Aktuální vydání

celé číslo

10

2022

Chemie, potravinářství a farmacie

celé číslo

Návrh infrastruktury železničních uzlů (část 2)

Návrh infrastruktury železničních uzlů (část 2)

Antonín Kavička, Michael Bažant
(dokončení z č. 6/2007)

5. Model infrastruktury

Model infrastruktury vzniká transformací mapových podkladů v papírové, popř. elektronické formě. V případě podkladů v papírové formě se nejdříve snímají plány železniční infrastruktury, obvykle v měřítku 1 : 1 000. Model kolejiště se poté vytváří postupným překreslováním kolejí a výhybek z naskenovaného obrazu, který slouží jako podklad. Toto překreslování, tzv. vektorizace, se provádí v prostředí specializovaného grafického editoru. V případě podkladů v elektronické formě se používá dokumentace obvykle vytvořená v programu AutoCAD (popř. MicroStation). Přitom příslušný model kolejiště vzniká konverzí formátu dxf do vlastního formátu popisujícího infrastrukturu. Obě formy podkladů zaručují požadovanou míru věrnosti modelu infrastruktury. Díky jejich věrné transformaci se při simulaci nepoužívá zjednodušené schéma kolejiště, kdy hrozí nepřípustné zjednodušení a zkreslení vlivu reálných vzdáleností překonávaných mobilními prostředky v simulačním modelu.

Transformací podkladů vzniká tzv. fyzická úroveň modelu infrastruktury (obr. 2). Znamená to, že tvůrce simulačního modelu má k dispozici kolejiště složené ze základních prvků, kterými jsou koleje, jednoduché výhybky, křižovatkové výhybky a kolejové křižovatky. Všechny prvky kolejiště mají ve fyzické úrovni přidělená svá identifikační čísla. Ve fyzické úrovni modelu infrastruktury však ještě není určeno, jaké jsou konkrétní tzv. profese jednotlivých kolejí. Pod pojmem „profese“ se rozumí např. informace o tom, které koleje modelu se budou používat pro vjezdy vlaků, které koleje budou fungovat jako spojky pro odstup vlakových lokomotiv do depa, kde se bude nacházet svážný pahrbek (pahrbková kolej), popř. výtažné koleje apod. Informace o profesi koleje je důležitá při dalším budování simulačního modelu, a to zejména ve fázi určování technologií a technologických úkonů pro obsluhu souprav vlaků. Například v technologickém úkonu přesun posunovací lokomotivy k soupravě se stanovuje to, jakou profesi mají mít koleje, po nichž se má lokomotiva k soupravě, která o ni žádá, přesouvat.

Profese jsou kolejím přiřazeny tvůrcem simulačního modelu (v rámci modelu infrastruktury) na základě poznání reálného, popř. projektovaného kolejiště. Přidělováním profesí kolejím vzniká logická úroveň modelu infrastruktury. Před vytvořením logické úrovně modelu infrastruktury je třeba stanovit profese všech kolejí, jejichž použití se předpokládá.

Po vytvoření fyzické úrovně modelu infrastruktury, seznamu profesí kolejí a logické úrovně modelu infrastruktury následuje určování jízdních cest, které budou v simulačním modelu používány mobilními prostředky. Při stanovování jízdních cest se opět vychází ze znalosti reálné situace v modelovaném uzlu. Lze vycházet např. z protokolu zapisovaného elektronickým stavědlem, v němž jsou záznamy o každé postavené jízdní cestě. Po analýze protokolu se vytvoří seznam používaných jízdních cest. Jízdní cesty se rovněž vytvářejí v editorech, které jsou součástí samotného simulačního nástroje. Vedle předem stanovených jízdních cest lze používat i dynamické jízdní cesty, které jsou počítány automaticky během simulačního pokusu při zohlednění aktuální obsazenosti kolejiště.

6. Model provozu

Pro posouzení vhodnosti navržené konfigurace infrastruktury pro potřeby konkrétního uzlu je velmi důležité její provozní prověření, tj. uskutečnění série simulačních pokusů zohledňujících různé varianty provozu. Simulace provozu uzlu na prověřované infrastruktuře může poukázat na případné menší nebo větší nedostatky v její konfiguraci, které neumožňují dosahovat očekávaných výkonů či plynulosti lokálních technologických procesů. V rámci dalších simulačních pokusů se prověřují modifikované konfigurace infrastruktury, v nichž jsou navrhována opatření na odstranění uvedených nedostatků. V krajním případě se může, na základě výsledků simulačních pokusů, prokázat nevhodnost celé koncepce infrastruktury, kterou je potom nutné zásadně přepracovat. Takové zjištění může být velmi cenné pro investory, kteří o realizaci investice do infrastruktury rozhodnou až po jejím úspěšném simulačně-provozním prověření. Pro dosažení potřebné úrovně věrnosti simulace provozu železničních uzlů (vzhledem k realitě) je nutné v příslušném simulačním modelu zohlednit všechny provozně důležité aspekty. Dynamický model provozu železničního uzlu v simulačním nástroji se skládá zejména z těchto komponent:

  • mobilní zdroje obsluhy, které zahrnují jednotlivé pracovníky pracující v terénu stanice (např. vozmistři, vnější tranzitéři, průvodčí lokomotiv atd.), lokomotivy (např. posunovací, pahrbkové, vlakové apod.),

  • technologické postupy, které se zaměřují na formální popis používaných technologických procesů (specifikovaných v podobě síťových grafů – obr. 3), včetně požadavků na přidělování potřebných zdrojů obsluhy,

  • objekty obsluhy, zabývající se popisem temporárních prvků, které jsou podrobeny různým druhům obsluhy (jde např. o vlaky, popř. jejich vozy, cestující, kamiony, kontejnery apod.),

  • řízení, soustřeďující se zejména na rozhodování o prioritách zpracování objektů obsluhy a dále na správu všech typů obslužných zdrojů, tj. infrastruktury a mobilních zdrojů, které podle daných pravidel přiděluje, popř. odebírá příslušným žadatelům – obslužným procesům.

Experimentální simulační prostředí ilustruje průběh zkoumaného provozu prostřednictvím animace, která umožňuje podrobně sledovat jeho vývoj v rámci pracovních směn a následně poskytuje velmi širokou škálu postsimulačních statistických vyhodnocení výsledků z provedených pokusů.

7. Simulační studie žst. Praha Masarykovo nádraží

7.1 Simulační model
Jako ilustrační příklad je ukázán simulační model sestavený pro potřeby Generálního ředitelství Českých drah pro prověření prognostického stavu infrastruktury, technického vybavení a provozu v železniční stanici Praha Masarykovo nádraží a jejím bezprostředním okolí.

Pro model uvedené stanice byly zpracovány dvě verze infrastruktury s rozdílným uspořádáním a umístěním nástupištních hran (obr. 4, obr. 5). Na obr. 6 je znázorněn celkový model infrastruktury s naznačením jednotlivých kolejových obvodů, který byl použit pro simulační experimenty.

Podkladem pro určení vlaků jsou fragmenty prognostického grafikonu vlakové dopravy pro ranní dopravní špičku mezi 6.00 a 9.00 h, obsahující tyto spoje:

  • S1: (Kolín –) Praha-Libeň – Praha Masarykovo nádraží a zpět, takt 30 minut, doba pobytu 35 minut,

  • S2: (Lysá nad Labem –) Praha-Vysočany – Praha Masarykovo nádraží a zpět, takt 30 minut, doba pobytu 30 minut,

  • S5: (Kralupy nad Vltavou –) Praha-Bubeneč – Praha Masarykovo nádraží a zpět, takt 30 minut, doba pobytu 25 minut,

  • S6: (Kladno –) Praha-Dejvice – Praha Masarykovo nádraží a zpět, takt 15 minut, doba pobytu 20 minut,

  • S22: (Letiště Ruzyně –) Praha-Dejvice – Praha Masarykovo nádraží a zpět, takt 15 minut, doba pobytu 20 minut.

Po vytvoření, verifikaci a validaci simulačního modelu byly vykonány příslušné simulační experimenty. V jejich průběhu lze sledovat animaci pohybů všech dopravních prostředků (obr. 1) a také průběh běžících technologických postupů.

7.2 Simulační experimenty
Simulační experimenty byly zaměřeny na zkoumání provozních charakteristik vybraných scénářů. Posuzované scénáře se od sebe liší počtem uvažovaných nástupištních hran, umístěním nástupištních hran a dobou pobytu vlakových spojů ve stanici.

V rámci simulačních experimentů bylo vyhodnoceno deset scénářů provozu, a to sedm scénářů s použitou verzí infrastruktury podle obr. 1:

  • scénář 1: počet nástupištních hran 6+4,

  • scénář 2: počet nástupištních hran 6+4, částečně levostranný provoz,

  • scénář 3: počet nástupištních hran 6+2,

  • scénář 4: počet nástupištních hran 6+2, částečně levostranný provoz,

  • scénář 5: počet nástupištních hran 7+2, částečně levostranný provoz,

  • scénář 6: počet nástupištních hran 7+2, částečně levostranný provoz, zkrácení doby pobytu spoje S5,

  • scénář 7: počet nástupištních hran 7+2, zkrácení doby pobytu u spojů S6 a S22 na 10 minut

a tři scénáře s použitou verzí infrastruktury podle obr. 2:

  • scénář 8: počet nástupištních hran 7+3, částečně levostranný provoz,

  • scénář 9: počet nástupištních hran 6+3,

  • scénář 10: počet nástupištních hran 6+3, zkrácení doby pobytu u spojů S6 a S22 na 10 minut.

Výsledky realizovaných simulačních experimentů (založených na uvedených scénářích) byly statisticky zpracovány, přičemž cílem bylo získat zejména tyto údaje:

  • poměrné využití koleje u nástupiště (v procentech),
  • konflikty mezi vlaky,
  • případné hodnoty zpoždění vlaků,
  • minimální nutný počet přestavení výměn.

Vedle vyhodnocení sledovaných údajů byl také pro každý scénář sestaven plán obsazení kolejí.

Provoz založený na scénáři 2 (6+4 nástupištních hran) reprezentuje druhé nejlepší řešení (z hlediska procentuálního obsazení nástupištních hran) na první verzi infrastruktury. Obsazení každé jednotlivé nástupištní koleje nepřesáhlo 80 % pro prognostický jízdní řád. Scénář 7 vykazuje nejnižší obsazení nástupištních kolejí na první verzi infrastruktury, avšak za cenu zkrácení doby pobytu u linek S6 a S22 z původních 20 na 10 minut.

Provozem, který je založen na druhé verzi infrastruktury, se zabývají scénáře 8 až 10. Nejmenší procento obsazení nástupištních kolejí vykazuje scénář 10, který je založen na zkrácení doby pobytu u spojů S6 a S22. Scénář 8 poskytuje nejlepší provozní řešení pro prognostický jízdní řád (bez zkrácení doby pobytu) s obsazením kolejí, které nepřesahuje 80 %.

Vybrané scénáře (2, 8 a 10), které vykazují požadovanou kvalitu provozních charakteristik, byly dále s využitím simulace prověřeny z hlediska možného příjezdu zpožděných vlaků. Pro odlišení od původních scénářů jsou vybrané scénáře označeny jako scénáře 2a, 8a a 10a.

Nejmenší procento obsazení kolejí vykazuje scénář 10a, ovšem za cenu nejhorších výsledků při vyhodnocení zpoždění vlaků při odjezdu. Zde se projevila citlivost provozu na zpoždění, tzn. že se zpoždění na příjezdu ve větší míře přenáší na čas odjezdu vlaku. To je způsobeno kratšími dobami pobytu u spojů S6 a S22. V tomto případě bylo poukázáno na významnou citlivost na příjezd zpožděných vlaků.

Scénáře 2a a 8a jsou z hlediska vyhodnocení obsazení kolejí téměř identické, nepatrně lepší hodnoty maximálního zpoždění vlaků a průměrné doby zpoždění vykazuje scénář 2a.

7.3 Vyhodnocení výsledků simulační studie
Z vyhodnocení jednotlivých scénářů vyplývá, že nejvhodnější jsou konfigurace infrastruktury a vlakové dopravy odpovídající scénářům 2, 8, 7 a 10. U žádného z nich nebyla míra obsazenosti kolejí vyšší než 80 %.

Rozdíl mezi scénáři 2, 8 a scénáři 7, 10 spočívá ve zkrácení doby pobytu u spojů S6 a S22 v žst. Praha Masarykovo nádraží, které je v souladu s realistickými předpoklady technologických časů použitých v rámci prognózovaného provozu.

Rozsah infrastruktury podle scénářů 7 a 10 je dostačující pro zabezpečení provozu stanice z pohledu simulací dosažených výstupních provozních charakteristik, tj. využití nástupištních kolejí a zpoždění vlaků při odjezdu (důsledkem náhodných zpoždění vlaků při příjezdu).

Konfigurace infrastruktury podle scénářů 2 a 8 umožňuje, na rozdíl od infrastruktury podle scénářů 7 a 10, realizovat provoz stanice s lepšími provozními charakteristikami, přičemž rovněž vykazuje menší citlivost na zpoždění vlaků při příjezdu vzhledem ke zpožděním vlaků při odjezdu.

Popsaným projektem se podařilo porovnat různé provozní varianty infrastruktury a jízdních řádů v žst. Praha Masarykovo nádraží. Dosažené výsledky poukázaly na silné a slabé stránky jednotlivých scénářů, což bylo cílem celého projektu.

8. Závěry

Při navrhování a optimalizaci infrastruktury železničních a smíšených uzlů se nelze obejít bez podrobného a objektivního posouzení důsledků přijímaných rozhodnutí, protože ve hře jsou mimořádně velké finanční prostředky. Vhodnost plánovaných zásahů do infrastruktury není možné objektivně posoudit bez podrobného studia provozu uzlu po tomto plánovaném zásahu. Pro mimořádnou komplexnost uzlů a provozu v nich je snad jedinou účinnou technikou zkoumání důsledků rozhodnutí experimentování s dostatečně věrným simulačním modelem uzlu. Popsaná metodika (jakož i zmíněný simulační nástroj Villon) je úspěšně používána v rámci aplikačních projektů (popisovaných v [3] až [6]) zejména pro železniční společnosti v ČR, SR, SRN, Rakousku, Německu, Švýcarsku, Velké Británii a v Číně.

Literatura:
[1] KAVIČKA, A. – KLIMA, V. – ADAMKO, A.: Agentovo orientovaná simulácia dopravných uzlov. Monografie, EDIS, Žilinská univerzita, 2005, ISBN 80-8070-477-5.
[2] ZOUHAR, Z. – BAŽANT, M. – KAVIČKA, A. – ZAŤKO, M.: Simulation model of a prognostic traffic within Prague Masaryk station. In: Proceeding of 14th International Symposium Eurnex-Žel 2006, University of Žilina, Žilina, 2006, pp. 162–167, ISBN 80-8070-550-X.
[3] KAVIČKA, A. – KLIMA, V. – ADAMKO, N.: Analysis and optimisation of railway nodes using simulation techniques. In: Proceedings of Comprail 2006 conference in Prague – Czech Rep., WIT-Press, Southampton-UK, 2006, pp. 663–672, ISBN 1-84564-177-9.
[4] KAVIČKA, A. – KLIMA, V. – NIEDERKOFLER, A. – ZAŤKO, M.: Simulation model of marshalling yard Linz Vbf (Austria). In: Proceedings of The international workshop on Harbour, Maritime & Logistic Modelling and Simulation, SCS, Genoa, Italy, 1999, pp. 317–320, ISBN 1-56555-175-3.
[5] KAVIČKA, A. – ADAMKO, N. – KLIMA, V. – MÁRTON, P.: Racionalizace dopravních uzlů pomocí simulačních technik. In: Sborník příspěvků z konference Věda o dopravě 2004, ČVUT Praha, 2004, s. 125–132, ISBN 80-01-03047-4.
[6] ADAMKO, N. – KLIMA, V.: Simulačná podpora navrhovania a optimalizácie železničných uzlov. In: Proceeding of the 4th international scientific conference – Challenges in Transport and Communication, University of Pardubice, Pardubice, 2006, pp. 1037–1044, ISBN 80-7194-880-2.

Odkazy na internet:
http://kavicka.upce.cz/book
http://www.simcon.sk

doc. Ing. Antonín Kavička, Ph.D.
(antonin.kavicka@upce.cz),
Ing. Michael Bažant
(michael.bazant@upce.cz)
Lektoroval: Ing. Ivo Myslivec, Ph.D.

Doc. Ing. Antonín Kavička, Ph.D., pracuje jako vedoucí oddělení modelování a simulace na katedře informatiky v dopravě Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice. Zabývá se modelováním a simulací dopravních (zejména železničních) systémů. V pedagogické oblasti působí jako garant předmětů modelování a simulace a diskrétní simulace.

Ing. Michael Bažant je pracovníkem katedry informatiky v dopravě Dopravní fakulty Jana Pernera Univerzity Pardubice. Zabývá se zejména problematikou výzkumu a vývoje řídicích komponent simulátorů osobních železničních stanic.

Obr. 2. Fyzická úroveň modelu infrastruktury
Obr. 3. Příklad zjednodušeného postupu zpracování vlaku v simulačním modelu (linky S1 a S2)
Obr. 4. Verze infrastruktury s počtem nástupištních hran 6+4 (pro scénáře 1 až 7)
Obr. 5. Verze infrastruktury s počtem nástupištních hran 7+3 (pro scénáře 8 až 10)
Obr. 6. Celkový model infrastruktury s vyznačením jednotlivých obvodů

Příspěvek lze ve formátu PDF stáhnout zde