Адаптивная система автоведения поездов

Опубликовано в номере:
PDF версия
В статье рассматривается возможность снизить расходы операторов подвижного состава на энергию для тяги поездов с помощью адаптивной системы автоведения и предлагается новая модель продаж для железнодорожного транспорта на основе ЕРС (Energy Performance Contract)

Системы автоведения, управляющие подвижным составом железнодорожного транспорта в автоматическом режиме, подобно автопилоту самолета, начали разрабатываться и внедряться в СССР еще в 60-х гг. прошлого века, прежде всего для экономии энергии. Предполагалось, что применение в системах автоведения вычислительных средств при расчете энергооптимального управления должно обеспечить преимущество перед машинистами в расходе энергии.

Расходы собственников подвижного состава и операторов железных дорог на энергию для тяги поездов составляют значительную долю суммарных затрат. Так, в ОАО «РЖД» в 2013 г. затраты на топливо для тяги поездов составили 81,3 млрд руб., а на электроэнергию — 111,9 млрд руб. [1]. Суммарно доля расходов на энергию для тяги поездов составила 17% общих расходов компании [1].

Доля расходов на тягу поездов компаний — собственников локомотивной тяги, в чьи затраты не входит инфраструктура, может достигать 40%. Очевидно, что для компаний, стремящихся увеличить эффективность своей деятельности, снижение расходов на энергию для тяги поездов должно быть приоритетной задачей.

Возможность значительного снижения расходов на тягу поездов кроется в эксплуатации более экономичного подвижного состава и применении энергоэффективных приемов вождения поездов.

Так, после модернизации дизельных локомотивов «Железной дороги Якутии» [2] расход топлива на тягу поездов сократился до 35%.Удельный расход электроэнергии современных электровозов 2ЭС10 «Гранит» ниже, чем у электровозов ВЛ11 [3], до 30%. Конечно, столь существенная разница в экономии достигается лишь в случае относительно устаревших локомотивов, которые разрабатывались полвека назад.

Если сравнить электровоз 2ЭС10 и современный, но чуть более старший 2ЭС6, оказывается, что расход энергии у 2ЭС10 ниже на 8–10% при двукратной разнице в цене локомотивов: 2ЭС6 стоит 94 млн руб., а 2ЭС10 — 190 млн руб. Получается, что экономия 10% обходится приблизительно в 100 млн руб. для каждого локомотива. При годовом потреблении электровозом электро­энергии стоимостью примерно 70 млн руб. и при экономии в 10% разница в цене локомотивов окупится примерно через 25 лет. И это без учета стоимости инвестиций.

Другим направлением снижения затрат на энергию для тяги поездов является использование экономичных приемов вождения. Разница в расходе энергии у опытных и начинающих машинистов может быть больше, чем 25%. Однако, как известно, все не могут быть лучшими. Чтобы меньше зависеть от человеческого фактора, можно использовать системы автоведения поездов.

Система автоведения использует:

  • информацию о параметрах железнодорожного состава (вес, количество вагонов, их тяговые и тормозные характеристики и др.);
  • расписание движения поездов;
  • информацию о плане и профиле железнодорожного пути;
  • информацию об ограничениях скорости на маршруте движения и сигналах путевой сигнализации.

Владея этими данными, система рассчитывает и реализует такое управление тяговым приводом локомотива или его тормозной системой, при котором будет минимизирован расход энергии на поездную работу, исполнено расписание и соблюдены требования безопасности.

Изначально такие системы устанавливались на пригородные поезда и занимали несколько объемных шкафов с аппаратурой, затем их стали применять в пассажирских и грузовых локомотивах. Системы автоведения электровозов 2ЭС6 и 2ЭС10 интегрированы в систему управления локомотива МПСУиД и вообще не содержат аппаратной части. Наибольшее распространение в России системы автоведения получили в пригородном и пассажирском движении, а за рубежом — в городском рельсовом транспорте.

Грузовые локомотивы используются для перевозки значительно более тяжелых составов и им требуется намного больше энергии, чем пассажирским локомотивам и электропоездам. Поэтому было бы логичным использовать системы автоведения прежде всего в грузовом движении. Что же этому препятствует?

В грузовом движении, в отличие от пассажирского и пригородного, существенную роль приобретают следующие факторы:

  • длина состава грузового поезда, как правило, значительно больше пассажирского;
  • вес грузового состава, зачастую неравномерно распределенный между вагонами, тоже намного больше пассажирского;
  • параметры конкретного грузового состава могут значительно отличаться от обобщенных, используемых при расчете оптимального управления.

Пренебрежение возможными динамическими реакциями в составе поезда, которые зависят от режима движения, расположения состава на элементах профиля пути и распределения веса между вагонами, может привести к аварийным ситуациям — разрыву состава или выдавливанию вагонов.

При расчете энергооптимального управления [4] необходимо знать параметры поезда и среды его функционирования:

  • тяговые характеристики локомотива;
  • тормозные характеристики поезда;
  • сопротивление движению поезда;
  • состояние пути;
  • вес поезда;
  • поездную обстановку.

Неопределенность тяговых характеристик обусловлена наличием допускаемых отклонений при производстве двигателей, изменением их характеристик в процессе эксплуатации, а также отличием двигателей, установленных на электровозе. Причем отличие фактических тяговых характеристик от расчетных, используемых системой управления, может достигать 10%. Тормозные характеристики зависят от состояния тормозного оборудования подвижного состава и погодных условий, которые также влияют и на сопротивление движению. Однако в большей степени на сопротивлении движению сказываются свойства самого состава и состояние железнодорожного пути. По различным оценкам, величина сопротивления движению может отличаться от расчетных значений до 20%. Неопределенность состояния пути проявляется в изменении сцепных свойств, которые также изменяются в значительных пределах (более чем на 50%). Отклонение фактического веса поезда от его расчетного значения также вносит неточность. Неопределенность поездной обстановки, а именно неопределенность движения на впереди лежащем участке, приводит к неверному расчету управляющего воздействия и, как следствие, перерасходу энергии.

Необходимо также учитывать взаимосвязь параметров подвижного состава. Отклонение веса поезда от расчетного значения оказывает непосредственное влияние на величины сопротивления движения, а состояние пути ограничивает возможность использования тяговых свойств электровоза.

Кроме того, скорость изменения различных характеристик не одинаковая. Тяговые и тормозные характеристики, вес поезда в процессе движения практически не изменяются. А вот сопротивление движению, поездная обстановка и состояние пути могут меняться весьма значительно.

Очевидно, отклонения реальных характеристик от используемых системой автоведения при расчетах значительно снижают ее эффективность и безопасность. Также, если водитель при управлении автомобилем не обратит внимания на скользкое дорожное покрытие, это в лучшем случае приведет к перерасходу топлива.

Таким образом, в настоящее время основными причинами весьма ограниченного использования систем автоведения, прежде всего в грузовом движении, являются их недостаточная энергоэффективность — на 7,1% ниже, чем у лучших машинистов [5], — и динамические реакции в составе поезда, вынуждающие машинистов в целях безопасности отключать систему автоведения.

Для решения прежде всего проблем энергоэффективности и безопасности компанией SmartWIZ была разработана система автоведения SATO, использующая уникальную технологию EAD-tech, которая при расчете энергооптимального управления использует актуальные характеристики подвижного состава, определяемые в процессе движения без какого-либо дополнительного оборудования. Алгоритмы расчета энергооптимального управления построены таким образом, чтобы динамические реакции, возникающие в составе поезда, оставались бы на минимально возможном и безопасном уровне.

Рисунок. Взаимодействие SATO c системами локомотива

SATO представляет собой программный продукт, встраиваемый в цифровую систему управления тягового подвижного состава (локомотива, дизельного или электро­поезда) и взаимодействующий с его системами безопасности, в том числе и с ETCS (рисунок). Всю информацию, необходимую для управления, SATO может получать от систем локомотива. Если же такой возможности нет, информация может храниться непосредственно в SATO.

Адаптивность к изменению характеристик позволяет достичь до 20% экономии потребляемой на тягу поездов энергии. Что это значит?

Грузовой локомотив потребляет на тягу поездов дизельное топливо или электроэнергию стоимостью от 750 тысяч долларов в год, а более мощные электровозы — до 1 млн 200 тысяч долларов в год для каждого локомотива. Таким образом, экономический эффект применения SATO может достигать от 150 тысяч долларов до 240 тысяч долларов в год.

Максимальная эффективность может быть достигнута только тогда, когда машинисты будут активно пользоваться системой, не опасаясь аварийных ситуаций, собственники локомотивной тяги будут заинтересованы в экономии энергии, а разработчики — в постоянном развитии системы и удовлетворении пожеланий машинистов.

Существующие модели продаж все риски, связанные с низкой эффективностью системы и неудобством использования, после продажи перекладывают на покупателей, так как не предусматривают эффективных экономических механизмов мотивации разработчика систем автоведения в ее совершенствовании и устранении недостатков, так или иначе препятствующих ее широкому использованию.

Модель продаж SATO предусматривает получение оплаты из средств, полученных от экономии энергии в результате ее использования. В этом случае в максимальной энергоэффективности оказываются заинтересованы и покупатели, и разработчики: чем более энергоэффективна система, чем быстрее и качественнее удовлетворяются пожелания машинистов, тем больше она будет использоваться тем большую оплату будет получать разработчик и тем большую экономию — собственник локомотивов.

Таким образом, производительность вычислительных средств, применение цифровых систем управления в современном подвижном составе железнодорожного транспорта и использование уникальных технологий адаптивного управления EAD-tech в системе автоведения SATO позволяет добиться существенного снижения расхода энергии на тягу поездов и предложить новую модель продаж, обеспечивающую заинтересованность в повышении эффективности системы автоведения в процессе эксплуатации операторов тягового подвижного состава, разработчиков системы автоведения и тысяч машинистов.

Литература
  1. Годовой отчет ОАО «РЖД» за 2013 год. C. 111.
  2. Шимохин В. В. Методы модернизации российских тепловозов (на примере республики САХА (Якутия)). Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада: 05.02.22 — Организация производства. Москва, 2011.
  3. Гапанович В. А. Инновационная деятельность «Российских железных дорог» // Евразия. Вести. 2013. №VIII.
  4. Жебрак Л. М., Елисеев И. А. Постановка задачи оперативного уточнения действующей на поезд силы тяги в процессе движения // Перспективные задачи развития железнодорожного транспорта. С. 35-39.
  5. Коротких А. В., Гусев А. Н., Донской А. Л., Завьялов Е. Е. Система автоведения работает успешно // Локомотив. 2006. №2. C. 33-35.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *