Комплексный подход к решению задачи повышения пропускной способности

09.09.2022
12:21

В августовском номере журнала «Автоматика, связь, информатика» вышла статья «Комплексный подход к решению задачи повышения пропускной способности». В статье рассмотрены общие подходы к комплексному решению задач повышения пропускной способности за счет развития систем интервального регулирования движения поездов. Проведен анализ существующих технических ограничений инфраструктуры железных дорог. Сформулированы рекомендации по внедрению систем интервального регулирования в масштабах полигонов сети железных дорог с учетом существующих лимитирующих факторов, сопутствующих задач автоматизации, необходимых изменений нормативной базы, изменения модели управления.

РОЗЕНБЕРГ Ефим Наумович,
АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», первый заместитель генерального директора, профессор, доктор технических наук, Москва, Россия

ОЗЕРОВ Алексей Валерьевич,
АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», начальник Международного управления, Москва, Россия

ПАНФЕРОВ Игорь Александрович,
АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», начальник отделения разработки систем интервального регулирования движения поездов по радиоканалу, Москва, Россия

На современном этапе повышение пропускной способности может рассматриваться как стратегическая задача развития железных дорог Российской Федерации. Активная переориентация грузопотоков и стремительно увеличивающаяся нагрузка на железнодорожную инфраструктуру ряда направлений, включая Восточный полигон, требуют оперативных решений «здесь и сейчас». Как показывает практика, строительство только дополнительных путей на отдельных направлениях не решает задачу увеличения пропускной способности в условиях дефицита временных и финансовых ресурсов. Необходимо развертывание новых систем интервального регулирования движения поездов (ИРДП) на полигонах и магистралях с одновременным устранением технических ограничений существующей инфраструктуры для достижения необходимого эффекта от внедрения ИРДП [1].

Современные системы управления движением поездов оцениваются прежде всего с точки зрения их возможностей влиять на увеличение пропускной способности путем сокращения интервалов попутного следования. По экспертным оценкам, потенциальный резерв современных российских систем ИРДП, внедряемых на сети ОАО «РЖД», составляет около 20 %. Однако для его реализации требуется проведение большой организационной работы по решению целого ряда сопутствующих задач.

В первую очередь, необходима комплексная модернизация устройств ЖАТ станций и внедрение систем автоблокировки на перегонах в рамках целых полигонов, а не отдельных участков. Синергический эффект данных мероприятий будет также зависеть от того, насколько успешно удастся минимизировать временные потери при прохождении «узких» мест и, как следствие, отклонения от графика, в том числе, за счет технологии увязки системы микропроцессорной централизации на станциях и системы автоблокировки на перегонах, когда главные пути станции становятся продолжением перегонных устройств [2].

Как показала практика, автоблокировка АБТЦ-МШ с подвижными блок-участками при наличии новой многозначной системы сигнализации АЛС-ЕН позволяет сократить интервал попутного следования до 30 %. Однако итоговая пропускная способность участков и полигонов определяется тем, насколько успешно реализована модель сквозного (бесшовного) движения, в которой имеет значение любая «мелочь», включая топологию горловины и марки крестовин стрелочных переводов. Так, к примеру, моделирование работы станций показывает, что укладка пологих стрелок в горловинах станций позволяет повысить скорость проследования станций.

Целевая задача внедрения новых технологий ИРДП – максимальное сокращение межпоездного интервала с учетом обеспечения требуемого уровня безопасности и сокращения времени в пути следования. Терминологически система ИРДП обозначает перегонную систему. Но решение задач повышения пропускной способности целых участков железных дорог невозможно без учета инфраструктуры промежуточных станций и обгонных пунктов. Станции во многом являются ограничителем для ИРДП, а потому требуется моделирование работы станций для выбранных участков в рамках комплексного устранения лимитирующих факторов.

На сегодняшний день имитационное моделирование станций и перегонов участка, на котором планируется реализация интервального регулирования, фактически становится обязательным условием при принятии решения о внедрении ИРДП. Оно позволяет решить ряд фундаментальных задач, таких как поиск и анализ ограничивающих элементов в работе железнодорожных станций и перегонов, формирование вариантов инфраструктурного и технологического развития этих объектов, оценка предложенных вариантов на основе качественных и количественных параметров, полученных в процессе моделирования, тестирование новой технологии работы в условиях безрисковой среды [3].

К настоящему времени в АО «НИИАС» создано около тысячи цифровых моделей станций и участков железных дорог. На основе имитационного моделирования определяются необходимые длины блок-участков на станциях и подходах к ним (длины рельсовых цепей, места установки маршрутных светофоров) и др. Кроме этого, моделируется работа станции с учетом возможности применения автоматической установки маршрутов и других технических и технологических решений.

Комплекс имитационного моделирования позволяет проводить оценку устойчивости нормативного графика движения поездов и наличия резервов пропускной способности для нагона графика в случае отклонений. Результаты моделирования свидетельствуют о том, что при внедрении систем ИРДП последний фактор ранее никак не учитывался. Отсутствие резерва пропускной способности в объеме 20–30 % также не позволяет нагонять график при отклонениях.

Анализ графика исполненного движения показывает, что отклонения в движении поездов от графика возникают регулярно. В этих условиях действующая система автоблокировки, спроектированная под интервал попутного следования 8 мин, в итоге может обеспечивать интервал не более 10–12 мин. Соответственно, при переходе к 8-минутному интервалу необходимо закладывать в технические средства автоблокировки проектный интервал до 6 мин. Технически система автоблокировки АБТЦ-МШ с подвижными блок-участками позволяет это сделать без серьезного изменения аппаратных или программных средств.

Результаты моделирования работы участков Восточного полигона, проведенные специалистами АО «НИИАС», указывают на то, что фактический график движения поездов по участкам не соответствует нормативному и с трудом обеспечивает текущий грузопоток. При этом в ближайшие два-три года удовлетворить растущий запрос грузоотправителей будет невозможно без фактического перехода на 8-минутный интервал движения поездов.

На Восточном полигоне имеется большое количество участков (Карымская – Бира, Хабаровск – Уссурийск и др.), где график с 8-минутным интервалом при текущем состоянии инфраструктуры реализовать проблематично по ряду причин: наличие инфраструктурных ограничений, влияющих на размеры допустимой скорости движения, что замедляет движение поездов и, соответственно, увеличивает интервалы их попутного следования; длины блок-участков (до 2,6 км), где используется блокировка числового кода.

Дополнительным ограничением для увеличения интенсивности движения является существующая на участках Восточного полигона система тягового электроснабжения. Если в перспективе будет принято решение и удастся реализовать указанное сокращение фактического интервала попутного следования за счет развертывания на всем полигоне бесшовной технологии ИРДП на базе системы АБТЦ-МШ с подвижными блок-участками, имеющей необходимый резерв пропускной способности на случай отклонений от графика, использование поездов весом 7100 т может не позволить полностью соблюдать такой график движения из-за ограничений по тяговому электроснабжению. Для решения этой проблемы отрабатывается технология гибкого графика движения, при котором тяжеловесные поезда сочетаются с более легкими контейнерными поездами.

Другим выходом из ситуации может стать дальнейшее развертывание на участках Восточного полигона системы радиосвязи стандарта DMR, предусматривающей возможность оперативной передачи на борт поезда графика движения с обеспечением режима неодновременного трогания поездов. Наличие такой технологии позволит также иметь резервы по потребляемой электроэнергии.

Разумеется, невозможно решать указанные задачи без своевременного оснащения подвижного состава современными приборами безопасности и системами автоведения. Следует отметить, что современное развитие бортовых систем безопасности предусматривает их интеграцию в систему автоведения в едином программно-аппаратном комплексе. Это даст возможность сократить затраты на оснащение локомотивов и обеспечить не только безопасность, но и повысить надежность ведения локомотива за счет автоматизации ряда рутинных операций, которые сегодня выполняются машинистом.

Для контроля технологической части сегодня все системы автоведения оснащаются блоком «КОВЧЕГ». Он позволяет в режиме реального времени видеть готовность технических средств на локомотиве, в том числе до их выпуска на линию, а также режим, в котором едет машинист (режим советчика или полного автомата). Эксперименты показали, что в перспективе именно полный переход подвижного состава на режим автоведения является ключевым фактором точного соблюдения графика машинистом.

На величину интервалов попутного отправления влияет также и технология отправления состава со станции. В этом случае необходимо рассматривать возможность применения дифференцированного участка удаления, позволяющего отправлять поезда с бокового пути раньше, чем это принято по существующей технологии. Сокращение длины участка удаления обеспечивается путем установки выходного светофора в створе с входным светофором встречного направления.

Одновременно необходимо провести работу по пересмотру регламентов (в том числе и ПТЭ), замедляющих внедрение новых технических решений и технологий ИРДП. Так, необходимо пересмотреть приказы об ограничениях скоростей при следовании с приемоотправочного пути. В качестве примера следует отметить, что действующие ограничения скорости (25–40 км/ч) были рассчитаны с учетом того, что измерение скорости на локомотиве данного вида производится механическим скоростемером 3СЛ2М, имеющим погрешность 5 км/ч. Все новые скоростемеры имеют метрологически аттестованную точность 1 км/ч, поэтому резерв в размере 4–5 км/ч уже технически реализован. Необходимо обеспечить соответствие этих параметров в виде нормативной базы.

Ранее применявшаяся технология регламента «минуты готовности» на сегодняшний момент также нуждается в корректировке. Технологически и технически она была рассчитана на тот режим, когда локомотивную бригаду нужно было подготовить к движению после открытия светофора с учетом отсутствия на локомотиве необходимых приборов безопасности, гарантирующих исключение ошибок локомотивной бригады.

Кроме того, подлежит пересмотру регламент, ограничивающий скорость проследования на желтый сигнал светофора до 60 км/ч. Кстати, в новой редакции ПТЭ это предложено заменить на формулировку о том, что скорость определяется наличием на борту системы обеспечения безопасности, рассчитывающей с учетом всех требований безопасности необходимый предел тормозной кривой по служебному торможению.

Дополнительно обсуждается возможность движения поездов по нормативным графикам не на трех блок-участках с зеленого на зеленый сигнал, а возможность их движения по желтому сигналу, т.е. по полутора или двум блок-участкам. Это позволяет получить тот самый резерв в 20–30 % пропускной способности благодаря применению технологии ИРДП с опорой на современные бортовые приборы безопасности.

Повышение скоростей в указанных случаях требует соответствующего обучения машинистов и дежурного диспетчерского аппарата службы движения, а также жесткого контроля дисциплины.

Ведется также работа по тестированию и отработке технологии пакетного движения на основе такого альтернативного варианта ИРДП, как «виртуальная сцепка». Данная технология может быть особенно перспективна для решения вопроса пропуска поездов на период организации путевых работ, когда необходимо уплотнять движение по «оставшемуся» пути, формируя пакеты до 8 поездов.

Виртуальная сцепка (ВСЦ) – это соединение локомотивов последовательно следующих поездов по радиоканалу. При этом ведение второго («ведомого») поезда осуществляется с учетом информации, получаемой от первого («ведущего») поезда. Управление ведущим и ведомым локомотивами может осуществляться как в режиме автоведения, так и в ручном режиме машинистом (в последнем случае очевидно ужесточение условий безопасности в силу ряда причин, включая психологический фактор, тем не менее расстояние между поездами в ВСЦ при ручном управлении будет заведомо меньше типового расстояния между поездами, следующими на зеленый сигнал светофора). Основным препятствием на пути масштабного внедрения ВСЦ является недостаточное покрытие системами цифровой радиосвязи. Тем не менее, проводимые испытания позволят до конца этого года сформировать заключение о возможности тиражирования самой технологии ВСЦ и применяемой в ее составе аппаратуры.

В ОАО «РЖД» проделана большая работа в вопросах практического тестирования технологии ВСЦ, в отличие от других стран, на железных дорогах которых системы управления и обеспечения безопасности движения используют радиосвязь как основной канал передачи ответственных данных. Так, в ЕС ВСЦ носит в большей степени теоретический характер, поскольку на данный момент в печати публикуются только результаты моделирования, а не реального тестирования ВСЦ на базе аппаратуры ERTMS [4].

Как известно, в странах ЕС наиболее широко внедряется стандартная система ERTMS уровень 2. Эффект повышения пропускной способности достигается, однако, только при условии выполнения таких организационно-технических мероприятий, как: специализация участка (как правило, выделенное пассажирское движение); оснащение локомотивной аппаратурой ERTMS всего парка подвижных единиц, обращающихся на выделенном участке полное покрытие сети GSM-R и др.

В условиях указанных ограничений вслед за ОАО «РЖД» европейские компании предпринимают попытки протестировать гибридные решения, совмещающие принципы работы системы ERTMS уровня 2, 3 и национальных устройств сигнализации на базе рельсовых цепей, направленные на реализацию принципа виртуальных блок-участков с сокращением интервала движения для подвижных единиц, оборудованных локомотивной аппаратурой ERTMS, и пропуск необорудованных подвижных единиц по сигнальным кодам национальной системы.

Такой подход близок к идеологии интервального регулирования, впервые реализованной в 2012 г. в ОАО «РЖД» в виде системы ITARUS-ATC, а впоследствии на МЦК. В России гибридное решение рассматривается как одно из магистральных направлений развития системы ИРДП, в котором цифровой радиоканал используется в виде дублирующего канала передачи ответственной информации, дополнительно к рельсопроводному каналу. В этом случае отказ системы радиосвязи обеспечивает движение в штатном режиме благодаря передаче информации на поезд по рельсовым цепям. Наличие рельсовых цепей также позволяет контролировать полносоставность поезда и не оборудовать поезда аппаратурой контроля наличия хвостового вагона, а также является гарантией защиты системы от кибератак, что крайне важно в современных условиях.

В заключение следует отметить, что технология ИРДП является ключевым инструментом в решении задач повышения пропускной способности. Вместе с тем уже на стадии проектирования и строительства должен учитываться целый комплекс технических и технологических аспектов, без которых внедрение систем ИРДП может не обеспечить должного эффекта. При этом внедрение новых технологий нередко идет вразрез с действующей нормативной базой, требует анализа существующей практики и изменения существующих регламентов, а также обучения машинистов и диспетчерского персонала новым принципам работы. Необходимо тщательное моделирование работы участков в условиях существующих ограничений и возможных рисков безопасности, прежде чем внедрять те или иные технические средства ИРДП. Кроме этого, требуется фундаментальное изменение существующей практики разграничения станции и полигона и переход к новой целевой модели бесшовного (сквозного) движения, базирующейся на приоритете единой технологии управления.


СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

  1. Концепция внедрения на сети железных дорог комплексной технологии интервального регулирования движения поездов: утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 28 сентября 2020 года № XXX.
  2. Розенберг Е.Н., Розенберг И.Н., Озеров А.В. Комплексные решения по повышению пропускной способности железных дорог // Труды АО «НИИАС». – Москва, 2021. – С. 32–47.
  3. Комплекс имитационного моделирования работы железнодорожных станций и участков / И.Р. Гургенидзе, С.В. Калинин, Д.Ю. Халевин, А.П. Козловский // Железнодорожный транспорт. 2021. № 12. С. 38–42.
  4. Quaglietta E., Goverde R.M.P. A comparative analysis of Virtual Coupling Railway operations // Proceedings of the 99th Transportation Research Board Annual Meeting Transportation Research Board (TRB). Washington DC, 2020. 19 p. URL: http://resolver.tudelft.nl/uuid:ebb4548f-aeba-46dd-872b-00a07865ac4d.
  5. Quaglietta E. Analysis of Platooning Train Operations under V2V communication-based signaling : Fundamental modelling and capacity impacts of virtual coupling // The Transportation Research Board (TRB) 98th Annual Meeting Computer Science. Washington DC, 2019. URL: https://pure.tudelft.nl/ws/portalfiles/portal/85752612/E.Quaglietta_Analysis_of_platooning_train_operations_Final_.pdf.
  6. Towards railway virtual coupling / F. Flammini, S. Marrone, R. Nardone, A. Petrillo, S. Santini, V. Vittorini // IEEE International Conference on Electrical Systems for Aircraft, Railway, Ship Propulsion and Road Vehicles & International Transportation Electrification Conference (ESARS-ITEC). 2018. P. 1–6. DOI: 10.1109/ESARS-ITEC.2018.8607523.

[1] Компоненты, составляющие величину интервалов между поездами при прибытии и отправлении
[2] Фактическое исполнение интервалов после модернизации устройств ЖАТ
[3] Направления развития средств автоматики для повышения пропускной способности железных дорог
[4] Управляющий комплекс РСУДП