Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный анализ отечественного и зарубежного опыта организации скоростного движения 10 стр.
1.1. Концепция повышения скоростей движения пассажирских поездов 10 стр.
1.2. Характеристики скоростных поездов и систем 16 стр.
1.3. Постановка задачи об интервальном регулировании скоростного потока пассажирских поездов при поэтапном увеличении их скорости 20 стр.
Глава 2. Основные эксплуатационно-технические параметры системы ИРДГТ. Исследование точности движения скоростных поездов 27 стр.
2.1. Тормозной путь как фактор безопасности движения и флуктуация его величины при росте скоростей движения 27 стр.
2.2. Экстраполяция тормозных путей скоростных поездов на величины скоростей в диапазоне 200 - 400 км/ч 34 стр.
2.3. Критериальные подходы к управлению скоростным движением 46 стр.
2.4. Развитие систем интервального регулирования движения поездов и критерии их эффективности 57 стр.
2.5. Выводы по главе 2 63 стр.
Глава 3. Исследование интервального регулирования поездов и их разделения временем и расстоянием 66 стр.
3.1. Режимы движения попутных поездов 66 стр.
3.2. Защита попутно следующих поездов в пакете временем при четырехзначной сигнализации с резервированием двумя блок-участками 73 стр.
3.3. Системы ИРДГТ в различных режимах движения поездов 83 стр.
3.4. Исследование потерь скорости при переходе
в нестандартные режимы движения. Разработка методики расчета потребных ресурсов пропускной способности 95 стр.
3.5. Выводы по главе 3 105 стр.
Глава 4. Основные экономические параметры скоростных железнодорожных коридоров 109 стр.
4.1. Разработка карт критических соотношений экономических параметров скоростных поездов 109 стр.
4.2. Сравнение скоростных систем поездов ICE и MSB Transrapid 120 стр.
4.3. Скорость как показатель качества услуги «поездка на поезде». Структура тарифов на поездки скоростными поездами (на базе поездов ICE) 127 стр.
4.4. Выводы по 4 главе 130 стр.
5. Заключение 132 стр.
Литература
- Характеристики скоростных поездов и систем
- Экстраполяция тормозных путей скоростных поездов на величины скоростей в диапазоне 200 - 400 км/ч
- Защита попутно следующих поездов в пакете временем при четырехзначной сигнализации с резервированием двумя блок-участками
- Скорость как показатель качества услуги «поездка на поезде». Структура тарифов на поездки скоростными поездами (на базе поездов ICE)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Экономика России, стран СНГ и любого современного государства не может успешно функционировать без развитого железнодорожного транспорта. По мере углубления реформ и дальнейшего развития рыночных экономических отношений в России осуществляется увеличение протяженности и модернизация технического оснащения сети железных дорог. Переоснащение основных объектов сети -железнодорожных участков, направлений, узлов, станций и вокзалов выполняется на базе современных информационных технологий, повышения скоростей движения пассажирских и грузовых поездов, сокращения времени поездок пассажиров и сроков доставки грузов.
Программы модернизации железных дорог России и нового железнодорожного строительства направлены на удовлетворение потребностей населения и предприятий разных форм собственности в перевозках, повышение конкурентоспособности железнодорожного транспорта, освоение новых территорий Урала, Сибири и Дальнего Востока, их промышленного, социального и культурного развития. Приоритетная роль в решении этих проблем принадлежит реконструкции существующих железнодорожных направлений для организации движения пассажирских и других срочных поездов с повышенными скоростями движения, а на специализированных линиях (коридорах) при ограниченном уровне инвестиций обеспечивать перевозки с достаточно высокими скоростями. Необходимо, однако, с целью повышения конкурентоспособности железных дорог и удовлетворения спроса населения на перевозки большее разнообразие вариантов по выбору пассажирами времени поездки, типа поездов и вида вагонов, по набору предоставляемых услуг. Особенно актуальны эти проблемы в международных и внутренних транспортных коридорах.
Проблема скорости пассажирских, ускоренных контейнерных и других поездов напрямую связана с затратами наиболее дорогостоящего ресурса транспорта - пропускной способностью при высоком уровне надежности, безопасности технического комплекса. Ведущая роль в решении этой проблемы принадлежит интервальному регулированию потока поездов и в особенности скоростного и высокоскоростного пассажирского поездопотока, созданию системы резервирования надежности и безопасности при выполнении необходимого уровня комфортности и престижа железных дорог на рынке пассажирских и товарных транспортных услуг. Учитывая остроту этих проблем, требования к точному соблюдению сроков поездок, к качеству транспортной работы, научно-техническому уровню железнодорожной системы в условиях конкуренции других видов транспорта значительно возрастают.
Эти и другие факторы определяют актуальность организационного, информационного, математического и экономического обеспечения пассажирских и ускоренных грузовых перевозок в транспортных коридорах, в том числе международных сообщениях. Интеграция транспортной системы России и стран СНГ в мировую фанспортную систему способствует, как известно, решению собственных текущих и долгосрочных внутриэкономических
проблем, улучшению хозяйственных связей между регионами и соседними странами, повышению конкурентоспособности отечественных транспортных коммуникаций, стимулированию транзитных перевозок, формированию международных и внутренних транспортных коридоров (МТК, ВТК) исходя из национальных интересов.
Европейский и отечественный опыт показывает, что рентабельность должна быть пропорциональна скорости, а высокие скорости окупаются в течении 3-4х лет (Франция - линии ТЖВ и другие страны). Скоростные железные дороги повышают мобильность различных групп населения, увеличивают число поездок с информационной и деловой направленностью, ускоряют оборачиваемость товаров срочной доставки.
Задача формирования основной схемы скоростных магистралей России, стран СНГ (во взаимосвязи с европейской схемой) в последние годы начинает приобретать практическое значение.
В Москве в июне 1993 г. на совещании экспертами Управлений дорог была поставлена задача создания «кольца» соединений в России, в Центральной и Восточной Европе, охватывающего города Санкт-Петербург, Москву, Киев, Минск, Варшаву, Бухарест и создания системы быстрых железнодорожных сообщений внутри этого кольца, совпадающей с высокоскоростной сетью Западной Европы.
На территории России сложились транспортные коммуникации, на которых концентрируются внешние и внутренние грузо- и пассажиропотоки; перевозки пассажиров, следующих в международных сообщениях. На этих направления создана, как правило, развитая транспортная инфраструктура, и прежде всего железнодорожная, имеющая общегосударственное значение. К этим направлениям относятся железнодорожные коммуникации Север Юг и Запад -Восток.
Масштабный экономический интерес России и стран СНГ представляют транспортные коммуникации, обеспечивающие транзитные перевозки в направлении Запад - Восток. Ключевая роль в этом принадлежит Транссибирской железнодорожной магистрали. Программа развития железнодорожного транспорта России и роста скоростей пассажирского движения, как в рамках скоростных международных коридоров, так и по многим региональным транспортным коридорам и линиям имеет возрастающую актуальность. На большинстве линий параметры организации скоростного движения будут не одинаковыми.
Проблема интервального регулирования и резервирования скоростного пассажирского и грузового движения входит в состав комплексных проблем организации движения на перспективу 2005 - 2015 годов. Актуальность этой проблемы связана также и с тем, что она включается в разработку новых требований к графику движения пассажирских и грузовых поездов, установлению необходимых резервов пропускных способностей и обеспечения надежности и безопасности пассажирского и грузового движения.
В связи с развитием фундаментальных и прикладных наук и использованием их достижений в народном хозяйстве, на железнодорожном
транспорте России созданы объективные предпосылки расширения проблем скоростных и высокоскоростных линий с обеспечением высокого уровня комфорта, надежности и безопасности. Среди населения поездки по железной дороге идентифицируются с маловероятным уровнем риска для жизни и здоровья пассажиров. Этот фактор во многом предопределяет популярность пассажирских поездов в удовлетворении спроса на поездки и эта популярность должна быть не уменьшена на скоростных и высокоскоростных линиях.
Актуальность проблемы определяется тем, что повышение скоростей входят в государственные программы России, и они решаются в настоящее время, и будут решаться в ближайшем будущем, в диссертации разрабатываются такие вопросы как установление закономерностей транспортного потока при росте скоростей движения как на обычных, так и на скоростных специализированных линиях (внутренних и международных транспортных коридорах), обобщается опыт скоростного движения за рубежом и на сети железных дорог России, разрабатываются методы параметрической декомпозиции систем интервального регулирования без резервирования и с резервированием, для которых проблема защиты временем и расстоянием попутно следующих поездов в пакете имеет определяющее значение и самостоятельный характер, поскольку существующая (традиционная) методика дает значения защитных (блокирующих) параметров, величина которых обратно пропорциональна скорости, что противоречит задаче роста скоростей. Ресурс пропускной способности в системе интервального регулирования при различных диапазонах роста скоростей должен также возрастать пропорционально росту скорости и блокирующих величин гарантированного обеспечения безопасности.
Решение этих вопросов соответствует принятым Программам Правительства РФ и в том числе «Основным направлениям развития и социально-экономической политики железнодорожного транспорта на период до 2005 года» (М., Ротапринт МПС, 1996, - 76с.) и Программе «Скорость».
Степень научной разработанности проблемы. Рост скоростей до уровня их значений в международных скоростных железнодорожных коридорах сравнительно новая задача, которая поставлена Государственной Программой «Скорость» в конце 90-х годов с переходом экономики России к рыночным отношениям. Это объясняется, , во-первых, тем что необходима системная реализация повышенных скоростей в пассажирском и грузовом движении, обеспечения высокоскоростных коридоров гарантированной безопасностью движения при светофорных и электронных резервированных системах регулирования двилсения и, во-вторых, предшествующий отечественный опыт исходил в основном из скорости до 200 км/ч (линия Москва - Санкт-Петербург). Необходимость роста скоростей объясняется еще и тем, что по меньшей мере РЖД входят в девять мелсдународных коридоров ОСЖД/ЭСКАТО ООН и Панъевропейских (Критских) коридоров, в т.ч. таких по протяженности как Москва - Н. Новгород - Свердловск - Омск - Новосибирск - Тайшет -Красноярск с разветвлением до Ванино и Находки (первый коридор).
Речь идет таким образом о научной проработке проблем, критериев и моделей системной организации скоростного движения в транспортных
коридорах и линиях с использованием международного и отечественного опыта. Вопросы управления скоростными линиями рассматривались в работах В.И.Арсенова, А.А.Гинева, Н.И.Громова, С.В.Доминина, А.Н.Ефанова, А.А.Зайцева, С.М.Резера, Е.А.Сотникова, С.С.Жаброва, Ю.В.Дьякова, Л.Б.Миротина, В.А.Персианова, В.М.Лисенкова, И.Г.Тихомирова, Ф.П.Кочнева и др. В области создания и развития систем ИРДП известны работы отечественных ученых А.И.Шишлякова, Б.Л.Кровацкого, Н.Ф.Пенкина, В.М.Лисенкова, А.С.Переборова, Вл.В. и В.В.Сапожниковых, В.И.Шелухина и др.
Развитию скоростных систем и повышению их роли в управлении и в экономике занимались известные исследователи: Д.Бенсон, Л.Воске, М.Бруке, Х.Кайндрэд, Д.Нэпи, Д.Уайтхез, Р.Харрисон, Д.Холт, Д.Хитшникал, В.Ренерт и другие.
Необходимость решения проблем скоростного движения была сформулирована на международных конференциях по транспорту (Крит, 1994г.; Хельсинки, 1997г.; Евроазиатская конференция Санкт-Петербург, 1998, 2000 г.г.), на которых определены конкретные транспортные коридоры Восток-Запад и Север-Юг, выработаны исходные концепции роста скоростей. Участие в конференциях принимали также Министры транспорта России и евроазиатских стран.
Автор настоящей диссертации получил возможность изучать опыт скоростного движения на стажировке в Германии в высшей школе г.Магдебурга (1997г.).
Цель исследования - разработать методики расчета критериев точности и безопасности выполнения траекторий движения скоростных поездов, определить потерю скорости движения поездов в транспортном потоке в связи с возможными переходами от стационарного режима к режиму движения с пониженными скоростями на основе решения задачи математической теории транспортных потоков. Установить ресурсный подход к защите (блокировке) попутно следующих поездов путем резервирования межпоездного расстояния, рассмотреть системы интервального регулирования движением поездов (ИРДП) как гибкие системы светофорного и электронного регулирования, предложить методику расчета пропускной способности транспортных коридоров в попутном направлении по главным путям, .величина которой пропорциональна величине скорости, плотности потока и времени работы коридора, причем скорость и плотность потока должны быть изолированными параметрами расчета скорости доставки грузов.
Задачи исследования определяются поставленной в теме диссертации целью выполнения работы. Эти задачи сводятся к следующему:
анализ отечественного и зарубежного опыта организации скоростного движения и реализации повышенных скоростей; дать оценку экономических параметров скоростных поездов в виде карт критических соотношений.
установить основные эксплуатационно-технические параметры системы ИРДП при светофорных системах 3/3 и 4/4 без резервирования и с резервированием, а также схемы электронной (без светофорной) системы ИРДП.
- установить критериальные требования к выполнению траекторий
движения скоростных поездов с использованием теории ошибок и многочленов
Эрмита.
- рассмотреть взаимодействие попутно следующих поездов и предложить
методику расчета понижения скорости поездов в потоке на основе решения
задачи, поставленной математической теорией транспортных потоков (численное
определение величины к) и определить в среднем реализуемую скорость потока
поездов.
- предложить методику определения пропускной способности как
совокупною ресурса транспортного коридора, пропорционального величине
средней скорости, средней плотности потока и времени работы коридора (линии),
причем эти параметры должны согласовываться (не противоречить, быть
изоморфными) сроку поездки пассажиров и времени доставки товаров.
В соответствии с поставленными целями и задачами на защиту выносятся следующие вопросы:
1 .Концепция, в соответствии с которой в скоростном движении защитными (блокирующими) ресурсами поездов в потоке являются межпоездное расстояние и время (интервал). В связи с возможными отклонениями от стационарного режима движения эти переменные могут резервироваться одним или несколькими блок-участками (светофорные системы ИРДП) или иметь резерв межпоездного расстояния - электронные системы ИРДП.
2.Регламентация точности выполнения траекторий движения скоростных поездов с использованием многочлена Эрмита. Поскольку этот параметр качества транспортных услуг экспонируется во внешней среде, точность может быть предметом государственного лицензирования, а технология скоростных коридоров железных дорог отнесена к высокоточным технологическим процессам.
3.Решение уравнений Ф.Хєнта в математической теории транспортных потоков, в результате которого определена величина к - потеря скорости в транспортом потоке, рассчитана средняя скорость и коэффициент регулирования потока.
4.Методика расчета пропускных способностей в каждом из попутных направлений главных путей транспортного коридора, величина которых прямо пропорциональна средней скорости потока, его плотности и времени работы коридора. Зависящие переменные согласуются (изоморфны) основным переменным при расчете времени поездки пассажиров и сроков доставки грузов.
Объект исследования - основные параметры регулирования скоростных железнодорожных коридоров.
Предмет исследования - режимы работы, регулирования, пропускная способность, защитные ресурсы поездов в потоке железнодорожных транспортных коридоров.
Теоретико-методологической основой диссертационной работы является системный анализ скоростного движения, дифференциальные уравнения движения (разгона, торможения) поездов, теория ошибок и многочлены Эрмита, математическая теория транспортных потоков, теория расчета пропускных
способностей на железнодорожном транспорте. Использовались научно-методические издания МНС по режимам движения поездов при росте скорости, по безопасности движения и графикам движения МПС.
Эмпирическая, база исследований включает анализ скоростного движения на линии Санкт-Петербург Москва» практическая стажировка в Германии (Магдебург, Стендаль), участие в учебно-методических семинарах и конференциях в Германии, изучение международных конференций по работе скоростных транспортных коридоров в Санкт-Петербурге, изучение международных семинаров но 2-му коридору в Минске и Бресте.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
- сформирована ресурсная двухпараметрическая концепция системы ИРДП
при росте скорости в железнодорожных транспортных коридорах;
- разработана новая методика оценки точности выполнения траекторий
движения скоростных поездов на основе теории ошибок и многочленов Эрмита,
позволяющая количественно и качественно идентифицировать траектории
движения скоростных поездов;
- предложена методика определения потерь скорости поездов в
транспортном потоке на основании решения уравнений Ф.Хейта теории
транспортных потоков, позволяющая оценить уровень регулирования
поездопотоков в разных системах ИРДП и выполнения стационарного режима
движения;
- разработана новая аналитическая модель расчета пропускной способности
двухпутных коридоров.
Практическая значимость диссертации заключается в том, что предложенные в ней методические основы направлены на повышение надежности, безопасности и точности выполнения траекторий движения скоростных поездов в координатах (/,/), что эти концепции могут составить предмет государственного лицензирования технологических процессов по организации движения скоростных поездов в железнодорожных транспортных коридорах. Предложенные карты критических соотношений экономических показателей представляют собой необходимый методический материал для бизнес-планов скоростного движения и инвестиционных проектов роста скоростей на железных дорогах компании «РЖД» в том числе при разработке структуры тарифов для скоростных поездов.
Режим работы скоростных коридоров и системы ИРДП могут быть использованы при разработке ТЗ на создание АДЦУ для скоростных коридоров в пределах национальной сети железных дорог России. Они могут быть использованы и уже частично использованы в учебных процессах МГУПС и БелГУТа.
Апробация результатов исследования осуществлена в научных публикациях по теме диссертации, выступлениях на научно-практических конференциях по проблемам транспорта и безопасности его функционирования и организации движения поездов с повышенными скоростями, а также заседаниях кафедр и исследовательских лабораторий УЭР МГУПС и БелГУТа.
Характеристики скоростных поездов и систем
Пассажирские сообщения в России реализуются по различным схемам и техническим условиям. Во внутреннем сообщении используются традиционные схемы формирования поездов различной массы, допустимой скорости и длины. На скоростных линиях и, прежде всего линии Санкт-Петербург - Москва. Используются новые, в отличие от традиционных, системы поездов ЭР200, «Сокол» и другие. В сообщении с Финляндией организация специальных фирменных поездов «Сибелиус», «Репин», «Лев Толстой» со скоростью 140 км/ч на территории двух государств, с выполнением финских нормативов.
В российско-финляндском сообщении наблюдается устойчивый пассажиропоток, а в периоды новогодних и рождественских праздников в сообщении Москва - Хельсинки назначаются дополнительные поезда. Согласно общим планам между Российскими и Финскими железными дорогами, время в пути пассажирских поездов между Хельсинки и Санкт-Петербургом в перспективе к 2005 году будет составлять Зч. Уже в 2001 году оно сокращено до 5ч.
Для оценки возможностей реализации повышенных скоростей движения рассмотрим характеристики отдельных скоростных поездов и систем [1,2,7,8] отечественных и европейских железных дорог.
Поезд ЭР200 (Россия). Электропоезд ЭР200 был изготовлен по техническим разработкам ВНИИЖТа на основе многолетних исследований в области повышения скоростей движения пассажирских поездов. Было утверждено техническое задание на 14-вагонный электропоезд постоянного тока напряжением ЗкВ с конструкционной скоростью 200 - 250км/ч. В составе электропоезда ЭР200 два головных и 12 промежуточных моторных вагонов, причем головные вагоны не имеют тягового электрооборудования.
Суммарная мощность тяговых двигателей всех моторных вагонов поезда составляет 10320 кВт, что обеспечивает заданные тяговые и скоростные характеристики на уровне ряда европейских поездов. Электропоезд был сконструирован по новым требованиям и параметрам; использованы в конструкции новые системы и элементы. Впервые в отечественном электровозостроении получили воплощение совершенно новые тележки с центральным пневматическим подвешиванием, дисковые и магнитно-рельсовые тормоза, облегченный кузов из алюминиевых сплавов с обтекаемой формой головной части, современное тиристорное регулирование тяговых двигателей в режиме тяги и реостатного торможения с электронной противобоксовочной и противогазной защитой. Разработан и использован в конструкции поезда ЭР200 оригинальный двухступенчатый автоматически регулируемый токоприемник.
Предусмотрена также многозначная сигнализация, автомашинист, кондиционирование воздуха, информационная система в пассажирских вагонах, бар и многое другое. Поезд ЭР200 является хорошим прототипом для последующих модификаций скоростных пассажирских поездов отечественного образца. Ведутся работы по его дальнейшему совершенствованию.
Поезд ICE (Германия). Многосистемный экспресс выполнен как электропоезд с двумя тяговыми головными элементами и шестью соединительными подвижными единицами без привода. Максимальная вместимость (число мест для сидения) - 370. Общее представление об основных параметрах различных вариантов экспресса ICE приведены в таблице 1.2.
Длина восьмивагонного поезда - 200 м. Принимая во внимание обычные 400-метровые платформы, можно соединить друг с другом два поезда. Благодаря большой полезной длине вагонов с отдельными тележками, имеется возможность предоставления отличного ресторанного сервиса.
Поезд ЭТР450 (Италия). Этот поезд разработан с использованием системы уравновешенного корпуса, которая уменьшает боковое ускорение, повышая, таким образом, комфорт. Состав состоит из девяти элементов. Его характеристики сведены в таблицу 1.3.
Из скоростных европейских поездов представляет также интерес шведские поезда с наклоном кузова в зависимости от радиуса кривых участков пути. К этому классу поездов относятся поезда Х2, ХЗ.
Поезд Х2 (Швеция). В состав поезда Х2 с наклоном кузова в кривых участках пути входит два головных вагона с кабинами управления типа Х2, а между ними четыре соединительные единицы (пассажирские вагоны). Имеется возможность заменить вагон с кабиной машиниста второй тяговой секцией того же типа, а в случае необходимости весь поезд молено оснастить только одни токоприемником.
Экстраполяция тормозных путей скоростных поездов на величины скоростей в диапазоне 200 - 400 км/ч
Система ИРДП в условиях больших скоростей основывается на новых подходах и параметрах тягово-эксплуатационных характеристик, которые в настоящее время устанавливаются экспериментально при испытании на отечественных дорогах поезда «Сокол-250» и других типов поездов. Для исследования этих вопросов в системе ИРДП могут быть предварительно использованы экстраноляционные методы оценок тормозных путей и других показателей скоростного движения в условиях повышенных и больших скоростей в целях общей оценки роли этой проблемы.
Действительный тормозной путь Sm принято считать по интервалам скорости движения поезда, в пределах которого условно принимается постоянными действующие на поезд силы в рассматриваемом интервале Уп и Г„+,, где //- число шагов разделения скорости Уп, т.е. начального значения скорости в момент начала торможения. Кинетическая энергия поезда складывается из энергии поступательного движения с- начальной (перед действием тормозов) скоростью Г„ и массой поезда т, а также энергии вращения колесных пар и тех деталей, которые непосредственно связаны с колесными парами и также находятся во вращательном движении. Общая кинетическая энергия в диапазоне скорое гей от Г„ до Ук (конечная скорость, при остановке \\-0) как известно определяется по формуле: к = ї М (1+г), (26) где у - коэффициент учета инерции вращающихся масс (принимается для вагонов - 0,06; электровозов - 0,08; тепловозов - 0,12) [36,37]; т- масса поезда, кг; У„,УК- скорость, м/с в начале и конце некоторых фиксированных отрезков интегрирования.
При исследовании переходных процессов в движении скоростных поездов (процесс разгона, установившегося движения, замедления) целесообразно использовать задачи оптимального управления путем исчисления т.н. конечных разностей и определения разностного оператора вида: = ,,(./-,, ,,,, ,,,...)- (./:, ,0,,...), (2.7) где /,,а,,с,...- функции и параметры управления скоростью движения поезда.
В постановке задачи оптимального управления - «задачи с фиксированными концами» метод конечных разностей носит численный характер и позволяет получить матрицы значений искомых функций: времени разгона ]ГЛ/,; пути Д/, ; торможения XAlS где число шагов (/ = 1,2,...,//) разбиения функций, на каждом шаге по краевым значениям разностного оператора, допуская линейный характер перехода процесса движения от скорости F, и скорости Уій при в целом нелинейном характере изменения силы тяги, тормозной силы, скорости. Это позволяет обосновать переходные процессы движения от одного режима к другому в разных условиях реализации системы ИРДП. Тормозной путь как некоторый первостепенный модуль безопасности определим на основе линейного дифференциального уравнения: S(y) = у + Р(Х)У + q{x) при y"(S) к, (2.8) где к некоторая постоянная величина, константа управления. Кроме того, необходимо учесть линейный характер краевых условий:
Краевые значения разностного оператора А и В необходимо определять на базе функций тяги, тормозной силы от скорости движения. Уравнение (2.8) реализуется на основе дифференциального уравнения движения поезда. Тогда дифференциальное уравнение движения поезда в режиме торможения при определении конечных разностей понижения скорости на основе (2.8) и (2.9): в режиме торможения - = 4("к+«Л(ч, (2-Ю) в режиме замедления при частичной тяге JV - Ь Л ( -Z ),/ , (2.11) dV ,--, -с-, где —L-ускорение при f h 2\wki или замедление при fk\ Vwh ; dt / - частичная сила тяги на 1т массы (веса) поезда, кгс/тс; Xй УДельное сопротивление движению, кгс/тс; «„, - удельная тормозная сила, кгс/тс; ,- коэффициент пропорциональности, физический смысл которого состоит в том, что он представляет собой ускорение поезда при действии ускоряющей силы, равной 1 кгс/тс, численная величина его « 120/ш/ч2.
В зависимости от характера переходного процесса и способа моделирования и аппроксимации процесса движения в дальнейшем дифференциальное уравнение движения использовать в других подходах к установлению графиковых нормативов скоростных поездов. Уравнение движения поезда перед началом торможения запишем в виде: где И7„- суммарные силы основного сопротивления движению, кгс; Wr- суммарная (общая) тормозная сила, кгс; ±WI сопротивление от уклона («+» для подъема, «-» для спуска),кгс; Wr- сопротивление от кривых участков пути, кгс; Выразить массу поезда в кгс (1000) и разделив правую и левую части уравнения (2.10) на массу поезда, получим уравнение в виде: 5001;(1 + г)-( +« + »V) , (2-13) где w0,em,H\,»vr -удельные сопротивления движению: основного, удельная тормозная сила, от уклона и от кривой, кгс/тс. , При пошаговом изменении (дифференцировании) скорости движения поезда из уравнения (2.10) при отключенной тяге (/t=o), т.е. на основании уравнений (2.8) и (2.9) общая величина действительного тормозного пути составит сумму, используемую в тормозных расчетах: tt(w„ +«т±И , +И Г) где / = 1,2 /?; п- число шагов интегрирования. Необходимость пошагового дифференцирования уравнения движения поезда определяется существенной зависимостью (нелинейной) параметров сопротивления движению (и„), а также удельной тормозной силы вт кгс/тс от скорости движения V м/с. Так, основное сопротивление движению выражается зависимостью: wn(V) = a + bV + cV2, (2.15) где а,Ь,с- экспериментальные коэффициенты; V - скорость движения, км/ч. В соответствии с [ - ; ] для пассажирских вагонов: н\,(Г) -1,2 + 0,0121 + 0,0002Г", (2.16) В тормозных системах вновь создаваемых отечественных скоростных поездов значения коэффициентов а,Ь,с уточняется и они носят, как правило, некоторые множества значений. На рис. 2.3 показан график зависимости w0(V) для пассажирских вагонов при скорости Г до 200 км/ч..
Защита попутно следующих поездов в пакете временем при четырехзначной сигнализации с резервированием двумя блок-участками
Сигнальная информация проходных светофоров в закодированном виде в сочетании сигнальных огней содержит сведения о состоянии впереди лежащих блокировочных участков, обеспечивая, таким образом, автоматическое интервальное регулирование. Если, например, допустить 1М = 8000 м и /„ = 400 м, то интервал /4/4 по формуле (3.4) составит 4,2 мин. .-і при скорости V =120км/ч, а при скоростях 160 км/ч - 3,15 мин.; 180 км/ч 2,8 мин.; 200 км/ч - 2,52 мин.; 220 км/ч - 2,3 мин.; 240 км/ч - 2,1 мин. Совершенно очевидно, что это нереальные с точки зрения обеспечения безопасности движения межпоездные интервалы даже при использовании современных технических систем ИРДГТ, АЛСН, автостопном торможении, поскольку такие интервалы не обеспечивают защиту попутно следующих поездов с позиции автотормозов с абсолютным или близком к нему уровнем надежности.
За последние 20 лет схемы автоблокировки (АБ) получили разнообразные варианты усовершенствования и развития [44,57,62] на базе реализации схем релейной логики, релейных контактных и бесконтактных (дискретных и интегральных) логических элементов И, ИЛИ, НЕ, ИЛИ-НЕ, микропроцессорных систем, обеспечивающие логические связи между проходными светофорами 3-х и 4-х-значных сигнальных систем АБ и передачу информации о состоянии соответственно 3-х и 4-х блокирующих участков. В кодовых системах АБ благодаря непрерывной связи путевых устройств с локомотивными в любом месте каждого блок-участка непрерывные системы АЛСН позволяют создать наиболее современные системы автоматического регулирования (САР).
Сложность ИРДП при росте скоростей движения состоит в том, что управление движением и САР взаимосвязаны и представляют собой функционально две компоненты: управление маршрутами с обеспечением достаточного для безопасности движения расстояния между поездами с учетом длин тормозных путей, которые также являются функцией скорости, и управление собственно поездом с обеспечением выполнения нормативов скорости в соответствии с графиковой траекторией. Таким образом, задача управления маршрутами состоит в установке и блокировке свободного маршрута достаточной протяженности. Это принцип реализуется посредством «разграничения пространством» с выполнением требования «на одном пространстве - один поезд»: чем больше скорость, тем большее требуется пространство. В современных условиях и техническом прогрессе в области ИРДП на этом пространстве должен быть один сигнал, надежность которого обеспечивается системой автоматического регулирования не визуально, т.е. «электронной видимостью». Следовательно, при больших скоростях, система управления безопасностью является первым и главным критерием, а пропускная способность должна рассматриваться как ведущий, обеспечивающий заданную максимальную скорость движения ресурс.
Второй компонент - непрерывное управление движением в автоматическом режиме. Отечественные и зарубежные концепции систем ИРДП обеспечивают непрерывное управление и освобождение маршрута с ориентировкой на хвост поезда. Это достигается посредством перехода к технической реализации микропроцессорных систем, разделяя каналы АБ и АЛСН между собой и со станциями осуществляя по рельсовым цепям и по одной двухпроводной линейной цепи, используя модульную структуру АБ и создания системы автоматического регулирования скорости (АРС) обеспечивающей точные и плавные остановки на станциях, когда необходимость в проходных светофорах на специализированных скоростных линиях отпадасг. Даже при не самых высоких скоросгях, например до 250 км/ч, процесс разгона и торможения растягивается во времени до 35 - 42 мин., а регулирование скорости осуществляется дискретными шагами поэтапно: I этап, II этап, III этап, применяя линейную регулировку движения в автоматическом режиме.
Постоянные сигналы на перегонах в новейших системах ИРДП становятся вспомогательными, теряя свое прежнее назначение. Однако они играют основную роль для грузового, низко- и средиескоростного пассажирского движения в условиях, когда локомотивы не оборудованы АРС. Новые системы требуют переоборудования всей инфраструктуры ИРДП и СЦБ.
Четырехзначная система сигнализации, рассмотренная в п. 3.1. и приведенная на рис. 3.2. уже при скорости 120 км/ч создает разделение временем (интервалом) в 4,2 мин. На линии Москва - Санкт-Петербург, например, в расписании движения пассажирских поездов 1998 - 1999 г.г. взаимодействие двух попутноследующих поездов выполняется с различными интервалами (рис.3.3.). Так, поезд №26 из Москвы отправлялся в 23-00, а поезд №6 в 23-10. Интервал между ними по отправлению составил 10 мин. Скорость поезда №26 составила 90,65 км/ч (маршрутная), а поезда №6 соответственно 87,6 км/ч, т.е. попутно следующий поезд №6 отставал от впереди идущего, так как его скорость на 3,06 км/ч меньше. Это отставание по прибытию составило 25 мин., а по расстоянию (пространству) в среднем на 36,5 км. Следовательно, этот вариант взаимодействия попутно следующих поездов №26 и №6 на рассматриваемой линии можно интерпретировать как высоконадежный.
Скорость как показатель качества услуги «поездка на поезде». Структура тарифов на поездки скоростными поездами (на базе поездов ICE)
Интервальное регулирование скоростных поездов основывается на исследовании режимов взаимодействия попутно следующих скоростных поездов в динамике, в процессе движения. Существующая методика расчета межпоездного интервала не в полной мере учитывает режимы и динамический характер указанного взаимодействия, а принятые традиционно схемы сигнализации определяют величину интервала, обратную скорости движения, при постоянной величине межпоездного расстояния. В результате величина интервала при росте скорости сокращается до нереальных значений для использования в скоростном движении пассажирских поездов. Так, например, при схеме сигнализации 3/3 и при скорости 120 км/ч расчетный межпоездной интервал составляет 3 мин, тогда как с позиций выполнения нормальных режимов движения и обоснованных требований исходя из тормозных систем поездов этот интервал не должен быть меньше 4,5 - 5 мин. В диссертации предложены различные варианты резервирования защитных (блокирующих) ресурсов: межпоездного расстояния L6 и интервала. Использование схем сигнализации не только 3/3, но и 4/4 без резервирования также не решает проблему расчета межпоездного интервала для скоростного движения. Обеспечение уровня защищенности (блокировки) одного скоростного поезда от попутно следующего в пакете другого поезда в полной мере не решается и при использовании схемы сигнализации 3/3 с резервированием двумя блок-участками, т.е. при использовании схемы сигнализации 5/5 при АЛСН и автостопной системе торможения, так как при скорости 335 км/ч в схеме 5/5 величина интервала снижается до 2,8 мин. С точки зрения обеспечения безопасности движения эта величина не может быть принята для высокоскоростных поездов при построении реального графика движения, что подтверждается выполненным анализом применительно к линии Москва - Санкт-Петербург: после 1998/99 г.г. интервалы менее 5 мин перестали использоваться при скоростях меньше 200 км/ч.
В качестве базовой может быть принята схема сигнализации 6/6, т.е. схема 4/4 с зарезервированными двумя блок-участками. Она повышает уровень защищенности поездов в пакете расстоянием (два блок-участка), а следовательно и временем. Проблема защищенности поездов в пакете остается актуальной при любой системе регулирования и управления в т.ч. автоматических без светофорных системах управления движением скоростных поездов (рис. 3.5 до скорости 200 км/ч и при 1бу 3000 м до скорости 240 км/ч).
Расчетные схемы сигнализации содержат значительный уровень неопределенности (энтропии) при обосновании межпоездного интервала: эта неопределенность относится к установлению режимов движения скоростных взаимодействующих поездов. Они должны учитывать также степень стационарности взаимодействия по интервалу попутно следующих поездов, что свидетельствует о необходимости резервирования схем сигнализации и регулирования скоростного движения (рис.3.6), (рис.3.7), табл.3.2.
Защита одного поезда от попутно следующего в пакете выражается двухпараметрическим вектором (3.8), на который необходимо накладывать ограничения и снизу (inf 7,inf L) и сверху (snpI,snpL) в соответствии с (3.8.а). Аналогичные ограничения должны накладываться и на резервную часть разделяющего попутные поезда расстояния (SLr) и резервную часть времени интервала (S1Г).
Выполненные исследования зависимости времени (интервала) между попутно следующими поездами в пакете при использовании системы сигнализации 6/6 и АЛСН с автостопом показали, что, начиная со скорости 120 км/ч, при ее дальнейшем росте с шагом +ДГ=10 км/ч расчетные интервалы 1Ш составляют при скорости 120 км/ч 11 мин, а при скорости 200 км/ч величины соответственно равные при /йу=3600 м - 6,5 мин, при 3100 м — 5,8 мин, при 2600 м - 4,7 мин, при 2100 м - 3,8 мин. Исходя из этого, расчетная резервированная двумя блок-участками схема сигнализации 6/6 может считаться еще приемлемой только при /ft,+/,,=3600 м. Далее, за пределами скорости 200 км/ч традиционная система не обеспечивает достаточной защиты попутно следующих в пакете скоростных поездов, интервалы, менее 5 мин. явно недостаточны для скоростной системы ИРДП (табл.3.1. и 3.2.).
В диссертации показана взаимосвязь резервного времени и резервного расстояния предлагаемыми зависимостями (3.11) и (3.12), а применительно к системе сигнализации 6/6 зависимостями (3.11.а), (3.12.а). Исследованы дополнительные ресурсы времени, которые создаются резервированием системы сигнализации 4/4 двумя блок-участками, расчетном расстоянии между поездами в пакете при системе 6/6 исходя из длин блок-участков соответственно 1500, 2000, 2500, 3000 метров, принимая длину скоростного поезда 600 м. Эти расчеты сведены в табл. 3.2.
Анализ полученных значений при росте скорости показывает понижение уровня защищенности поездов в пакете резервным расстоянием и, следовательно, резервным временем. Поэтому эти резервы могут относится к некоторому стационарному режиму движения скоростных поездов для того уровня скорости, на который рассчитывался скоростной поезд непосредственно системой сигнализации. Например, при системе сигнализаций 6/6 уровень скорости может достигать до 200 км/ч, поскольку ее последующий рост резко понижает роль резервного расстояния и времени, а также и уровень защищенности следующих в пакете поездов. Исходя из этого возникает необходимость исследования скорости при следовании поездов в общем потоке с учетом взаимного влияния попутно следующих поездов (3.15) - (3.26).
В нормальных условиях движения потока поездов, когда поезда должны следовать в режиме под зеленый на зеленый (схема сигнализации 4/4 без резервирования) и когда они защищены четырьмя блок-участками возникают ситуации, когда часть поездов, из-за невыполнения параметров скорости, создают влияние на попутно следующие поезда, в результате эти поезда могут следовать под зеленый на желтый огонь, а в отдельных случаях и под желтый на красный в процессе движения по межстанционным расстояниям. Поэтому реализуемая общим потоком скорость понижается по отношению к максимально допустимой ходовой скорости. Исходя из этих предпосылок решена задача математической теории транспортных потоков на основе уравнений (3.36) и (3.37) Ф.Хейта. Применительно к не жестко регулирующим системой сигнализации поездопотокам определены средняя скорость при сбое движения и следовании под зеленый на желтый и далее красный огонь светофора (3.39), (3.41). Выведена средняя величина понижения скорости общего потока (3.42) и выведена зависимость в среднем понижения скорости потока поездов за счет периодических в процессе движения переходов от стационарного режима к режимам сбоев.
Учитывая, что железнодорожные потоки характеризуются высоки уровнем управления и регулирования системой ИРДП и диспетчерскими системами, а при скоростях выше 150 км/ч эти потоки являются строго детерминированными, исследованы уравнения (3.35) - (3.37) для множества скоростей Fj; = {60;70;80;90;100;110;120;130;140;150} ш/ч при Л с = 0,5 поезда/км.
На рис. 3.13 показан график использования максимальной ходовой скорости в общем потоке. Использование максимальной скорости меняется от 0,85 - 0,9 при 60 км/ч до уровня 0,62 - 0,65 при 150 - 170 км/ч. Установлена также область нарастания потерь реализуемой в потоке скорости от ее максимальных значений. Так, при F,=70 км/ч -AVX = +AVx, т.е. они равны нулю, однако при 150 км/ч разность -AVX и +AVX уже составляет 30 км/ч. Это свидетельствует о неэффективности слабо регулируемых и недостаточно надежных (по скорости движения) транспортных потоков в условиях сгущенного движения и больших скоростях (более 80 км/ч) движения транспортных единиц. С ростом скорости пассажирского поездопотока степень его детерминированости должна возрастать пропорционально росту скорости (рис. 3.11, 3.12).
