.9 jsou vyznačeny typy záznamů ( F-s ) pro oblast pod teplotou (ti) – lom je iniciován u kořene V-vrubu přímo štěpným (kvazištěpným) mechanizmem. Tuto oblast lze tranzitní teplotou, označenou ( tgy), rozdělit na dvě podoblasti, a to podle typu záznamu na 8
oblast s typem záznamu (C) a na oblast s typem záznamu (A, B ). Oblast nad (tgy) je oblast semikřehkých lomů, to je křehkých lomů, nastávajících po úplném zplastizování průřezu pod vrubem. Oblast pod teplotou (tgy) je oblast výrazně křehkých lomů. Z tabulky na obr.7 a z obr.9 je patrno, že kolejnice jakosti UIC 900A se při obou teplotách nachází v oblasti výrazně křehkých lomů. Vypočtené hodnoty statické lomové houževnatosti pro materiál jakosti UIC 900A a Lo8CrNiMo, zkušební tělesa odebraná z hlavy kolejnice, jsou uvedeny v tabulce na obr.10. Jakost Teplota mater. °C UIC900A +20 UIC900A -20 Lo8CrNiMo +20 Lo8CrNiMo -20
F kN 2,9 2,7 7,9 6,2
KC MPa.m1/2 34,8 32 76,4
KJC Rp0,2 MPa.m1/2 MPa 525 525 120,8 970 970
Rm MPa 900 900 1242 1242
σon MPa 176 162 473 379
Obr. 10 Vypočtené hodnoty dynamické lomové houževnatosti pro oba materiály jsou v tabulce na obr.11. Jakost Teplota mater. °C UIC900A +20 UIC900A -20 Lo8CrNiMo +20 Lo8CrNiMo -20
F kN 3,3 2,9 7,5 6.8
KCd MPa.m1/2 42,2 36,4 -
KJd Rp0,2 1/2 MPa.m MPa 525 525 98,7 970 87,3 970
Rm MPa 900 900 1242 1242
σon MPa 198 177 450 409,9
Obr. 11 Na obr. 12, 13,14, je morfologie lomů těles typu Charpy s trhlinou, porušených dynamicky při teplotě –20°C. Na obr.12 se jedná o materiál UIC900A, (Kcd) = 26,8 MPa.m1/2. Na obr.13 je materiál Lo8CrNiMo, (KJd) =98,5 MPa.m1/2. Na obr.14 je materiál Lo8CrNiMo, (KJd) = 67,4 MPa.m1/2. Na obr. 16 diagram hodnot lomové houževnatosti při statickém zatěžování, pro oba materiály, v závislosti na teplotě. Na obr.17 je diagram hodnot lomové houževnatosti při dynamickém zatěžování, pro oba materiály, v závislosti na teplotě.
9
Obr. 12
Obr. 13
Obr. 15
Obr. 16
Obr. 16
Obr. 17
Prověřovali jsme, jaký vliv na rozptyl naměřených hodnot mají nečistoty, i když rozptyl naměřených hodnot je zákonitou vlastností lomové houževnatosti. Pro vyhodnocení 10
jsme využili zkušebních těles použitých pro měření lomové houževnatosti, u kterých jsme znali mechanické charakteristiky. Hodnocení mikročistoty odlitků z oceli Lo8CrNiMo. Na základě rešerší k hodnocení mikročistoty ocelí, je možné konstatovat, že v současné době není k dispozici standard, pro hodnocení nečistot. Ze zkušebních těles lomové houževnatosti byla vybrána série vzorků odpovídající jednotlivým extrémním hodnotám ( Kc, KJ), pro metalografické hodnocení. Cílem metalografických analýz bylo stanovit případné lokální strukturní závislosti objemu materiálu blízkého čelu postupující trhliny. Oblast cca 0,5mm od lomové plochy. Vyšetření bylo zaměřeno na možné vlivy : odmíšení pravděpodobně legujících prvků po hranicích původních austenitických zrn, nečistot distribuovaných v bezprostřední blízkosti lomové plochy, případných licích vad, změny ( deformace) mikrostruktury vlivem lokálních extrémů napětí na čele trhliny, rozdílu charakteru lomu ( ve smyslu členitosti) jednotlivých vzorků v závislosti na rozdílech ( Kcd). Z každého vzorku pro lomovou houževnatost byly připraveny 3 řezy pro metalografická pozorování podle obr. 15.
Obr. 18 Na obr. 18 je mikrostruktura pod lomovou plochou, zvětšeno 400x. Lomová plocha se na provedených příčných řezech jevila jako členitá, bez oblastí viditelné mikroplastické deformace v blízkosti čela postupující magistrální trhliny. Sekundární trhliny, které by navazovaly na vměstky v bainitické oceli Lo8CrNiMo, nebyly pozorovány. Průběh lomu je v převažující části lomových ploch všech pozorovaných vzorků 11
členitý. Podíl srovnávaných oblastí, tj. oblastí s vyšší a nižší členitostí lomu, neodpovídá jednoznačně rozdílům hodnot dynamické lomové houževnatosti. Žádná z identifikovaných nečistot nebyla prvotní příčinou lomu zkušebních tyčí a rovněž nebyla ani sekundárním ohniskem pro změnu orientace magistrální trhliny probíhajícího lomu. Hodnocení struktury a mikročistoty bylo uskutečněno na vzorcích, odebraných ze tří odlitků ( různých taveb) a odebraných po průřezu profilu z oblastí hlava, stojina a pata.Bylo odebráno a vyhodnoceno 28 vzorků. Jak již bylo uvedeno, není k dispozici standard pro hodnocení úrovně znečištění litých ocelí. Proto byla zvolena metodika podle normy ST SEV 40 7783 ( ČSN 420471), která platí pro tvářené oceli, a představuje daleko přísnější kriteria. Výsledky hodnocení typů vměstků, ze všech vzorků byly srovnatelné. Stanovení kritické hloubky trhliny v závislosti na napětí ( σ ) při teplotě ( -20°C) V souladu se směrnicí - CEN TC256/WG4/9/2, Second Draft, Febr. 96, Railway application track heavy rails, Part 1.: Flat bottom symetric railway rails – 46kg and above. Annex I, Standard test method for determination of fracture toughness KIc of rails. - byla
vyrobena z hlavy profilu kolejnice zkušební tělesa o rozměru 45x25x225mm. Rovina trhliny byla kolmá k podélné ose a směr šíření trhliny byl dovnitř tělesa kolejnice. Rozměr 45mm byl rovnoběžný se svislou osou profilu kolejnice. Lomová houževnatost byla stanovena v souladu se směrnicí při – 20°C s přesností 1°C. Při vyhodnocování záznamů bylo již přihlédnuto k revidované verzi normy ASTM E399-97E. Pro ocel Lo8CrNiMo byla hodnota ( KIC ) změřena a vypočtena, pro ocel UIC 900A byla převzata z literatury. Lo8CrNiMo - KIC = 74,4 MPa.m1/2 UIC 900A
- KIC = 34,4 MPa.m1/2
Pro sestavení diagramu obr.19, byly stanoveny tyto podmínky. Pro materiál Lo8CrNiMo byla vzata hodnota - KIC = 60 MPa.m1/2, která se vyskytla v jednom případě u zkušebního tělesa 10x10mm. Pokud by bylo použito hodnoty ze zkušebních těles 45x25mm, křivka v diagramu by byla v poměru těchto hodnot ještě výše ( 1,23x ). Předpokládali jsme povrchovou vadu na hlavě kolejnice tu nejhorší, kdy a/2c je 0,1. Pro tento případ platí, že při a = 5mm je trhlina téměř přes celou hlavu. Vnitřní vady jsou daleko méně nebezpečné než povrchové, téměř o 50%. V tomto diagramu můžeme přímo porovnat odolnost obou materiálů, při stejném napětí σc = σ + σrez
12
kde σ je provozní tahové napětí v hlavě ( patě ) kolejnice. To značí, že v diagramu stačí odečíst od mezní křivky hodnoty reziduálního pnutí a dostaneme průběh křivek, udávajících vztah mezi provozním tahovým napětím a kritickou velikostí vady. Byly zpracovány ještě diagramy únavového růstu trhliny z počáteční hloubky do kritické, v závislosti od provozního napětí. Ukazují nám podstatně lepší odolnost materiálu Lo8CrNiMo ve srovnání s odolností UIC 900A.
Obr. 19
Validace – ověření v provozu ČD. Pro ověřování v provozních podmínkách ČD, byla vyrobena jednoduchá srdcovka tvaru 60-1:12-500 se zkráceným monoblokem z bainitického materiálu Lo8CrNiMo. Tento prototyp srdcovky je vložen do výhybky č.6 tvaru J60-1:12-500 na betonových pražcích v žst. Modřice. Prototyp srdcovky byl převzat 5.8.1998 pracovníky TÚDC – S 13, OŽSS, se všemi doklady o přejímce (atesty, měrové listy, doklady o zkouškách, atd.). Výhybka byla vložena do koleje č.2 v žst. Modřice v září 1998. Provozní zatížení koleje č. 2 je zhruba 13 mil. hrtkm za rok. Při přejímce prototypu, zaměřili pracovníci TÚDC výchozí tvar srdcovky v 7 příčných 13
řezech digitálním profiloměrem. Měření opotřebení srdcovky během zkušebního provozu se uskutečnilo 20. 04. a 06. 10. 1999. a porovnávalo se s výchozím stavem zaměřeným při přejímce. Dále byl pracovníky TÚDC vizuálně sledován stav zkušební srdcovky ( klín srdcovky, křídlové kolejnice a současně měřena vodící vzdálenost L). Výsledky sledování zkušební srdcovky. -
Na klínu srdcovky a na křídlových kolejnicích nebyly shledány žádné závady.
-
Ze srovnávacích záznamů tvarů snímané plochy jednotlivých řezů je možné vysledovat malé výškové opotřebení hrotu klínu srdcovky v řezu č.2 a nepatrné v řezech č.3a4 a mírné projetí pravé křídlové kolejnice v řezech č.3a4 ( max.1mm). Ze srovnávacích záznamů jednotlivých měření opotřebení je patrný vzájemný výškový nebo podélný posun jednotlivých záznamů měření. Tento posun je způsoben nepoměrem mezi přesností vlastního záznamu tvaru snímané plochy a vůlí ve velikosti důlků pro uchycení elektronického profiloměru.
- Ze srovnávacích záznamů je patrné, že současný tvar klínu srdcovky má optimální tvar zaoblení opracovávaných ploch. -
Dále pracovníci ve své zprávě porovnávají toto měření s měřením srdcovek francouzské firmy Cogifer vyrobených z odlévané oceli s vysokým obsahem Mn, které jsou uloženy v žst. Hodonín. Konstatují, že navržená srdcovka výrobce DT výhybkárna a mostárna spol. s r.o. Prostějov má optimální řešení. Podrobnosti rozdílnosti řešení nejsou předmětem tohoto příspěvku.
-
TÚDC doporučuje zavést rozšířený ověřovací provoz srdcovek z materiálu Lo8CrNiMo.
Uvedené provozní hodnocení je ze zprávy ze dne 10.01.2000. Z dalších měření, která byla prováděna v červenci 2000, není bohužel zpracována závěrečná zpráva. V současné době je na této srdcovce najeto cca 27 mil. hrtkm. Při osobním jednání bylo konstatováno, že srdcovka má minimální opotřebení a nebyly zjištěny žádné nedostatky. V roce 2000 bylo v rámci rozšířeného ověřovacího provozu dodáno cca 25 srdcovek profilu UIC60 různých úhlů odbočení. Současně jsme řešili technologii oprav tohoto materiálu navařováním pro budoucí regenerace. Navržená technologie bylo ověřena na vzorcích, laboratorně vyhodnocena a předána ČD.
14
Vyjádření právnické osoby. Vypracované technické zprávy a laboratorní hodnocení byly podkladem pro žádost výrobce DT výhybkárna a mostárna spol. s r.o. Prostějov, o schválení materiálu Lo8CrNiMo pro srdcovky, do provozu ČD. Jako podklad ke schvalovacímu řízení bylo vyjádření právnické osoby, kterou je „ČD, státní organizace, Výzkumný ústav železniční, odštěpný závod“. Podklady pro vyjádření právnické osoby : 1.Zkouška : Zkouška kolejnic statickým ohybem dle S 3/5 Odporový svar kolejnic typu UIC 60, mater. Jakosti 900A + mater.Lo8CrNiMo Č. protokolu 30-00-L81 . ČD Výzkumný ústav železniční, Praha 2. Zkouška : Únava kolejnic při 4 – bodovém ohybu dle S 3/5 Odporový svar kolejnic typu UIC 60, mater. Jakosti 900A + Lo8CrNiMo Č. protokolu 31-00-L81. ČD Výzkumný ústav železniční , Praha 3. Zkouška : Tvrdost HRC dle ČSN ISO 6508 Základní materiál bainitické srdcovky Č. protokolu 32-00-L81. ČD Výzkumný ústav železniční, Praha 4. Zkouška : Metalografie Bainitická srdcovka z materiálu Lo8CrNiMo Č. protokolu 33-00-L81. ČD Výzkumný ústav železniční, Praha 5. Zpráva : Posouzení mechanických vlastností a lomové chování bainitické oceli Lo8CrNiMo, č. VZ 890/1037. Ústav fyziky materiálů AV ČR Brno, září 2000. 6. Zpráva : Stanovení lomové houževnatosti bainitické oceli Lo8CrNiMo při –20°C, č. VZ 891/1038, Ústav fyziky materiálů AV ČR Brno, listopad 2000. 7. Dodatek ke Zprávě č. VZ 891/1038 : Ústav fyziky materiálů AV ČR Brno, listopad 2000. 8. Technická zpráva : Laboratorní ověření a posouzení bainitické oceli Lo8CrNiMo v návaznosti na výsledky zkoušek lomového chování a mechanických vlastností, č. ASI 25/00, Univerzita Pardubice, DFJP, katedra dopravních prostředků, odd. materiálů, Česká Třebová, listopad 2000. 9. Diagram tepelného zpracování materiálu Lo8CrNiMo č. D 249, Třinecké železárny, a.s. Třinec, Divize 4 – slévárny, ze dne 7.7.1997. 10. Technické podmínky dodací č. TPD – 202 – 361 – 00 pro výrobu, přejímání a dodávání o odlitků železničních srdcovek z materiálu Lo8CrNiMo, návrh. 11. Protokol č. 36 – 00 – L81 o zkoušce statickým ohybem, ČD VÚŽ, Praha, prosinec 2000 12. Technická zpráva č. ASI 14/99/02 : Posouzení návarů bainitických kolejnic provedených 15
obalenou elektrodou a trubičkovou elektrodou. Univerzita Pardubice, DFJP, katedra dopravních prostředků, odd. materiálů, Česká Třebová, duben 2000. Pro účely tohoto příspěvku cituji nejdůležitější závěry vyjádření právnické osoby, které se týkají nestandardizované otázky nečistot a lomové houževnatosti materiálu Lo8CrNiMo : a) vzhledem k tomu, že žádná z identifikovaných nečistot nebyla prvotní příčinou lomu zkušebních tyčí, a rovněž nebyla ani sekundárním ohniskem pro změnu orientace magistrální trhliny probíhajícího lomu, lze připustit v odlitcích srdcovek z materiálu Lo8CrNiMo, tepelně zpracovaných na bainitickou strukturu, tyto typy a klasifikaci vměstků ( následuje popis a požadavek právnické osoby zapracovat klasifikaci nečistot a jejich sledování do Technických podmínek dodacích). b) Provedené, dokončené a vyhodnocené rozsáhlé zkoušky lomové houževnatosti, jakož i další materiálová šetření a prováděné tepelné zpracování odlitků, snižující na minimum zbytková ( reziduální) napětí, potvrdily již dříve uvedené velmi kvalitní vlastnosti tohoto materiálu; proto ze strany právnické osoby není výhrad k jeho hromadnému zavedení do železničního provozu. Závěr : Rozsáhlé laboratorní zkoušky a provozní ověřování prokázaly vysokou odolnost navrženého materiálu Lo8CrNiMo s bainitickou strukturou pro odlitky srdcovek, proti opotřebení a kontaktnímu namáhání. Tyto vlastnosti zaručují dlouhodobou stabilitu navržené trajektorie srdcovky, jak po stránce profilu, tak po stránce vzájemné výškové polohy křídlové kolejnice a hrotu.
V Prostějově, únor 2001
Lektoroval: Ing. Jan Kout, CSc. Výzkumný ústav železniční
16
Pavel Janoušek, František Karfík
Setrvačníkový brzdový stav ČD Klíčová slova: brzda kolejových vozidel, brzda kotoučová, brzda špalíková, obložení brzd, vlastnosti třecí, zkoušení. Vznik zkušebního stavu, historické souvislosti a vývoj V polovině 70. let se začaly v projektování osobních železničních vozů uplatňovat požadavky na zvyšování technických parametrů, kromě jiného také na jízdní rychlost. Se zvyšováním rychlosti se samozřejmě zvyšují i požadavky na brzdicí účinek a odpovídající brzdovou výstroj, zejména na její mechanickou část. Ukázalo se, že požadavkům na vysokorychlostní brzdy vyhovovují brzdy kotoučové. Vývoji kotoučových brzd byla věnována pozornost předních evropských výrobců železničních vozů a vyspělých železničních správ. V tehdejším Československu probíhaly od r. 1975 dlouhodobé provozní zkoušky vozu Bai vystrojeného pro vývojové účely podvozky s kotoučovou brzdou. Získané zkušenosti ukázaly, že zvolené brzdové kotouče a brzdové obložení - tehdy tuzemské výroby - prokazují dobré vlastnosti spolupracujícího třecího páru. Provozní zkoušky však také ukázaly, že některé vlastnosti, zejména součinitel tření brzdového obložení, je možné zjišťovat na zkušebním zařízení - brzdovém zkušebním setrvačníkovém stavu – a to rychleji, přesněji a s mnohem menšími náklady. Z tohoto důvodu bylo koncem r. 1978 v tehdejším Výzkumném ústavu kolejových vozidel (VÚKV) rozhodnuto o řešení úkolu, jehož cílem byl projekt a posléze konstrukce a realizace brzdového setrvačníkového zkušebního stavu. Realizace takového zkušebního stavu tzv. „na zelené louce“ by byla velmi finančně náročná a zřejmě by nebyla ani investičně proveditelná. Ve fázi projektu po konzultaci s odborníky Českého vysokého učení technického, katedry spalovacích motorů automobilů a kolejových vozidel, sledoval konstruktérský tým VÚKV možnost využití některého ze stávajících zařízení s rotující setrvačnou hmotou. ___________________________________________________________________________ Ing. Pavel Janoušek, nar. 1950, ČVUT Praha, fakulta strojní, obor manipulační stroje a dopravní zařízení 1973, ČD VÚŽ, vedoucí oblasti kolejových vozidel. Ing. František Karfík, nar. 1936, VŠDS Praha, fakulta strojní, obor konstrukce kolejových vozidel 1960, ČD VÚŽ, vedoucí oddělení brzd.
Existující zařízení – zejména v automobilovém průmyslu – však neměla požadované technické parametry odpovídající parametrům železničních brzd. Ve Výzkumném a zkušebním leteckém ústavu (VZLÚ) v Praze – Letňanech bylo však již od počátku 60. let v provozu unikátní zkušební zařízení pro zkoušky leteckých podvozků (tzv. padostroj). Jeho setrvačné hmoty, požadovaný výkon a moment jakož i otáčky soustrojí hnacího motoru se ukázaly jako využitelné pro železniční aplikaci. Navíc technické a stavební řešení padostroje umožňovalo vytvoření a konstrukční napojení nástavby, která by umožnila zkoušet železniční kotoučové brzdy. Po vzájemné dohodě VÚKV a VZLÚ proběhly ve VÚKV konstrukční práce a posléze výroba jednotlivých strojních částí této nástavby. Konstrukce nástavby pro zkoušení železničních brzd byla původně zaměřena na řešení zařízení pro zkoušky kotoučové brzdy. Postupem času se však začalo uvažovat také o možnosti provádění zkoušek špalíkové brzdy, tedy o možnosti instalace železničního kola jako zkušebního tělesa na zkušebním hřídeli. S tímto záměrem byl zkonstruován základní rám. Práce pokračovaly tak, že v listopadu 1979 byla nástavba pro železniční brzdy napojena na existující zkušební část padostroje a takto vzniklý zkušební setrvačníkový brzdový stav železničních brzd byl uveden do ověřovacího provozu.
P = 250 kW n = 1420 min-1
Elektromotor
Tyristorová regulace
I15 ... I11
Dálkově ovládaná vypínatelná spojka
Převodovka
Ovládací pult
I10L ... I1L
I0
Imin = 565 kgm2 Imax = 2976 kgm2
Nouzová brzda
I1R ... I10R
Skládaný setrvačník
Setrvačníkový brzdový stav ČD Výkyvný rám
Výměnný modul brzdy - špalíkový - kotoučový
Homologace stavu jako zkušebního zařízení ČD Projekt a konstrukce nástavby železniční brzdy respektovala požadavky tehdy platného vydání vyhlášky UIC 541-3 „Brzda – kotoučové brzdy a obložení“. V této vyhlášce jsou uvedeny nejen požadavky na vlastnosti brzdového obložení kotoučové brzdy pro účely jeho použití na vozech v mezinárodním provozu, ale v příloze 5 také požadavky na zařízení - zkušební stav, na němž mají být vlastnosti obložení pro mezinárodní připuštění ověřovány. Vyhláška zároveň uváděla seznam zkušebních stavů způsobilých pro takové zkoušky a to zcela jednoznačně stavů drážních, nikoliv zkušebních stavů průmyslu vyrábějícího brzdová obložení. Byly to v té době stavy DB, SNCF a FS. Tyto připuštěné stavy vzájemně ověřené porovnávacími zkouškami byly považovány za homologované a proces jejich ověřování byl označován jako mezinárodní homologace stavu. Tuzemský průmysl, vyrábějící a dodávající brzdové obložení pro vozy ČSD, projevil zájem o mezinárodní připuštění (homologaci) vyráběného obložení s cílem vyhovět potřebám ČSD při nasazování těchto vozů do mezinárodního provozu. Potřebné homologační zkoušky obložení však bylo nutno provést na některém tehdy homologovaném zkušebním stavu a to za dosti nákladných finančních podmínek (tehdy ve valutách). Na základě výsledků oponentního řízení úkolu zaměřeného na zavádění kotoučové brzdy v podmínkách ČSD, kterého ze účastnili odpovědní pracovníci Ministerstva dopravy, specialisté odborných útvarů ČSD a zástupci průmyslu kolejových vozidel a dodavatelů brzdových komponentů, bylo rozhodnuto o realizaci záměru homologovat brzdový setrvačníkový stav ve VZLÚ. Zcela logicky bylo rozhodnuto o zastřešující funkci ČSD jako provozovatele drážního stavu a o účasti odborníků oddělení brzd Výzkumného ústavu železničního (VÚŽ) na procesu homologace. Vznikl tak tvůrčí tým specialistů VZLÚ, VÚKV a VÚŽ, který zabezpečoval náročné úkoly spojené s přípravou a konečně s úspěšným provedením homologace zkušebního stavu, v roce 1986 byl zkušební stav homologován a prezentován ve vyhlášce UIC 541- 3 jako způsobilý zkušební setrvačníkový brzdový stav původně ČSD, nyní ČD. V současné době homologované zkušební stavy uvedené ve vyhlášce UIC 541-3 jsou v následující tabulce.
SEZNAM ZKUŠEBNÍCH BRZDOVÝCH STAVŮ UIC pro realizaci připouštěcích zkoušek (vyhláška UIC 541-3, 4. vydání z 1. 7. 1993, příloha 5, kap. 6.3) pozn. žel. správa místo dokumentace VÚŽ DB Minden FS Florencie RP 8 výboru znalců B 126 1 SNCF Vitry ) CFR Bukurešť ČD Praha ERRI B 126.3 2 PKP Poznaň ) 1
) Jde o brzdový zkušební stav označený MF1 pro rychlosti do 320 km/h. V r. 1998 byl chválen stav SNCF/MF3 pro rychlosti do 350 km/h (projekt ERRI B 126/RP26) 2 ) Brzdový stav v Poznani nebyl rekalibrován a bude nahrazen novým stavem ve Varšavě, který je v procesu schválení. Proces zajišťování homologace obsahoval nutné technické úpravy stavu v souvislosti se splněním všech požadavků vyhlášky UIC 541-3, jednání v odborné komisi ORE (nyní ERRI) a brzdové subkomisi UIC, vlastní technická řešení pro simulaci zkušebního programu, měření, vyhodnocení a organizační zajištění tohoto procesu. Základem byl úspěšný výsledek zkoušek s referenční třecí dvojicí kotouče a brzdového obložení a jejich porovnání s výsledky zkoušek provedených paralelně na zkušebním stavu DB v Mindenu. Také kontrola nastavení a kalibrace rozhodujících měřených veličin (rychlost, dráha, přítlačná síla, tečná síla) byla provedena pracovníky Zkušebního ústavu DB v Mindenu na zkušebním stavu ČSD během porovnávacích zkoušek. Od původního technického řešení v době prvního uvedení do provozu koncem 80. let prošel jak zkušební stav pro železniční brzdy, tak i základní zařízení padostroje řadou technických úprav a inovací. Ty byly vyvolány změnami požadavků vyhlášek, neustálým upřesňováním a zpřísňováním zkušebních podmínek a do značné míry i obecným technickým pokrokem v oblasti měření, vyhodnocení, regulace a řízení zkoušek. Změny se týkaly spojky pro přenos krouticího momentu ze setrvačníku na nástavbu železniční brzdy, zkrápěcího zařízení pro provádění zkoušek za mokra, projektu a výroby špalíkového modulu, změny původního řízení hnacího soustrojí systémem Ward-Leonard na tyristorovou regulaci, několikeré inovace ventilační soustavy a zcela zásadních inovací měřicího a vyhodnocovacího řetězce s přechodem na konečnou verzi s měřicím počítačem.
Současná vyhláška 541-3 bude v nejbližší době nahrazena novým vydáním, které už nebude obsahovat požadavky na zkušební stavy, ale odkáže v této věci na dokument ERRI B 126/ RP 18 „Požadavky na brzdové stavy pro mezinárodní připouštění třecích materiálů“. Tento materiál je velmi obsáhlý, podrobný a daleko důkladnější, než je znění původní vyhlášky. Svým obsahem i rozsahem se vymyká možnosti být uplatněn v časopiseckém článku informativního charakteru byť jen uvedením detailů. Je nutno brát v úvahu problém citací, protože text podléhá copyrightu ERRI.
Schéma modulu kotoučové brzdy
1 2 3 4 5
Rám Výkyvný rám Snímač přítlační síly Fb Snímač tečné síly Ft Páka
6 7 8 9 10
Závěska Závěs brzdové jednotky Brzdový válec Brzdový kotouč Brzdová čelist
1 2 3 4 5
Rám Výkyvný rám Snímač přítlačné síly Fb Snímač tečné síly Ft Páka
6 7 8 9
Závěska Závěs brzdového válce Brzdový válec Kotevník pro jednostranné brzdění
Schéma modulu špalíkové brzdy
V současné době disponuje zkušební stav následujícími vlastnostmi a technickými parametry: Maximální otáčky hnacího hřídele:
1420 1/ min
Maximální zkušební rychlost (vztaženo na průměr kola 890 mm):
238 km / h
Simulace zkušebních podmínek regulací brzdicí síly, otáček nebo brzdicího výkonu Maximální výkon:
250 kW
Maximální brzdicí moment:
45 kNm
Momenty setrvačnosti v rozmezí:
565 kgm2 až 2976 kgm2
Odpovídající hmoty vztažené na kotouč nebo kolo (vztaženo na průměr kola 890 mm) v rozmezí:
2853 kg až 15028 kg
Kotoučová brzda:
brzdový kotouč
640, 610, 590 mm
brzdové obložení
200, 175 cm2
průměr kola
max. 1000 mm
Špalíková brzda:
jednostranné brzdění, oboustranné brzdění jednoduché nebo dvoušpalíkové zdrže Tyristorová regulace pohonu stavu Ventilace regulovaná plynule v závislosti na rychlosti jízdy (otáčkách stroje) Simulace zkoušek za vlhka umělým zkrápěním vodou Možnost provádění zkoušek podle zkušebních programů vyhlášek UIC 541-3 (kotoučová brzda), UIC 541-4 (nekovový špalík), UIC 510-5 (homologace celistvého kola) a zkoušek podle specifických programů pro ověřování třecích vlastností, opotřebení, trvanlivosti a životnosti komponentů třecích brzd Přímá registrace hodnot s vyhodnocením a zobrazením pomocí počítače Měření a registrace sil, rychlosti, dráhy a teplot včetně vyhodnocení součinitele tření, jejich zpracování, vyhodnocení a zobrazení pomocí počítače
Schéma ovládání a měřicího řetězce regulace síly
regulace tlaku vzduchu
stlačený vzduch
regulace ventilace
ovládání pohonu
setrvačná hmota
pohon
vypínatelná spojka
ventilace
dráha, rychlost
Fb
Ft
teploty počítač
přítlačná síla tečná síla
V souvislosti s přechodem na evropský systém činnosti akreditovaných zkušebních laboratoří ve smyslu ČSN/EN 45 001 byl do něj zahrnut i setrvačníkový zkušební brzdový stav ČD včetně systému měření, vyhodnocení a převzetí zkoušek podle vyhlášek UIC 541-3 a 541-4 jako akreditovaných zkoušek, jež jsou součástí Příručky jakosti zkušební laboratoře. Kromě toho je v rámci UIC respektována iniciativa ERRI sledující zabezpečení kvality a shody výsledků zkoušek prováděných na různých zkušebních stavech zakotvená ve zprávě ERRI B 126/RP 18 „Požadavky na brzdové zkušební stavy pro mezinárodní připuštění třecích materiálů“. Podle této zprávy se předpokládá čtyřletá periodická kontrola připuštěných zkušebních stavů pravidelným prováděním porovnávacích zkoušek na základě stanoveného programu se shodnou (referenční) třecí dvojicí obložení a kotouče. První taková periodická kontrola proběhla v r. 1997/98 na zkušebním stavu ČD a současně na stavech CFR a FS. Výsledky uvedené v technickém dokumentu ERRI B 126/DT 359 spolu s kladným hodnocením a doporučením na prodloužení mezinárodního připuštění bylo potvrzeno brzdovou subkomisí UIC na 196. zasedání brzdové subkomise UIC v lednu 2000. V Praze, únor 2001
Lektoroval: Prof. Ing. Jaroslav Šíba, DrSc. ČVUT Praha
Ctirad Novotný, Vilém Bodlák
Ověření jízdní bezpečnosti a jízdních vlastností vozů ř. Zaes 30, Zas 30 s podvozky UIC 30 Klíčová slova:Jízdní bezpečnost a jízdní vlastnosti kotlových vozů ř. Zaes 30 (Zas 30). Vyhláška UIC 518 a UIC 432. Moment odporu podvozku proti natáčení. Ekvivalentní konicita. Charakteristiky pojezdu. Hodnocení geometrických parametrů koleje.
1.
CÍLE ŘEŠENÍ
Ověření jízdní bezpečnosti a jízdních vlastností kotlových vozů ř. Zaes/Zas/30 s podvozky UIC 30 z hlediska kriterií vyhlášky UIC 432 (ve znění platném do 6/98) a vyhlášky UIC 518 (vydání z 1.10.99) v závislosti na km proběhu. Poznámka: Dle vyhlášky UIC 518 jsou určovány: • při užití tzv. normálního postupu ∗ v případě jízdní bezpečnosti síly ΣY2m, poměr (Y/Q)2m, nestabilita formou směrodatné odchylky ΣY ∗ v případě jízdních vlastností příčné a svislé zrychlení skříně, směrodatné odchylky těchto zrychlení a kvazistatické hodnoty příčného zrychlení skříně • při užití tzv. zjednodušeného postupu ∗ v případě jízdní bezpečnosti síly Η, svislé zrychlení skříně, nestabilita ve formě směrodatné odchylky sil H (mimo nákladních vozů a speciálních vozidel s jednotlivými dvojkolími) a směrodatné odchylky příčného zrychlení skříně (u nákladních vozů a speciálních vozidel s jednotlivými dvojkolími)
_________________________________________________________________________________________
Ing. Ctirad Novotný, nar. 1937, absolvent VŠD r. 1960, Oddělení dynamiky kolejových vozidel VÚŽ. Ing. Vilém Bodlák, nar. 1972, absolvent DFJP Univerzity Pardubice r. 1995, Oddělení dynamiky kolejových vozidel VÚŽ.
∗ v případě jízdních vlastností příčné a svislé zrychlení skříně, směrodatné odchylky těchto zrychlení a kvazistatické hodnoty příčného zrychlení skříně Není-li měřena síla H, jsou možné následující varianty posuzování jízdní bezpečnosti: ∗ u podvozkových vozidel na základě určování příčného zrychlení rámu podvozku, příčného a svislého zrychlení skříně a nestability ve formě směrodatné odchylky příčného zrychlení rámu podvozku ∗ u vozidel s jednotlivými nápravami na základě určování svislého a příčného zrychlení skříně a nestability ve formě směrodatné odchylky příčného zrychlení skříně.
2.
TECHNICKO PŘEPRAVNÍ ÚDAJE VOZŮ ř. Zaes/Zas/30 Vozy ř. Zaes/Zas/30 byly vyráběny v Jugoslávii v letech 65-71. Dodavatel:
Fabrika vagona Kraljevo ”Goša” Smed. Palanka ”DURO Dakovič” Slavonski Brod.
V současné době jsou u ČD vozy následujících číselných intervalů: Řada vozu Konstrukční skupina Číselný interval Zas 30 7850 Zaes 30 7880 7881
Rok výroby 1965 až 1971 1966 až 1968 1968 až 1969
Zas 30
Čtyřnápravový kotlový vůz určený pro přepravu ropy a lehkých derivátů ropy Zátěžová tabulka A B1 B2 C S 38,0 t 41,0 t 49,0 t 120 00,0 t
Hmotnost prázdného vozu 23 200 kg
Ložný objem:............................................................61 m3 Průměr kotle/délka kotle: ......................... 2 800/10 280 m Druh kotle: ............................................................ocelový Podvozek: ............................................................. UIC 30
Dodatkový rastr ŽSR C PKP 90 57,0 t
Zaes 30
Čtyřnápravový kotlový vůz s topnicemi určený pro přepravu minerálních olejů a ropných derivátů Zátěžová tabulka A B1 B2 C S 38,0 t 40,0 t 46,0 t 120 00,0 t
Hmotnost prázdného vozu 26 000 kg
Ložný objem:............................................................60 m3 Průměr kotle/délka kotle: ......................... 2 800/10 280 m Druh kotle: ...................ocelový + parní vytápěcí zařízení Podvozek: ............................................................. UIC 30
Dodatkový rastr ŽSR C PKP 90 54,0 t
Podvozek UIC 30 Užitý podvozek UIC 30 má jako jediný z nákladních podvozků ČD dlouhé příčně pohyblivé hraníky závěsů pružnic - pomineme-li omezený počet prototypových podvozků ČSD typu 1-131-2 a jeho variant. Podvozek UIC 30 vyráběný v německé licenci v Polsku a dřívější Jugoslávii svým pojetím a provedením předchází podvozku DB 931, který je uveden ve vyhlášce UIC 432 (vydání z 1/2000) v bodě 3.6.2.
typ podvozku délka rámu [mm] šířka rámu [mm] rozvor [mm] průměr kol na styčné kružnici [mm] vůle ve vedení ložiskové skříně příčně (podélně) [mm] pružnice [mm] počet listů závěsy pružnic měrné sednutí vypružení [mm/kN] střední délka hraníku [mm] nejvyšší rychlost [km/h] v prázdném stavu v loženém stavu max. nápravová hmotnost [t]
UIC 30
UIC 30 3700 2120 2000
DB 931 3720 2100 2000
1-131-2 3536 2118 2000
1000
1000
1000
±14/±1,5
±20/±6
±20/±1,5
120x16x1200 8 dlouhé, příčně pohyblivé hraníky
120x16x1200 8 dlouhé, příčně pohyblivé hraníky
120x16x1200 8 dlouhé, příčně pohyblivé hraníky
0,16
0,16
0,16
314
314
120 100
120 100
120 100
20
20
20
DB 931
1 - 131 - 2
Podvozky se závěsy pružnic prostřednictvím dlouhých, příčně pohyblivých hraníků.
Přehled podvozků pro nákladní vozy ČD
Y 25, Vmax = 100/120 km/h
UIC 30, Vmax = 100/120 km/h
26 - 2.8, Vmax = 80/80 km/h 26 - 2.8 RP 50, Vmax = 90/100 km/h
3.
CHARAKTERISTIKY POJEZDU ZKOUŠENÝCH VOZŮ
U vozů
Zaes 30
31 54 788 0 967 – 8
6 týdnů proběhu
Zas 30
33 54 785 4 129 – 5
38 měsíců proběhu
Zaes 30
33 54 788 5 277 – 5
68 měsíců proběhu
byly zdokumentovány rozhodující charakteristiky pojezdu: -
rozdělení kolových sil
-
průměr kol, rozchod dvojkolí, rozkolí
-
příčné a podélné vůle ve vedení ložiskových skříní
-
rozměrové hodnoty jednotlivých částí závěsu vypružení
-
moment odporu podvozku proti natáčení
-
hodnoty ekvivalentní konicity v měřených úsecích
POROVNÁNÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT A POVOLENÝCH HODNOT dovolené rozmezí zjištěné rozmezí vůz posuzovaná veličina (rozdíl) (rozdíl) rozdělení - kolových hmotností 45,0 - 55,0 % 39,3 – 60,7 % na dvojkolí - hmotností na dvojkolí 98,0 - 102,0 % 98,3 – 101,7 % podvozku v % průměrné hmotnosti na dvojkolí 1360 ± 1 mm Zaes 30 nové dvojkolí 1360 +3-1 mm rozkolí 1359,7 ÷ 1361,2 mm 31 54 788 0 po opravě, V99/1 967–8 1360 ± 3 mm v provozu, V67 rozchod dvojkolí 1410 ÷ 1426 mm 1419,5 ÷ 1424,7 mm průměr kol 1000 ÷ 924 mm 947,5 ÷ 959,5 mm rozdíl průměrů 0,5 mm 0,5 ÷ 1,4 mm - na dvojkolí (2,0 mm v provozu) 5,8 mm - dvojkolí podvozku 5 mm ... V67 12,0 mm - mezi podvozky 10 mm
POROVNÁNÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT A POVOLENÝCH HODNOT dovolené rozmezí zjištěné rozmezí vůz posuzovaná veličina (rozdíl) (rozdíl) rozdělení - kolových hmotností 45,0 - 55,0 % 35,2 – 64,8 % na dvojkolí - hmotností na dvojkolí 98,0 - 102,0 % 99,1 – 100,9 % podvozku v % průměrné hmotnosti na dvojkolí 1360 ± 1 mm Zas 30 nové dvojkolí 1360 +3-1 mm rozkolí 1359,7 ÷ 1360,9 mm 33 54 785 4 po opravě, V99/1 129 – 5 1360 ± 3 mm v provozu, V67 rozchod dvojkolí 1410 ÷ 1426 mm 1422,2 ÷ 1423,9 mm průměr kol 1000 ÷ 924 mm 920,4 ÷ 926,1 mm rozdíl průměrů 0,5 mm 0 ÷ 0,3 mm - na dvojkolí (2,0 mm v provozu) 3,2 mm - dvojkolí podvozku 5 mm ... V67 5,7 mm - mezi podvozky 10 mm rozdělení 45,3 ÷ 54,7 % prázdný - kolových hmotností 45,0 - 55,0 % 44,7 ÷ 55,3 % ložený na dvojkolí - hmotností na dvojkolí 98,0 - 102,0 % 98,5 ÷ 101,5 % prázd. podvozku v % průměrné 96,8 ÷ 103,2 % ložený hmotnosti na dvojkolí 1360 ± 1 mm Zaes 30 nové dvojkolí 1360 +3-1 mm rozkolí 1360,2 ÷ 1362,5 mm 33 54 788 5 po opravě, V99/1 277 – 5 1360 ± 3 mm v provozu, V67 rozchod dvojkolí 1410 ÷ 1426 mm 1420,5 1421,6 mm průměr kol 1000 ÷ 924 mm 954,0 ÷ 955,0 mm rozdíl průměrů 0,5 mm 0 ÷ 0,5 mm - na dvojkolí (2,0 mm v provozu) 1,0 mm - dvojkolí podvozku 5 mm ... V67 1,0 mm - mezi podvozky 10 mm
ZJIŠTĚNÉ ROZMEZÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT PŘÍČNÝCH A PODÉLNÝCH VŮLÍ V POJEZDU vůz posuzovaná veličina dovolené rozmezí zjištěné rozmezí Zaes 30 vůle pojezdu 31 54 788 0 příčná ±14,0 ÷ ±17,5 mm ±15,6 ÷ ±16,7 mm 967–8 podélná ±0,5 ÷ ±4,0 mm ±2,5 ÷ ±4,0 mm Zas 30 vůle pojezdu 33 54 785 4 příčná ±14,0 ÷ ±17,5 mm ±15,2 ÷ ±15,9 mm 129 – 5 podélná ±0,5 ÷ ±4,0 mm ±2,1 ÷ ±3,3 mm Zaes 30 vůle pojezdu 33 54 788 5 příčná ±14,0 ÷ ±17,5 mm ±11,0 ÷ ±13,0 mm 277 – 5 podélná ±0,5 ÷ ±4,0 mm ±1,5 ÷ ±3,5 mm
veličina
d1
výkresová hodnota
35 [+0,5 ; 0] 52 [+1;0] a opr. [0;-2] 35 [0;-0,5] d2 opr. [0;-3] d3 35 [0;-0,5] 292 [+1;0] l opr. [+3;0] d4 25,0 25,0 d5 opr. [0;-1] *) viz obr. ”Jednotlivé části”
ROZMEZÍ NAMĚŘENÝCH HODNOT*): vůz Zaes 30 Zas 30 Zaes 30 31 54 788 0 967 - 8 33 54 785 4 129 - 5 33 54 788 5 277 - 5 35,6 ÷ 37,7 35,2 ÷ 37,8 35,5 ÷ 37,5 46,8 ÷ 52,6
49,2 ÷ 53,6
48,7 ÷ 53,9
33,9 ÷ 34,6
34,1 ÷ 34,7
34,0 ÷ 34,9
33,7 ÷ 34,7
33,7 ÷ 34,9
34,0 ÷ 34,9
288,0 ÷ 293,2
289,3 ÷ 296,0
284,9 ÷ 294,9
23,1 ÷ 25,8
21,7 ÷ 26,3
22,1 ÷ 26,0
22,7 ÷ 26,0
21,0 ÷ 25,1
21,9 ÷ 25,9
Podvozek UIC 30
Závěs vypružení
Jednotlivé části
MOMENT ODPORU PODVOZKU PROTI NATÁČENÍ VŮČI SKŘÍNI [kNm] vůz Zaes 30 31 54 788 0 967–8 Zas 30 33 54 785 4 129 – 5 Zaes 30 33 54 788 5 277 – 5
stav prázdný
ložený
3,28
12,4
3,50
20,6
5,38
26,14
Vypočtené hodnoty ekvivalentní konicity jsou uvedeny v následujících tabulkách:
HODNOTY EKVIVALENTNÍ KONICITY VOZU Zaes 30 31 54 788 0 967 - 8 Dvojkolí
Dobříkov kolej č. 1 průměrovaná
1. 2. 3. 4.
0,134 0,119 0,234 0,207
ŽZO Cerhenice ŽZO Cerhenice ŽZO Cerhenice km 0,5 km 0,5 km 7,6 rozchod: 1429 mm rozchod: 1432 mm rozchod: 1435 mm
0,284 0,501 0,515 0,763
0,234 0,298 0,378 0,386
0,134 0,081 0,124 0,091
HODNOTY EKVIVALENTNÍ KONICITY VOZU Zas 30 33 54 785 4 129 - 5 Dvojkolí
Dobříkov kolej č. 1 průměrovaná
1. 2. 3. 4.
0,175 0,147 0,156 0,136
ŽZO Cerhenice ŽZO Cerhenice ŽZO Cerhenice km 0,5 km 0,5 km 7,6 rozchod: 1429 mm rozchod: 1432 mm rozchod: 1435 mm
0,717 0,609 0,566 0,492
0,430 0,337 0,375 0,308
0,132 0,069 0,125 0,080
HODNOTY EKVIVALENTNÍ KONICITY VOZU Zaes 30 33 54 788 5 277 – 5 Dvojkolí
Sedlišťka kolej č. 2 průměrovaná
Sruby kolej č. 2 průměrovaná
1. 2. 3. 4.
0,131 0,205 0,129 0,127
0,111 0,129 0,144 0,114
VŽO Cerhenice VŽO Cerhenice VŽO Cerhenice přední přímá přední přímá zadní přímá 1429 mm 1432 mm 1435 mm
0,345 0,517 0,524 0,383
0,310 0,305 0,337 0,281
0,088 0,126 0,103 0,077
Odlišnosti zkoušených vozů z hlediska pojezdu:
vůz Zaes 30 31 54 788 0 967–8 Zas 30 33 54 785 4 129 - 5 Zaes 30 33 54 788 5 277 - 5
rozdíl v době proběhu po opravě
rozdíl ve vlastní hmotnosti
rozdíl ve velikosti podložek pod opasky pružnic v návaznosti na průměry kol
6 týdnů
25 635 kg
25 mm
38 měsíců
21 810 kg
35 mm
68 měsíců
25 470 kg
25 mm
Zjištěná rozmezí posuzovaných hodnot hmotností u dvou vozů ukazují překročení dovolených rozdílů hmotností na kola téhož dvojkolí, takže namísto dovolených rozdílů ve velikosti 10 % nápravové hmotnosti činí zjištěné rozdíly až 21,4 % a 17,4 % u dvojkolí téhož podvozku vozu Zaes 30 … 788 0 567 – 8, až 29,6 % a 26,8 % u podvozku vozu Zas 30 … 785 4 129 – 5. U vozu Zaes 30 … 788 5 277 – 5 činil zjištěný nejvyšší rozdíl 9,4 %, čili rozdíl dovolených 10 % nebyl překročen. V případě rozdělení hmotností na dvojkolí podvozku, v % průměrné hmotnosti na dvojkolí podvozku, nebyl dovolený rozdíl 4 % překročen, protože nejvyšší zjištěné hodnoty činily 3,4 … 1,8 … 3,0 %. Hodnoty rozkolí se nacházely v dovoleném rozmezí hodnot po opravě. Hodnoty rozchodu dvojkolí byly v dovoleném rozmezí. Hodnoty dovolených rozdílů průměru kol byly překročeny u vozu Zaes 30 … 788 0967 – 8 hodnotami rozdílu průměru kol na dvojkolí podvozku
5,8 mm
(V 67 dov. 5 mm)
na dvojkolí mezi podvozky
12,0 mm
(V 67 dov. 10 mm)
Zjištěné příčné a podélné vůle ve vedení dvojkolí nepřekročily dovolené rozmezí. U vozu Zas 30 … 785 4 129 – 5 byly užity pod opasky pružnic podložky tloušťky 35 mm, což mělo za následek snížení vůle mezi spodní částí ložiskové skříně a rozsochovou sponou u vozu v prázdném stavu. Byly viditelné stopy po vzájemném styku těchto částí a dále byly viditelné stopy styku mezi pružnicemi a narážkami v loženém stavu vozu. U vozů Zaes 30 … 788 0 967 – 8 a 788 5 277 – 5 byly užity pod opasky pružnic podložky tloušťky 25 mm, takže nedošlo ke vzájemnému styku spodních částí ložiskových skříní a rozsochových spon u těchto vozů v prázdném stavu. Ve vztahu k úrovni mazání toren možno říci, že -
u vozu Zaes 30 … 788 0 967 – 8 bylo zjištěno plošně rozprostřené mazivo
-
u vozu Zas 30 … 785 4 129 – 5 byl zjištěn sporadický výskyt maziva
-
u vozu Zaes 30 … 788 5 277 – 5 byl zjištěn sporadický výskyt zaschlého maziva.
V případě ocenění dosažených velikostí momentu odporu proti natočení podvozků proti skříni dle velikosti dosažené hodnoty X – faktoru, pro který platí
X =
M + 2a .2Qo
X ≤ 0,1
M = moment odporu [kN] 2a+ = 2 [m] 2QO = průměrná nápravová síla [kN]
možno uvést tyto nejvyšší dosažené hodnoty X – faktoru.
vůz Zaes 30 … 788 0 967 – 8 Zas 30 … 785 4 129 – 5 Zaes 30 … 788 5 277 – 5
stav prázdný 0,026 0,033 0,043
ložený 0,032 0,052 0,066
Kriterium X ≤ 0,1 bylo splněno. Kriterium ekvivalentní konicity (v přímé a v obloucích R ≥ 2500 m) ≤ 0,5 pro Vmax ≤ 140 km/h bylo splněno vyjma místa rozchodu koleje 1 429 mm na zvláštním úseku trati VŽZO, kde došlo k překročení hodnoty 0,5 u všech vozů. S ohledem na vzniklou souhru zjištěných nepříznivých skutečností u vozu Zas … 33 54 785 4 129 – 5 -
rozdíl kolových hmotností dvou dvojkolí (téhož podvozku) 29,6 a 26,8 %
-
viditelné stopy po vzájemném styku spodní části ložiskové skříně a rozsochové spony u vozu v prázdném stavu v důsledku užití podložek tloušťky 35 mm pod opasky pružnic – s možným následkem snížení kolové hmotnosti či zdvihu kola (poznámka” tento jev je pozorovatelný i u kotlových vozů PKP v prázdném stavu s podvozky téhož typu a podložkami tloušťky 35 mm pod opasky pružnic)
-
viditelné stopy po vzájemném styku mezi pružnicemi a narážkami v loženém stavu vozu
-
poškození horní části spodního dílu torny obou podvozků, ohnutí nicohlavů
byl vůz ihned po zkouškách odeslán provozovateli k odstranění závad. Hodnoty rozdílů kolových hmotností téhož dvojkolí pak nepřekročily 5,88 %. Dosazením dvojkolí větších průměrů na styčné kružnici 950,0 ÷ 950,1 a 947,0 ÷ 947,3 bylo možno užít podložky pod opasky pružnic o tloušťce 25 mm a vyloučit tak dotyk spodní části ložiskových skříní a rozsochových spon. Spodní díly toren a ohnuté nicohlavy byly vyměněny.
Kotlový vůz ř. Zas 30 … 33 54 785 4 129 – 5 určený pro přepravu ropy a lehkých topných derivátů z ropy
Podvozek UIC 30 se závěsy pružnic prostřednictvím dlouhých, příčně pohyblivých hraníků
Snímač síly H na podvozku UIC 30 vozu Zaes 30
31 54 788 0 967 - 0
Ulomená část spodního dílu torny vozu Zas 30 33 54 788 4 129 - 5
4.
HODNOCENÍ GPK ZKUŠEBNÍCH ÚSEKŮ Kvalita zkušebních úseků byla ověřena měřením geometrické polohy koleje. Měření
provedla firma KŽV s.r.o Praha měřicím zařízením KRAB. V roce 1998 v rámci zkoušek vozů Zaes 30 31 54 788 0 967 – 8 Zas 30 33 54 785 4 129 – 5 bylo provedeno hodnocení GPK zkušebních úseků -
dle ČSN 736360 na základě lokálních závad
-
dle metodiky SMV (popsané ve služební rukojeti SR 103) na základě úsekového hodnocení. Podrobné hodnocení je uvedeno v průběžné zprávě o řešení projektu za rok 1998,
v které uvádíme přehled závad kvality koleje v měřených úsecích. Trať
Kolej
Celková známka kvality
oblouk R 300 m, km 6,0-6,4 2,33 – 2,56 MŽZO oblouk R 450 m, km 4,3-5,0 2,0 – 2,55 oblouk R 800 m, km 1,77-2,17 2,08 – 2,57 oblouk R 1400 m, km 4,0-6,0 1,71 – 2,17 VŽZO přímá km 6,9-8,4 1,39 – 1,92 přímá km 0,1-1,4 1,34 – 2,39 Choceň přímá km 274,3-275,3 1,43 – 2,35 Zámrsk přímá km 275,3-276,3 1,47 – 1,95 Zámrsk přímá km 276,3-277,3 1,61 – 2,35 Uhersko přímá km 281,0-282,0 1,66 – 2,21 Hodnocení provedeno dle metodiky ČÍSEL KVALITY CK.
Mezní hodnota celkové známky kvality RP3 90-120 km/h 3,6 RP4 120-160 km/h 2,5
V roce 1999 (v rámci zkoušek vozu Zaes 30 33 54 788 5 277 – 5) bylo: -
vyhodnocení stavu geometrie dle ČSN 736360 provedeno pomocí programu KRAB 6.12 Win. Výsledky jsou uvedeny v tabulkách lokálních závad a tabulkách úsekového hodnocení.
-
vyhodnocení stavu geometrie dle UIC 518 provedeno pomocí programu KRAB 52 DOS, kde z každého úseku byl vytvořen textový soubor, který obsahuje tabulku minimálních, středních, maximálních hodnot a směrodatných odchylek geometrických veličin. Výsledky jsou uvedeny v tabulkách. Veličiny GPK byly počítány v pásmu 3-25m s filtrací Butterwordovým filtrem, jak
požaduje vyhláška UIC 518.
Podrobné hodnocení je uvedeno v průběžné zprávě o řešení projektu za rok 1999, z které uvádíme přehled celkové známky kvality koleje v měřených úsecích. Trať
Celková známka kvality
Kolej
oblouk R 300 m, km 6,0-6,4 0,24-0,65 oblouk R 450 m, km 4,3-5,0 0,34-0,94 oblouk R 800 m, km 1,9-2,4 0,91-1,45 oblouk R 1400 m, km 4,0-6,0 0,97-1,31 VŽZO přímá km 6,9-8,4 0,75-1,16 přímá km 0,1-1,4 0,74-1,77 Choceň přímá km 274,3-275,3 0,05-0,32 Zámrsk přímá km 275,3-276,3 0,01-0,33 Zámrsk přímá km 276,3-277,3 0,01-0,30 Uhersko přímá km 281,0-282,0 1,00-1,80 Hodnocení provedeno dle metodiky ZNÁMEK KVALITY CZK. MŽZO
Mezní hodnota celkové známky kvality RP3 90-120 km/h 2,4 RP4 120-160 km/h 2,4
5.
DOSAŽENÉ VÝSLEDKY ŘEŠENÍ V RÁMCI IV. ETAPY
5.1
Zkušební traťové úseky Zkušební jízdy byly uskutečněny na výše uvedených úsecích:
Trať VŽZO
Kolej přímá
Převýšení Rozchod Úklon Km poloha [mm] [mm] kolejnic vyhodnocov. úseku 0
přímá 0 oblouk 150,8 MŽZO R 300 m oblouk 140,3 R 450 m MŽZO oblouk 17 (1998) 4.kolej R 800 m 52 (1999) VŽZO oblouk 151,3 R 1400 m 0 Choceňpřímá 0 Uhersko
Pražce
Kolejnice R 65 bezstykové
1 435
1:20
6,9 – 8,4
betonové
1 431
1:40
0,1 – 1,4
dřevěné
1 435
1:20
6,0 – 6,4
1435
1:20
4,3 – 5,0
1 435
1:20
1,9 – 2,4
1 435
1:20
4,0 – 6,0
S 49 bezstykové S 49 betonové bezstykové T betonové stykované R 65 betonové bezstykové
1435 1435
1:40 1:40
* tvar hlav kolejnic zbroušen dle DB lots 136 ze 7/89
dřevěné
274,3 – 275,3 275,3 – 276,3 betonové UIC 60* 276,3 – 277,3 bezstykové 281,0 – 282,0
5.2
Měřené veličiny Byly měřeny následující veličiny: označení -
síly H na 1. a 4. dvojkolí .................................................... H1, H4
-
zrychlení v úrovni podlahy vozové skříně nad předním podvozkem svisle, příčně ........................ Gz1, Gy1 nad zadním podvozkem svisle, příčně.......................... Gz2, Gy2
5.3
Kriteria vyhodnocovaných veličin (dle návrhu vyhlášky UIC 518 – 2. vydání z 1.10.99 – body 6.2.3, 10.12.1) bod 6.2.3 kontaktní geometrie kolo / kolejnice: Jsou stanoveny podmínky pro hodnoty ekvivalentní konicity dvojkolí vozidel, která
mají býti podrobena zkouškám chodových vlastností. Pro vozy s maximální rychlostí jízdy 140 km/h nemá ekvivalentní konicita překročit hodnotu 0,5. V přímé a v obloucích s R ≥ 2500 m při zjištění vyšší hodnoty ekvivalentní konicity, než je stanovená nejvyšší hodnota (0,5 pro V ≤ 140 km/h), lze v případě místní nestability chodu vozidla vyloučit odpovídající kolejový úsek z posuzování. bod 10.1.2.1 bezpečnost: hodnoty statistických parametrů F1 = 0,15 % a F2 = 99,85 % rámové síly H H lim( 2 m ) = β (10 + P0 / 3 )
P0 = statická nápravová síla v kN β = 0,75 … pro prázdné nákladní vozy β = 0,8 … pro ložené nákladní vozy
hodnoty statistických parametrů F1 = 0,15 % a F2 = 99,85 % svislého zrychlení (0,4 – 4 Hz) ve skříni v úrovni podlahy nad otočnými čepy
Z lim * = 5m / s 2
jízdní vlastnosti: ”ms” hodnota příčného a svislého zrychlení (0,4 – 10 Hz) ve skříni v úrovni podlahy nad otočnými čepy
sy lim * = 1,3m / s 2
y … příčný směr
szlim * = 2m / s 2
z … svislý směr
hodnoty statistických parametrů F1 = 0,15 % a F2 = 99,85 % příčného a svislého zrychlení (0,4 – 10 Hz) ve skříni v úrovni podlahy nad otočnými čepy
y lim * = 3m / s 2
y … příčný směr
zlim * = 5m / s 2
z … svislý směr
hodnota statistického parametru F0 = 50 % příčného zrychlení (DP 20 Hz) ve skříni v úrovni podlahy nad otočnými čepy
y lim * = 1,3m / s 2
y … příčný směr
Do června 1998 byla pro nákladní vozy užívána kritéria dle vyhlášky UIC 432 (bod 3.3). Platily tyto vztahy pro limitní hodnoty: rámová síla Hmax( 2m ) ≤ 0,85(10 + P0 / 3) E(H) + σ(H) ≤ 0,5(10 + P0 / 3)
směrodatná odchylka zrychlení ve skříni
σ P ≤ 1,3m / s 2 .
Distribuční funkce a odečtené statistické hodnoty 5.4
Rozsah dosažených výsledků dle kritérijní vyhlášky UIC 518 (2. vydání z 1.10.1999) a vyhlášky UIC 432 (ve znění platném do 6/98) jízdní bezpečnost A ..... kriterium dle vyhlášky UIC 518 (2. vydání z 1.10.99) … bod 10.1.2.1 B….. kriterium dle vyhlášky UIC 432 (ve znění platném do 6/98) … bod 3.3
I .....................Zaes 30 31 54 788 0 967 – 8 II....................Zas 30
33 54 785 4 129 – 5
III ..................Zaes 30 33 54 788 5 277 – 5
Limitní hodnoty [kN] – prázdný stav Hlim(2m) 1.dvojkolí A 4.dvojkolí =0,75(10+P0/3 ) Hmax(2m) 1.dvojkolí B 4.dvojkolí =0,85(10+P0/3 ) E(h)+s(H) 1.dvojkolí =0,5(10+P0/3) 4.dvojkolí
I. 23,02 23,17
II. 21,29 20,57
III. 23,17 23,37
26,09 26,25
24,13 23,31
26,26 25,35
15,35 15,49
14,20 13,71
15,45 14,91
Limitní hodnoty [kN] – ložený stav Hlim(2m) 1.dvojkolí A =0,8(10+P0/3) 4.dvojkolí Hmax(2m) 1.dvojkolí B =0,85(10+P0/3) 4.dvojkolí E(h)+s(H) 1.dvojkolí =0,5(10+P0/3) 4.dvojkolí
I. 57,14 56,07 64,76 63,54 38,10 37,38
II. 57,39 65,04 65,04 63,85 38,27 37,56
III. 61,77 61,41 65,63 65,25 38,60 38,38
Limitní hodnoty nebyly v žádném případě překročeny, jak plyne z dále uvedeného přehledu dosažených nejvyšších hodnot.
prázdný stav A
B
ložený stav A
B
Dosažené nejvyšší hodnoty [kN] – R m / p mm / V km/h určovaná I. II. veličina H1(2m) 17,4 H4(2m) 21,4 H1max(2m) 18,2 H4max(2m) 23,14 E(H1)+ s(H1) 10,3 E(H4)+ s(H4) 7,55
300/150/86 800/17/110 300/150/86 800/17/110 800/17/110 300/150/86
11,77 18,10 12,94 19,63 5,26 8,58
450/140/105 450/140/105 450/140/105 450/140/105 450/140/105 450/140/105
10,56 20,56 10,93 22,56 5,13 8,75
Dosažené nejvyšší hodnoty [kN] – R m / p mm / V km/h určovaná I. II. veličina H1(2m) H4(2m) H1max(2m) H4max(2m) E(H1)+ s(H1) E(H4)+ s(H4)
32,5 37,79 32,87 38,25 25,52 21,91
800/17/110 800/17/110 800/17/110 800/17/110 800/17/110 800/17/110
38,07 39,56 38,90 41,11 22,12 30,41
450/140/105 450/140/105 450/140/105 450/140/105 450/140/105 450/140/105
22,49 28,72 22,86 31,34 14,54 19,92
III. 300/150/86 800/52/115 300/150/86 800/52/115 800/52/115 300/150/86
III. 450/140/100 450/140/100 450/140/100 450/140/100 450/140/100 450/140/100
Statistické parametry F1=0,15 % a F2 = 99,85 % svislého zrychlení ve skříni [m/s2] (0,4 – 4 Hz) … R m / p mm / V km/h kritérium zlim* = 5 m/s2 nejvyšší dosažené hodnoty I. II. III. 2 [m/s ] 1,57 1,69 2,73 prázdný stav přímá Choceň - Uhersko přímá Choceň - Uhersko přímá Choceň - Uhersko 120 km/h 120 km/h 120 km/h 1,55 1,96 1,86 ložený stav 300/150/86 300/150/86 přímá Choceň - Uhersko 120 km/h Nejvyšší dovolené hodnoty statistických parametrů F1=0,15 % a F2 = 99,85 % svislého zrychlení skříně (0,4 – 4 Hz) splnily zlim* = 5 m/s2. jízdní vlastnosti ”rms” hodnoty příčného a svislého zrychlení skříně (0,4 – 10 Hz) - [m/s2] sy lim * = 1,3m / s 2 kritérium … R m / p mm / V km/h (úklon, rozchod, Vkm/h) 2 y … příčný směr sz lim * = 2m / s z … svislý směr nejvyšší dosaI. II. III. žené hodnoty [m/s2] prázdný stav 0,51 0,52 0,53 svislý směr přímá Choceň - Uhersko přímá Choceň - Uhersko přímá Choceň - Uhersko 120 km/h 120 km/h 120 km/h 1,08 0,77 0,93 příčný směr 800/17/110 450/140/105 přímá ŽZO 1:40/1431/120 ložený stav 0,51 0,57 0,52 svislý směr 300/150/86 300/150/86 450/142/100 0,51 0,43 1,15 příčný směr 800/17/110 300/150/86 přímá ŽZO 450/140/105 1:20/1435/100 Kritérium pro ”rms” hodnoty ve svislém a příčném směru bylo splněno.
Vzhledem k tomu, že nejvyšší hodnoty ”rms” příčného a svislého zrychlení (0,4 – 10 Hz) se nacházely pod hodnotou 1,3 m/s2, byla splněna i podmínka vyhlášky UIC 432 (bod 3.3) platná do 6/98.
Statistické parametry F1=0,15 % a F2 = 99,85 % příč. a svislého zrychlení skříně (0,4 – 10 Hz)
… [m/s2] … R m / p mm / V km/h (úklon, rozchod, Vkm/h) kriterium ylim* = 3,0 m/s2 zlim* = 5,0 m/s2 nejvyšší dosažené hodnoty [m/s2]
svislý směr příčný směr
svislý směr příčný směr
I.
II.
III.
prázdný stav 2,33 2,31 3,31 přímá Choceň - Uhersko přímá Choceň - Uhersko přímá Choceň - Uhersko 120 km/h 120 km/h 3,62 ... 800/17/100 2,53 3,29 3,07 ... přímá 450/140/105 přímá ŽZO Choceň - Uhersko 120 1:40/1431/120 ložený stav 2,00 2,6 2,12 300/150/86 300/150/86 přímá Choceň - Uhersko 100 2,08 1,39 3,29; 3,49 800/17/110 450/140/105 přímá ŽZO 1:20/1435/100
Nejvyšší dosažené hodnoty statistických parametrů F1=0,15% a F2 = 99,85% -
svislého zrychlení skříně (0,4 – 10 Hz) splnily kritérium zlim* = 5 m/s2
-
příčného zrychlení skříní (0,4 – 10 Hz) nesplnily kritérium ylim* = 3 m/s2
V případě hodnot příčného zrychlení se jedná o překročení limitní hodnoty -
v přímé u vozu Zaes 30 (po 6 týdnech provozu) ve stavu prázdném a u vozu Zaes 30 (po 68 týdnech provozu) ve stavu prázdném a loženém.
-
v oblouku došlo k překročení ve stykovaném oblouku R = 800 m, p = 17 mm při V = 100 km/h u vozu Zaes 30 (po 6 týdnech provozu) ve stavu prázdném. Na základě výsledků zkoušek byla v tomto oblouku provedena úprava směru a podbití styků. Toto překročení není v oblouku typické.
Z hlediska dosažených hodnot statistického parametru F0 = 50 % příčného zrychlení (DP 20 Hz) bylo u vozu Zaes 30 (po 68 týdnech provozu) překontrolováno splnění kriteria
ylim* = 1,3 m/s2. Tato hodnota nebyla překročena jak pro vůz v prázdném, tak i v loženém stavu, protože nejvyšší dosažené hodnoty činily 1,1 m/s2 (v oblouku o R = 300 m, p = 150,8 mm, V = 86 km/h). Požadované nejvyšší hodnoty zkušebního nedostatku převýšení činí 1,1 Üfzul ± 0,05 Üfzul, tj. v případě nákladních vozů kdy (Üfzul = 130 mm) nabývají velikosti
1,1.130 ± 0,05.130 = 136,5 ÷ 149,5mm . Hodnoty nedostatku převýšené ”np” a příčného zrychlení ”aq” realizované při zkouškách v měřených obloucích:
vůz I., II.
III. I., II. III.
6.
Rm 300 450 800 300 450 800 300 450 800 300 450 800
p mn 150,8 140,3 17 150,8 140,3 52 150,8 140,3 17 150,8 140,3 52
V km/h 86 105 100 110 86 103 115 86 105 100 86 100 100
np mm 140,2 148,9 130,5 161,5 140,2 138,0 143,1 140,2 148,9 130,5 140,2 122,0 95,5
a qm/s2 0,91 0,97 0,85 1,05 0,91 0,90 0,93 0,91 0,97 0,85 0,91 0,79 0,62
stav
prázdný
ložený
ZÁVĚR Zkoušené vozy ř. Zaes 30 (po 6 týdnech provozu), ř. Zas 30 (po 38 měsících provozu)
a Zaes 30 (po 68 týdnech provozu) vyhověly kritériím podle vyhlášky UIC 432 (bod 3.3) ve znění platném do 6/98, a to až do rychlosti 120 km/h ve stavu prázdném a do rychlosti 100 km/h ve stavu loženém. Nejvyšší dosažené hodnoty nedostatku převýšení np (nevyrovnaného příčného zrychle-ní aq) činily 143,1 ÷ 148,9 mm (0,93 ÷ 0,97 m/s2) u vozu prázdného a 140,2 ÷ 148,9 mm (0,91 ÷ 0,97 m/s2) u vozu loženého.
Kriteria vyhlášky UIC 518 (bod 10.1.2) byla • v části ”jízdní bezpečnost” splněna pro oba stavy vozů • v části ”jízdní vlastnosti” hodnotami statistických parametrů F1=0,15 % a F2 = 99,85 % příčného zrychlení (0,4 – 10 Hz) nepodstatně překročeno u vozu ř. Zaes 30 (po 6. týdnech provozu) ve skříni nad otočnými čepy při jízdách v přímé při rychlosti 120 km/h v prázdném stavu, překročeno u vozu ř. Zaes 30 (po 68 měsících provozu) ve skříni nad otočnými čepy v obou stavech vozu a to při jízdách v přímé při rychlosti 120 km/h v prázdném stavu a při rychlosti 100 km/h v loženém stavu. Z rozboru charakteristik pojezdu zkoušených vozů Zaes 30 a Zas 30 plyne doporučení •
alespoň v polovině časového proběhu provést -
překontrolování, případně seřízení rozdělení hmotností na kola
-
zajistit překontrolování stavu toren (včetně možné následné opravy), domazání toren za účelem zajištění nižší úrovně momentu odporu proti natočení podvozku vůči skříni
•
zvážit další užívání podložek pod opasky pružnic tloušťky 35 mm, protože jsou zjišťovány stopy po vzájemném styku spodní části ložiskové skříně a rozsochové spony u vozu v prázdném stavu.
7. LITERATURA 1.
Vyhláška UIC 432 (Nákladní vozy, rychlosti jízdy, požadované technické podmínky) ve znění platném do 6/98.
2.
Vyhláška UIC 432 ve znění platném od 7/98.
3.
Návrh vyhlášky UIC 518 (Jízdně - technické zkoušky a připuštění železničních vozidel jízdní bezpečnost, namáhání jízdní dráhy a jízdní vlastnosti) – 2. vydání z 1.10.1999.
4.
ČSN 73 6360-2 ”Konstrukční a geometrické uspořádání koleje železničních drah a její prostorová poloha”, část. 2 : ”Stavba a přejímka, provoz a údržba”.
5.
Komentář k ČSN 73 6360
6.
Breimeier: Trennung von Fahrweg und Betrieb mit Wettbewerb auf dem Netz, Schweizer Eisenbahn Revue 11/2000.
7.
Izer, Zelenka: Charakteristiky kontaktní geometrie. Scientific Papers of the University of Pardubice, Series B, 2/1996.
8.
Hanneforth W.: Laufwerke. Transpress Bucher 1986.
9.
Führer G.: Gleiskonstruktionen. Transpress Berlin 1987.
10. Podkladové materiály pracovní skupiny WG10 ”Vzájemné působení vozidlo/trať” technická komise CEN/TC 256 ”Železniční aplikace”. 11. Izer: ”Vozidlo a kolej” Vědeckotechnický sborník ČD 7/99 12. Nečas – Bartoš: ”Provozování nákladních vozů ČD, včetně soukromých, od 01.01.2001”, č.j. 61.136/99 – 012/3 13. ČD KN 25 (RIV) 2000 ”Úmluva o vzájemném používání nákladních vozů” ve znění z 1.7.2000.
8.
SEZNAM OZNAČENÍ
Označení:
Význam označení:
Rozměr:
Trať: aq ...................nevyrovnané příčné zrychlení......................................................................[ms-2] np (üf zul)........nedostatek převýšení (nedostatek převýšení přípustný) .............................. [mm] p.....................převýšení...................................................................................................... [mm] R ....................poloměr oblouku............................................................................................. [m] Vozidlo: V ....................rychlost .....................................................................................................[kmh-1] Vmax ...............maximální rychlost ...................................................................................[kmh-1]
Veličiny všeobecné: Gy1 ................příčné zrychlení nad předním (nabíhajícím) podvozkem ............................[ms-2] Gy2 ................příčné zrychlení nad zadním (vlečeným) podvozkem.................................[ms-2] Gz1 .................svislé zrychlení nad předním (nabíhajícím) podvozkem.............................[ms-2] Gz2 .................svislé zrychlení nad zadním (vlečeným) podvozkem..................................[ms-2] H....................rámová síla.....................................................................................................[kN] H1 ..................rámová síla 1. dvojkolí ..................................................................................[kN] H4 ..................rámová síla 4. dvojkolí ..................................................................................[kN] H1max..............maximální hodnota rámové síly 1. dvojkolí ..................................................[kN] H4max..............maximální hodnota rámové síly 4. dvojkolí ..................................................[kN] Veličiny podle UIC 432 (ve znění platném do 6/98): E(H) ..............střední hodnota rámové síly...........................................................................[kN] E(H1) .............střední hodnota rámové síly 1. dvojkolí ........................................................[kN] E(H4) .............střední hodnota rámové síly 4. dvojkolí ........................................................[kN] Hlim(2m) ...........limitní hodnota rámové síly na dráze 2 metry ...............................................[kN] Hmax(2m)..........maximální hodnota rámové síly na dráze 2 metry.........................................[kN] P0 ...................statická nápravová síla...................................................................................[kN] s|H| ................směrodatná odchylka rámové síly .................................................................[kN] s|H1| ...............směrodatná odchylka rámové síly 1. dvojkolí ...............................................[kN] s|H4| ...............směrodatná odchylka rámové síly 4. dvojkolí ...............................................[kN] sp ....................směrodatná odchylka zrychlení ve vozové skříni........................................[ms-2] Veličiny podle UIC 518: F0 = 50 % ....hraniční hodnota, pod a nad kterou se měřená veličina vyskytuje s pravděpodobností 50 %................................................................................ [ - ] F1 = 0,15 % ...hraniční hodnota, pod kterou se měřená veličina vyskytuje s pravděpodobností 0,15 %............................................................................. [ - ]
F2 = 99,85 % .hraniční hodnota, nad kterou se měřená veličina vyskytuje s pravděpodobností 0,15 %............................................................................. [ - ] rms ................směrodatná odchylka ...................................................................................... [ - ] sylim*..............limitní hodnota směrodatné odchylky příčného zrychlení skříně................[ms-2] szlim* ..............limitní hodnota směrodatné odchylky svislého zrychlení skříně ................[ms-2] ylim* ...............limitní hodnota statist. parametrů F1, F2 příčného zrychlení ve skříni vozidla nad podvozkem ................................................................[ms-2] zlim* ...............limitní hodnota statist. parametrů F1, F2 svislého zrychlení ve skříni vozidla nad podvozkem ................................................................[ms-2] Označení vozů: I .....................Zaes 30 31 54 788 0 967 – 8 (6 týdnů provozu) II....................Zas 30
33 54 785 4 129 – 5 (38 týdnů provozu)
III ..................Zaes 30 33 54 788 5 277 – 5 (68 týdnů provozu)
9.
SEZNAM ZKRATEK
CZK ..............Celková známka kvality koleje ČD .................České dráhy ČSN...............Česká technická norma DB .................Deutsche Bahn (Německá dráha) GPK ..............Geometrická poloha koleje (geometrické parametry koleje) GVD ..............Grafikon vlakové dopravy KŽV ..............Komerční železniční výzkum PKP...............Polskie Koleje Państwowe (Polské státní dráhy) RP..................Rychlostní pásmo SMV ..............starý měřicí vůz SR..................Služební rukověť TK .................Technická kontrola TNŽ...............Technická norma železnic V 67 ...............služební předpis ČD V 67
V 68 ...............služební předpis ČD V 68 V 99/1............služební předpis ČD V 99/1 VÚKV ...........Výzkumný ústav kolejových vozidel VÚŽ ..............Výzkumný ústav železniční MZO .............Malý zkušební okruh MŽZO...........Malý železniční zkušební okruh VZO ..............Velký zkušební okruh VŽZO............Velký železniční zkušební okruh ŽZO...............Železniční zkušební okruh
V Praze, březen 2001
Lektoroval: Doc. Ing. Rudolf Pohl, CSc. ČVUT – Fakulta dopravní
Jaroslav Smutný, Luboš Pazdera
Laboratorní měření a analýza dynamicko-akustických parametrů železničních kol bez tlumičů a s tlumiči typu Schrey & Veith
Klíčová slova: hluk, vibrace, tlumič typu Schrey & Veith, krátkodobá Fourierova transformace. Úvod Priorita, která je dnes dána výzkumu hluku od železniční dopravy, souvisí se stále přísnějšími normami životního prostředí, se zaváděním vlaků s vysokou rychlostí a s požadavkem na z hlediska životního prostředí příznivější nákladní dopravu.Velmi nepříjemný zdroj hluku, který zatěžuje životní prostředí, představuje konstrukční systém kolo-kolejnice. Tzv. hluk z valení je způsobován vibracemi struktur kol a koleje. Tyto vibrace jsou iniciovány zejména tvarovými nepravidelnostmi (případně drsností) obou styčných ploch v místě dotyku. Železniční kolo představuje málo tlumený, rezonující konstrukční díl. Na základě dřívějších analýz je známo, že ve frekvenčním pásmu mezi 100 Hz a cca 10 kHz dochází k axiálním a radiálním vibracím, případně ke kombinaci obou. Tyto vibrační jevy se významně podílejí na vzniku a vyzařování hluku. Jedním z účinných opatření vhodných ke snížení vyzařovaného hluku se může stát použití železničních kol s akustickými tlumiči. Při použití kol s akustickými tlumiči lze očekávat snížení průměrných ekvivalentních hladin hluku o cca 4 až 6 dB(A). Nové koncepce akustických tlumičů se posuzují zejména prostřednictvím experimentu. Měření se realizují jednak v laboratorních podmínkách (obvykle k odzkoušení a naladění daného tlumiče) a jednak v terénu (obvykle z důvodu ověření účinnosti tlumičů při provozu). ___________________________________________________________________________ Dr. Ing. Jaroslav Smutný, nar. 1961. Absolvent FEL VUT Brno. Pracuje jako odborný asistent na VUT FAST Ústav železničních konstrukcí a staveb. Doc. Ing. Luboš Pazdera, CSc., Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební. Ústav fyziky.
V dalším textu je prezentována metodika laboratorních měření akusticko-vibračních parametrů železničních kol ORE φ 920 mm, srovnávací měření a analýza kola (dvojkolí) bez a s aplikací radiálních tlumičů Schrey & Veith. Tento tlumič je vytvořen ze 7 kovových destiček proložených gumou s postupně zmenšující se tloušťkou. Je umístěn na vnitřní straně kola dle obr. 1. Metodika měření a analýzy K měření a hodnocení účinnosti akustických tlumičů byla vypracována komplexní metodika zahrnující jednak osvědčené postupy a jednak postupy zahrnující současné moderní trendy v oblasti měřící techniky a v zpracování měřených dat. Vlastní laboratorní měření akusticko-vibračních parametrů železničních kol bez tlumičů a s tlumiči typu Schrey & Veith bylo realizováno v průběhu měsíců ledna až března roku 2000 v mechanické laboratoři Ústavu železničních konstrukcí a staveb při relativně nízké hladině hluku pozadí (LMax=55 dB). Ke srovnání a testování železničních dvojkolí opatřených tlumiči a bez tlumičů byla použita metoda měření odezvy na mechanický ráz. Buzení rázem je výhodné pro určení vlastních frekvencí dané soustavy, neboť ráz, dle teorie, vybudí všechny frekvence, zejména rezonanční. Mechanický ráz byl realizován dopadem ocelové koule spouštěné ze speciálního držáku (s nastavitelnými výškami) a to jak v axiálním, tak i v radiálním směru. Mechanický ráz byl vybuzen dopadem ocelové koule s následujícími parametry: hustota = 7800 kg⋅m-3, průměr = 46 mm, hmotnost = 0,5 kg. Měření bylo realizováno na obou kolech daného dvojkolí. Dvojkolí bylo umístěno na dvou ocelových podporách, přičemž v místě dotyku hřídele a podpěr byla nalepena gumová podložka o výšce 5 mm. Osa dvojkolí byla umístěna ve výšce 0,72 m nad podlahou. Koule byly spouštěny axiálně (místo úderu ze strany okolku 40 mm od horního okraje) a radiálně (místo úderu ve středu pojezdové plochy kola) s definovaným převýšením 0,5 m. Rázové buzení bylo aplikováno ve čtyřech navzájem o 90° pootočených polohách. Parametry dynamicko-akustické odezvy byly snímány mikrofonem a snímači zrychlení. Mikrofon byl uchycen ve stativu a umístěn ve vzdálenosti 1 m od středového náboje měřeného kola a ve výšce osy dvojkolí, tedy ve výšce 0,72 m nad podlahou. Snímače zrychlení (S1 až S4) byly umístěny na kolech v pozicích dle obr. 1. Parametry dynamicko-akustické odezvy, tedy hladiny akustického tlaku a zrychlení byly měřeny současně při aplikaci rázového buzení, tj. při jednom dopadu budící koule. Odezva na
mechanický ráz byla měřena soupravou zahrnující přístroje pro měření akustických parametrů a vibračních parametrů od firmy Brüel & Kjaer. Po provedeném rozboru, realizovaných kontrolních měřeních a výpočtech, bylo použito k analýze odezvy na mechanický ráz následujících metod a parametrů:
¾ Při snímání měřených dat mikrofonem 1. hladiny impulsního hluku LI a maximální hladiny hluku Lmax 2. časového zobrazení průběhu okamžité hodnoty hladina hluku L, z něhož byl následně vyhodnocen pokles hladiny hluku a stanovena konstanta tlumení (doznívání) 3. frekvenční analýzy s využitím průběhu spektrální výkonové hustoty v lineárních a logaritmických osách (pro přechod z časové do frekvenční oblasti byl použit algoritmus rychlé Fourierovy transformace.) 4. časově-frekvenčních metod spektrální analýzy (pro přechod z časové do časověfrekvenční oblasti byl použit algoritmus Krátkodobé Fourierovy transformace) ¾ Při snímání měřených dat akcelerometrickým snímačem 1. časového zobrazení průběhu okamžité hodnoty zrychlení 2. frekvenční analýzy s využitím průběhu spektrální výkonové hustoty v lineárních a logaritmických osách (pro přechod z časové do frekvenční oblasti byl použit algoritmus rychlé Fourierovy transformace.) 3. časově-frekvenčních metod spektrální analýzy (pro přechod z časové do časověfrekvenční oblasti byl použit algoritmus Krátkodobé Fourierovy transformace)
Obr. 1: Schematické znázornění umístění akcelerometrických snímačů
1. Teoretický úvod do analýzy měřených signálů K frekvenční analýze byla použita Welchova metoda. Tato metoda je založena na použití diskrétní Fourierovy transformace aplikované na naměřená data, na následném výpočtu kvadrátu modulu a vhodném průměrování. Dílčí spektrogram je určen vztahem: 1 S i [k ] = ⋅ U ⋅M2
M −1
∑ x[m + i ⋅ M ] ⋅ w[m] ⋅ e
− j 2πmk M
2
,
(1)
m=0
1 M −1 2 ⋅ ∑ w [m] (2) M m =0 je norma vektoru okénkové funkce, w[m] je okénková funkce, x představuje digitalizovaný kde
U=
signál, k počet segmentů, M počet dat v segmentu a j je imaginární jednotka. Výsledný vyhlazený odhad se získá průměrováním dle vztahu 1 k −1 Sˆ = ⋅ ∑ S i [k ] . (3) k i =0 Je vhodné poznamenat, že frekvenční analýza aplikovaná na měřený signál poskytla informaci o všech frekvenčních složkách obsažených v celém odezvovém signálu. Pro určení časové lokalizace frekvenčních komponent nelze použít klasický postup frekvenční analýzy, ale je nutné využít jiný transformační postup, případně jinou výpočetní
metodu. Jedním z možných postupů, jak analyzovat časový výskyt frekvenčních složek přechodových a nestacionárních signálů, je použití Krátkodobé Fourierovy transformace (STFT). Tato lokalizuje frekvenční složky v čase s konstantním (lineárním) rozlišením. Základním principem je rozdělení signálu na dostatečně malé realizace, u nichž je možno předpokládat dostatečnou stacionaritu (ergodicitu). To je provedeno multiplikací jisté okénkové funkce a signálu. Na každém takovém výřezu je provedena Fourierova transformace (FT). Okénko se posouvá v čase. STFT poskytuje kompromis mezi časovou a frekvenční reprezentací signálů. Její definiční integrál je STFT
(ω ) X
∞
(t ′, f ) = ∫ [ x(t ) ⋅ g ∗ (t − t ′)] ⋅ e − j 2πf ( t −t′) ⋅ dt ,
(4)
−∞
kde g je okénková funkce, ‘*’ komplexní konjunkce, t’ časové posunutí okénka, x(t) je časová reprezentace signálu a STFTX(ω)(t',f) je jeho časově-frekvenční reprezentace. Protože STFT je počítána Fourierovou transformací okénkem upraveného signálu, je při prezentaci výsledků často používán přepočet na amplitudové spektrum, spektrální výkon nebo spektrální výkonovou hustotu. Je nutno podotknout, že je vhodné časově frekvenční zobrazení spektra doplnit o případné frekvenční a časové řezy. V příspěvku použité obrázky výsledků jsou tvořeny čtveřicí grafů. U akustických měření vlevo nahoře je zobrazen časový průběh amplitudy změny tlaku. Další grafy uvádějí aplikace Fourierovy transformace na tento signál. Vpravo nahoře je spektrální analýza s využitím Welchovy vyhlazovací metody. Hodnoty změny tlaku jsou uvedeny v decibelech (dB) vzhledem k maximální hodnotě amplitudy. V dolní části obrázku jsou 3D zobrazení časověfrekvenčního průběhu akustického tlaku (vlevo) resp. hladiny akustického tlaku (vpravo). Tato spektra byla vypočtena pomocí Krátkodobé Fourierovy transformace. Graf vlevo dole znázorňuje průběh akustického tlaku v jednotkách Pa, graf vpravo dole zobrazuje tentýž průběh avšak v jednotkách dB (decibel). (Základní uvažovaný tlak je 20 µPa): p L p = 20 log (5) , 2 ⋅ 10 −5 kde Lp je hladina akustického tlaku [dB] a p je akustický tlak [Pa]. Hodnoty akustického tlaku resp. hladiny akustického tlaku jsou znázorněny odlišnými odstíny šedi. Poznamenejme, že maximální hodnota je barvy černé. Obdobně je tomu u měření vibračních jevů. Graf vlevo nahoře představuje časový průběh amplitudy zrychlení. Graf vpravo nahoře ukazuje spektrální analýzu s využitím Welchovy metody. Graf vlevo dole ukazuje průběh zrychlení (m.s-2) a graf vpravo dole zobrazuje tentýž průběh v decibelech (dB), tj. hladinu zrychlení. Poznamenejme, že základní uvažovaná hladina je 1 µm⋅s-2:
a La = 20 log , 1 ⋅10 −6 kde La je hladina zrychlení [dB] a a je zrychlení [m⋅s-2].
(6)
2. Zhodnocení výsledků Na obr. 2 je zobrazeno grafické hodnocení měření dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith při generování rázu dopadem ocelové koule o hmotnosti 0,5 kg z výšky dopadu 0,5 m v axiálním směru. Z časové historie průběhu amplitudy změny tlaku je patrna maximální hodnota kolem 2,5 Pa na počátku úderu. Amplitudové spektrum hodnocené Welchovou metodou vykazuje maximální hodnotu na frekvenci 0,3 kHz. Ostatní frekvenční složky mají hodnoty o více jak 20 dB nižší. Analogicky časově frekvenční analýza okénkovou Fourierovou transformací vykazuje maximum 1,1 Pa na frekvenci 0,3 kHz. Hladina pak vykazuje maximum 95 dB na frekvenci 0,3 kHz. Útlum o 20 dB lze odhadnout za 0,3 s. Další význačné, ale rychleji utlumené hladiny jsou na frekvencích 1 kHz a 2,5 kHz. Na obr. 3 je zobrazeno grafické hodnocení měření dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith při generování rázu dopadem ocelové koule o hmotnosti 0,5 kg z výšky dopadu 0,5 m v radiálním směru. Z časové historie průběhu amplitudy změny tlaku je patrna maximální hodnota cca 4,5 Pa na počátku úderu. Amplitudové spektrum hodnocené Welchovou metodou vykazuje maximální hodnotu na frekvenci 2,8 kHz. Další význačné frekvenční složky mající hodnoty o méně jak 20 dB nižší jsou 3,4 kHz, 5,6 kHz, 6,4 kHz a 7,5 kHz. Analogicky časově frekvenční analýza okénkovou Fourierovou transformací vykazuje maximum 2 Pa na frekvenci
2,8 kHz. Hladina pak
vykazuje maximum 100 dB zejména na frekvencích 2,2 kHz, 2,8 kHz, 3,4 kHz a 4 kHz. Při buzení v axiálním směru se při hodnocení vyskytuje význačná frekvence na hodnotě 0,3 kHz, kdežto při buzení v radiálním směru je toto spektrum ve frekvenční oblasti od 2 kHz do 8 kHz. Radiální buzení vyvolává vyšší hodnoty změny akustického tlaku i hladin akustického tlaku. Vyhodnocení axiálního buzení dvojkolí bez tlumičů je na obr. 4. Z časové historie průběhu změny tlaku lze usoudit na maximální hodnotu 3,5 Pa na počátku buzení. Útlum o 20 dB je přibližně za 4 s. Amplitudové spektrum vypočtené Welchovou metodou vykazuje maximální hodnotu na frekvenci 0,9 kHz. Další význačné frekvenční složky s útlumem menším než 20 dB jsou 0,3 kHz, 1,7 kHz, 2,5 kHz a 3,3 kHz. Časově frekvenční okénková Fourierova transformace vykazuje význačné hodnoty tlaku až 1,1 Pa zejména na frekvenčních
složkách 0,3 kHz, 0,9 khz, 1,7 kHz, příp. na 2,5 kHz. Význačné hodnoty hladin akustického tlaku jsou na frekvencích 0,3 kHz (zde je útlum téměř za 8 s), 0,9 kHz, 1,7 kHz, 2,5 kHz, 3,3 kHz, 4,2 kHz a 5,1 kHz. Útlum je silně závislý na frekvenci. Analýza radiálního buzení dvojkolí bez tlumičů je na obr. 5. Časová historie ukazuje maximální hodnotu 5 Pa na počátku buzení. Útlum o 20 dB je v čase 2,5 s. Amplitudové spektrum vypočtené Welchovou metodou vykazuje maximum na 1,8 kHz. Další význačné hodnoty, jejichž hodnota vůči maximu je nižší o méně jak 20 dB) jsou na frekvencích 2,2 kHz, 2,4 kHz, 2,8 kHz a 4,9 kHz. Časově frekvenční analýza STFT vykazuje maximum 2 Pa na frekvenci 2,8 kHz. Význačné hladiny akustického tlaku 100 dB jsou na frekvencích 1,8 kHz, 2,2 kHz, 2,4 kHz, 2,8 kHz a 3,2 kHz. Útlum je zde závislý na frekvenci. U dvojkolí bez tlumičů při úderu koulí 0,5 kg z výšky dopadu 0,5 m jsou při axiálním buzení hodnoty na "ostrých" frekvencích s maximem pod 1 kHz, kdežto u radiálního buzení je význačná frekvenční oblast od 0,8 kHz do 4 kHz. Na obr. 6 jsou zobrazeny grafy charakterizující odezvu dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith na buzení v axiálním směru a na obr. 7 radiálním směru Obr. 8 a 9 pak zobrazují odezvu dvojkolí bez tlumičů rovněž v axiálním a radiálním směru.
Obr. 2: Analýza akustické odezvy dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith, axiální buzení
Obr. 3: Analýza akustické odezvy dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith, radiální buzení
Obr. 4: Analýza akustické odezvy dvojkolí bez tlumičů Schrey & Veith, axiální buzení
Obr. 5: Analýza akustické odezvy dvojkolí bez tlumičů Schrey & Veith, radiální buzení
Obr. 6: Analýza dynamické vibrační odezvy dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith, axiální buzení
Obr. 7: Analýza dynamické vibrační odezvy dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith, radiální buzení
Obr. 8: Analýza dynamické vibrační odezvy dvojkolí bez tlumičů Schrey & Veith, axiální buzení
Obr. 9: Analýza dynamické vibrační odezvy dvojkolí bez tlumičů Schrey & Veith, radiální buzení
Závěr Závěrem lze konstatovat, že z naměřených hodnot a z uvedených grafů vyplývají výhodnější akusticko vibrační parametry pro dvojkolí s tlumiči typu Schrey & Veith. Tato skutečnost se projevuje jak u axiálního, tak radiálního buzení. Při axiálním buzení je amplituda akustického tlaku v poměru asi 2:3 ve prospěch dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith. Obdobně je tomu s útlumem signálu, který je asi 10x větší u dvojkolí s tlumiči. U dvojkolí s tlumiči jsou potlačeny vyšší frekvenční složky a zůstává, resp. vyniká frekvenční složka 0,3 kHz, kdežto u dvojkolí bez tlumičů je význačná zejména oblast od 0,3 kHz do 4 kHz. Při radiálním buzení je amplituda akustického tlaku v poměru přibližně 3:4 ve prospěch dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith. Obdobně je tomu s útlumem signálu, který je asi 10x vyšší u dvojkolí s tlumiči. Dvojkolí s tlumiči má frekvence rozprostřené po širším spektru. U dvojkolí bez tlumičů je význačná oblast od 1,5 kHz do 3,5 kHz. Tyto závěry je však nutno ověřit praktickými měřeními v terénu. Navržená metodika dobře poslouží zejména k ověření a ladění nových akustických tlumičů v laboratorních podmínkách. Obdobné závěry byly získány při měření vibrací. U dvojkolí bez tlumičů při axiálním buzení byla oproti dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith výrazně delší doba útlumu a maximální hodnota amplitudy zrychlení. Frekvenční složky jsou u dvojkolí bez tlumičů výraznější i v nižší frekvenční oblasti. Rovněž u dvojkolí bez tlumičů při radiálním buzení je oproti dvojkolí s tlumiči Schrey & Veith výrazně delší doba útlumu a maximální hodnota amplitudy zrychlení. Frekvenční složky jsou u dvojkolí bez tlumičů výraznější i v nižší frekvenční oblasti. Na základě provedených měření a analýz lze konstatovat, že použitá metodika laboratorních měření a analýz poskytuje dobré výsledky a závěry. Měřené i vypočítané veličiny se vyznačují dostatečnou přesností a vypovídající schopností. Lze rovněž konstatovat, že ke kvalitnímu zpracování provedených měření výrazně přispěly moderní prostředky signálové analýzy, zejména pak Krátkodobá Fourierova transformace. Tato metoda poskytuje lokalizaci frekvenčních komponent obsažených v měřeném signálu (hladina akustického tlaku, zrychlení). Analýza signálů získaných při měření a analýze odezvy na mechanický ráz poskytuje nový detailnější pohled na přechodové a nestacionární charakteristiky konstrukcí železničních a tramvajových kol. Tím poskytuje materiál pro důkladnou analýzu, která může být důležitá pro následnou optimalizaci. Nezanedbatelná je i skutečnost, že časově frekvenčními postupy
analyzované dynamické zatížení poskytuje reálné vstupy pro následné sestavení matematických modelů. Použitá literatura [1] Poularikas A. D.: The Transform and Applications Handbook, IEEE Press, 1996 [2] Kaloč R.: Styk kola s kolejnicí jako akustický zdroj, Současné problémy v kolejových vozidlech, sborník přednášek XIII. Mezinárodní konference, 9/1997, Česká Třebová, ČR, ISBN 80-7194-105-0 [3] Kout J., Kaloč R.: K problematice hluku kolejového vozidla, Vědeckotechnický sborník ČD, 9/1998, ISSN 1211-2321 [4] Pazdera L., Smutný J.: Measurement and Analysis the Tram Wheel with Noise and Vibration Dampers, International Conference – New Requirements for Material and Structures, Czech Technical University, Faculty of Civil Engineering, Prague, 29-30 September 1998, pp. 315-318, ISBN 80-01-01838-5 [5] Smutný J., Pazdera L: Modern methods of noise and vibration analysis applied to rail transport, Mezinárodní vědecká konference - 60. Výročí stavební fakulty STU v Bratislavě – sekce inženýrské konstrukce a dopravní stavby, Slovenská technická universita, Bratislava, 11/1998, str. 355-360, ISBN 80-227-1129-2
Poděkování Příspěvek byl vypracován za podpory výzkumného záměru MŠMT registrační číslo CEZ:J22/98:261100007. V Brně, leden 2001
Lektoroval: Ing. Jan Hlaváček Výzkumný ústav železniční
Vlastimil Polach, Pavel Houda
Graficko-technologická nadstavba zabezpečovacího zařízení Klíčová slova: řízení dopravy, zabezpečovací zařízení, informační systémy, grafickotechnologická nadstavba.
Úvod Výpočetní technika obrovským tempem proniká do všech sfér života lidského. Také v oblasti řízení dopravních procesů na železnici lze dnes nabídnout maximální informační komfort. Díky přímému propojení systémů zabezpečujících nebo sledujících pohyb dopravních prostředků po dopravní cestě, jakožto nositele primárních informací o pohybu dopravního elementu, a informačních systémů pro řízení přepravních procesů otevřených zákazníkům železnice je možno nabídnout moderní zdroj informací pro efektivní řízení logistických řetězců v každé oblasti života společnosti. Uživatel dopravy, ale i sám dopravce, tak mají k dispozici stále aktuální a nezkreslené informace o realizovaných dopravních a přepravních procesech.
Elektronické stavědlo – zabezpečovací zařízení s přenosem čísla vlaku Modernizované stanice, a to nejen na koridorových tratích ČD, jsou vybavovány elektronickým stavědlem (výrobcem např. AŽD Praha). Jde o zabezpečovací zařízení, kde volící a logickou bezpečnostní část tvoří počítače, relé jsou použita jen k ovládání a dohledu periferních prvků (přestavníky, žárovky návěstidel aj.). Výpravčí ovládá zařízení myší (trackballem) a z klávesnice. Indikační částí je obrazovka počítače s reliéfem kolejiště, v němž se podle aktuální polohy pohybují čísla vlaků (obr. 1). Ovládání odpovídá zásadám jednotného obslužného pracoviště (JOP). ___________________________________________________________________________ Vlastimil Polach, Ing., Ph.D., 1973, Univerzita Pardubice, AŽD Praha, Závod TechnikaVýzkum a vývoj, Technologie a řízení dopravy. Pavel Houda, Ing., 1962, VŠDS Žilina, ČD, žst. Lysá nad Labem, náměstek přednosty stanice.
Číslo vlaku je v zabezpečovacím zařízení přiřazeno k obsazenému kolejovému úseku a postavené vlakové cestě. Přenos čísla vlaku se provádí v reliéfu kolejiště automaticky, zásah řídícího zaměstnance je nutný jen v případě některých technologických úkonů s vlakem (např. přestavení, přečíslování). Číslo vlaku je tedy nositelem řady stálých i operativních informací a při zobrazení v aktuální poloze spolu s dalšími doprovodnými údaji významně přispívá k řešení rozhodovacích situací. Řídící zaměstnanec tak z obrazovky JOP nejen ovládá zabezpečovací zařízení, ale fakticky dopravu přímo i řídí. Přenos čísel vlaků slouží jako zdroj dat pro graficko-technologickou nadstavbu zabezpečovacího zařízení (GTN).
Obr. 1: Přenos čísel vlaků v zabezpečovacím zařízení
Základní charakteristika GTN Graficko-technologická nadstavba je počítačová aplikace určená k podpoře řízení dopravních procesů na vymezeném úseku železniční sítě. Je charakterizována jako nadstavba nad zabezpečovacím zařízením vybaveným přenosem čísel vlaků. Její použití je preferováno na tratích s dálkově ovládaným zabezpečovacím zařízením (DOZ), ale může být aplikována i v izolovaných stanicích. Vzhledem k propojení zabezpečovacích a informačních funkcí je GTN nástrojem k efektivnímu provozování vlakové dopravy. Představuje aplikaci, která:
1. v reálném čase monitoruje činnost zabezpečovacího zařízení (ZZ) a na základě přenosu čísel vlaků v ZZ sbírá potřebné údaje o aktuálním stavu vlakové dopravy v řízené oblasti, 2. zobrazuje a dokumentuje praktickou realizaci dopravy na traťovém úseku a v jednotlivých dopravnách – záznam o vlaku, splněný grafikon vlakové dopravy (GVD), protokol obsluhy, 3. vede dopravní statistiku za přidělený obvod, 4. bezprostředně využívá informace o aktuálním stavu vlakové dopravy pro tvorbu prognostického modelu - průběžná aktualizace polohy trasy vlaku umožňuje okamžitě vyhodnotit průběh dopravního procesu, 5. umožňuje ve výhledu měnit organizaci dopravy – plánování dopravy, 6. je napojena na informační systém operativního řízení (ISOŘ), čímž tvoří informační bránu mezi zabezpečovacím zařízením a informačními a řídícími systémy železniční dopravy (CEVIS, MIS, CDS), připravuje se přímá vazba s MIS/INTESS, 7. stane se zdrojem informací o optimálním způsobu další jízdy vlaků, které budou sdělovány strojvedoucím a budou tedy přímo ovlivňovat dynamiku jízdy vlaků.
Struktura GTN Moduly graficko-technologické nadstavby Výhledová doprava (prognóza)
Plánování dopravy
Komunikace s IŘS ŽD
Elektronická dopravní dokumentace
Dopravní statistiky
Archivace uskutečněné dopravy
Elektronická dopravní dokumentace GTN vede elektronickou dopravní dokumentaci (ELDODO). Prostřednictvím elektronické dopravní dokumentace se zpracovávají a uchovávají informace o uskutečněné vlakové dopravě. Automatizované pořizování dat ze zabezpečovacího zařízení a jejich bezprostředně následující dokumentování umožňuje rozdělit evidování významných dopravních událostí do nové progresivní struktury dopravní dokumentace. ELDODO nahrazuje stávající ručně vyplňovanou dokumentaci minimálním počtem automatizovaně vedených dokumentů: Splněný GVD, Záznam o vlaku a Protokol obsluhy. Údaje pořízené přímo ze zařízení, které pro svou správnou funkci sleduje pohyb vlaku, jsou v elektronické dopravní dokumentaci prokazatelně přesné a nezpochybnitelné.
Provozní využití GTN Aplikaci GTN lze využít na: 1.
pracovišti dispečera DOZ nebo na pracovišti výpravčího izolované dopravny - řízení dopravních procesů, obsluha zabezpečovacího zařízení a dokumentace průběhu vlakové dopravy v ELDODO, GTN je umístěno na společném pracovišti s JOP řízené oblasti,
2.
samostatném pracovišti vlakového dispečera – plánování dopravy a dokumentace průběhu vlakové dopravy ve splněném GVD, pro přenos dat do splněného GVD se předpokládá umístění GTN i na místní úrovni řízení (v železniční stanici),
3.
kontrolním pracovišti – prohlížení archivních souborů, analýzy GVD a statistiky.
Hlavní okno GTN – výhledová doprava a splněný GVD Hlavní okno GTN (obr. 2) obsahuje list GVD s výhledovou dopravou a splněným GVD. Výhledová doprava zobrazuje organizaci vlakové dopravy pro nadcházející časové období. Splněný GVD grafickou formou zobrazuje uskutečněnou dopravu.
Obr. 2: Hlavní okno graficko-technologické nadstavby
Obr. 3: Obsazení dopravních kolejí v GTN
Obr. 4: Více tratí v hlavním okně GTN Pevný GVD importovaný ze systému SENA-JŘ-VT se ve výhledu aktualizuje na základě kalendáře jízd vlaků, komunikací s ISOŘ - informace 726-2, manuálními zásahy přímo v GTN (plánování dopravy) a vždy pak průběžně vlastní jízdou vlaku.
Jízdou vlaku přes definovaný dopravní bod je ihned automaticky generována informace 080-0 pro ISOŘ, případnou opravnou informaci 080-1 upřesňuje obsluha. Každý dopravní bod vedený v GTN může být kontrolním bodem ISOŘ. Barevné znázornění vlaků je provedeno podle zásad obvyklých v GVD. Trasy vlaků, jejichž jízda nebyla ověřena zabezpečovacím zařízením ani manuální obsluhou ELDODO a nachází se, i jen z části, v oblasti splněného GVD, jsou vykresleny hnědou barvou. Dopravnu v listu GVD je možno zobrazit rozloženě podle jednotlivých dopravních kolejí (obr. 3). Je tedy k dispozici přehled obsazení kolejí a to jak plánované, tak skutečné. V jednom hlavním okně lze zobrazit současně i více tratí (obr. 4). Toho lze úspěšně využít při řízení dopravy v uzlových, úsekových nebo odbočných stanicích.
Záznam o vlaku Ke každému vlaku je přiřazen záznam o vlaku. Má tabelární formu, v řádcích významné dopravní události, ve sloupcích posloupnost dopraven (obr. 5). Vlastní formulář nemá pevnou strukturu, následné sloupce a nové řádky se vkládají automaticky podle vzniklé potřeby dokumentace jednotlivých událostí. Struktura událostí zahrnuje údaje o zajištění jízdy, dynamice pohybu vlaku, technologických operacích s vlakem a textové komentáře.
Obr. 5: Záznam o vlaku
Záznam o vlaku má univerzální charakter, dopravní dokumentaci vlaku je možno vést i při předpokládaných mimořádnostech. Primárně je záznam o vlaku vyplňován ověřením časových údajů ZZ. V případě potřeby lze vyplňovat všechny dopravní události manuálně. Barevně se rozlišuje zdroj zobrazených údajů: výhledová doprava - hnědě, zabezpečovací zařízení - zeleně, manuální obsluha ELDODO - červeně. Vybraný záznam o vlaku je možno vytisknout.
Protokol obsluhy
Obr. 6: Protokol obsluhy Protokol obsluhy v chronologickém sledu zaznamenává události o dopravním procesu tak, jak jsou zachyceny v záznamu o činnosti systému zabezpečovacího zařízení, a další informace vložené obsluhou (obr. 6). Eviduje tak: 1. povinně dokumentované úkony, 2. jízdu vlaku, stavění vlakových cest, 3. předání dopravny na místní/dálkový provoz, 4. zavedení/ukončení telefonického dorozumívání, 5. odevzdávku dopravní služby. Protokol obsluhy obsahuje taktéž funkce pro vložení libovolného textu.
Pomocí nastavitelných filtrů je možno zobrazit a vytisknout jen hledané informace.
Vazba GTN na informační a řídící systémy železniční dopravy V železničním provozu probíhá řada procesů, které na sebe navazují nebo se podmiňují a vytvářejí tak nepřetržitý tok informací mezi řídicí a řízenou složkou. Grafickotechnologická HELIOS HIPPS ISOŘ
CEVIS
CDS
SENA-JŘ-VT
ISOŘ
ISOŘ
MIS / INTESS GTN / ELDODO zabezpečovací zařízení vlak Obr. 7: Informační a řídící systémy
nadstavba představuje v toku informací o dopravních procesech dosud chybějící článek, neboť propojuje technické zařízení sledující aktuální polohu vlaku se stávající strukturou informačních a řídících systémů (obr. 7). Protože jde o přímou datovou vazbu pracující v reálném čase, lze získanou znalost o poloze vlaku efektivně uplatnit v širokém poli působišť. Díky kompatibilitě s již vybudovanými IŘS ŽD získává nejen dopravce, ale i přímo zákazník železnice, informace v nové kvalitě. Konkrétní uplatnění aktuální informace o poloze vlaku uvádí následující přehled. Informační systém operativního řízení Informační systém operativního řízení (ISOŘ) je nástroj dopravce pro řízení činností v oblastech plánování dopravy, hospodaření s vozy a hnacími vozidly a řízení dopravy a to na úrovni oblastní. Právě pro hodnocení realizované dopravy a operativní rozhodování při řízení dopravních procesů jsou přesné a aktuální informace získané ze spolupracujících zařízení (GTN) prioritně důležité a mimořádně cenné. Na dispečerský ISOŘ navazují v rámci dopravce vyšší informační systémy na centrální úrovni řízení - pro potřeby managementu i zákazníků železnice, např. centrální dispečerský systém (CDS).
Osobní přeprava Jednu z možností využití informací GTN v osobní přepravě představuje vazba GTN a hlasových a vizuálních informačních systémů. Cestujícímu se tak v reálném čase nabízí přesné a pravdivé informace - informační tabule v nádražních halách a na nástupištích obsahují stále aktuální a nezkreslené informace, k nimž přistupuje odpovídající automatické hlášení staničního rozhlasu pro cestující. Tytéž informace mohou pro svou práci výhodně využívat i sami zaměstnanci železniční přepravy - např. pracoviště osobní pokladny, informační kanceláře, zákaznického centra, dozorčího nástupiště. Další možností využití informací o jízdách vlaků je prezentace jízd vlaků a výlukových prací na veřejně dostupných médiích - internet (www stránky železniční stanice nebo města), teletext nebo prostřednictvím GSM technologie. Také při provozování integrovaných dopravních systémů hraje informace o aktuální poloze přípojného vlaku důležitou roli. Železniční stanice jsou významným přestupním uzlem a tak GTN může poskytovat informace, které využijí jak jednotliví kooperující dopravci (dispečeři a řidiči MHD/PAD), tak i cestující veřejnost. Nákladní přeprava Nákladní přeprava je jako každá jiná přeprava produktem dopravy, a tak, přestože stejně jako osobní přeprava nemá přímou vazbu na zabezpečovací zařízení, využívá zprostředkovaně informačních a řídících systémů železniční dopravy. Centrální vozový informační systém (CEVIS) je úzce spjat s ISOŘ a představuje komplex informačních služeb pro sledování a řízení nákladní dopravy a přepravy. Uživatelům
Zabezpečovací zařízení (aktuální poloha vlaku)
Informační a řídící systémy Obr. 8: Tok informací o poloze vlaku
Spokojený zákazník železnice
poskytuje informace o poloze vlaku, vozu a prostřednictvím centrální databáze zásilek i o poloze jednotlivé zásilky. K přepravcům se dostávají tyto informace po internetu přes systém HIPPS/HELIOS. HIPPS je informační systém pro přepravce k plánování přeprav a sledování pohybu nákladních vozů a vlaků v mezinárodní přepravě, HELIOS pak v přepravě vnitrostátní. Díky propojení GTN a ISOŘ obsahuje i systém CEVIS aktuální a nezkreslené informace a navíc s minimálním zpožděním. Tato skutečnost významně napomáhá k efektivnímu řízení logistických řetězců zákazníků železnice (např. koordinace multimodální dopravy, řízení zásob).
Řízení dopravy výpočetní technikou Pokud je v elektronické podobě k dispozici dopravní přehled o delším traťovém úseku, lze lépe rozhodovat o technologii jízdy jednotlivých vlaků s respektováním jejich přednosti a důležitosti i s bezprostřední možností obsluhy zabezpečovacího zařízení. Na dvou- a vícekolejných tratích je možno využít jízd po několika kolejích jedním směrem. Na jednokolejné trati (při provozování jedné koleje vícekolejné trati) lze případné zpoždění eliminovat vhodným přeložením křižování. Řízení dopravy s využitím informační techniky, nebo dokonce přímé řízení počítačem, neznamená jen nasazení moderní techniky do železničního provozu, ale i stanovení přesných technologických pravidel. Je zřejmé (i podle vývoje u jiných železničních správ), že efektivní využívání zaměstnanců a techniky přináší úspory ale i bezpečnost provozu. Výpočetní technika umožňuje určité opakované úkony automatizovat a nabízet řešení konfliktních dopravních situací ke konečnému potvrzení. Dokonce lze uvažovat o ovládání zabezpečovacího zařízení přímo počítačem GTN - na základě vyhodnocení aktuální dopravní situace. Takový systém vyžaduje i použití moderních typů sdělovacích a zabezpečovacích zařízení. Své nezastupitelné místo zde tedy má dálkově ovládané zabezpečovací zařízení na bázi elektronických stavědel vybavených graficko-technologickou nadstavbou.
Přínos GTN Aplikace graficko-technologické nadstavby s elektronickou dopravní dokumentací v řízení liniových dopravních procesů, a zejména ve spojení s dálkově ovládaným zabezpečovacím zařízením: 1.
podává v reálném čase aktuální obraz dopravní situace,
2.
minimalizuje hlasovou komunikaci ve prospěch komunikace vizuální,
3.
racionalizací vedení dopravní dokumentace poskytuje dopravním zaměstnancům pro jejich rozhodování více času a spojitou koncentrovanost,
4.
obousměrnými vazbami s informačními a řídícími systémy železniční dopravy přináší rozšířené spektrum informací pro kvalitnější výkon dopravní služby v řízené oblasti i pro řízení dopravních a přepravních procesů na okolní síti. Důsledné uplatnění progresivních poznatků a metod z oblasti telematiky v
informačních a řídících systémech železniční dopravy znamená v konečném důsledku pro dopravce snížení provozních nákladů, pro přepravce snížení logistických nákladů a pro cestující minimalizaci doby přepravy - obecně tedy růst kvality dopravy jako služby pro společnost.
Pozn.: Od podzimu 2000 probíhá v žst. Lysá nad Labem zkušební provoz přenosu čísel vlaků a graficko-technologické nadstavby. GTN je typovou součástí elektronických stavědel dodávaných firmou AŽD Praha a výhledově bude nasazena v jednotlivých řízených oblastech dálkově ovládaného zabezpečovacího zařízení na II. tranzitním koridoru ČD.
Použité zkratky: CDS CEVIS DOZ ELDODO GTN GVD IŘS ŽD ISOŘ JOP MHD MIS PAD SENA-JŘ-VT
Centrální dispečerský systém Centrální vozový informační systém Dálkově ovládané zařízení Elektronická dopravní dokumentace Graficko-technologická nadstavba Grafikon vlakové dopravy Informační a řídící systémy železniční dopravy Informační systém operativního řízení Jednotné obslužné pracoviště Městská hromadná doprava Místní informační systém Příměstská autobusová doprava Sestava nákresného jízdního řádu výpočetní technikou
Literatura: [1] KUNHART, M., POLACH, V.: Systém pro řízení dopravy jako zdroj informací pro zákazníky. Sborník konference Teleinformatika 2000. Praha, 2000. [2] POLACH, V., MOJŽÍŠ, V., MARVAN, M.: Proč a jak automatizovat dopravní dokumentaci. Nová železniční technika č. 4/98, ISSN 1210-3942. [3] ŠOTEK, K.: Výpočetní technika a informatika v dopravě. Univerzita Pardubice, 1999. ISBN 80-7194-230-8. [4] Prezentační materiály fy OLTIS.
V Praze, leden 2001
Lektoroval: Ing. Václav Vydra ČD DOP O11 Ing. Milan Marvan GŘ ČD O26
Jiří Krupica
Otázky EMC při napájení zabezpečovacích zařízení a rozvodů železničních stanic ČD Klíčová slova: napájení zabezpečovacích zařízení ČD, univerzální napájecí zdroj (UNZ), zpětné působení UNZ na napájecí síť, napájení železničních stanic z TNS 3 kV DC.
1. Univerzální napájecí zdroj Na druhém železničním koridoru ČD Břeclav – Bohumín jsou mimo nových prvků v rozvodu elektrické energie, v konstrukci trakčního vedení, používána i nová zařízení a spotřebiče. V první části svého příspěvku se budu zabývat zařízením, které, jak se zdá, jednoznačně patří do odvětví zabezpečovací techniky. Jak však bude dále ukázáno, není tomu tak. Jedná se o měnič frekvence pro napájení zabezpečovacího zařízení nazvaný UNZ (univerzální napájecí zdroj). Tento zdroj dodává na výstupu tři trojfázová napětí 230V s frekvencí 50 Hz, 75 Hz a 275 Hz. UNZ byl původně navržen pro napájení z trakčního vedení 25 kV, 50 Hz. Záložní napájení pro tento UNZ je z místní sítě nn. V současné době se realizuje hlavní napájení z rozvodů 6 kV, 50 Hz (i když UNZ měl podle původních proklamací právě rozvod 6 kV, 50 Hz nahradit). Pokud se UNZ doplní o zařízení například DAG, pak je UNZ možné napájet z trakčního vedení 3 kV DC. Neznám přesné požadavky na tyto UNZ z hlediska napájení zabezpečovacích zařízení, které jez výstupní strany přímo napájeno a ani se jimi nebudu zabývat, protože to není podstata tohoto příspěvku. Ale jak lze předpokládat, jsou požadavky oprávněně přísné a jednoznačné, protože se jedná o napájení zabezpečovacího zařízení, tedy o bezpečnost železniční dopravy. Nikdo si nedovolí polemizovat, že by UNZ požadované parametry směly nesplňovat. Ale podívejme se na takový UNZ výhradně určený k napájení zabezpečovacího zařízení z jiné strany. Jak již je v názvu uvedeno, mění elektrickou energii jisté frekvence na frekvenci (nebo více frekvencí) jinou. To znamená, že měnič frekvence musí být také někam připojen a být napájen, aby mohl plnit své poslání. __________________________________________________________________________________________
Ing. Jiří Krupica, ČD, DDC, TÚDC, Perucká 3, 12000 Praha 2, Česká republika, tel: +420 2 51432710, fax: +420 2 51433510, e-mail:
[email protected]
A zde je kámen úrazu. Každý takový měnič je vlastně spotřebičem elektrické energie. Jak jsem se již zmínil, splňuje měnič přísné požadavky na kvalitu výstupního napětí – tedy jeho frekvenci, časový průběh atd. Je také tak ”přátelský” k elektrické síti, ze které je napájen? Tato záležitost již naše kolegy zabývající se zabezpečovacím zařízením až tolik nezajímá. Zato musí zajímat pracovníky odvětví elektrotechniky a energetiky, a to ze dvou důvodů. Jednak odvětví elektrotechniky a energetiky je odběratelem elektrické energie od svých dodavatelů – rozvodných závodů. Dodavatelé mají definované podmínky pro odběr elektrické energie, formulované jasnými požadavky na kvalitu odběru elektrické energie, které stanovují podle technických předpisů. Druhým důvodem je, že odvětví je současně i dodavatelem elektrické energie s platnou autorizací pro tuto činnost. Z tohoto důvodu také musí dodávat elektrickou energii svým odběratelům v předepsané kvalitě. Připomeňme, co se míní pojmem ”kvalita elektrické energie”. Je to souhrn následujících technických parametrů: 1. kmitočet sítě 2. velikost napětí 3. odchylky napětí 4. kolísání napětí 5. krátkodobé poklesy napětí 6. krátká přerušení napětí 7. dlouhodobá přerušení napětí 8. dočasná nadpětí síťového kmitočtu 9. přechodná přepětí 10. nesymetrie napětí trojfázové soustavy 11. harmonické 12. meziharmonické 13. napětí síťových signálů (HDO) Tyto hodnoty jsou v převážné míře předepsány v evropské normě EN 50 160. Protože v České republice doposud tato norma nebyla přijata, řídí se dodavatelé elektrické energie svou podnikovou normou PNE 33 3430 – 7. Tato podniková norma je plně v souladu s výše citovanou evropskou normou. Pak není jediný důvod, proč by se ČD neměly řídit stejnou podnikovou normou dodavatelů elektrické energie, když EN 50 160 bude stejně v naší republice v dohledné době přijata. PNE 33 3430 – 7 udává úrovně jednotlivých napěťových harmonických v předávacím místě, to znamená v místě připojení odběratele k síti dodavatele. Jejich velikost se pochopitelně liší podle napěťové hladiny. Pro napěťovou úroveň vn i nn platí následující tabulka: řád harmonické [%]
3 5 7 9 11 5,0 6,0 5,0 1,5 3,5
13 3,0
15 0,5
17 2,0
19 1,5
21 1,5
23 1,5
25 1,5
Mimo hodnoty předepsané pro jednotlivé harmonické musí být současně splněna hodnota celkového činitele zkreslení THD, která musí být menší nebo rovna 8 %. THD zahrnuje všechny harmonické až do řádu 40 a je definován následovně :
THD =
40
∑2 U 2n * 100 U1
Zde byly ukázány hodnoty, které musí zaručit dodavatel elektrické energie všem uživatelům. Existuje však i PNE 33 3430 - 1, která platí pro připojování spotřebičů. Tato podniková norma dodavatelů elektřiny posuzuje vliv spotřebiče na síť v daném místě připojení. Možnost připojení spotřebiče se hodnotí podle podílu zdánlivého výkonu připojovaného spotřebiče ke zkratovému výkonu v místě jeho připojení. Pokud hodnota tohoto podílu překročí předepsanou mez, nastupuje hodnocení spotřebiče podle jednotlivých harmonických proudu odebíraného spotřebičem ze sítě i podle hodnoty THD tohoto proudu. Dodavatel elektrické energie může dokonce odmítnout připojit spotřebič, který nevyhoví podmínkám této normy. Důsledky zkreslení časového průběhu napětí napájecí sítě mohou být různé a mohou z něj vzniknout i závažné škody. Transformátory i motory se mohou přehřívat, může být enormně namáhána jejich izolace. Kondenzátory jsou přetěžovány proudem, mohou se zahřívat a může dojít k jejich destrukci. Jistící prvky mohou odepínat proud, byť nebylo dosaženo jejich nominálních hodnot. Elektronické displeje a svítidla mohou blikat a měřící přístroje mohou dávat nepravdivé výsledky. Často příčina takovýchto problémů není nalezena a podniknuté kroky k nápravě mohou snížit negativní vlivy, ale neeliminují jejich původ. Takovéto kroky jsou nesystémové, velmi nákladné na jejich pořízení a v neposlední řadě drahé v provozu (stávají se samostatnými konzumenty elektrické energie). Proto je lepší problémům předcházet a do provozu dávat spotřebiče splňující všechny parametry. Co to vlastně UNZ po elektrické stránce je? Na jeho vstupu je třífázový usměrňovač. Při napájení měniče z trakčního vedení je provozován jednofázový můstkový usměrňovač, vytvořený z části původního usměrňovače. Jaké vlastnosti mají neřízené usměrňovače? Každý usměrňovač mimo to, že napájí další spotřebiče elektrické energie, je současně vůči napájecí síti proudovým zdrojem harmonických. To znamená, že produkuje proudové harmonické do jakékoliv impedance. Takto produkované harmonické pak na vnitřní impedanci sítě tvoří podle Ohmova zákona napěťové harmonické. Poměrný obsah jednotlivých proudových harmonických je v případě indukčního zatížení dán takzvaným ”amplitudovým zákonem” a je závislý na schématu usměrňovače. Následující obrázky ukazují spektra odebíraného proudu jednotlivými typy usměrňovače s indukční zátěží.
Obsah proudových harmonických jednofázového usměrňovače
35 30
[%]
25 20 15 10 5 49
47
45
43
41
39
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
3
0 řád harmonické
Obr. 1 Z obrázku je patrné, že jednofázový usměrňovač produkuje na straně napájení všechny liché harmonické.
49
47
45
43
41
39
37
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
15
13
11
9
7
5
20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 3
[%]
Obsah harmonických šestipulzního usměrňovače
řád harmonické
Obr. 2 Šestipulzní usměrňovač neprodukuje na straně napájení harmonické řádu 3 a jejich násobky, obsahy ostatních harmonických jsou stejné jako u jednofázového usměrňovače.
Obsah proudových harmonických dvanáctipulzního usměrňovače
10
[%]
8 6 4 2
47
43
39
35
31
27
23
19
15
11
7
3
0 řád harmonické
Obr. 3
Dvanáctipulzní usměrňovač produkuje liché harmonické s nejnižším řádem 11 a 13 a jejich násobky. Vstupní usměrňovač UNZ má charakter zátěže kapacitně odporový (kapacita je tvořena velkou akumulátorovou baterií). UNZ se šestipulzním usměrňovačem není k napájecí síti z tohoto důvodu moc ”přátelský” a nelze na jeho vstupu očekávat spektrum odebíraného proudu podle obrázku č. 2. Když si ještě připomeneme, že maximální hodnota THD proudu připojovaného spotřebiče, která je dalším stejně významným kritériem, může být maximálně podle PNE 33 3430 - 1 20 %, náš UNZ má hodnoty THD proudu díky charakteru své zátěže až 130 %. Může zde být námitka, že UNZ je napájen z trakčního vedení. Ano, ale není tomu tak všude a stále. Harmonické ”vyráběné” UNZ (usměrňovačem) se přenášejí po napájecí síti až do místa velkých rozvoden s velkým zkratovým výkonem. Tato místa jsou pro harmonické ”zkratem” a zde se jejich vliv eliminuje. Harmonické v místní síti lze také filtrovat pasivními nebo aktivními filtry. Ačkoliv je teoreticky možné vyfiltrovat všechny harmonické v místě vzniku, je lepší zařídit, aby nevznikaly vůbec, nebo jen v takovém množství, které je pro napájecí síť akceptovatelné. Takové opatření, které u usměrňovačů sníží ”produkci” proudových harmonických, je tlumivka umístěná na straně vstupu, nebo na stejnosměrné straně před kondenzátorem. Použitím tlumivky se sníží THD proudu, jak ukazuje následující tabulka :
Typ usměrňovače řízený usměrňovač šestipulzní diodový usměrňovač bez tlumivky šestipulzní diodový usměrňovač s malou tlumivkou šestipulzní diodový usměrňovač s velkou tlumivkou dvanáctipulzní usměrňovač s velkou tlumivkou usměrňovač aktivní (IGBT)
THD [ % ] 50 – 150 130 70 45 10 méně než 10
Ještě názorněji je to vidět z následujícího obrázku č. 4. Ten ukazuje pokles 5., 7. harmonická a THD při instalaci různých tlumivek na stejnosměrné straně u konkrétního měniče. Ani takováto tlumivka není samospasitelná na odstranění nepříznivého jevu, ale podstatně jej sníží. Že není schopná jej úplně odstranit je zřejmé a od určité indukčnosti není již její efekt velký. Je tedy potřeba najít optimální hodnotu.
Vliv velikosti stejnosměrné tlumivky na obsah harmonických proudu šestipulzního usměrňovače s R-C zátěží
[%]
150 100 50 0 0
5
10
15
20
L [ mH] I5 (L1)
I7 (L1)
THD
Obr. 4
Nyní bych se chtěl zabývat napájením železničních stanic elektrickou energií. Na druhém koridoru se přistoupilo k tomu, že pro transformační stanici se nebuduje samostatná přípojka vn, ale takováto transformační stanice se napojí z trakční napájecí stanice (TNS). Pochopitelně se to dá využít pouze u těch železničních stanic, u kterých je vybudována TNS. Nevím co vedlo k tomuto řešení, zda to bylo přání provozních pracovníků, nebo to byl nápad projektanta, či investičních pracovníků ČD. Na první pohled je to velmi lákavé. Pravděpodobně se ušetří na investičních nákladech za stavbu vn linky. Teď to ”ale”. Trafostanice (TS) v železniční stanici je napájena kabelovým vedením ne delším než jeden kilometr. Kabelové vedení je v TNS ( měnírně ) napojeno na sběrnu 22 kV. Či-li čisté technické řešení. Podívejme se dále. Na tuto stejnou sběrnu 22 kV jsou v TNS napojeny trakční transformátory s usměrňovacími jednotkami. Naše TNS používají výhodné dvanáctipulzní usměrnění, jako jediné v Evropě (pochopitelně dnes také užívané ve Slovenské republice). Na obrázku 3 je spektrum harmonických odebíraného proudu, které
”vyrábí” trakční usměrňovač svým provozem (pochopitelně s indukční zátěží). Z předchozích obrázků je vidět, že dvanáctipulzní usměrňovač produkuje nejšetrnější harmonické spektrum, jehož absolutní hodnoty se mění proporcionálně s rostoucí zátěží. Čím větší trakční zátěž, tím jsou harmonické proudy v absolutní hodnotě větší. Protože TNS jsou většinou napájeny z míst s velkým zkratovým výkonem, často i na úrovni vvn, pak proudové harmonické způsobí napěťové harmonické, jejichž velikost je nižší než připouští PNE na dané napěťové úrovni. Až dosud je vše v pořádku. Musíme si uvědomit, že kabel, kterým je napájena TS v železniční stanici, představuje kondenzátor o dané kapacitě. Transformátor zase představuje indukčnost. Když máme kondenzátor a cívku, jež jsou zařazeny v série, takto vzniklý obvod vykazuje frekvenci, kterou nazýváme frekvencí rezonanční, která je dána jejich parametry. Při této frekvenci představuje tento obvod minimální odpor, který je hlavně definován ohmickým odporem cívky, a je prakticky pro proudy s danou frekvencí zkratem - vzniká takzvaný sací obvod. Pokud tato frekvence se právě rovná nebo je blízká frekvenci harmonické, kterou ”vyrábí” trakční usměrňovač, začne tento obvod příslušnou harmonickou odsávat. Pokud je malý trakční odběr, je odsávaný proud malý, při zvyšujícím se trakčním odběru je odsávaný proud velký, a je nebezpečný pro kondenzátory v železniční stanici (především pro kompenzační kondenzátory) do takové míry, že vlivem jejich přetížení může nastat až jejich destrukce. S těmito skutečnostmi měl počítat projektant takto napájené TS. A zde se takovéto řešení nejeví již tak výhodné. Aby se takto vyprojektované a postavené zařízení mohlo provozovat, je nutno provést nějaké technické řešení, které není jednoduché ani levné. Prvním řešením by bylo harmonické eliminovat v místě jejich vzniku, to jest přímo na sběrnici 22 kV TNS. Pokud by se měly odstranit, znamenalo by to instalovat trojfázový filtr laděný na frekvence, které trakční usměrňovač vyrábí. Filtr by měl výkon několika MVA. Pokud by však byl trakční odběr malý, musel by se výkon instalovaných kondenzátorů eliminovat řízenou tlumivkou, aby účiník odběru TNS splňoval hodnoty stanovené dodavatelem. Takový filtr není levnou záležitostí investičně a ani provozně (spotřebovává činnou energii). Toto řešení nepadá v úvahu hlavně z toho důvodu, že úroveň harmonických v TNS produkovaných trakčními usměrňovači je v souladu s požadavky dodavatele elektrické energie. Druhá cesta je rozladit obvod napájející kabel a transformátor tak, aby jeho frekvence nebyla blízká žádné frekvenci, kterou trakční usměrňovač produkuje. Protože stejný problém se vyskytuje i v rozvodech 6 kV pro napájení zabezpečovacího zařízení, bylo takovéto řešení již úspěšně použito v několika lokalitách. Závěr Při zavádění nových elektrotechnických i elektronických prvků do projektů s následnou realizací je nutné, aby výrobce využíval zkušenosti a poznatky provozních složek ČD jako budoucího provozovatele. Dále je nezbytné, aby i provozní složky ČD účinně spolupracovaly, aby nedocházelo ke komplikacím, které se mohou projevit zvýšeným finančním dopadem v platbách za elektrickou energii s možným postihem ze strany SEI.
Literatura: 1. Kaganov, I. L.: Elektronnye i ionnye preobrazovateli, tom III., Moskva 1956 2. Grentsch, R., Gunselmann, W.: Oberschwingungen in Nieder- und Mittelspannungsnetzen Analyse der Störstromquellen und Massnahmen zur Störunterdrückung, Elektrizitätswirtschaft, č.9/1991, str. 463-478 3. Hlava, K.: Elektromagnetická kompatibilita trojfázového můstkového usměrňovače s R-C zátěží vůči napájecí síti, Vědeckotechnický sborník Českých drah, č.8/1999, str. 1324 4. Ghijselen, J. A. L.: Power electronics and harmonics, EMC Europe 2000, Brugge, str.521-528 5. Krupica, J.: Odběry elektrické energie Českých drah z hlediska elektromagnetické kompatibility, Žilina 97 6. Malík, L.: Analýza zpětných vlivů trojfázového můstkového usměrňovače s kapacitní zátěží na napájecí síť NN, diplomová práce Univerzity Pardubice, DFJP KEEZ, 2000 7. Krupica, J., Hlava, K.: Zpráva z měření vlivu trakčního usměrňovače na připojené odběry Otrokovice (interní zpráva pro ČD) 2000
V Praze, březen 2001
Lektoroval: Ing. Karel Hlava, CSc. ČD TÚDC Praha
