Vědeckotechnický sborník ČD

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006


Jaroslav Grim1

VUZ se stává notifikovanou osobou v rámci evropského železničního systému Klíčová slova: autorizovaná osoba, notifikovaná osoba, evropský železniční systém, interoperabilita, technické specifikace pro interoperabilitu, posuzování shody 1 Úvod V čísle 18 Vědeckotechnického sborníku byl uveřejněn příspěvek [1] tehdejšího ředitele VÚŽ, Ing. Libora Lochmana, Ph.D., „VÚŽ na cestě k notifikaci“, ve kterém se autor zabývá přípravou VÚŽ pro získání statutu Autorizované osoby. Ve svém příspěvku bych chtěl zhodnotit, co vše VUZ od té doby vykonal pro splnění tohoto záměru a co je vlastně předmětem udělené autorizace. Rozhodnutím Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ) č. 6/2006 ze dne 27.2.2006 o udělení autorizace k činnostem při posuzování shody podle nařízení vlády č. 133/2005 Sb. o technických požadavcích na provozní a technickou propojenost evropského železničního systému (EŽS) se Výzkumný Ústav Železniční, a.s., (VUZ) stal Autorizovanou osobou evidenční číslo AO 258 v rámci ČR (obr. č. 1). Sdělením ÚNMZ ze dne 17.3.2006 o postoupení notifikace pracovníky Stálého zastoupení ČR při EU Evropské komisi, jednotlivým členským státům a sekretariátu EFTA byla potvrzena oficiální notifikace a VUZ může tedy od tohoto dne působit jako notifikovaná osoba s identifikačním číslem č. 1714 v rozsahu uvedeném ve výše zmíněném rozhodnutí. Tímto aktem byl ukončen dlouhodobý proces přípravy pro výkon zcela nových činností, a to nejen z hlediska odborného zaměření, ale také z hlediska legislativy, organizace i samotného řízení a realizace zakázek. Záměr a úsilí získat statut notifikované osoby již vznikl v době přípravy tzv. interoperabilních směrnic pro vysokorychlostní a konvenční EŽS (viz bod 2 C). Jejich schválením byl v rámci EU vytvořen základní legislativní předpoklad pro vznik notifikovaných osob, tedy osob oprávněných posuzovat shodu výrobků, spadajících do působnosti těchto směrnic, podle Technických specifikací pro interoperabilitu (TSI). Strategie postupu přípravy, výchozí podmínky a předpoklady pro autorizaci a následnou notifikaci, která byla přijata ještě v působnosti Výzkumného ústavu železničního, odštěpného závodu Českých drah, je podrobně uvedena v [1]. 3

Základní charakteristika autorizované/notifikované osoby, související legislativa Autorizovanou osobou (AO) opravňující k činnostem při posuzování shody výrobků zahrnujícím i posuzování činností souvisejících s jejich výrobou, popřípadě s jejich opakovaným použitím, a vymezených v technických předpisech se může stát právnická osoba, která splnila podmínky stanovené zákonem č. 22/1997 Sb. (§ 11). Autorizaci pro činnost podle tohoto zákona uděluje ve vymezeném rozsahu ÚNMZ rozhodnutím na základě 1

Ing. Jaroslav Grim, nar. 1946, VŠD Žilina – sdělovací a zabezpečovací technika v dopravě, VŠDS Žilina PGS - železniční slaboproudé automatizované systémy, technický ředitel Výzkumného Ústavu Železničního, a.s.

1

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 žádosti, která musí být doložena doklady o plnění podmínek autorizace stanovených tímto zákonem a nařízeními vlády, a to po dohodě s ministerstvy a jinými ústředními správními úřady, jejichž působnosti se týká posuzování stanovených výrobků prováděné autorizovanými osobami. Autorizovaná osoba se po splnění podmínek uvedených v zákonu č. 22/1997 Sb. (§ 11 odst. 7 a § 7 odst. 7) stává i notifikovanou osobou (NO). Základní podmínky pro činnost, práva a povinnosti autorizovaných osob a technické požadavky na součásti a subsystémy EŽS jsou stanoveny vnitrostátními předpisy ČR v tomto rozsahu: A. ZÁKON č. 22/1997 Sb. o technických požadavcích na výrobky ve znění pozdějších předpisů - upravuje způsob stanovování technických požadavků na výrobky, které by mohly ve zvýšené míře ohrozit zdraví nebo bezpečnost osob, majetek nebo životní prostředí, popřípadě jiný veřejný zájem, - upravuje práva a povinnosti osob pověřených k činnostem podle tohoto zákona, které souvisí s uplatňováním českých technických norem nebo se státním zkušebnictvím. B. ZÁKON č. 266/1994 Sb. o dráhách ve znění pozdějších předpisů - upravuje podmínky pro stavbu drah železničních a stavby na těchto dráhách, - upravuje podmínky pro provozování těchto drah, pro provozování drážní dopravy na těchto dráhách, jakož i práva a povinnosti právnických osob s tím spojené, - upravuje výkon státní správy a státního dozoru ve věcech drah železničních. C. NAŘÍZENÍ VLÁDY č. 133/2005 Sb. o technických požadavcích na provozní a technickou propojenost EŽS k provedení Zákona č. 22/1997 Sb., ve znění Zákona č. 71/2000 Sb. a č. 205/2002 Sb. (o technických požadavcích na výrobky) - rozpracovává předpisy Evropského společenství v tomto rozsahu: EŽS konvenční (dále i „CR“)

předpis Směrnice Evropského parlamentu a Rady EK č. 2001/16/ES ve znění Směrnice č. 2004/50/ES vysokorychlostní Směrnice Evropského parlamentu (dále i „HS“) a Rady EK č. 1996/48/ES ve znění Směrnice č. 2004/50/ES Pozn.: CR – Conventional Rail Apod. HS – High Speed Rail Systém -

vymezení interoperabilita transevropského konvenčního železničního systému interoperabilita transevropského vysokorychlostního železničního systému

upravuje technické požadavky na součásti a subsystémy EŽS“ (viz Zákon č. 266/1994 Sb., ve znění Zákona č. 103/2004 Sb., § 3a, odst. 3).

D. VYHLÁŠKA č. 352/2004 Sb. (o provozní a technické propojenosti EŽS) k provedení Zákona č. 266/1994 Sb. (o dráhách) ve znění pozdějších předpisů, § 3a, odst. 1, a § 49a, odst. 4 stanoví technické požadavky na: - prvky a součásti EŽS, - strukturální a provozní subsystémy EŽS, - jejich konstrukční a provozní podmínky.

2

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Podrobný výčet platné i připravované železniční legislativy v češtině je zveřejněn na internetových stránkách Ministerstva dopravy. Závazná znění jsou vydávána prostřednictvím Úředního věstníku EU, Sbírky zákonů ČR a Věstníku ÚNMZ. K řádnému zajištění činnosti autorizované, resp,. notifikované osoby při posuzování shody stanovené nařízením vlády vydaným k provedení zákona o technických požadavcích na výrobky je nutné splnění těchto podmínek: a) odborná úroveň ve vztahu k procesu posuzování shody, b) neexistence finančních nebo jiných zájmů, které by mohly ovlivnit výsledky činnosti AO, c) vybavení vlastními zařízeními k technickým a administrativním úkonům a přístupnost k zařízení pro speciální posuzování, d) existence nezbytného počtu zaměstnanců s odborným výcvikem, znalostmi a schopnostmi, e) existence závazku zaměstnanců k mlčenlivosti o skutečnostech, o nichž se dozvídají při činnosti AO, f) existence závazku uzavřít v rozsahu udělené autorizace smlouvu o provedení úkonů podle stanoveného postupu posuzování shody. AO je dále povinna: b) uzavřít na základě návrhu výrobce nebo dovozce, popřípadě jiné osoby, smlouvu o provedení úkonů podle stanoveného postupu posuzování shody nebo mu do dvaceti dnů oznámit podmínky pro provedení těchto úkonů, c) řídit se při posuzování shody s technickými předpisy a provádět technická zjištění objektivně s vynaložením odborné péče na úrovni poznatků vědy a techniky známých v době, kdy jsou prováděna, d) v rozsahu stanoveném v nařízení vlády 1. vydávat na základě technických zjištění certifikáty nebo jiné dokumenty, jejichž platnost mohou omezit, popřípadě pozastavit, 2. poskytovat kopie certifikátů nebo jiných dokumentů včetně souvisejících dokladů a informace o vydání, odmítnutí nebo zrušení certifikátů nebo jiných dokumentů ÚNMZ, všem věcně příslušným notifikovaným osobám, popřípadě dalším osobám, e) oznamovat bezodkladně ÚNMZ případy, kdy nemohou zajistit plnění podmínek stanovených pro výkon autorizace, f) ohlásit neprodleně orgánu dozoru, že výrobek může ohrozit nebo ohrožuje oprávněný zájem, pokud to zjistí při výkonu své činnosti. Kromě plnění veškerých podmínek stanovených výše uvedeným zákonem, zejména § 11 odst.2 a § 11a, je autorizovaná osoba povinna plnit následující podmínky, tvořící nedílnou součást rozhodnutí o udělení autorizace: 1. dodržovat ustanovení zákona a předmětného nařízení vlády, zejména postupy stanovené pro posuzování shody výrobků v rozsahu rozhodnutí o autorizaci, a podmínky uvedené v rozhodnutí o autorizaci, 2. oznamovat neprodleně ÚNMZ apod. změny údajů, na jejichž základě byla udělena autorizace, a změny ovlivňující činnost AO, 3. vystupovat jako autorizovaná, respektive notifikovaná osoba pouze v rámci činností, ke kterým byla udělena autorizace a provedena notifikace; jednotného razítka odsouhlaseného ÚNMZ užívat pouze na dokumentech, vydávaných při těchto činnostech, 4. na certifikátu či jiném dokumentu, vydávaném v rámci posuzování shody, používat identifikační číslo osoby notifikované Evropské komisi a členským státům a číslovat tyto

3

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 dokumenty tak, aby byly snadno identifikovatelné, - k označení CE ve stanovených případech připojovat nebo nechávat připojit identifikační číslo 1714 notifikované osoby, 5. sdělovat ÚNMZ a České obchodní inspekci, popřípadě orgánu stanovenému zvláštním zákonem, skutečnosti o porušení zákona, o kterých se při své činnosti dozví, 6. účastnit se přímo nebo v zastoupení jednání notifikovaných osob a jejich výsledky přenášet do činnosti a závěrů koordinačních porad; účastnit se koordinačních porad organizovaných ÚNMZ nebo jím pověřenou AO, podílet se na zpracováni návodů pro jednotný postup AO ve stanovené oblasti a předávat je Úřadu, podle návodů postupovat a spolupracovat s ostatními AO působícími v téže oblasti, včetně zamezení duplicitním zjišťováním (zejména u prověrek systému jakosti), 7. aktivně se podílet na normotvorné činnosti, tj. zejména v oblastech své odbornosti působit jako zpracovatel normalizačních úkolů mezinárodní spolupráce, popřípadě úkolů tvorby norem plánu technické normalizace, připomínkovat návrhy evropských, mezinárodních a českých technických norem, působit jako člen v technických normalizačních komisích, 8. poskytnout ÚNMZ na jeho žádost jakoukoli informaci týkající se aktivit AO a pravidelně ho informovat o metodách a zkušenostech AO předkládáním výročních zpráv o činnosti se zvláštní kapitolou o subdodavatelských smlouvách a subdodávkách, 9. písemně informovat ÚNMZ o nejasnostech a problémech vzniklých při činnostech v rámci autorizace, zejména bezodkladně oznámit specifikované zjištění, že ustanovení harmonizované evropské normy nebo určené normy neodpovídá základním požadavkům nařízení vlády , popřípadě jiné skutečnosti týkající se norem, 10. spolupracovat s pracovníky ÚNMZ při provádění kontroly ve smyslu § 11 odst. 4 zákona, 11. umožnit účast na přezkoumání své technické způsobilosti pracovníkům ÚNMZ a jím přizvaným osobám, 12. poskytovat na vyžádání České obchodní inspekce, popřípadě orgánu stanoveného zvláštním zákonem, součinnost při dozoru, 13. vydávat na žádost výrobce nebo dovozce odborná vyjádření vyžádaná Českou obchodní inspekcí, popřípadě orgánem stanoveným zvláštním zákonem, 14. informovat objektivně výrobce, zplnomocněné zástupce nebo dovozce, popřípadě jiné osoby o nejnovějším vývoji při uplatňování harmonizovaných českých technických norem, zahraničních technických norem přejímajících v členských státech EU harmonizovanou evropskou normu, či určených norem, doporučení plynoucích z koordinace autorizovaných osob a postupů posuzování shody a poskytovat jasné informace o lhůtách a nákladech, 15. zajišťovat nebo se aktivně účastnit testů odbornosti (kruhových testů, porovnávacích zkoušek apod.) vyžádaných ÚNMZ, 16. o své účasti v zájmových sdruženích rozhodovat s vědomím, že nesmí ohrozit podmínku nepodjatosti, 17. subdodavatelské smlouvy v nezbytném rozsahu uzavírat vždy s přesnou technickou specifikací a v přímém smluvním vztahu s akreditovaným subdodavatelem (s jiným výjimečně za souhlasu ÚNMZ) a zajistit připuštění kontroly ÚNMZ u subdodavatele, 18. vést samostatnou evidenci subdodávek, subdodavatelů a subdodavatelských smluv s aktuálními informacemi o způsobilosti smluvních subdodavatelů; subdodávky ve větším rozsahu, než je deklarován v žádosti o autorizaci, využívat výhradně se souhlasem ÚNMZ, 19. ověřovat a potvrzovat protokoly dodané v rámci smluvních subdodávek, posuzovat závěry v těchto protokolech,

4

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 20. nést odpovědnost za veškeré činnosti, kterých se týká autorizace, včetně činností smluvně zadaných subdodávkou, a za chyby , kterých se při provádění těchto činnosti AO dopustí, 21. poskytovat ÚNMZ každoročně důkaz o pojistném krytí občanskoprávní odpovědnosti, které se vztahuje na rizika související s činnostmi spojenými s posuzováním shody, 22. při případných námitkách proti negativnímu výsledku posouzení shody nebo proti zrušení nebo změně vydaného certifikátu nebo jiného dokumentu postupovat v souladu s příslušnou ČSN EN řady 45 000 nebo ČSN EN ISO/IEC řady 17000, 23. případnou žádost o zrušení autorizace podat ÚNMZ alespoň 4 měsíce před předpokládaným termínem zrušení, 24. v případě zrušení AO či změny rozhodnutí o její autorizaci ve smyslu zúžení rozsahu jeho předmětu zajistit přístup ÚNMZ k dokumentaci jejích zakázek způsobem dohodnutým s ÚNMZ. 3

Požadované splnění a prokázání základních podmínek a kritérií

Podmínky a kritéria pro podání žádosti o udělení autorizace na ÚNMZ jsou stanoveny, analogicky se zmíněnými evropskými směrnicemi, nařízením vlády č. 133/2005 o technických požadavcích na provozní a technickou propojenost EŽS, pro autorizaci právnických osob podle zákona č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky. Transformací Výzkumného ústavu železničního z odštěpného závodu Českých drah, a.s., na samostatnou akciovou společnost VUZ byla splněna zásadní podmínka nezávislosti na užívání součástí interoperability nebo subsystémů EŽS. Kromě základních identifikačních údajů, informací o organizačně-právní formě žadatele a dokumentů o ekonomické stabilitě bylo nutno žádost doložit a prokázat požadovanou způsobilost celou řadou dalších údajů a dokladů, zejména: • Předmět a rozsah požadované působnosti v souladu s nařízením vlády, a to v oblasti výrobků i v oblasti postupů Předmět a rozsah působnosti AO zahrnuje platnou vnitrostátní a evropskou legislativu vztahující se k jednotlivým subsystémům EŽS. •

Prokázání odborné a technické způsobilosti k předpokládanému druhu činnosti doložené platným osvědčením o akreditaci podle ČSN EN ISO/IEC 17025 a podle ČSN EN 45011 ¾ Velice obsáhlá část, ve které bylo nutno uvést a doložit veškeré akreditované činnosti VUZ. Významnou základnou pro plnění všech nových požadavků a úkolů jsou odborné, akreditované činnosti VUZ, soustředěné ve Zkušební laboratoři č. 1462 a Certifikačním orgánu provozující systém certifikace výrobků č. 3149 podle ČSN EN 45011 (obr. č. 2). Obdobně je zajištěna i činnost Certifikačního orgánu provádějícího posuzování a certifikaci systémů jakosti podle ČSN EN 45012, jehož akreditace se předpokládá v průběhu letošního roku. Rovněž bylo nutno prokázat, že zkoušky jsou prováděny na vlastním zařízení (včetně výčtu užívaných přístrojů a zařízení) a odborně zdatným personálem. ¾ Kromě všech dokumentů k akreditovaným činnostem byl tento bod doložen i Pověřeními právnické osoby vydanými MD - k provádění zkoušek drážních vozidel hnacích, drážních vozidel tažených a vozidel speciálních na dráhách celostátních, dráhách regionálních a vlečkách

5

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 - k provádění technických prohlídek a zkoušek určených technických zařízení elektrických pro - elektrická zařízení drážních vozidel, - silová zařízení drážní zabezpečovací, sdělovací, signalizační a výpočetní techniky, - zabezpečovací zařízení, jehož elektrické obvody plní přímé zajišťování bezpečnosti drážní dopravy na dráhách železničních Potvrzením o uznání zkušebního pracoviště pro zkoušky železničních vozidel, typických pro železniční dopravu, vydaného německým Spolkovým železničním úřadem EBA Osvědčení o absolvování kurzů ve vazbě na předmět činnosti pro (manažer jakosti, externí auditor systému jakosti) příslušnými pracovníky VUZ • Analýza způsobilosti pro posuzování shody všech výrobků pode příslušného nařízení vlády nebo jednotlivých skupin výrobků v příslušném nařízení vlády definovaných tak, aby byl jednoznačně definován každý výrobek nebo skupina výrobků ¾ V tomto bodu byla předložené obsáhlé analýzy způsobilosti pro posuzování shody podle Nařízení vlády č. 133/2005 Sb. pro předmětné subsystémy evropského železničního systému, tj. Infrastruktura, Energie, Kolejová vozidla, Řízení a zabezpečení. •

Zpracování obecného interního dokumentu o postupech při posuzování shody

•

Prokázání připravenosti pro posouzení výrobcem nebo dovozcem vypracované dokumentace (včetně analýzy rizik, ohodnocení rizik atd.)

•

Zpracování metody, resp. postupu pro řešení jednotlivých požadavků nařízení vlády u žadatele

•

Uvedení rozsahu spolupráce s kooperujícími subjekty pro řešení konkrétních speciálních posuzování – zajištění spolupráce bylo nutno prokázat uzavřenými smluvními vztahy se způsobilými subjekty pro jednotlivé případy posuzování předmětných subsystémů EŽS

•

Informace o způsobilosti předních expertů s uvedením jejich vzdělání vč. směru a délky odborné praxe a jejich činnosti v oblasti vědy a techniky – v AO je určeno k činnost při posuzování shody 42 zaměstnanců VUZ, kteří zahrnují celý rozsah působnosti AO

•

Doklad o neexistenci finančních nebo jiných zájmů žadatele, které by mohly negativně ovlivnit výsledky činnosti AO - uvedený doklad zahrnuje i informaci o naprosté nezávislosti jak na sféře výroby, tak na potenciálních uživatelích předmětných výrobků

•

Doklad o formě závazku zaměstnanců k mlčenlivosti o skutečnostech, o nichž se dozvídají při činnosti AO

•

Existence informačního systému o všeobecně závazných předpisech v ČR a o harmonizovaných českých technických normách, určených normách a v případech

6

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 vyplývajících z mezinárodní smlouvy i zahraničních technických normách, které se vztahují k příslušným nařízením vlády, a o vývoji v evropské normalizaci •

Vytvoření systému evidence žádostí o certifikaci výrobků a žádostí o provedení zkoušek

•

Zavedení průkazné kontroly pro jednotlivé definované činnosti a úkony, např. kontrola ¾ úrovně, věcné správnosti, průkaznosti a úplnosti technických zkoušek a dalších úkolů, včetně výsledků smluvních činností subdodavatelů ¾ zpracovávání všech písemných dokladů a protokolů ¾ vydávání a evidenci certifikátů a ostatních výstupů AO vyplývajících z ustanovení příslušných nařízení vlády

•

Zajištění spolupráce s ostatními AO, které působí v téže oblasti 4 VUZ – autorizovaná/notifikovaná osoba

VUZ je tedy v rámci EU způsobilý k posuzování shody, tj. posouzení, zda výrobek nebo subsystém odpovídá technickým specifikacím pro interoperabilitu (TSI), evropským specifikacím nebo jiným stanoveným technickým požadavkům, popř. posouzení vhodnosti použití stanovených výrobků. Rozhodnutí udělené autorizace vymezuje rozsah pro strukturální subsystémy EŽS, včetně příslušných součástí interoperability, ve smyslu nařízení vlády č. 133/2005 Sb: • subsystém kolejová vozidla (RST), • subsystém infrastruktura (INS), • subsystém řízení a zabezpečení (CCS), • subsystém energie (ENE). Současně je stanovenými dokumenty podrobně vymezena činnost při posuzování shody: = typy postupů posuzování - posouzení shody součásti interoperability - posouzení vhodnosti použití - ověření subsystémů = moduly posuzování - přezkoumání typu – modul B pro RST, INS, CCS a ENE a modul SB pro RST a CCS - zabezpečení jakosti výroby – modul D pro RST, INS a CCS a modul SD pro RST a CCS - ověřování výrobků – modul F pro RST, INS a CCS a modul SF pro RST a CCS - ověřování každého jednotlivého výrobku – modul SG pro INS a ENE - plné zabezpečení jakosti s přezkoumáním projektu – modul H2 pro RST, INS, CCS a modul SH2 pro RST, INS, CCS a ENE - vhodnost použití – modul V pro RST a INS

7


= fáze posuzování - návrh a vývoj - výroba = specifické posuzovací metody pro součásti interoperability - posouzení a schválení systému jakosti - dohled nad systémem jakosti - přezkoumání návrhu - přezkoumání technologie výroby - typová zkouška - ověření technické dokumentace a program validace zkušeností z provozu - schválení postupu pro montáž a dohled nad ověřovacím provozem - posouzení chování - schválení systému jakosti - ověření shody výrobků = specifické posuzovací metody pro subsystémy - posouzení systému jakosti - schválení systému jakosti - dohled nad systémem jakosti - přezkoumání technické dokumentace - postup ES ověření subsystému včetně zkoušek - kontrola ES prohlášení součástí interoperability - přezkoumání návrhu - typová zkouška - ověření shody vyrobeného a sestaveného subsystému - sestavení technického souboru včetně rejstříku Na základě žádosti osoby, která má právní zájem na používání součástí interoperability (výrobce, dovozce, zhotovitel, dodavatel, vlastník, popř. uživatel), vydá VUZ jako notifikovaná osoba po kladném posouzení shody certifikát o přezkoumání typu nebo certifikát o shodě či vhodnosti použití, na jejichž základě lze vydat ES prohlášení o shodě s technickými specifikacemi interoperability, o shodě s evropskými specifikacemi nebo o shodě s přezkoumaným typem či ES prohlášení vhodnosti použití. Na základě žádosti provozovatele subsystému vydá notifikovaná osoba, po kladném posouzení shody, certifikát o přezkoumání typu subsystému nebo certifikát o ověření subsystému, na jejichž základě lze vydat ES prohlášení o ověření subsystému. 5 Závěr Úspěšným zakončením procesu notifikace VUZ potvrdil, že se jedná o společnost s dlouholetou tradicí ve zkušebnictví, zaměřeném na železniční techniku, která disponuje nejen technickým a technologickým zázemím, ale i vysoce uznávanými odborníky jak v ČR, tak v evropském měřítku. Pro kvalifikované a výkonné zázemí podporující činnost notifikované osoby byla rovněž zahájena řada jednání směřujících k účinné kooperaci, zejména ve využití dalších akreditovaných zkušebních laboratoří Fakulty dopravní ČVUT, Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice a Výzkumného ústavu kolejových vozidel, popř. dalších. 8

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Existence notifikované osoby v České republice je určitě přínosem i pro organizace a firmy zainteresované na činnostech nějakým způsobem spojených se železnicí. Zejména znalost národního prostředí a národních specifických podmínek je v tomto směru velmi významná. Za důležitou a významnou z tohoto hlediska považujeme i předpokládanou oboustranně výhodnou spolupráci s našimi sousedními státy jako je Slovensko, Maďarsko či Polsko. Získáním statutu notifikované osoby pro VUZ byla ukončena další určitá etapa v procesu implementace ČR do evropského železničního systému. Tím však byly nastartovány další, daleko náročnější úkoly, a to nejen pro VUZ, ale i pro všechny další organizace, instituce, firmy a subjekty zainteresované na rozvoji evropské železniční infrastruktury. Literatura [1] LOCHMAN, L., VÚŽ na cestě k notifikaci. Vědeckotechnický sborník 18/2004, Praha: České dráhy, 2004 [2] Zákon č. 22/1997 Sb., o technických požadavcích na výrobky a o změně a doplnění některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů [3] Zákon č. 266/1994 Sb., o drahách, ve znění pozdějších předpisů [4] Nařízení vlády č. 133/2005 Sb., o technických požadavcích na provozní a technickou propojenost evropského železničního systému [5] Vyhláška č. 352/2004 Sb., o provozní a technické propojenosti evropského železničního systému

V Praze, červen 2006 Lektoroval: Ing. Danuše Marusičová poradkyně generálního ředitele ČD

9

Komentář: Pořadové číslo 7 zahrnuje „Evropský železniční systém“ – subsystém „Dopravní cesta dráhy (Infrastruktura)“.


Dr. Ing. Roman Štěrba1

Financování dopravních služeb ve veřejném zájmu Klíčová slova – veřejná doprava, veřejná služba, finance, ekonomika 1. Úvod Jednou z podmínek uznatelnosti nároku na úhradu ekonomicky oprávněných nákladů veřejné dopravní služby je ve světle rozhodnutí Evropského soudního dvora v případě Altmark princip srovnatelnosti s jiným typicky spravovaným dopravním podnikem, vycházející z reálné základny dopravního prostředí. Adekvátním podnikem pro České dráhy, a.s. (ČD) je v tuzemsku Dopravní podnik hl. m. Prahy, a.s. (DP Praha). Není tedy náhoda, že DP Praha je vhodnou volbou pro komparativní analýzu s ČD v oblasti podmínek financování dopravních služeb z veřejných rozpočtů. České dráhy, a.s. se obratem převyšujícím 45 mld. Kč a počtem zaměstnanců více než 65 tisíc řadí mezi nejvýznamnější firmy v ČR. Obrat činností ve vztahu k provozování železniční osobní dopravy činí necelých 13 mld. Kč. Dopravní podnik hl. m. Prahy, a.s. je s obratem 11,3 mld. Kč a počtem zaměstnanců téměř 13 tisíc nejvýznamnějším provozovatelem městské hromadné dopravy na území ČR. 2. Infrastrukturní investice V případě stavebních investic je třeba si uvědomit rozdíly, které mezi ČD a DP Praha existují. Jedná se především o důsledky uplatnění ustanovení zákona č. 77/2002 Sb., na jejichž základě počínaje dnem 1. 1. 2003 státní organizace Správa železniční dopravní cesty hospodaří s majetkem státu tvořícím železniční dopravní cestu tratí celostátních a regionálních s výjimkou některých stanic. Oproti tomu DP Praha příslušnou infrastrukturu drážní dopravní cesty sloužící k jeho podnikatelské činnosti vlastní. Přesto je zajímavé, že zatímco ČD, jakožto celostátně angažovaná firma, vynaložily v roce 2004 na infrastrukturu investice ve výši 2,1 mld. Kč, tak DP Praha vynaložil ve stejném období (pro stavební akce na území Prahy) na stavební investice částku 4,6 mld. Kč. 3. Investice do pořízení vozidel Vedle přiměřené infrastruktury jsou adekvátní vozidla nepochybně klíčem k úspěchu dopravce na přepravním trhu. I v tomto případě však porovnání vyznívá lépe pro DP Praha, které vědomo si rostoucí konkurence provozovatelů služeb osobní dopravy, investovalo v roce 2004 do obnovy vozového parku 3 351 mil. Kč, z toho vlaky metra činily téměř 70 procent. České dráhy investovaly v roce 2004 do vozidel osobní dopravy částku 2,5 mld. Kč, z níž významná část směřovala do vozidel dálkové mezinárodní osobní dopravy vyšší kvality.

1

Dr. Ing. Roman Štěrba - systémový specialista odboru řízení ekonomiky GŘ ČD, a.s., předseda pracovní skupiny Finanční ukazatele UIC, zástupce ČD ve statistické skupině UIC, v I. Komisi OSŽD pro statistiku a v pracovní skupině pro zpoplatnění infrastruktury CER. Vedoucí pracovní skupiny projektu PHARE 01-03-01 „Harmonizace zpoplatnění užívání infrastruktury pro provozování dopravy“ (2003-2004). Absolvent inženýrského a doktorandského studia na Fakultě dopravní ČVUT v Praze (1998), postgraduálního studia na TU Dresden (1996) a vědecko-výzkumných stipendijních pobytů na Katalánské polytechnice Barcelona (1994) a TU Dresden (1998-2002). Praxe vedoucího kanceláře ředitele organizace ROPID Praha (1995-1998). Externí vysokoškolský pedagog na FD ČVUT. 1

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 4. Financování investic z veřejných rozpočtů Z hlediska podílu veřejných rozpočtů na investičních záměrech vyznívá situace lépe pro DP Praha. V roce 2004 obdržel ze státního rozpočtu investiční dotaci ve výši 470,7 mil. Kč a z rozpočtu hl. m. Prahy 5 511,4 mil. Kč. K tomu je nutné si uvědomit, že DP Praha majetek pořízený z dotace v zásadě odepisuje a odpisy jsou následně kryty úhradou provozní ztráty. Účast veřejných rozpočtů na investicích ČD v oblasti provozování veřejné osobní dopravy se do roku 2005 včetně odvíjela na principiálně odlišném základě. Rozhodující význam představují státní záruky České republiky na zajištění úvěrů poskytnutých ČD společností EUROFIMA za účelem financování nákupu osobních železničních vozů, elektrických lokomotiv a elektrických jednotek řady 471 pro příměstskou dopravu ve znění zákonů č. 133/2002 Sb., č. 516/2002 Sb., č. 668/2004 Sb. a č. 358/2005 Sb. České dráhy na základě rozhodnutí Ministerstva financí ČR účtují od roku 2002 dotace z veřejných rozpočtů a dalších zdrojů na pořízení a modernizaci dlouhodobého majetku jako snížení pořizovací ceny příslušného majetku. 5. Financování prokazatelné ztráty ze služeb ve veřejném zájmu V roce 2004 vynaložily ČD na provoz železniční osobní dopravy 15 517 mil. Kč při tržbách 5 410 mil. Kč. Ztráta z činností osobní dopravy dosáhla výše 10 107 mil. Kč. Vzhledem k tomu, že smluvní partneři neakceptovali ekonomické náklady služby ve veřejném zájmu a nehradili v plné výši prokazatelnou ztrátu ČD, dosáhla ztráta z hospodaření téměř -3 mld. Kč. Náklady DP Praha činily 11,9 mld. Kč při tržbách necelých 3 mld. Kč. Neuhrazená ztráta z hospodaření, způsobená vlivem následků povodní, činila -902 mil. Kč. Z připojené tabulky vyplývá nákladová sazba osobní dopravy na vozový km v hodnotě 27,13 Kč (ČD), resp. 76,28 Kč (DP Praha). V případě podílu úhrad ztráty veřejné služby na nákladech osobní dopravy celkem se jedná o 46 % (ČD), resp. 67 % (DP Praha). Tab. 1: Porovnání provozní ekonomiky ČD, a.s. a DP Praha, a.s. (rok 2004) Počet jízd (tis. osob) ČD

Přepravní výkon (mil. oskm)

Dopravní výkon (mil. místo.km)

Tržby OD (mil. Kč)

Úhrada provozní ztráty (mil. Kč)

Náklady OD (mil. Kč)

Náklady vč. infra (mil. Kč)

Náklady OD Kč/vozkm

178 819

6 553

26 988

5 301

7 178

14 048

15 517

27,13

DP Praha

1 160 532

8 203

18 879

2 971

8 016

5 355

11 889

76,28

DP metro

496 013

3 841

8 215

1 391

4 743

106,19

DP tram

342 844

2 288

5 682

829

2 656

54,07

DP bus

321 675

2 074

4 979

751

2 979

48,03

2 979

Pozn.: Přepravní výkon MHD vypočten na základě údajů v tabulce 5.1.6. Ročenky dopravy ČR 2004 (MD ČR) využitím průměrné přepravní vzdálenosti podle druhu dopravního prostředku MHD. Místové km MHD obsahují místa k sezení a k stání. U železniční dopravy jen místa k sezení. OD – provozování osobní dopravy

Z hlediska porovnání financování nákladů činností spojených s provozováním veřejné osobní dopravy v roce 2004 je mezi ČD a DP Praha zřejmý rozdíl v podílu tržeb a úhrady z veřejných rozpočtů. Je přitom nutné si uvědomit, že hospodaření DP Praha bylo v zásadě vyrovnané v obdobích před povodní v roce 2002. Vyšší náklady z titulu povodňových škod odpovídají neuhrazené ztrátě DP Praha.

2


Náklady osobní dopravy - ČD, a.s. 19%

Náklady osobní dopravy - DP Praha, a.s. 8%

35%

67%

46%

tržby

25%

tržby

ztráta

úhrada

úhrada

ztráta

V porovnání výdajů z veřejných rozpočtů na osobo-km, které zahrnují investiční dotace i úhradu nekrytých ekonomicky oprávněných nákladů veřejné služby, je třeba hledat odpověď na rozdíl ve stáří a technické kvalitě vozidlového parku ČD a DP Praha. Investiční dotace a úhrada ztráty na osobo-km (Kč/oskm) 1,80

1,71

1,60 1,40 1,20

1,10

1,00 ČD

DP Praha

Z hlediska úhrady prokazatelné ztráty na místo-km v roce 2004 je patrný propastný rozdíl mezi sazbou úhrady pro ČD a DP Praha. Výraznou disproporci přitom nelze odůvodňovat ekonomicky náročným provozem metra, neboť výkony podzemní dráhy se na celkových výkonech DP Praha podílejí z jedné třetiny a obdobnou třetinu tvoří výkony naopak levné autobusové dopravy. Úhrada ztráty (Kč) na místo-km 0,45

0,42

0,40 0,35 0,30

0,27

0,25

ČD

1

DP Praha

3


6. Závěr V České republice nepanuje shoda ohledně standardů kvality služby veřejné osobní dopravy. Tomu odpovídá i fluktuace jak úrovně poskytovaných služeb, tak i nárokovaných částek prokazatelné ztráty ze strany dopravců a jejich faktická akceptace ze strany objednatelů služeb. Z pohledu cestující veřejnosti si lze přát, aby stát zodpovědněji přistupoval k pojímání kvality veřejné služby v dopravě, s čímž jistě úzce souvisí i objem mandatorních výdajů. Literatura [1] DP Praha, a.s.: Výroční zpráva 2004 [2] ČD, a.s.: Výroční zpráva 2004 [3] MD ČR: Ročenka dopravy 2005, CDV, Praha [4] Štěrba R.: Účast veřejných rozpočtů na financování rozhodujících dopravců v oblasti veřejné služby, In: Financování dopravy, možnosti a realita, Sborník anotací k příspěvkům na 6. mezinárodní vědecké konferenci, str. 57, Fakulta dopravní ČVUT, Praha, 2006, ISBN 80-01-03493-3 [5] Štěrba R., Pastor O.: Osobní doprava v území a regionech, Vydavatelství ČVUT, 2005, ISBN 80-01-03185-3

Praha červen 2006 Lektoroval: Jiří Svoboda Generální ředitelství ČD, KEN

Poznámka redakční rady: I když jde o příspěvek již přednesený na 6. mezinárodní konferenci FD ČVUT v Praze v r. 2006, považujeme danou problematiku za tak závažnou, že jsme se pro seznámení širší veřejnosti rozhodli ji do Vědeckotechnického sborníku zařadit (podle zásad Vědeckotechnického sborníku by mělo jít o původní příspěvky).

4


Jitka Češková 1

Co je program Leonardo da Vinci Evropské komise a příklady projektů s účastí Českých drah, a.s. Klíčová slova: Leonardo da Vinci, vzdělávání, projekty mobility,

1. Úvod Program Leonardo da Vinci je program Evropské unie – Komisariátu pro vzdělávání a kulturu Evropské komise (DG Education and Training) - podporující kvalitu, inovace a evropskou dimenzi odborného vzdělávání a politiku celoživotního vzdělávání. Do programu je zapojeno celkem 25 zemí EU, Norsko, Lichtenštejnsko, Island a přidružené země střední a východní Evropy: Bulharsko, Rumunsko, Turecko. Mezi hlavní cíle programu Leonardo Da Vinci patří zejména: •

•

•

zlepšovat dovednosti a kompetence osob procházejících počátečním odborným vzděláváním ve středních, vyšších a vysokých školách se záměrem zlepšovat zaměstnatelnost a usnadňovat uplatnění mladých lidí na evropském trhu práce; zdokonalovat kvalitu a přístup k dalšímu odbornému vzdělávání a k celoživotnímu osvojování znalostí a schopností se záměrem zlepšovat adaptabilitu lidí na technologické a organizační změny; zdůrazňovat význam a posilovat úlohu odborného vzdělávání v procesu inovací se záměrem zvyšovat konkurenceschopnost a rozvíjet podnikání prostřednictvím zlepšování spolupráce institucí odborného vzdělávání a podniků

2. Druhy projektů Program Leonardo da Vinci je zaměřen na • Projekty mobility • Pilotní projekty • Projekty jazykových dovedností • Projekty sítí organizací • Projekty databází, průzkumů a analýz (referenční materiály) 2.1 Projekty mobility je souhrnný název pro projekty stáží a projekty výměn; usilují o: • • •

posílení evropské dimenze v počátečním a dalším odborném vzdělávání propojení teorie s praxí (zejména jde o vzdělávání při výkonu pracovních činností) rozvoj jazykových dovedností

1

Jitka ČEŠKOVÁ, 1976, gymnázium, vedoucí skupiny zaměstnaneckých jízdních výhod, personální odbor Generální ředitelství ČD, a.s.

1


•

zkvalitňování odborného vzdělávání instruktorů a manažerů lidských zdrojů

Jsou zaměřeny na organizační aktivity, které se přímo vztahují k vysílání a přijímání uživatelů. 2.2 Pilotní projekty jsou nástrojem ke zlepšování kvality a k podpoře inovací odborného vzdělávání. Jsou zaměřené na: • • • •

vývoj ověřování evaluaci a šíření inovačních postupů týkajících se obsahu, metod nebo učebních materiálů a pomůcek používaných při odborném vzdělávání a poradenství

Musí být inovativní a musí zvyšovat kvalitu odborného vzdělávání a poradenství; výsledkem musí být hmotný produkt, např. osnova kurzu, učební text, software a pod.; • • •

Minimální počet partnerských organizací: celkem 3 (tj. předkladatel a 2 partneři ze 3 zemí), z toho aspoň 1 z členské země EU. Maximální délka projektu: 3 roky Maximální výše příspěvku z programu je 75 % přípustných nákladů projektu, nejvýše však 200 000,- EUR ročně.

2.3 Projekty jazykových dovedností Nadnárodní cizojazyčné projekty se zaměřují na vývoj, testování, validaci, posuzování a šíření inovativních výukových materiálů pro cizí jazyky a inovativní pedagogické metody odpovídající specifickým potřebám jednotlivých profesních oblastí či ekonomických sektorů. Maximální délka projektu může být 3 roky a maximální příspěvek společenství může činit 75 % přípustných výdajů s limitem 200 000,- EUR za rok. 2.4 Projekty sítí organizací Cíli projektů nadnárodních sítí organizací je získávat, shromažďovat a využívat evropské znalosti, zkušenosti a inovační přístupy v oboru odborného vzdělávání, zlepšovat analýzy a prognózy požadavků na dovednosti a šířit v rámci EU výstupy kooperačních sítí a výsledky projektů. Maximální délka projektu může být 3 roky a maximální příspěvek společenství může činit 50 % přípustných výdajů, nejvýše však 150 000,- EUR za rok. 2.5 Projekty referenčních materiálů Tyto projekty přispívají k vytváření srovnatelných dat o systémech odborného vzdělávání, uskutečňování výzkumů a analýz a ke sledování a šíření nejlepších postupů a ucelené výměně informací. Maximální délka projektu může být 3 roky a maximální příspěvek společenství může činit 50 až 100 % přípustných nákladů, nejvýše však 200 000,- EUR za rok (ve výjimečných případech může být limit zvýšen na 300 000,- EUR). 2

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 3. Pravidla čerpání prostředků Zevrubný návod, jak postupovat při finančním řízení pilotních projektů, je uveden v tzv. Administrativní a finanční příručce, kterou pod č.j. AN/80/2004, 2004/01 zpracovalo pro program Leonardo da Vinci Generální ředitelství pro vzdělávání a kulturu Evropské komise. Mezi povinnosti partnera patří i pořizování všech kopií finančních dokladů a jejich zaslání řídícímu partnerovi, zodpovědnost za vedení analytického účtu v EUR, zvlášť zřízeného pro finanční krytí projektových prací partnerského podílu, v neposlední řadě i jeho finanční zodpovědnost při případných finančních auditech, prováděných u něj či u řídícího partnera Evropskou komisí či Dvorem auditorů Evropské komise. Veškeré platby z prostředků EU jsou vždy zálohami do doby, kdy příslušná Národní agentura výslovně schválí závěrečnou zprávu, přehled odpovídajících nákladů a kvalitu výsledků projektu. Pokud by k takovémuto schválení nedošlo, potom by partneři byli nuceni vrátit finanční částky v plném rozsahu.

4. Příklady uskutečněných a probíhajících projektů na ČD, a.s. 4.1 Projekt „Dopravní služby EU“ V období 2001 – 2004 spolupracovaly ČD s DB AG na projektu „Dopravní služby EU“ (EU-Kaufmann für Verkehrsservice v NJ) v rámci vzdělávacího programu Leonardo da Vinci vyhlášeného Komisariátem pro vzdělávání a kulturu Evropské komise. K účasti českého partnera na projektových pracích došlo na základě předchozí uzavřené „Dohody o spolupráci Německé dráhy a.s. s Českými drahami v oblasti odborného a prohlubovacího vzdělávání“ z února 2001. Znění této dohody i její překlad do německého jazyka vypracoval tehdejší odbor lidských zdrojů GŘ ČD. Po navázaných vztazích mezi sousedními železnicemi ve výše uvedené oblasti, konkrétně mezi odborem vzdělávání Německé dráhy (DB Bildung) a tehdejším odborem lidských zdrojů GŘ ČD, byla tato dohoda podepsána zástupci obou železnic na nejvyšší úrovni, tj. tehdejším generálním ředitelem ČD panem Daliborem Zeleným a předsedou představenstva DBAG panem Hartmutem Mehdornem. Na tuto mezinárodní dohodu logicky navázalo oslovení Českých drah německým partnerem a následné uzavření dohody mezi vedoucím projektu a koordinátorem projektových prací, tj. odborem strategie personální politiky a vzdělávání DBAG na jedné straně a partnerem, tj. Českými drahami, odborem personálním na straně druhé, týkající se stanovení podmínek mezi smluvními stranami a příslušných práv a povinností, vyplývajících z jejich účasti na projektu „Dopravní služby EU“ (EU-Kaufmann für Verkehrsservice v NJ). Zkrácené informace o projektu: NAVRHOVATEL: Deutsche Bahn AG ČEŠTÍ PARTNEŘI: České dráhy – generální ředitelství, Praha 1 ZAHRANIČNÍ PARTNEŘI: DK-DSB, Aalsborg, F-SNCF, Paris, L-CFL, NL-NS Nederlandse Spoorwegen, Utrecht, S-Banverket, Angelhorn, UK-South Central Trains CÍLE: Posílit konkurenceschopnost evropských železnic a zlepšit dovednosti zaměstnanců pro práci v mezinárodním kontextu v oboru komerčních, komunikativních, organizačních činností a bezpečnosti práce zvýšit kvalitu vzdělávání AKTIVITY: Analýza péče o zákazníka v partnerských zemích specifikace potřebného profilu zaměstnance (cílový stav) 3

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 VÝSLEDKY: Nové osnovy pro vzdělávání, obsahující jednotné vzdělávací programy. Dohoda o uznávání všech diplomů ve státech EU Více informací o daném projektu – viz článek p. Vernera ve Vědeckotechnickém sborníku ČD č. 19 [5] . 4.2 Projekt „Newtr@in“ Na základě navázané spolupráce v oblasti vzdělávání mezi ČD, a.s. a RENFE, se České dráhy, a.s., jmenovitě O10 GŘ, účastní jako partner prací na pilotním projektu EU v rámci společného akčního programu v odborném vzdělávání Leonardo da Vinci. Pilotní projekt vývoje nových výcvikových metod s použitím moderních informačních technologií nese název „Newtr@in“ a vedle ČD, a.s., se jeho realizací podílí další evropské železnice, tj. francouzská SNCF, španělské RENFE, portugalské REFER a maďarské MÁV. Řídícím partnerem projektu je SNCF RFF (manažer infrastruktury). Časový harmonogram prací je rozvržen na tříleté období od 1.října 2004 do 30.září 2007. Na základě smlouvy mezi kontrahentem (SNCF) a francouzskou Národní agenturou, uzavřel kontrahent (SNCF) další smlouvy s jednotlivými partnery, dle oficiální evropské Administrativní příručky pro pilotní projekty programu Leonardo da Vinci, které kontrahent zpracoval dle předepsaného evropského vzoru a rozeslal partnerům k podpisu. Ve smlouvě, přeložené z Aj do Čj, jejíž kopie tvoří přílohu tohoto spisu je mimo jiné ohodnocen celkový objem nákladů partnera na realizaci projektu, finanční příspěvek z Programu Leonardo da Vinci na krytí provozních nákladů (cestovné, režie, ..) včetně odměny řešitelům dle Mezinárodní klasifikace standardů povolání (ISCO-88 (COM)), stejně jako vklad partnera (tím se rozumí pouze ohodnocení vkladu jeho know-how) a podmínky konečného stanovení příspěvku. Ve zkrácené formě jsou uvedeny doby platnosti projektu, závazky smluvních stran, způsob financování, dohled, apod. 4.3 Projekt „Kvalifikace a certifikace evropských strojvedoucích“ V roce 2004 se na personální odbor GŘ ČD obrátil odbor vzdělávání DB AG s nabídkou, abychom společně navázali na předchozí úspěšný projekt „Prodejce dopravních služeb EU“ a navrhli ČD účast na dalším pilotním projektu v rámci programu Leonardo da Vinci pod názvem „Evropský strojvedoucí“. ČD účast přislíbily a v lednu 2005 byl zasláno DB AG Prohlášení o záměru na společný projekt, jehož název se upravil na projekt „Kvalifikace a certifikace Evropských strojvedoucích“ (Qualification and Cerification for European Train Drivers, AJ). V průběhu listopadu 2005 pak proběhl podpis smlouvy mezi kontrahentem – Německá dráha a.s., Centrum vzdělávacích služeb a jednotlivými partnery, tedy i ČD. Za ČD podepsal smlouvu generální ředitel Českých drah Ing. Josef Bazala. Ve smlouvě se ČD zavazují ke spolupráci na projektu a to především v oblasti poskytování přehledů o vnitrostátních předpisech a pravidel pro kvalifikační vzdělávání strojvedoucích. Řídícím členem projektu je Centrum vzdělávacích služeb DB AG, dalšími partnery projektu jsou rakouské ÖBB, belgické SNCB, meziodvětvové vědecké centrum při Univerzitě Würzburg, francouzské SNCG a polské PKP, nizozemské NS z projektu odstoupily. Časový harmonogram prací byl rozvržen na 24 měsíců a to od 1. října 2005 do 30. září 2007. Partneři projektu se dohodli na 4 společných schůzkách. V listopadu 2005 proběhla první schůzka, kde se ujasnili cíle a následné kroky projektu. Hlavním cílem projektu je reakce na otevření železničního trhu a to především s důrazem na návrh směrnice Evropského parlamentu a Rady o udělování osvědčení pro posádky obsluhy lokomotiv a vlaků na železniční síti Společenství (Kom(2004)0142 – C6-0002/2004-2004/0048(COD)) a dále na 4

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 implementaci Dohody CER-ETF o Evropském průkazu pro strojvedoucí činné v přeshraniční interoperabilní dopravě. Po tomto jednání začala práce na tzv. matrixu, jehož vzor, tak jak ho vyplnily DB AG, je přílohou tohoto článku. Cílem tohoto matrixu bylo, aby jednotlivé železnice určili minimální počet teoretických a praktických hodin stanovených železnicemi pro výuku strojvedoucích. Bohužel se ukázalo, že není reálné tento matrix jednotně vyplnit. Zvláště ČD a PKP měly problémy matrix dostatečným způsobem vyplnit, neboť učební osnovy jsou natolik odlišné od předloženého vzoru, že není možné odpovědně a pravdivě matrix vyplnit. Na druhém jednání v květnu 2006 bylo dohodnuto, že nadále se celý projekt bude zabývat pouze tvorbou modulu vzdělávání v oblasti tlakovzdušných brzd a základy k lokomotivám elektrické trakce. Tento projekt by měl v konečné fázi být přínosem pro jednotlivé železnice a měl by vzniknout model tvorby vzdělávacích modulů i pro další oblasti vzdělávání strojvedoucích a i dalších železničářských profesí.

5. Závěr Program Evropské komise – ředitelství pro vzdělávání a kulturu – Leonardo da Vinci je jedním z prostředků podpory vzdělávání. Cílem programu Leonardo da Vinci je implementovat politiku Evropských společenství v oblasti odborného vzdělávání program přispívá „... k podpoře Evropy znalostí prostřednictvím rozvíjení spolupráce v oblasti odborného vzdělávání v Evropě...“ a podporuje „... politiku celoživotního učení a budování znalostí a dovedností členských zemí podněcující aktivní občanství a zaměstnatelnost.“ (Článek 1.3 Rozhodnutí Rady o vyhlášení programu Leonardo da Vinci.) Od té doby se uskutečnila řada významných politických počinů relevantních pro program Leonardo da Vinci. V březnu 2000 představitelé států a vlád vytyčili na lisabonské Evropské radě Evropské unii strategický cíl stát se nejvíce konkurenceschopnou a nejdynamičtější společností světa založenou na znalostech. Klíčovými prvky této strategie jsou adaptace systémů vzdělávání na celoživotní učení, podpora zaměstnatelnosti a sociální inkluze prostřednictvím znalostí a kompetencí, rozvoj informační společnosti pro všechny a podpora mobility. Tuto strategii potvrdil barcelonský summit v březnu 2002, na němž bylo konstatováno, že evropské systémy vzdělávání by měly do roku 2010 dosáhnout světovou úroveň a že v odborném vzdělávání by měla být podporována užší spolupráce. České dráhy, a.s., proto snaží o zvýšení kvality vzdělávání svých zaměstnanců i prostřednictvím účasti na projektech koofinancovaných z prostředků EU. Z výše uvedených zkušeností lze konstatovat, že lze zkušenosti s čerpáním finančních prostředků lze využít i při snaze o čerpání finančních prostředků z jiných programů EU, a to zejména při vědomí skutečnosti , že EU klade velký důraz na celoživotní a odborné vzdělávání.

5


LITERATURA: [1] Rozhodnutí rady z 26. dubna 1999 zakládající druhou etapu akčního programu Společenství pro odborné vzdělávání a přípravu “Leonardo da Vinci” (1999/382/EC) [2] Administrativní a finanční příručka pro předkladatele projektů, Corrigendum 2003 (vycházející z CL/21a/99Rev4) [3] Kompendium projektů 2003-2004 [4] Zápisy z pracovních jednání v rámci setkání partnerských železnic [5] Verner František, Partnerská účast Českých drah a.s. v pilotním projektu „Dopravní služby EU“ vzdělávacího programu Leonardo da Vinci Evropské unie, Vědeckotechnický sborník č. 19/2005

Přílohy: Příloha č. 1. Matrix pro určení minimální počet teoretických a praktických hodin stanovených železnicemi pro výuku strojvedoucích Praha, červen 2006 Lektoroval: Ing. Jakub Pěchouček, GŘ ČD, a.s., personální odbor

6

Annex V: Examination of general professional knowledge Acquiring knowledge and procedures regarding the risks related to railway operation and the various means to be used to combat them; Acquiring knowledge and procedures regarding one or more railway operating modes; Acquiring knowledge and procedures regarding one or more types of rolling stock. Understand the specific requirements for working in the profession of driver, its importance, and the professional and personal demands (long periods of work, being away from home, etc),

Contents DB

Theory (hrs) Practice (hrs)

Commencement of work at the employing company A1 Corporate organisation and objectives

4 Organisation and structure of the Group DB AG as a modern service provider in a competitive setting - its remit, goals and "products" Duties of the train driver as set forth in the requirements profile The risks that addictive substances pose for operating safety Setup, tasks and principal fitments in the duty office The need for all those involved in the "train" product to pull together

4

A2 Basic legal studies/ organisational form and accident prevention

4 Structure of legal foundations and of factors underpinning carriage (laws/ regulations/directives) General overview of rules and regulations GUV-V A1 - "General Provisions/ Duty to report accidents" GUV-V D30.1 - "Railways" GUV-I 8601 - leaflet: "Shunting and related activities" GUV-I 8602 - leaflet: "Driving traction units" GUV 25.7.3 - leaflet: "Working on rail facilities in the track area of railways"

Rudiments of railway operations G1 The wheel/rail system and special transport regulations which apply to the railway Forces at the wheel Factors affecting rolling stability during starting and braking (weather, sanding, friction coefficients of brake materials, brake force) Slip/slide phenomena Features peculiar to the rail mode (long braking distances, running at space intervals, need for and dedicated nature of signalling)

0

G2 EBO "railway construction and operating regulations

10

0

10

0

Requirements for trackage (gauge, median width, stability under load of the permanent way ..., automatic train control, telephone apparatus, vehicles) Station trackage/boundary with open line (switch systems, switch signals, flank protection, safety overlap etc.) Configuration of a switch system Requirements for rolling stock and trains Requirements for rail businesses (EBO) Architecture of a catenary system (overhead line) Industrial safety and accident prevention provisions G3 Safety installations and communications equipment Signalling principles Working principle of "track clear" signalling devices Function of automatic train control and the equipment involved Sifa Driver's Safety Device as means of monitoring the driver's fitness for duty

Basics of remote and cab-radio transmission as well as of remote data transmission/Working principle of hot-box/blocked-brake detectors (HOA/FBOA) G4, Training run 1

8 Taking up duty, reporting to the duty office Compiling and updating the requisite paperwork Placing the traction unit into service or taking it over Preparation and departure of the train Train movement and any special features End of train movement and concluding procedures Taking the traction unit out of service or handing it over Signing off at the duty office

Behaviour modules V1 Learning and communication: learning how to learn

8

0

8

0

Learning types Teaching methods and learning strategies V2 Communications and service Importance of communication for drivers Communicating with colleagues and higher grades

Train driver as service provider, relating to customers V3 Successful stress strategies - coping with accidents

12

0

8

0

8

0

Definition of stress/stressors, causes of stress Strategies for coping with stress (self- and outside motivation) Holistic driver support concept Dealing with harrowing events Types of assistance and support V4 Social skills and conflict management Pointing up means of handling conflicts Practising how to deal with awkward conversational situations Types and forms of conflict Providing feedback Tolerance, role reversal (how one sees oneself and how others see one) Resolving conflicts of interest (internal/external customers) V5 Responsibility and decision-making Types of decision (on-the-spot and analytical decisions) Decision-making models Dynamics of decisions/ consequences/setting priorities Internal and external factors (learning theories, cognitive styles, other persons) Addressing inner conflicts

Control Phases in decision-making process V6 Customer-oriented public-announcement training for train drivers (DB REGIO)

6 Standard public announcements Public announcements in the event of trouble Customer-oriented behaviour Feedback rules

4


Strategie rozvoje projektu ERTMS v České republice v letech 2007 – 2013 Úvod Se sjednocováním Evropy a odstraňováním hranic mezi jednotlivými státy se neustále zvyšují nároky na to, aby v celém evropském prostoru mohly všechny dopravní systémy operovat bez omezení a časových ztrát zejména při přechodech hranic. Železnice se v Evropě vyvíjela téměř dvě stě let na národním základě tak, že v mnoha technických oblastech byla do provozu uvedena odlišná technická řešení, zpravidla bez ohledu na integraci v mezinárodním měřítku. Jen v málo oblastech byl tento přístup zmírněn a definována společná technická pravidla na základě bilaterálních nebo multilaterálních dohod často iniciovaných aktivitami UIC. Situace na železnici je o to složitější, že jednotlivé národní systémy mají poměrně značné odlišnosti, např. návěstní systém, vlaková zabezpečovací zařízení, ale také rozdílné provozní předpisy. To je zdrojem potíží při zajišťování železniční dopravy přes hranice jednotlivých států. Představuje to časově a organizačně náročná opatření na hranicích států souvisejících se střídáním personálu, výměnou hnacích vozidel atd. Obdobným příkladem je dnešní stav v pokrytí železniční sítě několika vzájemně nekompatibilními komunikačními systémy v ČR (viz příloha 1). První snahy o odstranění těchto potíží vedly k vybavování hnacích vozidel více systémy národních vlakových zabezpečovacích zařízení. To však naráží na značné technické komplikace a prakticky je velmi obtížné instalovat na hnacím vozidle více než tři národní systémy. Přitom v Evropě je provozováno přes 20 těchto systémů. Sjednocení národních systémů je z ekonomických, kapacitních a časových důvodů prakticky nemožné. Proto Evropská komise v roce 1989 iniciovala projekt, který by analyzoval problémy v oblasti zabezpečení a řízení jízd vlaků. V roce 1990 sestavil UIC-ERRI skupinu železničních expertů A 200, jejímž úkolem bylo vytvořit požadavky na systém jednotného evropského vlakového zabezpečovacího zařízení. V červnu následujícího roku zástupci průmyslu (EUROSIG) a železnic (UIC a ERRI A 200) schválili principy úzké kooperace k vytvoření specifikací požadavků jako základu pro průmyslový vývoj tohoto systému. Projektový rámec obsáhl mobilní zařízení pro vybavení hnacích vozidel, založené na otevřené počítačové architektuře - EUROCAB, nový systém bodového přenosu dat – EUROBALISE a nový kontinuální přenosový systém – EURORADIO. Tak vznikl projekt evropského vlakového zabezpečovače - ETCS, který sledoval zajištění interoperability v oblasti zabezpečovací techniky, formou zastřešujícího systému schopného komunikovat s národními zabezpečovacími systémy a jednotným způsobem vyjadřovat podmínky pro jízdu vlaku strojvedoucímu. V roce 1995 definovala Evropská komise globální strategii pro vývoj Evropského systému řízení železniční dopravy ERTMS - European Rail Traffic Management System s cílem připravit jeho budoucí implementaci na evropské železniční síti a promítla ji do směrnic o interoperabilitě a následně do Technických specifikací pro interoperabilitu subsystému řízení a zabezpečení jak pro vysokorychlostní, tak i konvenční evropský železniční systém. 2


ERTMS je projekt, který řeší zejména oblasti: komunikace – projekt EIRENE – European Integrated Railway radio Enhanced Network - v jehož rámci byly vytvořeny funkční a systémové specifikace, které vedly k systému GSM-R – Global System for Mobile communications – Railway vychází ze standardu GSM, používá však vlastní frekvence a má některé rozšířené funkce specifické pro drážní dopravu. Jedná se o rádiový systém určený především k výměně informací hlasových i datových mezi traťovou a mobilní částí. Služby, funkce a vlastnosti systému GSM-R umožňují plnou integraci všech požadavků na mobilní rádiovou komunikaci železničního provozu, tedy jak provozní komunikaci (hlasovou i datovou) s přímým vlivem na bezpečnost, provoz technologických systémů, tak i obecnou interpersonální komunikaci. Tímto způsobem je vytvářeno telekomunikační prostředí pro jednotlivé telematické aplikace systému GSM-R. Systém GSM-R, tak jako každý radiokomunikační prostředek, se sestává z části infrastrukturní a části mobilní představované mobilními terminály uživatele. Vlastní infrastrukturní část systému je možno rozdělit na dvě základní části. Síťovou a spínací část s vybavením pro správu a dohled nad systémem a pro připojení na okolní telekomunikační sítě. A dále potom na rádiovou část, která sestává z jednotlivých kontrolérů základnových radiostanic a jednotlivých skupin řízených základnových radiostanic rozmístěných podél tratí a oblastí zajišťující vlastní pokrytí rádiovým signálem.

zabezpečení a řízení dopravy – projekt ETCS - European Train Control System evropský vlakový zabezpečovací systém, který umožňuje jednak předávat strojvedoucímu informace o povolené rychlosti, jednak neustále kontrolovat, že strojvedoucí tyto pokyny dodržuje. Prostřednictvím systému ETCS předává traťová část do vlakové soupravy informace, které umožňují neustále zjišťovat maximální povolenou rychlost daného vlaku. Existují tři aplikační úrovně systému ETCS: 1. tam, kde existují optická návěstidla podél tratě (návěstidla a signalizační tabule, z nichž strojvedoucí zjistí povolenou rychlost), mohou být tyto informace předávány standardními balízami (Eurobalízy), umístěnými podél tratě. V takovém případě se hovoří o první úrovni ETCS. ETCS úroveň 1 je vybaven „velký“ zkušební okruh Zkušebního centra Velim Výzkumného ústavu železničního, a.s. 2. informace mohou být rovněž předávány rádiovým systémem (GSM-R), pak se jedná o druhou úroveň ETCS, u které již nejsou optická návěstidla podél tratě potřebná, což vede v cílovém stavu k podstatným úsporám při investicích a údržbě infrastruktury. Poloha vlaků se i nadále zjišťuje z traťové části. Vlaková souprava vybavená rádiovým systémem GSM-R a systémem ETCS může jezdit po tratích první i druhé úrovně. 3. třetí úroveň ETCS znamená, že u vlaku je kontrolována jeho celistvost a vlaky mohou samy vysílat svou přesnou polohu, což mimo jiné přispívá k optimálnímu využití kapacity tratí a k dalšímu omezení vybavení potřebného v traťové části. Na všech úrovních porovnává palubní počítač Eurocab rychlost vlaku s maximální povolenou rychlostí a v případě jejího překročení vlak automaticky zabrzdí. 3

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Dne 28.3.2006 přijaté rozhodnutí Evropské komise, kterým se vydávají TSI subsystému řízení, zabezpečení a signalizace, předpokládá, že v blízké budoucnosti budou jako součást systému ERTMS řešeny i elektromagnetická kompatibilita, detekční systémy a sledování horkých ložisek. Již dnes jsou tyto oblasti součástí přílohy A platného TSI, která stanovuje technické specifikace systému ERTMS, byť s poznámkou, že se jedná o otevřený bod. Implementace výše uvedených dodatků bude mít za následek další investice do infrastruktury a vozidlového parku jako integrální součásti implementace ERTMS. ERTMS v České republice Zavádění podmínek interoperability v železničním systému České republiky je v ČR řešeno systémově za aktivní účasti nejvýznamnějších železničních partnerů, kterými jsou Správa železniční dopravní cesty, státní organizace (dále SŽDC) a České dráhy, akciová společnost (dále ČD). Např. v rámci technické pomoci z fondu Phare byl v letech 2003/2004 v České republice řešen projekt “Aplikace směrnice 2001/16/ES o železniční interoperabilitě“. V rámci tohoto projektu se podařilo zmapovat stávající stav železničních tratí i vozidel a stanovit rozsah nutných úprav pro splnění podmínek interoperability. Tím bylo možno rámcově kalkulovat i finanční a časovou náročnost nutných úprav a stanovit priority. Uvedený projekt pomohl nastartovat také širší zájem o předmětnou problematiku v celém spektru dotčených železničních podniků a institucí ČR. Pro aplikaci ERTMS, jako nejprogresivnějšího cíle k dosažení železniční interoperability, byl ještě v působnosti Českých drah jako státní organizace začátkem roku 2002 ustaven Řídící tým ERTMS, který nyní pokračuje v kooperaci mezi SŽDC a ČD. Struktura ŘT je zřejmá z následujícího schématu. Statutární orgán SŽDC

Statutární orgán ČD Řídící výbor ERTMS

Realizační tým GSM-R

Realizační tým ETCS

Aplikační tým ERTMS

Obr. 1 - Schéma Řídícího týmu ERTMS V rámci práce ŘT byla připravena řada studií pro aplikaci ERTMS v ČR (viz seznam literatury) a připraveny pilotní projekty pro GSM-R a ETCS úroveň 2.

4


Pilotní projekt GSM-R na tratích v ČR V roce 1999 předložil národní koordinační tým, jako jeden z prvních koordinačních útvarů železnic UIC, „Návrh postupu zavádění Evropského standardu traťového rádiového systému do provozu Českých drah“. Schválený návrh postupu zavádění GSM-R byl podkladem k přípravě, zadání a vyhodnocení studie proveditelnosti rámcového návrhu implementace GSM-R na celostátních tratích v České republice. Doporučení této studie na zavedení GSM-R do provozu přijalo vedení Českých drah, s.o. v závěru roku 2000. Prioritním úkolem, vyplývajícím z přijatých mezinárodních závazků, se stala realizace pilotního projektu GSM-R na trati Děčín – Praha – Kolín, jako úseku IV. evropského koridoru na území ČR, navazující na tratě DBAG, jejichž vybavení tímto systémem se předpokládalo v horizontu roku 2004. Již v polovině roku 2001 se sice podařilo zajistit financování pilotního projektu, ale z důvodu různých problémů okolo výběru nejvhodnější nabídky zhotovitelů byl kontrakt na realizaci pilotního projektu GSM-R v České republice uzavřen až v květnu 2004, stavba byla bezprostředně poté zahájena a ukončena byla v červnu 2005. Ve vazbě na GVD 2005/6 je realizovaný systém GSM-R v ověřovacím provozu od 9.1.2006 s předpokladem ukončení v červenci 2006. Vlastní výběr vhodné lokality a rozsahu pilotního projektu GSM-R nebyl náhodný, zvolený úsek na I. národním koridoru byl vybrán jako nejvhodnější prostředí pro možnost komplexního ověření jednotlivých systémových vlastností, funkcí a služeb, a to ať už v rámci vlastního pilotního projektu nebo v návazných aplikacích. Zvolený úsek poskytuje z hlediska interoperability možnost ověření přechodnosti a problematiky napojení na síť GSM-R sousední železniční správy, v tomto případě DBAG, pokrývá rádiovým signálem GSM-R prostor pilotního projektu ETCS (Poříčany – Kolín) a zkušební okruh Zkušebního centra Velim Výzkumného ústavu železničního, a.s., čímž umožňuje praktické odzkoušení a ověření druhé úrovně návazné komponenty projektu ERTMS – systému ETCS v těchto lokalitách, úsek obsahuje i významný železniční uzel Praha a trať ve členitém terénu. Následně provedené vyhodnocení pilotní realizace také poskytne základní technickoekonomické údaje a parametry pro následující výstavbu a klíčová koncepční rozhodnutí především pro možnost vývoje a odzkoušení jednotlivých národních aplikací v rámci systému GSM-R. Pilotní projekt umožňuje (jako jednu z aplikací) převedení současného přenosu aktuálních dopravních informací automatizačního systému AVV (Automatické Vedení Vlaku – AŽD) v úseku Praha – Kolín do systému GSM-R. Další uvažované aplikace dle návrhu Aplikačního týmu ERTMS jsou uvedeny v příloze 2 a dále v kapitole Vývoj a nasazení telematických aplikací v rámci GSM-R v České republice. Infrastrukturní část pilotního projektu GSM-R sestává z technologie ústředny a dohledového pracoviště, kontroléru základnových radiostanic, přenosové technologie včetně příslušných kabelových tras, základnových radiostanic v počtu 37 ks umístěných v linii trati. Mobilní částí systému GSM-R bylo v rámci pilotního projektu vybaveno celkem 10 železničních kolejových vozidel 9 vozidlových řad (471/971, 451, 362, 363, 163, 162, 150, 124) 10 vozidlovými radiostanicemi a pořízeno celkem 100 ks přenosných radiostanic, z toho 80 ks v provedení pro všeobecné použití a 20 ks v provedení s vyšší mechanickou a klimatickou odolností pro provozní použití.

5


Vývoj a nasazení telematických aplikací v rámci GSM-R v České republice V rámci implementace GSM-R je jednou z priorit, zejména v přechodném období postupného budování na vybrané síti, uvedené na obr. 3 a v harmonogramu na str. 9, i vývoj multifunkčního terminálu na hnacích vozidlech, jehož základními funkcemi bude: 1. zajištění provozu analogového radiového spojení (TRS), 2. zajištění provozu digitálního radiového spojení prostřednictvím GSM-R nebo prostřednictvím propojení se sítěmi GSM, 3. sběr (a následné odeslání) dat o poloze vozidla prostřednictvím GPS přijímače, 4. systémové a zobrazovací prostředí pro telematické aplikace prostřednictvím průmyslového počítače a dotykových LCD displejů. Zmíněné telematické aplikace všeobecně budou sloužit jako moderní prostředek k zabezpečení těch funkcionalit, které v současné době nejsou zabezpečovány na železničních vozidlech buď vůbec (např. elektroměry k odběru trakční energie na hnacích nebo speciálních vozidlech, vkládaní vstupních dat do systému zpoplatnění železniční dopravní cesty, zabezpečení informací o poloze vlaku, atd.), nebo které budou v případě provozních problematik nahrazovat pomůcky v současnosti zabezpečované na papírových mediích (např. sešitové jízdní řády, písemné rozkazy, pomůcky s traťovými a staničními poměry, apod.). Mezi nejvýznamnější telematické aplikace (na platformě GSM-R) budou patřit následující: 1. elektronický jízdní řád – tato aplikace nahradí současný sešitový jízdní řád; nebude se jednat jen o pouhou náhradu z papírové do elektronické verze této pomůcky, ale zároveň budou využity výhody aplikačního prostředí, k nimž patří zejména automatické rolování kurzoru jízdního řádu dle polohy vlaku (a GPS přijímače), sloučení technologických prvků jízdního řádu a písemného rozkazu do jednoho (ergonomicky příjemnějšího) prostředí, apod., 2. traťové a staniční poměry – grafická aplikace zabezpečující rychlý a snadný přehled o traťových a staničních poměrech, jako je např. poloha návěstidel, délka kolejí, rozmístění kolejí v dopravnách, přístupové cesty, poloměry oblouků, sklonové parametry, apod., 3. informace o poloze vlaku prostřednictvím satelitní navigace (GPS, Galileo) – nejedná se o samotnou aplikaci na terminálu hnacího vozidla (kde jsou zpracovávány informace přijaté ze satelitů), ale také o mapový portál, kde jsou tyto informace graficky zpracovány; databáze údajů o poloze vozidel je následně využita i dalšími aplikacemi (např. v úlohách pro provozovatele dráhy, systém zpoplatnění dopravní cesty …), 4. vstupní formuláře pro systém zpoplatnění železniční dopravní cesty – bude se jednat o zadávací elektronický formulář, kde strojvedoucí vyplní některé údaje nutné pro výpočet poplatku za použití železniční dopravní cesty (zejména hmotnost vlaku, druh přepravovaného zboží, druh trakce), 5. elektroměry pro odběr trakční energie – jedna z budoucích aplikací rodiny diagnostických systémů, která bude sloužit k zajištění přesných podkladů pro rozúčtování odběru trakční energie. Výše uvedený výčet aplikací v současné době tvoří prioritu ve vlastním vývoji a následné implementaci a bude v průběhu času značně rozšířen.

6


Pilotní projekt ETCS úroveň 2 na tratích v České republice V roce 2001 byla Výzkumným ústavem železničním (dále VUZ) zpracována studie „Aplikace evropského zabezpečovače ERTMS/ETCS v železniční síti ČD - Specifikace ETCS pro pilotní projekt na úseku Poříčany – Kolín (mimo) “. V závěru téhož roku byla VUZ zpracována studie proveditelnosti pro aplikaci systému ERTMS/ETCS úrovně 2 na železničních tratích v České republice. Ve stejném roce byly zahájeny třístranné rozhovory mezi Českou republikou, Německem a Rakouskem o aplikaci ETCS na IV. evropském koridoru. Pilotní projekt ETCS úroveň 2 je realizován s využitím finanční podpory z kohezního fondu ES ve výši 75% nákladů, 25% je hrazeno z prostředků SFDI. S vítězem mezinárodního tendru na zhotovitele byla koncem roku 2004 zahájena předkontraktační jednání a v dubnu 2005 podepsána smlouva na realizaci. Po vyjasnění všech formálních náležitostí mezi zadavatelem a zhotovitelem byla stavba zahájena k 1.7.2005, lhůta realizace pilotního projektu je stanovena na 40 měsíců (projekt – 12 měsíců, montáž – 15 měsíců, testování – 13 měsíců). Pro koordinaci a pro zajišťování činností spojených s přípravou, realizací a provozem ETCS v podmínkách železnice České republiky byl v 02/2005 jako společný koordinační orgán ČD a SŽDC ustaven Realizační tým ETCS.

Charakteristika pilotního projektu:

Úsek pilotního projektu ETCS je v rámci pilotního projektu GSM-R pokryt signálem GSM-R v kvalitě pro tratě vybavené ETCS úrovně 2 a 3 pro rychlost do 220 km/h. V blízkosti úseku pilotního projektu ETCS se nachází Železniční zkušební okruh Velim (dále ŽZO), kde bude prováděno testování implementovaného systému bez ovlivnění pravidelného železničního provozu na trati pilotního projektu. Traťovou část tvoří jedna rádiobloková ústředna (RBC) připojená k staničním, traťovým a přejezdovým zabezpečovacím zařízením trati pilotního projektu, která zajišťuje přenos dat na vlak prostřednictvím GSM-R. Dále jsou součástí traťové části nepřepínatelné balízy. Palubní částí budou vybaveny dvě lokomotivy a jedna jednotka řady 471/971, součástí palubních částí bude i národní specifický modul (STM – Specific Transition Module) pro národní vlakové zabezpečovací zařízení typu LS.

Poloha pilotních projektů GSM-R, ETCS i aplikace GSM-R v 1.národním tranzitním koridoru (trans-evropský koridor IV) je patrna z obr. 2

7


Pilotní projekt GSM-R (201 km) DEUTSCHLAND

Jiříkov

Chodov N.Sedlo

Aš Seníky Frant.Lázně

Sokolov e Tršnic

Vilémov Dalovice

Karlovy Vary

Kaštice

Pňovany Svojšín

Plzeň

Heřmanova Huť Nýřany

Hostivice

P. Holešovice

Domažlice

Václavice

Záboří n. L. Přelouč

Bošice Kutná Hora

Bečváry

Heřman. Městec

Žleby

Jindř.ve Sl. Rokytnice v O.h.

Ch. město

Choceň

Krnov

Chrudim

Sobotím Ústí n. Orl.

Prachovice Třemošnice

Lanškroun

Petrov n.Des.

Štíty

Trhový Štěpánov

Světlá n. Sáz.

Písek

Bechyně Horní Cerekev

Týn n.Vlt. Číčenice

Volary

Okříšky

Tovačov

Brno

Mor. Bránice

dopravna JED

Jemnice

Hrušovany Pohořelice

Kroměříž Zborovice Morkovice

Holubice

Střelice Oslavany

Slavonice

Hrušovany n.Jev.

Rybník Šatov

Mosty u Jablunkova

Zaječí Lednice

Boří Les

Zlín střed

Vizovice

Otrokovice

Čejč

Mutěnice Hodonín

Luhačovice Kunovice Bylnice

Mor. Písek Rohatec

Lúky p.M. ŽSR

Hor.Lideč

St. Město

Šakvice

Hevlín

Veselí n.Mor.

Újezdec

Vlárský Průsmyk

Sudoměřice

Břeclav

Vrbovce

SLOVENSKO

ÖSTERREICH

7 EMJ ř. 680 + 10 vozidel v pilotním projektu

Ostravice

Vsetín

Koryčany

Kyjov

Hustopeče u B.

H.Dvořiště

Frýdlant n. O.

Rožnov p.Radh.

Hulín

Nemotice

Ždánice

Židlochovice Vranovice

Č.Velenice

16 pro přeshraniční provoz na síť DBAG

Veřovice Hodslavice

Přerov

Vel. Karlovice

Mor.Budějovice

N. Bystřice

* k 1.1.2006 již 33 vozidel vybaveno GSM-R

Drahotuše

Studenec

Rakšice

• •

Dluhonice

v tějo Pros

Nezamyslice

Jindř.Hr.

Č.Těšín

Frýdek Místek Nový Jičín

Kostelec na Hané

Skalice n.S.

Křižanov Tišnov

České Budějovice Lipno n.Vlt.

Olomouc

Petrovice u Karv.

Karviná město Kunčice

Fulnek Studénka

Senice na Hané

Veselí n.L.

Dívčice

N. Údolí

O.Svinov Bílovec

Polná

Kostelec u Jihl.

Putim Protivín

mín e Bohu arovic Dětm

Hlučín

Budišov n.Budiš.

Litovel předměstí

Žďár n.Sáz. Dobronín Obrataň

Ražice

Ostrava

Mladeč

Chromice

Humpolec Tábor

Chuchelná Kravaře

Valšov

Čer ve nka

Havlíčkův Brod

Blatná

Železná Ruda

Milotice Bruntál Svob.Heřmanice

Rýmařov

Svitavy

Nepomuk

Horažďovice

M.Morávka

Bludov

Rudoltice

Č.Třebová

Zábřeh

Olbramovice

Osoblaha

Třemešná ve Sl.

Vrbno p.Prad.

Kouty n.Des.

Dolní Lipka

Letohrad

Zlaté Hory

Lipová Lázně

Ha St. Město p. S. nu šo vic e

Lichkov Moravany

Janovice n. Ú.

DEUTSCHLAND

Solnice

Pardubice

Čáslav Ledečko

Velká Kraš Mikulovice

Zruč Sedlčany

Vidnava

Dobruška

ě ništ Tý . n. O

Chlumec Kolín

Benešov u Prahy

Smiřice Opočno

Hradec Králové

Vel. Osek Pečky

Javorník ve Sl.

Jaroměř

Hněvčeves

Nymburk

Lysá n.L. Čelákovice Mochov P. Běchovice Poříčany

Březnice Havlovice

Pilotní projekt ETCS L2 (22 km)

Otovice

Starkoč

Ostroměř Kopidlno

Křinec Milovice

Čerčany

Rožmitál

Česká Kubice

Meziměstí Teplice n.Met.

e

Lochovice Dobříš

Královec

Svoboda n. Ú. Kunčice

Jičín

Kouřim

Rokycany

Staňkov

ab

Žacléř Vrchlabí

Dol.Bousov

Vrané n. Vlt.

Zadní Třebáň

Nezvěstice Poběžovice

Mladá Boleslav

Zdice

Chrást

Rokytnice n.Jiz. Žel. Brod

St.Paka

Rudná u Prahy

Beroun Radnice

ka

Libuň

Všetaty py

Nučice

Stupno

Bor

Lužec

ice

Tachov

M.L

Kra lu

Praha

Mladotice

Planá u Mar.L.

Vraňany Velvary

Podlešín

ník ov ak R

Blatno u Jesenice

Mar. Lázně

Harrachov

Bakov

dn ic e

Straškov

Krupá Lužná

ržov

Turnov

Zlonice

Kolešovice

Protivec

Bezdružice

Sm

Rou

y př ed .

Bochov Krásný Jez

Bečov n.Teplou

Důl

Tanvald Mimoň st.nádraží

Lovosice Čížkovice

Libochovice Louny

atov Ner

Cheb

Kadaňský Rohozec

fův Jose

Úštěk hor.n.

Bilina Obrnice

Lo un

Aplikace GSM-R do prostředí ČR (předpoklad 2006 POLSKA 106 ks vozidel + 25 dopraven)*

v Č.

Raspenava Bílý Potok p. S.

ník

Otvice Chom utov Posto loprst y Žatec

Hrádek n.N.

Martinice

Most

Jirkov

Kadaň Merklin N.Role

e plic Te

Měl

Vejprty

Potůčky

Kraslice Luby u Chebu Plesná

dlant Frý

Varnsdorf Jedlová

Šenov Benešov

Ústí n. L.

Louka u Litvínova Litvínov Duchcov

Rumburk

Rybniště Č.Kamenice

Ko je tín

Pansky Krásná Lípa

Dubí

Hranice v Č.

Černousy

Mikulášovice

Dol.Žleb

Děčín

Moldava v Kr.h.

Corridor X

Obr. 2 – Pilotní projekty ERTMS / GSM-R, ETCS i aplikace GSM-R Výhled v budování ERTMS v ČR v období 2007-2013 Pro naplnění směrnic Evropských společenství o interoperabilitě evropského železničního systému přijala Evropská komise (EK) v druhém pololetí loňského roku řadu významných dokumentů podporujících aplikaci interoperability především v oblasti zabezpečovacího zařízení, kde nezbytnou podmínku interoperability představuje systém ERTMS (European Rail Traffic Management System – Evropský systém řízení železniční dopravy). Z významných dokumentů k podpoře implementace tohoto systému v rámci Evropského společenství např. uvádím:

8


•

• •

• Návrh Memoranda pro EK od presidenta Barroso v dohodě s panem Barrotem, ve kterém jsou vyjádřeny priority investování na trans-evropské železniční síti včetně předpokládaného příspěvku EU ve výši 140 miliard EUR pro plánovací období 2007-2013. Jednou z uvedených priorit je horizontální projekt „Železniční koridory a rozvoj řídícího systému ERTMS“, ve kterém se předpokládá vybavení až 20 000 km tratí evropských koridorů systémem ERTMS. Sdělení Komise Evropskému parlamentu a Radě o zavedení evropského sytému ERTMS/ETCS (European Train Control System - Evropský vlakový zabezpečovací systém) z 4.7.2005, ve kterém informuje o potřebě rychlého a koordinovaného přechodu na nový systém. Jmenování pana Karla Vincka koordinátorem EK pro rozvoj ERTMS. Schválení Technických specifikací pro interoperabilitu, jako přímo platného právního předpisu, který výslovně zakazuje další budování a rozvoj stávajících zabezpečovacích a komunikačních systémů.

Aplikace systému ERTMS se týká jak železniční infrastruktury, tak i dopravců a to jak v oblasti vybavení kolejových vozidel, tak i v oblasti informatiky a lidských zdrojů. Pouze v synergii celého systému se mohou zhodnotit vynaložené finanční prostředky a projeví se sledovaný cíl – interoperabilní systém se zvýšenou mírou bezpečnosti připravený k zapojení do evropského železničního systému a mající předpoklady možného zvyšování kapacity sítě. I Evropská komise chce podporovat zejména projekty, které jsou zaměřeny jak na vybudování infrastruktury, tak současně i na potřebné úpravy na vozidlech. Na základě shora uvedených dokumentů, závěrů a doporučení realizovaných studií i dosavadních poznatků z realizace obou pilotních projektů, sledování vývoje oficiálních stanovisek Evropského společenství v oblasti podpory zavádění systému ERTMS a široké diskuse zasvěcených odborníků ČD a SŽDC byly stanoveny následující záměry pro budování ERTMS v České republice v plánovacím období 2007 až 2013. Rozsah předpokládané implementace ERTMS v období 2007-2013 je uveden pro • GSM-R na obr. 3 • ETCS na obr. 4 a v následujících tabulkách je pak vyjádřena i finanční náročnost pro vybavení infrastruktury i kolejových vozidel.

9


předpokládaná realizace:

do roku 2008,

do roku 2013

Obr. 3 – Předpokládaná implementace ERTMS / GSM-R v ČR v období 2007-2013

předpokládaná realizace:

do roku 2011,

do roku 2013

Obr. 4 – Předpokládaná implementace ERTMS / ETCS v období 2007-2013

10


Harmonogram a přehled nákladů předpokládané implementace GSM-R v období 2007 až 2013 na tratích evropského železničního systému dle sdělení MD č. 111/2004 Sb. PrioTrať rita

Délka (km)

Náklady (mil. Realizace CZK)

Nároky na vybavení Celkem Nákl.celk. vozidel dle let vozidel (mil.Kč) výroby 1995 1984 a 1985- a starší 1994 mladší

1

1. NTŽK - Kolín - Břeclav - st. hr. A a SK dokončení vybavení 1. NTŽK , společný projekt s ŽSR a MÁV

327

710

2007

246

160

63

469

169

2

2. NTŽK + Česká Třebová - Přerov

316

450

2008

54

66

4

124

44

3

3 NTŽK - Praha - Plzeň Cheb; Dětmarovice Mosty u J.; Polanka n.O. Č. Těšín

312

460

2009 2012 *)

113

26

0

139

49

4

4. NTŽK - Praha - Tábor České Budějovice - Horní Dvořiště st. hr. A

226

300

2009 2012 *)

165

20

3

188

66

5

Brno - Havlíčkův Brod Kolín

195

350

2010

59

0

8

67

24

6

Kolín - Lysá n.L. - Ústí n.L. Střekov - Děčín

160

240

2010

71

0

8

79

28

7

Ústí n.L. - Karlovy Vary Cheb; Ústí n.L. - Bílina

240

345

2011

71

23

0

94

14

8

Ústí n.O. - Letohrad Lichkov st. hr. PL

35

45

2013

16

0

0

16

6

9

Plzeň - Domažlice - Česká Kubice - st. hr. D

70

125

2011

52

5

5

62

22

10

Plzeň - Strakonice - České Budějovice - České Velenice - st. Hr. A; Veselí n.L. - České Velenice - st.

241

380

2012

68

6

0

74

26

11

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 hr. A

11

Hranice n. M. - Vsetín Horní Lideč - st. Hr. SK

12

Brno - Přerov; Brno Holubice Délka celkem: (km) Náklady celkem: (mil. Kč)

67

120

2011

31

0

0

31

11

114

160

2012

0

5

0

5

2

Vozidla celkem: (ks)

1348

2303 3685 (122.8 Mio.EUR)

Náklady celkem: (mil. Kč) 461 (15,4 Mio.EUR)

*) podle postupu staveb modernizace III. A IV. NTŽK

Poznámky k nákladům uvedeným v tabulce GSM-R a) Vybavení infrastruktury Kalkulace na vybavení infrastruktury byly provedeny na základě výstupu studie DBAG „Implementace GSM-R v železniční infrastruktuře české železniční sítě SŽDC“ a aktuální cenové rozvahy pro doplnění sítě GSM-R na zbytku 1. NTŽK. V první stavbě (1. NTŽK) je rovněž zahrnuto doplnění sítě GSM-R v uzlu Praha – pražské spojovací tratě včetně navýšení kapacity ústřednové části. Dále jsou zde zahrnuty odhadnuté náklady na zajištění vzájemného zálohování ústředen GSM-R v České a Slovenské republice. b) Vybavení vozidel Kalkulace na vybavení vozidel vychází z expertního odhadu na multifunkční terminál a nákladů spojených s vypracováním projektové dokumentace na jednotlivé řady vozidel. V současně době představují ŽKV ČD více jak 90% vozidel v traťové službě na tratích uvedených ve sdělení Ministerstva dopravy. V souladu s postupem využívání GSM-R pro řízení provozu bude proto nezbytné, aby se rovněž s možnou podporou z fondů ES v rámci Operačního programu Doprava odpovídajícím zařízením vybavili včas i ostatní dopravci.

12


Harmonogram a přehled nákladů předpokládané implementace aplikací v prostředí GSM-R v období 2007 až 2013 Priorita

Aplikace na vlastní aplikaci

Náklady ( mil. CZK) další přímo související

15

200*

1

Elektronický jízdní řád

2

Systém zpoplatnění ŽDC

45

3

Poloha vlaku s využitím satelitní navigace

4 5

Realizace Celkem 215

2007-2010

50**

95

2007-2010

30

200***

230

2007-2010

Měření a regulace spotřeby el. energie

45

200****

245

2008-2011

Staniční a traťové poměry

25

75

2009-2013

50*****

860 2,9 Mio. EUR

CELKEM

Vysvětlivky: *

předpoklad dobudování infrastruktury pro on-line update jízdního řádu (v úvahu připadají staniční zařízení WIFI)

**

náklady na „stacionární“ část systému (např. servery, vyhodnocovací část systému, apod.)

***

náklady na GPS přijímače/anténní moduly a stacionární část systému (servery, mapový portál, archivní databáze, apod.).

****

náklady na samotné elektroměry, čidla a rozvody

***** náklady na stacionární zázemí (servery) a naplnění databází

13


Harmonogram a přehled nákladů předpokládané implementace ETCS úrovně 2 v období 2007 až 2013 na tratích evropského železničního systému dle sdělení MD č. 111/2004 Sb. Priorita 1

2

3

4

Trať/Vozidla

Délka/počet (km/ks)

1. NTŽK Kolín - Břeclav - st. hr. A a SK Kolín - Praha - Děčín st. hr. vozidla 258 2. NTŽK + Č.Třebová Přerov Břeclav - Přerov Přerov - Petrovice u K - st. hr. . Č. Třebová - Přerov vozidla 59 3 NTŽK Praha - Plzeň Plzeň - Cheb Dětmarovice - Mosty u J. Polanka n.O. - Český Těšín 4. NTŽK - Praha - Tábor - České Budějovice Horní Dvořiště st. hr. A Praha - České Budějovice Č. Budějovice - H. Dvořiště - st. hr. Celkem infrastruktura: Celkem vozidla:

Náklady (mil. CZK)

478

2232

277 201

1187 1045 2064

316 100

1643 520

106 110

551 572 472

2008 – 9*) 2010*) 2008 - 2011

2010*) 2011*) 2011*) 2010 - 2013

312 114 106 53 39

998 365 339 170 125

2012**) 2012 **) 2013 **) 2013**)

226 169

723 541

2012**)

57

182

2013 **)

1332 317

Rok realizace

2536

186 Mio.EUR 5596 85 Mio.EUR

*) zahrnuje i úpravu detekčních systémů **) podle postupu staveb modernizace Poznámky k nákladům uvedeným v tabulce ETCS a) Vybavení infrastruktury • Jelikož dosud nejsou známy ceny komponent pro tento systém na našem trhu, je nutno vycházet ze zkušeností zahraničních správ (RFI), průzkumů UIC a prvních rámcových

14

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 informací z pilotního projektu. Pro stanovení měrných nákladů bylo využito střední cenové pásmo podle průzkumů UIC. • Předpokládaná doba realizace u 1. a 2. NTŽK je vázána na skutečný průběh pilotního projektu a schválení systému ETCS pro provoz v podmínkách železnice v České republice. Realizace na 3. a 4. NTŽK je vázána na průběh dílčích staveb modernizace. O časovém rozložení a délce realizací jednotlivých staveb systému ETCS bude nutno ještě vést diskuzi v souvislosti ze zkušenostmi z realizace pilotního projektu. Navržený časový průběh je optimální variantou, jejíž dosažení však dnes ještě nelze zaručit. b) Vybavení vozidel • Kalkulace vychází z expertního odhadu UNISIG provedeného pro Evropskou komisi.

Závěr S ohledem na existenci různých nekompatibilních rádiových systému v železniční síti České republiky a dnešní vybavenost české části evropské interoperabilní sítě automatickým traťovým zabezpečovacím zařízením dle přílohy B TSI CCS (zařízení typu LS) předbíhá časově i rozsahem implementace GSM-R budování ETCS. -

Urychlená realizace projektu ERTMS v České republice bude přínosem zejména pro zachování ekonomicky významné pozice železnice v tranzitní dopravě, zvýšení úrovně bezpečnosti železniční dopravy, zvýšení cestovní rychlosti a propustnosti tratí, efektivní řízení dopravy, splnění podmínek interoperability dle směrnic ES, přístup našich vozidel na železniční síť sousedních zemí, využití GSM-R pro další aplikace, zlepšení služeb zákazníkům, rozvoj českého železničního průmyslu s pozitivním dopadem na zaměstnanost.

Strategie rozvoje projektu ERTMS v České republice vychází z dnes známých dokumentů a kalkulací především zahraničních partnerů a podkladů Evropské komise. S ohledem na skutečnost, že specifikace ERTMS nejsou dosud plně stabilizovány a předpokládá se pohyb jednotkových nákladů spojených s pořízením základních komponentů, je nezbytná průběžná aktualizace této strategie.

Navržený časový harmonogram je podmíněn úspěšnou realizací pilotních projektů GSM-R a zejména ETCS a podle získaných zkušeností z těchto projektů bude muset být průběžně aktualizován, promítnutím a schválením navržené strategie do implementačního plánu ERTMS pro Českou republiku včetně jejího promítnutí do programových dokumentů Ministerstva dopravy na období 2007-2013, zajištěním potřebných finančních zdrojů.

V příloze 3 je uvedeno ekonomicko-technické zdůvodnění projektu ERTMS pro nejbližší období zahrnující především harmonogram na roky 2007 – 2010, který bude postupně upřesňován jak na základě vyhodnocení pilotních projektů, tak na základě informací získaných z dalších evropských projektů.

15


Přílohy: 1 – Stav v pokrytí železniční sítě komunikačními systémy k 1.1.2006 2 – Katalog aplikací v síti GSM-R navržených Aplikačním týmem ERTMS 3 – Ekonomicko-technické zdůvodnění ERTMS Literatura – seznam: • Směrnice ES o interoperabilitě HSL + CR • Technické specifikace pro interoperabilitu • Studie proveditelnosti zavedení systému GSM-R do provozu ČD, SUDOP Brno, 2000 • Aplikace evropského zabezpečovače ERTMS/ETCS v železniční síti ČD, 1. etapa, Studie proveditelnosti, VÚŽ, 2000 • Aplikace evropského zabezpečovače ERTMS/ETCS v železniční síti ČD, 2. etapa, Specifikace ETCS pro pilotní projekt, VÚŽ, 2001 • Koncepce radiofikace železničních tratí v ČR, ČD TÚDC, 2003 • Prezentace ČR u Evropské komise březen 2004, Prezentace Ing. Jan Komárek a prof. Petr Moos, Česká železniční infrastruktura – Nedílná součást Evropské interoperabilní sítě • Koncepce vybavení tratí III. a IV. koridoru a dalších tratí zařazených do evropského konvenčního železničního systému technickými prostředky pro zjišťování volnosti a obsazenosti kolejových úseků a systémem vlakového zabezpečovače, SUDOP Praha, 2004 • Studie implementace GSM-R v železniční infrastruktuře české železniční sítě SŽDC – Hans Bier, DB Netz, A.G., 2005 • Studie ČD-Telematika „Implementace systému GSM-R do prostředí Českých drah“, leden 2006

V Praze, červen 2006 Lektoroval: Ing. Jaroslav Vašátko poradce generálního ředitele ČD

16

Příloha č. 1

Stav v pokrytí železniční sítě komunikačními systémy

Příloha č. 2

Katalog navržených aplikací v síti GSM-R

P.Č.

Název aplikace

Využití

01

Datové přenosy pro ETCS

řízení a zabezpečení železničního provozu

02

Náhradní datové přenosy ústředního dálkového řízení (pro elektrodispečera)

zajištění ústředního ovládání bezobslužných rozvoden VN v případě výpadku základního přenosového systému

03

Diagnostika a technický stav vozidel

přenos naměřených a zpracovaných dat do IS aktuální přehled o technickém stavu vozidel

04

Zařízení pro zvýšení bezpečnosti provozu

možnost řešení funkce STOP pro jedoucí vlaky apod.

05

Aktivní odstavení hnacího vozidla

možnost operativního zásahu

06

Sledování polohy vozidla (vlaku, vozu)

Přenos informace o poloze vozidla získané pomocí GPS do centrálního IS

07

Sledování polohy zásilky

Přenos informace o poloze vybrané zásilky získané pomocí GPS do centrálního IS

08

09

10

Mobilní terminál pro čety obslužných nákladních vlaků MAČETA

CEVISO • SW modul na zařízení POP

IS soupravy osobního vlaku • Přenos mezi řídící mobilní jednotkou a centrálním IS

Podpora technologických procesů obslužných vlaků, zejména: • výkaz vozidel • změna složení • technické závady • doplňkové informace Mobilní část systému CEVISO • přenos informací mezi centrálním systémem a mobilní jednotkou • soupis vozů výchozího vlaku a změna složení • •

Datové přenosy do elektronických obsazovacích plánků v osobních vozech z ARES Přenos dat do informačního zařízení pro cestující v osobním vlaku - informace o zpoždění, o přípojích, příjezdu k nástupišti apod.

Příloha č. 2

11

12

13

Automatizované pracovní místo strojvedoucího

Datové přenosy pro napojení přenosných osobních pokladen mobilních pokladen POP a UNIPOK

Elektro dispečer

Přenos informací z centrálního informačního (řídícího) systému do mobilních aplikací • Sešitový jízdní řád • Rozkazy • Pomalé jízdy • • •

prodej jízdenek prodej rezervací jízdní řády, black listy apod.

•

Datové přenosy pro účely regulace a stabilizace napětí v trakční síti - kvalita trakčního napájení Datové přenosy informací o energetické náročnosti el. vozidel kontrola stavu pohonných hmot

• • •

On-line propojení pracoviště strojmistra s pracovištěm strojvedoucího Podpora plánování oběhů Podpora operativních změn v obězích

14

Automatizované pracoviště strojmistra

15

Náhradní datové přenosy mezi dvěma body

dočasné náhradní spojení mezi dvěma body např. při přerušení vedení

16

Komunikace pracovních čet v síti GSM-R

komunikace strojvedoucího MUV s pracovní četou a výpravčím

17

Datové přenosy pro kontinuální monitorování stavu trati

využití podle nainstalovaných měřících čidel

18

Video přenosy

monitorování prostorů pro cestující ve stanicích, na nástupištích, ve vozech, střežení důležitých objektů, zásilek, PZZ s možností přenosu i na HV

19

Komunikace servisních pracovníků v síti GSM-R

Komunikace servisních pracovníků zabezpečovacích zařízení a jejích dopravních prostředků s výpravčím

20

Komunikace MVTV v síti GSM-R

komunikace strojvedoucího MVTV s pracovní četou, s elektro dispečerem a výpravčím

• •

• 21

Datové přenosy na neobsazené žst. a zastávky

• •

Informační terminály pro cestující (vyhledání spojení, řazení vlaku, … ) Informační panely na nástupištích a v čekárnách ( informace o příjezdu a odjezdu vlaku, informace o zpoždění,…) Aktualizace vývěsného jízdního řádu

22

Připojení na interní síť přes GPRS

Umožnění přístupu na intranet, případně i na internet

23

Kamerové snímání pantografu projíždějících vlaků

Analýza poruch na třecích vložkách a hlášení poruch do centra řízení provozu, strojvedoucímu a servisního střediska

Příloha č. 2

24

Přenos z IHL

Okamžité varování centra řízení provozu,strojvedoucího a servisního střediska při vyhodnocení horkých ložisek a horkých kol

25

Diagnostické hlášení o stavu PZS

Přenos do servisního střediska

26

Monitorování stavu výhybek

Informace a kontrola účinnosti elektrického ohřevu vyhybky

27

Identifikace železničních vozů

Možnost přenosu na bázi GPRS z libovolných míst na trati bez pevného propojení

Servisní hlášení o poruchách

Přenos informací o vzniklých poruchách do servisního střediska. Potřebný materiál a servisní zaměstnanci mohou být připraveni před příjezdem vlaku. Zvýšení efektivity oprav.

28

Příloha č. 3

Ekonomicko-technické zdůvodnění Data a provozní charakteristika tratí Byla posuzována data především pro tratě zahrnující Koridor E (evropské koridory A – G dle návrhu „High Level Group ERTMS“ pod vedením evropského koordinátora ERTMS pana Karla Vincka). Koridor E na území ČR zahrnuje tratě: Děčín-Praha-Brno-Břeclav a DěčínKolín-Havlíčkův Brod-Brno. Jeho součástí je IV. Panevropský železniční koridor, který je typický silně převažující nákladní dopravou (viz tabulka 1), s výjimkou těsného okolí Prahy, kde je silná příměstská doprava. Pro lepší průkaznost dat byl eliminován vliv příměstské dopravy v pražské aglomeraci, neboť se z hlediska komplexního vyhodnocení jedná o zanedbatelnou délku a došlo by tak ke snížení vypovídací hodnoty uvažovaných dat. V některých úsecích je již vyčerpána významná část přidělované kapacity železniční tratě. Současně je typická v porovnání se silniční dopravou nižší spolehlivost železniční dopravy, a to zejména z hlediska dodržování času dodání. I přes tento nepříznivý jev je patrný trend růstu mezinárodní nákladní dopravy (viz tabulka 2). Tato skutečnost jen potvrzuje rostoucí význam této železniční nákladní magistrály. VI. panevropský železniční koridor včetně spojovací větve Přerov - Česká Třebová, kde navazuje na IV. Panevropský železniční koridor, lze na základě statistického vyhodnocení dat považovat za trať se silnou nákladní dopravou. Ta je silně převažující i přes skutečnost, že ve významné části je po koridoru vedena i příměstská doprava ostravské aglomerace. I zde je pro zvýšení plynulosti a spolehlivosti nákladní dopravy nutné zlepšit řízení železniční dopravy, a to v evropském pohledu, neboť významnou část železniční nákladní dopravy představuje mezinárodní nákladní doprava mezi Rakouskem, Polskem, Slovenskem a Českou republikou, a to včetně tranzitu z Polska do Rakouska. Výběr dat Vybraná data představují střední hodnoty jednotlivých úseků s již uvedenou eliminací vlivu příměstské dopravy v okolí pražské aglomerace. Data vycházejí z údajů „Provozního zatížení tratí za rok 2005“, vydaného SŽDC, s.o., a z údajů získaných v rámci řešení projektu TREND. Bylo uvažováno jednosměrné zatížení železniční sítě, v opačném směru jsou vykazovány obdobné hodnoty. Pro zvýšení vypovídací schopnosti jsou v % udány poměry nákladní dopravy z celkové realizované dopravy na příslušném úseku. Poměr byl vypočítán z údajů vypovídající o zatížení trati, neboť zde existuje jasná relace k celkové kapacitě i využití vlaku. a) GSM-R Pro urychlené zavedení GSM-R hovoří zejména následující důvody: • • •

v současné době je v provozu větší počet vzájemně nekompatibilních systémů, část panevropských železničních koridorů není na území ČR pokryta žádným komunikačním systémem, potřeba urychlené implementace TSI TAF, které nepřímo předpokládá tratě vybavené GSM-R,

Příloha č. 3

•

implementace GSM-R je nutným předpokladem pro vybudování ETCS 2. úrovně, jako nutného postupného kroku k posílení interoperability,

• •

zvýšení spolehlivosti a bezpečnosti železniční dopravy, zlepšení řízení železniční dopravy díky možnosti implementace souvisejících aplikací.

s přínosy:

Pozdější implementace GSM-R má zejména následující rizika: • • • • •

zpoždění budování ERTMS jako celku, nedosažení potřebné úrovně interoperability, nenaplnění platného TSI subsystému řízení a zabezpečení, nemožnost naplnit TSI subsystému telematické aplikace pro nákladní dopravu, snížení spolehlivosti a bezpečnosti železniční dopravy v důsledku zaostávání současných komunikačních systémů, které TSI zakazují modernizovat a dále rozvíjet.

b) ETCS 2. úrovně Z analýzy dat vyplynuly zejména následující skutečnosti. Implementace ERTMS bude mít zejména následující přínosy pro železniční nákladní dopravu (ale i dopravu osobní): • zlepšení řízení provozu na železničním koridoru, • zvýšení jeho propustnosti, • zkrácení jízdních dob mezinárodních nákladních i osobních vlaků, • zvýšení spolehlivosti a bezpečnosti železniční dopravy, • zvýšení atraktivity koridoru pro vedení vlaků intermodální dopravy, • zvýšení efektivity využití hnacích vozidel, • zlepšení služeb zákazníkům, • stabilizaci ceny za přepravu. Na základě výše uvedených předpokladů lze předpokládat zvýšení zájmu o železniční dopravu a v důsledku této skutečnosti další postupný nárůst využití železničního koridoru. Implementace ERTMS je nezbytým postupným krokem v procesu budování interoperabilní železnice. Je zřejmé, že výše uvedených přínosů lze dosáhnout pouze při komplexním řešení zahrnujícím celý systém, tj. infrastrukturu, vozidla a základní související aplikace. Nezavedení ERTMS by mohlo mít za následek zejména následující skutečnosti: • Koridor E by nemohl být interoperabilní, • v důsledku toho by došlo k odklonu nákladních vlaků na alternativní trasy mimo území ČR, které jsou delší, • prodloužení jízdních dob by mělo za následek další odliv zboží ze železnice na silnici, • bylo by nutné vynaložit významné finanční prostředky na zvýšení kapacity silniční infrastruktury, to vše se silnými negativními dopady na životní prostředí.

Analýza koridoru E, VI.panevropského koridoru a spojovací větve mezi IV a VI. panevropským koridorem Rok 2005 Nákladní Délka (km) doprava (mil. htkm) Děčín-Praha 141 Děčín-Kolín 172 Praha-Č.Třebová 164 Č.Třebová-Přerov 110 Ostrava-Přerov 84 Přerov-Břeclav 100 Č.Třebová-Brno 91 Kolín-Brno 195 Brno-Břeclav 59

podíl nákladní dopravy (%)

Traťový úsek

14 21 12 10 23 7 4 7 8

počet nákladních vlaků/den

využití kapacity z toho intermodálních tratě

počet vlaků

77% 84% 67% 66% 79% 70% 58% 63% 67%

71 137 146 49 79 52 38 41 75

16 39 18 8 6 8 8 21 31

tratě zahrnuté do koridoru E trať VI.panevropského koridoru spojovací trať mezi koridory IV a VI

Přeshraniční nákladní doprava Objem nákladní Podíl nákladní Hraniční přechod dopravy dopravy (mil. htkm) Děčín Břeclav, Kúty Břeclav, Hohenau

9 7 12

81% 78% 80%

Počet nákladních vlaků

Předpokládaný nárůst objemu nákladní z toho dopravy 2003-2008 intermodálních (%)

celkem 97 78 106

61 26 2

20 29 32

60 71 65 67 60 40 43 42 60


Aleš Lieskovský, Ivo Myslivec, Pavel Špaček

ETCS a AVV spolupráce, nikoliv konkurence

Klíčová slova: ETCS, AVV, vlakový zabezpečovač, automatizace jízdy vlaku

Úvod Od okamžiku, kdy se rozhodlo o zavedení systému ETCS v ČR, se objevují nesprávné názory na vztah obou systémů. I když obě zařízení mají podobné vnější projevy, je jejich určení rozdílné. Ale právě rozdílnost určení z nich dělá dokonalou dvojici, která společně pokrývá téměř celý rozsah činnosti strojvedoucího během jízdy vlaku.

ATP-ATC-ATO V současnosti se v oblasti zabezpečení a automatizace jízdy vlaku používají pojmy Automatic Train Protection (ATP), Automatic Train Control (ATC), Automatic Train Operation (ATO) a Automatic Train Driving (ATD). Jejich výklad bohužel není sjednocen, takže totéž zařízení je jedním autorem označeno jako ATC, zatímco jiným jako ATO. S ohledem na vývoj zabezpečovací techniky a snahu oddělit zabezpečovací systémy nové generace od jejich předchůdců proto uveďme správný význam těchto zkratek: • ATP - Automatic Train Protection - vlakové zabezpečovací zařízení „staršího“ typu, které některým svým parametrem neumožňuje být nazýváno jako ATC (viz dále), tj. zařízení bez souvislé kontroly rychlosti nebo zařízení se sice souvislou, avšak stupňovitou kontrolou rychlosti. • ATC - Automatic Train Control - vlakové zabezpečovací zařízení „novějšího“ typu, mající souvislou kontrolu rychlosti a používající brzdné křivky (slovo „control“ tedy neznamená „řízení“ a je poněkud zavádějící). _________________________________________________________________________ Dr. Ing. Aleš Lieskovský, nar. 1964. Absolvent VŠDS Žilina, obor Elektrická trakce a energetika. V r. 1995 obhájil na VŠDS Žilina doktorskou práci z oblasti řídicích systémů hnacích vozidel. Do r.1996 ve VÚŽ, nyní v AŽD Praha s.r.o. Zabývá se vývojem automatizačních a diagnostických systémů pro drážní vozidla. Dr. Ing. Ivo Myslivec, nar.1967. Absolvent FEL ČVUT Praha, obor technická kybernetika. V r. 1995 obhájil na VŠDS Žilina doktorskou práci z oblasti řídicích systémů hnacích vozidel. Do r.1996 ve VÚŽ, nyní v AŽD Praha s.r.o. Zabývá se vývojem automatizačních a řídicích systémů pro drážní vozidla. Ing. Pavel Špaček, nar.1951. Absolvent FEL ČVUT Praha, obor technická kybernetika. V letech 1975-96 pracovník VÚŽ, nyní vedoucí odd. vývoje automatizačních a řídicích systémů pro kolejová hnací vozidla v AŽD Praha s.r.o.

1


• ATO - Automatic Train Operation - zařízení pro automatické řízení vlaku, tj. pro provozní ovládání pohonu a brzd (slovo „operation“ je použito místo již použitého slova „control“). • ATD - Automatic Train Driving - zařízení pro plně bezobslužný provoz vlaku. Pozn.: někteří autoři, zastávajíce spíše pozice jazykového purismu, zahrnují zde definované ATC pod ATP a o ATO hovoří jako o ATC.

ATC systém ETCS (level 2) ETCS (European Train Control System) je jednotný celoevropský systém pro zabezpečení jízdy vlaku. Z hlediska systematiky se jedná o vlakový zabezpečovač s úplnou souvislou kontrolou rychlosti, se smíšeným bodově - liniovým přenosem informací na vozidlo a se zpětným přenosem informací z vozidla do centrály. Slovo "control" v názvu lze chápat i tak, že ETCS - na rozdíl od starších vlakových zabezpečovačů - má mnohem širší vazbu do vozidla a ovládá i zařízení, na které klasický vlakový zabezpečovač vazbu nemá (např. sběrače, hlavní vypínač, ovládání dveří apod.). I přes tyto "mezioborové" vazby není ETCS schopen řídit vozidlo, tj. regulovat trakční výkon. Pouze (podle konkrétní aplikace) může být schopen zadávat požadavek na provozní brzdu (nikoliv však už regulovat brzdnou sílu této brzdy). Na vozidlo se z tratě, resp. z centrály, přenáší hlavně statický rychlostní profil (tj. rychlostní profil daný proměnnými i neproměnnými návěstidly) a tzv. Movement Authority (MA), tj. souřadnice bodu, do kterého má vlak oprávnění k jízdě. Další důležitou přenášenou informací je sklonový profil, který společně s údaji o brzdových schopnostech vlaku slouží mobilní části k vytváření dynamického rychlostního profilu a tedy i brzdných křivek pro konkrétní vlak a konkrétní situaci. Překročení každé křivky vyvolá určitou akci (výstraha, případné provozní brzdění, rychlobrzda). Pokud je aktivována provozní brzda, je její zrušení možné pouze zásahem strojvedoucího. Zásah nouzové brzdy pak vede k zastavení vlaku. V každém případě je zabezpečovačem vyvolaný zásah brzdy (i provozní, o nouzové ani nemluvě) z provozního hlediska nežádoucí a vede k narušení normálního průběhu jízdy.

ATO systém AVV AVV (Automatické vedení vlaku) je automatizační systém určený pro automatizaci řízení vozidel především na tratích v České republice. Jedná se o systém schopný aperiodicky navést vlak na určenou rychlost (vyšší či nižší než rychlost okamžitá), rychlost udržovat s přesností do 1 km/h, cílově zabrzdit do určeného místa (na nulovou i nenulovou rychlost) s vysokou přesností (přesnost zastavení 1 m, v případě brzdění na nenulovou rychlost pak dosažení této rychlosti právě s nulovým odrychlením) a řídit vlak tak, aby do následující stanice či zastávky dojel právě včas a s minimem spotřeby energie. AVV je tedy přímo určeno k řízení vlaku, je schopno ovládat trakční výkon, případnou dynamickou brzdu i brzdu samočinnou (pneumatickou).

2

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Na vozidlo se přenáší pouze informace o poloze vlaku na železniční síti, včetně informace o směru jízdy, a informace o kódu vlakového zabezpečovače (pokud je tato informace k dispozici). Všechny ostatní potřebné informace jsou uloženy v paměti systému, ať již v pevné paměti (traťová mapa, jízdní řád) či jako data zadaná strojvedoucím (či převzatá z tachografu) před započetím jízdy (např. číslo vlaku, délka vlaku, brzdicí procenta). Vytvářené brzdné křivky slouží pro řízené provozní brzdění. Vlak je na ně řízeně naveden, po nich veden a neměly by být překročeny. Před cílem je pak zavedeno řízené odbrzdění. Brzdění řízené systémem AVV je běžný provozní jev a je žádoucí, aby toto brzdění bylo zavedeno právě z důvodu zabránění zásahu vlakového zabezpečovače. Dále však AVV zajišťuje několik provozně důležitých funkcí, které do ETCS implementovány nejsou, neboť nejsou bezpečnostně relevantní. Je to např. brzdění do stanic a zastávek, ve kterých má daný vlak zastavit, či již zmiňované řízení průběhu jízdy s ohledem na dodržování grafikonu a minimalizaci spotřeby trakční energie. I když je vnitřními obvody zajištěno, že v případě poruchy se AVV zachová bezpečným směrem, není v žádné případě možno AVV považovat za zařízení bezpečné (fail-safe) či zabezpečovací. V každém případě musí být vozidlo vybaveno schváleným zabezpečovacím systémem a tento systém musí být během jízdy v provozu. Ovšem v případě poruchy zabezpečovače během jízdy není nutno systém AVV vypínat, zařízení pouze vyžaduje po strojvedoucím zadávání návěstních znaků ručně (musí ovšem fungovat systém orientace vlaku na trati, což je možné při stávajícím vybavení trati informačními body a vybavení vozidla jejich snímači). Vypnutí AVV by bylo nežádoucí z hlediska bezpečnosti jízdy, neboť strojvedoucí je již stresován výpadkem jednoho systému a AVV mu pomáhá dodržováním rychlostních omezení, jakožto i samočinným brzděním k návěstidlům, pokud strojvedoucí aktivně nezadá neomezující návěstní znak.

Bezpečnost a ekonomika provozu Ačkoliv oba systémy nepopiratelně přispívají ke zvýšení bezpečnosti a ekonomiky provozu, jsou jejich konkrétní přínosy opět duální a výtečně se doplňují. Jak již bylo řečeno, ETCS je zabezpečovací systém a jeho primárním úkolem je technicky zajistit bezpečnou jízdu vlaku. Bezpečnost je zajištěna aktivní činností systému, který kontroluje jízdu vlaku tak, aby v žádném místě tratě nebyla překročena rychlost dovolená návěstidly (proměnnými i neproměnnými), ani rychlost dovolená dalšími předpisy. Z hlediska vnitrostátního provozu v současných podmínkách je ekonomický přínos ETCS sekundární a dá se odhadnout z úspor, které vzniknou zabráněním nehod, jež by vznikly vinou nedokonalosti současného vlakového zabezpečovače a lidského faktoru. Naproti tomu AVV je automatizační systém, jehož hlavní činností je automatickým řízením vlaku lépe využívat parametrů tratě a vlaku a toto lepší využití, současně s přesným výpočtem očekávaného průběhu jízdy, převést v konečném důsledku na úsporu trakční energie. Přínos AVV k bezpečnosti provozu je v odbřemenění strojvedoucího od rutinní činnosti. Strojvedoucí se tudíž může plně věnovat situaci na trati a zjišťovat, zda-li nehrozí nějaká kolizní situace, která nevyplývá přímo z dopravní situace a kterou tudíž ETCS nemůže zjistit a reagovat na ni (např. pohyb osob v kolejišti, silniční vozidlo uvázlé na přejezdu, poškozená trať či trolejové vedení, uvolněný náklad na protijedoucím vlaku atd.)

3


Spolupráce systémů ETCS + AVV Z uvedeného textu je zatím vidět, že obě zařízení nemají společné výstupní funkce, tudíž nelze jedno nahradit druhým. Obě zařízení se však vzájemně funkčně doplňují. Na druhou stranu je možné využít přenosový kanál systému ETCS pro přenos dat pro AVV, tj. předávat informace o poslední přijaté skupině balíz a nahradit tím současné informační body MIB 6 (obdobný přenos informací ze systému ATP do ATO se využívá i v systému LZA, provozovaném v pražském metru na trati A). Srovnání činnosti strojvedoucího na vozidle bez AVV a s AVV: činnost pokyn k rozjezdu řízení rozjezdu dosažení a jízda Vmax brzdění k omezení rychlosti navedení a jízda omez. rychlostí pokyn ke zvýšení rychlosti řízení rozjezdu výběh před zastavením (s ohledem na dojezd "právě včas") vjezd omezenou rychlostí zastavení ve stanici

ETCS bez AVV člověk ETCS x x x x

BK BK BK BK

x x

BK

x x

BK

ETCS s AVV člověk AVV ETCS x x BK x BK x BK x BK x x BK x x x

BK

x - provádí BK - bezpečně kontroluje Je tedy vidět, že používáním systému AVV nejsou nijak dotčeny funkce vykonávané systémem ETCS. Zároveň je ale vidět, že samotný systém ETCS nesnižuje pracovní zatížení strojvedoucího, tj. strojvedoucí se musí aktivně zabývat řízením vozidla, místo aby především sledoval situaci na trati a zvyšoval tak aktivní bezpečnost provozu. Z výsledků simulací i prvních pilotních nasazení v zahraničí jsou dokonce poznatky, že strojvedoucímu je předáváno podstatně více informací, než tomu bylo dříve, a pracovní zatížení strojvedoucího tak paradoxně roste. V případě, že vozidlo bude vybaveno oběma systémy, se systém AVV musí chovat tak, aby nedošlo k zásahu vlakového zabezpečovače. To je zajištěno jednak tím, že oba systémy používají společný systém orientace na trati (tím je omezen zásah vlakového zabezpečovače z důvodu odlišného vyhodnocení polohy vozidla na síti), dále shodným nastavením průměru kol v obou systémech pro zajištění co největší shody v měření rychlosti (toto nastavení se ovšem provádí individuálně pro každý systém a shodu nastavení musí zajistit pracovník údržby) a v neposlední řadě i předáváním parametrů, podle nichž ETCS generuje brzdné křivky, do AVV. Tím, že AVV automatizuje řízení jízdy, tedy dochází ke značnému snížení pracovního zatížení strojvedoucího.

4


Realizace spolupráce ETCS + AVV na vozidlech pilotního projektu ETCS V pilotním projektu ETCS ČD se uvažuje ověřit spolupráci mezi oběma systémy na vozidlech 471/971 a 362. El. jednotka 471/971 je systémem AVV již vybavena, ale je velmi obtížné tuto jednotku uvolnit z pravidelného oběhu pro provádění dlouhodobých a náročných zkoušek. Proto bylo rozhodnuto vybavit systémem AVV i jednu lokomotivu ř. 362, kterých je sice také nedostatek, ale lze očekávat rozšíření jejich počtu úpravou lokomotivy ř. 363. Obě zařízení budou propojena sériovou linkou RS422, která umožní z ETCS do AVV předávat informace o statickém rychlostním profilu, okamžité poloze vlaku a parametrech vlaku (např. délka, brzdicí procenta apod.). Zatímco rychlostní profil a poloha jsou předávány trvale, parametry vlaku jsou předány před začátkem jízdy a poté v určitých časových intervalech. Obráceným směrem (do ETCS) půjde jen potvrzení o bezchybném příjmu dat. Vozidla budou vybavena kompletní výbavou AVV, tj. včetně snímačů původních informačních bodů. Důvodem je jednak porovnání přesnosti určování polohy z obou systémů (dodavatel ETCS zatím např. nebyl schopen garantovat dobu, za jakou předá systému AVV informaci o průjezdu nad balízou), ale hlavně skutečnost, že pilotní úsek ETCS pokrývá jen malou část trasy, na které je možno AVV využívat.

Závěr Z dostupných podkladů vyplývá, že systém ETCS nebyl doposud ještě nikdy navázán na automatizační systém pro řízení jízdy (protože takový systém na zahraničních železnicích neexistuje). Bylo potřeba navrhnout rozhraní mezi oběma systémy (jak na fyzické, tak na logické úrovni) a zajistit též vhodný výstup pro strojvedoucího (na pultě strojvedoucího je již nouze o místo). Jelikož v pilotním projektu dojde na realizaci palubní části ETCS jak na vozidle bez AVV (lokomotiva ř. 151), tak na vozidlech s AVV, bude možno konkrétně porovnat přínosy této spolupráce, a to jak na technické úrovni (např. srovnáním četnosti zásahů ETCS v obou případech), tak v dopadu na pracovní zatížení strojvedoucích (např. tím, zda-li strojvedoucí budou AVV zapínat či pojedou raději "na ruku").

5


Literatura 1. POSPÍŠIL, M., ŠULA, B.: Automatické řízení trakčních vozidel. Sborník prací Výzkumného ústavu železničního,1974, sv.1, s.7-28. 2. ŠULA, B.: Einfluss der Fahrtechnik auf den Energieverbrauch eines Personenzuges. Elektrische Bahnen, 1990, no.4. 3. ŠULA, B.: Cílové brzdění a automatické vedení vlaku u ČD. Nová železniční technika,1996,č.2. 4. LIESKOVSKÝ, A.: Styk mikropočítačového řídicího systému moderních hnacích vozidel s technickým okolím a obsluhou. Doktorská disertační práce. Žilina, VŠDS, 1995. 5. MYSLIVEC, I.: Příspěvek k řešení traťové části vlakových automatizačních a zabezpečovacích zařízení včetně prostředků pro tvorby mapy tratě pro vozidlo. Doktorská disertační práce. Žilina, VŠDS, 1995. 6. LIESKOVSKÝ, A., MYSLIVEC, I., ŠULA, B. Moderní řídicí systémy hnacích vozidel Českých drah. Automatizace č.8 ,1996 7. MYSLIVEC, I., ŠPAČEK, P., ŠULA, B.: Automatické vedení vlaku AVV. Vědeckotechnický sborník č. 5, VÚŽ,1998 8. CHUDÁČEK, V., LOCHMAN, L.: Vlakový zabezpečovací systém ERTMS/ETCS (1. a 2. část). Vědeckotechnický sborník č. 5 a č. 7, VÚŽ, 1998 a 1999 9. LIESKOVSKÝ, A.: Pilotní projekt ČD ETCS, mobilní části - rozhraní k vozidlu. Sborník 2. konference Moderní technologie a diagnostika v železniční telekomunikační a zabezpečovací technice, České Budějovice, 2005 10. LIESKOVSKÝ, A.: Automatické vedení vlaků Českých drah. Automatizace č. 10, str. 40, 2004

V Praze, červen 2006 Lektoroval: Ing. Petr Varadinov, SŽDC

6


Petr Červinka1

Zavedení technických specifikací interoperability pro telematické aplikace v nákladní dopravě u ČD, a.s. Klíčová slova: interoperabilita, technické specifikace, dopravní telematika, nákladní přeprava.

1.

Úvod

Technické specifikace pro interoperabilitu (TSI) telematických aplikací pro nákladní dopravu (TAF) jsou jedním z mnoha nástrojů, kterými Evropská komise prosazuje svou dopravní politiku v železničním sektoru. Její součástí je princip volného přístupu vzájemně si konkurujících dopravních podniků na veřejnou železniční dopravní cestu. Logickou podmínkou volného přístupu je v celoevropském měřítku zvláště technická interoperabilita všech hráčů na trhu. Železniční doprava je specifická v tom, že vyžaduje velké množství interakcí mezi dopravcem (RU) a provozovatelem infrastruktury (IM) i mezi spolupracujícími RU a IM navzájem. Efektivní zajištění těchto interakcí je zvládnutelné jen díky nasazení informačních a komunikačních technologií. Specifikace TAF byly vypracovány pro standardizaci rozhraní mezi informačními systémy RU a IM v sektoru nákladní dopravy. Vedle aspektu liberalizace je dalším hlavním motivem pro zavedení TAF jeho očekávaný pozitivní důsledek na kvalitu železniční nákladní přepravy. Jde především o její spolehlivost (případně předpověditelnost) a dále o dostupnost informací o jejím průběhu. Tím, že TAF nutí všechny účastníky plně informačně pokrýt většinu fyzických událostí, vznikne možnost racionalizovat provozní činnosti. Přesné plánování umožní optimální využití technických prostředků a personálu. To by mělo přinést i výrazné úspory a zvýšit konkurenceschopnost železnice jako oboru dopravy.

2.

Legislativní základ

Evropská komise reguluje oblast železniční dopravy s cílem dosáhnout technické i provozní interoperability pomocí série postupně se zpřesňujících legislativních opatření. První vlaštovkou byla směrnice 96/48/ES o interoperabilitě transevropského vysokorychlostního železničního systému, týkající se však jen části osobní přepravy. Směrnice 2001/16/ES má již záběr širší. Definuje základní požadavky na interoperabilitu transevropského konvenčního železničního systému a to včetně dopravy nákladní. V tomto dokumentu se poprvé objevují Petr Červinka, Ing., 1965, Vysoká škola dopravy a spojů, obor Provoz a ekonomika železniční dopravy, Žilina. Pracuje jako systémový specialista se zaměřením na mezinárodní výměnu dat zvláště pro nákladní dopravu na odboru strategie a informatiky Generálního ředitelství ČD, a.s.

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 principiální požadavky na využití telematiky v nákladní přepravě, jakož i na ostatní subsystémy. Současně se deklaruje potřeba zpracovat TSI pro každý z definovaných subsystémů. Zpracováním návrhu TSI TAF byla pověřena Evropská asociace pro železniční interoperabilitu (AEIF), která k tomuto účelu založila specializovanou expertní skupinu. V roce 2004 byly obě výše uvedené směrnice novelizovány směrnicí číslo 2004/50/ES. Tato směrnice reflektuje mimo jiné zřízení Evropské železniční agentury (ERA). Jedním z úkolů ERA je převzít štafetu AEIF a pokračovat ve zpracování nových TSI a posléze udržovat již vydané specifikace. Důležitou změnou je také to, že působnost TSI se rozšiřuje na všechny tratě Společenství, nejen na vybranou síť. Legislativní proces posléze postupoval dalšími kroky. Nejdůležitějším počinem bylo finální vydání vlastních specifikací TAF. Po obsahové stránce je dokument stabilní již od listopadu 2004. Dosti dlouho však trvalo, než byl projednán, schválen (v prosinci 2005) a posléze přeložen do všech úředních jazyků členských zemí EU. Tento proces byl završen 18.1.2006, kdy specifikace TAF vstoupily v platnost vydáním v Úředním věstníku EU. Zajímavé je to, že TAF byly jako zatím jediné TSI vydány formou nařízení (adresovaného spíše specifickému okruhu firem) a ne formou rozhodnutí (adresovaného členským státům). Smyslem tohoto opatření bylo zajistit okamžitý účinek na všechny relevantní subjekty v celé Unii. Specifikace TAF jsou tedy závazné a jejich realizace povinná. Na druhé straně však zatím neexistuje žádný sankční nástroj. Pokud by nějaký podnik tuto legislativu ignoroval, nebo byl ve zpoždění oproti plánu, nehrozí mu žádný postih. Podle zástupců ERA by však Evropská komise, pokud to bude nutné, mohla nějaké opatření zavést, například formou neudělení licence.

3.

Strategický evropský plán implementace

Vydáním v Úředním věstníku EU jsou TAF platné a závazné pro všechny subjekty, podílející se na železniční nákladní dopravě v kterékoliv členské zemi EU. Na druhé straně si je však Evropská komise vědomá toho, že splnění podmínek stanovených TAF je časově i investičně velmi náročný cíl. Proto uvedená legislativa ani neočekává, že by některý podnik byl schopen tyto specifikace splnit ihned. Naopak se předpokládá relativně dlouhé období (až 10 let) pro postupnou implementaci TAF. Vzhledem k velkému počtu různorodých hráčů na evropském železničním trhu bude pro plošné nasazení TAF klíčová koordinace postupu u všech dotčených podniků. Proto nařízení k TAF přímo požaduje, aby orgány zastupující evropský železniční sektor zpracovaly Strategický evropský plán implementace (Strategic European Deployment Plan - SEDP). Požadovaný plán má být předložen Evropské komisi do 18. ledna 2007. Plán musí obsahovat údaje o tom, jakým způsobem a v jakých postupných krocích evropští dopravci a správci infrastruktur hodlají TAF realizovat. To také znamená, že každý RU, provozující železniční nákladní dopravu, a každý IM má povinnost do 18. ledna 2007 zpracovat vlastní plán realizace TAF. Tyto dílčí plány musí být navzájem koordinovány a synchronizovány s ostatními podniky tak, aby bylo dosaženo maximálního efektu a minimálních nákladů pro železniční sektor jako celek. Předmětem SEDP je celá řada aktivit: zpracování přehledu existujících aplikací, definice funkčních a datových požadavků, určení systémové architektury, definice technických rozhraní, ujednání o plánu implementace včetně směrnic, návrh podpůrné organizace a v neposlední řadě i nalezení způsobu financování. K datu zpracování tohoto textu však byly provedeny jen některé přípravné práce a (kromě příkladu možného postupu uvedeného v kapitole 7.2 TAF) neexistuje

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 časový plán postupných kroků pro realizaci TAF. Vzhledem k velkému počtu neznámých tedy ještě nebylo možné zpracovat podrobnější plán implementace TAF u ČD, a.s.

4.

Funkční záběr TAF

Telematické aplikace lze obecně chápat jako souhrn informačních a komunikačních systémů, jejich datových a komunikačních rozhraní a v neposlední řadě jejich datové základny. V pojetí Směrnice 2001/16/ES jsou telematické aplikace pro nákladní dopravu definovány jen funkčně. Směrnice stanovila poměrně široký rozsah podsystému, přitom ale vlastní popis je velmi stručný. Zabírá jediný odstavec: „...zejména provozování informačních systémů (sledování nákladu a vlaku), systémů seřaďování, rezervačních, platebních a fakturačních systémů, zabezpečování návaznosti přepravy s ostatními druhy dopravy, vyhotovení a přenos elektronických doprovodných dokumentů“. Z tohoto zadání vycházela expertní skupina AEIF při zpracování specifikací TAF. V průběhu řešení byl přijat závěr nezabývat se platebními a fakturačními systémy, neboť komerční vztahy by neměly být předmětem regulace. Mimo TAF zůstaly i vztahy mezi RU a jejich zákazníky, neboť unifikace těchto rozhraní by omezila konkurenci (a mohla by přepravce odradit). Práce se koncentrovaly na informační podporu vztahů mezi RU a IM (především provozní procesy. Výsledné specifikace TAF obsahují celkem čtrnáct funkčních okruhů. Z toho prvních devět okruhů tvoří ucelené skupiny hlášení, pokrývající určitý proces, zbývajících pět okruhů popisuje další prvky, potřebné pro zajištění výměny dat a jejich kvalitu. Obsah funkčních okruhů je zřejmý z následujícího výčtu: 1. Údaje na nákladního listu - Nákladní list zákazníka - Vozový příkaz 2. Rychlá žádost o trasu - Žádost o trasu - Údaje o trase - Trasa potvrzena - Údaje o trase odmítnuty - Trasa zrušena - Trasa není k dispozici - Potvrzení hlášení 3. Příprava vlaku - Řazení vlaku - Vlak akceptován - Vlak nevyhovuje - Vlak připraven - Poloha vlaku - Vlak vyjel - Informace o jízdě vlaku 4. Prognóza jízdy vlaku - Prognóza jízdy vlaku - Informace o jízdě vlaku


5. Informace v případě narušení provozu - Jízda vlaku přerušena 6. Umístění vlaku - Dotaz ohledně jedoucího vlaku - Dotaz ohledně zpoždění/průběhu jízdy vlaku - Dotaz ohledně identifikaci vlaku - Žádost ohledně prognózy vlaku - Dotaz ohledně vlaky v místě hlášení 7. ETI/ETA vozu/intermodální jednotky - Výpočet a hlášení ETI - Výpočet a hlášení ETA - Varovná zpráva - Dotaz na odchylku vozů - Informace o jízdě vozu 8. Pohyb vozu - Oznámení o připravenosti vozu k odsunu - Oznámení o odjezdu vozu - Zpráva o příjezdu vozu do seřaďovacího nádraží - Zpráva o odjezdu vozu ze seřaďovacího nádraží - Zpráva o vozové mimořádnosti - Žádost o novou ETI/ETA - Oznámení o příjezdu vozu do stanice určení - Oznámení o přistavení vozu příjemci 9. Vykazování střídání - Oznámení o předání vozu ve výměnné stanici - Oznámení o převzetí vozu ve výměnné stanici - Zpráva o převzetí vozu - Zpráva o odmítnutí vozu 10. Výměna údajů za účelem zlepšení kvality - Čas a spolehlivost přepravy - Čas dopravy a přepracování - Kvalita jízdy vlaků - Volnost / využívání tras - Rychlé přidělení trasy - Kvalita složení vlaku 11. Hlavní referenční údaje - Databáze informací o omezeních na infrastruktuře - Referenční databáze kolejových vozidel - Provozní údaje o kolejových vozidlech 12. Různé referenční soubory a databáze - Referenční soubor služeb poskytovaných v mimořádných situacích - Referenční soubor kódů pro všechny IM, RU a poskytovatele služeb - Referenční soubor pro přepravce - Referenční soubor kódů lokalit - Referenční soubor kódů lokalit zákazníků


- Referenční soubor všech existujících systémů řízení vlaků - Referenční soubor nebezpečných věcí - Referenční soubor všech typů lokomotiv - Referenční soubor všech kódů pro zboží - Referenční soubor všech evropských opraven - Referenční soubor všech evropských kontrolních orgánů - Referenční soubor všech evropských licencovaných operátorů - Provozní databáze vozů a intermodálních jednotek - Databáze plánů přepravy - Databáze vlaků 13. Předávání dokumentů v elektronické podobě 14. Sítě a komunikace Z tohoto přehledu je zřejmé, že název Telematické aplikace pro nákladní dopravu není přesný, neboť nejde jen o nákladní dopravu. Specifikace TAF totiž zdaleka nepostihují jen nákladní RU, ale ukládají nemalou řadu povinností i provozovatelům infrastruktury (IM). Z celkem 46 hlášení, definovaných TAF, se 27 týká IM (tedy IM je buď odesílatel, nebo příjemce hlášení). TSI TAF může být důležitým podkladem i pro dopravce v osobní přepravě. Je pravděpodobné, že řešení vazby mezi RU a IM bude použito i pro specifikaci Telematických aplikací pro osobní dopravu (TAP), na jejichž tvorbě začíná ERA pracovat. Jde především o podporu procesů pro rychlé sjednávání tras, přípravu vlaku, informace o průběhu a prognóze jízdy vlaku, jakož i o specifikace Společného rozhraní.

5.

Zpřesnění specifikací TAF

Základní dokument TAF obsahuje 108 stran textu a tabulek. To může navodit dojem, že jde o podrobné specifikace, dostačující k realizaci. Opak je bohužel pravdou. Informatika je velmi přesná disciplína, vše musí být definováno do poslední podrobnosti, programy a databáze se nespokojí se s všeobecnými popisy. Vezmeme-li v úvahu, že specifikace jednoho elektronického hlášení zpravidla zabere několik desítek stran, pak v případě TAF s jeho 46 hlášeními a 18 databázemi a číselníky lze odhadovat rozsah potřebné dokumentace na řádově několik stovek stran. Samotné TAF předpokládají, že v rámci projektu SEDP dojde ke zpracování řady dalších doplňujících a zpřesňujících specifikací. Teprve poté bude možné zahájit realizaci tak, aby jednotlivé implementace byly kompatibilní a zamezilo se odlišným interpretacím zadání. S cílem zpřesnit a doplnit specifikace TAF byly aktivovány dvě dílčí aktivity. První se zabývala kódováním železničních objektů. Specifikace TAF totiž u řady datových prvků neurčily způsob kódování s tím, že je třeba jej vyvinout. Proto AEIF požádala Evropský výbor pro normalizaci (CEN) o zpracování potřebných kódovacích standardů. Protože vývoj a schválení Evropské normy (EN) trvá léta, použil CEN instrument ISSS (Information Society Standardisation System), jehož výsledkem je dokument CWA (CEN Workshop Agreement). CWA je jakýsi předstupeň EN, jehož zpracování je však mnohem jednodušší a rychlejší. Jde o zjednodušenou proceduru na základě konsensu zúčastněných partnerů. Původně byl CEN pověřen vývojem sedmi CWA: -

pro číslování a kódovací systém pro identifikaci vozidel, pro číslování a kódovací systém pro trakční jednotky,


-

pro číslování a kódovací systém pro vlaky, pro numerické kódování IM, RU, dopravních organizací a firem, pro numerické kódování železničních lokalit, pro numerické kódování zákazníků nákladní přepravy, pro numerické kódování lokalit zákazníků.

Pro zpracování těchto CWA byly ustaveny čtyři pracovní skupiny, které byly otevřené pro všechny orgány a firmy „s přímým zájmem“. V rámci analýzy požadovaných standardů bylo zjištěno, že kódování identifikace vozidel i trakčních jednotek již bylo určeno jednou z příloh TSI pro Provoz (Operation), pročež byly tyto CWA vypuštěny. Pro ostatní objekty byly začátkem roku 2006 dokončeny tyto čtyři standardy: - CWA pro kódování železničních lokalit, - CWA pro kódování RU, IM a jiných společností podílejících se v dopravním řetězci, - CWA pro kódování zákazníků v železničním přepravním řetězci, - CWA pro kódování pro identifikaci vlaku. Tyto standardy většinou přebírají jako svůj základ kódovací principy obdobných vyhlášek UIC (zvláště 920-1 pro kódování železničních podniků, 920-2 pro kódování lokalit a 419-2 pro kódování nákladních vlaků) ovšem s tím, že kapacita kódu byla zpravidla rozšířena jeho kombinací s dalšími prvky. To je dobrá zpráva pro stávající aplikace a informační systémy. Druhým dílčím projektem pro zpřesnění TAF bylo zpracování chybějících funkčních specifikací. K tomuto účelu bylo v září 2005 ustaveno pět pracovních skupin: 1. plánování dopravy vozu, 2. provozní databáze vozů a intermodálních jednotek, 3. referenční soubory, 4. databáze omezení infrastruktury, 5. společné rozhraní. Členy pracovních skupin, vedených konzultanty AEIF se stali experti z železničního sektoru, včetně několika pracovníků ČD. Výsledkem půlroční činnosti těchto pracovních skupin jsou Specifikace funkčních požadavků (Functional Specifications Requirements, FRS). Bohužel ani tyto FRS neumožňují zahájit realizaci. Některé části byly rozpracovány podrobně, jiné se vlivem zcela odlišných názorů zúčastněných expertů v několika kruzích vrátily na svůj začátek. Řada zásadních otázek zůstala i nadále nezodpovězena, což platí i pro architekturu systému.

6.

Rizika implementace

Specifikace TAF popisují rozhraní mezi informačními systémy. Avšak vybudovat informační systémy zdaleka nestačí. Informační systém vždy podporuje určitou technologii, hlášení podporují určité vazby. Proto specifikace TAF obsahují i popis technologických procesů, model spolupráce mezi RU a IM, mezi vedoucím dopravcem (LRU) a dalšími RU, i mezi jednotlivými IM. Zavedení TAF bez současného zavedení odpovídající technologie by způsobilo, že ekonomické efekty realizace TAF by se vůbec nedostavily. Dalším úskalím je, že technologický model TAF sice vychází ze stejného politického zadání, jako ostatní liberalizační iniciativy (například nová úmluva COTIF), avšak například mezi TAF a CIM/CUV existuje řada odchylek. Vzniká otázka nadřazenosti či podřízenosti té které právní úpravy, přitom žádoucím řešením by byla legislativní harmonizace.

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Nelze nevidět, že Evropská komise nařídila RU a IM (finančně nákladnou) realizaci TAF, již ale neříká, kde na to tyto podniky mají vzít peníze. I při případném částečném financování z prostředků EU bude většina nákladů na ležet bedrech železničních společností. Přitom největší část výdajů (asi 2/3) ponesou RU a jen menší část IM (asi 1/3). Obvyklým argumentem pro investice je jejich návratnost. Je přinejmenším varovné, když samotný tým SEDP došel k závěru, že od implementace TAF lze čekat v prvních letech jen velmi malé přínosy: „Pokud by TSI-TAF neexistovalo, nedělat nic by mohlo být považováno skoro za lepší variantu“. Jako řešení navrhují realizovat nad rámec povinného minimálního rozsahu TAF množinu dalších přídavných funkčností. Tyto funkčnosti, kromě své technické složitosti, vykazují známky nerealistického odhadu konkurenční situace (například se předpokládá využití volné kapacity v nákladním vlaku určitého RU pro vozy konkurenčních RU). Kromě nákladů na implementaci TAF je třeba počítat s provozem a údržbou potřebných systémů. Opět nejde jen o informační systémy (software, hardware, komunikační prostředky). Zkušenost ukazuje, že významnou nákladovou položkou je i změna organizace práce, zřízení příslušných pracovních pozic, postupů a mechanismů. Při pohledu na výčet hlášení a jejich četnost je třeba vidět za každým hlášením určitý úkon, který je třeba provést, údaj, který je třeba pořídit. Při plánování realizace TAF je potřebné také sledovat postoje ostatních železničních společností. Zdrojem takových informací jsou jednání různých orgánů UIC, RAILDATA a zvláště jednání o specifikacích TAF. Lze říci, že těchto jednání se zúčastňují zástupci jen relativně malého počtu tradičních RU a IM, odhadem jen z 10 až 15 členských zemí EU. Představitelé nových „privátních“ RU na žádném jednání dosud nebyli přítomni. Je zřejmé, že své náklady nezatěžují jakoukoli účastí na projektu, který byl vytvořen pro ulehčení jejich přístupu na trh. Všechny náklady tak hradí jen „tradiční“ železniční společnosti. Svůj vliv na tempo realizace TAF bude mít i odlišná úroveň současné informatiky u jednotlivých podniků. Ze zkušenosti s rychlostí budování informačních systémů a při omezených finančních i kapacitních prostředcích je vybudování plného rozsahu TAF v řadě zemí (nejde jen o nové členské země) krajně nepravděpodobné i v horizontu desetiletí. Potíž vzniká na rozhraní podniku, který TAF realizoval a podniku, který ještě potřebná data neposkytuje. Lze předpokládat, že „okrajový“ RU či IM bude muset tyto údaje pro navazující partnery na své náklady pořídit. Všechna uvedená rizika je možné vyřešit pomocí rozumné, nedogmatické implementace a vhodně zvolenými kroky. TAF má velký racionalizační potenciál a může zvýšit kvalitu a spolehlivost železniční přepravy. Tento potenciál mají i stávající mezinárodní aplikace, jejich slabinou však je jejich dobrovolnost (vedoucí k malému rozšíření a malému počtu funkcí) a nezdravá „demokracie“ v technické oblasti (vedoucí k nákladné různorodosti). Naopak právě tyto aspekty jsou silnými stránkami TAF. Jde o to se soustředit na racionální realizaci těch funkcí TAF, které zajistí prokazatelné a ekonomicky smysluplné přínosy v dohledné době. Přitom se přímo nabízí využít ty existující systémy, které jsou v souladu s funkčními požadavky TAF.

7.

Implementace TAF u ČD

ČD, a.s. pozorně sledují vývoj TAF již od fáze dokončování specifikací v roce 2004. Díky zastoupení v týmu AEIF jsme dokonce měli možnost ovlivnit tvorbu specifikací, byť jádro specifikací již bylo v té době hotové a možné již byly jen kosmetické změny. Implementace TAF je přitom posuzována komplexně, současně s ostatními TSI. Základním podkladem pro projekt implementace všech TSI je „Opatření generálního ředitele Českých drah,

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 a.s. k zabezpečení systémového řešení aplikace železniční interoperability u organizace České dráhy, a.s.“ č.j.: 63 394/2004–O26, ze dne 15. prosince 2004. Na základě tohoto opatření byla 15.2.2005 zřízena Řídící komise pro zajištění koordinace činností pracovních skupin pro aplikování problematiky interoperability. Jednou z těchto pracovních skupin je i tým pro implementaci TAF, ustavený v únoru 2005. Členové pracovní skupiny pro TAF na úvod provedli „inventuru“ specifikací a dalších relevantních dokumentů. Mezi další aktivity patřila spolupráce na oficiálním překladu TAF do českého jazyka a zvláště podíl na zpracování kódovacích standardů v rámci prací CEN/ISSS. Důležitou rolí je „propagace a osvěta“ o specifikacích a nárocích TAF mezi příslušnými specialisty odborných útvarů ČD. V loňském roce byla také vyhotovena prvotní stručná analýza funkčního obsahu TAF a její porovnání s možnostmi existujících aplikací u ČD. Asi nejrozsáhlejší aktivitou byla účast specialistů ČD a ČD-T v expertních skupinách pro zpřesnění specifikací TAF v období září 2005 – duben 2006. Podařilo se nám obsadit všech pět pracovních skupin a většinou i smysluplně usměrnit jejich orientaci a výsledky. Dalším krokem projektu implementace TAF u ČD je spolupráce s týmem UIC/CER, který je pověřen navrhnout a koordinovat celoevropský plán realizace TAF – tzv. SEDP. V rámci této části projektu již ČD zpracovaly a předaly analytické údaje, požadované pro posouzení přínosů a nároků různých variant realizace TAF. Přesnější plán implementace TAF u ČD, a.s. zatím nebylo možné zpracovat, a to z několika důvodů: -

Stále ještě nebyly dokončeny potřebné technické specifikace. Jde zvláště o celkovou architekturu systému na evropské úrovni. Například se stále neví, které databáze budou existovat, které budou centrální a které si bude každý podnik muset vyvinout sám. Důležitým parametrem také bude to, zda se bude dogmaticky trvat na plném rozsahu naplnění hlášení, nebo budou jako povinné určeny jen vybrané položky.

-

Ještě nebyla uzavřena debata o rozsahu implementace. Tým SEDP přeložil cestou CER ředitelům nejvýznamnějších nákladních RU návrh na rozšíření implementace o další přídavné funkce nad povinný rámec TAF. Pokud se rozhodne o rozšíření záběru, bude to mít vliv na funkční vlastnosti aplikací i na postup realizace.

-

Nelze plánovat implementaci TAF izolovaně u jednoho podniku, je nutné počkat na zpracování celoevropského harmonogramu, který bude základem pro přípravu dílčích plánů jednotlivých RU a IM. Tato činnost bude předmětem projektu SEDP. Očekává se postupná realizace v několika etapách.

-

Aby bylo jakékoliv plánování reálné, musí být dořešena otázka financování. Současná výše ročního rozpočtu ČD, a.s., určeného na informační a komunikační technologie, implementaci TAF neumožní. Realizaci TAF by mohlo výrazně ulehčit přislíbené čerpání finančních prostředků z Operačního programu Doprava. I tak budou ale ČD muset nemalou část nákladů na vývoj a zejména provoz systémů hradit z vlastních zdrojů.

I přes výše uvedená omezení bylo možné provést úvodní hrubou analýzu potřeb implementace TAF u ČD. Analýza vzala v potaz jen část informačních systémů, jejich funkčnosti a rozhraní, včetně nástrojů pro zajištění potřebných dat. V rámci analýzy byla posouzena míra pokrytí požadovaných funkčností TAF (minimální, povinný rozsah) ve stávajících aplikacích ČD a odhadnut rozsah funkcí, které bude nutné vyvinout.

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Výsledek analýzy je nad rozsah tohoto dokumentu. Lze proto jen stručně shrnout výsledky: -

-

U asi 20 z celkem 47 typů hlášení TAF mají ČD obdobnou funkci ve stávajícím informačním systému (IS). Dnes sbírané informace ale mají odlišný obsah i formát, v některých případech nejsou dost podrobné. Řada stávajících systémů nepokrývá celou síť a kvalita dat často není dostatečná. U ostatních typů hlášení daná událost není sledována nebo proces vůbec neexistuje. TAF vychází ze striktního oddělení IM a RU, to však u ČD ještě plně neproběhlo: o Řada IS plní funkce, patřící jak do působnosti jak RU tak i IM o Některé procesy ještě neexistují, činnosti RU i IM jsou integrovány Největší výdaje se předpokládají u zajištění těchto funkčností: o podrobné sledování pohybů všech vozů (rozšíření výčtu sledovaných událostí, celoplošné sledování, časový režim blízký on-line, nasazení mobilních terminálů obslužných čet apod.), o systém pro celoplošné plánování dopravy všech ložených i prázdných vozů a kontrolu průběhu, o úpravy všech IS pro sledování složení vlaků, včetně dialogu pro přípravu jízdy vlaku a pro sledování jeho jízdy, o rozšíření databáze vozů včetně pořízení kvalitních dat (zvláště technických), včetně nástrojů pro jejich aktualizaci, o úpravy řady IS pro režim více dopravců a pro oddělení rolí, o vybudování a naplnění požadovaných databází, včetně jejich rozhraní. Byl zpracován kvalifikovaný odhad nákladů na realizaci TAF a to zvlášť na systémy a funkčnosti, patřící do oblasti RU a zvlášť na systémy a funkčnosti, patřící do oblasti IM. Na základě návrhu (příkladu) možného harmonogramu postupných kroků realizace TAF byl proveden rozpad potřebných investic do jednotlivých let 2007 – 2015.

Literatura: 1. Směrnice 2001/16/ES o interoperabilitě transevropského konvenčního železničního systému ze dne 19. 3. 2001. 2. Směrnice 2004/50/ES, z 29. 4. 2004, kterou se mění směrnice 96/48/ES o interoperabilitě transevropského vysokorychlostního železničního systému a směrnice 2001/16/ES o interoperabilitě transevropského konvenčního železničního systému. 3. Technické specifikace interoperability pro telematické aplikace nákladní přepravy (TAF TSI) schválená verze, publikovaná 18.1.2006 v OJ EU. 4. Opatření generálního ředitele Českých drah, a.s. k zabezpečení systémového řešení aplikace železniční interoperability u organizace České dráhy, a.s.“ č.j.: 63 394/2004–O26, ze dne 15. prosince 2004. 5. Hlavní zpráva pro ředitele podniků nákladní dopravy při jednání CER o TSI-TAF, 16. března 2006, letiště Frankfurt. 6.


Seznam zkratek: AEIF: Association Européenne pour l’Interopérabilité Ferroviaire, Evropská asociace pro železniční interoperabilitu CER: Community of European Railway and Infrastructure Companies, Společenství evropských železničních a infrastrukturních společností ERA: European Railway Agency, Evropská železniční agentura ETI: Estimated Time of Interchange, odhadovaný čas předání ETA: Estimated Time of Arrival, odhadovaný čas příjezdu FRS: Functional Requirements Specification, specifikace funkčních požadavků IM: Infrastructure Manager, provozovatel infrastruktury IS: Information System, informační systém LRU: Lead Railway Undertaking, hlavní železniční podnik (integrátor služeb) RU: Railway Undertaking, železniční podnik (dopravce) SEDP: Strategic European Deployment Plan, strategický evropský plán implementace TSI: Technical Specifications for Interoperability, technické specifikace pro interoperabilitu TAF: Telematic Application Freight, telematické aplikace pro nákladní dopravu

V Olomouci, červen 2006

Lektoroval: Ing. Petr Jindra ČD Telematika


Jaroslav Koziol, Martin Kopecký1

Ústřední dirigování vozů Klíčová slova: ÚDIV, dirigování, SPONA, vyrovnávka prázdných vozů, optimalizace, dopravní úloha, heuristické metody

Úvod Železniční nákladní doprava má velmi specifické procesy, které se zatím nedají přirovnat k žádnému jinému druhu dopravy. Jedním z nejvýraznějších specifik je způsob, jakým pokrývá požadavky na přepravu od zákazníků svým ložným prostorem, tedy nákladními vozy. Vozový park dnešních velkých železničních nákladních dopravců je založen na portfoliu obecně použitelných vozových řad (tedy skupin vozů, které mají společné technické, konstrukční i přepravní rysy). Specificky použitelné vozy jsou obvykle majetkem přímo zákazníka, který přepravu žádá, nebo poskytovatelů pronájmu vozů. Aby dopravce vyhověl přání zákazníka, musí mít aparát, který zajistí přistavení vozu, který zajistí přistavení správného vozu na správné místo a ve správném čase, čemuž se ve slangu říká dirigování. České dráhy v souvislosti s profilováním budoucích oddělených rolí (nákladní dopravce, osobní dopravce a provozovatel dopravní cesty) rozhodly v roce 2003 o restrukturalizaci svého aparátu pro řízení uvedených procesů (oddělení Hospodaření nákladními vozy Odboru nákladní dopravy). V souvislosti s tím logicky vznikla potřeba vyvinout i informační podporu pro nový aparát, který byl nazván zkratkou Ústřední dirigování vozů, tedy ÚDIV. Tato zkratka se nakonec vžila pro celou novou technologii.

1

Jaroslav Koziol, Ing., 1977, Dopravní fakulta Jana Pernera, postgraduální studium. Pracuje v OLTIS Group, a.s., jako programátor analytik. Martin Kopecký, Ing., 1972, VŠ dopravy a spojů, fakulta provozu a ekonomiky dopravy a spojů. Pracuje v TELEMATIKA, o.z. ČD-T a.s. jako vedoucí projektů IT.

1

Východiska V roce 2003 ČD používaly již mnoho let třístupňový model řízení dirigování, ve kterém existovaly určité výjimky pro „úzkoprofilové“ řady vozů (v té době především vozy řady Hbbillnss), dále pro technologicky výjimečné řady (kotlové vozy, izotermické vozy, vozy Interfrigo a Transfeza) a pro tzv. pánve, což jsou vozy, které se obvykle používají v soupravách pro ložení hromadných substrátů. Jednotlivá pracoviště byla rozdělena mezi železniční stanici, střední článek řízení (tehdy OPŘ) a Generální ředitelství ČD. Informační toky (prakticky vždy realizované pomocí telefonu) jsou uvedena na obrázku č.1.

Provozní dispečer

Sv do pánv e

Hlav ní vozov ý dispečer

Nepokryté požadavky oblasti

Přebytky vozů oblasti

Požadavk y

Hlavní disp. pro vozy zahr. železnic

Stav vozů

Vyrovnávkov ý úkol sítě

Požadav ky na vývoz

Požadavk y Požadav ky

Kontrolní voz. dispečer

Stav vozů Nepokryté požadavk y Požadavky + stav

Nepokryté požadavky okruhu Přebytky vozů okruhu Vyrovnávk ový úkol oblasti

Dispozice na zahr.vozy Vyrovnávkový úkol

Požadavky + stav Dispečer pro vozy zahr. žel.

Vozový dispečer

Dispečer pro pánev

Dispečer pro kotl. a isot. vozy

Stav, příp. dispozice Potřeba pro pánev

Dispozice

Dispozice Potřeba vozů

Stav

Přihlášk a nakládky

Potřeba + stav

Přepravce Vozový disponent

Zpráva o přichystání vozu

Obrázek 1: Diagram datových toků spojených s dirigováním prázdných vozů – původní stav Tento způsob řízení vedl logicky k situaci, kdy se maximum problémů s pokrytím řešilo bez vědomí vrcholového pracoviště. Jednoznačným negativem byla neprůhlednost celého procesu spojená s držením nadměrných rezerv prázdných vozů. Optimalizační procesy založené na dlouhodobém vyhodnocování složení vozového parku s cílem jeho revitalizace však vedly Odbor kolejových vozidel k radikálnímu snižování počtu vozů v dlouhodobě nevyužívaných řadách. Pokud se podíváme na tento proces z hlediska redukce počtu vozů, tak v druhé půli 90. let operovaly ČD s cca 45 tisíci nákladních vozů. Ve zmiňovaném roce 2003 už to bylo o 10 tisíc vozů méně. 2

Zároveň byly realizovány finančně náročné nákupy nových nákladních vozů, rekonstrukce starších na požadované parametry či pronájmy potřebných řad, pro jejichž nákup nebylo dostatek finančních prostředků. Od takto revitalizovaného parku se chtělo jediné – ekonomická rentabilita. To zvyšuje zátěž jediného centrálního pracoviště při stávající metodice bez jakékoli technologické podpory.

Nová technologie Nové řešení celého procesu dirigování bylo založeno na dvou základních rysech: • pouze dvouúrovňová organizační struktura, tedy pouze centrum a stanice, • rozdělení parku vozů na centrálním pracovišti ne podle regionu výskytu či určení, ale podle řad vozů, což respektuje produktovou orientaci celé nákladní dopravy pod hlavičkou vznikající společnosti ČD Cargo. Tyto zásadní rysy spolu přinesly i další vedlejší, o kterých bude ještě zmínka. V zásadě také určily, jak by mělo vypadat řešení IT podpory celé technologie, nazvané pro odlišení IS ÚDIV. Pracovní pozice byly nazvány v souladu se stávajícími předpisy, tedy disponent na úrovni stanice (lépe řečeno atrakčního obvodu stanice, kterých je na síti 103) a dispečer na úrovni centra (určeno 6 okruhů podle řad vozů). Prvním a nejdůležitějším úkolem pro definici nové technologie bylo určit rozhraní na okolí celého systému (tím se nemyslí systém informační). Z hlediska určení pozice nového aparátu se jednalo o definici vlastní náplně činností a následně o definici potřebných vstupů a výstupů celého systému. Náplň práce systému se dá charakterizovat následovně: • sběr požadavků na nákladní vozy dirigované ČD • přístup k informacím o stavu a určení vozu, o jejich parametrech a dalších údajích • pokrytí požadavku vhodným vozem • zajištění přistavení vozu zákazníkovi k nakládce • sledování a vyhodnocování jízdy prázdného vozu na požadavek Protože výše uvedená definice činností je velmi povrchní, musíme se nejprve zabývat podrobným rozborem jednotlivých bodů. Zároveň v důsledku prolínání technologie procesů dirigování a vlastního IS budeme popisovat v první části oba problémy současně. Sběr požadavků na nákladní vozy dirigované ČD Sběr požadavků na nákladní vozy je zajištěn procesem, který využívá tzv. podání formuláře Přihláška nakládky. Ten byl pro potřeby nové technologie modifikován (viz příloha 1). Zároveň ale v zájmu ušetření na první pohled zbytečné práce disponentů, kteří jsou pověřeni převedením Přihlášky nakládky do datové formy, bylo rozhodnuto o realizaci i jiných forem předání přihlášky do evidence (tedy do datové podoby v IS ÚDIV). Tyto formy jsou: • www formulář pro zadání údajů tiskopisu, přístupný z Portálu ČD Cargo pro definované zákazníky • datový soubor, obsahující údaje Přihlášky nakládky, předávaný zákazníkem přímo z jeho IS do IS ÚDIV. Jak uvidíme dále, takto zajištěný sběr dat umožňuje plánovat běh prázdného vozu ČD a tím i plánovat složení obsluh manipulačních míst, svozových a rozvozových vlaků a následně také relačních vlaků. Logicky ale chybí druhá strana celého procesu, kterou je přeprava jiných 3

vozů, než ČD dirigují. Jedná se o vozy soukromé, pronajaté a v některých případech i o vozy volného oběhu jiných železničních dopravních podniků. Analogicky byl tedy připraven Požadavek na přepravu, který vlastně znamená pouze zajištění místa v potřebných vlacích pro zákazníkem specifikované vozy. Ten nabude na významu až po zahrnutí všech vozů do IS ÚDIV, což se přepokládá na počátku roku 2007. Proces podání Přihlášky nakládky má svá pravidla. Ta především určují, kdy by měl zákazník požadavek předat, aby dopravce mohl zajistit správný vůz. Tyto lhůty vycházejí ze stávající legislativy, vlakotvorby a z nejnepříznivějších podmínek, které mohou nastat. To znamená, že zákazník může požadavek zadat i později a bude mu bez problémů vyhověno, pokud je odpovídající vůz k dispozici. Přístup k informacím o stavu a určení vozů, o jejich parametrech a dalších údajích Tato část technologie je téměř celá o zajištění potřebné IT podpory pro určená pracoviště. První, operativní část dat potřebují obě úrovně dirigování, ale každá z jiných důvodů. Dispečer je spolu s údaji technickými (především použitelnost vozu na vývoz a plánovaná příští revize vozu) využívá pro rozhodnutí o přidělení vozu na požadavek. Disponent je využívá především pro plánování obsluhy svého atrakčního obvodu a tím i k určení předpokládaného času přistavení vozu jak k nakládce u prázdných, tak k vykládce u ložených vozů. Vlastní technické řešení sledování pohybu a stavu vozu je popsáno dále. V zásadě lze ale říci, že se maximálně využívají již pořízená data v dalších systémech ČD, aby se minimalizovala potřeba pořizovat data duplicitně. Přesto však bylo nutné nově vyřešit problém zajištění údaje o plánovaném dojezdu do stanice určení. Proto byl vyvinut univerzální modul pro vyhledání spojení v nákladní dopravě, později nazvaný SPONA. Každý vůz volného oběhu ČD má tak dnes v IS spočítán plánovaný čas příjezdu do stanice určení, čímž se může dále plánovat jeho běh i v případě, že teď jede ložený. Tento čas příjezdu je během jízdy vozu korigován podle reálné situace. Zatím korekce nezahrnují problémy při jízdě vlaku, soustřeďují se pouze na sledování dodržování přechodu vozu ve vlakotvorných stanicích a na provozní stav vozu. Systém také zatím neuvažuje s kapacitou vlaku. Pokrytí požadavku vhodným vozem Znalost obou potřebných veličin (požadavky na vozy, stav, určení a předpokládaný dojezd vozu) umožňuje určovat pokrytí známých požadavků vhodnými vozy. Aby ČD dosáhly potřebný efekt snížení počtu pracovišť na centrální úrovni, bylo od počátku při vývoji IT podpory uvažováno o matematické optimalizaci pokrytí požadavků vozy. Dnes tak existují celkem 4 možnosti, jak požadavku zákazníka vyhovět (pokrývání uskutečňuje systém, dispečer zasahuje pouze v případě, kdy se ze závažných důvodů nemůže realizovat pokrytí stanovené systémem nebo v případě potřeby krytí požadavků přednostně): • Na základě specifické dohody se zákazníkem on sám do Přihlášky nakládky uvede konkrétní číslo vozu, čímž je pokrytí dáno ihned. • Požadavek dispečer sám na základě dostupných informací pokryje vhodným vozem (tzv. ruční pokrytí). • Dispečer při hledání vhodného vozu použije funkce systému, které mu nabídnou vhodný vůz (tzv. poloautomatické pokrytí). • Systém v určených časových horizontech provádí automatické pokrývání požadavků pomocí tzv. Optimalizace, která je podrobně popsána dále. Díky znalosti plánu dojezdu vozu se podařilo realizovat technologii pokrývání požadavků už v okamžiku, kdy vůz jede ještě se zásilkou do stanice určení. 4

Určení vozu na příslušný požadavek probíhá podle mnoha kritérií. Výsledkem v IT podpoře je přidělení konkrétního čísla vozu konkrétnímu požadavku. V provozu však ale není obvykle možné zajistit odjezd určeného čísla vozu (řazení vozů na koleji, vlečce apod.), takže skutečná dispozice pro stanici zní pouze na řadu vozu. Pokud je ze stanice vypraven jiný vůz stejných charakteristik, systém sám opraví číslo vozu. Tím je zachováno číselné dirigování vozů a zároveň systém nevyžaduje náročnou evidenci výskytu vozu na koleji, aby se vybral skutečně použitelný vůz. Zajištění přistavení vozu zákazníkovi k nakládce V předchozích bodech se podařilo zajistit vhodný vůz a teď je potřeba vůz přistavit k nakládce na zákazníkem určené místo. Aby k tomu došlo, je nutné nejprve znát jízdní řád obsluh jednotlivých manipulačních míst. Z něj vychází tzv. Plán obsluh, který už na základě znalosti doběhu prázdných a ložených vozů a jejich předpokládaného návratu určuje složení jednotlivých obsluh. Pokud nemá pravidelná obsluha vozy k odsunu či přistavení, je odřeknuta. Naopak při překročení kapacity obslužného vlaku či z jiných důvodů se může zavést mimořádná obsluha. Tím je proces plánování přepravy vozu završen. Na základě něj pak disponent, který plánuje obsluhy, vyhodnocuje skutečnost. Ta se ve většině případů načítá z již pořízených údajů v jiných systémech. Pokud ale není dostupná, musí disponent chybějící údaje doplnit (jedná se především o příjezd vozu do stanice, přistavení na manipulační místo a následný odsun). Sledování a vyhodnocování jízdy prázdného vozu na požadavek Tato činnost byla již zmíněna v části Přístup k informacím… Jde o sledování přepravy prázdného vozu pro případ, že by došlo k situaci, kdy vůz není schopen splnit plán přepravy a dojet do stanice nakládky. Sledování probíhá automaticky a dispečer je upozorňován na situace, které mohou vést ke vzniku problému. Dispečer pak musí hledat jiná řešení, která se dnes prakticky omezují pouze na zajištění jiného vozu. Rozhraní na okolí Z uvedených skutečností jednoznačně vyplývá rozhraní na okolí: • Dirigování se nezabývá smluvní a přepravní částí sjednání přepravy. Může však být podkladem pro sjednávání objemově významných smluv, aby nedocházelo k přijímání závazků, pro které ČD nemají potřebné vozy. • Dirigování se nezabývá provozními procesy vlastní přepravy vozu. Proces shromažďování vozů ve vlakotvorných stanicích, odbavení vozu při nakládce či vykládce, zařazení do vlaku, vyřazení z vlaku, technické prohlídky atd. jsou pouze vstupními údaji pro systém. Ten sám je ale nijak neovlivňuje. • Dirigování se nezabývá technicko-evidenčními procesy s nákladními vozy. • Dirigování také neřeší plánování sestavy vlaku, přechodu vozu z vlaku na vlak. Přesto ale všechny uvedené procesy samotné dirigování významně ovlivňují, takže je nutné o nich v IT podpoře vědět.

IS ÚDIV Vzhledem k očekávaným přínosům vyvolalo řešení IT podpory dirigování mnoho doprovodných činností, které z výše uvedených zásad nemusí nutně vyplývat. Informační systém vyžaduje poměrně velkou základnu kmenových dat a číselníků. Ty jsou buď jen importovány do systému (např. číselník zboží), nebo jsou v něm doplňovány o 5

potřebné údaje (např. číselník firem) nebo jsou v systému přímo vytvářeny (řady vozů, org. struktura). Systém využívá následující důležité číselníky: • číselník železničních dopravních podniků, soukromých drah v ČR a soukromých dopravců • číselník stanic, doplněný o org. strukturu dirigování (úrovně Celá síť – region – obvod disponenta – úsek – stanice – kolejová skupina) • číselník firem, doplněný o jejich vazby na stanice a kolejové skupiny • číselník vozových řad ÚDIV, které se dělí na základní (74 řad), souhrnné (zobecnění některých základních řad pro objednávku vozu – 11) a sumární (sumarizace řad především pro rozdělení vozů mezi dispečery – 35) • číselník pracovních míst a jejich oprávnění pro práci se systémem. Z dalších číselníků můžeme jmenovat: Druh kolejové skupiny, Provozní stav vozu, Důvod vyřazení vozu, Typ události, Druh směrování vozu, Stav směrování vozu apod. Díky této údajové základně se uživateli systému zobrazí pouze to, na co má definovaná práva. Dispečerovi se tak zobrazují pouze příslušné řady vozů na celé síti, disponentovi zase pouze jeho atrakční obvod se všemi vozy. Zároveň se přehledně zobrazí organizační struktura systému (tzv. navigátor – levá část okna aplikace).

Obrázek 2: Aplikační rozhraní IS ÚDIV V pravé části okna si pak uživatel volí oblast dynamických dat, které chce vidět: • výskyt vozu • doběh vozu (podle místa určení vozu) • plánovaný doběh vozu (podle plánovaného místa určení vozu) • objednávky • objednané vozy • vyrovnávka (pokrytí objednaných vozů skutečnými) • obsluhy • směny Je zřejmé, že uvedené uživatelské rozhraní je stejné pro obě úrovně řízení. 6

Pořizování a sledování údajů o vozech Stávající architektura IS ČD v oblasti nákladních vozů je poměrně rozmanitá. Zahrnuje jak nejnovější technologie pořizování dat prostřednictvím WWW rozhraní, tak zastaralé aplikace v prostředí MS-DOS udržované z důvodu finanční náročnosti obnovy HW či vývoje nového SW. Z obrázku 3 vyplývá pozice jednotlivých IS a aplikací v IS ČD. IS ČD Cargo - provozně přepravní část systému Centrální část IS ČD Cargo

A30, A38, A40, ISR Datová tržiště CEVIS ISOŘ/CDS

CNP

ISOČ

KNV

ÚDIV

Zásilka

Smlouvy

Vůz (evidence)

Vůz (dispozice)

Vlak/Vůz (pohyb, stav)

ÚZ MIS

WIC

PD CEVIS PD CEVIS NEW

CNP

KNV

ISOČ centrální

MIS

MIS

IT CEVIS

IS STP

WWW klient

ISOČ lokální

ÚDIV

Klient sdílení plochy

Obrázek 3: Konceptuální schéma datových toků v IS ČD Cargo Schéma popisuje vazby pro jednotlivé sledované objekty. Nezobrazuje vazby v centrální části systému, který je zatím beze zbytku realizován na serverech ČD - Telematika a.s. v Pardubicích, a tudíž umožňuje vzájemné úzké provázání datových základen všech systémů a aplikací. Výběr vozu pro Přihlášku nakládky Při výběru vozu se musí zohlednit mnoho kritérií, která nemusí nutně vyplynout ze zákazníkova požadavku. Pokud vezmeme jako základ položky z Přihlášky nakládky, můžeme tato kritéria názorně ilustrovat: • Časoprostorové hledisko – místo, na které má být vůz přistaven, a čas, kdy se má přistavení realizovat. To je zásadní hledisko pro přidělení vozu z pohledu dostupnosti místa. • Označení substrátu – předpokládané přepravované zboží může mít vliv na výběr vozu pro pokrytí požadavku zákazníka. Jedná se o případy, kdy je třeba vyhodnotit možnost přepravy konkrétního substrátu po předchozí přepravě. Toto označení zahrnuje i specifikaci nebezpečnosti zboží. Zároveň uvedené údaje mohou sloužit pro upozornění zákazníka na možný ZAN – zákaz nakládky. 7

• Řada a počet vozů – označením řady požadovaného vozu zákazník specifikuje technické parametry požadovaného vozidla (může zadat i první a druhou substituční řadu pro případ nedostatku vozů). Systému tím zároveň zadává množinu vozů, ze kterých může vůz vybírat. • Hmotnost zboží na jednom voze – pro vlastní dirigování nemá význam. Počítá se s jejím využitím při plánování následné ložené jízdy vozu. • Stanice určení zásilky – uvedené údaje mohou sloužit pro upozornění zákazníka na možný ZAN – zákaz nakládky. Počítá se s jejím využitím při plánování následné ložené jízdy vozu. • Železniční podnik určení zásilky – v případě, že se jedná o vývoz z ČR, může mít zásadní vliv na výběr vozu. Pravidla pro výběr vozu pro vývoz jsou přísnější a především zahrnují možnost využít i vůz jiné železniční správy (pokud s ní mají na toto využití ČD dohodu). Uvedené údaje opět mohou sloužit pro upozornění zákazníka na možný ZAN – zákaz nakládky a počítá se s jejím využitím při plánování následné ložené jízdy vozu. • Pohraniční přechodová stanice výstupní z ČD – uvedené údaje mohou sloužit pro upozornění zákazníka na možný ZAN – zákaz nakládky. Počítá se s jejím využitím při plánování následné ložené jízdy vozu. • Upřesnění přepravy – viz dále. Upřesnění přepravy může znamenat i výrazné změny při pokrývání požadavku vozy. Může obsahovat následující volby zadávané v Přihlášce nakládky: • Upřesnění bez vlivu na vyrovnávku, zadávané v přihlášce nakládky o RID – přeprava nebezpečného zboží – nutno uvést třídu nebezpečnosti o vážení na cestě – důležité pro další běh vozu, protože vůz pojede do stanice určení zásilky přes stanici vážení. • Upřesnění priority vyrovnávky, zadávané v přihlášce nakládky – plánovaná přeprava (vojenská), mimořádná zásilka, rychlá vozová zásilka, ucelený vlak nebo skupina vozů, systémový vlak, Termín Cargo, reexpedice, říční přístav, policejně sledované zásilky (výbušniny, ..) • Upřesnění priority vyrovnávky, zadávané v přihlášce nakládky o přeprava dle smlouvy (zadává oprávněný objednatel) o prioritní přeprava (zadává oprávněný objednatel) o dispečerská priorita o opožděná přístavba (odvozuje systém) o vývoz (odvozuje systém) • Upřesnění výběru vozu pro vyrovnávku, zadávané v přihlášce nakládky – určený vůz, vůz po vymytí, zboží po zboží • Upřesnění výběru vozu pro vyrovnávku, zadávané v přihlášce nakládky – výběr vozů, vyčleněných pro daného objednatele

Budoucnost Pro určení dalšího vývoje je nutné zrekapitulovat současný stav. V této chvíli jsou aktivována 4 dispečerská pracoviště z 6: • Okruh 1 - pro vozy řad H, Ta a I – od března 2005 • Okruh 2 - pro vozy řad G a Ga – od října 2005 • Okruh 3 - pro vozy řad R, S a K – od ledna 2006 • Okruh 4 - pro vozy řady Faccs, Es a Falls – od března 2006 (vozy Falls se ještě aktivně nedirigují). 8

Disponenti už pracují plnopočetně od října 2005. Pro další rozvoj systému je nutné dokončit úpravy spojené s dirigování souprav vozů. Pak se dokončí aktivace okruhu 4 (vozy Falls) a může se aktivovat okruh 5. To se přepokládá v průběhu června 2006. Dalším krokem pak bude zahrnutí vozů cizích žel.podniků do systému, které umožní aktivaci okruhu 6 na konci roku 2006. Poslední pracoviště bude dirigovat i zbylé specifické vozy (např. hlubinové). Posledním krokem v realizaci systému je doplnění nedirigovaných vozů do systému pro potřeby plánování obsluhy atrakčních obvodů disponentů. Tyto vozy se již netýkají dispečerů, protože ti jejich běh neřídí.

Závěr ČD od realizace systému očekávají následující přínosy: • snížení potřeby vozů (zkrácení prázdných běhů a tedy i celého oběhu vozu) • lepší využití vozů (vyšší míra využití v produktivních bězích) • úplný a přesný přehled o vozech v obvodu • včasný přehled o doběhu vozů – automatické přidělování na manipulační místa • přehledná evidence přihlášek nakládky • adresnost pohybu prázdných nákladních vozů volného oběhu • možnost plánování vytížení vlaků a tím i operativní zásahy do vlakotvorby • snížení počtu pracovníků ve vozové službě • umožnění produktového řízení (dostupnost potřebných informací za celou síť). V současné době probíhají i procesy vyhodnocující přínos zavedení systému do provozu. Jedná se pochopitelně především o zhodnocení využití vozu před a po zavedení systému. Je to hodnocení obtížné, protože veličin, které mají vliv na skutečné využití vozu je mnoho a působí jak ve prospěch systému, tak proti němu. Řešení vlastního IS ÚDIV je společným dílem firem ČD - Telematika a.s. a OLTIS Group a.s.

9

IS ČD Cargo - provozně přepravní část systému Centrální část IS ČD Cargo

A30, A38, A40, ISR Datová tržiště CEVIS ISOŘ/CDS

CNP

ISOČ

KNV

ÚDIV

Zásilka

Smlouvy

Vůz (evidence)

Vůz (dispozice)

Vlak/Vůz (pohyb, stav)

ÚZ MIS

WIC

PD CEVIS PD CEVIS NEW

CNP

KNV

ISOČ centrální

MIS

MIS

Zkratky A30 A38 A40 CEVIS CNP ČD IS IS STP ISOČ ISOŘ/CDS ISR IT CEVIS IT KNV MIS OPŘ PD CEVIS SPONA ÚDIV WIC

IT CEVIS

IS STP

WWW klient

ISOČ lokální

ÚDIV

Klient sdílení plochy

Mezinárodní předhláška nákladního vlaku Mezinárodní pátrání po voze Mezinárodní elektronický nákladní list Centrální vozový informační systém Centrální nákladní pokladna České dráhy Informační systém IS stanic technických prohlídek IS obchodní činnosti Informační systém operativního řízení/Centrální dispečerský systém Mezinárodní databáze pohybu vozu Inteligentní terminál CEVIS Informační technologie Kartotéka nákladních vozů Místní informační systém Obchodně provozní ředitelství Parametrické dotazy CEVIS Spojení v nákladní dopravě Ústřední dirigování vozů WWW aplikace IT CEVIS

Příloha 1 – Formulář tiskopisu Přihláška nakládky ČD

10

Optimalizace pokrytí požadavků na přepravu vhodnými vozy Součástí technologického systému železniční nákladní dopravy je i takzvané dirigování vozů a zejména pak vyrovnávka prázdných vozů. To znamená přesun vyloženého vozu do místa nové nakládky. Na železniční síti tak vzniká: • nabídka prázdných vozů (přebytek) – ve stanici je prázdný vůz po vykládce; nabídkou jsou také nové vozy nebo vozy po opravě • poptávka prázdných vozů (nedostatek, vozová potřeba) – přepravce ve stanici žádá prostřednictvím přihlášky nakládky vůz

Obrázek 4: Ukázka typické nabídky prázdných vozů na síti ČD (vozové přebytky) Příklad aktuální podoby nabídek, respektive poptávek po prázdných vozech na síti ČD ukazuje v mapě obrázek 4, respektive obrázek 5. Velikost kroužků naznačuje počet nabízených, respektive poptávaných vozů. Černé kroužky indikují vysoký počet vozů mimo běžný rozsah hodnot. Jednotlivý případ nabídky i poptávky po prázdných vozech je charakterizován několika základními parametry: • stanice nabídky (poptávky) • počet a řada vozů • datum a čas vyložení vozů, respektive datum a čas požadovaného přistavení • datum a čas podání požadavku (u nakládky) Z poptávky po prázdných vozech vzniká takzvaná vozová potřeba, na základě které se určí vyrovnávkový úkol neboli požadavek přepravy prázdných vozů z míst vykládky do míst nové nakládky. Cílem splnění vyrovnávkového úkolu není přitom odsunout “za každou cenu” prázdné vozy ze stanic vykládky, ale naopak přisunout vozy do stanic požadované nakládky a tedy splnit poptávku po vozech (a tím pádem i zajistit další placenou přepravu).

11

Jak již bylo naznačeno, problém vyrovnávky má také svůj časový rozměr. Vůz je v určitém časovém okamžiku vyložen, v jiném časovém okamžiku je požadováno jeho přistavení k nakládce. Přepravu mezi stanicemi lze zajistit pouze za určitý čas prostřednictvím nákladních vlaků jedoucích podle jízdního řádu. Všechny tyto faktory je nutné zapojit do rozhodování při plnění úkolů vyrovnávky.

Obrázek 5: Ukázka typické poptávky po prázdných vozech na síti ČD (vozové potřeby) Vůz je základním “výrobním prostředkem” železnice a jako takový umožňuje realizaci tržeb z nákladní dopravy. Proto je naprosto klíčové hospodařit s vozem co nejefektivněji, tedy bez zbytečných časových a finančních ztrát. Úsporná a efektivní vyrovnávka vozů vede ke snížení nákladů železnice a ke snížení celkové potřeby vozů. Jinými slovy, úloha vyrovnávky nákladních vozů je problémem ekonomickým (snížení režijních nákladů) a tím pádem i optimalizačním (hledání nejvhodnějšího řešení s nejnižšími náklady). Po důkladné analýze započal vývoj optimalizačního modulu ve firmě OLTIS v roce 2004 výpočetně jednodušší variantou – lineárním modelem, který bude popsán níže. Po více než ročních zkušenostech s nasazením v provozu v roce 2005 byl letos zahájen vývoj algoritmů založených na nelineárním matematickém modelu. Termíny optimalizace V praxi optimalizace probíhá pro daný den v několika optimalizačních cyklech a krocích. Každý výpočet se provádí vždy pro jednu řadu vozů nebo skupinu zaměnitelných řad vozů a danou prioritu. Vychází se z následujících termínů: • uzavření příjmu objednávek do 14 hodin 3. dne před požadovaným dnem přistavení, • potvrzení správnosti objednávky do 16 hodin, • rozhodnutí o pokrytí nebo zamítnutí objednávky po ukončení optimalizačního procesu, nejpozději do 6 hodin následujícího dne 12

Postup optimalizace: 1. Výběr nabídek a poptávek dle kritérií platných pro konkrétní výpočet. 2. Výběr spojů, jejichž začátky odpovídají geograficky dopravním bodům nabídek a jejichž konce odpovídají dopravním bodům poptávek. Z nich pak jen takové spoje, které je možné realizovat ve stanoveném časovém období. Spoje se vybírají z předem připravené matice spojů, která se pomocí algoritmu SPONA (algoritmus vyhledání vlakového spojení v nákladní dopravě) generuje na určité období. 3. Ocenění spojů, které zároveň představuje “předpis” účelové funkce. Jedná se o součet následujících kritérií: • kilometrická délka spoje * náklady na jízdu 1 km vozu • náklady na přepracování (začlenění vozu do vlaku) * počet přepracování • penalizace za čekání na odjezd * časový odstup nabídky od odjezdu spoje z odesílací stanice • penalizace za čekání po příjezdu * časový odstup poptávky od příjezdu spoje do stanice určení (přichystání prázdného vozu k nakládce) 4. Odstranění duplicitních spojů a výběr nejvýhodnějšího (nejlevnějšího) spoje pro každou dvojici nabídka – poptávka. 5. Sestavení cenové matice, kde se pro vybrané spoje použije vypočtená cena. Pro všechny dvojice nabídka – poptávka musí cena existovat (matice musí být kompletní!). Proto, pokud se místo poptávky rovná místu nabídky, nastaví se cena zjednodušeným výpočtem vycházejícím prakticky pouze z penalizací. Pokud mezi nabídkou a poptávkou spoj neexistuje, nastaví se předem stanovená cena maximální (nekonečno). 6. Vlastní optimalizace probíhá v optimalizačním modulu pomocí lineárního nebo nelineárního algoritmu. 7. Úprava, předání a interpretace výsledků, které představují uspořádané dvojice nabídkapoptávka a přemísťované počty vozů. Pro výsledek optimalizace je důležité, aby do ní bylo zahrnuto co největší množství nabídek a poptávek. Pomocí vhodného nastavení koeficientů (viz bod 3) lze dosáhnout různého chování optimalizačního algoritmu. Například, zda budou vyrovnávané vozy přepraveny prvním nebo posledním možným spojem. Jako výhodnější se jeví varianta posledního možného spoje. Tím, že vůz čeká na poslední možný spoj, je stále zařazován do dalších optimalizací v další dny. Tím se počet objednávek zvyšuje a pro vůz se může objevit výhodnější přiřazení. Optimalizační modul Optimalizační modul je navržen velmi obecně, aby mohl být použit i v jiných příbuzných úlohách. Proto se zdá, že vstupy do výpočtu jsou příliš abstraktní. Tato abstrakce nemá žádný vliv na kvalitu výsledku. Před výpočtem je však potřeba některé hodnoty předpočítat, nejčastěji již na databázové úrovni systému. Potom se všechny objednávky a všechny vozy předané do optimalizačního modulu posuzují stejně, při samotné optimalizaci se už vozová řada ani jiné parametry objednávky nebo vozu nerozlišují. Do optimalizačního modulu vstupují tyto základní údaje: • počty vozů, které jsou nabízené • počty vozů, které jsou poptávané • cenové matice, jejichž koeficienty vyjadřují náklady na přemístění mezi místem nabídky a poptávky 13

Lineární model V současné době je pro optimalizaci použit lineární matematický model. Linearita spočívá v tom, že náklady na přemístění skupiny vozů jsou lineárně závislé na nákladech za přemístění jednoho vozu. To znamená, že do optimalizačního modulu vstupuje pro každé spojení jedno ocenění - náklady na přemístění jednoho vozu. Jednotkové náklady jsou pak konstantní. Počet vozů

Celková cena 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Jednotkové náklady 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20

Tabulka 1: Celkové a jednotkové náklady lineárního modelu

250

náklady

200 150 100 50 0 0

2

4

6

8

10

12

počet vozů

Obrázek 6: Celkové náklady v rámci spojení - lineární

25

náklady

20 15 10 5 0 0

2

4

6

8

10

12

počet vozů

Obrázek 7: Jednotkové náklady v rámci spojení - lineární

14

Pro lineární výpočet lze po některých úpravách použít dobře známý “dopravní problém”. Pro zopakování: úlohou je určit takové velikosti dopravních proudů mezi stanicemi s nadbytkem prázdných vozů (nabídky) a stanicemi s nedostatkem těchto vozů (poptávky), aby byla požadovaná množství vozů přepraveny s celkovými minimálními náklady. Před optimalizací je nutné převést úlohu na “vyrovnanou dopravní úlohu”. To je taková, kde se součet nabízených vozů rovná součtu poptávaných vozů. Provádí se to tak, že se do zadání přidá fiktivní nabídka nebo poptávka s počtem vozů odpovídajícímu rozdílu. Stejným způsobem je nutné rozšířit cenovou matici doplněním nulových koeficientů. Dalšími náročnými úpravami cenové matice se zajistí, aby nedošlo k zacyklení následného optimalizačního algoritmu, tedy aby řešení nebylo tzv. “degenerované”. Vlastní optimalizace probíhá ve dvou fázích. Nejprve se pomocí vhodného heuristického algoritmu vyhledá některé výchozí řešení. Těchto algoritmů je známá celá řada, například metoda severozápadního rohu, indexová metoda, Vogelova aproximační metoda, Frekvenční metoda atd. Čím bude řešení získané heuristickou metodou lepší, tím bude potřeba méně iterací algoritmu ve druhé fázi optimalizace, která spočívá v postupném zlepšování, dokud není dosaženo optimálního řešení. V optimalizačním modulu se pro vyrovnávku vozů používá indexová heuristická metoda. Vogelova aproximační metoda sice poskytuje lepší výchozí řešení, ale experimentálně bylo zjištěno, že je náročnější na operační paměť a dobu výpočtu. Algoritmus je navržen tak, že může nalézt více optimálních řešení. Samozřejmě jen pokud jich více existuje. Velikost úlohy (počet nabídek x poptávek) 5x5 100x100 200x200 250x250

Doba výpočtu 10 ms 130 ms 300 ms 610 ms

Tabulka 2: Závislost doby trvání výpočtu na velikosti úlohy. Nelineární model Pro vlakotvorbu platí, že přepravní vzdálenost a počet přepracování bývá v přímé úměře. Proto bylo možné s úspěchem (i když s připuštěním jisté nepřesnosti) použít lineární model. Lineární model však nevystihuje úplně přesně všechna praktická provozní hlediska. V současné době je proto vyvíjen praxi bližší model nelineární, kde je jednotková cena za přemístění vozu dána funkcí a nikoli konstantou. Jako zjednodušený příklad lze uvést, že náklady na přemístění vozu se skládají z nákladů na jízdu každého jednoho vozu a náklady na část přepracování, kde lze počítat jednu sazbu pro celou skupinu vozů. V nelineárním modelu se počítá se dvěmi cenovými koeficienty, jsou tedy třeba dvě cenové matice. Jedna pro ocenění přemístění vozu, druhá pro ocenění přemístění celé skupiny vozů. Matice pro vozy obsahuje následující nákladové složky: • jízda vozu (km), • penalizace prostoje vozu před a po přemístění (čas), • složku nákladů na přepracování (technické prohlídky a podobně). Matice pro skupinu vozů představuje: • náklady na přepracování skupiny vozů, • zařazení skupiny vozů do vlaku, atd. 15

Jednotkové náklady na přemístění vozu lze poté vypočítat dle vzorce: (x ⋅ Cv + Cs ) Nj = x kde: Nj jednotkové náklady na přemístění vozu z místa A do místa B x počet vozů ve skupině Cv složka ceny za přemístění jednoho vozu z A do B Cs složka ceny za přemístění celé skupiny vozů z A do B Počet vozů 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Cena vozů 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Cena skupiny 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10

Celková cena 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

Jednotkové náklady 20,00 15,00 13,33 12,50 12,00 11,67 11,43 11,25 11,11 11,00

Tabulka 3: Celkové a jednotkové náklady nelineárního modelu

120 náklady

100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

počet vozů

Obrázek 8: Celkové náklady v rámci spojení - nelineární

25,00

náklady

20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0

2

4

6

8

10

12

počet vozů

Obrázek 9: Jednotkové náklady v rámci spojení - nelineární 16

Z posledního grafu je jasně patrná nelineárnost problému. Díky složce fixních nákladů na skupinu jednotkové náklady s rostoucím počtem vozů ve skupině klesají. Řešení nelineárního problému vyrovnávky je výrazně komplikovanější než řešení lineárního. Pro výpočet už nelze použít běžné algoritmy určené pro dopravní úlohu. Není známa metoda, která poskytuje exaktní řešení obecné nelineární dopravní úlohy. Je nutné vyvinout nějaké jiné metody, které budou respektovat princip nelinearity. Proto bude nutné přistoupit k heuristickým algoritmům a smířit se s tím, že nalezené řešení nemusí být optimální. Dokonce ani nebude známo, nakolik se nalezené řešení vzdálilo od řešení optimálního. V současné době probíhá testování a porovnávání několik metod. Zpočátku bylo posuzováno také velmi diskutované genetické programování. S přihlédnutím na výpočetní a paměťovou náročnost se jako nejvýhodnější jeví vývoj vlastních, úzce specializovaných heuristických metod.

V Praze, červen 2006

Lektorovali: Jiří Vrba Ing. Oldřich Herman Odbor nákladní dopravy a přepravy GŘ ČD

17

PŘIHLÁŠKA NAKLÁDKY (vzor 170904)

Stanice odesílací

Typ man. místa

Odesílatel

IČ odesílatele

1

2

5

6

Stanice přistavení

Manipulační místo

DIČ CZ / EU odesílatele

3

4

7

Objednatel

IČ objednatele

Plátce přepravného

IČ plátce přepravného

8

9

11

12

Řádek číslo

Datum nakládky

Nakládka možná do

14

15

16

UN Číslo zboží dle NHM číslo RID 17

18

DIČ CZ / EU objednatele

DIČ CZ / EU plátce přepravného

10

13

Vůz

1. náhradní vůz

2. náhradní vůz

Kód

Počet

Kód

Počet

Kód

Počet

Hmotnost zboží (t)

Železniční podnik určení

Výstupní přechodová stanice ČD

Stanice určení

Upřesnění přepravy

Poznámka

19

20

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Právní vztahy vyplývající z této přihlášky se řídí vyhláškami Českých drah zveřejňovanými v Přepravním a tarifním věstníku platnými v den potvrzení této přihlášky nakládky. Jméno zaměstnance objednatele

31

Telefon 32

Datum převzetí 33

Jméno zaměstnance ČD 34


Michal Palán1

Bezkontaktní čipové karty Českých drah Klíčová slova: bezkontaktní čipová karta, Radio Frequency Identification, RFID, contactless smartcard, Proximity Integrated Circuit Card, PICC, Modrá karta, In-karta, MIFARE, DESFire, šifrování dat, 3DES

Bezkontaktní čipová karta První elektronické karty byly vynalezeny kolem roku 1970. O prvenství se vedou spory mezi Němcem Jürgenem Dethloffem, Japoncem Kunitakou Arimurou a Francouzem Rolandem Morenem. K prvním masovému nasazení došlo až v roce 1983 ve Francii, šlo o telefonní kartu Télécarte. Zpočátku se ovšem jednalo pouze o velmi jednoduché kontaktní paměťové karty, které sloužily pouze k ukládání dat ve velmi omezeném rozsahu. Komunikaci s vnějším zařízením obstarávaly kovové kontakty vyvedené na povrch karty. Koncem 80. let se objevily kontaktní čipové karty. Ty už kromě paměťových obvodů obsahovaly také integrovaný mikroprocesor, který umožňoval realizovat vyspělou komunikaci mezi kartou a čtecím zařízením a hlavně kryptograficky zabezpečenou komunikaci a přístup k uloženým datům. Stále se však jednalo o kontaktní kartu – pro práci s ní bylo nutné zasunout ji do čtecího zařízení. Čip kartu integruje obsahuje tyto části: • Rozhraní pro komunikaci se čtecím zařízením • CPU (Central Processing Unit) – procesor. Původně osmibitový mikroprocesor založený na architektuře CISC s frekvencí 5 MHz, v případě modernějších typů již 32bitový. • Matematický koprocesor pro podporu kryptografických operací • ROM (Read Only Memory) – paměť pouze pro čtení, obsahuje operační systém a základní programovou část. V současné době jej její rozsah 16 KB až 96 KB. • EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) – vícenásobně elektricky programovatelná a smazatelná paměť, obsahuje uživatelské programy a data. Velikost bývá do 72 kB. • RAM (Random Access Memory) – paměť s volným přístupem, slouží pro běžnou činnost procesoru. Její velikost bývá překvapivě malá, typicky 256 bajtů. Důvodem je to, že struktura buňky na křemíkovém čipu pro tento typ paměti zabírá poměrně mnoho místa. V polovině 90. let se začaly prosazovat bezkontaktní čipové karty (BČK), jež kromě čipu a paměti obsahují také integrovanou anténu a vysílač / přijímač. Čtecí zařízení kolem sebe neustále vytváří elektromagnetické pole. Jakmile se BČK ocitne v jeho blízkosti, v anténě se indukuje elektrický proud, sloužící k napájení čipu. Je-li intenzita dostatečná, čip se „probudí“ a začne komunikovat. Obrovskou výhodou tohoto principu je naprostá necitlivost na 1

Ing. Michal Palán (1979). Absolvent magisterského studia na Univerzitě Pardubice, Dopravní fakultě Jana Pernera – obor technologie a řízení dopravy (2002), v současné době je posluchačem doktorandského studia téže školy. Pracuje na Generálním ředitelství Českých drah, odboru strategie a informatiky.

1

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 znečistění kontaktů (žádné tu nejsou) a poškození čipu elektrostatickým napětím. Nevýhodou je nutnost nižší spotřeby čipu (napájení je možné pouze elektromagnetickým polem), proto zpočátku měly tyto karty asi pětileté technologické zpoždění za kartami kontaktními. Mluvíme-li o bezkontaktních čipech, používají se dva názvy pro různé typy zapouzdření: • Karta – plastová karta s potiskem rozměrů běžné kreditní karty • Tag – jakýkoliv jiný tvar, sloužící zejména k identifikaci osob či zboží (klíčenka, kruhové nebo obdélníkové pouzdro různých rozměrů, skleněný váleček pro identifikaci zvířat, samolepicí nálepka…) Komunikace funguje na principu modulace elektromagnetického pole. Čipy pro RFID obecně využívají různé nosné frekvence: • 125 kHz, , 134 kHz – první generace bezkontaktních karet s nízkou přenosovou rychlostí. Obsahují obvykle pouze jedinečné číslo čipu. Používají se pro jednoduché aplikace typu kontrola přístupu. • 13,56 MHz – kmitočet používaný v současnosti pro hlavní rodinu karet určených jak pro náročné platební a bankovní aplikace, tak i pro bezkontaktní identifikaci zboží, výrobků, kontejnerů... Čtecí vzdálenost je od 10 cm (pro platební karty s procesory) až po 1 m (pro jednoduché identifikační čipy) • Pásmo UHF 868 MHz (v Evropě) a 915 MHz (v USA) – Je využíváno zejména pro identifikaci kontejnerů a palet na větší vzdálenosti. Díky vysokému kmitočtu lze realizovat snadno směrovou anténu a tak dosáhnout čtecí vzdálenost 2 až 3 m. Nevýhodou jsou větší rozměry tagu a čtecí vlastnosti ovlivňuje i vlhkost. • Mikrovlnné pásmo 2,45 a 5,6 GHz – je doménou zejména aktivních tagů (s vlastním napájecím zdrojem) pro dopravní aplikace. Tak lze identifikovat například vozidlo jedoucí rychlostí až 200 km/h na vzdálenost 15 m. Nejznámější aplikací je tarifní systém pro sledování průjezdu kamionů na dálnicích. Zpočátku nebyly bezkontaktní čipové karty nijak standardizovány a každý výrobce prosazoval svoji technologii. Ke sjednocení došlo až v posledních letech, kdy vešly v platnost normy: • ISO 15693 – norma pro karty a tagy určené zejména pro identifikaci osob a zboží na kmitočtu 13,56 MHz • ISO 18000 – norma definuje zejména tagy sloužící jako náhrada dosud používaného čárového kódu na výrobcích (s různým kmitočtem) • ISO 14443 – norma určená zejména pro identifikační a platební karty. Norma má 4 části. ISO 14443-1 stanovuje fyzikální charakteristiky karty, jako jsou její rozměry, odolnost vůči ultrafialovému a rentgenovému záření, mechanickému namáhání a odolnost vůči působení elektrického a magnetického pole. V části ISO 14443-2 jsou stanoveny parametry datového přenosu a část ISO 14443-3 uvádí, jak má komunikační zařízení (Proximity Coupling Device) pracovat v inicializační fázi komunikace s kartou (Proximity Integrated Circuit Card), jak postupovat, ocitne-li se v jeho dosahu více karet, a podobně. Konečně část ISO 14443-4 definuje komunikační protokoly.

Technologie MIFARE Nejrozšířenější technologií platebních a bankovních karet na světě je v současnosti MIFARE rozvíjená společností Philips. Počátkem roku 2006 již ve světě fungovalo více než 500 milionů karet této rodiny a 5 milionů komunikačních zařízení. Jde o otevřenou architekturu, 2

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 takže výrobců karet je více než 50 a výrobců čteček přes 200. Výrobcem samotného čipu je u vyšších typů karet z bezpečnostních důvodů výhradně firma Philips. Existuje celkem 6 typů karet standardu MIFARE: • MIFARE Ultralight • MIFARE Standard 1k • MIFARE Standard 4k • MIFARE DESFire • MIFARE PROX • MIFARE SmartMX Základní technické parametry přehledně shrnuje následující tabulka: velikost paměti délka čísla karty počet zápisů do paměti doba uchování dat doba vykonání typické transakce elektronická peněženka metoda šifrování dat počet aplikací vhodné použití

MIFARE Ultralight 64 B 56 bitů

MIFARE Standard 1k 1024 B 32 bitů

MIFARE Standard 4k 4096 B 32 bitů

MIFARE DESFire 4096 B 56 bitů

MIFARE PROX

SmartMX

16384 B 56 bitů

73728 B 56 bitů

1000

100.000

100.000

100.000

100.000

100.000

2 roky

10 let

10 let

10 let

10 let

10 let

31,4 ms

164 ms

164 ms

105 ms

105 ms

105 ms

není

32 bitů, plný kredit

32 bitů, plný kredit

Uživatelsky programovatelná

Uživatelsky programovatelná

žádná

CRYPT1

CRYPT1

DES, 3DES, RSA

DES, 3DES, RSA, ECC

1 jednorázové jízdenky

16 jednoduchá elektronická peněženka pro drobné platby, časová jízdenka

40 jednoduchá elektronická peněženka pro drobné platby, časová jízdenka

plný i omezený kredit DES, 3DES AES* 28 e-ticketing, věrnostní programy, elektronická peněženka

e-business

e-business

Karty MIFARE PROX a SmartMX jsou vyspělé duální procesorové karty (s kontaktním i bezkontaktním rozhraním), jejichž funkce lze programovat v jazyce JAVA. Umožňují tak naprogramování složitých a velmi bezpečných aplikací s širokým spektrem použití, nejsou však tak vhodné pro utilitární využití pouze v dopravě. Proti nim hovoří vysoká výrobní náročnost, vysoká cena (asi osminásobná oproti MIFARE Standard 1K a pětinásobná oproti MIFARE DESFire) a komplikovanější vytváření softwaru. Naproti tomu karta MIFARE Ultralight zvládá prakticky pouze jedinou aplikaci. Pro svou malou paměťovou kapacitu, velmi nízkou bezpečnost, krátkou trvanlivost a na druhé straně také nízkou cenu je vhodná pouze pro jednorázové, případně celodenní jízdenky. Dopravci, kteří ve svých odbavovacích systémech chtějí využívat i další funkce (zejména elektronickou peněženku), volí téměř výhradně karty MIFARE Standard 1k, Standard 4k a DESFire. Každý čip má své jedinečné číslo naprogramované jeho výrobcem, které lze volně číst, ale nelze jej změnit. Přístup k datům na kartě lze zabezpečit použitím kryptografie. 3


Karty MIFARE DESFire Karty MIFARE DESFire mají následující parametry. Radiofrekvenční rozhraní • bezkontaktní přenos dat, napájení elektromagnetickým polem (provoz bez baterií) • provozní vzdálenost až 100 mm (v závislosti na geometrii antény a výkonu vysílače) • provozní frekvence 13,56 MHz • přenosová rychlost 106 kbit/s, 212 kbit/s nebo 424 kbit/s • integrita dat: 4 Byte MAC (message authentication code), 16 bit CRC, parita, bitové kódování, bitový počet • antikolizní vlastnosti (možnost práce více karet současně v poli antény) • přenosový protokol dle ISO 14443-4 Stálá paměť • 4 KB stálé (nonvolatilní, udržující si obsah i bez přítomnosti napájecího napětí) paměti, v nové verzi až 8 KB • doba zápisu 2 ms na blok (1 ms mazání předchozích dat, 1 ms vlastní zápis) • doba uchování dat 10 let • trvanlivost 100 000 zapisovacích cyklů Organizace stálé paměti • flexibilní souborový systém (u starších typů karet se používaly paměťové bloky o pevné velikosti) • až 28 zcela nezávislých aplikací na kartě • až 16 souborů pro každou aplikaci • až 14 kryptografických klíčů pro každou aplikaci Bezpečnost • 7-bajtové jedinečné číslo karty • 3-kroková autentifikace (viz níže) • hardwarově podporované šifrování algoritmy DES/3DES (v nové verzi i AES) • zabezpečení dat 4-bajtovým MAC (Message authentication code) • autentizace na aplikační úrovni Výhody proti MIFARE Standard • plně multiaplikační systém, každou z aplikací má její vlastník plně pod kontrolou • větší paměť (dána lepším využitím paměti) • výrazně rychlejší čtení a zápis • předpoklad rozvoje do budoucna s kompatibilním protokolem ISO 14443-4 • významně dokonalejší kryptografické zabezpečení (3DES) Každou nezávislou aplikaci na kartě reprezentuje její identifikátor AID o délce 3 byte (Application Identifier). Soubory mohou být pěti typů: standardní datový soubor, záložní datový soubor, hodnotový soubor se zálohou, soubor s lineárním záznamem a soubor cyklickým záznamem (oba se zálohou). Zálohou je automaticky vybaveno prvních 8 souborů každé aplikace, zbylých 8 je bez zálohy. 4

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Data se mezi kartou a čtečkou mohou přenášet ve 3 režimech: nezašifrovaně, nezašifrovaně se zašifrovaným autentizačním kódem (MAC) a zašifrovaně. Přístup k datům je možný na aplikační úrovni. Pro každou aplikaci lze stanovit až 14 různých klíčů, které mohou různým subjektům zajistit různý stupeň přístupu k datům. Pro každý klíč pak lze stanovit jedno ze čtyř oprávnění: čtení dat, zápis dat, čtení i zápis a změna oprávnění k přístupu. Kromě těchto klíčů existuje pro každou aplikaci ještě tzv. master klíč (Application Master Key), který je vždy vyžadován pro operace změny nastavení přístupových práv aplikace a změny master klíče aplikace. Dále jeho znalostí mohou být podmíněný některé další operace, jako vytvoření a zrušení souboru, čtení seznamu souborů a čtení přístupových práv aplikace. Třetím typem klíče je master klíč karty (PICC Master Key). Ten je nezbytný pro formátování karty, změnu nastavení přístupových práv ke kartě a ke změně master klíče karty. Navíc může být vyžadován pro další operace, jakými jsou vytvoření a zrušení aplikace, čtení seznamu aplikací a čtení přístupových práv karty. Autentizace je proces, který proběhne na začátku komunikace karty se čtečkou. Při této proceduře se čtecí zařízení a karta navzájem ujistí, že je jim známa hodnota tajného klíče, aniž by si hodnotu tohoto klíče navzájem posílaly. Vedlejším produktem tohoto procesu je hodnota tzv. session key (klíč platný pouze pro tuto jednu komunikaci), který se poté využije pro šifrování přenášených dat.

Projekt Modrá karta České dráhy zahájily svůj projekt Modrá karta jako reakci na stále silnější prosazování čipových karet v české veřejné dopravě. Projekt byl rozdělen do dvou etap – zaměstnanecké a zákaznické. V první etapě šlo především o nahrazení stávajícího jízdního dokladu pro zaměstnance a jejich rodinné příslušníky – železniční průkazky – za nový typ jízdního dokladu, jehož nosičem je čipová karta. Postupně se vyvíjejí a uvádějí do provozu také další aplikace – služební průkaz, přístupy do budov, přístup k tiskárnám a kopírovací technice a další. V zákaznické etapě jde jednak o nahrazení slevových průkazů ČD bezkontaktními kartami (karta Z, junior pas, senior pas) a jednak o nabídku nových produktů. Prvním z nich je roční síťová jízdenka na první vozovou třídu In-gold. Jako nosič byla zvolen typ MIFARE DESFire. Cílem je, aby čipová karta ČD umožňovala cestujícím nahrání aplikací jiných dopravců. Jediná karta by tak sloužila k cestování v různých dopravních prostředcích s různými dopravci. České dráhy za tím účelem v roce 2004 iniciovaly proces stanovení standardů odbavovacího systému ve veřejné osobní dopravě založeného na využití bezkontaktních čipových karet jako media pro společný elektronický jízdní doklad a pro sdílené bezhotovostní platby. Tyto standardy se uvádějí pod názvem Národní dopravní karta.

5


Závěr Bezkontaktní čipové karty se v posledních letech masově nasazují nejen v dopravě, ale pronikají i do jiných oblastí. V České republice se od jednoúčelového nasazení u autobusových dopravců jako elektronické peněženky (přesněji předplaceného kreditu jízdného) přechází k multiaplikačním městským a regionálním kartám. Pozornost si získávají otevřené systémy založené na přijímání karty různými subjekty, což je atraktivní pro uživatele, který tak nepotřebuje nosit několik různých karet. Čipová karta se postupně stává univerzálním dokladem. V dopravě si získávají oblibu jednoduchostí, rychlostí použití a pestřejší nabídkou slev a výhod. Pro dopravce jsou zajímavé možnosti získávání podrobnějších informací o využívání jednotlivých spojů a struktuře jejich cestujících.

Literatura [1] MIFARE DESFire, Contactless Multiapplication IC with DES and 3DES Security, MF3 IC D40, Philips Semiconductors, Eindhoven 2004. [2] Rankl, W. – Effing, W. Smart Card Handbook, John Wiley & Sons, 2000. ISBN 0471988758 [3] Introduction to Smart Cards [cit. 25.4.2006] [4] MIFARE – contactless smart card ICs [cit. 25.4.2006] [5] Standardy bezkontaktní čipové karty, PVT Prokom a.s., Praha 2004.

Praha, květen 2006

Lektoroval: Ing. Kolčava COMINFO Zlín

6


Jiří Krupica1

Zpětný vliv trakčních měníren Českých drah vůči napájecí síti 22 kV, 50 Hz Klíčová slova: Chování trakčního usměrňovače k napájecí síti, harmonické proudy trakčního usměrňovače, regresní křivky, charakter odběru TNS, statistické rozdělení zátěže TNS.

1. ÚVOD Tento článek vzniknul na základě prací, které prováděla Technická ústředna Českých drah v minulých letech. Práce měla dvě části – teoretickou a experimentální. Obě části budou v článku popsány.

2. TEORETICKÁ ČÁST 2.1 Úvod Základním problémem elektromagnetické kompatibility nelineárních spotřebičů elektrické energie vůči napájecí síti je jejich zpětný vliv na tuto síť. Bylo prokázáno, že statické měniče jako nejrozšířenější nelineární výkonový spotřebič se vůči napájecí síti chovají jako generátory proudových harmonických. Z definice generátoru proudových harmonických pak vyplývá, že generátory tohoto typu dodávají do napájecí sítě proudové harmonické nezávisle na vstupní impedanci této sítě. V oblasti elektrické trakce vykazují charakter generátoru proudových harmonických např. elektrická hnací vozidla jednofázové soustavy díky diodovému měniči trakčního obvodu, a to vůči napájecí soustavě 25 kV, 50 Hz. Stejný charakter vykazují trakční usměrňovače napájecích stanic soustavy 3 kV DC, a to vůči napájecí síti 22 kV, 50 Hz. Vzniká otázka, jaký zákon váže frekvence a hodnoty takto generovaných proudových harmonických s trakčním odběrem. Tak například elektrické hnací vozidlo s diodovým trakčním usměrňovačem vykazuje ve svém proudu odebíraném sběračem všechny liché násobky 50 Hz. Naproti

1

Ing. Jiří Krupica, 1947, absolvoval VŠDS Žilina, fakultu elektrotechnickou, obor elektrická trakce a energetika v dopravě 1983, nyní vedoucí oddělení EMC v TÚČD.

1

tomu trakční usměrňovač vykazuje v proudu odebíraném z napájecí sítě harmonické, jejichž frekvence závisí na jeho schématu. Usměrňovač v šestipulzním schématu (MHD) má vůči napájecí síti charakter proudového generátoru lichých harmonických s následujícími řádovými čísly: 5., 7., 11., 13., 17., 19., 23., 25., atd. zatím co usměrňovač ve dvanáctipulzním schématu (ČD) má vůči napájecí síti charakter proudového generátoru s omezeným spektrem daném řádovými čísly: 11., 13., 23., 25., atd. Poněkud složitější je otázka hodnot takto generovaných proudových harmonických. V dalším jsou porovnány poměrné i absolutní hodnoty proudových harmonických generovaných především TNS ČD podle tří zdrojů, a to podle: ¾ tak zvaného „amplitudového zákona“, ¾ odhadu uvedeného v tabulce 7 článku 6.2.1.1 PNE 33 3430-0, ¾ simulace pomocí PSPice verze 5 reálného schématu usměrňovače.

dvanáctipulzního

2.2 Hodnoty proudových složek usměrňovače

2.2.1 Poměrné hodnoty proudových „amplitudového zákona“

harmonických

podle

tzv.

„Amplitudový zákon“ definuje poměrné hodnoty jednotlivých proudových harmonických I n vůči základní složce I 1 výrazem In =

1 ⋅ I1 n

(1)

Tento výraz udává největší možné hodnoty jednotlivých spektrálních složek, které může nelineární spotřebič s neřízenými (diodovými) prvky generovat do napájecí sítě. Poměrné hodnoty podle výrazu (1) však nemohou vznikat v podmínkách reálného spotřebiče. Jako příklad je uveden na obrázku 1 simulovaný časový průběh jednofázového diodového usměrňovače.

2


Pravoúhlý průběh 1,5

veličina

1 0,5 0 -0,5 0

5

10

15

20

-1 -1,5 čas [ms] Obrázek 1

Platnost výrazu (1) je zde způsobena strmými nárůsty proudu při přechodu z jedné poloperiody do poloperiody následující. V reálných podmínkách však tyto strmé nárůsty nejsou realizovatelné především vlivem rozptylové reaktance napájecího transformátoru a reaktance napájecí sítě.

V analyzovaném případě trakčního usměrňovače s dvanáctipulzním schématem (TNS ČD) by nerespektování rozptylové reaktance transformátoru usměrňovače vedlo k časovému průběhu proudu odebíraného tímto usměrňovačem ze sítě 22 kV, jak je simulován pro odebíraný proud 1660 A DC na obrázku 2.

3

25

Obrázek 2

Tento průběh byl podroben rychlé Fourierově transformaci (FFT) do frekvenční oblasti pomocí SW PSPice s tímto výsledkem:

I1 228,95 [A]

podle PSPice

podle „amplitudového zákona“

I11 [A]

20,67

20,81

I13 [A]

17,52

17,61

I23 [A]

9,69

9,95

I25 [A]

8,97

9,16

Podobnost proudových hodnot prokazuje přes jisté rozdíly, že časový průběh podle obrázku 2 lze dosti přesně popsat spektrálními složkami odvozenými s pomocí „amplitudového zákona“.

4

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 2.2.2 Poměrné hodnoty proudových harmonických podle PNE 33 3430-0 Tato PNE 33 3430-0 obsahuje v tabulce 7 článku 6.2.1.1 možnost odhadovat poměrné hodnoty proudů emitovaných do sítě dvanáctipulzním paralelním můstkem v hodnotách podle následující tabulky:

n

5

7

11

13

23

25

In [%]

4

3

9

6

3

3

20

14,3

9,09

7,69

4,35

4,00

In [%] podle a.z..

Tabulka v řádku druhém udává hodnoty převzaté z PNE 33 3430-0. Řádek třetí udává hodnoty, které vycházejí z „amplitudového zákona“. Z porovnání obou vyplývá, že tyto odhadované hodnoty jsou vesměs poněkud nižší než teoreticky nejvyšší, jak je udává „amplitudový zákon“. Pro názornost jsou ještě zapracovány do výše uvedené tabulky pro porovnání i hodnoty plynoucí z idealizovaného obrázku 2. Tabulka pak bude mít následující hodnoty:

I1 = 228,95[A]

podle PSPice

podle odhadu PNE 33 3430-0

I11 [A]

20,67

20,61

I13 [A]

17,52

13,74

I23 [A]

9,69

6,87

I25 [A]

8,97

6,87

Z této tabulky vyplývá, že odhad podle PNE 33 3430-0 respektuje alespoň částečně reálný vliv jevu komutace proudu usměrňovače, který je v obrázku 2 potlačen

5

2.2.3 Simulace reálného schématu dvanáctipulzního usměrňovače Cílem simulace schématu dvanáctipulzního usměrňovače TNS ČD bylo vyšetřit reálné spektrum proudu, který tento usměrňovač odebírá z napájecí sítě 22 kV, 50 Hz, a porovnat výsledky této simulace s hodnotami naměřených spekter z TNS. Jako výchozí hodnoty elektrických parametrů nutných pro sestavení simulovaného schématu trakčního usměrňovače byly vzaty průměrné hodnoty reálných schémat. Pomocí simulace byl sestrojen obrázek 3.

Obrázek 3

Porovnáním s obrázkem 2 je patrno, že tento nový časový průběh má díky jevu komutace tvar, který je bližší k průběhu sinusovému a lze tedy oprávněně předpokládat, že i jeho spektrální složení bude z hlediska EMC vůči napájecí síti příznivější. Základní spektrální složky po přepočtu na stranu 22 kV mají hodnoty podle následující tabulky:

I1

149,38 A

100 %

I11

7,72 A

5,17 %

I13

6,25 A

4,18 %

I23

2,12 A

1,42 %

I25

1,71 A

1,14 %

6

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Nutno podotknout, že takto zvolený číselný příklad představuje výkon trakčního usměrňovače cca 5,5 MW či cca 5,7 MVA a leží tedy v horní části pásma trakčního odběru, který v provozu je dosahován výjimečně. Na základě popsaného simulačního postupu byl pak sestrojen obrázek 4. Zde jsou vyneseny čtyři křivky amperických hodnot složek 11., 13., 23. a 25. harmonické na vstupní straně transformátoru usměrňovače v závislosti na proudu základní harmonické trakčního odběru.

Dále je v tomto obrázku vykreslena závislost amperických hodnot těchže harmonických na trakčním odběru, když harmonické proudy jsou odvozeny z odhadu podle PNE 33 3430-0. Porovnáním barevně odpovídajících průběhů je patrno, že odhad podle PNE 33 3430-0 (znázorněno čárkovaně) uvádí amperické hodnoty podstatně větší než odpovídá výsledkům simulace (znázorněno plnými čarami).

2.3 Obsah 5. a 7. harmonické proudu trakčního usměrňovače Dalším úkolem simulace dvanáctipulzního schématu trakčního usměrňovače byla otázka spektrálního složení harmonických v proudu, který odebírá z napájecí sítě 22 kV. Běžně se uvádí, že nejnižší spektrální složkou je až 11. harmonická následovaná pak 13. harmonickou. Spektrální složky 5. a 7. harmonické se v primárním proudu údajně nevyskytují. Vzniká otázka, čím je tento stav způsoben. Z výpočtů vyplývají pro spektrální složky proudů 5. a 7. harmonické primárního proudu dvanáctipulzního usměrňovače následující závažné závěry: ¾ spektrální složky 5. a 7. harmonické produkují obě sekce trakčního usměrňovače s nenulovými hodnotami amplitud: 7

¾ fáze těchto složek jsou navzájem v protifázi: ¾ v celkovém primárním proudu dvanáctipulzního usměrňovače se v důsledku toho vyruší a složky 5. a 7. harmonické dostávají prakticky nulové hodnoty svých amplitud, ¾ oprávněně lze očekávat, že stejně se budou chovat i spektrální složky 17., 19. atd. harmonických.

2.4 Obsah 11.a 13. harmonické proudu trakčního usměrňovače Existence složek 11. a 13. harmonické je citována a vzniká otázka, proč se v primárním proudu dvanáctipulzního usměrňovače vyskytují. Z výpočtů vyplývají pro spektrální složky 11. a 13. harmonické primárního proudu dvanáctipulzního usměrňovače následující závažné závěry: ¾ spektrální složky 11. a 13. harmonické produkují obě sekce dvanáctipulzního trakčního usměrňovače s prakticky stejnými hodnotami amplitud: ¾ fáze těchto složek jsou navzájem též prakticky stejné: ¾ v celkovém primárním proudu dvanáctipulzního usměrňovače se v důsledku toho přírůstky ze sekcí „D“ a „Y“ obou analyzovaných spektrálních složek ve svých amplitudách sečítají, ¾ oprávněně lze očekávat, že stejně se budou chovat i spektrální složky 23., 25. atd. harmonických.

3. EXPERIMENTÁLNÍ ČÁST ŘEŠENÍ Experimentální část řešení úkolu spočívala v měření na konkrétních TNS DC. Provádělo se měření TNS DC v oblasti jednoho dodavatele elektrické energie.

3.1 Metodika měření Měření bylo provedeno pomocí síťových analyzátorů BK 500 (výrobce ELCOM Praha) v.č. 19 402-002 a v.č. 19 402-004. Analyzátor byl zapojen v rozvodně 22 kV na právě aktivním přívodu. Napětí bylo pro každou TNS, jejichž seznam je uveden výše, snímáno ze sekundárního vinutí měřícího transformátoru napětí s převodem 22000/100 V, proud byl snímán pomocí proudových kleští MINI, které jsou součástí analyzátorů, ze sekundárního obvodu měřícího transformátoru proudu s převodem 400/5 A.

3.2 Postup měření Měření se uskutečnila v březnu – květnu 2003 zabudovaným programem v analyzátoru BK 500. Byly ukládány hodnoty proudu a napětí v intervalu 30 s po dobu jednoho týdne na každé výše uvedené TNS.

8


3.3 Způsob vyhodnocení Naměřená data ze síťových analyzátorů BK 500 byla převedena do tabulkového procesoru a v něm vyhodnocena. Z naměřených dat byly vyhodnocovány hodnoty proudů : ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾

odběrový proud TNS ................. I proud 5. harmonické ................ I_5 proud 7. harmonické ................. I_7 proud 11. harmonické ................. I_11 proud 13. harmonické ................. I_13 proud 23. harmonické ................. I_23 proud 25. harmonické ................. I_25

[A] [A] [A] [A] [A] [A] [A]

U všech harmonických byly sestrojeny závislosti dané harmonické proudu na odběru TNS pro každou TNS. Dále byla sestrojena kontrolně závislost 5. harmonické v čase jednoho týdne při kroku 30 vteřin. Na závěr byla provedena statistika rozdělení odběrových proudů TNS do daných intervalů. Tato statistika byla provedena pro každou TNS zvlášť a následně pro všech dvanácti sledovaných TNS jako pro celek.

3.4

Metodika zpracování naměřených hodnot

Ve 12 trakčních napájecích stanicích stejnosměrné soustavy ležících v oblasti SME byla uskutečněna týdenní měření harmonických primárního proudu TNS jako celku. Jednotlivé soubory mají pro každou harmonickou rozsah cca 16 až 20 tisíc údajů, což představuje statistický materiál pro každou harmonickou v rozsahu cca 240 tisíc hodnot. Při uvedených měřeních byly zaznamenávány efektivní hodnoty harmonických v primárním proudu TNS od základní po 25. harmonické. Pro dále popsanou statistickou analýzu byly vybrány údaje náležející: ¾ dvojici nejnižších „zákonných“ složek, tedy složek 11. a 13. harmonické, ¾ dvojici následujících „zákonných“ složek, tedy složek 23. a 25. harmonické,

9

3.4.1 Analýza „zákonných“ složek trakčního usměrňovače Prvním krokem při analýze „zákonných“ složek 11., 13., 23. a 25. harmonické primárního proudu jednotlivých TNS bylo sestrojení závislosti efektivní hodnoty těchto složek na efektivní hodnotě základní složky 50 Hz tohoto proudu. Vzniklé diagramy, které obsahovaly množinu naměřených hodnot, byly pak doplněny regresní křivkou, která popisuje pro danou TNS nejpravděpodobnější závislost sledované harmonické na harmonické základní. Pro průběh regresní křivky byla zvolena kubická parabola (parabola třetího stupně), protože její průběh nejlépe vyjadřoval charakter průběhu sledované závislosti dané harmonické na harmonické základní. Správnost volby tohoto typu regresní křivky potvrzuje i číselná hodnota spolehlivosti značená „ R 2 “. K tomu nutno poznamenat, že pro ideální shodu s nejvyšší spolehlivostí náhrady naměřených hodnot regresní křivkou by platilo R 2 = 1,00 . Bylo zjištěno, že hodnota spolehlivosti leží pro sledované harmonické zhruba v intervalech: ¾ pro 11. harmonickou v intervalu od 0,9937 do 0,8835, průměrná hodnota spolehlivosti ze všech 12 TNS činí 0,9628, ¾ pro 13. harmonickou v intervalu od 0,9872 do 0,7868, průměrná hodnota spolehlivosti ze všech 12 TNS činí 0,9365, ¾ pro 23. a 25. harmonickou je však rozptyl hodnot spolehlivosti větší.

3.4.2 Soubor regresních křivek Druhým krokem analýzy bylo sestrojení souboru regresních křivek z jednotlivých sledovaných TNS podle jejich upřesněných rovnic do společného diagramu, a to odděleně pro 11., 13., 23. a 25. harmonickou. Vznikl tak soubor nejpravděpodobnějších závislostí obsahu sledovaných harmonických primárního proudu ze všech 12 TNS na základní harmonické tohoto proudu.

3.4.3 Průměrná regresní křivka Ve třetím kroku bylo možno ke čtyřem souborům regresních křivek pocházejících ze 12 sledovaných TNS a platících pro danou harmonickou nalézt nové regresní křivky vyjadřující pro sledované harmonické vždy nejpravděpodobnější (průměrnou) závislost dané harmonické na základní složce, protože jsou známé rovnice jednotlivých regresních křivek. Takto vzniklé regresní křivky značené jako průměrné jsou tedy sestrojeny z údajů naměřených ve všech 12 TNS, vždy pro sledovanou harmonickou.

3.4.4 Obálka maximálních hodnot souboru regresních křivek Čtvrtým krokem bylo vysledování maximálního hodnot obsahu sledované 10

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 harmonické v závislosti na složce základní, tedy vysledování obálky souboru regresních křivek jednotlivých TNS pro sledovanou harmonickou. Zde byla použita metoda „křivítka“, křivka vyjadřující obálku byla vykreslena s tím, že z fyzikálního principu musí procházet počátkem souřadnic. Z diagramů platných pro jednotlivé harmonické byly za účelem vyšetření regresních koeficientů této obálky odečteny hodnoty pro 50 A, 150 A a 250 A základní složky primárního proudu, čímž vznikly tři rovnice pro tři neznámé koeficienty regresní obálkové křivky. Jejich řešením byla získána rovnice regresní obálkové křivky platící pro danou harmonickou.

Tuto křivku lze využít pro definování největších hodnot harmonických v primárním proudu TNS, platných pro danou harmonickou.

3.5 Výsledky měření Měření bylo provedeno na dvanácti TNS a z každé TNS je k dispozici téměř 20 tisíc dat pro každou sledovanou veličinu.

3.5.1 Proud 5. harmonické TNS

Byl měřen a vyhodnocován u všech TNS. Pro příklad je uveden jeden soubor.

Z přiloženého obrázku je patrné, že hodnoty 5. harmonické proudu nabývají hodnot prakticky od nuly po dva ampéry. Protože tyto hodnoty se vyskytují po celou škálu odběrových proudů TNS, nejsou způsobované činností trakčního usměrňovače. Lépe to bude patrné na následujícím obrázku, kde je znázorněn průběh 5. harmonické 11

napětí, čímž je jednoznačně prokázán zdroj 5. harmonické mimo TNS (spínané zdroje malého výkonu a velkého množství - TV přijímače).

3.5.2 Proud 7. harmonické TNS Byl měřen a vyhodnocován u všech TNS. Jedná se o obdobný případ jako u páté harmonické proudu. Z přiloženého obrázku je patrné, že hodnoty 7. harmonické proudu nabývají hodnot prakticky od nuly po dva ampéry. Protože tyto hodnoty se vyskytují po celou škálu odběrových proudů TNS, nejsou způsobované činností trakčního usměrňovače.

3.5.3 Proud 11. harmonické TNS Byl měřen a vyhodnocován u všech TNS. Jedenáctá harmonická svým řádem 12

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 je nejnižší, kterou trakční usměrňovač „produkuje“. Pro příklad z měření bude uveden jeden soubor, který udává závislost jedenácté harmonické proudu na odběru TNS.

Prakticky stejné průběhy dostaneme u ostatních TNS. Ze souboru všech rovnic regresních křivek byl sestaven souhrnný graf, který obsahuje průměrné (zelená) a maximální hodnoty (obálku- modrá) 11. harmonické, doplněné opět o přímku představující odhad PNE 33 3430-0 - červená.

3.5.4 Proud 13. harmonické Byl zvolen stejný potup jako u 11. harmonické s následujícími výsledky:

13



14


Vzhledem k tomu, že tento rozbor byl proveden z téměř 240 tisíc dat, lze jej považovat za reprezentativní. Z tohoto důvodu jej lze doporučit pro posuzování zpětných vlivů proudových složek harmonických TNS DC na napájecí síť jak pro rekonstrukci stávajících TNS, tak i pro projektování nových TNS místo odhadu uvedenému v tabulce 7 článku 6.2.1.1 PNE 33 3430-0.

15

3.6 Statistické rozdělení zátěže TNS Veškeré rozbory, které byly prováděny, vycházely z okamžitých naměřených hodnot proudu TNS snímaných v intervalu 30 s. Napěťové harmonické jsou důsledkem harmonických proudu vznikajících provozem trakčního usměrňovače. Pro velikost napěťových harmonických platí vztah mezi impedancí napájecí sítě a proudovými harmonickými trakčního usměrňovače (Ohmův zákon). ČSN EN 50 160 však předepisuje sledování napěťových v průměrných desetiminutových intervalech.

harmonických

3.6.1 Charakter trakčního odběru O trakčním odběru je známé, že je značně kolísavý v čase. Pro ilustraci vlivu rozdílu v intervalech sledování v tomto případě odběrového proudu náhodně vybrané TNS slouží následující obrázek.

Z tohoto obrázku je patrno, že desetiminutové průměrné hodnoty odebíraného proudu jsou podstatně nižší než hodnoty měřené v intervalu 30 s. Toto platí pochopitelně i pro další složky harmonických odběrového proudu TNS.

3.6.2 Histogramy trakčního odběru Pro dokreslení charakteru trakčního odběru byla provedena analýza četnosti výskytu odběrového proudu TNS a tím i zdánlivého výkonu TNS v intervalech po 25 A odběrového proudu. Jako příklad je uveden soubor jedné konkrétní TNS

16


Dále je z téhož souboru uveden sumární přehled ze všech měřených TNS.

17

I z tohoto obrázku je patrno, že těžiště histogramu odběrového proudu leží v intervalech od 25 do 75 A ( 56 % všech hodnot) Tento odběrový proud představuje výkon TNS od 0,9 do 2,9 MVA. Hodnoty proudu vyšší něž 175 A (6,7 MVA) jsou statisticky nevýznamné (jejich počet je menší než 1 % všech naměřených hodnot).

3.6.3 Posouzení výsledků statistického rozdělení zátěže TNS Poslední sloupec histogramu udává celkový počet hodnot naměřených ve všech TNS (téměř 233 tisíc naměřených hodnot). Tento soubor naměřených hodnot vytváří statisticky významný podklad pro další analýzy, které je možno použít při určování vstupních podkladů pro projektování rekonstrukcí i nově navrhovaných TNS.

4. ZÁVĚR 1. Jsou uvedeny statisticky podložené výsledky závislosti amperických hodnot 11., 13., 23. a 25. harmonické odebíraného primárního proudu TNS DC na jejím zatěžovacího proudu. 2. Takto získané hodnoty uvedených proudových harmonických jsou významně nižší než dosud používané hodnoty odvozené z „amplitudového“ zákona i hodnoty odhadované v tabulce č. 7 PNE 33 3430-0. 3. Dalším poznatkem je, že mezi amperickými hodnotami uvedených harmonických neplatí lineární závislost. Při vyšších zatíženích TNS jejich poměrný obsah klesá na rozdíl od tvrzení „amplitudového“ zákona i odhadu podle tabulky 7 PNE 33 3430-0. 4. Vzhledem k tomu, že tento rozbor byl proveden z téměř 240 tisíc dat, lze 18

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 jej považovat za reprezentativní. Z tohoto důvodu jej lze doporučit pro posuzování zpětných vlivů TNS DC na napájecí síť jak pro rekonstrukci stávajících TNS, tak i pro projektování nových TNS místo odhadu uvedenému v tabulce č. 7 článku 6.2.1.1 PNE 33 3430-0. 5. Naměřené hodnoty odběrového proudu TNS byly současně analyzovány i hlediska jejich okamžitých hodnot a jejich desetiminutových průměrných hodnot.Vzhledem na charakter trakční zátěže je velký rozdíl v okamžitých hodnotách v porovnání se sledovanými desetiminutovými průměry. 6. Dále byly odběrové proudy analyzovány z hlediska jejich výskytu v daných proudových intervalech. Těžiště výskytu je v nejnižších hodnotách. Z toho vyplývá, že desetiminutové sledování je pro trakční charakter odběru výhodnější.

Literatura: Krupica J.: Hlava K. : Elektromagnetická kompatibilita (EMC) drážních zařízení Skriptum Univerzity Pardubice, 2004 PNE 33 3430-0:2003: Výpočetní hodnocení zpětných vlivů odběratelů a zdrojů distribučních soustav.

V Praze, červen 2006 Lektoroval: Doc. Ing. Karel Hlava, CSc. Univerzita Pardubice

19


Karel Hlava, Radovan Doleček, Ondřej Černý1

Poměry při zkratu na trakčním vedení jednofázové soustavy 25 kV, 50 Hz Klíčová slova: trakční napájecí soustava 25 kV, 50 Hz, zkraty na trakčním vedení, přepětí při zkratu na trakčním vedení. 1. - Úvod Z další analýzy vyplyne, že elektrické poměry v trakční napájecí soustavě jednofázové trakce 25 kV, 50 Hz na ČD jako celku je nutno sledovat v kmitočtové oblasti zlomků milisekund, jinak řečeno v oblasti desítek až stovek kHz. Je tedy vhodné posoudit jednotlivé prvky trakční napájecí soustavy nikoliv z hlediska tak zvaných energetických harmonických (obvykle do 13. harmonické, tedy do 650 Hz), ale z hlediska jejich chování pro podstatně vyšší kmitočty. Trakční transformátor 110/27 kV lze ve sledované kmitočtové oblasti ještě nahradit pouhou podélnou indukčností, protože vliv mezivinuťové kapacity není u tohoto prvku vůči rozptylovým reaktancím obou vinutí dominantní a případná změna napěťového (závitového) převodu v tomto případě nehraje roli. Podobný postup je využíván i pro analýzu šíření rázových vln atmosférického původu [1] [2] a [3]. Dalšími prvky jsou rezonanční LC větve FKZ. Zde je možno stanovit náhradní reaktanci těchto větví Z LC (ω) pro frekvenci f pomocí výrazu 2 f 2 − f REZ Z LC (f ) = j ⋅ 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ L REZ ⋅ f2

kde f

ležící v oblasti desítek až stovek kHz

f REZ je kmitočet, na který je daná LC větev naladěna (147 Hz, 250 Hz) L REZ je indukčnost rezonanční tlumivky LC větve ( L 3 , L 5 ) Uvedený výraz lze posoudit s použitím podmínky, že

f 〉〉 f REZ a dostaneme tak Z LC (f ) ≅ j ⋅ 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ L REZ

1

Doc. Ing. Karel Hlava, CSc., 1930, absolvent ČVUT FEL obor elektrická trakce, r. 1953, vědecký pracovník (ČD VÚŽ, TÚDC, SŽE), nyní docent katedry elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice. Ing. Radovan Doleček, 1971, absolvent Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice, obor Dopravní infrastruktura- elektrotechnika, specializace Elektrická trakční zařízení, r. 1999, nyní interní postgraduální doktorské studium na DFJP UPa KEEZ v tématice Pevná trakční zařízení. Ing. Ondřej Černý, 1980, absolvent Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice, obor Elektrická zařízení železniční infrastruktury, r. 2004, nyní postgraduální doktorské studium na DFJP UPa KEEZ v tématice Regulace synchronních strojů.

1

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Tento výraz prokazuje, že pro sledovanou oblast desítek až stovek kHz lze spolehlivě zanedbat vliv kondenzátorových skupin obou LC větví, které se pak „tváří“ jako prosté indukčnosti doprovázené v sérii odpovídajícím činným odporem. Také dekompenzační větev se podobně projevuje i pro sledovanou oblast frekvencí jako indukčnost v prvním přiblížení nezávisle na momentálním nastavení regulátoru COMPAKT. Tato větev FKZ totiž vykazuje vždy téměř čistě induktivní charakter připojený paralelně k celkové indukčnosti TNS a který šíření rázové vlny neovlivní. V dalším vždy předpokládáme vznik zkratu na TV bez trakčního odběru. Pokud by bylo nutno trakční odběr v okamžiku vzniku zkratu respektovat, lze použít poznatek, že hnací vozidlo jednofázové soustavy vykazuje vždy převážně indukčně-odporový charakter, což nijak neovlivní pohyb rázové vlny podél TV. Zvláštní pozornost nutno věnovat náhradě trakčního vedení. Pro zmíněné energetické harmonické postačilo je nahradit kapacitou jako soustředěným prvkem, jejíž hodnota je odvozena z měrné kapacity a rozvinuté délky TV. Pro provozní délky TV a očekávané kmitočty není vhodná ani náhrada dvojbrany vzhledem k frekvenčnímu omezení danému nezbytným počtem kaskádně řazených dvojbranů a délkou sledovaného TV pro dosažení požadované přesnosti náhrady [4], [5]. Dnešní výpočetní technika a především simulační metody dávají přednost přechodu na homogenní ztrátové vedení dovolující snazší analýzu nejenom na obou koncích TV, ale i v libovolném mezilehlém bodě TV. Zde lze použít běžné zjednodušení zanedbáním rozvětvení TV v železničních stanicích vzhledem k tomu, že délka jejich TV je zanedbatelná ve srovnání s délkou TV širé trati. Pokud by bylo nutno rozvětvení TV v žst respektovat, projeví se tato skutečnost pouze změnou hodnoty jeho celkové vlnové impedance [6], [7]. 2. - Zásady simulační analýzy poměrů při zkratu na TV Při této analýze je nutno zásadně rozlišovat okolnosti, za kterých ke zkratu došlo. Vezměme například analýzu poměrů při zkratu na TV. Zde nutno analyzovat odděleně dva výchozí stavy, a to: •

zkrat byl vytvořen uměle na TV v beznapěťovém stavu a do takto vytvořeného obvodu bylo napaječovým vypínačem připojeno trakční napětí,

•

zkrat vznikl na TV připojeném na trakční napětí, což představuje běžné provozní podmínky předcházející vzniku zkratu,

Simulační analýza si vyžádala použití zatím nejdokonalejšího z dostupných SW (SPice verze 9.1), který dovoluje simulovat TV jako ztrátové homogenní („elektricky dlouhé“) vedení. Jako výchozí parametry byly pro simulaci použity následující měrné hodnoty: • měrná kapacita CTV = 15 nF / km • měrná indukčnost

L TV = 1 mH / km

• měrný činný odpor

R TV = 0,4 Ω / km

• měrný svod

G TV = 0 S / km

Pro délku TV byla zvolena hodnota l TV = 38,73 km . Důvodem pro tuto volbu bylo zvýšení názornosti poloh jednotlivých napěťových vln během jejich postupu podél TV. Z výše uvedených zvolených měrných parametrů TV totiž vychází doba běhu (či zpoždění) napěťové vlny v celé délce TV daná výrazem 2


TD = l TV ⋅ L TV ⋅ CTV

[s, km, H / km, F / km]

odkud pro zvolené TD = 150 µs dostaneme l TV = 38,73 km , což se jeví jako provozně realizovatelná délka TV. Parametry obou LC větví FKZ byly zvoleny pro simulaci takto: •

součtová kapacita kondenzátorové skupiny 3. h. je

C 3 = 8,5 µF ,

• indukčnost vzduchové rezonanční tlumivky 3. h. je

L 3 = 137 mH ,

• součtová kapacita kondenzátorové skupiny 5. h. je

C5 = 2,4 µF ,

• indukčnost vzduchové rezonanční tlumivky 5. h. je

L 5 = 169 mH .

Dekompenzační větev byla nahrazena indukčností

L DEK = 0,587 H

Náhradní indukčnost trakčního transformátoru byla zvolena s respektováním zkratového výkonu napájecí sítě L TT = 26 mH 110 kV hodnotou 2.1 – Připnutí trakčního napětí do předem zkratovaného TV Obvod pro simulaci poměrů po připnutí trakčního napětí do předem zkratovaného TV byl sestaven takto (podrobnosti viz Příloha A, obrázek PA-1): A) TV bylo simulováno modelem „TLOSSY“, B) zdroj trakčního napětí byl simulován modelem „VTV“ poskytujícím sinusové napětí s nastavenou amplitudou 38891 V, C) pro simulaci napaječového vypínače byl použit model „Sbreak“, D) pro jeho ovládání byl použit model „VOVL“, který dovolil nastavit okamžik připnutí trakčního napětí v době, kdy toto napětí dosáhlo svého maxima 38891 V, E) TV bylo zakončeno rezistorem 1 µΩ , F) FKZ s oběma LC větvemi a větví dekompenzační bylo připojeno trvale. Poznámka: Okamžik připojení trakčního napětí k TV v bodě jeho maxima (38891V) považujeme za nejpravděpodobnější, protože bude dán okamžikem vzniku průrazu mezi přibližujícími se kontakty zapínacího vypínače [2], [3] a [6]. Na následujícím obrázku 1 jsou vyneseny časové průběhy: •

proudu vtékajícího po zapnutí napaječového vypínače do zkratovaného TV, který je značen I(RTV ) , • napětí na vstupu do TV, které je značeno V(4). Obrázek 1

3


700A

500A

250A SEL>> 0A I(RTV) 40KV

20KV

0V 24.5ms V(61)

25.0ms

25.5ms

26.0ms

26.5ms

Time

Z tohoto obrázku jsou patrné následující skutečnosti: A) V prvním okamžiku po zapnutí napaječového vypínače lze sledovaný obvod považovat za obvod sestavený ze: • •

zdroje stejnosměrného napětí s hodnotou 38891 V, připínaného k přes náhradní indukčnost trakčního transformátoru L TNS = 26 mH ke vstupnímu odporu TV představovanému v souladu s [1] i [2] jeho vlnovým odporem Z 0 ,TV = 258 Ω

V takovém případě je napětí na výstupu z TNS (tedy na vlnovém odporu TV) dáno výrazem u TV

kde

t ⎞ ⎛ τ ⎟ ⎜ = U TNS ⋅ ⎜ 1 − ε ⎟ ⎠ ⎝

U TNS = 38891 V

τ=

L TNS 0,026 = ≅ 0,10 ms Z 0 ,TV 258

B) Tento výraz ukazuje, že těsně po zapnutí napaječového vypínače v TNS je napětí na vstupu do TV nulové a narůstá od zapnutí napaječového vypínače (v okamžiku 25,0 ms) s časem podle exponenciály. Jako obvykle platí, že ustálenou hodnotu dosáhne toto napětí po cca třech časových konstantách, tedy za cca 0,3 ms, kdy je ještě možno trakční napětí považovat za stejnosměrné s jeho amplitudovou hodnotou. C) Takto vzniklá napěťová vlna se po 150 µs , tedy v okamžiku 25,15 ms dostane na zkratovaný konec TV, kde se odrazí s opačnou polaritou.

4

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 D) Po následujících 150 µs , tedy v okamžiku 25,30 ms , dostihne tato napěťová vlna (zmenšená o útlum na TV) vstup do TNS, kde se opět odrazí se stejnou polaritou a postupuje ke zkratovanému konci TV, E) Za dalších 2 ⋅ 150 µs = 300 µs se opět vrátí po odrazu na zkratovaném konci TV k začátku TV, kde dosáhne v okamžiku 25,63 ms (tedy po 630 µs po zapnutí napaječového vypínače) své největší hodnoty (odečteno z křivky) 38830 kV . F) Simulace prokázala, že v dalších periodách nikde napětí na vstupu TV tuto hodnotu při zvolených parametrech napájecí soustavy nepřesáhne. 2.2 - Zkrat vznikl na TV připojeném na trakční napětí Obvod pro simulaci zkratu na TV, které bylo před vznikem zkratu pod trakčním napětím, byl sestaven takto (podrobnosti viz Příloha A, obrázek PA-2): A) TV bylo simulováno modelem „TLOSSY“, B) zdroj trakčního napětí byl simulován modelem „VTV“ poskytujícím sinusové napětí s nastavenou amplitudou 38891 V, C) pro simulaci zkratu byl použit model „Sbreak“, D) pro jeho ovládání byl použit model „VOVL“, který dovolil nastavit okamžik vzniku zkratu v době, kdy trakční napětí dosáhlo svého maxima 38891 V, E) TV bylo zakončeno rezistorem 1 M Ω , F) zkrat nastal v okamžiku značeném 25,0 ms. Na následujícím obrázku 2 jsou vyneseny časové průběhy: • napětí na výstupu z TNS, tedy na vstupu do TV, které je značeno V(4), • napětí v polovině délky TV, tedy v kilometru 19,37, které je značeno V(3) . Obrázek 2

5


100KV

0V

-100KV V(4)

100KV

0V

SEL>> -100KV 24.5ms V(3)

25.0ms

25.5ms

26.0ms

26.5ms

Time

Z tohoto obrázku jsou patrné následující skutečnosti: A) TV nebylo před vznikem zkratu, tedy před okamžikem 25,0 ms, zatíženo odběrem a proto napětí na jeho konci se tedy prakticky rovnalo napětí na jeho vstupu (38891 V). B) Začátek průběhu napětí na TV v jeho polovině značeného V(3) prokazuje anulování tohoto napětí po okamžiku 25,075 ms, tedy v okamžiku zpožděném proti okamžiku vzniku zkratu o 0,075 ms, což je polovina výše uvedené doby průchodu vlny celou zvolenou délkou TV. C) Příčinu tohoto jevu lze vysvětlit tím, že v okamžiku zkratu na konci TV (25,0 ms) dojde v místě zkratu (na konci TV) ke vzniku rázové vlny s amplitudou rovnou záporně vzaté amplitudě tamního trakčního napětí, tedy s hodnotou (- 38891 V), čímž skutečně dojde podle předpokladu k anulování napětí na konci TV. D) Takto vzniklá rázová vlna se šíří směrem k TNS a po uběhnutí poloviny délky TV je zachycena v okamžiku 25,075 ms jako V(3). E) Tato vlna však pokračuje dále směrem k TNS a za dalších 0,075 ms (tedy po uplynutí 0,15 ms od vzniku zkratu) dojde na její vstup, kde anuluje napětí na TV a je zachycena jako V(4). F) V tomto bodě však vlna narazí na paralelní kombinaci indukčností (trakční transformátor, LC větev, dekompenzační větev), protože vnitřní odpor zdroje napětí značeného VTV je nulový. G) Podle výše uvedeného zdůvodnění lze přijmout, že tedy tato vlna narazí na prakticky otevřené homogenní vedení a podle zásad odrazu vln na homogenním vedení se v tomto bodě vlna odráží se stejnou amplitudou i polaritou (amplituda bude - 38891 V). H) Od vstupu do TNS se tedy odráží zpět ke zkratovanému konci TV již nová vlna se zdvojenou amplitudou (při zanedbání útlumu na TV 77782 V). I) Po uplynutí doby (0,075 + 0,15 = 0,225) ms tato záporná vlna přichází do prostředka délky TV, jak je patrno z průběhu V(3) a pokračuje dále ke zkratovanému konci TV.

6

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 J) Zde opět dojde o jejímu odrazu, ovšem s opačnou polaritou (odraz na zkratovaném konci homogenního vedení), v daném případě s polaritou již kladnou. K) Tato vlna pak přijde po době (0,075 + 0,15 + 0,15)ms, tedy v okamžiku 0,375 ms po vzniku zkratu, opět ke středu celkové délky TV, jak patrno z průběhu V(3) a pokračuje dále směrem k TNS. L) Zde je nutno ještě vysvětlit exponenciální pokles napěťové vlny z průběhu V(4) po jejím prvním odrazu u TNS. Tato vlna se vzdalovala od TNS a lze dokázat, že časový průběh napětí na výstupu z TNS je dán výrazem

u ODRAž

⎛ − = ⎜−1+ ε ⎜ ⎝

Z 0 ,TV L TNS

⋅t

⎞ ⎟⋅u ⎟ DOšLá ⎠

M) Časová konstanta tohoto poklesu je dána opět výrazem

τ=

L TNS 0,026 ≅ = 0,10 ms Z 0 ,TV 258

kde L TNS ≅ 26 mH jako přibližná hodnota celkové náhradní indukčnosti celé TNS, Z TV =

L TV 1e −3 = = 258 Ω je vlnový odpor TV CTV 15e − 9

N) Obecně platí, že exponenciální křivka poklesne ke své ustálené hodnotě za cca 3 časové konstanty, v daném případě za cca 0,3 ms, což dobře odpovídá průběhu V(4) . O) Z průběhu V(4) je patrno, že tato vlna (s vrcholovou hodnotou 77782 V) v okamžiku 0,3 ms po prvním odrazu (tedy v čase 25,45 ms) opět dostihne začátek TV, kde se odrazí (jako na otevřeném konci vedení) se stejnou velikostí i stejnou polaritou její vrcholová hodnota se však připočítá po doznění exponenciální křivky napětí k trakčnímu napětí dodávanému zdrojem VTV, takže celková vrcholová hodnota v bodě připojení TV k TNS bude cca 116,7 kV . Reálná hodnota však bude nižší o útlum na délce TV. Za podmínek simulace dosáhla vrcholová hodnota 111,3 kV. P) Simulační studie prokázala, že v dalších periodách po zkratu již vrcholové hodnoty jsou o útlum na TV nižší. Q) Lze tedy závěrem ke zkratu na otevřeném konci TV, bylo-li TV před zkratem pod napětím, konstatovat, že: •

teoreticky největší napětí na výstupu z TNS při zkratu na konci TV může dosáhnout vrcholové hodnoty trojnásobku amplitudy trakčního napětí, tedy hodnoty 3 ⋅ 27,5 ⋅ 2 = 116,7 kV ,

•

tato vrcholová hodnota se pak objeví na výstupu z TNS při délce TV cca 40 km po cca 0,45 ms od okamžiku vzniku zkratu na konci TV,

•

při kratší délce TV se vrcholová hodnota napětí na výstupu z TNS zmenší jen v malé míře díky tomu, že při stejné hodnotě časové konstantě nebude ještě exponenciální průběh napětí V(4) dostatečně utlumen,

•

při větší délce TV je reálná naděje na zvýšený útlum napěťové vlny jejím průběhem podél TV a tím i na jisté omezení výsledné vrcholové hodnoty, 7

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 •

uvedená vrcholová hodnota napětí na výstupu TNS nezávisí podstatně na existenci jedné či obou LC větví FKZ, protože pro jev odrazu napěťové vlny na impedanci TNS jako celku je směrodatná hodnota L TT = 26 mH , vůči které mají ostatní náhradní indukčnosti k ní paralelně připojené (obou LC větví a větve dekompenzační) podstatně větší hodnoty.

V případě vzniku zkratu v bodě TV ležícím v libovolném místě délky napájeného úseku je situace dána pouze vzdáleností místa zkratu od TNS. Délka TV od místa zkratu směrem k otevřenému konci TV se v napětí na výstupu z TNS z pochopitelných důvodů neuplatní, protože je oddělena zkratem. 2.3 – Vliv dalších úseků TV současně napájených z téhož trakčního transformátoru Předchozí odstavec tohoto příspěvku předpokládal, že z daného trakčního transformátoru je napájen pouze elektricky vzato jeden úsek TV, na kterém došlo ke zkratu, a to při stavu, kdy před zkratem bylo k němu připojeno trakční napětí. Tento stav se týká těchto dvou provozně možných případů: • •

z trakčního transformátoru je napájen úsek TV jednokolejné trati, z tohoto transformátoru jsou napájeny úseky TV dvoukolejné trati, které ale jsou v některém bodě své délky příčně propojeny, takže při vzniklém zkratu na této soustavě TV dojde k současnému vypnutí obou napaječových vypínačů; jediný rozdíl proti případu jednokolejné trati je ve změně časové konstanty z původní hodnoty τ = 0,10 ms platící pro hodnotu vlnového odporu TV jednokolejné trati 258 Ω na její dvojnásobek, tj. na hodnotu τ=

0,026 = 0,20 ms 129

odpovídající vlnovému odporu 129 Ω dvou paralelně napájených TV dvoukolejného úseku. V provozním stavu napájení se však častěji používá oddělené napájení TV dvoukolejné trati, tedy bez příčného propojení obou stop TV. V takovém případě vzniká otázka, jak se při zkratu na jedné stopě TV (v dalším značené jako TV1) projeví vliv druhé stopy TV (v dalším značené TV2), jsou-li obě stopy TV napájeny ze stejného trakčního transformátoru. Délky obou úseků TV předpokládáme stejné. Z hlediska šíření rázové napěťové vlny v této napájecí soustavě lze konstatovat: •

od okamžiku zkratu na TV1 se tento úsek TV jeví jako zkratovaný,

•

úsek TV2 zůstává po celou sledovanou dobu jako otevřený,

•

místem styku obou těchto úseků TV je TNS, která se zde projeví jako velká příčná induktivní reaktance představovaná náhradní indukčností trakčního transformátoru a k ní paralelně připojenými náhradními indukčnostmi obou LC větví FKZ a větve dekompenzační, podobně jako v případě minulém,

•

toto místo styku obou TV má však pro rázovou napěťovou vlnu impedanci značně převyšující vlnový odpor TV, který činí 258 Ω a nevytvoří tedy místo s podstatným lomem vlnového odporu a neuplatní se vytvořením závažného odrazu této vlny,

•

jedinými místy s možností vytvoření podstatného odrazu rázové vlny zůstává tedy 8

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 zkratovaný konec úseku TV1 a otevřený konec úseku TV2. Na obrázku 3 je vynesen časový průběh dvou napětí, a to: • •

napětí značené (V 41) , sejmuté na vývodu z TNS, tedy na vstupu do zkratovaného úseku TV1 i úseku TV2, napětí značené (V 9) , sejmuté na otevřeném konci úseku TV2. Obrázek 3 100KV

0V

-100KV V(41) 100KV

0V

SEL>> -100KV 24.5ms V(9)

25.0ms

25.5ms

26.0ms

26.5ms

27.0ms

Time

Z obrázku 3 vyplývají následující poznatky: •

z průběhu veličiny (V 41) je patrno, že rázová vlna (s hodnotou –38891 V) způsobená zkratem na konci úseku TV1 dospěje do TNS poprvé za 150 µs od okamžiku zkratu (vzniklého v čase 25,0 ms ),

•

v TNS se však neodrazí, jak je patrno ve srovnání s obrázkem 2, a projde dále do úseku TV2, kde za dalších 150 µs (tedy v době 25,30 ms od vzniku zkratu) narazí na jeho otevřený konec, kde se odrazí se stejnou polaritou i velikostí, čímž vznikne odražená vlna s vrcholovou hodnotou -77782 V ,

•

tato vlna dosáhne TNS za dalších 150 µs v době 25,45 ms, kde se však připočítá k vrcholové hodnotě trakčního napětí 38891 V, a po tomto okamžiku se směrem ke zkratovanému konci úseku TV1 již šíří vlna s vrcholovou hodnotou -38891 V,

•

tato vlna po dalších 150 µs dosáhne zkratovaný konec úseku TV1 , kde se odrazí s opačnou polaritou a vznikne tak vlna s vrcholovou hodnotou 38891 V,

•

v okamžiku 25,75 ms tato nová vlna dojde k TNS, kde se připočte k okamžité hodnotě trakčního napětí a výsledkem je vrcholová hodnota teoreticky (bez respektování útlumu na TV) 77782 V, tedy dvojnásobek amplitudy trakčního napětí (odečet ze simulace dává cca 64 kV),

•

v okamžiku 25,90 ms dorazí tato vlna na otevřený konec úseku TV2, kde se odrazí se stejnou velikostí i polaritou, avšak připočte se k okamžité hodnotě trakčního napětí, takže

9

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 výsledná vrcholová hodnota na otevřeném konci úseku TV2 bude činit (při zanedbání útlumu na TV) 116,7 kV, tedy trojnásobek amplitudy trakčního napětí, •

v dalších časových úsecích se postup vln opakuje, zde však již je nutno respektovat útlum rázové vlny, a proto již nelze očekávat překročení výše uvedených vrcholových hodnot napětí.

Nyní se ještě podíváme na časové průběhy proudů v obou úsecích TV. Jsou vyneseny na obrázku 4. Obrázek 4 1.0KA

0.5KA

0A I(RTV1) 200A

0A

SEL>> -200A 24.5ms I(RTV2)

25.0ms

25.5ms

26.0ms

26.5ms

27.0ms

Time

Z obrázku 4 jsou patrné následující poznatky: • •

časové průběhy proudů vtékajících do obou úseků TV začínají v okamžiku 25,15 ms, tedy v okamžiku, kdy rázová napěťová vlna došla úsekem TV1 k TNS, okamžité hodnoty obou proudů jsou v tomto okamžiku prakticky stejné a činí: o u úseku TV1 o u úseku TV2

•

141 A, 136 A,

zatím co proud ve zkratovaném úseku TV1 s časem narůstá, jak bylo ověřeno výše, proud ve druhém úseku TV2 vykazuje nepodstatné špičkové hodnoty (v čase 26,05 ms vznikla vrcholová hodnota 163 A).

Závěrem ještě posoudíme stejný stav, kdy jsou z trakčního transformátoru napájeny dva úseky TV, značené TV1 a TV2. Avšak na rozdíl od předchozí části této kapitoly, kde se analyzoval stav při vzniku zkratu na TV původně pod trakčním napětím, budeme předpokládat, že: • •

úsek TV1 byl původně bez trakčního napětí a má na svém konci připraven zkrat a v daném okamžiku je k němu připojeno trakční napětí, úsek TV2 má stále připojeno trakční napětí, není pochopitelně trakčně zatížen. Elektrické poměry v soustavě ilustruje obrázek 5, kde jsou uvedeny časové průběhy: ¾ proudu, který vchází do TV2, tedy do TV zůstávajícího stále v provozním stavu,

10

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 ¾ proudu, který začne procházet do TV1 k jeho zkratovanému konci, ¾ napětí na výstupu z TNS, značené V(5). Obrázek 5 200A 0A -200A I(RTV2) 1.0KA 0.5KA 0A I(RTV1) 50KV SEL>> 0V 24.5ms V(5)

25.0ms

25.5ms

26.0ms

26.5ms

27.0ms

Time

K tomuto obrázku lze konstatovat, že napětí na výstupu TNS nedosahuje nebezpečné hodnoty. Zajímavé je, že do úseku TV2, který je v provozním stavu, protéká těsně po zapnutí trakčního napětí do předem zkratovaného úseku TV1 proud, jehož časový průběh je značně ovlivněn deformací časového průběhu výstupního napětí TNS. Ve všech třech průbězích se opět uplatňuje časový úsek 300 µs potřebný pro dva průchody rázové napěťové vlny délkou obou úseků TV. 2.4 – Poměry při vypínání zkratu napaječovým vypínačem Předpokládejme, že elektrické poměry po vzniku zkratu v napájeném úseku, popsané v předchozích kapitolách, dosáhly ustáleného stavu. Pak je závažné, jak ovlivní funkce napaječového vypínače, který má vypnout vzniklý zkratový proud, napěťové poměry na přípojnici 27 kV TNS a tedy i na vstupní svorce snižovacího transformátoru a na vstupu LC větví FKZ. V dalším rozboru budeme předpokládat, že mezi hlavními kontakty napaječového vypínače dojde během jeho funkce ke zvýšení hodnoty odporu obloukové dráhy, a to v případě použitého SW z hodnoty 0,01 Ω na hodnotu 1 MΩ. Časový interval této změny lze v použitém SW libovolně nastavit. Délka tohoto intervalu bude pochopitelně záviset na konstrukci a na proudovém dimenzování napaječového vypínače a především jeho zhášedla. Podle získaných poznatků závisí délka tohoto intervalu na schopnosti zhášedla rekombinovat ionty vzniklé elektrickým obloukem a tím obnovit elektrickou pevnost prostoru mezi kontakty zhášedla. Pro ilustraci poměrů byly nastaveny dva intervaly, a to 0,5 ms a 1 ms, protože podrobnější údaje nemá zpracovatel k disposici. Jedna ze zatím nedoložených informací ukazuje, že délka tohoto intervalu neklesne u obvyklých zhášedel pod 3 ms. Pro náhradní indukčnost trakčního transformátoru vezmeme obvyklou hodnotu 26 mH.

11

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Dalším údajem, který má bezprostřední vliv na hodnotu vzniklého přepětí, je okamžitá hodnota proudu, který je zhášedlem „přetržen“. Čím větší je hodnota tohoto proudu, tím větší je i hodnota vznikajícího přepětí. Prospekt firmy Siemens garantuje, že zhášedlo nepřeruší proud s okamžitou hodnotou větší než 5 A. Pro zhášedla jiných výrobců tento údaj zpracovatel k disposici nemá. Srovnávací měření TÚČD však ukázala, že reálná hodnota „trhaného“ proudu je v některých případech vyšší. V dalším rozboru ukážeme časové průběhy vzniklé při přerušení vypínaného proudu v jeho přirozené nule a přerušování proudu v přibližně trojnásobné okamžité hodnotě firmou Siemens garantované hodnoty 5 A, tedy cca 15 A. Obrázek 6 ilustruje optimální stav, kdy je přerušován proud ve své přirozené nule. Zde je volena extrémně malá hodnota časového intervalu změny odporu vypínače 1 µs, která by za jiných hodnot přerušovaného proudu způsobila přepětí několika stovek kV. V horní části obrázku je závěrečná část časového průběhu vypínaného proudu značeného jako I(RTV), ve spodní části obrázku je část časového průběhu napětí na přípojnici 27 kV, značeného V(5). Z obrázku je patrno, že v tomto optimálním stavu se v napětí přípojnice 27 kV neobjeví žádné superponované přepětí. Obrázek 6 150A

100A

50A 0A I(RTV) 0V -10KV -20KV -30KV SEL>> -50KV 52.6ms V(5)

52.8ms

53.0ms

53.2ms

53.4ms

53.6ms

53.8ms

54.0ms

Time

Obrázek 7 ilustruje reálnější poměry, kdy je přerušován zkratový proud s vrcholovou hodnotou cca 1,5 kA v okamžiku, kdy jeho časový průběh klesne na 15 A. Pro časový interval přerušování vypínaného proudu byla vzata hodnota 1 ms. Časové průběhy jsou značeny stejně jako na prvním obrázku. Z průběhu napětí V(5) je patrno, že okamžitá hodnota napětí na přípojnici dosahuje cca 20 kV.

12

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Obrázek 7 150A

100A

50A 0A I(RTV) 40KV

0V

SEL>> -40KV 52.6ms V(5)

52.8ms

53.0ms

53.2ms

53.4ms

53.6ms

53.8ms

54.0ms

Time

Obrázek 8 doplňuje předchozí obrázek tím, že za jinak stejných podmínek, to jest při „trhaném“ proudu 15 A, je zkrácen časový interval funkce vypínače na polovinu, tj. na 0,5 ms. Z časového průběhu napětí V(5) je patrno, že okamžitá hodnota napětí na přípojnici 27 kV dosahuje přibližně 100 kV. Obrázek 8 150A

100A

50A 0A I(RTV) 150KV 100KV 50KV 0V SEL>> -50KV 52.6ms V(5)

52.8ms

53.0ms

53.2ms

53.4ms

53.6ms

53.8ms

54.0ms

Time

Z uvedených ilustračních časových průběhů vyplývá, že na hodnotu přepětí vznikajícího během vypínání zkratového proudu na přípojnici 27 kV má bezprostřední vliv: •

časový interval zhášení elektrického oblouku ve zhášedle s tím, že s nárůstem délky tohoto intervalu klesá hodnota vznikajícího přepětí,

•

okamžitá hodnota proudu, který dané zhášedlo „trhá“, když velikost vznikajícího přepětí narůstá za jinak stejných podmínek s hodnotou „trhaného“ proudu.

13

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Bylo by vhodné uvedené parametry dále sledovat měřením za reálných podmínek, nebo je získat od výrobce zhášedla. Závislost napětí přípojnice 27 kV na přítomnosti či odpojení FKZ se podle poznatků získaných simulací nepotvrdila. Příloha A V této příloze jsou uvedena dvě schémata pro simulace zkratů na konci TV. Na obrázku PA-1 je schéma, popisující simulační obvod pro kapitolu týkající se připnutí trakčního napětí k TV s předem připraveným zkratem. Schéma je společné jak pro respektování jedné stopy TV, tak i dvou stop TV. Varianta s pouze jednou stopou TV předpokládá rezistor RTV 2 = 1 MΩ , varianta s oběma stopami TV pak vyžaduje nastavení tohoto rezistoru na RVT 2 = 1 mΩ . Obrázek PA-1

Podobně na obrázku PA-2 je znázorněno schéma pro simulaci zkratu na konci TV, ke kterému bylo před zkratem připojeno trakční napětí. Přepnutí mezi stavem s jedním TV či se dvěma TV lze realizovat podobně jako na obrázku PA-1 změnou nastavení rezistoru RTV2 . Obrázek PA-2

14


Příloha B Jev odrazu rázové napěťové vlny je vázán následujícími zákony: ¾ Homogenní „elektricky dlouhé“ vedení, které je na svém konci zkratováno, odráží na svém konci došlou rázovou napěťovou vlnu se stejnou vrcholovou hodnotou, avšak s opačnou polaritou. ¾ Totéž vedení, které je na svém konci otevřeno, odráží na svém konci došlou rázovou napěťovou vlnu se stejnou vrcholovou hodnotou a se stejnou polaritou. ¾ Hodnotu odporu v místě zkratu na konci homogenního „elektricky dlouhého“ vedení je nutno hodnotit vzhledem k hodnotě vlnového odporu tohoto vedení Z TV , 0 . V případě jedné stopy TV jednofázové soustavy přichází v úvahu porovnání s hodnotou Z TV , AC , 0 = 258 Ω , pro TV jedné stopy stejnosměrné soustavy (se zesilovacím vedením) s hodnotou Z TV , DC , 0 = 190 Ω . Obrázek PB-1 je kopií obrázku 2.21 na straně 29 [6] a uvádí překreslený oscilogram běhu rázové napěťové vlny po TV ŽZO, byl-li jeho konec otevřen či zkratován. Obrázek PB-1

15


Závěry Výsledky simulační analýzy důsledků zkratu trakčního vedení jednofázové soustavy 25 kV, 50 Hz na napětí na výstupu z trakční napájecí stanice umožňují vyslovit následující závěry: 1. Elektrické hodnoty, především napětí na výstupu z trakční napájecí stanice, závisí na podmínkách vzniku zkratu na trakčním vedení. Vznik sledovaného zkratu se předpokládá vždy v maximu sinusovky trakčního napětí. Trakční odběr se nepředpokládá. 2. Bylo zjištěno, že z hlediska napětí na výstupu z trakční napájecí stanice existuje zásadní rozdíl, zda zkrat vznikl na trakčním vedení předem zkratovaném, které bylo připojeno napaječovým vypínačem k trakčnímu napětí, nebo na trakčním vedení, které bylo již před zkratem připojeno na trakční napětí (což je stav vyskytující se v provozních podmínkách) a zkrat byl vytvořen na vzdáleném bodě napájeného úseku TV. 3. Z hlediska napěťových poměrů na výstupu z trakční napájecí stanice způsobí první případ vzniku zkratu objevení se rázové napěťové vlny s vrcholovou hodnotou nejvýše dvojnásobku amplitudy trakčního napětí (až 77,8 kV). Toto zvýšení vrcholové hodnoty je dáno odrazem rázové napěťové vlny na zkratovaném konci trakčního vedení. 4. Druhý případ vzniku zkratu způsobí na výstupu z trakční napájecí stanice objevení se rázové napěťové vlny s vrcholovou hodnotou, která může teoreticky dosáhnout trojnásobku amplitudy trakčního napětí (až 116,7 kV). Vrcholová hodnota rázové napěťové vlny se zvětšuje až na trojnásobek vícenásobnými odrazy jak na zkratovaném konci trakčního vedení, tak i na vstupní impedanci trakční napájecí stanice, a nastává s jistým zpožděním od okamžiku vzniku zkratu. Po dalších odrazech však již vrcholová hodnota opakované rázové vlny klesá útlumem na ohmickém odporu trakčního vedení. Rázová napěťová vlna má tvar krátkého napěťového impulzu s dobou trvání řádu desítek mikrosekund. 5. Z obrázků je patrno, že vznik uvedené vrcholové hodnoty rázové napěťové vlny je v případě, že ke zkratu došlo na trakčním vedení připojeném předem na trakční napětí, způsoben též odrazem této vlny na impedanci trakční napájecí stanice, mající indukční charakter. Porovnávací simulace prokázaly, že připojení či rozsah FKZ nemá podstatný vliv na hodnotu impedance trakční napájecí stanice a tedy ani na vrcholovou hodnotu

16

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 rázové napěťové vlny. V každém případě však indukční charakter impedance trakční napájecí stanice pro časový obor desítek mikrosekund působí při odrazu rázové vlny napětí jako vedení otevřené. 6. Podstatný vliv na vrcholovou hodnotu rázové napěťové vlny vzniklé zkratem na trakčním vedení připojeném předem na trakční napětí má však způsob napájení dalších stop trakčního vedení připojených na daný trakční transformátor.Uvedený trojnásobek amplitudy trakčního napětí se může objevit na výstupu trakční napájecí stanice v případě napájení z daného trakčního transformátoru jen jedné stopy trakčního vedení (napájení „L“, například jednokolejné trati), nebo dvou stop trakčního vedení příčně propojených v některém bodě své délky, kdy při zkratu na takto propojených stopách trakčního vedení vypnou oba napaječové vypínače. 7. Podstatně příznivější situace z hlediska napětí na výstupu z trakční napájecí stanice nastane, vznikne-li zkrat na jedné stopě trakčního vedení připojeného předem na trakční napětí, která je však připojena na trakční transformátor, který současně napájí ještě druhou nebo další stopy trakčního vedení, na které však ke zkratu nedojde. V tomto případě je paralelně k impedanci trakční napájecí stanice připojena vstupní impedance další stopy trakčního vedení, daná jeho vlnovým odporem s hodnotou značně menší než je hodnota náhradní reaktance celé trakční napájecí stanice pro daný časový obor řádu desítek mikrosekund. V tomto případě nevytváří náhradní reaktance TNS bod s výraznou změnou vlnového odporu a k odrazu rázové napěťové vlny proto nedojde. 8. Uvedené body závěru nijak neovlivňují konvenční postup výpočtu poměrů při zkratu na trakčním vedení, například výpočty zkratových proudů, z hlediska jejich složky základní harmonické 50 Hz a pro nastavení příslušných nadproudových ochran napaječových vypínačů. 9. Předložená analýza má za cíl obecně osvětlit napěťové poměry na výstupu trakční napájecí stanice při zkratu na trakčním vedení v závislosti na konfiguraci celé napájecí soustavy. Získané poznatky jsou ilustrovány pomocí parametrů trakčního vedení zvolených především z hlediska názornosti výkladu (názorná hodnota činitele TD). Mohou se tedy lišit od parametrů konkrétního trakčního vedení, které bylo napájeno v případech havárií. Odvozené závěry mají však obecnou platnost. 10. Pokud se týče poměrů při vypínání zkratu na TV napaječovým vypínačem bylo zjištěno, že zvýšení napětí na přípojnici 27 kV závisí jak na rychlosti rekombinace iontů ve zhášedle, tedy na délce hoření oblouku mezi kontakty zhášedla dané jeho konstrukcí, tak i na okamžité hodnotě proudu přerušovaného zhášedlem. Pokud se zkratový proud přerušuje v blízkém okolí jeho přirozené nuly, pak k nárůstu napětí na přípojnici 27 kV nedojde.

17


Literatura [1] Gert R.: Provozní přepětí v elektrizačních soustavách, SNTL, 1964 [2] Bewley L.V.: Traveling waves on transmission systems, Second edition, 1988, General Electric Company [3] Greenwood A.. Electrical transients in power systems, New York, 1971 [4] Burtscher H., Lekkas G.: Labormodel zur Untersuchung der Ausbreitung und Supperposition von Oberschwingungen im Bahnnetz, ORE A 122, 1977 [5] Nejman L.R., Kalantarov P.L.: Teoretičeskie osnovy elektrotechniki, II., Moskva 1954 [6] Hlava K.: Elektromagnetická kompatibilita (EMC) drážních zařízení, skriptum Univerzity Pardubice, Dopravní fakulty Jana Pernera, 2004 [7] Trnka Zd.: Teoretická elektrotechnika, Praha 1972


Lektoroval: Prof. Ing. Vladimír Schejbal, CSc., vedoucí KEEZ DFJP UPa

18


Radovan Doleček, Ondřej Černý, Karel Hlava1

Přechodné jevy při provozování filtračně kompenzačních zařízení na ČD Klíčová slova: trakční napájecí stanice 25 kV, 50 Hz pro ČD, přechodné jevy při spínání LC větví filtračně kompenzačního zařízení, přechodné jevy při zkratu na kondenzátorech filtračně kompenzačního zařízení. 1

ÚVOD

V současné době je stále více diskutováno vzájemné působení a ovlivňování elektrických spotřebičů, tj. jejich elektromagnetická kompatibilita vůči jejich elektrickému okolí. České dráhy proto ve svých trakčních napájecích stanicích (TNS) jednofázové trakční proudové soustavy 25 kV, 50 Hz používají filtračně kompenzační zařízení (FKZ), které slouží především k podstatnému zlepšení nevyhovujícího účiníku elektrické energie odebírané TNS ze sítě 110 kV způsobeného koncepcí hnacích vozidel s diodovým trakčním měničem a k omezení obsahu harmonických složek v proudu odebíraném TNS při dodržení minimální hodnoty impedance trakční napájecí soustavy jako celku pro pracovní frekvenci zařízení hromadného dálkového ovládání (HDO) používaného dodavatelem elektrické energie. Článek řeší problematiku přechodných dějů s cílem objasnit přechodné jevy vznikající při reálných provozních i poruchových stavech FKZ. Je proveden podrobný rozbor a analýza celého trakčního obvodu s návrhem řešení těchto přechodných jevů počítačovou simulací, pro kterou jsou navržena jednotlivá modelová zapojení trakčního obvodu. Ze znalosti jednotlivých průběhů proudů a napětí, které jsou výstupem ze simulačního programu, jsou následně odvozeny kritické stavy. Hodnoty elektrických veličin získaných analýzou těchto stavů slouží jako vstupní parametry pro navrhování příslušných ochran trakčního obvodu a současně slouží jako pomocný prostředek pro projektování TNS s FKZ.

2

PŘECHODNÉ JEVY VZNIKAJÍCÍ PROVOZOVÁNÍM FKZ

Přechodné jevy jsou v elektrických soustavách poměrně časté, neboť je jimi provázena jakákoliv změna struktury analyzované soustavy nebo změna tzv. budícího signálu. Přechodné jevy v linearizovaných soustavách vyšetřujeme tak, že obvykle řešíme soustavu rovnic, které sledovaný jev popisují. Při řešení přechodných jevů bylo nutné se vyhnout stavbě fyzikálního modelu, který by byl velice finančně náročný, či možnosti sledování průběhů a chování obvodu v provozních podmínkách. Proto byl zvolen počítačový simulační program Pspice (ver.9.1). Tento program využívá jako vstupní data náhradní schémata jednotlivých zapojení trakčního obvodu jako celku. Tato schémata jsou sestavena z náhradních modelů jednotlivých prvků trakčního obvodu. Zde je nutno se zmínit o hlavní nevýhodě použití počítačové simulace, která stojí proti výhodám. Program nepracuje s reálnými prvky, ale s jejich modely a proto výsledek může být jen tak přesný jak jsou přesné modely prvků a postihovat jen ty jevy, které použité modely popisují. Vliv vnějších polí (elektromagnetické, teplotní) zvláště nehomogenních je do určité míry simulátory postižen jen ve velmi omezené míře. 1

Ing. Radovan Doleček, 1971, absolvent Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice, obor Dopravní infrastruktura- elektrotechnika, specializace Elektrická trakční zařízení, r. 1999, nyní interní postgraduální doktorské studium na DFJP UPa KEEZ v tématice Pevná trakční zařízení. Ing. Ondřej Černý, 1980, absolvent Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice, obor Elektrická zařízení železniční infrastruktury, r. 2004, nyní postgraduální doktorské studium na DFJP UPa KEEZ v tématice Regulace synchronních strojů. Doc. Ing. Karel Hlava, CSc., 1930, absolvent ČVUT FEL obor elektrická trakce, r. 1953, vědecký pracovník (ČD VÚŽ, TÚDC, SŽE), nyní docent katedry elektrotechniky, elektroniky a zabezpečovací techniky Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice.

1


3

NÁVRH ŘEŠENÍ

3.1

Konfigurace trakční napájecí soustavy 25 kV, 50 Hz Celková konfigurace • • •

3.2

trakční napájecí soustavy 25 kV, 50 Hz u ČD podle [1] je: přívodní vedení 110 kV od dodavatele elektrické energie, trakční napájecí stanice (TNS), trakční vedení (TV).

Náhrada homogenního vedení dvoubranem

Přívodní i trakční vedení mají charakter vedení elektricky homogenního s rozprostřenými elektrickými parametry a lze je tedy považovat za vedení elektricky dlouhé [2]. Toto dlouhé vedení lze nahradit dvojbranem, π -článkem nebo T -článkem se soustředěnými měrnými parametry nebo elektrickým dlouhým vedením s parametry, kterými jsou: podélný měrný odpor R m [Ω ⋅ km −1 ] ,

podélná měrná indukčnost Lm [ H ⋅ km −1 ] , příčná měrná kapacita C m [ F ⋅ km−1 ] a příčný měrný svod G m [ S ⋅ km −1 ] . Platnost náhrady je uvedena v [3]. Dále platí dvě základní rovnice (1) a (2) pro homogenní vedení s těmito rozprostřenými parametry (Obr.1) i(x)

i(x+dx)

: Obr.1 Úsek homogenního vedení dU = I (Rm + jωLm ) dx dI − = U (G m + jωC m ) dx

−

3.3

(1) (2)

Náhrada přívodního vedení

Přívodní vedení vvn 110 kV od dodavatele elektrické energie je konstruováno jako vzdušné, zásadně trojfázové s určitým zkratovým výkonem. Ten je obvykle podstatně větší než je trakční výkon TNS a lze tedy v tomto bodě napájení předpokládat, že vstupní impedance rozvodny dodavatele elektrické energie je pro kmitočty až do 2 kHz zanedbatelná, tj. tvoří pro tyto kmitočty zkrat. Jedná se tedy pro harmonické o vedení jednostranně zkratované. Pro sledované výpočty je výhodné respektovat přívodní vedení pouze s indukčností Lm a kapacitu C m , tj. zanedbat jeho svod G m a odpor R m . Tomuto zjednodušení nahrává skutečnost, že uvedené měrné parametry přívodního vedení jsou značně závislé na jeho konstrukci a použitých materiálech viz [3]. Dále aniž by došlo k velké chybě je možné při výpočtech zanedbat kapacitu C m . Důvodem je, že přesnější postup respektující charakter přívodního vedení jako vedení elektricky dlouhého není nutný vzhledem k převažujícímu vlivu náhradní indukčnosti trakčního transformátoru, je uvedeno v dalším. Náhrada přívodního vedení přechází pro stranu 27 kV na jednu podélnou indukčnost s hodnotou L110 = 2 mH pro zkratový proud I K = 6,317 kA .

3.4

Náhrada trakčního vedení

TV je vedení elektricky homogenní s rozprostřenými elektrickými parametry a lze je tedy považovat za vedení elektricky dlouhé viz [4] a [5]. Tento předpoklad lze přijmout, protože délka

2

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 traťových TV je ve srovnání se staničními TV podstatně větší. Pro elektricky dlouhé vedení lze sestavit model homogenního vedení opět se čtyřmi parametry (Obr.2), kterými jsou podélný měrný odpor RTV , podélná měrná indukčnost LTV , příčná měrná kapacita CTV , příčný měrný svod GTV .

Obr.2 Náhradní schéma trakčního vedení V případě TV se vzhledem k jeho velmi dobré izolaci při výpočtech zanedbává měrný svod GTV trolejového vedení a s ním spojených dalších vzdušných vedení vůči zpětnému vedení. Tato možnost je dána vlastnostmi dnes používaných dříkových izolátorů a vyloučením možnosti jejich povrchového znečištění zánikem parní trakce, takže jejich svodový odpor dosahuje velmi vysokých hodnot a umožňuje uvedené zjednodušení viz [6] a [7]. Pro výpočty se uplatní RTV , LTV , které jsou frekvenčně závislé. Proud procházející vodičem je vytlačován na jeho povrch (tzv. skinefekt) se zvyšující se frekvencí, následkem toho klesá užitečný (tj. efektivní) průřez vodiče a narůstá RTV . Vlivem skinefektu je snižována hloubka vniku proudu do země, tím se zmenšuje plocha smyčky a LTV s frekvencí klesá až po určitou frekvenci, kde potom zůstává konstantní. Příčina je dána tím, že zpětný zemní proud má s rostoucí frekvencí tendenci šířit se těsně při povrchu země, a proto klesá plocha smyčky. CTV , která je tvořena kapacitou všech vodičů mající trakční napětí, je měřena proti zpětnému vedení tvořenému v tomto případě převážně zemí. Její číselná hodnota bude záviset především na počtu uvedených vodičů, jejich výšce a na jejich vnějším průměru. Dále pak i na konfiguraci okolí elektrizované trati (tunel, zářez, násep, stanice atd.). Hodnoty zvolené pro náhradní schéma ztrátového homogenního vedení s rozprostřenými parametry TV ve složení 100Cu + 50Bz jako ztrátového vedení jsou: • délka TV lTV = 53,2 km , • měrný podélný odpor

RTV = 0,4 Ω ⋅ km −1 ,

• měrná podélná indukčnost LTV = 1,0 mH ⋅ km −1 , • měrná kapacita vedení

CTV = 15 nF ⋅ km −1 , (bez zesilovacího vedení)

• měrný svod vedení

GTV = 0 S ⋅ km -1 .

Tyto zvolené hodnoty pak definují použitý model TV jako ztrátového homogenního vedení. 3.5

Náhrada transformátoru 110 kV / 27 kV

Trakční transformátor 110/27 kV pro oblast energetických harmonických lze nahradit jedinou podélnou LTT , která je dána jeho napětím nakrátko, doplněnou rezistorem v sérii RTT představujícím činné ztráty. Vzhledem k širokému rozsahu regulace výstupního napětí, umožněné pod výkonem přepínačem primárních odboček (2 x 8 odboček), závisí hodnota náhradní podélné indukčnosti na použité odbočce, neboť použitý převod transformátoru může být pro každý transformátor trochu odlišný v závislosti na nastavené odbočce. Proudové harmonické procházejí trakčním transformátorem ovlivněné pouze jeho použitým závitovým převodem. Pak pro trakční transformátor s jmenovitým výkonem 10 MVA a činných ztrátách nakrátko 53 kW získáváme hodnoty: • podélná indukčnost LTT = 24 mH , • náhradní odpor RTT = 0,39 Ω .

3

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 3.6

Náhrada FKZ u ČD

Požadavky na FKZ jsou podle [8], [9], [10], [11] a [12]: • upravit indukční účiník základní harmonické trakčního odběru hnacích vozidel jednofázové trakce v připojovacím bodě TNS na hodnotu požadovanou dodavatelem elektrické energie, tj. DPF = 0,95 − 1,00 (indukčních), při zajištění dostatečného kompenzačního výkonu, • podstatně omezit přestup proudových harmonických řádu 3 a 5, příp. 7. tak, aby odpovídající složky v napětí připojovacího bodu TNS ležely pod mezními hodnotami předepsanými dodavatelem elektrické energie, • zajistit, aby vstupní impedance TNS jako celku (tj. včetně kapacity TV a trakčního odběru hnacích vozidel jednofázové trakce) pro pracovní kmitočet soustavy HDO dodavatele elektrické energie byla větší než jím požadovaná hodnota, tj. zabránit snížení úrovně tohoto řídícího kmitočtu 216,67 Hz v připojovacím bodě TNS. Tyto podmínky musí splněny v celém rozsahu trakčního zatížení TNS při dodržení principu, že napájené úseky TV jsou důsledně napájeny jednostranně. Pro splnění výše uvedených podmínek jsou navrhována FKZ takto: FKZ (Obr.3) obsahuje dvě paralelně řazené sériové LC větve pro 3.a 5. harmonickou doplněné paralelně připojenou dekompenzační větví. Ladění LC větví se neprovádí přesně na řádové číslo harmonické, ale na nižší hodnotu n3 = 2,90 − 2,95 a n5 = 4,98 − 5,00 . Požadavek na dostatečnou celkovou vstupní impedanci ( Z vstup = 500 − 900 Ω ) pro pracovní kmitočet f HDO je proveden pomocí vhodné volby hodnot kapacit C 3 , C 5 v jednotlivých větvích, které jsou tímto na sobě závislé. LC větev pro 5. harmonickou je připojena přes odpojovač, tak, aby byla dodržena podmínka filtrace od nejnižší harmonické. Provedení FKZ umožňuje doplnění LC větví pro 7. harmonickou s podmínkou, že už při návrhu byla dekompenzační větev navržena pro toto doplnění. Dekompenzační větev obsahuje snižovací transformátor, tyristorový fázový regulátor a dekompenzační tlumivku. Dekompenzace je prováděna dekompenzační tlumivkou, která je regulována tak, aby byl v připojovacím bodě TNS k síti 110 kV odebírán výkon s induktivním účiníkem DPF = 0,98 . Při částečném otevření regulátoru dekompenzační větve dojde ke vzniku dodatečných harmonických především řádu 3 v napětí přípojnice 27 kV. Sečtením obou 3. harmonických regulátoru a sítě 110 kV by mohlo dojít k přetížení LC větve 3. harmonické, čímž je odůvodněna zásada o ladění LC větve FKZ těsně pod 150 Hz. 27kV

REG

Obr.3 Schéma zapojení FKZ Pro náhradní schéma FKZ bylo zvoleno zařízení instalované v TNS Modřice viz [13]: LC větev 3. harmonické: • součtová kapacita kondenzátorů C 3 = 8,5 µF , • indukčnost rezonanční tlumivky L3 = 137 mH , • odpor tlumivky R L 3 = 1,43 Ω , • vlastní rezonanční kmitočet f 3 = 147 ,5 Hz . 4

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 LC větev 5. harmonické: • součtová kapacita kondenzátorů C 5 = 2,4 µF , • indukčnost rezonanční tlumivky L5 = 169 mH , • odpor tlumivky R L 5 = 1,77 Ω , • vlastní rezonanční kmitočet f 5 = 249,9 Hz . Přístrojové transformátory napětí: • náhradní indukčnost LTR = 6079 H , • náhradní odpor RTR = 9945 Ω . Větev dekompenzační: snižovací transformátor 27 kV/6 kV, typový výkon 4200 kVA, který má na svém sekundárním vinutí připojenou: • vzduchovou dekompenzační tlumivku, pro zvolený případ TNS Modřice s napájeným úsekem lTV = 53,2 km dostáváme hodnotu celkové indukčnosti dekompenzační větve na straně 27 kV L DEK = 0,596 H a odpor dekompenzační větve R L ,DEK = 6,24 Ω . • fázový regulátor COMPACT, jehož řídící úhel je odvozen z údajů přístrojových transformátorů napětí a proudu tak, aby TNS ve svém připojovacím bodě k síti 110 kV vykazovala účiník v hodnotě cca DPF = 0,98 .

3.6.1

Náhrada vakuového vypínače FKZ

Důležitý prvek umožňující zapínání a vypínání FKZ je jednopólový vakuový vypínač. Hlavní částí tohoto vypínače je vakuová zhášecí komora, jejímiž významnými částmi jsou symetrické kontakty, z nichž jeden je v provedení pevném a druhý v provedení pohyblivém (Obr.4).

Obr.4 Řez vakuovou zhášecí komorou Toto základní uspořádání přináší zásadní výhodu spočívající v podstatném omezení údržby, která se týká v podstatě jenom zapínacího a vypínacího mechanismu. Pro popis zhášení střídavého elektrického oblouku ve vakuu nelze využít klasické metody, jako je např. teorie Mayra, teorie Cassieho či další, jež se v současnosti používají v různých úpravách pro popis vypínání oblouků [14], [15], [16] a [17]. Důvodem je zcela odlišný charakter průběhu oblouku ve vakuu.

5

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Průběh zhášení střídavého oblouku ve vakuu má velký vliv na přechodné jevy. Popsaný průběh zhášení oblouku je platný pro vakuové zhášecí komory používaných jednopólových vakuových vypínačů u FKZ podle [18], [19] a [20]: Přerušení proudu se děje vždy oddělením kontaktů vypínače od sebe. Při posledním dotyku před konečným mechanickým a galvanickým oddělením kontaktů vzniká extrémní proudová hustota a teplota. Při vzdalování kontaktů (na vzdálenost cca 16 mm) začíná být přerušován procházející proud, který vyvolá vznik jevu označovaného jako kovový oblouk ve vakuu. Přitom dochází k vypařování a ionizaci materiálu kontaktů. Zde se uplatní nosiče nábojů mezi elektrodami. Těchto nosičů je při vypínání zkratového proudu k dispozici takové množství, že vypínaný proud prochází zpočátku v nezměněné velikosti. Při poklesu proudu na hodnotu 4 až 5 A, která je potřeba pro udržení kovových par oblouku, je oblouk přerušen ještě před průchodem proudu nulou. Vodivé kovové páry kondenzují na kovovém povrchu do několika µs, což znamená, že tzv. kontaktní mezera obnovila svoji dielektrickou pevnost. Toto rychlé obnovení dielektrické pevnosti v kontaktní mezeře znamená, že oblouk je již bezpečně uhašen. Oblouk ve vakuovém vypínači není chlazen. Kovové páry plazmatu mají vysokou elektrickou vodivost, což představuje ve výsledku extrémně nízké obloukové napětí jen 20 až 200 V [21]. Krátká doba hoření oblouku (max. 10 ms pro 50 Hz) zajišťuje, že energie je přeměněno v kontaktní mezeře velmi málo, což vysvětluje prodlouženou elektrickou odolnost. Pro zabránění lokálního přehřátí kontaktů je využito fyzikálního jevu, kdy difúzní modus vakuového oblouku je stabilizován axiálním magnetickým polem (dříve transverzální magnetické pole), které je vyvoláno procházejícím proudem a jehož směr je stejný jako směr proudu obloukem. Pak toto pole vytváří tzv. cyklotronový efekt. Nabité částice jsou uvedeny magnetickým polem na spirální dráhy malého průměru, takže vznikají vláknové formy oblouku mezi kontakty. Neboli kontakty vedou proud oblouku způsobem vytvářejícím magnetické pole, které donutí oblouk rotovat. Přerušování kovového oblouku ve vakuu se děje výlučně ve válcovém prostoru, který je omezen plochou obou vypínacích kontaktů. S kontakty vytvářejícími transverzální magnetické pole je objem zhášecí komory přibližně 2x větší něž axiálního magnetického. Přerušovaný proud musí být udržován na hodnotě tak malé jak je možné, aby nedocházelo k nadměrnému přepětí v případě vypínání induktivního obvodu. Bez dalšího použití fyzikálních efektů je popsaný difúzní modus elektrického oblouku omezen na okamžitou proudovou hodnotu kolem 10 kA. Při větším proudu se vytvoří koncentrovaná forma kovového vakuového výboje. Vytvoří se rázová vlna mezi nosiči nábojů, která zvětší energii vypínání. Přitom se taví vrstva materiálu kontaktů a vznikají kovové páry v prostoru mezi kontakty. Z důvodu tepelné setrvačnosti probíhá tento proces ještě při přirozeném průchodu proudu nulou, takže by nebylo možné provést vypnutí při opětně vzrůstajícím napětí, protože by trvala silná koncentrace nosičů nábojů. Pro náhradu byl zvolen vakuový vypínač typ 3AF 9342-4, (27,5 kV/ 1250 A, 25 kA) firmy Siemens [18]. Předpoklady: Zanedbání úbytků na oblouku, ale i protinapětí, jelikož proudy při tomto použití vypínače jsou malé. Pak lze provést náhradu přímo napěťovým skokem s velmi strmým nárůstem proudu (Obr.5). Doba nárůstu napětí je t n < 1µs . Pokud by byla tato hodnota větší, přešla by úprava na model s proměnným odporem. Maximální hodnotu napětí na oblouku představuje horní hranice 100 V , která byla zvolena na základě konzultací na AV ČR. Vakuový vypínač je vytvořen jako model ideálního vypínače, čili jedná se o skokovou změnu s podmínkou: Pokud I > 5 A , pak hodnota činného odporu, který představuje vedení proudu mezi kontakty vypínače, je R ≈ 0 Ω . V opačném případě I < 5 A je R ≈ 10 MΩ , což představuje dostatečně velkou hodnotu a tento stav odpovídá vypnutí vypínače.

6


U[V] 100V

20V

n

Obr.5 Průběh napětí ve vakuové komoře vypínače Model byl založen na ideálních vypínačích ze základní knihovny simulačního programu PSpice. Tyto ideální vypínače byly použity z důvodu jejich jednoduchosti a snadnější kontrolovatelnosti chování tohoto prvku a tím i tohoto celku. Simulace vypínání napáječového vypínače je velice problematická. Při vypínání dochází k přepětím, přičemž hodnoty vzniklého přepětí jsou závislé na přesném postupu zhášení oblouku, tj. strmost nárůstu odporu a rychlost hoření tohoto oblouku ve vakuové komoře a na indukčnosti trakčního transformátoru. Podle současných dostupných podkladů uvádějících průměrnou dobu hoření oblouku v rozmezí t AV = 5,55 − 8,90 ms pro typ vakuového vypínače (3AF 9342-4) firmy Siemens, lze předpokládat, že k významnému přepětí nebude docházet. Toto tvrzení však nemusí platit pro jiný typ vakuového vypínače, kde dochází k větší rasanci vypínání proudu.

3.7

Ochrany FKZ

FKZ jako celek je jištěno jednopólovým vakuovým vypínačem v daném případě TNS Modřice viz [13], výrobek ABB EFF Brno typu VVI 38.12.25.K1 s jmenovitým proudem 1250 A a zkratovou odolností 25 kA. Jeho vypnutí je vázáno především na zásah následujících prvků: • nadproudové a zkratové ochrany FKZ jako celku zajišťované relé SPAJ140C napájeného z proudového měniče s převodem 300/5 A, přičemž zapůsobení tohoto relé je dáno proudem: • 5,0 A, tj. při nadproudu větším než 300 A, po dobu 1 sekundy, • 10,0 A, tj. při zkratu větším než 600 A, po dobu 40 ms, • nadproudové a zkratové ochrany větve LC pro 3. harmonickou zajišťované relé SPAJ140C napájeného z proudového měniče s převodem 200/5 A, přičemž zapůsobení tohoto relé je dáno proudem: • 3,5 A, tj. při nadproudu větším než 140 A, po dobu 1,5 sekundy, • 8,75 A, tj. při zkratu větším než 350 A, po dobu 40 ms, • nadproudové a zkratové ochrany větve LC pro 5. harmonickou zajišťované relé SPAJ140C napájeného z proudového měniče s převodem 150/5 A, přičemž zapůsobení tohoto relé je dáno proudem: • 3,0 A, tj. při nadproudu větším než 90 A, po dobu 1,5 sekundy, • 9,0 A, tj. při zkratu větším než 270 A, po dobu 50 ms, • nadproudové a zkratové ochrany dekompenzační větve zajišťované relé SPAJ140C napájeného z proudového měniče s převodem 150/5 A, přičemž zapůsobení tohoto relé je dáno proudem: • 5,6 A, tj. při nadproudu větším než 168 A, po dobu 2 sekund, • 15,0 A, tj. při zkratu větším než 450 A, po dobu 40 ms, • balanční ochrany kondenzátorových skupin obou větví LC, • signálu vycházejícího z COMPACTu dekompenzační větve, pokud napájecí napětí pro jeho synchronizaci poklesne pod úroveň 50 % jmenovitého napětí přípojnice 27 kV po dobu větší než 1,2 sekundy vlivem poklesu napětí této přípojnice,

7

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 • dále snímačem teploty COMPACTu a snímači teploty sekundárních cívek snižovacího transformátoru dekompenzační větve. • • • • • • •

4 4.1

Přepěťová ochrana firmy TRIDELTA typu SBK-I 40/5 s parametry: U r = 40 kV efektivní hodnota jmenovitého napětí efektivní hodnota trvalého provozního napětí U c = 32,4 kV špičková hodnota dočasného převýšení napětí (1 s) 42,5 kV špičková hodnota zbytkového napětí při strmém proudovém impulzu 5 kA 115 kV špičková hodnota zbytkového napětí při spínacím proudovém impulzu 125 A 82 kV při spínacím proudovém impulzu 250 A 84,5 kV při spínacím proudovém impulzu 500 A 88 kV

SIMULACE PŘECHODNÝCH JEVŮ Připojení FKZ k přípojnici 27 kV

Na (Obr.6) je celkové schéma simulovaného obvodu pro vyšetřovaný děj včetně připojeného TV uvažovaného jako otevřené vedení.

Obr.6 Schéma trakčního obvodu připojení FKZ k přípojnici 27 kV 80KV

78,6KV

45,3KV 40KV

0V

-40KV

-45,3KV

-80KV 1.01s 1.00s V(C_3harmonic:2)

-79,9KV 1.02s

1.03s

1.05s

1.04s

Time

8

1.06s

1.07s

1.08s

1.09s

1.10s

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Obr.7 Průběh napětí na kondenzátorové skupině LC větve 3. harmonické po připojení FKZ k přípojnici 27 kV 80KV

73,2KV

40,3KV 40KV

0V

-40KV -40,3KV

-80KV 1.00s 1.01s V(C_5harmonic:2)

-73,5KV 1.02s

1.03s

1.04s

1.05s

1.06s

1.07s

1.08s

1.09s

1.10s

Time

Obr.8 Průběh napětí na kondenzátorové skupině LC větve 5. harmonické po připojení FKZ k přípojnici 27 kV

4.1.1

Závěry k připojování FKZ

Typy připojení: • připojení celého FKZ k přípojnici 27 kV, • připojení LC větve 3. harmonické bez dekompenzační větve FKZ k přípojnici 27 kV, které je v provozu méně pravděpodobné (tzv. S-FKZ), • připojení LC větve 5. harmonické k LC větvi 3. harmonické připojené bez dekompenzační větve FKZ k přípojnici 27 kV, které je v provozu méně pravděpodobné. Zjištění: • Zjištěné časové průběhy mají charakter základní frekvence, tj. síťové frekvence 50 Hz a superponovaných tlumených kmitů s vlastní frekvencí LC větve. • Rozdíly ustálených a vypočítaných hodnot napětí a proudů jsou zapříčiněny vlivem nepřesnosti modelů používaných při simulaci a též zvoleným krokem simulace. • V průběhu proudu LC větví je dobře vidět vliv harmonických. V případě LC větve 3. harmonické je to 3 harmonická, v případě LC větve 5. harmonická je to 5. harmonická. • Největší vrcholové hodnoty nedosáhne analyzovaná veličina v některých případech v prvním vrcholu, ale až ve druhém či třetím vrcholu. • Napětí na kondenzátorové skupině LC větvě 3. harmonické ve všech typech připojení nepřesáhne hodnotu cca 83 kV, čímž je napěťové dimenzování plně vyhovující, neboť kondenzátorové skupiny jsou dimenzované na trvalé napětí 2 x 40 kV (tj. dva kondenzátory v sérii). Dále je možné tyto kondenzátory krátkodobě přetížit, tj. pro případ přechodného jevu. Ustálená hodnota tohoto napětí je cca 45 kV. • Napětí na kondenzátorové skupině LC větvě 5. harmonické ve všech typech připojení nepřesáhne hodnotu cca 78 kV, čímž je opět splněna podmínka pro napěťové dimenzování kondenzátorů. Ustálená hodnota tohoto napětí se pohybuje v rozmezí od 40 kV do 41,5 kV podle typu zapojení FKZ. • Proud v LC větvi 3. harmonické dosáhne maximální vrcholové hodnoty cca 180 A. Ustálená hodnota tohoto proudu je cca 120 A.

9

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 • Proud v LC větvi 5. harmonické dosáhne maximální vrcholové hodnoty od 125 A do 170 A podle typu zapojení FKZ. Ustálená hodnota tohoto proudu je cca 31 A. • Proud v TV dosáhne maximální vrcholové hodnoty cca 50 A jenž představuje hodnotu při otevřeném vedení. Hodnota ustáleného proudu je 10 A, což je hodnota kapacitního proudu TV. • Napětí na začátku TV nepřesáhne vrcholovou hodnotu cca 47,2 kV. Hodnota ustáleného napětí před připojením i po připojení je cca 40 kV. • Napětí na konci TV je v porovnání s napětím na začátku korespondující, nepatrný rozdíl není významný, maximální vrcholová hodnota je cca 46,2 kV.

4.2

Odpojení FKZ od přípojnice 27 kV

Na (Obr.9) je celkové schéma simulovaného obvodu pro vyšetřovaný děj včetně připojeného TV uvažovaného jako otevřené vedení.

Obr.9 Schéma trakčního obvodu odpojení FKZ od přípojnice 27 kV 50KV

25KV

0V

-25KV

-50KV V(C_3harmonic:2) 50KV

25KV

0V

-25KV SEL>> -50KV 1.00s 1.05s 1.10s V(C_5harmonic:2)

1.15s

1.20s

1.25s

1.30s

1.35s

1.40s

1.45s

1.50s

Time

Obr.10 Průběh napětí na kondenzátorové skupině LC větve 3. a 5. harmonické po odpojení FKZ od přípojnice 27 kV při vybíjení přes primární vinutí přístrojového transformátoru napětí Napětí kondenzátorové skupiny LC větve 3. a 5. harmonické při vybíjení přes primární vinutí přístrojového transformátoru napětí vychází z počátečních hodnot 45 kV u 3. harmonické (Obr.10 nahoře) a 41,6 kV u 5. harmonické (Obr.10 dole). K poklesu napětí na nulovou hodnotu dochází za čas cca 2,2 s.

10

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 4.2.1

Závěry k odpojování FKZ

Typy odpojení: • odpojení celého FKZ k přípojnici 27 kV, • odpojení LC větve 3. harmonické bez dekompenzační větve FKZ k přípojnici 27 kV, které je v provozu méně pravděpodobné (tzv. S-FKZ), • odpojení LC větve 5. harmonické k LC větvi 3. harmonické připojené bez dekompenzační větve FKZ k přípojnici 27 kV, které je v provozu méně pravděpodobné. Zjištění: • Zjištěné časové průběhy mají opět charakter základní frekvence, tj. síťové frekvence 50 Hz a superponovaných tlumených kmitů s vlastni frekvencí LC větve. • Rozdíly ustálených a vypočítaných hodnot napětí a proudů jsou zapříčiněny vlivem nepřesnosti modelů používaných při simulaci a též zvoleným krokem simulace. • Ochranná doba k opětnému připnutí LC větví k přípojnici je 16 min, což je plně vyhovující, neboť k úplnému vybití náboje kondenzátorových skupin LC větví dochází za podstatně kratší dobu, tj. před touto ochrannou dobou ve všech typech zapojení. • Proud v TV dosahuje maximální vrcholové hodnoty cca 13,6 A. Hodnota ustáleného proudu před připojením i po připojení je 10 A. • Napětí na začátku TV nepřesáhne vrcholovou hodnotu cca 43,2 kV. Při odpojení dochází opět pouze k zakmitání napětí, které není příliš významné. Ustálená hodnota je cca 40 kV. • Napětí na konci TV dosahuje nejvyšších vrcholových hodnot cca 40,3 kV a je korespondující s napětím na začátku TV, včetně ustálené hodnoty napětí před připojením i po připojení, která je cca 40 kV.

4.3 4.3.1

Zkraty na kondenzátorových skupinách FKZ Zkrat na kondenzátorové skupině LC větve 3. harmonické FKZ

Obr.11 Schéma trakčního obvodu zkratu na kondenzátorové skupině LC větve 3. harmonické FKZ s připojenou LC větví 5. harmonické, s dekompenzační větví a připojeným TV

11


60A

52,3A 40A 30,2A 24,8A

20A

-0A

-20A -24,8A -30,2A

-40A

-47,7A -60A 1.000s 1.005s I(C_5harmonic)

1.010s

1.015s

1.020s

1.025s

1.030s

1.035s

1.040s

1.045s

1.050s

Time

Obr.12 Průběh proudu v LC větvi 5. harmonické FKZ při zkratu na kondenzátorové skupině LC větve 3. harmonické 1.0KA

0A

-1.0KA

I(L_3harmonic)

100A

0A

-100A

I(L_5harmonic)

40A

0A

SEL>> -40A 1.000s 1.005s I(R_mer_vedeni)

1.010s

1.015s

1.020s

1.025s

1.030s

1.035s

1.040s

1.045s

1.050s

Time

Obr.13 Průběhy proudů v LC větvi 3. a 5. harmonické FKZ a proudu v TV po zkratu na kondenzátorové skupině LC větve 3. harmonické

4.3.2

Závěr ke zkratu na kondenzátorové skupině LC větve 3. harmonické FKZ

Zjištění: • Proud v LC větvi 5. harmonické (Obr.12) vychází z ustálené hodnoty 30,2 A, dosáhne maximální vrcholové hodnoty 52,3 A, následně se ustálí na hodnotě 24,8 A. • Proud v TV (Obr.13 dole) vychází z ustálené hodnoty 10 A, dosáhne maximální vrcholové hodnoty -29,1 A, následně se ustálí na hodnotě 8,2 A. • Napětí na kondenzátorové skupině LC větve 3. harmonické vychází z ustálené hodnoty 40 kV. • Napětí na začátku TV vychází z ustálené hodnoty 38,5 kV, které již nedosáhne a následně se ustálí na hodnotě 32 kV.

12

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 • Napětí na indukčnosti LC větve 3. harmonické vychází z ustálené hodnoty 5,0 kV, dosáhne maximální vrcholové hodnoty 38,5 kV. • Napětí na indukčnosti LC větve 5. harmonické vychází z ustálené hodnoty 1,5 kV, dosáhne maximální vrcholové hodnoty -10,6 kV.

4.3.3

Zkrat na kondenzátorové skupině LC větve 5. harmonické FKZ

Obr.14 Schéma trakčního obvodu zkratu na kondenzátorové skupině LC větve 5. harmonické FKZ s připojenou LC větví 3. harmonické s dekompenzační větví a připojeným TV 150A

133,1A 116A 100A

100A

50A

-0A

-50A

-100A -100A -116A -150A 1.000s 1.005s I(C_3harmonic)

-136,2A 1.010s

1.015s

1.020s

1.025s

1.030s

1.035s

1.040s

1.045s

1.050s

Time

Obr.15 Průběh proudu v LC větvi 3. harmonické FKZ při zkratu na kondenzátorové skupině LC větve 5. harmonické

13


200A

0A

-200A I(L_3harmonic) 1.0KA

0A

-1.0KA I(L_5harmonic) 40A

0A

SEL>> -40A 1.000s 1.005s I(R_mer_vedeni)

1.010s

1.015s

1.020s

1.025s

1.030s

1.035s

1.040s

1.045s

1.050s

Time

Obr.16 Průběhy proudů v LC větvi 3. a 5. harmonické FKZ a proudu v TV při zkratu na kondenzátorové skupině LC větve 5. harmonické

4.3.4

Závěry ke zkratu na kondenzátorové skupině LC větve 5. harmonické FKZ

Zjištění: • Proud v LC větvi 3. harmonické (Obr.15) vychází z ustálené hodnoty 116 A, dosáhne maximální vrcholové hodnoty -136,2 A, následně se ustálí na hodnotě 100 A. • Proud v TV (Obr.16) vychází z ustálené hodnoty 10 A, dosáhne maximální vrcholové hodnoty -22,9 A, následně se ustálí na hodnotě 8,3 A. • Napětí na kondenzátorové skupině LC větve 3.harmonické vychází z ustálené hodnoty 43,5 kV, které již nedosáhne a následně se ustálí na hodnotě 37,5 kV. • Napětí na začátku TV vychází z ustálené hodnoty 38,5 kV, které již nedosáhne, a následně se ustálí na hodnotě 33,2 kV. • Napětí na indukčnosti LC větve 3. harmonické (vychází z ustálené hodnoty 5,0 kV, dosáhne maximální vrcholové hodnoty -11,8 kV. • Napětí na indukčnosti LC větve 5. harmonické vychází z ustálené hodnoty 1,5 kV, dosáhne maximální vrcholové hodnoty 38,4 kV.

5

ZÁVĚRY

• Při připojování nedochází k výrazným nárůstům hodnot napětí, které by vedly k ohrožení některých prvků FKZ. Simulace dokládá maximální vrcholovou hodnotu na kondenzátorových skupinách cca 80 kV, což nemá vliv na dimenzování kondenzátorových skupin a vybavení nastavených ochran. • Při vypínání nedochází k přepětí a situace opětovného připojení kondenzátorových skupin je plně pokryta dostatečnou dobou, která slouží k vybití náboje kondenzátorových skupin. • Zkraty na kondenzátorových skupinách zasahují do oblasti vypínání vakuového vypínače, kde je situace velice problematická. Při vypínání dochází k přepětím, přičemž hodnoty vzniklého přepětí jsou závislé na přesném postupu zhášení oblouku, tj. strmost nárůstu odporu a rychlost hoření tohoto oblouku ve vakuové komoře a na indukčnosti trakčního transformátoru. Podle současných dostupných podkladů uvádějících průměrnou dobu hoření oblouku v rozmezí t AV = 5,55 − 8,90 ms pro typ vakuového vypínače (3AF 9342-4) firmy Siemens, lze předpokládat, že k významnému přepětí nebude docházet. Toto tvrzení však nemusí platit pro

14

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 jiný typ vakuového vypínače, kde dochází k větší rasanci vypínání proudu. K vypínání zkratů dochází vlivem vybavení ochrany v LC větvi, kde dochází ke zkratu. Ochrany ve zbývajících větvích nebudou reagovat, neboť hodnoty, které dosáhnou proudy v těchto větvích, nepřekročí nastavené hodnoty pro vybavení ochran. • Doporučení: Ochrany jednotlivých prvků TNS jako celku nastavovat podle výsledků simulačních analýz, vždy pro danou soustavu ( tj. konfigurace FKZ, délky TV napájených úseků) s danými parametry (tj. parametry FKZ závisejí na požadavcích dodavatele elektrické energie: dostatečná celková vstupní impedance pro pracovní kmitočet f HDO a dovolený procentní obsah napěťových harmonických) a danými provozními podmínkami (tj. trakční zátěž). Elektrické dimenzování výkonových prvků TNS kontrolovat simulací přechodných a poruchových stavů, které mohou v dané soustavě vzniknout. Volbu parametrů omezovačů přepětí a jejich umístění v TNS kontrolovat simulační analýzou poruchových stavů. Prohloubit výchozí nastavení modelů simulačních schémat na základě dalších poznatků získaných z nových literárních podkladů (např. podrobnosti o modelu funkce vakuového vypínače) a ze zkušeností provozních pracovníků (výskyt provozních poruch a analýz jejich příčin vzniku a jejich následků ).

15


6

LITERATURA

[1] [2] [3]

[4] [5] [6]

[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20]

[21]

VERZICH, V.: Napájecí systémy Železničních zabezpečovacích zařízení, TU ČD, Praha 2005, ISBN 80-85104-86-5. RAMO, S., WHINNERY, R. J., DUZER, V. T.: Fields and Wales in communication electronics, Canada, 1993, ISBN 0-471-58551-3. BURRTSCHER, H.: Labormodell zur Untersuchung der Ausbreitung und Superposition von Oberschwingungen in Bahnnetz, wiss. Mitarbeiter am Institut für Automatik und Industrielle Elektronik der ETH Zürich, ORE A 122 zu Punkt 3.2 des Arbeitsprogrammes. HLAVA, K.: Elektromagnetická kompatibilita (EMC) drážních zařízení, Univerzita Pardubice, 2004, ISBN 80-7194-637-0. BAZELYAN, M. E., RAIZER, P. Yu.: Spark discharge, New York CRC Press LLC, USA, 1998, ISBN 0-8493-2868-3. ČSN EN 50122-2 (34 1520): Drážní zařízení - Pevná trakční zařízení - Část 2: Ochranná opatření proti účinkům bludných proudů, způsobených DC trakčními proudovými soustavami, (účinnost 2001-08-01), idt. EN 50 122-2/A1, 2002. ČSN 34 93 25: Keramické izolátory. Izolátory pro trakční vedení drah. (účinnost 1973-10-01). HLAVA, K.: Omezení vlivu FKZ na signál HDO energetiky, 1. a 2. část, Zpráva k úkolu TR č. D 237 4026, TÚDC odd. EMC, 1996. HLAVA, K.: Návrh na doplnění filtračně kompenzačního zařízení NS ČD, Dílčí zpráva úkolu Z 0024 003, „Regulační větev filtračně kompenzačního zařízení“ (BK 22 459) Praha, 1994. PNE 38 2530: Hromadné dálkové ovládání: Automatiky, vysílače a přijímače, (účinnost 199401-01). HLAVA, K.: Diagnostika vlivu napájecí soustavy jednofázové trakce ČD na signál hromadného dálkového ovládání Vědeckotechnický sborník ČD, č. 10/2000, ISSN 1214-9047. HLAVA, K.: Optimalizace přenosu energie v elektrické trakci, závěrečná zpráva VÚŽ úkolu č. A-02-127-809, Praha, 1993. HLAVA, K.: Analýza poměrů na FKZ TNS ČD Modřice, Praha, zpráva č.11/ 2005. NAHVI, M., EDMINISFER, J: Electric circuits, McGraw-Hill print, USA, 2003, ISBN 0-07139309-2. ABDEL-SALAM, M.: High-voltage engineering, New York, USA, 2000, ISBN 0-8247-0402-9. GARZON, R. D.: High voltage circuits breakers, New York, USA, 2002, ISBN 0-8247-0799-0. NAIDU, M. S., KAMARAJU, V.: High Voltage Engineering (2nd Edition), McGraw-Hill, USA, 1995, ISBN 0-07-462286-2. Test Report No.TVS/2689E: Single-pole vacuum circuit-breaker 3AF9342-4 SIEMENS AG(27.5kV-1250A-25kA), April 4th 1985 till June 7th, 1985. WATANABE, E., KANEKO, S. Y.: Arc behaviour in axial magnetic field vacuum interrupters, IEEE 17th ISDEIV Berkeley, 1998 nebo www.schneider-electric.com, (citováno dne 12.7.2005) SCHUMAN, B., SLADE, B., HEBERLEIN, G. P.: IEEE Transaction on components, hybrids and manufacturing technology, Evaluation of AC axial magnetic field needed to prevent anode spots in vacuum arcs between opening contacts 1994 nebo www.schneider-electric.com, (citováno dne 12.7.2005) FRIDMAN, A. A.: Plasma physics and engineering, New York, USA, 2004, ISBN 0-84540302-6.


Lektoroval: Prof. Ing. Vladimír Schejbal, CSc. Dopravní fakulta Jana Pernera Univerzita Pardubice 16


Jaroslava Machalíková, Jaromíra Chýlková, Renáta Šelešovská1

Tribotechnické aplikace vybraných instrumentálních metod Klíčová slova: tribodiagnostika, infračervená spektrometrie, ferrografie, částicová analýza, obrazová analýza, voltametrie

1. Úvod Se zvyšováním spolehlivosti a hospodárnosti provozu dopravních prostředků je úzce spjato sledování technického stavu strojních součástí i stavu používaných maziv. Tyto úkoly řeší tribotechnická diagnostika, která jako nedestruktivní a bezdemontážní metoda využívá mazivo jako zdroj informací o dějích a změnách v mechanických systémech, v nichž je aplikováno. Účelné využití tribotechnické diagnostiky přináší i přes nemalé pořizovací náklady na vybavení možnost efektivního hospodaření s mazivy. Nedochází pak k případům, že je vyměňován olej, který ještě mohl plnit svou funkci a jeho výměna je tedy nevýhodná nejen z ekonomického, ale i environmentálního hlediska, nebo že při striktním dodržování výměnných lhůt může být vyměňován olej nadměrně opotřebený, který svými vlastnostmi nesplňuje požadavky na něj kladené a dochází tak k poškozování strojního zařízení. Náklady na opravy pak mnohdy přesahují investice vložené do preventivní péče zahrnující pravidelné sledování stavu zařízení metodami tribotechnické diagnostiky. Monitorování chemických a fyzikálních změn, ke kterým v provozu dochází, poskytuje poměrně přesnou představu o aktuálním stavu maziva a o možnostech jeho dalšího používání. Východiskem pro hodnocení dynamiky změn jednotlivých parametrů jsou jejich hodnoty pro nepoužitý olej. Mezi četné metody, které jsou pro tento účel využívány, patří infračervená spektrometrie či elektrochemické metody. Průběh a velikost opotřebení součástí, které jsou příslušným mazivem mazány, umožňuje sledovat skupina dalších metod, vhodných pro popis morfologie a rozdělení částic tvořených kovovým otěrem, vlákny z filtračních materiálů, kontaminanty z vnějšího prostředí aj. (jedná se zejména o ferrografii s následnou obrazovou analýzou). V tomto příspěvku jsou shrnuty informace o provedených experimentálních pracích a prezentovány možnosti využití výše uvedených metod v oblasti tribodiagnostiky.

2. Principy vybraných instrumentálních metod 2.1 Infračervená spektrometrie Tato analytická technika je vhodná především pro identifikaci a strukturní charakterizaci zejména organických sloučenin. Je založena na měření absorpce infračerveného záření o 1

Jaroslava Machalíková, doc. RNDr. CSc., 1953, absolventka Přírodovědecké fakulty UJEP (nyní MU) Brno, obor analytická chemie; docentka na katedře provozní spolehlivosti, diagnostiky a mechaniky v dopravě; zabývá se problematikou vlivu dopravy na životní prostředí a tribodiagnostikou. Jaromíra Chýlková, doc. Ing. CSc., 1952, absolventka Vysoké školy chemickotechnologické v Pardubicích, obor Technická analytická a fyzikální chemie; zabývá se vývojem instrumentálních metod stanovení škodlivých látek v životním prostředí. Renáta Šelešovská, Ing. PhD., 1977, absolventka Fakulty chemickotechnologické Univerzity Pardubice, obor Aplikovaná a krajinná ekologie; zabývá se elektroanalytickou chemií 1

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 různé vlnové délce analyzovaným materiálem. Vlastní analýzy jsou prováděny na FTIR spektrometru Vector 22 (Bruker) ve spektrálním rozsahu 600 − 4000 cm1 , s rozlišením 4 cm-1 a s počtem scanů 32. V této práci byla používána metoda zeslabené úplné reflektance (horizontální ATR); technika je založena na principu násobného úplného odrazu záření na fázovém rozhraní měřeného vzorku a měřicího krystalu z materiálu o vysokém indexu lomu (ZnSe). Ke sledování degradace oleje, jeho znečištění a úbytku aditiv lze využívat sledování změn hodnot absorbance v infračervených spektrech: ztráty základní protiotěrové a antioxidační přísady (ZnDDP) se projevují úbytkem absorbance v oblasti 1050 – 950 cm-1; při poklesu pod hodnotu 20 % obsahu ZnDDP v novém oleji se doporučuje výměna olejové náplně. Podobně lze sledovat úbytek protiotěrové přísady TCP − je doprovázen poklesem absorbance mezi 990 a 960 cm-1. Oxidace uhlovodíků v oleji se projevuje přírůstkem absorbance v oblasti kolem 1710 cm-1. Znečištění oleje způsobené průnikem spalin obsahujících saze kolem pístu může být pozorováno v oblasti kolem 1900 cm-1, nárůst absorbance mezi 1650 − 1580 cm-1 svědčí o přítomnosti organických nitrosloučenin z profuku spalných plynů ze spalovacího prostoru; tyto jevy jsou ukazatelem opotřebení pístní skupiny. Přítomnost vody se ve spektru projevuje širokým pásem v oblasti cca 3600 − 3300 cm-1, vnikání paliva do oleje nárůstem absorbance v oblasti 815 až 800 resp. 750 cm-1. Přehled typických skupin a sloučenin charakteristických pro motorové a převodové oleje je uveden v pracích [1 − 3]. 2.2 Ferrografie Ferrografie je tribodiagnostická metoda, založená na oddělení cizorodých částic obsažených v olejové náplni mazacích soustav strojů od vlastního oleje. Využívá sedimentace částic na speciální podložce při průtoku vzorku oleje v silném nehomogenním magnetickém poli. Popisuje zachycené částice obíhající společně s olejem a přiřazuje je jednotlivým mechanismům opotřebení. Jako bezdemontážní diagnostická metoda umožňuje na základě částicové analýzy objektivně určit režim opotřebení mazaného stroje, na základě analýzy morfologie a počtu otěrových částic pak umožňuje odhalit blížící se poruchu stroje. V některých případech lze určit i místo vzniku otěrových částic, což má pro posuzování opotřebení strojního zařízení mimořádný význam. V současnosti se v praxi používá jak přímočtená, tak analytická ferrografie. V bichromatickém mikroskopu lze zkoumat tvar, barvu, charakter povrchu a další morfologické charakteristiky částic sedimentu, které nesou významnou informaci o převládajícím druhu tření a opotřebení strojních součástí mazaných olejem. Analytická ferrografie vypovídá o skutečném technickém stavu mazací soustavy a mazaných dílů i o způsobu opotřebení jednotlivých třecích dvojic. Umožňuje hodnotit průběh a intenzitu opotřebení součástí, které jsou analyzovaným olejem mazány, a to na základě izolace částic tvořených kovovým otěrem, vlákny z filtračních materiálů, kontaminanty z vnějšího prostředí aj. Na toto hodnocení pak může navázat popis jejich vlastností, např. celkové plochy částic v obrazu, jejich morfologie, rozdělení velikostí a řady dalších charakteristik. Pro tyto účely je vhodné analytickou ferrografii (případně i ve spojení s rastrovací elektronovou mikroskopií) kombinovat s následnou obrazovou analýzou. Použití obrazové analýzy na jedné straně umožňuje usnadnit a automatizovat ferrografické hodnocení, na straně druhé dovoluje podstatně rozšířit počet a druh hodnocených parametrů a kvantifikovat výsledky analýzy. 2.3 Obrazová analýza Obrazová analýza umožňuje získávat kvantitativní informace o různých geometrických a statistických parametrech částic (např. údajů o počtu, ploše resp. o dalších velikostních 2

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 parametrech jednotlivých částic), o jejich celkovém plošném podílu na ferrogramu aj. Těchto informací lze použít jednak přímo pro hodnocení izolovaných částic, jednak jako podkladu pro další stereologickou analýzu. Kvantitativní hodnocení charakteristických parametrů částic je důležitou součástí posuzování vztahů mezi podmínkami provozu a způsobem, intenzitou nebo pravidelností opotřebení třecích ploch. Použití výpočetní techniky a vhodného softwaru usnadňuje práci s digitálním obrazem − lze provádět řadu operací, umožňujících např. měnit kontrast, jas, gamma-korekci či jiné parametry snímku, eliminovat obrazové objekty menší než zvolený limit, potlačit zobrazení artefaktů, třídit objekty do tříd podle zvolených příznaků apod. Kvalitní, přesné a správné výsledky samozřejmě lze při zpracování optických informací získat pouze za předpokladu − věrného zobrazení v mikroskopu, − dostatečné výraznosti obrazu, − identifikovatelnosti objektů; je proto nezbytné pracovat s kvalitní a výkonnou přístrojovou i výpočetní technikou. Zpracování binárních obrazů je úzce spjato s matematickou morfologií, nejčastěji s operacemi − eroze (objekty se po provedení eroze zmenší, neboť se ubírá z jejich okrajů; je-li objekt nebo úzký výběžek menší než ubíraná šířka, zmizí z obrazu), − dilatace (po dilataci jsou objekty zvětšeny, tj. k objektu je přidána „slupka“; je-li vzdálenost mezi dvěma objekty menší, než dvojnásobná tloušťka „slupky“, objekty se spojí, je-li díra v objektu menší, než dvojnásobná tloušťka „slupky“, rovněž zmizí z obrazu), − otevření (eroze následovaná dilatací − touto operací se velikost objektů nijak významně nemění; otevření vyhlazuje kontury, maže malé objekty a rozpojuje částice spojené tenkou šíjí), − zavření (dilatace následovaná erozí; touto operací velikost objektů opět není podstatně změněna − vyhladí se obrysy, zaplní malé díry a malé zálivy, mohou se spojit blízké objekty), − vyčištění (operace nejprve eroduje obraz − malé objekty mizí, pak jsou zbývající objekty rekonstruovány do jejich původní velikosti a tvaru; výhoda tohoto postupu spočívá v tom, že malé objekty zmizí, ale zbytek obrazu zůstane nedotčen), − vyplnění děr (plní díry uvnitř obrazu − proto je tato operace užitečná například při detekci hranic objektů, které mají bohatou vnitřní strukturu s intenzitami typickými pro pozadí a hranice; po této operaci jsou díry transformovány na uzavřené oblasti). Při hodnocení mikroskopických snímků umožňuje použití obrazové analýzy provést kvantitativní určení parametrů zkoumaných částic rychle a přesně, bez subjektivního ovlivnění osobou provádějící hodnocení. Zároveň tato metoda dává možnost získat informace nejen o základních parametrech částic, ale i takové údaje, které by při klasickém způsobu hodnocení bylo možné získat jen velmi obtížně, nebo by byly zcela nedostupné. V experimentálních oborech souvisejících s hodnocením provozních hmot a konstrukčních materiálů používaných v dopravě lze velmi efektivně využít analýzu obrazu získaného prostřednictvím sestavy mikroskopu a digitálního fotoaparátu resp. kamery [4 − 7]. 2.4 Elektrochemické metody Pro stanovení obsahu kovů v olejích se v praxi nejčastěji používají spektrální metody. Lze však uplatnit i postupy voltametrické, jejichž předností je především vysoká citlivost stanovení, dobrá reprodukovatelnost měření a poměrně nízká cena elektrochemických 3

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 analyzátorů ve rovnání se spektrálními přístroji. Tyto skutečnosti jsou dobrým předpokladem pro širší využití voltametrie v běžných provozních laboratořích. Voltametrické stanovení kovů je možno realizovat v nejrůznějších základních elektrolytech. Jejich volba probíhá tak, aby stanovované prvky vykazovaly dobře vyhodnotitelné píky, které nejsou rušeny dalšími látkami přítomnými v roztoku. Ke stanovení kovových iontů se využívá nejčastěji jejich redukce na rtuťové kapkové elektrodě. V případě nízkých koncentrací se pak daný kov nakoncentruje na kapce katodickou redukcí a následně se analyticky hodnotí jeho anodické rozpouštění. Výška či plocha anodického píku je úměrná koncentraci kovu v roztoku. Voltametrie byla v rámci experimentálních prací použita pro analýzu kovového otěru z dvojkolí drážních vozidel; lze ji aplikovat i pro stanovení nitrosloučenin v motorových olejích, do nichž pronikají profukující spalné plyny netěsnostmi v pístové skupině [8, 9].

3 Experimentální část 3.1 Infračervená spektrometrie Degradaci oleje, jeho znečištění a úbytek aditiv lze sledovat na základě změn hodnot absorbance v infračervených spektrech: pokles obsahu přísad (obr. 1), oxidaci uhlovodíků v oleji, znečištění motorového oleje způsobené průnikem spalin obsahujících saze a nitrolátky, přítomnost vody či vnikání paliva do oleje lze prokázat na základě srovnání spektra neopotřebeného a použitého resp. vyřazeného oleje.

Obr. 1: Úbytek aditiv v důsledku provozního opotřebení motorového oleje SAE 15W-40, projevující se poklesem absorbance v oblasti 1050 − 950 cm-1 (1 – nový olej, 2 – opotřebený olej před výměnou) Průběh provozního opotřebení olejů byl sledován ve více než 500 vzorcích opotřebených motorových a převodových olejů, odebíraných např. − z hnacích vozidel Českých drah (lokomotivy řady 730, 732, 751, motorové vozy řady 810, − z autobusů (Karosa B93, 730, Renault/IrisBus, CityBus a další), − z osobních automobilů Škoda Fabia 2,0 l/85 kW a 1,9 TDI/74 kW, Audi A4 1,9 TDI Renault 19 RT 1,8i, Fiat Ducato, Ford Orion 1,6 CL, Škoda Felicia 1,6 MPI, Škoda Favorit 135 L, Volkswagen Passat 1,9 TDI aj., − z těžkých nákladních vozidel a tahačů (SCANIA R124, 113, 143, MAN 19.422 řady F 2000, RENAULT Magnum E-Tech, Volvo FH 12, Iveco EuroStar aj.), 4


−

− z převodovky terénního motocyklu KTM 250 SX/2003, z motoru Suzuki DR Big 800 S/1993, z traktorů ZETOR 6211, 7711, 8111, 10111, 12111, 16145 a ze zemědělských strojů.

3.2 Ferrografie V rámci prováděných komplexních analýz motorových a převodových olejů bylo u vybraných vzorků provedeno ferrografické hodnocení, pro které byl používán ferrograf REO-1 (ReoTrade Ostrava) v sestavě s bichromatickým trinokulárním mikroskopem H 6000 (Intraco Micro Tachlovice) a digitálním fotoaparátem Nikon Coolpix 4500 s propojením na PC a TV. K softwarovému zpracování obrazu je na DFJP k dispozici systém LUCIA G v. 4.82 (Laboratory Imaging Praha). K následnému kvantitativnímu hodnocení ferrogramů je možno využít buď denzimetr REO 22, který přímo měří optickou hustotu ferrogramu, nebo mikrosnímky ferrografické stopy vyhodnotit pomocí zpracování digitálního obrazu (lze takto hodnotit např. podíl plochy ferrogramu, která je pokryta částicemi, určovat tvarové faktory jednotlivých částic aj.). Experimentální výsledky byly podrobně publikovány např. v práci [7]. Cílem experimentálních prací bylo ověřit možnost použití obrazové analýzy − k určení plošného podílu částic v definované lokalitě ferrogramu, − k určení tvarového faktoru S otěrových částic S = 4π · A/P2 kde P – obvod, A – plocha. Výsledek klasického ferrometrického hodnocení ferrografických stop ferrometrem odpovídá podílu měřené části plochy pokryté částicemi v určité lokalitě ferrogramu. Hodnocení je založeno na přímém měření optické propustnosti ferrogramu. Obrazovou analýzou je možno určit podíl plochy pokryté částicemi a celkové plochy pole z mikroskopického snímku konkrétní definované oblasti. Praktické ověření bylo realizováno na vzorcích převodového oleje. V tab. 1 je uveden příklad určení plošného podílu částic pro typické oblasti jako výsledek analýzy mikrosnímků programem LUCIA a vyhodnocení ferrogramů na ferrometru REO-22. Tab. 1 Srovnání výsledků stanovení plošného podílu částic obrazovou analýzou (LUCIA) a ferrometrem (REO-22) v převodovém oleji (SCANIA 143, 120 tis. km, olej Total SAE 75W-90) Pozice na ferrogramu 53. mm 57. mm

Plošný podíl částic (%) 24,88 28,5 29,67 34,5

Způsob určení obrazová analýza ferrometr obrazová analýza ferrometr

Při všech hodnoceních bylo zjištěno, že výsledky stanovení plošného podílu částic ferrometricky jsou vždy vyšší než výsledek obrazové analýzy; rozdíly činí 7 až 22 %rel. Příčinou mohou být např. − omezení způsobená digitalizací (souvisí s maximálním dosažitelným počtem obrazových bodů v záznamovém zařízení), − problematické zobrazení a následná separace velmi malých částic v digitálním obrazu, detekce povrchových vad (škrábanců, skvrn apod.) podložní fólie při ferrometrickém měření aj. 5

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Na ferrogramech výše uvedených vzorků byly dále na mikroskopických snímcích určovány tvarové faktory částic. Po separaci částic prahováním bylo prováděno i vyčištění binárního obrazu. U více než 150 hodnocených snímků pro průměrný tvarový faktor S, definovaný vztahem S = 4π · A/P2, platí S ∈ <0,36; 0,88>; jednotlivé částice lze charakterizovat individuálními tvarovými faktory od 0,06 do 0,98. Pro ferrogramy olejů, obsahujících částice související s nadměrným opotřebením (tj. např. velké ostrohranné částice přibližně kubického tvaru, tenké úzké částice s ostrým zakončením), jsou typické hodnoty průměrných tvarových faktorů do 0,60. Je třeba pečlivě kontrolovat, aby mezi částice nebyly při separaci prahováním zahrnuty řetízky velmi jemných částic feromagnetického otěru, které jsou projevem normálního adhezivního opotřebení třecích ploch (pokud se nedosáhne zcela správného výběru objektů vhodnou definicí mezí při nastavení prahových hodnot, je nezbytné provést dílčí manuální úpravy obrazu, což systém LUCIA rovněž umožňuje). 3.2 Analýza olejových filtrů Ferrografie je založena na principu separace otěrových částic z odebraného vzorku opotřebeného oleje. Analýza motorových olejů je však ovlivněna tím, že největší částice, původně obsažené v motorovém oleji, jsou zachycovány v olejovém filtru − přitom tyto částice mají největší význam z hlediska hodnocení technického stavu motoru. Proto bylo v rámci experimentální části práce zkoumány papírové vložky olejových filtrů z různých vozidel; vložky jsou zhotoveny ze speciální papíroviny, maximální rozměr procházejících částic by podle údajů výrobců neměl převýšit 35 µm. Byly ověřovány postupy rozvlákňování materiálu filtračních vložek tak, aby z nich byly co nejefektivněji uvolněny zachycené částice. Jako optimální byl zvolen postup ponoření každé vložky do 10% roztoku NaOH na dobu jednoho týdne s následným ručním rozmělněním a uvolněním části zejména velkých částic zachycených ve filtru; jejich výskyt indikuje v jednotlivých konkrétních případech závažné opotřebení. Pomocí permanentních magnetů N35 (na bázi Fe-Nd-B) byly po opakovaném promytí benzínem izolovány ferromagnetické částice, přeneseny na průhlednou fólii a pozorovány na mikroskopu H6000, popř. přímo fotografovány v makrorežimu po umístění na papírové podložce (obr. 2). Vybrané částice byly zkoumány na rastrovacím elektronovém mikroskopu TESCAN VEGA TS 5130. Podle předpokladu byly z filtrů izolovány velké (největší rozměr až jednotky mm) kovové, zpravidla ploché lupínkovité nebo trojrozměrné ostrohranné částice, morfologicky blízké krychli resp. kvádru, jejichž výskyt souvisí s rozpadem Beilbyho vrstvy, s abrazivními procesy způsobenými vnikáním prachových částic ze vzduchu, nasávaného při tvorbě pracovní směsi a řadou dalších procesů. Při detailním studiu na REM byly v podpovrchových vrstvách izolovaných částic identifikovány sferoidní artefakty (obr. 3). Kuličky, jejich průměr nepřesahuje 20 µm, mohou vznikat opakovaným zatěžováním povrchu součásti. Při tom v materiálu dochází ke vzniku smykového napětí, které dosahuje maxima v definované hloubce pod povrchem. Zde se začnou vytvářet jemné mikrotrhliny ve směru rovnoběžném s povrchem. Po propojení trhlin a jejich nasycení olejem dochází ke složitým jevům uvolňování a zaoblování částic za cyklického působení vysokých hydrodynamických tlaků při otevírání a stačování trhliny. Podle [10] se uplatňuje i proces minimalizace povrchové energie částice, jehož výsledkem je její kulový tvar. Kulovité útvary vznikají při pomalém růstu únavové trhliny zasahující do olejem smáčeného povrchu.

6


100 µm

500 µm

a b Obr. 2 Částice izolované z papírových vložek filtrů a − makrosnímek (částice na papírové podložce), S= 0,66, b − snímek z mikroskopu H6000 (částice na plastové průsvitné podložce), S = 0,57

a

b

Obr. 3 Podpovrchový kulovitý útvar (REM) a − snímek celé separovaní částice, b − detail části označené ve snímku a šipkou

7

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Izolované nekovové sedimentující částice jsou tvořeny jak ostrohrannými, tak zaoblenými útvary velikosti od 100 µm do 1 mm. Jedná se zejména o nečistoty, které se do motorového oleje dostávají z nasávaného vzduchu (zrnka písku apod.). Doposud provedené experimentální práce vedou k závěru, že komplexní hodnocení průběhu opotřebení motorových olejů a součástí jimi mazaných je vhodné doplnit i studiem částic zachycených v olejových filtrech. Jedná se sice o informace, které mají kvalitativní, nikoli kvantitativní charakter, a jsou získávány ex post (zpravidla při současné výměně oleje a filtrů) − mohou však přinést další důležité poznatky o procesech, které v intervalu od poslední výměny proběhly. 3.3 Elektrochemické metody Pro stanovení obsahu kovů v olejích se v praxi nejčastěji používají spektrální metody. Lze však uplatnit i postupy voltametrické, jejichž předností je především vysoká citlivost stanovení, dobrá reprodukovatelnost měření a poměrně nízká cena elektrochemických analyzátorů ve rovnání se spektrálními přístroji. Tyto skutečnosti jsou dobrým předpokladem pro širší využití voltametrie v běžných provozních laboratořích. Voltametrické stanovení kovů je možno realizovat v nejrůznějších základních elektrolytech. Jejich volba probíhá tak, aby stanovované prvky vykazovaly dobře vyhodnotitelné píky, které nejsou rušeny dalšími látkami přítomnými v roztoku. Ke stanovení kovových iontů se využívá nejčastěji jejich redukce na rtuťové kapkové elektrodě. V případě nízkých koncentrací se pak daný kov nakoncentruje na kapce katodickou redukcí a následně se analyticky hodnotí jeho anodické rozpouštění. Výška či plocha anodického píku je úměrná koncentraci kovu v roztoku. Voltametrie byla v rámci experimentálních prací dále použita pro analýzu kovového otěru z dvojkolí drážních vozidel [8]. Lze ji však úspěšně aplikovat i pro stanovení nitrosloučenin v motorových olejích, do nichž pronikají profukující spalné plyny netěsnostmi v pístové skupině [9]. Voltametrické stanovení nitrolátek v olejích je založeno na elektrochemické redukci –NO2 skupiny. V závislosti na použitém základním elektrolytu je nitroskupina redukována na −NO, −NHOH nebo −NH2 skupinu; nitrolátky se redukují v určitém rozsahu záporných potenciálů. Pro jednotlivé typy látek se tyto potenciály poněkud liší. Voltametrické analýzy nitrolátek byly prováděny pomocí elektrochemického analyzátoru EP 100 VA (HSC servis, Bratislava) v tříelektrodovém zapojení metodou diferenčně pulsní voltametrie. Jako pracovní elektroda sloužila rtuťová elektroda s visící kapkou HMDE (Polaro-Sensors, Praha). Vzorky analyzovaných olejů byly odebrány ze vznětových motorů různých silničních a kolejových vozidel. K přípravě modelových standardů byl použit čistý olej M7 ADS III. Stanovení obsahu nitrolátek bylo prováděno ve vodně-alkoholickém prostředí (76 % ethylalkoholu) o pH 10 (amonný pufr). Za těchto podmínek byla splněna linearita mezi výškou píku a analyzovaným množstvím v širokém koncentračním intervalu. K separaci nitrolátek z opotřebených olejů byla navržena metoda s využitím extrakce 96% ethylalkoholem v ultrazvuku, který zlepšuje kontakt dvou nemísitelných fází. Vzhledem k dobré rozpustnosti nitrosloučenin v použitém činidle přejdou tyto látky do ethanolického roztoku. Po ukončení extrakce se přidá do směsi amonný pufr, čímž dojde k rozražení olejové emulze a k dokonalému oddělení obou vrstev. Čirý ethanolický roztok, který je následně analyzován, se získá filtrací přes vrstvu skelné vaty. Experimentální podmínky jsou detailně popsány v dříve publikovaných pracích [8, 9]. Chyby stanovení dosahují spíše negativních hodnot a pohybují se v intervalu od -2,70 do 10,24 rel. %, což lze v oblasti provozních analýz akceptovat. Z uvedeného vyplývá, že proces separace nitrolátek z olejů a jejich následné stanovení voltametricky se dají aplikovat na neznámé vzorky, které mohou obsahovat produkty nitrace. 8

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Výše uvedenou metodou bylo analyzováno 20 reálných vzorků motorových minerálních olejů, z nichž dva byly čisté, dosud nepoužívané. U tří vzorků (u dvou čistých a jednoho použitého) nebyly nitrolátky nalezeny. Zbývající vzorky vykazovaly v oblasti potenciálů, kde se v daném prostředí redukují nitrolátky, jeden nebo dva dobře postřehnutelné píky. Jejich polohy se poněkud lišily, což svědčí o tom, že v dané matrici mohou vznikat různé nitrované produkty. Přítomnost nitrolátek v analyzovaných praktických vzorcích potvrzují i nezávislá měření infračervených spekter, kde je jejich výskyt prokazatelný z absorpčního pásu při vlnočtu 1610 cm-1. Ze spektrálních měření dále vyplynulo, že i čistý nepoužitý olej vykazuje určitý nízký obsah nitrolátek, které pocházejí pravděpodobně z aditiv. Voltametrická měření tyto původní nitrolátky neobjevila, což může být způsobeno jejich malou rozpustností v ethylalkoholu. V případě kvantitativního stanovení nalezených nitrolátek je třeba řešit výběr vhodného standardu ke kvantifikaci.

4. Závěr V současné době se intenzivně rozvíjejí instrumentální metody, které mohou přinést řadu údajů o průběhu a stupni opotřebení olejů pro dopravní prostředky. Cenná je skutečnost, že údaje získané prostřednictvím těchto metod poskytují kromě diagnostické informace i informaci prognostickou, tj. dovolují předvídat havarijní situace a předcházet jim. Optimalizace výměny olejových náplní je závažným problémem; právě v této oblasti nacházejí pokročilé metody tribotechnické diagnostiky široké uplatnění. Vybrané výsledky prezentují pouze některé možnosti použití FTIR spektrometrie, ferrografie s dalšími doplňujícími metodami a voltametrie v oblasti tribodiagnostiky. Použitím obrazové analýzy lze získat informace jak o základních charakteristikách hodnocených ferrogramů či jednotlivých částic, tak i mnohé další údaje, jejichž získání běžnými postupy by bylo velmi pracné či zcela nemožné − a přitom tyto informace mohou přispět k zásadnímu rozšíření znalostí o systémech, z nichž byly odebrány vzorky. Tento příspěvek byl vytvořen v rámci výzkumného záměru MSM 0021627502.

9


LITERATURA 1. TOMS, L. A. Machinery oil analysis: methods, automation & benefits. Virginia Beach: Coastal Skills Training, 1998. 2. TROYER, D.; FITCH, J. Oil analysis basic. Tulsa: Noria, 2001. 3. BARNES, M. Molecular Spectroscopy - A Precision Lubrication Tool? [online].[cit. 1. března 2006]. Dostupné na WWW: . 4. SMITH, G.C., BELL, J.C. Multi-technique surface analytical studies of automotive anti-wear films. Applied Surface Science. 1999, 144−145, April, pp.222-227. 5. PODSIADLO, P.; STACHOWIAK, G. W. Development of advanced quantitative analysis methods for wear particle characterization and classification to aid tribological system diagnosis. Tribology International, Volume 38, Issue 10, October 2005, pp. 887-897. 6. EBERSBACH, S. The investigation of the condition and faults of a spur gearbox using vibration and wear debris analysis techniques. Wear, Volume 260, Issues 1-2, January 2006, pp. 16-24. 7. MACHALÍKOVÁ, J.; MACHALÍK, S.; SCHMIDOVÁ, E. Využití obrazové analýzy při hodnocení maziv a konstrukčních materiálů pro dopravní prostředky. In Sborník mezinárodní konference informačních technologií v dopravě − INFOTRANS 2005. Pardubice 21. − 22. 9. 2005. Pardubice: Univerzita Pardubice. Str. 182 − 192. ISBN 80-7194-792-X. 8. MACHALÍKOVÁ, J.; CHÝLKOVÁ, J.; KOTRBA, A. Aplikace vybraných instrumentálních metod v tribotechnické diagnostice. Sborník konference Tribotechnika a spolehlivost provozu. Lázně Bohdaneč 20. – 21. 4. 2004. Praha: +CSS − OS Tribotechnika, 2004. Str. 43 – 48. ISBN 80-02-01636-X. 9. MACHALÍKOVÁ, J.; FADRNÁ, R.; CHÝLKOVÁ, J.; DUSZKOVÁ H. Stanovení nitrolátek v opotřebených motorových olejích s využitím diferenční pulzní voltametrie. In Sborník přednášek z XXV. mezinárodního odborného semináře Moderní elektrochemické metody, Jetřichovice 24. – 26. 5. 2005, Česká společnost chemická. Str. 79-82. ISBN 80-86238-45-8. 10. Reo Trade: Atlas otěrových částic pro ferografii. CD, součást dodávky ferrografu REO-1.

V Pardubicích, červen 2006 Lektorovala: Doc. Ing. Eva Schmidová, PhD. katedra dopravních prostředků Univerzita Pardubice

10

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Milan Kučera1

Požadavky na provádění a materiál železničních ocelových mostů Klíčová slova: ocel, dodací podmínky, železniční mosty, odborná způsobilost, dokumenty kontroly Úvod Dynamicky namáhané ocelové konstrukce železničních mostů kladou velké nároky na kvalitu návrhu i provedení. U mostů je požadována vysoká bezpečnost a v porovnání s ostatními ocelovými konstrukcemi i velmi dlouhá doba spolehlivé životnosti – návrhová životnost mostních konstrukcí je 100 let. Že tomu tak skutečně je možno dokladovat na řadě případů plně funkčních ocelových mostních konstrukcí z konce předminulého století. Průměrné stáří ocelových mostních konstrukcí v síti státních drah provozovaných ČD je 68 let. Prokazování odborné způsobilosti pro provádění drážních ocelových mostních konstrukcí Pro získání a udržování odborné způsobilosti pro výrobu ocelových konstrukcí se provádí ověřování výrobců, vydávání průkazů způsobilosti a prováděním důsledných přejímek na dílně. Požadavky na odbornou způsobilost organizací, v souladu s platnými normami pro navrhování a provádění ocelových konstrukcí, stanovují Technické kvalitativní podmínky staveb státních drah (dále TKP) v kapitole 19 Ocelové mosty a konstrukce [16]. V tabulce 1 a 2 TKP 19 jsou rozpracovány požadavky na způsobilost zhotovitele pro jednotlivé druhy konstrukcí a výrobní skupiny. Způsobilost zhotovitele se dokládá průkazem způsobilosti, a to: Malým průkazem způsobilosti (M), Velkým průkazem způsobilosti (V) a Rozšířeným velkým průkazem způsobilosti (VR) ve smyslu Změny 2 ČSN 73 2601 Provádění ocelových konstrukcí [1]. V oblasti provádění ocelových konstrukcí železničních mostů, kde je vyžadována nejvyšší odborná způsobilost, řeší vydávání Rozšířeného velkého průkazu způsobilosti (VR) Závazná pravidla ČD č.OK/02/97 – Prokazování způsobilosti k provádění ocelových mostních konstrukcí pro ČD. Způsobilost je ověřována akreditovanými certifikačními orgány za spoluúčasti drážních technických expertů. České dráhy a.s. zajišťují tuto expertní činnost na základě dohody pro vlastníka dráhy, kterým je státní organizace Správa železniční dopravní cesty (SŽDC s.o.). Průkaz způsobilosti vydává certifikační orgán akreditovaný podle příslušných metodických pokynů, které vydává Český institut pro akreditaci. Tento certifikační orgán musí být uveden v seznamu certifikačních orgánů uváděných a pravidelně aktualizovaných ve Věstníku Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, nebo případně v příloze Věstníku Ministerstva hospodářství České republiky. Ing. Milan Kučera, narozen v roce 1954, absolvent konstrukčně-dopravního odboru stavební fakulty ČVUT Praha. V současné době pracuje ve funkci vedoucího skupiny oddělení železničních staveb odboru stavebního a provozu infrastruktury GŘ Českých drah a.s. 1

1


V současné době je navázána spolupráce s těmito certifikačními orgány: • Český lodní a průmyslový registr, • Český svářečský ústav, s.r.o. • Stavcert Praha, spol. s r.o. • SVV Praha, s.r.o., (Svářečský vývojový a výukový ústav), • RWTÜV Praha spol. s r.o. • Technický a zkušební ústav stavební Praha • Výzkumný ústav pozemních staveb, CS, s.r.o. • Technický dozorčí spolek Brno • TÜV CZ s.r.o. • VÚPS CS s.r.o. Seznam odborně způsobilých firem pro výrobu a montáž ocelových mostních konstrukcí je zveřejňován ve zpravodaji Železniční mosty a tunely, vydávaném O13 ČD a.s. V současné době je certifikováno kolem 40 firem. Ostatní stupně způsobilosti, tj. Malý a Velký průkaz vydávají samostatně akreditované certifikační orgány ve smyslu normy pro provádění ocelových konstrukcí. Současný počet způsobilých firem je možno považovat za dostatečný, i když proces prověřování dalších firem pokračuje. Způsobilost v oblasti provádění ocelových mostních konstrukcí je chápana poněkud šířeji než jen samotné svařování. Jde i například provádění šroubových třecích spojů z vysokopevnostních šroubů. Dále o nýtování za tepla pro opravy starých mostních konstrukcí a podobně. V oblasti vlastního svařování se počítá s postupným přechodem na ověřování způsobilosti s využitím norem řady ČSN EN 729 [2]. V případě dynamicky namáhaných mostních objektů jsou předepisovány tzv. „vyšší“ požadavky na jakost svařování. Vzhledem k dosavadním zkušenostem ze staveb státních drah jsou požadavky kladené na odbornou způsobilost zhotovitele v rámci obchodních soutěží jedním ze základních předpokladů realizace kvalitního díla. Doložení odborné způsobilosti zhotovitelů ocelových konstrukcí vyžadují mimo drážních předpisů (Technické kvalitativní podmínky, dále TKP) i další obecně závazné předpisy (např. o zadávání veřejných prací, Stavební a technický řád drah č. 177/1995 Sb., stavební zákon č. 50/1976 Sb. ve změní novely č. 83/1998 Sb., zákon o technických požadavcích na výrobky č. 22/1997 Sb. a příslušná nařízení vlády pro stavební výrobky ap.). Nedodržení stanovených požadavků může přinášet problémy při uvádění staveb do provozu ze strany stavebních úřadů. V současné době se v praxi potýkáme s nejednotným výkladem ze strany státních orgánů (např. ČOI) ve vztahu k Zákonu 22/1997 Sb. a vládnímu nařízení 163/2002 Sb. ve znění VN 312/2005 Sb. Jedná se o to, zda dílec mostní konstrukce vyráběný podle samostatně vypracované a schvalované projektové dokumentace odborně způsobilou firmou ve smyslu ČSN 73 2601 je či není stanoveným stavebním výrobkem a zda je pro něj, jako stanovený výrobek, nutno požadovat vystavení prohlášení o shodě. Převládá názor, že mostní konstrukce, respektive její dílce vyráběné na dílně stavebním výrobkem jsou. Podporou tohoto názoru je i návrh - draft, nové evropské normy EN 1090-1 [3] pro provádění ocelových konstrukcí, jejíž přílohou jsou již i vzory prohlášení o shodě CE. Paradoxně tato úprava se netýká staveništní montáže ocelových konstrukcí, neboť tyto práce se provádí již na stavbě a nejedná se tedy o stavební výrobek ve smyslu uvedeného VN.

2

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Odbornou způsobilost je nutno obdobně vyžadovat i u firem podílejících se na stavbách cizích investorů na dráze. Zejména je to u staveb přímo ovlivňujících bezpečnost železničního provozu jako jsou silniční nadjezdy, lávky ap. Dále vedoucí prací fyzických a právnických osob zhotovitelů vstupujících do právního vztahu při činnostech na dopravní cestě musí mj. splňovat odbornou způsobilost v rozsahu předpisu ČD Ok 2/2 Výcvikový a zkušební řád ČD a.s. Jedná se o případy provádění montážních prací mimo výrobní závod zhotovitele, kdy může dojít ke styku s provozovanou kolejí ČD. Stykem s provozovanou kolejí se rozumí jednak činnost pracovníků, při níž může dojít k ohrožení jejich bezpečnosti (např. přístupy na pracoviště), jednak možné ohrožení bezpečnosti železničního provozu vlivem montážní či jiné pracovní činnosti v blízkosti provozované koleje. Požadavky na základní ocelový materiál ve smyslu návrhových norem Je nesporné, že kvalita použitého základního materiálu hraje u mostního díla podstatnou roli. Úroveň projektu z hlediska stanovení požadavků na základní materiál je možno do jisté míry ovlivnit v rámci připomínkového a schvalovacího řízení a vzděláváním projektantů. Porovnáním jednotlivých projektů v praxi se setkáváme s rozdílnými přístupy. Někdy jsou formulovány požadavky nedostatečné, jindy naopak neúměrně náročné. Pokud se jedná o základní požadované zkoušky materiálu, stanoví je norma ČSN 73 6205 Navrhování ocelových mostů [4]. Jako základní zkoušky jsou požadovány: • chemické složení v rozsahu pro určení uhlíkového ekvivalentu (CEV) Chemické složení se zpravidla prokazuje pomocí analýz taveniny u každé jednotlivé tavby. Pokud předložená analýza není doložena nebo je nekompletní, je chemické složení tavby prokazováno chemickým rozborem provedeným z hotového výrobku. Chemické složení se v dokumentu kontroly uvádí vždy v rozsahu prvků potřebném pro výpočet uhlíkového ekvivalentu CEV. • výsledky zkoušky tahem podle ČSN EN 10002-1[5] o mez kluzu, o mez pevnosti o tažnost • výsledky zkoušky rázem v ohybu podle ČSN EN 10045-1 [6] (při stanovené teplotě musí být dodržena min. hodnota přetvárné práce) ověřují vrubovou houževnatost • zkoušení pomocí ultrazvuku pro zjištění vnitřních vad Plechy (ploché výrobky), které se používají při stavbě mostních konstrukcí jako hlavní nosné prvky, musí být při jmenovitých tloušťkách 10 mm a větších objednávány a dodávány jako celkově plošně zkoušené ultrazvukem (UT) pro zjištění vnitřních necelistvostí. Zkoušení se provádí průběžně po liniích čtvercového rastru s délkou strany 200 mm nebo rovnocenným postupem pro automatickou kontrolu. Pro plošné zkoušení, pokud nejsou stanoveny projektovou dokumentací vyšší požadavky, musí být dodržena kriteria přípustnosti třídy S1 podle ČSN EN 10160 [7]. Tento požadavek se uplatňuje jako volitelný požadavek normových dodacích podmínek. Zkoušky okrajových hran (určených ke svařování) se zpravidla provádějí až ve výrobně ocelových konstrukcí (mostárně). U okrajů plochých výrobků, pokud nejsou stanoveny projektovou dokumentací vyšší požadavky, musí být dodržena kriteria přípustnosti třídy E1 podle ČSN EN 10160[7]. Válcované profily (dlouhé výrobky, nosníky) se v běžných případech použití, například při častém užití jako tuhých vložek pro konstrukce se zabetonovanými nosníky, na vnitřní vady pomocí ultrazvuku (UT) nezkouší, vyjma přímo namáhaných částí hlavního nosného systému mostů. Pokud se zkouška realizuje, provádí se podle ČSN EN 10306 [8]. Pro zkoušení ocelových tyčí ultrazvukem platí norma ČSN EN 10308 [9]. 3

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 • zkouška lámavosti – se provádí u zakřivených prvků, ohýbaných za studena v malém poloměru – např. trapézové, korýtkové výztuhy • lamelární praskavost – zlepšené deformační vlastnosti ve směru tloušťky – vyžadují se, pokud přichází v úvahu při namáhání napříč tloušťky. Norma ČSN EN 10164 [10] uvádí tři jakostní třídy oceli Z15, Z25 a Z35. • u plechů pro železniční mosty větší tloušťky než 30 mm se dále požaduje ve smyslu drážních předpisů také zkouška ohybová návarová. To však nejsou všechny požadavky které je nutno respektovat při objednávkách materiálu. Další požadavky, které je nutno uvádět v projektové specifikaci se týkají svařitelnosti, jakosti povrchu a způsobu odstraňování vad, toleranci rozměrů, vhodnosti ohýbání za studena, vhodnosti k žárovému pozinkování a podobně. Nové normy pro základní ocelový materiál V roce 2004 byla zásadně inovována část evropských norem pro ocelové výrobky a v září roku 2005 přeložena a vydána jako ČSN EN 10025 Výrobky válcované za tepla z konstrukčních ocelí [17]. Tato norma má nově 6 částí: Část 1: Všeobecné technické dodací podmínky • v příloze ZA zavádí systém prokazování shody a stanoví podmínky pro přidělení evropské značky shody CE ve vztahu ke směrnici Evropského společenství o stavební výrobě (89/106/EEC). Norma je s touto směrnicí harmonizována. V České republice je tato směrnice zavedena nařízením vlády č. 190/2002 Sb., kterým se stanoví technické požadavky na stavební výrobky označované CE, ve znění nařízení vlády č. 251/2003 Sb. a nařízení vlády č. 128/2004 Sb. ve znění pozdějších předpisů. Další části normy 2 až 6 nahrazují následující normy (uvedeny roky vydání EN) takto: Část 2: Technické dodací podmínky pro nelegované konstrukční oceli nahrazuje: • EN 10025:1990 + A1:1993 Výrobky válcované za tepla z nelegovaných konstrukčních ocelí – Technické dodací podmínky, Část 3: Technické dodací podmínky pro normalizačně žíhané/normalizačně válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli nahrazuje: • EN 10113-1:1993 Výrobky válcované za tepla ze svařitelných jemnozrnných konstrukčních ocelí – Část 1: Všeobecné dodací podmínky, • EN 10113-2:1993 Výrobky válcované za tepla ze svařitelných jemnozrnných konstrukčních ocelí – Část 2: Dodací podmínky pro normalizačně žíhané nebo normalizačně válcované oceli, Část 4: Technické dodací podmínky pro termomechanicky válcované svařované jemnozrnné konstrukční oceli nahrazuje normu: • EN 10113-3:1993 Výrobky válcované za tepla ze svařitelných jemnozrnných konstrukčních ocelí – Část 3: Dodací podmínky pro termomechanicky válcované oceli, Část 5: Technické dodací podmínky na konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi nahrazuje: • EN 10155:1993 Konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi – Technické dodací podmínky, Část 6: Technické dodací podmínky na ploché výrobky s vyšší mezí kluzu pro zušlechťování nahrazuje normy: • EN 10137-1:1995 Plechy a široká ocel z konstrukčních ocelí, s vyšší mezí kluzu, v zušlechtěném nebo vytvrzeném stavu – Část 1: Všeobecné dodací podmínky,

4

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 • EN 10137-2:1995 Plechy a široká ocel z konstrukčních ocelí, s vyšší mezí kluzu, v zušlechtěném nebo vytvrzeném stavu – Část 2: Dodací podmínky pro zušlechtěné oceli. Vzhledem k datu vydání září 2005 platí tato norma po dobu 12-ti měsíců současně s národními normami. Po této době, tedy od 1. září 2006, končí období současné platnosti a národní normy musí být staženy - viz obrázek 1. Tento termín se týká i povinného zavedení označovaní výrobků značkou CE. Obrázek

1 Postup zavádění EN ČR

10025 v

První část normy ČSN EN 10025 obsahuje 14 kapitol a přílohy, další části 2 až 6 mají 13 kapitol: Předmět normy Normativní odkazy Termíny a definice Klasifikace a označování Údaje pro objednávání Způsob výroby Požadavky Kontrola Příprava zkušebních vzorků a zkušebních těles Zkušební metody Značení, popisování a balení Reklamace Volitelné požadavky Posuzování shody (jen v části 1) a následující přílohy: o Normativní přílohy: Umístění vzorků a zkušebních těles, Posuzování shody a Seznam národních norem, které odpovídají citovaným EURONORM o Přílohu ZA: Rozsah a důležité vlastnosti, Postupy potvrzování shody u za tepla válcovaných stavebních ocelových výrobků a Označení CE a značení o Bibliografii

5

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Jednotlivé části 2 až 6 normy doplňují část 1 o technické dodací podmínky pro ploché výrobky, dlouhé výrobky a předvalky. Pro tyto výrobky z jakostních ocelí vyráběných podle značek ocelí a jakostních stupňů uvádí v tabulkách požadavky na chemické složení a na mechanické vlastnosti. EN 10025-2 např. upravuje počet jakostních stupňů oceli, snižuje maximální obsah P a S. V označení oceli se dále již neuvádí údaje o deoxydaci G1/G2 a o stavu dodání formou označení G3/G4. Nový způsob označování podle značek a jakostních stupňů ocelí uvádí obrázek 2. Obrázek 2 - Systém označování oceli podle ČSN EN 10025-2

Stav dodání se v dokumentu kontroly uvádí označením +AR, +N nebo +M. Na obrázku 3 je uveden válcovací postup u jednotlivých stavů dodávky podle materiálů f. Arcelor. Obrázek 3 - Způsob výroby podle stavu dodání u dlouhých výrobků f. Arcelor

6

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 • •

•

Označení +AR (po válcovaní, as-rolled) označuje stav dodávky bez jakéhokoliv zvláštního válcování a/nebo tepelného zpracování. Označení +N se označuje normalizační válcování (normalizing rolling). To je válcování, při němž se provádí konečná deformace v určité teplotní oblasti, což vede ke stavu materiálu ekvivalentnímu stavu získanému po normalizačním žíhání tak, že požadované hodnoty mechanických vlastností zůstávají zachovány i po následném normalizačním žíhání. Symbolem +M je označován stav dosažený po termomechanické válcování (thermomechanical rolling), při němž konečná deformace se provádí v určité teplotní oblasti, která vede ke stavu materiálu o určitých vlastnostech, které nemohou být dosaženy nebo nahrazeny samotným tepelným zpracováním.

Norma také nově uvádí požadavky na chemické složení z hlediska vhodnosti pro žárové pozinkování ponorem – příklad v tabulce 1. Tabulka 1 — Třídy vhodnosti pro žárové pozinkování založené na rozboru tavby Prvek v hmotnostních % Třída Si Si+2,5P P Třída 1 — ≤ 0,030 ≤ 0,090 a) Třída 2 — — ≤ 0,35 Třída 3 — 0,14 ≤ Si ≤ 0,25 ≤ 0,035 a) Třída 2 se používá pouze na speciální zinkové slitiny. Volitelné požadavky Většinu požadavků na materiál stanovuje projektant v jednotlivých úrovních projektové dokumentace. Pro ocelové konstrukce se volí jakost oceli podle technických dodacích podmínek obsažených v technických normách a předpisech. Pro jednotlivé konstrukční prvky a částí musí specifikovat projektant takzvané volitelné požadavky. Volitelné požadavky jsou uvedeny v kapitole 13 jednotlivých částí normy. V předchozí verzi normy ČSN EN 10025+A1 bylo těchto možností volby 27. V nové normě je volitelných požadavků od 21 do 32. U standardních ocelí podle ČSN EN 10025-2 takzvaně „povinných“ požadavků, které je nutno požadovat pro mostní konstrukce, je 11 až 12. V Tabulce 2 jsou označeny písmenem A. Další „nepovinné“ požadavky, označené písmeny B, se uplatňují podle způsobu použití konkrétního prvku a předpokladů projektové specifikace. Tabulka 2 - Příklad přehledu volitelných a doplňujících požadavků pro železniční mosty

Č.

Přehled volitelných a doplňujících požadavků pro železniční mosty dle ČSN EN 10025-1 a ČSN EN 10025-2 Zkrácený popis Platnost Poznámka Volitelné požadavky podle EN 10025-1, kapitola 13

VP1 VP2

VP3

Oznámení způsobu výroby oceli Provedení chemického rozboru hotového výrobku; počet zkušebních vzorků a prvků, které mají být stanoveny, se musí dohodnut Prověření vlastností zkouškou rázem v ohybu u jakostního stupně JR

7

B B A

Platí mezní hodnoty podle ČSN EN 10 020 Min. hodnota 27 J

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 VP4

Požadavek na zlepšování deformační vlastnosti ve směru kolmém k povrchu výrobku podle EN 10164 u výrobků odpovídající kvality

B

VP5

Vhodnost výrobků pro žárové pozinkování ponorem

B

VP6

Prověření nepřítomnosti vnitřních vad podle EN 10160 u plochých výrobků tlouštěk ≥ 6 mm Prověření nepřítomnosti vnitřních vad podle EN 10306 u tyčí průřezu H s paralelními přírubami a u IPE profilů Prověření nepřítomnosti vnitřních vad u tyčí podle EN 10308 Kontrola stavu povrchu a rozměrů musí být ověřena u výrobce odběratelem

A

VP7 VP8 VP9

VP10

Požadování způsobu značení

VP16

VP17

VP18 VP19a VP19b

VP20

VP21 VP22 VP23 VP24 VP25

VP26 VP27

VP28

B B A

Přejímka pověřeným zástupcem - ČD TÚČD Dokument kontroly 3.2

A

Volitelné požadavky podle EN 10025-2, kapitola 13 VP11 Vhodnost k ohýbání, ohraňování, obrubování a lemování za studena bez vzniku trhlin u plechů, pásů, široké oceli a ploché oceli (šířky < 150 mm) a jmenovité tloušťky ≤ 30 mm VP12 Vhodnost pro výrobu profilů válcováním za studena s poloměry ohybu uvedenými v tabulce 13 u plechů a pásů jmenovité tloušťky ≤ 8 mm VP13 Ověření vlastností zjišťovaných zkouškou rázem v ohybu u plochých výrobků jakostních stupňů J2 a K2 každého původního plechu (rozuměj vývalku) nebo svitku VP14 Ověření vlastností zjišťovaných zkouškou rázem v ohybu a zkouškou tahem u plochých výrobků jakostních stupňů J2 a K2 každého původního plechu (vývalku) nebo svitku VP15

U konkrétních prvků stanoví projektant v PD zejména u tahu napříč tloušťky, kriteria ČSN EN 1993-1-10 U prvků určených k pozinkování ponorem S1 u tl. ≥ 10mm

Stanovení dovolených povrchových necelistvostí a dovolení oprav povrchových vad broušením a/nebo svařováním jiné třídy než třídy A, skupiny 1 podle EN 10163-2 u plechů a široké oceli Stanovení dovolených povrchových necelistvostí a dovolení oprav povrchových vad broušením a/nebo svařováním jiné třídy než třídy C, skupiny 1 podle EN 10163-3 u profilů Stanovení dovolených povrchových necelistvostí a dovolení oprav povrchových vad broušením a/nebo svařováním jiné třídy než třídy A, podle EN 10221 u tyčí a válcovaného drátu Požadování jiných mezních úchylek než třídy A podle EN 10029 u plechů válcovaných za tepla Požadování dodacích podmínek +N nebo +AR Požadování dodacích podmínek +AR spolu s ověřením mechanických vlastností na normalizačně žíhaných zkušebních vzorcích Požadování obsahu mědi od 0,25 % do 0,40 % v rozboru tavby a od 0,20 % do 0,45 % v rozboru hotového výrobku u ocelí S235, S275 a S355 Ověření velikosti zrna výrobků jakostních stupňů J2 a K2 jmenovité tloušťky < 6 mm Vhodnost tyčí pro tažení za studena Dodání prohlášení o shodě s objednávkou u oceli S185 Ověření mechanických vlastností u jakostního stupně JR a ocelí E295, E335 a E360 musí být provedeno na skupině nebo tavbě Dohodnout přípravu zkušebních vzorků u předvalků, když objednávka předepisuje požadavky na zkoušení mechanických vlastností navíc ke stanovení chemického složení Stanovení maximálního obsahu uhlíku u profilů s jmenovitou tloušťkou > 100 mm Zvýšení max. obsahu S u dlouhých výrobků pro zlepšení opracovatelnosti na 0,015 %, pokud je ocel zpracovávána tak, aby upravila morfologii sulfidů a obsah vápníku při chemickém rozboru je min. 0,020 % Ca Stanovení minimální hodnoty nárazové práce u profilů

8

B B

Pokud pro daný prvek připadá v úvahu např. u korýtkových výztuh Pokud pro daný prvek připadá v úvahu

A

Pro oceli S355 a jakostnější

A

Pro oceli S355 a jakostnější určené jako hlavní nosné části mostních konstrukcí Třída B, skupina 2

A A A B A A B ---A ----

--

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 jmenovité tloušťky > 100 mm Vysvětlivky ke značkám ve sloupci platnost VP: A Volitelný požadavek platí vždy u dodaných výrobků B Volitelný požadavek se uplatňuje u konkrétní dodávky pro daný prvek podle způsobu použití, podmínky stanoví projektová specifikace (PD, VVOK, TKP 19, ZTKP apod.) nebo objednatel

Volba oceli z hlediska křehkého lomu Základní ocelový materiál pro ocelové mosty kromě pevnosti musí vykazovat dostatečnou lomovou houževnatost, aby se zabránilo vzniku křehkého lomu při nejnižší provozní teplotě očekávané během životnosti konstrukce. Podle národní metodiky je to v ČR pro ocelové konstrukce -35 °C a pro ocelobetonové spřažené konstrukce -25°C. Podle evropské legislativy bude referenční teplota v místě potenciální trhliny pravděpodobně vyšší. Obecně lze konstatovat, že hlavní veličiny, na nichž nebezpečí křehkého lomu záleží, jsou zejména: • mez kluzu závisející na tloušťce materiálu fy(t) • houževnatost oceli dané jakostním stupněm (houževnatost stoupá od jakosti JR, J0, J2, K2 až k jemnozrnným ocelím NL) • stav napjatosti dílce (tah, víceosá napjatost, pnutí od svařování = vyšší riziko křehkého lomu) • velikost a tvar nevyhnutelné počáteční vady (trhlina, vrub = vyšší riziko) • teplota dílce (nižší teplota = vyšší riziko) • tloušťka materiálu (větší tloušťka = vyšší riziko) • rychlosti zatěžování (rázové zatížení, náhlé deformace = vyšší riziko) • úroveň reziduálního pnutí • tváření za studena (tváření, rovnání = vyšší riziko křehkého lomu) • interval mezi prohlídkami a podobně Metoda výpočtu odolnosti proti křehkému lomu je obsažena v Eurocode 3 [11]. Aby nebylo nutno tento výpočet vždy provádět, obsahují návrhové normy tabulky s přehledem materiálů podle tlouštěk, které vykazují dostatečnou odolnost proti křehkému lomu při nejnižší provozní teplotě. Při použití tabulky a splnění podmínek uvedených v poznámkách k tabulce není třeba provádět posudek křehkolomových vlastností základního materiálu. Dnes se věnuje volbám maximální tloušťky materiálu z hlediska křehkého lomu nová norma EN 1993-1-10 [12], v závěru roku 2006 můžeme očekávat vydání české verze. Obdobné požadavky uvádí i normy pro železniční mosty DS či Ril 804 [13] platné v Německu. Informativní přehled požadavků různých norem a předpisů je uveden pro značky a jakosti oceli uveden v tabulce 3. Dokumenty kontroly dokladující jakost oceli Změny v úrovni předkládaných dokladů – atestů, přinesla také novela normy pro dokumenty kontroly ČSN EN 10204 Kovové výrobky - Druhy dokumentů kontroly [14] vydaná v roce 2005. Norma nově definuje termíny jako je výrobce, zprostředkovatel a předpis na výrobek. Termín zkoušení byl nahrazen termínem kontrola (například ve spojení

9

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 specifikovaná kontrola). Dosud používaný termín atest nespecifický 2.2 byl nahrazen zkušební zprávou 2.2. Dále byl zrušen atest specifický 2.3, inspekční certifikát 3.1 nahradil inspekční certifikát 3.1.B a inspekční certifikát 3.2 nahradil inspekční certifikáty 3.1.A a 3.1.C a i protokol o přejímce 3.2. Novelizovaná norma tedy rozeznává tyto úrovně dokumentů kontroly: • U nespecifikované kontroly: o Prohlášení o shodě s objednávkou 2.1 - výrobce potvrzuje soulad s objednávkou bez zkoušek. o Zkušební zpráva 2.2 - výrobce potvrzuje soulad s objednávkou a uvádí výsledky zkoušek výrobků, které nemusí být součástí dodávky. • U specifikované kontroly: o Inspekční certifikát 3.1 - výrobce potvrzuje soulad s objednávkou a uvádí výsledky zkoušek dodávaného výrobku, dokument potvrzuje oprávněný zástupce výrobce nezávislý na výrobních útvarech. o Inspekční certifikát 3.2 - dokument připravený oprávněným zástupcem výrobce a potvrzený oprávněným zástupcem odběratele nebo inspektorem, potvrzuje soulad s objednávkou a uvádí výsledky zkoušek dodávaného výrobku. Pro hlavní nosné části železničních mostů se ve smyslu TKP staveb státních drah požaduje dokument kontroly v úrovni 3.2 (dříve 3.1.C popř. 3.2). Jako oprávněný zástupce odběratele je pověřena Technická ústředna Českých drah (TÚČD). Ověřování jakosti či přejímky v hutích, ať již je provádí TÚČD či jiná pověřená organizace (DB, LR …), nenahrazují jakostní a množstevní přejímku výrobce a jeho odpovědnost za kvalitu. V dubnu 2006 vyšla také norma, která umožňuje lepší orientaci v předkládaných dokumentech kontroly, zejména zahraničních. Jedná se o normu ČSN EN 10168 Ocelové výrobky – Dokumenty kontroly – Přehled a popis údajů [15]. Závěr Příspěvek seznamuje se systémem prokazování odborné způsobilosti při provádění ocelových mostních konstrukcí. Dále uvádí část změn a problémů, které je nutno brát v úvahu při volbě základního materiálu pro železniční ocelové konstrukce. Na tyto změny musí reagovat i podniková technická legislativa železniční infrastruktury a to jak na straně SŽDC s.o. tak i ČD a.s. Proto se v roce 2006 se zpracovává zásadní novela kapitoly 19 Ocelové mosty a konstrukce TKP staveb státních drah, která nahradí stávající kapitolu TKP staveb ČD.

10

Vědeckotechnický sborník ČD č. 21/2006 Literatura : [1] ČSN 73 2601 Provádění ocelových konstrukcí vč. zm. a (10/1990), 2 (08/1994), 3 (03/1998), [2] ČSN EN 729 Požadavky na jakost při svařování – Tavné svařování kovových materiálů [3] prEN 1090-1Execution of steel structures and aluminium structures [4] ČSN 73 6205 Navrhování ocelových mostů [5] ČSN EN 10002-1 Kovové materiály – Zkouška tahem – Část 1 – Zkouška tahem za okolní teploty [6] ČSN EN 10045-1 Kovové materiály – Zkouška rázem v ohybu podle Charpyho – Část 1 – Zkušební metoda (V a U vruby) [7] ČSN EN 10160 Zkoušení ocelových plochých výrobků o tloušťce 6 mm nebo větší ultrazvukem (odrazová metoda) [8] ČSN EN 10306 [9] ČSN EN 10308 Nedestruktivní zkoušení – Zkoušení ocelových tyčí ultrazvukem [10] ČSN EN 10164 Výrobky z ocelí se zlepšenými deformačními vlastnostmi kolmo k povrchu výrobku [11] Eurocode 3 ENV 1993 Navrhování ocelových konstrukcí [12] ČSN EN 1993-1-10:Navrhování ocelových konstrukcí – Část 1-10: Houževnatost materiálu a vlastnosti napříč tloušťkou [13] Ril 804 Eisenbahnbrücken – planen, bauen und instand halten [14] ČSN EN 10204 Kovové výrobky – Druhy dokumentů kontroly [15] ČSN EN 10168 Ocelové výrobky – Dokumenty kontroly – Přehled a popis údajů. [16] Technické kvalitativní podmínky staveb státních drah (dříve ČD), Kapitola 19 Ocelové mosty a konstrukce [17] ČSN EN 10025 Výrobky válcované za tepla z konstrukčních ocelí: Část 1: Všeobecné technické dodací podmínky Část 2: Technické dodací podmínky pro nelegované konstrukční oceli Část 3: Technické dodací podmínky pro normalizačně žíhané/normalizačně válcované svařitelné jemnozrnné konstrukční oceli Část 4: Technické dodací podmínky pro termomechanicky válcované svařované jemnozrnné konstrukční oceli nahrazuje Část 5: Technické dodací podmínky na konstrukční oceli se zvýšenou odolností proti atmosférické korozi Část 6: Technické dodací podmínky na ploché výrobky s vyšší mezí kluzu pro zušlechťování Další normy, zejména rušené, které jsou uvedeny v textu celým názvem, nejsou v seznamu literatury pro přehlednost uváděny.

V Praze, červen 2006 Lektoroval: Ing. Václav Podlipný Odbor 13 GŘ Českých drah a.s.

11

Tabulka 3 Přehled požadavků norem na jakost oceli a maximální tloušťky prvku v mm z hlediska křehkého lomu Jakost oceli

Předpis:

Značka oceli

Cenový index

Přetvárná práce / teplota při zkoušce J / °C

1

2

3

S 235 JR S 235 J0 S 235 J2 S 355 JR S 355 J0 S 355 J2 S 355 K2 S 355 N S 355 NL

100 % 103 % 106 % 107 % 108 % 111 % 113 % 115 % 119 %

27 J/+20 °C 27 J/±0 °C 27 J/-20 °C 27 J/+20 °C 27 J/±0 °C 27 J/-20 °C 40 J/-20 °C 40 J/-20 °C 27 J/-50 °C

ČSN 73 6205: 1984 Hlavní nosné části mostů železničních

Předpis RIL 804: 2003 (Stahlbrucken 2003) Prvky Prvky nesvařovan svařované v é nebo tahu svařované v tlaku

ČSN 73 6205: 1999 Spřažené ocelobetonové k-ce mezní teplota –25 °C

Ocelové konstrukce mezní teplota –35 °C

ENV 1993-2: 1998 Tažené prvky mezní teplota –40 °C

prEN 1993-1-10 Referenční teplota TEd –40 °C 0,75x fx(t)

4

5

6

7

8

9

10

-25 (11 378) 60 (11 378) --25 (11 503)

35 50 > 60* 20 40 60 > 60* > 60* > 60*

20 35 60 -10 35 60 60 > 60* (100)

-65 90 -50 70 85 85 120

-55 80 -40 60 70 70 100

-55 75 -40 55 65 65 90

25 35 50 15 20 35 40 40 60

60 (11 503)

* pro tloušťky > 60 mm je potřeba zvl. schválení • Předpisy: (sloupec 4) ČSN 73 6205:1984 Navrhování ocelových mostů- vydání z roku 1984 (sloupce 5 a6) RIL 804: 2003 Předpis pro železniční mosty a jiné inženýrské stavby (sloupce 7 a 8) ČSN 73 6205:1999 Navrhování ocelových mostů- vydání z roku 1999 (sloupec 9) ENV 1993-2 Eurokód 3:1998 Navrhování ocelových konstrukcí. Část 2: Ocelové mosty ( sloupec 10) návrh prEN 1993-1-10: 2005 Houževnatost materiálu a vlastnosti napříč tloušťkou


Roman Adamek

Podložky pod ložnou plochou pražce a jejich pozitivní vliv na geometrickou polohu koleje Klíčová slova: podpražcová podložka, USP, betonový pražec, ocelový pražec, dřevěný pražec, GPK, kolejnice, kolejové lože, ložní plocha pražce, konstrukce železničního svršku, PUR, EVA, pryž, podpražcové podloží, pata kolejnice, běžná kolej, výhybka, vlnkovitost, hluk, vibrace.

Úvod do problematiky podložek pod ložnou plochou pražce V tratích železniční sítě České republiky v dnešní době převažuje klasická konstrukce železničního svršku s použitím příčních pražců (betonových, dřevěných, ocelových), která má bezpochyby své výhody i nevýhody. Mezi výhody klasické konstrukce železničního svršku patří např. možnost použití dostupné mechanizace a s tím spojený nenáročný a cenově přijatelný systém pokládky, možnost úpravy geometrické polohy koleje (dále jen GPK) a značný odpor proti příčnému posunu konstrukce v kolejovém loži. K negativům klasické konstrukce patří hlavně malá dotyková plocha mezi pražcem a materiálem kolejového lože, která urychluje postupný rozpad GPK. Cílem tohoto článku je obeznámení široké odborné veřejnosti s funkcí, účelem využití a technickými parametry podložek pod ložnou plochou pražce (dále jen USP - z anglického slovního spojení – Under Sleeper Pads) a se zkušenostmi některých krajin, které používají USP v konstrukci koleje v různých provozních podmínkách s pozitivním dopadem na kvalitu GPK. Z uvedeného vyplývá účel použití podložek pod ložnou plochou pražce, kterým je zvětšení dotykové plochy materiálu kolejového lože s pražcem (betonovým, dřevěným nebo ocelovým) a tím zlepšení přenosu zatížení z kola vozidla přes kolejnici a pražec do konstrukce pražcového podloží, což má pozitivní vliv na kvalitu geometrické polohy koleje provozované trati. Obr. 1 Zpružnění konstrukce koleje

1 2 3

V konstrukci koleje máme možnost zabezpečit zpružnění celé soustavy použitím pružného elementu (viz Obr. 1): -

pod patou kolejnice (1); pod ložnou plochou pražce (2); pod kolejovým ložem (3).

Ing. Roman Adamek, nar. 1974, absolvent Žilinské univerzity v Žilině, Fakulta stavební, obor projektování, stavba a rekonstrukce železničních tratí a stanic, nyní systémový specialista Odboru stavebního a provozu infrastruktury GŘ ČD, a.s., Nábřeží L. Svobody 1222, 11015 Praha 1, tel.: 972 232 104, fax: 972 232 535

Tento článek se bude dále zaobírat jen podložkami pod ložnou plochou pražce (viz obr. 2). Obr. 2 Poloha podložky pod ložnou plochou pražce

Technické informace Specifikace materiálu USP a spoje pražec - USP Zahraniční výrobci USP mají zatím zkušenosti z následujícími materiály pro výrobu USP: -

PUR (Polyuretan), EVA (Etyl vinyl acetát), Pryž

a s dále uvedeným způsobem vytvoření spoje pražec (betonový, dřevěný, ocelový) – USP: -

nanesení materiálu USP na hotový pražec (nátěrem, nastříkaním), nalepení na hotový pražec, položení na čerstvý beton do formy při výrobě betonového pražce (viz obr. 3).

Obr. 3 Pohled na výrobu spoje USP - pražec

2

Životnost USP Na životnost USP mají podstatný vliv následující podmínky a požadavky. Materiál USP by se: -

neměl odlupovat, neměl odlepovat, měl by odolávat působení špiček a hran materiálu kolejového lože.

Poloha USP na ložné ploše pražce je obvykle redukovaná po stranách o 5 – 10 mm oproti rozměrům pražce z důvodu ochrany USP před kladivy podbíječky. V USP jsou otvory v místě přímo pod hmoždinkami (viz obr. 4). Obr. 4 Tvar USP na betonovém pražci

Doba životnosti USP se předpokládaná stejná jako životnost pražce, která byla stanovena dle výsledků únavových zkoušek na dobu cca 40 let.

Specifikace oblasti spolupůsobení pražce a USP V hlubším posuzování požadavků majících vliv na parametr životnosti USP pozorujeme určitý rozpor. Spolupůsobení USP se zrny kolejového lože přímo negativně ovlivňuje životnost USP, avšak pozitivně působí na kvalitu GPK (její pomalejší rozpad) a zvyšuje příčný odpor koleje proti vybočení. Ze zkušeností zemí, které používají konstrukci kolejového lože s USP, vyplývají dále uvedené parametry (viz tab. 1, 2): Tab. 1 Míra zatlačení zrn kolejového lože do USP Typ USP Tuhost USP Měřená hloubka zatlačení zrn do USP

Převažující interval hodnot Ojedinělé max. hodnoty

Tuhá

Měkká

70 kN/mm

30 kN/mm

0,7 – 2 mm

0,6 – 0,7 mm

2,3 mm

1,4 mm

Tab. 2 Aktivní plochy dotyku mezi pražcem a kolejovým ložem Typ USP Bez USP Tuhá Tuhost USP Aktivovaná kontaktní plocha

Měkká

-

70 kN/mm

30 kN/mm

≤12%

18%

36%

3

Obr. 5 Kontaktní plocha Pražec

USP

Se zvyšující se mírou zatlačení zrn kolejového lože do USP se zvětšuje aktivní kontaktní plocha dotyku (viz obr. 5) mezi pražcem a kolejovým ložem. Problémy v provozu ČD, a.s. ČD, a.s. se již delší dobu potýkají mimo jiné s problémy: -

zvýšeného výskytu vad kolejnic v kolejích s oblouky malého poloměru (poloměr oblouku do 400 m) - např. tvorbou vlnkovitosti nebo skluzových vln; degradace GPK ve výměnové a srdcovkové části výhybky (poklesy pražců); hluku a vibrací na tratích ČR (otázkami hluku a vibrací se tento článek nezaobírá).

Uvedené problémy negativně ovlivňují velikost vynaložených finančních prostředků na údržbu koleje, příp. snižují délku životnosti konstrukčních prvků běžné koleje i výhybek. Obr. 6 Vlnkovitost a poklesy pražců

4

Výhody plynoucí z použití USP Výhody, které použití USP do konstrukce železničního svršku přinášejí, vyplývají nejen ze zpružnění konstrukce, ale i ze zvětšení styčné ložné plochy pražce s materiálem kolejového lože. Vše současně zpomaluje rychlost rozpadu kolejového lože pod betonovým pražcem. Diagram 1

Cíl použití konstrukce železničního svršku s USP

Vlnkovitost

Degradace GPK

Hluk a vibrace

Použití USP v konstrukci koleje

Zvětšení styčné plochy pražce s materiálem kolejového lože

Zpružnění konstrukce

Změna vlastností dynamického systému vozidlo - kolej, které vede k potlačení rozvoje skluzových vln a vlnkovitosti a potlačení vibrací.

Prodloužení cyklu údržby a oprav

5

Zkušenosti s použitím USP Vymezením podmínek použití USP na tratích ve správě a údržbě organizací participujících v UIC (Mezinárodní unie železniční) se zabývá mezinárodní projekt UIC č. I/06/P006, na kterém se podílí i ČD, a.s. Na tratích ČR nebyla v provozních podmínkách konstrukce železničního svršku s USP dosud použitá. V rámci projektu UIC USP byly prezentovány zkušenosti v oblasti použití USP v běžné koleji a výhybkových konstrukcích. Pro zajímavost uvádím zkušenosti SNCF. Dokladované výsledky měření SNCF geometrických parametrů koleje pocházejí z tratě Paris – Marseille, kolej č. 2 km 62,440 – 63,000. Měření proběhla v období od září 1994 do dubna roku 2000 a od září roku 2000 do dubna roku 2002. Úsek s použitím dvoublokových pražců s USP vykazoval lepší výsledky podélné výšky kolejnicových pasů oproti navazujícím úsekům (posuzovaný úsek leží ve středu oblasti - viz graf 1). Pro informaci také uvádím výběr ze souboru výsledků měření (počet měření 11) od roku 2003 do roku 2005 na trati TGV (km 666.000 - 670.200), kde byly posuzovány konstrukce železničního svršku: -

dvoublokové pražce v kolejovém loži tloušťky 35cm s USP z PUR (tuhost 17 kN/mm) (viz graf 2, levá část); dvoublokové pražce v kolejovém loži tloušťky 35cm bez USP (viz graf 2, pravá část);

Výsledky měření jsou vyneseny v grafech závislosti směrodatné odchylky měření na poloze posuzovaných úseků v trati (viz graf 2). Na uvedeném grafu je také patrný přínos konstrukce s využitím USP do kvality GPK.

6

Graf 1 Stav parametru podélné výšky kolejnicových pasů – trať TGV: Paris – Marseille

7

Graf 1 Stav parametru podélné výšky kolejnicových pasů – trať TGV: Paris – Marseille - pokračování

Graf 2 Posouzení GPK dle směrodatné odchylky LN5 - Zone d'essai du Km 666.000 au Km 670.200 - Evolution du NL V1 666.000/670.200 : Trav. VAX U41 avec PRA + 35 cm de ballast 670.200/676.000 : Trav. VAX U41 sans PRA + 35 cm de ballast 1,8 Tba VAX U41 avec PRA + 35 cm de ballast 1,6

24.2.03 NL

Tba VAX U41 sans PRA + 35 cm de ballast

Viaduc de Vernegues

7.4.03 NL

1,4

5.8.03 NL AD Nord 668,385

17.11.03 NL

1,2 AD Sud 669,628

23.2.04 NL

AD centre 669,263

NL

1

7.6.04 NL

0,8 2.8.04 NL

0,6

16.11.04 NL

0,4

1.3.05 NL 14.6.05 NL

0,2

9.8.05 NL

0 666

667

668

669

670

671

672

673

674

675

676

PK

Vysvětlivky: PRA .... USP, ballast .... kolejové lože, VAX U 94 .... typ dvoublokových bet. Pražců, NL .... směrodatní odchylka, PK .... kilometrická poloha AD .... přechodové oblasti u mostních konstrukcí 8

Závěr V článku vzpomínané problémy v provozu ČD, a.s., jako jsou: -

zvýšení opotřebení kolejnicových pásů v kolejích s oblouky malého poloměru - např. tvorbou vlnkovitosti, poklesy výhybkových pražců ve výměnové a srdcovkové části (V srdcovkové části dochází k poklesům hlavně v oblasti přechodu z dlouhých výhybkových pražců na krátké pražce za výhybkou, což je způsobeno změnou tuhosti kolejového roštu. Ve výměnové příp. srdcovkové části výhybky také dochází k poklesům žlabových pražců, jejichž tuhost a dosedací plocha na kolejové lože je odlišná od klasického výhybkového betonového pražce.),

negativně ovlivňují velikost vynaložených finančních prostředků na údržbu koleje, příp. snižují délku životnosti konstrukčních prvků běžné koleje i výhybek. Výsledky vyspělých železničních evropských správ – zejména DB, ÖBB a SNCF, které s využitím USP v konstrukci běžné koleje nebo výhybek a výhybkových spojení již zkušenosti mají, jednoznačně vykazují přínos konstrukce železničního svršku s USP v oblasti redukce poklesů pražců, útlumu hluku a vibrací a opotřebení kolejnicových pásů – např. vlnkovitosti a skluzových vln. Výhody, které použití USP do konstrukce železničního svršku přinášejí, vyplývají nejen ze zpružnění konstrukce, ale i ze zvětšení styčné ložné plochy pražce s materiálem kolejového lože. Vše současně zpomaluje rychlost rozpadu tvaru kolejového lože pod betonovým pražcem. ČD, a.s. spolu se SŽDC s.o. mají proto zájem v roce 2006 založit zkušební úsek pro provozní ověřování konstrukce železničního svršku s USP v běžné koleji (poloměr oblouku do 300 m) na betonových pražcích s napojením na jednoduchou vyhybku. Během provozního ověřování konstrukce s USP by jsme chtěli ověřit chování konstrukce v provozních podmínkách ČD, a.s. a následně porovnat výsledky ze zkušenostmi ostatních drah. Podstatnou částí pozorovaní konstrukce železničního svršku s USP v provozních podmínkách by mělo být také finanční porovnání návratnosti investice do konstrukce železničního svršku s USP za předpokladu snížení nákladů na pravidelnou údržbu a opravy konstrukcí s USP.

9

Literatura: [1] [2] [3] [4] [5]

Bahn-Norm BN 918 145-01 Spannbetonschwellen mit elastischer Sohle. Elastische Swellensohlen Bahn-Norm BN 918 145-02 Spannbetonschwellen mit elastischer Sohle. Verbundsystem Spannbetonschwellen-elastische Schwellensohle Materiály SNCF publikované na jednáních UIC v rámci řešení projektu USP Materiály firmy Getzner publikované na jednáních UIC v rámci řešení projektu USP Frank H. Müller – Borutau, Ullrich Kleinert – Betonschwelle mit elastischer Sohle ETR 50, 2001, H. 3 – březen, str. 90 - 98

Praha, červen 2006

Lektoroval: Ing. Otto Plášek, Ph.D.

10

Vědeckotechnický sborník ČD

Recommend Documents