Железнодорожный транспорт. – 2017. – № 3. – С. 19-25.

 

КОНЦЕПЦИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОВЫШЕНИЯ ДОПУСКАЕМЫХ СКОРОСТЕЙ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ В РАМКАХ ПОЛИГОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

 

В.А. АНИСИМОВ,
профессор Дальневосточного государственного университета путей сообщения, кандидат технических наук

A.Т. ОСЬМИНИН,
заведующий отделением «Перспективное развитие сети железных дорог и целевые программы» (ПРС) АО «ВНИИЖТ», заместитель председателя Объединенного ученого совета ОАО «РЖД», доктор технических наук, профессор

B.В. АНИСИМОВ,
доцент Дальневосточного государственного университета путей сообщения, кандидат технических наук

 

Повышение и оптимизация скорости движения поездов относятся к приоритетным целям ОАО «РЖД». Регулярно разрабатываются и реализуются руководящие указания, программы, методические рекомендации и проекты, направленные на достижение этих целей. Из принятых и реализованных в последние десятилетия решений отметим целевую комплексную программу «Прогресс», государственные научно-технические программы «Ускорение» и «Высокоскоростной экологически чистый транспорт», Методические рекомендации по оценке экономической эффективности повышения скорости движения грузовых поездов до 90 км/ч на участках сети железных дорог (утверждены распоряжением ОАО «РЖД» от 29 декабря 2011 г. № 2848р), а в настоящее время - проект ВСМ Москва - Казань.

Однако проблема повышения скорости движения поездов и пути ее решения обычно по-разному понимаются инженерами, учеными и руководящими работниками транспорта. Отчасти это связано с тем, что на железнодорожном транспорте используется несколько основных понятий скорости движения подвижного состава как функций пути S: допускаемая Vд(S), фактическая Vф(S) либо определяемая тяговым расчетом Vр(S), а также несколько показателей средней скорости движения поездов определенных категорий по железнодорожному участку, линии, направлению или выделенному полигону (средняя допускаемая Vд.ср, ходовая Vх, техническая Vт, участковая Vу и маршрутная Vм.

Скорость поезда Vр(S) рассчитывается при условии максимального использования мощности тяговых средств, но с учетом непревышения ее допускаемой величины, установленной для движения поездов соответствующей категории. В связи с этим для зависимостей скорости движения поезда от пройденного пути справедливо неравенство Vд(S) ≥ Vр(S) ≥ Vф(S). При этом допускаемая скорость, установленная для движения той или иной категории поездов, является первичной по отношению к расчетной скорости. В свою очередь, расчетная скорость является целевым ориентиром для вождения поездов. Исключая промежуточное звено в приведенной зависимости, не трудно установить, что допускаемые скорости движения поездов не только являются первичными и определяющими расчетные скорости, но и решающим образом предопределяют фактические скорости движения поездов.

Любой из показателей средней скорости движения поезда математически может быть представлен соответствующим функционалом. Так, средняя допускаемая и фактическая ходовая скорости могут быть определены следующим образом:

где Sк - полная длина пути, пройденного поездом, км; Тф.х - фактическое время хода поезда по участку (линии, направлению) при безостановочном проследовании раздельных пунктов, ч.

Подобным образом по расчетному времени хода поезда по участку (линии, направлению) при безостановочном проследовании раздельных пунктов определяется и расчетная ходовая скорость.

Для рассмотренных показателей средней скорости поездов справедливо соотношение Vд.ср(S) ≥ Vр.х(S) ≥ Vф.х(S).

Аналогично определяются и другие показатели средней скорости движения поезда по железнодорожному участку, линии или направлению.

Из приведенных выражений следует, что при различных кривых скорости Vр.1(S), Vр.2(S) может быть получена одинаковая ходовая скорость. Так, если площади между различными расчетными кривыми и осью пути одинаковы, то справедливы равенства:

Рассмотренная ситуация может иметь место при различных вариантах ликвидации ограничений скорости движения поездов на участке. Данным вариантам могут соответствовать различные расчетные кривые Vр.1(S), Vр.2(S) и т.д., а также различные энергетические затраты на движение поезда. Но при этом ходовые скорости по вариантам будут одинаковы. Следовательно, одной и той же ходовой скорости могут соответствовать различные значения эксплуатационных расходов, зависящих от движения поезда. Это означает отсутствие функциональной зависимости расходов на движение поездов от их ходовой скорости.

Вместе с тем следует констатировать наличие функциональной зависимости ходовой скорости поездов и зависящих эксплуатационных расходов от функции графика Vд(S), которая установлена для их движения по участку.

Рассмотренные соотношения и факт однозначного влияния графиков Vд(S) на ходовую скорость движения и зависящие эксплуатационные расходы показывают особое значение допускаемой скорости движения для выделенной категории поездов. С одной стороны, график V (S) решающим образом определяет расчетную и фактическую скорости движения поезда в той или иной точке пути. С другой стороны, эксплуатационные расходы на движение поезда функционально зависят от графика Vд(S)) и соответствующих режимов движения поезда.

Полученные выводы говорят также о функциональной зависимости технической и участковой скоростей поездов от установленной допускаемой скорости движения по участку.

На основании изложенного можно сделать заключение о правомерности экономически эффективного повышения средних скоростей движения поездов путем планирования допускаемых скоростей поездов по видам движения на выделенных направлениях и полигонах. При этом должны осуществляться разработка и обоснование годовых и среднесрочных планов ликвидации ограничений скорости по критерию минимума зависящих эксплуатационных расходов при безусловном непревышении лимита ресурсов и капитальных вложений, мощности привлекаемых предприятий (с учетом их технического развития) и «окон», выделяемых для выполнения соответствующих работ.

Из числа известных систем организационного управления комплексами мероприятий или работ наиболее конкретной, гибкой и действенной является система сетевого планирования и управления (СПУ). Ее преимуществами являются возможность календарного планирования работ с учетом порядка и технологи их выполнения, привлекаемых исполнителей, а также временных, стоимостных, ресурсных и других ограничений. При этом обеспечиваются непосредственный расчет сроков выполнения каждой работы, входящей в сетевой график комплекса мероприятий, календарное планирование материально-технического обеспечения данного комплекса, движение бригад, машин и механизмов (во времени и по участкам работ), а также выявление работ, определяющих срок завершения всего комплекса мероприятий.

Особым преимуществом СПУ является возможность организационного и оперативного управления процессом реализации комплекса мероприятий по принятому календарному плану, включая контроль и оценку хода работ, а также своевременную корректировку и оптимизацию плана при изменении состава, объемов или сроков выполнения мероприятий.

В связи с этим предлагаются концепция и принципы первой очереди автоматизированной системы планирования допускаемых скоростей поездов и СПУ повышением скорости движения поездов на выделенных направлениях сети по критерию экономической эффективности.

В качестве ведущего принципа разработки предлагаемой технологии принимается использование и развитие эксплуатируемых информационных и расчетно-аналитических систем в соответствии с целями повышения скорости движения поездов.

Первая очередь рассматриваемой технологии должна включать в себя следующие взаимодействующие подсистемы:

• S1 — мониторинг действующих установленных допускаемых скоростей движения поездов, планирование и прогнозирование данного вида скоростей на выделенных направлениях сети;

• S2 — количественная оценка влияния ограничений скорости на перевозочный процесс с идентификацией так называемых вредных ограничений (оказывающих негативное влияние на технические и экономические показатели эксплуатационной работы);

• S3 — годовое и среднесрочное СПУ ликвидацией ограничений скорости (с учетом лимита ресурсов и капитальных вложений, мощности привлекаемых предприятий и выделяемых «окон»);

• S4 — контроль выполнения, корректировка или оптимизация планов повышения скорости движения поездов на выделенных направлениях сети.

Рассмотрим возможности создания предлагаемых подсистем с учетом ведущего принципа их разработки.

Подсистема S1 может быть создана в рамках интеллектуальной системы управления железнодорожным транспортом (ИСУЖТ) в виде расширения существующей системы ведения и актуализации нормативной базы графика движения поездов. Такое расширение позволит надлежащим образом автоматизировать подготовку и изменение приказов об установлении допускаемых скоростей движения поездов, а также прогнозирование данных скоростей на ближайшие годы. Более того, наличие информации о действующих и прогнозных допускаемых скоростях движения поездов в онтологии ИСУЖТ позволило бы повысить уровень автоматизации тяговых расчетов для разработки графиков движения поездов.

Однако для решения задачи повышения скорости движения поездов важно, что наличие указанной информации в онтологии ИСУЖТ позволит подсистеме S2 оперативно оценивать влияние действующих или прогнозируемых допускаемых скоростей на перевозочный процесс и идентифицировать вредные ограничения, которые приводят к потерям времени хода поездов и обусловливают дополнительные эксплуатационные расходы на движение поездов. Как следствие, такие ограничения снижают средние скорости движения поездов, а при расположении на перегонах, ограничивающих пропускную способность, — провозную способность участков.

Для разработки подсистемы S1 целесообразно использовать модуль СВ (скорости и возвышения) программного комплекса ЭРА с учетом его развития и адаптации в соответствии с целями рассматриваемой технологии. В числе функций, имеющих прямое отношение к данной технологии, модуль СВ реализует следующие:

• расчет максимальных по безопасности скоростей движения поездов, допускаемых геометрией рельсовой колеи и конструкцией верхнего строения методике, приведенной в Приказе МПС России от 12.11.2001 № 41 с изменениями и дополнениями (расчет выполняется по категориям поездов, вариантам тяги и вагонного состава);

• формирование основы (проекта) приказа об установлении допускаемых скоростей движения поездов по состоянию железнодорожного пути участков, линий или направлений сети, если таковой отсутствует на дороге (например, при разработке проекта реконструкции плана и продольного профиля участка, при проектировании новой линии, обходов эксплуатируемых участков, применении нового вида тяги поездов или вводе в обращение современного моторвагонного подвижного состава). Основа (проект) данного приказа (рис. 1) отличается от его реального варианта тем, что содержит допускаемые скорости, которые можно установить при отсутствии ограничений скорости по состоянию земляного полотна, искусственных сооружении и верхнего строения железнодорожного пути. Иначе говоря, данный проект показывает допускаемые скорости при нормальном техническом состоянии пути;

Рис. 1. Проект приказа об установлении допускаемых скоростей пассажирских поездов по главным путям участка Тында - Ургал I

• подготовка и обоснование предложений по допускаемым скоростям для разработки графика движения поездов на предстоящий год (в виде типовых форм к графику).

Подсистема S2 может быть разработана путем развития и адаптации других модулей системы ЭРА в соответствии с целями рассматриваемой технологии. В числе расчетов, имеющих прямое отношение к данной технологии, эти модули реализуют следующее:

1) тягово-энергетические расчеты движения поездов по участкам полигона с определением потерь времени хода поездов и снижения средних скоростей движения от действия ограничений;

2) расчет и анализ технических показателей перевозок по участкам полигона и в целом на полигоне, в том числе по видам движения;

3) расчет и анализ эксплуатационных расходов, зависящих от движения поездов (с определением дополнительных затрат в связи с ограничениями скорости);

4) определение станционных и межпоездных интервалов движения поездов;

5) расчет пропускной способности перегонов и станций, а также перерабатывающей способности станций.

В процессе тягово-энергетических расчетов определяются перегонные времена хода поездов, ходовая, техническая и участковая скорости для двух вариантов движения поездов: с учетом и без учета действия ограничений скорости (рис. 2).

Рис. 2. Варианты движения четного поезда массой 6300 т с тягой электровозом 3ЭС5К по участку Архара - Облучье: нижний вариант скорости - с учетом действия ограничений, верхний вариант - в случае ликвидации ограничений

В более крупном виде оба варианта и соответствующее замедление грузовых поездов представлены на рис. 3. Варианты скоростей движения поезда Vд(S) на данных рисунках показаны тремя цветами: зеленым — при движении в режиме тяги, желтым в режиме выбега (холостого хода), красным — на участках торможения поезда. Соответственно, нижние кривые скорости движения показывают совместное негативное влияние серий ограничений допускаемой скорости или нескольких предупреждений, расположенных на довольно значительном расстоянии друг от друга (от 1 до 2 км). В итоге на нескольких перегонах подряд скорость движения поездов ограничена уровнем 60 км/ч.

Рис. 3. Варианты движения четного поезда массой 6300 т с тягой 3ЭС5К на перегонах Урил - Отроги - Казачий участка Архара - Облучье

Ситуация, показанная на рис. 3, связана с учетом длины поездов при их вождении, что адекватно учитывается и в тяговых расчетах движения поездов. Так, при проследовании короткого ограничения скорости на пути протяженностью 100 м длина зоны ограничения на скорость движения середины поезда длиной Lп составит Lп/2 + 100 + Lп/2 (рис. 4). Таким образом, короткие ограничения скорости обусловливают проследование весьма значительных участков пути с ограниченной скоростью.

Рис. 4. Влияние ограничений скорости, массы и длины поезда на скорость движения грузовых поездов

Следует отметить, что на отдельных участках сети встречаются перегоны со столь многочисленными ограничениями скорости, что приходится полностью ограничить скорость поездов уровнем 60 км/ч, а в отдельных местах — 25—40 км/ч (рис. 5). На данном рисунке показано также, что при нормальном техническом состоянии железнодорожного пути на перегоне могла быть установлена допускаемая скорость 80 км/ч.

Рис. 5. Пример сплошного перекрытия перегона ограничениями скорости движения грузовых поездов

Тем не менее следует подчеркнуть, что не каждое ограничение скорости приводит к снижению средних скоростей движения поездов (рис. 6). В связи с этим при расчете вариантов движения поездов (с учетом и без учета действия ограничений скорости — см. рис. 2, 3) одновременно рассчитывается влияние того или иного ограничения на потери времени хода поездов, снижение средних скоростей движения и увеличение эксплуатационных расходов, зависящих от движения поездов. Это позволяет ранжировать ограничения скорости по степени негативного влияния на данные показатели движения поездов.

Рис. 6. Влияние допускаемых скоростей и ограничений скорости поездов на расчетную скорость движения поезда, км/ч

Особая роль в показателях средней скорости движения поездов отводится участковой скорости, которая совместно со средней массой нетто грузовых поездов (Qср.н) выражает полезную работу, выполняемую грузовым поездом за 1 ч. В связи с этим средняя масса нетто грузовых поездов и участковая скорость отнесены к качественным показателям эксплуатационной работы участка, несмотря на их количественное значение.

Произведение часовой производительности поезда на количество грузовых поездов (без ускоренных и сборных) в сутки месяца максимальных перевозок, дает суточную провозную способность участка и определяет годовую провозную способность участка.

Наряду с расчетом рассмотренных показателей определяются потребное и наличное значения, а также профицит или дефицит пропускной способности перегонов. Очевидно, что ограничения скорости на лимитирующих перегонах и дающие потери времени хода поезда подлежат ликвидации (при приемлемых капитальных затратах).

Таким образом, посредством вариантных тяговых расчетов и определения пропускных способностей обеспечиваются количественная оценка влияния ограничений скорости на технические показатели эксплуатационной работы и идентификация вредных ограничений с ранжированием по степени негативного влияния на средние скорости движения поездов, пропускную и провозную способности перегонов и участков направления.

Комплекс данных показателей при определенной инфраструктуре направления и принятой организации движения поездов характеризует техническую эффективность эксплуатационной работы направления и решающим образом определяет эксплуатационные расходы, зависящие от движения поездов, а также себестоимость грузовых перевозок, которая является их интегральным экономическим показателем.

Важным свойством комплекса ЭРА 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. Для описания потока выдается задание 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 различных категорий (поезда одиночные грузовые груженные, соединенные, сдвоенные, порожние, пассажирские, скорые, пригородные и т.п.), следующих по участкам полигона.

Пакет поездов в целях объективности и достоверности расчетов может быть сформирован автоматически на основании обработки информации о поездопотоках в автоматизированной системе расчета плана формирования поездов (АС РПФП), эксплуатируемой на сети железных дорог ОАО «РЖД». Предпочтение ей отдается в силу преимуществ данной системы по сравнению с иными аналогичными информационными системами ОАО «РЖД» — формировании справочной информации за любой заданный период времени (текущие сутки, отчетные сутки, текущий месяц, предыдущие месяцы) и др. Глубина хранения данных определяется техническими возможностями серверов и в среднем составляет три года.

Предусмотрена детализация информации о поездах и вагонах с возможностью различной группировки и фильтрации данных. В детальных справках по вагонам проводится многоступенчатая группировка данных по основным полям справки, позволяющая просматривать для отмеченных групп вагонов детализацию по вагонам и поездам, в составе которых они следовали. Ведется учет сведений об изменении индексов поездов и объединении-разъединении поездов в справочной информации о проследовании поездов, отображается информация о вагонопотоках на электронных картах отдельной дороги и сети железных дорог государств — участников Содружества.

Пакетные тягово-экономические расчеты выполняются в непрерывном режиме, без вмешательства человека. При этом обеспечивается просмотр результатов расчета любого поезда в любом потоке. Расчеты могут выполняться в разрезе суток, месяца, года, нескольких лет или более длительного периода времени. 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.

В ходе таких расчетов определяются не только технические и экономические показатели эксплуатационной работы полигона (с раскладкой по видам движения, участкам и направлениям), но и потери времени хода поездов, снижение средних скоростей движения и дополнительные эксплуатационные расходы от всех ограничений скорости, либо только от предупреждений (рис. 7). При этом учитываются календарные сроки действия ограничений.

Рис. 7. Сводная ведомость расчетных показателей движения поездов и эксплуатационных потерь от действия предупреждений на четном участке пути Архара – Облучье за период с 01.01 по 31.12.2013

Возможности системы ЭРА позволяют предложить ее в качестве одного из базовых программных комплексов для построения первой очереди автоматизированной системы планирования допускаемых скоростей поездов и СПУ повышением скорости движения поездов на выделенных направлениях сети по критериям экономической эффективности. Успешная реализация первой очереди данной технологии создаст предпосылки для разработки и внедрения сетевого планирования и управления повышением допускаемых скоростей движения поездов на полигонах сети.

 

ХАБАРОВСК - МОСКВА