Проектирование развития региональной сети железных дорог :
сб. науч. тр. / под ред. В.С. Шварцфельда. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2016. – Вып.4. - С. 116-126.

 

УДК 656.2.021:004.9

 

Анисимов В.А., Анисимов В.В., Дальневосточный государственный университет путей сообщения, г. Хабаровск, Россия

 

СИСТЕМА ЭРА: КОНЦЕПЦИЯ, АРХИТЕКТУРА И БАЗОВЫЙ ПРОГРАММНЫЙ МОДУЛЬ

 

Приведена концепция системы ЭРА, разработанной для экспертизы, расчетов и анализа массы, скорости и времени хода поездов, пропускной и провозной способности новых железных дорог, высокоскоростных магистралей и эксплуатируемых линий. Рассмотрены основные возможности ядра системы - модуля вариантных тягово-энергетических и технико-эксплуатационных расчетов движения поездов и поездопотоков на железнодорожном полигоне.

Ключевые слова: проектирование железных дорог, эксплуатация железных дорог, железнодорожная инфраструктура, организация перевозок, программный комплекс, тягово-экономические расчеты, график движения поездов, пропускная и провозная способности железных дорог, техническое развитие железнодорожных линий

 

Anisimov V.A., Anisimov V.V., Far Eastern State Transport University, Khabarovsk, Russia

 

ERA SYSTEM: THE CONCEPT, ARCHITECTURE AND BASIC SOFTWARE MODULE

 

Shows the ERA system concept developed for the examination, calculation and analyzing the mass, speed and train time, track and peak load capacity of new railways, high-speed highways and exploited lines. Considered the main capabilities of the system core – module variant traction-energy and technical-operational calculations of train and stream train service on the railway range.

Key words: designing of railways, operation of railways, railway infrastructure, organization of transportation, software package, traction-economic calculations, train schedule, track and peak load capacity of the railways, the technical development of railway lines.

 

Полная расшифровка аббревиатуры ЭРА - Экспертиза, Расчеты и Анализ массы, скорости и времени хода поездов, пропускной и провозной способности новых железных дорог, высокоскоростных магистралей и эксплуатируемых линий (с определением технико-экономических потерь от барьерных мест для повышения массы поездов, ограничений скорости и пропускной способности).

Система ЭРА концептуально задумана и по модульно создается как программный комплекс, реализующий решение ряда важнейших, базовых и тесно связанных задач железнодорожного транспорта на единой информационной основе.

Основанием для создания системы является ключевое значение показателей «масса и скорость движения поездов, пропускная способность железных дорог» для повышения их провозной способности и эффективности перевозок (рис. 1). Эти показатели характеризуют техническую эффективность работы железных дорог-филиалов ОАО «РЖД» и решающим образом определяют экономическую эффективность перевозок.

Рис. 1. Частные и интегральные годовые показатели перевозочного процесса при определенных параметрах железнодорожной инфраструктуры и организации эксплуатационной работы

Наряду с модульным построением, ведущим принципом создания системы ЭРА принято поэтапное (последовательное) развитие модулей (подсистем) и соответствующее расширение информационной основы.

В качестве третьего принципа модульного построения системы принято правило, что её создание должно начинаться с ведущего модуля в минимальном рабочем варианте с последующим наращиванием его функций.

В соответствии с принципами создания и составляющими отмеченной триады, в качестве ведущего модуля системы была разработана программа ИСТРА – модуль тяговых расчетов в минимальном исполнении. Далее эта программа последовательно развита до модуля тягово-энергетических и эксплуатационно-экономических расчетов движения потоков поездов различных категорий на железнодорожном полигоне с расчетом сводных (интегральных) показателей грузовых и пассажирских перевозок на полигоне. Одновременно осуществлялась соответствующее расширение информационной основы, последовательно разрабатывалось другие модули системы.

В разработке системы в качестве консультантов активное участие принимали ведущие специалисты отрасли, в т. ч. авторы методов и нормативных документов, составляющих методическое обеспечение системы. Тем не менее, отдельные математические модели и методы, реализованные в системе, не имеют аналогов, но в тоже время отвечают требованиям действующих нормативных документов (приказов, инструкций, руководств и т.п.) [1, 2, 3, 4, 5, 6].

Система ЭРА имеет расширяемую модульную клиент-серверную архитектуру (рис. 2). По состоянию на 2016 г. в состав системы ЭРА входит 9 модулей, рассматриваемых в данной и другой статьи настоящего сборника научных трудов [8].

Рис.2. Состав системы ЭРА

Базовый программный модуль системы - модуль ТЭП (Технико-Экономические Показатели движения поездов) - обеспечивает вариантные тягово-энергетические и технико-эксплуатационные расчеты движения отдельных поездов или потоков, состоящих из поездов различных категорий. Метод тяговых расчетов, реализованный в модуле ТЭП, полностью отвечая новым Правилам [6], дополнительно учитывает реальные факторы и условия, не предусмотренных данным документом, но оказывающих влияние на скорость движения, время хода, расход электроэнергии (топлива) на тягу и иные параметры движения поездов. К этим факторам относятся следующие:

– учет поэтапного снижения скорости поезда при подходе к остановочным раздельным пунктам и остановке поезда на данных пунктах;

– учет реального (пониженного или повышенного) напряжения в контактной сети расчетного участка;

– учет непрерывного изменения удельного средневзвешенного сопротивления от уклонов профиля в зависимости от текущего положения центра поезда на расчетном участке;

– учет непрерывного изменения удельного средневзвешенного сопротивления от кривизны плана пути в зависимости от скорости проследования кривых и геометрии рельсовой колеи в кривых участках пути;

– необходимость опробования тормозов поезда (в заданных местах участка проследования) с учетом задания скорости, при достижении которой должна осуществляться данная проверка;

– постепенное наполнение тормозных цилиндров (нарастание тормозной силы) при механическом торможении поезда;

– динамическое определение вида и ступени/позиции торможения: механического, рекуперативного или реостатного.

Отмеченные преимущества модуля позволяют максимально точно определять показатели движения поездов и существенно повысить точность определения потерь времени хода и скорости, а также дополнительных затрат топлива (энергии) и эксплуатационных расходов от действия ограничений скорости. В качестве примера можно привести обоснование времени хода движения высокоскоростного электропоезда «Сапсан» на участке Москва

– Санкт-Петербург длиной 650 км. Сравнение времен хода, полученных по программе, с результатами опытных поездок дало расхождение 0.3 мин – в прямом направлении и 1 мин – в обратном направлении движения.

В качестве технико-экономических показателей движения поездов рассчитываются следующие:

– физико-механические (перегонные времена хода и время проследования участков поездами различных категорий, средние ходовые скорости движения поездов по участкам и в целом по полигону, механическая работа локомотивов на тягу поездов и работа сил сопротивления движению поездов);

– теплоэнергетические (расход топлива или электроэнергии, максимальный перегрев обмоток тяговых электродвигателей при вариантах массы и тяги поездов);

– эксплуатационно-экономические (техническая и участковая скорости движения поездов, измерители эксплуатационных расходов на движение поездов и сами расходы - по вариантам массы и тяги поездов, по категориям поездов и видам движения);

– изменение указанных показателей в связи с изменением массы, длины, тяги или допускаемой скорости движения поездов (включая установление новых допустимых скоростей, назначение или отмену предупреждений об ограничении скорости движения поездов).

Отмеченные показатели и их изменение являются ключевой информацией для планирования и организации перевозок, а также для разработки проектов железных дорог, т.е. для решения следующих задач:

- расчеты и обоснование допустимых (возможных) масс вагонного состава при том или ином количестве и сериях локомотивов и наоборот - подбор серий и количества тяговых средств для вождения поездов требуемой массы;

- обоснование допускаемых скоростей поездов на очередной год планирования перевозок;

- разработка нормативного и вариантных графиков движения поездов;

- разработка и обоснования планов повышения массы или скорости движения поездов;

- планирование ремонтов и модернизации сооружений и устройств железнодорожной инфраструктуры;

- проектирование новых участков и железнодорожных линий;

- проектирование реконструкции (модернизации) железнодорожной инфраструктуры и повышения пропускной или провозной способности железнодорожных линий, направлений, полигонов.

Определенные показатели движения поездов представляются не только в виде типовых ведомостей (рис. 3 и 4) и заказных таблиц, но и динамически масштабируемыми графиками. Последние отображают изменение показателей при следовании поезда по пути или во времени:

- кривые скорости движения и времени хода поездов в зависимости от перемещения поезда;

- кривые расхода топлива или электроэнергии на тягу поездов при достижении той или иной точки пути;

- кривые сил, действующих на поезд при текущем положении его середины на пути;

- графики расчетного поперечного непогашенного ускорения подвижного состава поезда;

- кривые, отражающие движение поездов в теплотехническом и экономическом аспектах.

Наряду с отмеченными кривыми графически отображаются сами условия движения рассчитываемых поездов – план и продольный профиль пути, допускаемые скорости, нейтральные вставки и участки опробования тормозов, допускаемые скорости движения по спускам (с учетом тормозного вооружения поезда).

Рис. 3. Ведомость «Итоговые результаты» тягово-экономического расчета движения грузового поезда

Рис. 4. Вкладыш типовой формы ЦДЛ №3 «Ведомость перегонных времен хода» грузового поезда по участку Архара – Хабаровск-1 (массы: Qнеч = 6000т, Qчет = 6300т; серия локомотива: ВЛ85)

Движение поездов отображается при различных вариантах следования или технологии пропуска по участкам: безостановочное проследование или с остановками на заданных раздельных пунктах, с учетом назначения новых или отмены действующих ограничений скорости, до или после реконструкции трассы, пропуск одиночных или соединённых поездов с той или иной массой состава и т.п.. Таким образом, обеспечивается одновременное отображение вариантов для наглядного сравнения.

Уникальной особенностью модуля являются пакетные тягово-экономические расчеты движения поездов на полигоне - расчеты вариантов движения потоков поездов всех категорий по участкам полигона с получением сводных технико-эксплуатационных показателей по видам движения на отдельном участке, группе участков и в целом на полигоне.

Поток поездов - группа однотипных поездов, следующих по участку в определенном направлении. Описание отдельного потока осуществляется заданием на расчет его движения. В задании может указываться суточное количество поездов, входящих в поток. Параметры таких потоков могут отличаться друг от друга и, в частности, назначаться с некоторым шагом.

Соответственно, пакет потоков поездов - есть совокупность потоков поездов различных категорий (одиночные грузовые груженные, соединенные, сдвоенные, порожние, пассажирские, скорые, пригородные и т.п.), следующих по участкам полигона.

Пакетные тягово-экономические расчеты выполняются в непрерывном режиме, т.е. без вмешательства человека между расчетами отдельных поездов в потоке и самих потоков. На рис. 5 приведен пример сводных технико-эксплуатационных показателей по видам движения на участке и в целом, по участку.

Рис. 5. Сводная ведомость годовых показателей движения грузовых поездов – при возможном в перспективе техническом состоянии линии Комсомольск-на-Амуре – Советская гавань (после строительства Кузнецовского обхода с тоннелем, двухпутных обходов отдельных участков линии и электрификации (с тягой грузовых локомотивами ЕРМАК))

Следует отметить, что сводные ведомости формируются не только по расчетам движения поездов на участке, но и по группе участков и в целом на полигоне. При этом обеспечивается просмотр результатов расчета любого поезда в любом потоке.

Пакетные тягово-экономические расчеты могут выполняться в разрезе суток, месяца, года, нескольких лет или более длительного периода времени. При этом обеспечивается учет изменения потребной пропускной способности (суточного количества грузовых, пассажирских и пригородных поездов), массы, длины и тяги поездов, конструкции и состояния устройств инфраструктуры, а также учет прогнозируемых норм эксплуатационных расходов по годам расчетного периода.

Сводные ведомости содержат данные для решения многочисленных задач железнодорожного транспорта, в т.ч.:

- для установления класса и специализации железнодорожных линий ОАО «РЖД»;

- расчета потребного парка локомотивов и потребной мощности экипировочных устройств локомотивного хозяйства;

- планирования тягового обеспечения поездов;

- идентификации ограничений скорости и мест пропуска поездов, лимитирующих пропускную и провозную способность участков и направлений на полигоне.

Идентификация мест пропуска поездов, ограничивающих пропускную и провозную способность участков полигона и железнодорожных направлений, а также количественная оценка соответствующих потерь обеспечивает разработку и обоснование адресных планов ремонта, реконструкции и модернизации сооружений и устройств инфраструктуры и минимизация затрат на повышение мощности наиболее востребованных направлений сети железных дорог.

Особое значение пакетные тягово-экономические расчеты, а точнее, их результаты имеют для разработки планов и проектов комплексного развития железнодорожных полигонов. Данные расчеты и их результаты могут накапливаться в хранилище системы по вариантам технического состояния инфраструктуры или организации перевозок на линиях и направлениях полигона (сети). В качестве таких вариантов могут быть существующие состояния участков сети, варианты новой организации движения поездов (в т. ч. изменения тягового обеспечения и технологии пропуска поездов) или проектные (возможные, перспективные и т.п.) варианты реконструкции (модернизации) железнодорожной инфраструктуры.

В отдельном разделе хранилища, именуемым пользователем по своему усмотрению, сохраняются исходные данные и результаты расчетов определенного назначения. Например:

- «для разработки графика движения поездов на Т год»;

- «для проекта повышения скорости движения пассажирских поездов направления А-Б»;

- «для проекта повышения провозной способности участка В-Г полигона»;

- «для проектирования новой линии Д-Е»;

- «для обоснования инвестиций в развитие БАМ»;

- «для обоснования инвестиций в развитие Восточного полигона на период до Т года» и т.д.

Количество разделов хранилища не ограничено, поскольку тягово-экономические расчеты движения поездов необходимы для решения различных проблем железнодорожного транспорта или задач дирекций ОАО «РЖД».

Хранилище используется модулем ТЭП для визуализации или печати данных и результатов расчетов в виде графиков и кривых, типовых ведомостей или заказных таблиц, а также для составления пояснительных записок соответствующего назначения.

Кроме этого, хранилище используется другими модулями системы ЭРА, обеспечивающими автоматизацию решения таких задач, как расчеты станционных и межпоездных интервалов движения поездов, определение пропускной и перерабатывающей способности станций, расчет потребной и наличной пропускной способности перегонов, расстановка светофоров автоблокировки на основе тяговых расчетов и с учетом многочисленных требований безопасности движения поездов, проверка пропуска поездов при определенном положении светофоров.

Некоторые модули системы обеспечивают формирование и выдачу чертежей по результатам решения данных задач (в соответствии с требованиями ЕСКД). В частности, модуль АС ТЭП формирует чертежи по исходным данным и результатам расчета модулем ТЭП. Чертежи формируются в задаваемых масштабах в формате системы AutoCAD . На рис.6 приведен наиболее простой пример такого чертежа. В общем случае на одном чертеже могут быть представлены кривые движения поездов различных категорий или варианты следования поезда одной и той же категории. Во втором случае варианты могут отличаться массой вагонного состава, тяговым обслуживанием поездов (одиночная или кратная тяга, с подталкиванием, с тягой локомотивами разных серий). Также на одном чертеже возможно представление движение поездов при различных вариантах ликвидации ограничений скорости.

Рис. 6. Пример чертежа, формируемого по результатам расчетов модулем ТЭП

Возможности масштабируемого графического отображения данных и результатов тягово-экономических расчетов обеспечивают наглядное сравнение вариантов движения поездов и отбор рационального варианта с позиции технико-экономической эффективности.

В целом, пользовательский интерфейс модулей ТЭП и АС ТЭП существенно сокращает затраты времени на подготовку и/или актуализацию исходных данных, идентификацию и исправление ошибок в данных, а также на производство расчетов, анализ и сравнение результатов, формирование и выдачу соответствующих ведомостей и чертежей.

Из обзора архитектуры системы ЭРА и базового программного модуля следует, что последний является ядром системы в рамках технологии решения ряда важнейших и тесно связанных задач железнодорожного транспорта на единой информационной основе. Другие программные модули системы рассматриваются в следующей статье настоящего сборника научных трудов.

 

Список литературы

1. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог : № 128 : утв. ОАО «РЖД» 10.11.10. – М, 2010. – 181 с. : прилож. 124 с.

2. О нормах допускаемых скоростей движения по железнодорожным путям колеи 1520 (1524) мм : приказ МПС России от 12.11.2001 № 41 с изменениями, внесенными Приказом МПС России от 12.08.2003 № 62 : 41 приказ : утв. МПС РФ 12.11.01. – М, 2001. – 127 с.

3. Временное руководство по определению возвышения наружного рельса и допускаемых скоростей движения в кривых : ЦПТ 44/17 : утв. ОАО «РЖД» 22.08.09. – М, 2009. – 32 с.

4. Анисимов, В.А. Программно-технический комплекс для проектирования систем автоблокировки / В.А. Анисимов, В.В. Анисимов // Автоматика, телемеханика, информатика. – М.: 2007. – № 5. – С. 7– 10.

5. Инструкция по определению станционных и межпоездных интервалов : утв. ОАО «РЖД» 30.12.11. № 2864р. – М. : 2011. – 215 с.

6. Правила тяговых расчетов для поездной работы: утв. ОАО «РЖД» 12.05.16 № 867р. – М. : Транспорт. – 516 с.

7. Анисимов, В.А. Пропускная и перерабатывающая способность станций: автоматизация расчетов / Е.В. Архангельский, В.В. Анисимов, А.В. Степанов // Железнодорожный транспорт. – М. : 2008. – № 3. – С. 29–33.