3.2 Дослідження системи взаємодії ВШМ і звичайних залізничних ліній
Мережа високошвидкісних магістралей дуже часто взаємодіє зі звичайними лініями. Оскільки основна мета високошвидкісної магістралі – забезпечити мінімальний час поїздки, трасу ВШМ прагнуть прокласти по найкоротшому напрямку між опорними пунктами. Магістраль може не заходити навіть у досить великі проміжні населені пункти, якщо це викликає відчутне подовження траси.
Тому при проектуванні ВШМ ставиться завдання забезпечити зв'язок нової магістралі з існуючою залізничною мережею для можливості доставки пасажирів, що користуються ВШМ, у найбільші центри, розташовані між кінцевими пунктами магістралі (рис. 3.5). На ВШМ передбачаються станції, які можуть мати зв'язок із відповідними станціями при технічному переоснащенні існуючих залізниць. На трасі ВШМ необхідно через 50–80 км розташовувати станції для базування підрозділів з ремонту та поточного утримання колії, контактної мережі та інших лінійних пристроїв. Ці станції повинні мати вихід через сполучні гілки на існуючі лінії, за якими буде доставлятися ремонтна техніка та матеріали на високошвидкісну магістраль [31].
53
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ
Рисунок 3.5 – Схема взаємодії високошвидкісної магістралі Bretagne-Pays de la Loire зі звичайними залізничними лініями
Зазначені вимоги визначили принцип трасування високошвидкісних магістралей, за якими поряд з укладанням траси по найкоротшому напрямку передбачається через певні відстані перетин ВШМ з існуючими залізницями. Так запроектовано багато високошвидкісних ліній.
Найчастіше високошвидкісні лінії не мають спеціалізованих початкових і кінцевих терміналів на маршруті [31]. Склалася дана ситуація через неможливість виділення спеціалізованої лінії у великих міських агломераціях. У таких умовах на початку і кінці спеціалізованої високошвидкісної магістралі існують зони змішаного руху поїздів. Диспетчеризація пропуску високошвидкісних поїздів тісно пов'язана з центрами керування на пасажирських вокзалах і звичайних залізничних лініях.
На залізницях Франції для руху високошвидкісних пасажирських поїздів побудовані спеціальні залізничні магістралі. При цьому високошвидкісні поїзди можуть виходити на звичайні залізничні лінії, а звичайні пасажирські поїзди ніколи не заходять на високошвидкісні залізничні лінії. Як правило, у великих містах високошвидкісні пасажирські поїзди обслуговуються на побудованих раніше вокзалах, які реконструйовані і розширені.
54
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ
На вокзалах для обслуговування як високошвидкісних, так і звичайних поїздів функціонують спеціальні диспетчерські центри обслуговування.
Приміщення диспетчерської COE Східного вокзалу подано на рис. 3.6.
Рисунок 3.6 – Диспетчерська COE Східного вокзалу
Диспетчерський персонал COE контролює обробку поїздів по відправленню
і прибуттю на станції. Сам диспетчерський центр оснащений системою моніторів відеоспостереження за платформами вокзалу, системою
GALITE з позиціонуванням локацій і часу відхилення від графіка поїздів, які відправляються з вокзалу. Інформаційне забезпечення центру дозволяє збирати і централізувати всю інформацію про поточну ситуацію з поїздами [31].
Висновки до розділу. В розділі було досліджено існуючі типи залізничної
інфраструктури, детально розглянуто існуючі експлуатаційні моделі для залізничних ліній, які можуть використовуватись різних високошвидкісних залізничних системах.
55
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ
4 ОСНОВИ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОПУСКНОЇ СПРОМОЖНОСТІ НА
ЗАЛІЗНИЧНИХ ДІЛЬНИЦЯХ ВШМ
4.1 Дослідження пропускної спроможності з позиції теорії транспортних
потоків
Транспортні потоки, їхнє обґрунтування і розрахунок є важливою умовою системного підходу в розробленні питань розрахунку пропускної спроможності високошвидкісних магістралей залізниць і їхніх елементів. Навантаженням для таких систем, як ВШМ, є добовий поїздопотік з урахуванням всіх категорій поїздів. Під транспортним потоком або потоком поїздів слід розуміти кількість поїздів за певний період часу, годину або добу [31].
Для характеристики потоків поїздів використовуються такі основні показники: інтенсивність руху, часовий інтервал між поїздами, швидкість, щільність руху.
Інтенсивність руху – це кількість поїздів, що проходять через поперечний переріз дільниці в певному напрямку або напрямках в одиницю часу. За розрахунковий період часу для визначення інтенсивності руху можна приймати рік, місяць, добу, годину залежно від поставленого завдання. Так, середню r(t) можна визначити як (рис. 3.7)
( )
( )
,
(4.1) де
( ) потік за період часу t
t – одиниця часу (година, доба)
Величина, зворотна інтенсивності, визначає часовий інтервал між поїздами за формулою
( )
,
(3.2)
56
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ
Рисунок 4.1 – Залежність транспортного потоку від його характеристик
інтенсивності r та щільності λ
Швидкість руху поїздів є найважливішим показником поїздопотоків, оскільки визначає ефективність залізничної мережі. Для дільниць найбільш важлива середня дільнична швидкість руху поїздів.
На мережі залізниць можна вказати ряд ділянок і напрямків, де рух поїздів досягає максимальних розмірів, у той час як на інших дільницях розміри руху значно менші. Така просторова нерівномірність відображує перш за все різну щільність – кількість поїздів, яка доводиться на одиницю довжини дільниці. На залізничній дільниці в кожен момент часу t буде перебувати поїздів N (t) .
Між швидкістю, щільністю потоку й інтенсивністю руху поїздів існує співвідношення, яке називається фундаментальним виразом транспортного потоку або поїздопотоку.
Прийняте припущення, що залежність інтенсивності від щільності
57
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ поїздопотоків є безперервною, дозволяє визначати пропускну спроможність безпосередньо за щільністю потоку (рис.унок 4.2,а). З фундаментальної діаграми випливає, що одному і тому ж значенню інтенсивності потоку поїздів відповідають різні (як правило, дві) щільності і, як наслідок, різні швидкості.
Очевидно, що більш вигідним є режим з більшою швидкістю (рисунок 4.2,а): потоки будуть задоволені в тій же кількості, однак середній час руху знизиться, оскільки рух буде проходити при великих швидкостях (а отже, і з меншими щільностями). При розробці графіка руху поїздів важливо враховувати ці аспекти, а рух середньостатистичного поїзда повинен відповідати режиму вільного потоку.
Слід зазначити, що, як показали експериментальні дослідження, залежність
інтенсивності потоку від щільності, не є безперервною. Зокрема її максимум має складну структуру, він складається з двох не пов'язаних одна з одною гілок. У
1996 р. Кернер [10, 11], аналізуючи емпіричні дані, запропонував додати до класичного уявлення про рух потоку або в режимі вільного потоку, або в режимі затору третю проміжну стадію. У результаті вийшла така класифікація фаз руху транспортного потоку (рисунок 4.2,б): вільний рух (англ. free flow, F), синхронізований (англ. synchronized flow, S) і рух в пробках (англ. wide moving jams, J). Ці стани потоку поїздів відповідають різним фрагментам основної діаграми, які принципово відрізняються один від одного за властивостями, що спостерігаються.
За Кернером, у транспортних потоках реалізуються три принципові фази, і якщо звичайна рідина може просто текти або замерзнути, то у транспортного потоці є третя фаза, «напівзавмерла», – «желеподібний» стан. Це синхронізований рух поїздів, коли поїзди заважають один одному розігнатися до встановленої швидкості, але потік не переходить у стан затору. Під даним режимом S поїзди прямують один за одним за показаннями системи інтервального регулювання на жовтий або навіть на червоний сигнал прохідних світлофорів. Практичні дослідження показують, що під час прямування поїзда на жовтий вогонь середня швидкість знижується на 46 %, графіків – на 63 %.
58
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ
Рисунок 4.2– Фундаментальна діаграма (а) і фазові стани поїздопотоку (б)
Залежність між інтенсивністю і швидкістю потоку поїздів (рисунок 4.2) дозволяє отримати комплексну оцінку умов руху поїздів по дільниці при певному рівні безпеки. Дану залежність можна розділити на зони, які будуть відповідати деяким умовам руху з певними поєднаннями значень інтенсивності, швидкості та щільності руху.
Такий підхід дозволить знаходити раціональні параметри функціонування дільниць на напрямку відповідно до їхніх умов роботи, що мають бути визначені за прийнятою системою класифікації залізничних ділянок і напрямків для експлуатаційної діяльності.
4.1 Визначення понять пропускної спроможності інфраструктури
залізниць
Наведені вище визначення, крім залізниць
України, також використовуються на залізницях країн СНД. Історичний розвиток залізниць на пострадянському просторі призвів до зменшення значення графіка руху поїздів в експлуатаційній роботі і відсутності обмежень по завантаженню залізничних
59
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ дільниць, а при таких принципах організації перевезень значної уваги до розуміння раціонального використання пропускної спроможності не приділялося.
Крім того, дані з пропускної спроможності віднесені до зведення відомостей, що становлять державну таємницю, а отже, їхнє використання у поточній експлуатаційній роботі обмежено. У ринкових умовах існуючий стан є неприйнятним і вимагає зміни ситуації та деталізації досліджень з визначення пропускної спроможності дільниць і напрямків у цілому.
Для розширення понять щодо визначення пропускної спроможності необхідно проведення аналізу зарубіжного досвіду, зокрема залізниць з
«європейською» моделлю ринку перевезень. За Директивою 2001/14/ЄС [14], під
«пропускною спроможністю інфраструктури» розуміється потенціал планування маршрутів у розкладі руху поїздів, який потрібен для того чи іншого елемента
інфраструктури на певний період. Крім того, юридично прописана необхідність проведення аналізу пропускної спроможності і при її розподілі, публікації Звіту про стан мережі, в якому вказуються можливості інфраструктури. У разі нестачі пропускної спроможності існує можливість визнання ділянки «перевантаженою»
- це така ділянка інфраструктури, в рамках якої попит на пропускну спроможність
інфраструктури не може бути повністю задоволений протягом певного періоду часу навіть після узгодження різних заявок на виділення пропускної спроможності. При таких умовах організації перевезень набули широкого поширення різні способи розрахунку пропускної спроможності. Існує більш різноманітна база з визначення понять.
Теоретична пропускна спроможність (англ. Theoretical Capacity, TC) – це кількість поїздів, які могли б проїхати через дільницю протягом певного
інтервалу часу при повністю упорядкованому графіку руху (паралельний з однаковим часом ходу поїздів). Це верхня межа пропускної спроможності лінії, а
її спосіб розрахунку є нескладним і базується на аналітичних обчисленнях. При розрахунку теоретичної пропускної спроможності не враховуються резерви,
ігноруються наслідки змін у русі і збої, які відбуваються у разі проходження
60
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ поїздів по дільниці.
Практична пропускна спроможність(англ. Practical Capacity, PC) – це практична межа «типового» обсягу поїздопотоку, який може бути пропущений через дільницю за умови прийнятного рівня надійності; відображає реальну послідовність проходження поїздів різних категорій, їхні пріоритети і враховує резерв. Якщо теоретична пропускна спроможність є верхньою теоретичною межею, то практична - являє собою пропускну спроможність, яка реально може бути реалізована. За дослідженнями [8], практична пропускна спроможність становить близько 60–75 % від теоретичної.
Практична пропускна спроможність є найбільш важливим визначенням потужності лінії, оскільки вона оскільки вона дозволяє описати можливості
інфраструктури, системи організації руху для пропуску встановленої кількості поїздів у межах очікуваного рівня обслуговування.
Відповідно до нормативних доцентів, на залізницях
України використовується поняття готівкової пропускної спроможності дільниці на перегонах, під якою розуміється максимальна кількість вантажних поїздів (пар поїздів) установленої ваги і довжини, що можуть бути пропущені через цю дільницю за одиницю часу (добу, годину) відповідно до її технічної оснащеності і прийнятого способу організації руху поїздів. Якщо колії в основному спеціалізовані для пасажирського (приміського) руху, то пропускна спроможність вимірюється у пасажирських поїздах. Крім того, розрізняють результативну пропускну спроможність дільниці, яка відповідає найменшій наявній пропускній спроможності окремої дільниці, що розраховується для таких елементів: по перегонах, станціях, пристроях електропостачання електрифікованих ліній.
В нормативних документах визначення не наводиться, але в технічній літературі та Інструкції щодо складання графіка руху поїздів на залізницях
України існує поняття потрібної пропускної спроможності (розрахункової) – кількість поїздів, необхідна для виконання плану перевезень вантажів і пасажирів.
Для оцінювання пропускної спроможності дільниць (споруд і пристроїв)
61
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ
існує поняття розрахункового рівня використання наявної пропускної спроможності, який визначається за допомогою коефіцієнта розрахунку використання пропускної спроможності діленням кількості наведених поїздів на наявну пропускну спроможність відповідного пристрою. Для підрахунку даного коефіцієнта приймаються середні розміри вантажного і пасажирського рухів у місяць максимальних перевезень. Крім розрахункового, визначено поняття допустимого коефіцієнта використання пропускної спроможності, що встановлюється нормативно, порівняння дозволяє описати можливості
інфраструктури, системи організації руху для пропуску встановленої кількості поїздів у межах очікуваного рівня обслуговування.
Рисунок 4.3 – Залежність між теоретичною, практичною пропускними спроможностями та надійністю
Використана пропускна спроможність(англ. Used Capacity, UC) – це фактичний обсяг поїздопотоку, що пропускається через лінію. Використана пропускна спроможність відображає фактичний потік поїздів та операції, які відбуваються на лінії. Вона, як правило, нижче практичної пропускної спроможності.
Доступна пропускна спроможність (англ. Available Capacity, AC) – це різниця між використаною пропускною спроможностю і практичною. Вона
62
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ характеризує додаткову кількість поїздів, які можуть бути пропущені через дільницю. Якщо доступна пропускна спроможність не використана, то вважається втраченою (невикористаною).
4.2 Аналіз методології і методів розрахунку пропускної спроможності
інфраструктури залізниць
Всі існуючі методи для оцінювання пропускної спроможності залізниць можна розділити на три види: аналітичні, методи оптимізації та методи
імітаційного моделювання.
Аналітичні методизасновані на розрахунку пропускної спроможності за допомогою математичних формул або виразів алгебри. Такі методи прості в розрахунку і зазвичай використовуються для оцінювання теоретичної (наявної) пропускної спроможності. Наприклад, на залізницях Польщі практичну пропускну спроможність визначають у відсотках від теоретичної за виразом
N p
(1
)N max,
(4.2) де
технічна норма резервування, яка відповідно до рекомендацій може набувати значень від 0,2 до 0,3;
N max
теоретична пропускна спроможність поїздів або пар поїздів.
В основі аналітичних методів лежить спосіб безпосереднього розрахунку пропускної спроможності пристрою, в якому в явному вигляді встановлюється потужність, що витрачається на пропуск одного поїзда або пари поїздів, що виражається у часі (поїздо-годинами) заняття елемента й обмежує пропускну
63
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ спроможність.
Розрахунок пропускної спроможності за наведеною формулою може бути використаний тільки при одній структурі поїздопотоків, коли величина має постійне значення для всіх поїздів. Для розрахунку пропускної спроможності дільниць при різнорідній структурі поїздопотоків застосовуються два принципово різних методи.
За одним з них, розробленим з урахуванням умов залізниць України, спочатку встановлюється максимальна пропускна спроможність у поїздах або парах поїздів категорії, основна на даній лінії. Поїзди інших категорій через певні еквіваленти (коефіцієнти знімання) приводяться до поїздів основної
(розрахункової) категорії. Так, наприклад, пропускна спроможність ділянок розраховується у першу чергу для паралельного графіка і виражається у поїздах тільки однієї категорії, зазвичай вантажних, а при спеціалізації лінії – для пасажирського руху в пасажирських поїздах прийнятої категорії (приміські далекі). Потім оцінюється вплив на пропускну спроможність поїздів, що прямують з іншими швидкостями, тобто розраховується пропускна спроможність для непаралельності графіка.
Існуючі формули для розрахунку пропускної спроможності використовують постійні величини і ґрунтуються на геометричних характеристиках ділянки, лінійній величині зміни координат положення поїзда на просторово-часовому графіку і характеризують рух одиночного поїзда. Все це призводить до невідповідності теоретичної пропускної спроможності до фактичної, яка значно менше. Причиною цього є відсутність стохастичного характеру руху поїздів і характеристик руху групи (потоку) поїздів. Практика і дослідження доводять, що при зменшенні міжпоїзного інтервалу, швидкість поїздів падає, так, у середньому рух поїздів на жовтий сигнал світлофора на 30 %, а на червоний на 60 % нижче, ніж на зелений [1].
Базою існуючого підходу є принцип розрахунку на основі обмежуючого перегону, тоді як пропускна спроможність дільниці по своїй суті – це показник
64
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ обслуговування потоку поїздів, на величину якого впливає план і профіль колії на дільниці, технічне оснащення перегонів і станцій, тягово-експлуатаційні характе- ристики локомотивів, тип графіка руху, маса і довжина поїздів різних категорій, допустимі максимальні швидкості руху, кліматичні умови, вибір машиністами режимів ведення поїздів і т. д.
За іншим методом пропускну спроможність визначають без виділення розрахункової категорії поїздів, а на основі врахування ймовірнісної природи взаємного розташування на графіку поїздів різних категорій. Існують методи розрахунку, що дозволяють враховувати виникнення черг через затримку потягів на основі теорії масового обслуговування. Дані методи є дуже чутливими до вхідних параметрів інфраструктури, параметрів і структури поїздопотоків, і їхня точність сильно залежить від прийнятого способу урахування варіантів розміщення поїздів на дільниці.
Оптимізаційні методи засновані на методах математичного програмування для розв’язання оптимізаційних задач розрахунку насиченого (максимального) розкладу. Ці методи забезпечують більш високу точність рішення, ніж проведення розрахунків за аналітичними методами. Дані методи отримали широке застосування на залізницях країн ЄС, бо дозволяють за допомогою безпосереднього розрахунку визначати навіть практичну пропускну спроможність.
У даний час базою для розроблення графіка руху поїздів є методи теорії розкладів (англ. Scheduling Problem). У рамках проекту EUROPE-TRIS розроблені алгоритми розрахунку пропускної спроможності на основі пошуку максимального графіка при мінімальних витратах на проходження всіх поїздів через дільницю – програма FLOU (англ. Flow Line Optimal Utilization), існує можливість визначення пропускної спроможності для оптимізації розкладів руху в умовах заданих заявок операторів на проходження поїздів – програма TCM (англ. Traffic Capacity
Management)[50].
Імітаційні методи базуються на методах програмного моделювання, що
65
КвР – 275.02 – ДУІТ – КІЗТ – УЗТ – УКДЗ – ПЗ дозволяють провести імітацію реального процесу пропуску поїздів з плином часу.
Ці методи дають можливість окреслити випадковий характер процесу перевезень у динаміці. Відомі імітаційні моделі ґрунтуються на методі Монте- Карло, або теорії систем масового обслуговування. Застосування імітаційних методів часто поєднується з методами оптимізації для перевірки знайденого графіка руху на можливість реалізації в умовах впливу випадкових чинників. Крім академічних моделей, існують комерційні програмні продукти, в основі яких використані
імітаційні методи (OpenTrack - OpenTrack Railway Technology, SIMONE - Incontrol
Enterprise Dynamics, MultiRail - Multimodal Applied Systems) [15]. Недоліком такого підходу є складність практичного пристосування розробленої імітаційної моделі існуючої інфраструктури залізниць. По суті для кожної дільниці або напряму необхідна побудова нової моделі, яка вимагає великих витрат часу [32,33].
Сучасні дослідження підтверджують ефективність застосування
інтегрованої методології для розрахунку пропускної спроможності при використанні на першому етапі аналітичних методів для початкового рішення
(визначення схеми прокладання), після чого на другому етапі здійснюється пошук графіка руху за допомогою оптимізаційного методу, тоді як на третьому етапі проводиться перевірка знайденого розкладу шляхом імітаційного моделювання процесу проходження поїздів.
Висновки до розділу. В розділі було досліджено основні поняття пропускної спроможності залізничних ліній, зокрема з позиції теорії транспортних потоків.
Також були проаналізовані існуючі методології та методи розрахунку пропускної спроможності інфраструктури залізниць.