Подход к оценке влияния надежности элементов городского электрического транспорта на его пропускную способность Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 62 -192 + 656.1

Литвиненко Р.С., Павлов П.П., Аухадеев А.Э.

ФГБОУ ВО «Казанский государственный энергетический университет», Казань, Россия

ПОДХОД К ОЦЕНКЕ ВЛИЯНИЯ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТРАНСПОРТА

НА ЕГО ПРОПУСКНУЮ СПОСОБНОСТЬ

Описана методика оценки пропускной способности элементов городской электротранспортной системы с учетом надежности её инфраструктуры, основанная на использовании в качестве коэффициента надежности комплексного показателя — коэффициента оперативной готовности. Городская электротранспортная система с позиций системного подхода рассматривается, как сложная техническая система, состоящая из большого числа элементов, объединенных в подсистемы (тяговых единиц, тяговых подстанций, контактной сети; рельсовой линии и подрельсового основания), непосредственно участвующие в передаче и превращении электроэнергии в механическую работу тяговых электродвигателей. Начиная с 2010 года, предложенный подход учета надежности элементов транспортной инфраструктуры был апробирован при расчетах наличной пропускной способности железнодорожного транспорта. Поэтому существует объективная необходимость адаптации подобных решений к современным условиям пассажироперевозок городским электротранспортом. Для решения этой задачи помимо введения коэффициента оперативной готовности оценивание пропускной способности элементов инфраструктуры маршрутных линий городского электрического транспорта предлагается производить в суточном интервале времени, а не в часовом, как делалось ранее. При создании новых пассажирских маршрутов или модернизации старых описанная методика позволяет практически оценить прогнозируемые показатели дорожного движения, и соответствие элементов инфраструктуры транспортной линии возможностям планируемых к использованию тяговых единиц

Ключевые слова:

НАДЕЖНОСТЬ, ГОРОДСКАЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА, ПРОПУСКНАЯ СПОСОБНОСТЬ

Введение

Городской электрический транспорт (ГЭТ) предназначен для осуществления городских перевозок пассажиров и может включать такие виды городского транспорта с электрическим приводом колес как трамвай, троллейбус, метрополитен, электробусы, монорельсовый электрический транспорт и т.д. Проектирование городской электротранспортной системы (ГЭТС) осуществляют с учетом обеспечения комфортабельной перевозки пассажиров к месту назначения в минимально короткие сроки.

Основными преимуществами этого вида транспорта являются высокая производительность и эко-логичность. Современные ГЭТС включают в себя две или несколько транспортных систем, подразделяющихся на основные и вспомогательные. К основным относятся скоростные транспортные системы, характеризующиеся высокой провозной способностью (метрополитен, скоростной трамвай). Вспомогательные транспортные системы предназначены для обслуживания основных и проектируются с учетом обеспечения минимальной зоны пешего хождения пассажиров (троллейбус).

Важнейшим параметром оценки транспортной линии является ее пропускная способность, а в совокупности с провозной способностью она определяет место транспортного комплекса в общей системе городского пассажирского транспорта.

Под пропускной способностью транспортной линии или полосы движения ГЭТ понимается наибольшее количество единиц подвижного состава, которое может быть пропущено через ее поперечное сечение в одном направлении в течение 1 часа [1]. Пропускная способность представляет собой максимальную интенсивность движения ]тах транспортных средств [2]

где NaB - количество транспортных единиц (ТЕ), проходящих через поперечное сечение дороги или полосы движения в единицу времени t.

В зарубежной литературе даны следующие определения: Пропусканая способность - это возможность пропустить определенное количество поездов по заданной линии за единицу времени, при заданных ресурсах и графике движения [3] пропускная способность - это способность объекта инфраструктуры обработать (пропустить) определенное количество поездов при соблюдении пунктуальности [4].

Пропускная способность транспортной линии имеет следующие разновидности [5]:

- наличная - максимальные размеры движения тяговых единиц (ТЕ), которые могут быть реализованы в зависимости от технического оснащения линии;

- проектная - пропускная способность линии, которая может быть достигнута при развитии или модернизации технического оснащения инфраструктуры;

- потребная - число ТЕ, которое необходимо реализовать для осуществления плана перевозок

пассажиров при планировании инвестиций и проектировании развития линий;

- результативная - наименьшая из пропускных способностей элементов транспортной линии (перегоны, станции, перекрестки и т.д.), определяющая максимальное количество ТЕ, проходящих через участок в единицу времени.

Пропускная способность может определяться для перегона, транспортного узла или перекрестка, остановочного пункта и т.д. Результативная пропускная способность ГЭТС формируется выбором, в зависимости от вида ТЕ, минимальной из совокупностей значений пропускных способностей элементов, соответствующих транспортных маршрутов. При этом необходимо предусмотреть наличие резерва между наличной и потребной пропускными способностями. В зарубежной литературе [6, 7] в этих целях использован показатель доступной пропускной способности - разницы между предельной пропускной способностью, реализуемой на практике, и фактическим объемом трафика ТЕ.

В дальнейшем будем рассматривать наличную пропускную способность в отношении элементов транспортной линии, и результативную в качестве характеристики линии в целом.

Анализ существующего научно-методического аппарата оценки пропускной способности ГЭТ

Анализ существующего научно-методического аппарата оценки пропускной способности ГЭТ [2,810], и его сравнение с методологией расчета пропускной способности железных дорог [11], позволяет сделать ряд замечаний:

1. Существующие методики расчета пропускной способности транспортных линий ГЭТ достаточно устарели и не учитывают современного состояния элементов ГЭТС. Публикации по этой проблематике относятся к 60-80-ым годам прошлого века. Исследования пропускной способности железных дорог, в отличие от ГЭТ, были актуализированы в начале 2000-ых годов, в частности в 2010 году была утверждена Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог [11].

2. В качестве временных единицы измерения пропускной способности транспортных линий ГЭТ приняты часы, а провозной способности соответственно перевезенное количество пассажиров в час. Так как пассажиропотоки в сетях ГЭТС меняются по часам суток, дням недели, месяцам и сезонам года, брать в качестве временного интервала один час, не корректно. Необходимо проводить оценивание этих показателей хотя бы для суточного периода, чтобы повысить точность и достоверность получаемых результатов.

3. Исследования, проведенные во ВНИИЖТе в 6070 годах прошлого века, показали, что на использование пропускной способности участков железной дороги влияет уровень надежности технических средств (локомотивов, вагонов, путевых устройств, СЦБ и др.) [12]. Рост отказов привел к тому, что их стали учитывать при расчете пропускной способности соответствующим коэффициентом надежности ан [11, 13]

t

(1440-(гтехн)ан I

где {техн - продолжительность свободного от поездов промежутка времени, предоставляемого для выполнения работ по текущему содержанию пути, устройств, сооружений и т.д.);

I - межпоездной интервал.

Аналогично железнодорожному транспорту, отказы элементов ГЭТ и инфраструктуры транспортной линии оказывают значительное влияние на эффективность пассажирских перевозок [14, 15], поэтому возникает объективная необходимость учета влияния надежности на пропускную способность ГЭТС. Рассмотрение этого вопроса должно проводиться в комплексе с учетом взаимодействия и взаимного влияния всех составляющих процесса пассажиропе-ревозок [16, 17].

Подход к оценке пропускной способности элементов ГЭТС с учетом надежности

Так как надежность остановочных пунктов и промежуточных станций транспортных линий, как инженерных сооружений, при надлежащем содержании не оказывает значительного влияния на эффективность функционирования электрического транспорта, коэффициент надежности ан при оценке пропускной способности таких элементов транспортной инфраструктуры может не учитываться. Находящиеся в пределах станций (пунктов) компоненты контактной сети и рельсового пути, должны быть учтены при формировании коэффициента надежности соответствующего перегона.

Выражения для оценки пропускной способности элементов транспортной инфраструктуры ГЭТС в суточном интервале времени с учетом влияния отказов, за исключением остановочных пунктов и промежуточных станций, будут иметь следующий вид.

Пропускная способность перегона наземной линии ГЭТ.

П„ =

3600Г(24-(гтехн)а:н

где 1к - расстояние между сериесным и шунтовым контактами (принимаемое 50 м);

- время реакции водителя (0,6.. .0,8 с) и срабатывания устройства (около 1 с);

Кс.„ - скорость прохождения участка со стрелочным переводом (при движении со стороны крестовины 15 км/ч, в сторону крестовины 5 км/ч).

Пропускная способность перегона метрополитена

П„ =-

3600(24-(ттехн)ан

^в+'хт+^бу+^зу+'хп+^п+^рез

где /п - интервал между метропоездами на перегоне;

{в - время восприятия сигнала локомотивной бригадой 2 сек);

{ст - время служебного торможения, за которое поезд проходит расстояние от начала торможения до светофора, сменившего сигнал с запрещающего на разрешающий 11 сек);

^бу - время следования по блок-участку; {зу - время следования по защитному участку; £сп - время срабатывания приборов сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) с момента ухода предыдущего поезда с защитного участка до открытия светофора 3 сек);

время, необходимое для того, чтобы весь

состав вышел за пределы участка, равного длине метропоезда;

резерв (запас) времени горения разре-

*П ,

где V - скорость движения на перегоне, м/с;

{р - время реакции водителя (до 1,5 с), с;

Ь - замедление при экстренном торможении, м/с2;

1 - длина подвижного состава, м;

10 - зазор безопасности между следующими друг за другом транспортными единицами, обычно принимается равным длине поезда, м.

Значение 3600 в знаменателе необходимо, чтобы привести величину пропускной способности от единиц в секунду к единицам в час.

Пропускная способность регулируемых перекрестков наземной линии ГЭТ

3600(Сз-ДО(24-(гтехн)ан

где {з - продолжительность зеленой фазы светофора, с;

- время между включением разрешающего сигнала светофора и пересечением стоп-линии первым транспортным средством (1..3 с);

'п+'б

{р = - расчетный интервал прохождения

транспортных средств через перекресток, с;

Уу - установленная скорость движения ТЕ через перекресток;

Гс - продолжительность цикла светофорного регулирования (обычно 40..75 с, при желтой фазе 3..5 с).

Пропускная способность перекрестка с принудительной системой регулирования для троллейбуса

_ _ 1200((гз-ДО(24-Стехн)ан

Ппр.рег = — •

Пропускная способность перекрестка с принудительной системой регулирования для трамвая

п _ 3600^(24-Стехн)ян

Ппр.рег у ,

где К - количество ТЕ, пропускаемых за один цикл.

Пропускная способность трамвайного узла (ответвления или примыкания)

3600Г(24-(гтехн)а:н

Пуз =

((п+и+ГвУс.п+

шеющего сигнала светофора, учитывающий точность езды метропоезда 15 сек).

Для приведения часовой пропускной способности к суточному интервалу был введен множитель (24-{техн), где {техн - продолжительность суточного бюджета времени, выделяемого для производства плановых работ по текущему содержанию пути, устройств и сооружений. Как правило, эти мероприятия выполняются во время ночного перерыва в работе ГЭТ и составляют от 4 до 6 часов. В отличие от железной дороги для проведения этих мероприятий в системе ГЭТ нет необходимости искать возможность предоставления технологических «окон» в графике движения поездов, что значительно облегчает работу ремонтных бригад. В тоже время проведение неплановых ремонтов по устранению внезапных отказов инфраструктуры ГЭТ может привести к остановке процесса пассажироперевозки на участке, тогда как железнодорожный транспорт имеет возможность в случае грузовых перевозок изменить маршрут, либо ликвидировать отставания за счет последующего увеличения скорости.

Рассмотрим, какой физический смысл вкладывается в понятие коэффициента надежности ан. В Инструкции по расчету наличной пропускной способности железных дорог [11] под коэффициентом надежности ан понимается коэффициент, учитывающий надежность работы технических средств (инфраструктуры и подвижного состава), и даются фиксированные значения в зависимости от числа главных путей (однопутные или двухпутные линии) на перегоне и вида тяги (электрическая или тепловозная тяга). Автор [18] в качестве показателя надежности К({)технических средств железнодорожного транспорта использует следующее выражение

ВД = КгР(С), (1)

где Кг - коэффициент готовности (вероятность того, что в произвольный момент времени техническая система исправна и готова к работе);

Р({) - вероятность безотказной работы технической системы;

Ь - длительность заданного интервала времени.

В терминах теории надежности техники нет такого показателя, как коэффициент надежности, но судя по формуле (1) и с учетом терминологии ГОСТа [19], можно сделать вывод, что в качестве показателя надежности технических средств железнодорожного транспорта используется коэффициент оперативной готовности, так как при определенных условиях он представляет собой произведение коэффициента готовности и вероятности безотказной работы. Под коэффициентом оперативной готовности

р

V

техники [19] понимается вероятность того, что изделие в данный момент времени ^ находится в работоспособном состоянии и, начиная с этого момента, выполнит требуемую функцию при данных условиях в интервале (:2). В связи с вышеизложенным под коэффициентом надежности ан, используемым при оценке пропускной способности транспортной линии ГЭТ, будем понимать коэффициенты оперативной готовности Ког({1, (:2), соответствующих элементов транспортной инфраструктуры ГЭТС.

В [14, 15] было предложено рассматривать ГЭТС с позиций системного подхода как сложную техническую систему, состоящую из большого числа элементов, объединенных в следующие подсистемы, непосредственно участвующие в передаче и превращении электроэнергии в механическую работу тяговых электродвигателей в условиях воздействия внешней среды:

подсистема тяговых единиц (парк ТЕ); подсистема тяговых подстанций; подсистема контактной сети;

подсистема рельсовой линии (для трамвая и метрополитена);

подсистема подрельсового основания (для трамвая и метрополитена).

Предложенный системный подход к рассмотрению ГЭТС дает возможность решать задачи по повышению эффективности функционирования с учетом взаимо-

действия ее составляющих, так как, усовершенствуя только элементы тягового подвижного состава без модернизации обеспечивающей транспортной инфраструктуры, достигнуть повышения каких либо количественных показателей дорожного движения не получится.

На рисунке представлен вариант декомпозиции ГЭТС, использующей в качестве тяговых единиц -вагоны трамвая, с целью последующего анализа её надежности и предполагающий выделение в структуре системы четырех уровней: на начальном уровне располагается ГЭТС в целом, на первом уровне расположены подсистемы электроподвижного состава, тягового электроснабжения и рельсовой сети; второй уровень представляют электротехнические и инженерные комплексы, входящие в состав подсистем 1-го уровня; на третьем (нижнем) уровне находятся элементы комплексов. Возможно также выделение в составе элементов ГЭТС компонентов более низкого уровня - сборочных единиц, агрегатов, узлов, однако, как уже было сказано выше, оценка надежности этих технических средств (устройств) достаточно изучена и исследована ранее. Поэтому такая степень подробности описания и количество уровней иерархической структуры ГЭТС, как СТС, может считаться достаточным и удобным для восприятия, а также соответствует современному уровню знаний специалиста в области надежности.

Рисунок - Декомпозиция городской (вариант при оснащении

7----_| Т"

электротранспортной системы вагонами трамвая)

С учетом этих положений, и с целью учета влияния уровня надежности различных компонентов транспортной инфраструктуры на пропускную способность транспортной линии ГЭТС, формулы для определения коэффициента надежности по типам ЭТ примут следующий вид

для троллейбусной линии

«ТР°ЛЛ(А, ¿2) = К0рОЛЛ = Ш=1Ко.г.[(г:1, {2),

для трамвайной линии

«,Г(^д2) = ког = т=1К0. г. ,(^2),

для линии метрополитена

Стро(£1Д2) = Стро = Ш=1Ка, ,(^2),

где Ко.г.1({1, С2) - коэффициент оперативной готовности тяговых подстанций;

Ка1,2(^Д2) - коэффициент оперативной готовности участка контактной сети;

Ког3({1,{2) - коэффициент оперативной готовности участка рельсовой линии;

Ка1,4(^Д2) - коэффициент оперативной готовности участка подрельсового основания;

К^^У - коэффициент оперативной готовности используемых устройств сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ).

Используемые показатели надежности в настоящее время регламентированы для железнодорожного транспорта и его инфраструктуры [20-23], но с учетом особенностей эксплуатации могут быть использованы для ГЭТ. Таким образом, применяя коэффициент оперативной готовности в качестве коэффициента надежности соответствующих компонентов (контактной сети, тяговых подстанций, рельсовой линии и подрельсового основания) ГЭТС, находящихся в пределах занимаемых элементами транспортной линии (перегоны, перекрестки, узлы и т.д.), можно скорректировать величину наличной пропускной способности пассажирских маршрутов.

Аналогичным образом, для оценки влияния отказов технических средств на пропускную способность железнодорожного участка в работе [18] было предложено выделение в структуре пяти хозяйств, обеспечивающих функционирование перевозочного процесса. В силу особенностей эксплуатации ГЭТ, предлагаемые авторами данной статьи подсистемы несколько отличаются от хозяйств железнодорожного транспорта описанных в [18], а их количество

варьируется в зависимости от вида ТПС. Также автором было отдельно представлено локомотивное и вагонное хозяйство, объединенное в одно для рассмотрения надежности технических средств поезда. В случае ГЭТ предлагается рассматривать влияние отказов инфраструктуры транспортной линии (подсистем электроснабжения и рельсовой сети) на ее пропускную способность, а надежность (готовность) парка ТЕ оценивать с позиции ее влияния на провозную способность ГЭТС в целом.

Заключение

Таким образом, проанализировав влияние надежности всех подсистем в составе ГЭТС на пропускную и провозную способности, можно определить ее место в структуре городских пассажирских перевозок. Предложенный подход может быть использован для выявления наименее надежных элементов транспортной инфраструктуры, оказывающих влияние на процесс пассажироперевозок ГЭТС, и в случае необходимости принять меры по повышению их эффективности. При создании новых пассажирских маршрутов или модернизации старых описанная методика позволяет практически оценить прогнозируемые показатели дорожного движения, и соответствие элементов инфраструктуры транспортной линии возможностям планируемых к использованию ТЕ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Коссой Ю.М. Организация движения и пассажирских перевозок на городском электрическом транспорте: учебник для студ.высш.учеб.заведений / Ю.М.Коссой, В.А. Поначугин, В.Н.Ширин - М.:Академия, 2002. - 272 с.

2. Ефремов И.С. Теория городских пассажирских перевозок: уч.пособие для ВУЗов / И.С.Ефремов, В.М.Кобозев, В.А.Юдин - М.:Высш.школа, 1980. - 535 с.

3. Krueger H. Parametric Modeling in Rail Capacity Planning //Proc. of 1999 Winter Simulation Conf., Piscataway, 1999. P. 1194—2000

4. Kaas A. H. Methods to Calculate Capacity of Railways (Metoder Til Beregning af Jernbaneka-pacitet): PhD-thesis / Technical University of Denmark, 1998. — 182 p

5. Абрамов А.А. Управление эксплуатационной работой. Часть II. График движения поездов и пропускная способность. : уч.пособие / А.А.Абрамов. - М.:РГОТУПС, 2002. - 171 с

6. Браништов С.А. Методы оценки пропускной способности железных дорог. Часть 1. Аналитические методы оценки и анализа использования / С.А.Браништов, А.М.Ширванян, Д.А.Тумченок. - Информационно-управляющие системы, 2014, №5. - с.51 - 57.

7. Браништов С.А. Методы оценки пропускной способности железных дорог. Часть 1. Аналитические методы оценки и анализа использования / С.А.Браништов, А.М.Ширванян, Д.А.Тумченок. - Информационно-управляющие системы, 2014, №6. - с.68 - 74.

8. Самойлов Д.С.. Городской транспорт: учебник для ВУЗов / Д.С.Самойлов. - М.:Стройиздат, 1983. - 384 с.

9. Фишельсон М.С. Городские пути сообщения: учеб.пособие для ВУЗов / М.С.Фишельсон - М.: Высш.школа, 1980. - 296 с.

10. Томилин А.И. Организация движения трамваев и троллейбусов / А.И.Томилин - М.:Стройиздат, 1969. - 243 с.

11. Инструкция по расчету наличной пропускной способности железных дорог, утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 16.11.2010, №128. - 305 с.

12. Горелик А.В. Модели и методы анализа надежности и эффективности функционирования объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта./А.В.Горелик, И.А.Журавлев, А.С.Веселова. - Труды Международного симпозиума «Надежность и качество», 2014, №1. - с.174-176.

13. Левин Д.Ю. Расчет и использование пропускной способности железных дорог: монография / Д.Ю.Левин, В.Л.Павлов. - М.:ФГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2011. -364 с.

14. Литвиненко Р.С. Исследование технической надежности городской электротранспортной системы. / Р.С.Литвиненко, А.Э.Аухадеев, О.А.Филина - Транспорт: наука, техника, управление, 2017, №8. -с.60 - 71.

15. Павлов П.П. К вопросу оценки надежности электротранспортной системы города. / П.П.Павлов, Р.Г.Идиятуллин, Р.С.Литвиненко - Бюллетень транспортной информации, 2017, №5(263) - с.23 - 26.

16. Кащеев Н.А. Некоторые закономерности процесса синтеза информационно-управляющих комплексов с позиций свойств сложных систем. / Н.А.Кащеев, В.С.Чаплинский. - Надежность и качество сложных систем, 2015, №4(12). - с.11-15.

17. Андреев А.П. Совершенствование городской маршрутной сети./А.П.Горелик. - Надежность и качество сложных систем, 2017, №3(19). - с.102-106.

18. Ивницкий В.А. Надежность технических средств железнодорожного транспорта и ее связь с пропускной способностью направлений. / В.А.Ивноицкий - Вестник ВНИИЖТ, 2008, №1. - с.6 - 9.

19. ГОСТ Р 53480 - 2009. Надежность в технике. Термины и определения. // Введ. впервые. - Москва: Стандартинформ, 2010. - 33 с.

20. ГОСТ Р 55444 - 2013. Железнодорожное электроснабжение. Номенклатура показателей надежности и функциональной безопасности.// Введ. впервые. - Москва: Стандартинформ, 2014. - 14 с.

21. ГОСТ Р 55443 - 2013. Железнодорожный путь. Номенклатура показателей надежности и функциональной безопасности.// Введ. впервые. - Москва: Стандартинформ, 2014. - 12 с.

22. ГОСТ Р 54461 - 2011. Надежность железнодорожного тягового подвижного состава. Термины и определения. //Введ. впервые. - Москва: Стандартинформ, 2012. - 20 с.

23. ГОСТ 32192 - 2013. Надежность в железнодорожной технике. Основные понятия. Термины и определения. //Введ. впервые. - Москва: Стандартинформ, 2014. - 32 с.