GIS pomůže tramvajím a vlakům „neskřípat"

Tags: Brno | Doprava | GIS | GPS | koleje | Tribotec | VUT

Pravděpodobně každý si dokáže vybavit nepříjemný zvuk skřípajících tramvajových či vlakových kol v obloucích menších či větších poloměrů. Nejen tomu pomůže zabránit nový inteligentní systém mazání okolků kolejových vozidel, tedy mazání mezi kolem a kolejnicí, vyvinutý brněnskými vědci z Ústavu konstruování na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně. Systém ve spojení s GPS daty navíc sám dokáže rozložit dávkování maziva po trati tak, aby bylo co nejefektivnější a na správném místě. Jde o zajímavý projekt spojení strojní konstrukce s praktickým využitím geografického informačního systému.

Důležitost kolejové dopravy

Přes neustále se zvyšující počet aut hraje kolejová doprava nezastupitelnou roli v moderních dopravních systémech. Vzhledem ke své účinnosti a šetrnosti k životnímu prostředí se bezesporu jedná o dopravu, které patří budoucnost. Tak, jak se zvyšují nároky na rychlost a komfort přepravy, roste množství sofistikovaných systémů, které moderní tramvaje a vlaky využívají.

Kolejová doprava je jedním z energeticky nejefektivnějších způsobů přepravy nákladů a osob a také nejšetrnější k životnímu prostředí. Při srovnání s automobilovou dopravou se dá napsat, že dvoukolejná železniční trať odpovídá osmiproudé dálnici. Kolejová doprava spotřebovává o 60 % méně energie než srovnatelná silniční doprava. Procento exhalací je o 66–86 % nižší oproti kamiónové dopravě. Také nebezpečnost a množství nehodami zaviněných úmrtí je u kolejové dopravy mnohonásobně nižší. Proto má smysl výzkum kolejových vozidel a má smysl se zabývat novými řešeními a hledat nové způsoby zefektivnění tohoto způsobu dopravy. V každém kolejovém vozidle je celá řada systémů, které zajišťují efektivitu a bezpečnost dopravy. Část je pro cestující viditelná, většina je jich očím skryta.

Mazání okolků

Jeden ze skrytých systémů, na podvozku traťového vozidla, slouží k mazání okolků a zajišťuje hladký průjezd zatáčkami. Když vozidlo najíždí do traťového oblouku, tak boky okolků, které zamezují vykolejení vozidla, jsou ve styku s boky hlavy kolejnice, což způsobuje zvýšené tření. Tím se zvyšuje opotřebení, které je po určité době příčinou nutné výměny kolejí i kol. Navíc přistupují další nežádoucí efekty – vibrace a hluk. Systém mazání okolků vede k minimalizaci těchto nežádoucích jevů. Dnes jsou k dispozici v zásadě dva systémy. Stacionární, které jsou montovány podél tratí, a on-board, které jsou na podvozku vozidel. Problém je v tom, že tyto systémy nezohledňují vlastní prostředí dopravy, provoz vozidel a další faktory. Pracují na systému intervalového dávkování, které ne vždy je spolehlivé, a do přírody se tak dostává poměrně vysoké množství maziv. Odhady ukazují, že na evropských železnicích se takto dostane do přírody na 1 km železnice 2,5 kilogramu maziv za rok. Jsou sice používána ekologicky odbouratelná, ale je to nežádoucí jev.

Vývoj nového systému mazání

Cílem projektu bylo postavit inteligentní systém, který bude zohledňovat provozní aspekty železnice, obecně trati i kolejového vozidla, a který bude schopen sám rozhodnout, jak mazat, v jaké chvíli a jak moc. Systém vychází z matematického algoritmu, který je schopen spočítat na základě vnějších dat a vstupů, jak velké množství maziva se dostane na kolejnici. Po průjezdu daným traťovým obloukem by tak na koleji nemělo zůstat ani o gram maziva více, než je potřeba. Systém vychází, kromě matematického modelu vtěleného do integrovaného počítače, z informací o aktuální poloze vozidla, geometrii trati, topologii, které čerpá z globálního polohového systému (GPS). K tomu přistupují aktuální provozní podmínky, jako je rychlost, vlhkost, teplota. U vysoké městské zástavby, kde může být problém s příjmem satelitního signálu, se automaticky přechází na tzv. mazání do oblouku nebo na mazání intervalové. Podobně u vlakové dopravy se mohou z hlediska příjmu GPS nepříznivě projevovat hluboké koridory nebo tunely. V ovládací jednotce jsou proto zabudovány 3 úrovně řízení. Jede se podle mapového podkladu. Pokud dojde k jeho „ztrátě", přechází se pro jistotu na mazání „do oblouku". Jako náhradní režim, aby se mazání neztratilo, se přechází na intervalové mazání. Je to postup jakéhosi jištění, aby stále probíhalo mazání, byť už se tak neděje na optimální úrovni. V tomto okamžiku lze konstatovat, že většina (99 %) v současné době provozovaných on-board systémů mazání pracuje v režimu intervalovém. Nové řešení má tedy i při výpadku GPS signálu menší spotřebu maziva a je ekologičtější.

Unikátní zařízení

Výsledkem projektu, na kterém s brněnskými vědci spolupracovala brněnská firma Tribotec, je unikátní zařízení instalované na vozidlo, které s pomocí GPS dat, automaticky vytvořených mapových podkladů, informací o aktuálních provozních podmínkách a řídicích algoritmů za jízdy průběžně optimalizuje a řídí celý proces mazání. Zařízení se podařilo postavit do malého kompaktního prostoru a má nízkou hmotnost, takže je vhodné pro instalaci do nízkopodlažních tramvají i vlaků. Systém identifikuje směr zatáčení, takže je možné jinak mazat kola na vnitřní a vnější straně kolejového oblouku. Nutná údržba se omezila jen na doplňování maziva, jehož nedostatek je signalizován kontrolkou na palubní desce řidiče. Vyvinutý systém snižuje spotřebu maziva až o 75 procent, má tedy minimální nepříznivý dopad na životní prostředí, a přitom se podařilo snížit i tření přibližně o 40 procent. To znamená nejen méně častou výměnu kolejí a kol, ale také snížení hlučnosti.

Situace je zvlášť významná ve městech. Problémy spojené s pravidelnou výměnou opotřebených tramvajových kolejí se nedotýkají jen provozovatelů kolejové dopravy, ale prakticky všech obyvatel města. Pro vlakovou dopravu byl vyvinut podobný systém, jen má v sobě jinak upravené matematické algoritmy a trochu jiná je i distribuce maziva.

Michal Vašíček

Martin Hartl

Praktické zkoušky v provozu

Systém byl ve spolupráci s firmou Tribotec vyroben a úspěšně odzkoušen v provozu tramvajové linky č. 4 Dopravního podniku města Brna. Linka č. 4 poskytla vzhledem k velkému množství ostrých zatáček a zajímavému výškovému profilu trati ideální příležitost ověřit vlastnosti systému v praxi.

Po prvním projetí tratě se vytvoří záznam, který je možno prostým kopírování přenášet do stejným systémem vybavených tramvají, jezdících na stejné trati. „Ručně" je možno dodávat do programu pokyny pro vyšší mazání nebo naopak mazání zakázat tam, kde by to mohlo být nebezpečné pro ostatní druhy dopravy.

O tom, že se jedná o unikátní systém, se bylo možné přesvědčit na největším evropském veletrhu železniční techniky InnoTrans 2014 v Berlíně, kde bylo zařízení pro adaptivní mazání okolků poprvé představeno. Nikdo z významných konkurentů podobný systém zatím nenabízí.

Vývoj byl podpořen z veřejného rozpočtu České republiky prostřednictvím projektu Ministerstva průmyslu a obchodu ČR.

Pro čtenáře časopisu CAD jen dodáváme, že mechanická část byla vyvíjena ve společnosti Tribotec v 3D CAD systému Autodesk Inventor. Odborníci z VUT vycházeli především z poznatků získaných experimentálně, které tvořily cca 80 % práce. Ve zbývajících 20 procentech byly využity výpočetní metody konečných prvků a týkaly se především styku kola a kolejnice a mechaniky styku. K výpočtům byly použity programy Matlab a Ansys. Kreslení opět probíhalo v Autodesk Inventoru.

Vytvořeno z tiskových podkladů VUT a prezentací prof. Martina Hartla (VUT v Brně) a Michala Vašíčka (Tribotec).