Parádi, F. Jóvér, B. Vasúti hálózatok kapacitásvizsgálata mikroszimulációval Budapest Kőbánya Kispest Cegléd vasútvonal vizsgálatának példáján bemutatva Jelen folyóirat már több alkalommal foglalkozott a szimulációs technika vasúti, ezen belül mind az oktatási célú, mind pedig a tervezési célú alkalmazásával [1] [2][3]][4]][5]. A legutóbbi esetben a forgalmi és technológia tervek szimulációs vizsgálata volt a fő téma [6]. Jelen cikkben a szimulációs technika ez utóbbi célú felhasználásának első hazai eredményeivel kívánunk foglalkozni. Ezen pilotprojekt során a vizsgált terület a Budapest Kőbánya Kispest Cegléd vonalszakasz volt. A vizsgálat során arra kerestük a választ, hogy a vonalszakasz mai állapotában (lassújelekkel megtűzdelve és a ma használatos biztosítóberendezések mellett), illetve korszerűsített ("ideális") állapotában (a pálya és a biztosítóberendezések felújítását feltételezve) milyen minőségi paraméterek mellett bonyolítható le a forgalom, továbbá milyen a pálya egyes elemeinek kihasználtsága. Vizsgáltuk azt is, hogy milyen módon van hatással a vonalszakasz átbocsájtóképességére a pálya, illetve a biztosítóberendezés felújítása, továbbá az utasvédelmi problémák kiküszöbölése. 1./ A vizsgálat eszköze, módszere, értékelése A kidolgozott és a [6] ban bemutatott mikroszimulációs eljárás a következő lehetőségeket biztosítja egy vasútvonal kapacitásának, illetve kapacitáskihasználtságának vizsgálatához: a vasútvonal topológiájának valósághű modellezése ( a vizsgálatok eszközháttere) a vasúti forgalmi folyamatok (vonatok, tolatási műveletek, stb.; menetrend szerinti, illetve menetrend nélküli) valós idejű modellezése ( a vizsgálatok módszere) a topológia és a folyamatok paraméterezhetősége (a variánsok vizsgálata, illetve összehasonlítása céljából) a vizsgált folyamat jellemző paramétereinek gyűjtése és utólagos kiértékelése variánsok összehasonlítása, optimális változat kiválasztása
2./ A pilotprojekt vizsgálati eredményei A pilotprojekt keretében elkészült a vonalszakasz topológiai és forgalmi modellje, amelyekkel kétféle vizsgálatra került sor: Vizsgálat a ma érvényes menetrenddel, Vizsgálat a vonalszakaszon lehetséges legnagyobb vonatszám melletti terheléssel. 2.1 Vizsgálat a ma érvényes menetrenddel A vizsgálat célja ez esetben az volt, hogy a mai menetrend figyelembe vételével milyen minőségi paraméterek mellett bonyolítható le a forgalom (A/), és hogy milyen a meglévő vágányhálózat kihasználtsága, adott esetben hol vannak a szűk keresztmetszetek (B/). A vizsgálat két állapotra készült el: 1. mai állapotú pálya (lassújelekkel megtűzdelve) és a ma használatos biztosítóberendezések mellett, illetve 2. korszerűsített ("ideális") állapot, a pálya és a biztosítóberendezések felújítását feltételezve. A pálya "felújítása" (az "ideális" állapot) a lassújelek megszüntetését jelentette úgy, hogy a váltók kitérő irányú sebességén nem változtattunk. A vonali sebesség egységesen 120 km/h volt. A biztosítóberendezések korszerűsítése a vágányútoldási időkben, az összeszigetelések módosításában, az elemenkénti oldásban, a váltóállítólánc módosításában, stb. jelentkeztek. A kapott eredmények a következőképpen foglalhatók össze: A/ A vizsgálatok kimutatták, hogy a mai menetrend (a délutáni csúcsidőszakot tekintve) jelentősebb késések, illetve konfliktusok nélkül lebonyolítható, még a mai infrastruktúra állapot mellett is. Az infrastruktúra (pálya, biztosítóberendezés) felújítása esetén pedig a vonatok jelentős menetrendi tartalékkal rendelkeznek. Ennek egyik jele, hogy az állomási tartózkodási idő általánosan megnőtt, a korai érkezés miatt ugyanis a vonatok vártak a menetrendi indulási időpontra. Ugyanakkor a követő vonatok gyakori
feltartóztatása, indokolatlan megállítása is ezt igazolja, mivel beérték az előttük haladó esetenként lassabb vonatokat. Az összesített menetrendi eltéréseket (az idő függvényében) a vonalon a kördiagram mutatja (1. ábra). A köríven fut végig az időtengely, percenkénti beosztással, míg a sugárirányon mérjük a menetrendi adattól való eltérést sietési illetve késési tartományban, középen a nulla körívvel. A mai állapotokkal történt futtatás esetén (világos sáv) az látszik, hogy általában a 0 vonal alatt (sietési tartomány, ), de annak közelében tartózkodik a színezett sáv, olykor azonban rövid időre a késési tartományba (+) kúszik. Ezzel szemben az eddig tapasztaltaknak megfelelően kitűnik, hogy jó infrastruktúra esetén a sötétebb sáv még a 0 vonalat se közelíti meg, végig a sietési tartományban ( ) mozog egészen a teszt végéig ahonnan mindkét sáv a nulla körön fut. Megfigyelhető, hogy a legnagyobb minőségi javulás épp a kritikus időszakokban mutatkozik. 1. ábra Összesített menetrendi eltérések A jelző előtti állásidőket, illetve a nem menetrend szerinti megállások számát vizsgálva, a felújított infrastruktúra esetén egy látszólagos romlás következett be. Ez azonban annak a következménye, hogy a vonatok túl korán érkeztek az
egyes állomásokra, ahol várakozva a menetrend szerinti indulásra feltartóztatták a mögöttük gyorsabban haladni kívánó vonatokat is. A vizsgált esetben a jelzők előtti összes állásidő megkétszereződött. Az általános tapasztalatunk az, hogy sok vonat menetrendje laza; minden nap, minden időszakban számos olyan vonat halad a pályán, melynek adatait visszanézve kimutatható a rendszeres és jelentős sietés a menetrendhez képest. A túlzott tartalékok az üzemet feleslegesen terhelik, haszontalanul növelik az eljutási időket. A menetrend problémáit az esedékes felújításokkal összhangban kell megoldani, hasonlóan nagy figyelmet szentelve ezek mellett a forgalom levezénylésére is. Egy jól megtervezett csomóponti rendszer és egy korszerű diszpozitív irányítás kellő alapot nyújthat ahhoz, hogy egy se nem túl laza, se nem túl szoros, ellenben mégis nap mint nap betartható menetrend születhessen. Az említett okok alátámasztják tehát, hogy mindenképpen kívánatos a menetrend illesztése a felújított infrastruktúrához! B/ Az infrastruktúra kihasználtságát tekintve megállapítható, hogy a mai állapothoz képest az ideális esetben 17% kal kevesebb ideig foglalták a pályát a vonatok a mai állapothoz képest. Ugyanakkor azt az elképzelést, miszerint nagyon nagy arányú felesleges pályakapacitás van a vonalon, a szimulátor nem támasztotta alá. A legtöbb esetben azonos nagyságrendű pályaelem került használatba. Azt azonban fontos megjegyezni, hogy épp a kihasználtságban már jelentős eltérések keletkeztek. Az ideális esetben a forgalom a fő csapásirányokat használta ki jelentős mértékben, s csak kissé terhelte a kerülővágányokat, félreállási lehetőségeket. Kirívóan jelentkezett felesleges kapacitás Cegléd és Albertirsa állomáson, illetve Szemeretelep megállóhelyen, de egyes vágányok vonatkozásában majd minden közbenső állomásról ugyanez elmondható. Az infrastruktúra felújításával az eddig is alacsony kihasználtságok tovább csökkentek. Valószínűsíthető, az is, hogy egy a felújított infrastruktúrához illesztett menetrend esetén újabb megtakarítások keletkeznének. Jelen projekt keretében alternatív menetrend híján ez az eset nem volt vizsgálható. Természetesen más szempontok is befolyásolhatják a döntést, például ha jelentősebb mértékű elegytároló kapacitásra van szükség valamely állomáson. Azonban ez esetben is megfontolandó, hogy maradjanak e ezek a vágányok a biztosítóberendezés hatókörében, vagy pedig kulcsos rögzítő szerkezettel
elválasztható attól (mint ahogy számos külföldi vasútnál ez általánosan alkalmazott módszer)? Összességében az mondható el, hogy az állomási félreálló vágányok tekintetében esetenként a jelenleg meglévő vágányok abszolút kihasználatlanok vagy minimális mértékben használtak. Elhagyásuk, vagy a biztosítóberendezés hatóköréből való kivonásuk az átmenő forgalom lebonyolításában nem jelentenének észrevehető akadályt. A borító belső oldalán látható kép Cegléd állomást ábrázolja. Az egyes pályaelemek a teszt során rajtuk áthaladó vonatok darabszáma szerint színeződnek (grafikus statisztika):
Az ábrán jól látható, hogy egyes vágánycsoportok teljesen kihasználatlanok (szürke), illetve igen alacsony kihasználtságúak (sötétzöld). A további állomások többségén is csak az átmenő fővágányok, illetve a megelőző vágányok kihasználtsága említésre méltó. A többi vágány nem vagy alig használt. Ez szintén a grafikus statisztika idevágó képeiből mutatkozik meg (lezárások, foglaltság száma, ideje, mely adatok számszerűleg is rendelkezésre állnak minden vágányelemre). A felújított infrastruktúrához illesztett menetrend esetén mindenképpen további vizsgálatokat célszerű végezni annak felderítésére, hogy milyen mértékben lenne csökkenthető a vágányhálózat anélkül, hogy a forgalomlebonyolítás minőségi paraméterei romlanának. A futtatásra került tesztesetek tehát ráirányították a figyelmet olyan vágányelemekre, melyeket alig egy két vonat "használt". Ilyenkor megfontolandó, hogy forgalomszervezési módszerekkel nem lenne e lehetséges ezt a kismértékű kapacitást elterelni az adott elemről, s további sorsát, funkcióját ennek megfelelően alakítani. 2.2 Vizsgálat a legnagyobb forgalmi terhelés mellett A vizsgálat célja ez esetben annak felderítése volt, hogy az átbocsájtóképességre legnagyobb hatással bíró tényezők utasvédelem, pályaállapot, biztosítóberendezés típusa önmagukban, illetve együttesen milyen hatást gyakorolnak a forgalom lebonyolításra, miközben a vizsgált pályaszakaszon a lehető legtöbb vonat közlekedik. Számszerűsítve az adatokat: menetrend szerinti vizsgálatnál csúcsidőben átlagosan 5 vonat, a legnagyobb forgalmi terhelés melletti teszteknél pedig átlagosan 12 vonat haladt keresztül óránként és irányonként a vonalon. A vizsgálatban résztvevő vonatok típus szerinti összetétele közelítőleg megegyezett a mai menetrendben szereplő vonatok típusösszetételével. Összehasonlító adatként az egyes vonattípusok, illetve az összes vonat átlagos áthaladási (utazási) ideje szolgál a vizsgált szakaszon. A kapott eredmények a következőképpen foglalhatók össze: A kapott adatok elemzéséből kitűnt, hogy a legnagyobb kihatása a pálya és a biztosítóberendezés együttes felújításának van. Ezt követi alig kisebb
eredményességgel az utasvédelmi problémák megoldása. Utóbbi a növekvő forgalom arányában többszörösen korlátozó tényezőként hat. Számszerűsítve az adatokat: a vizsgált esetben a pálya és a biztosítóberendezés felújításának együttes hatásaként 21 % kal, az utasvédelem megoldásával pedig 17% kal csökkenthető a vonatok átlagos áthaladási ideje ( 2. ábra). (Az ábrán az ideális állapot az utasvédelmi problémák megoldását, a pályafelújítást és a biztosítóberendezés korszerűsítését jelenti.) Példának okáért az intercity vonatok a jelenlegi pályán is, ha semmilyen akadályozó tényező nem lépne fel, kevesebb, mint egy óra alatt tennék meg a Kőbánya Teherpályaudvar Szolnok A elágazás szakaszt. Ez ma menetrend szerint egy óra hat perc (2002 es adat). Korszerű pályát és biztosítóberendezést modellezve ehhez képest 20% körüli javulást kaptunk az időeredményekben. Mindezt terhelt, nagy forgalmú pályán. Ha a korszerűséget a menetrendre is kiterjesztjük, akkor bizony a leggyorsabb (legnagyobb prioritású) vonatok menetideje drasztikus mértékben csökkenthető lenne. Azt tapasztaltuk továbbá, hogy az infrastruktúrán belül a pályának és a biztosítóberendezéseknek közel azonos szerepe volt az eredmények alakulásában. A mélyrehatóbb vizsgálatok azt is kimutatták, hogy e két terület olyan szoros kapcsolatban van egymással, hogy kölcsönösen erősíthetik, illetve gyengíthetik is egymást. Megfogalmazhatjuk tehát, hogy: jó biztosítóberendezést jó pályára érdemes kiépíteni, de hasonlóan: jó pályára jó biztosítóberendezés kell. A vizsgált esetben a pálya felújításának hatásaként 10 % kal, a biztosítóberendezés korszerűsítésének hatásaként szintén 10 % kal csökkenthető a vonatok átlagos áthaladási ideje (3. ábra). Az eredmények megmutatták ugyanakkor azt is, hogy minél nagyobb prioritású egy vonat, annál inkább megszenvedi az elavultságot, illetve annál jobban ki is tudja használni a korszerűség minden előnyét. Ugyanakkor a leglassabb személyvonatok sínylették meg legkevésbé a rosszabb állapotokat. Átlagosan négyszer nagyobb hatással volt a gyorsabb vonatokra az elavultság, mint a lassabbakra, illetve négyszer jobban ki tudták használni az előnyöket is. A tesztek során az is bebizonyosodott, hogy ha a vonalszakaszon a lehetséges legtöbb vonat tartózkodik, a vonatok egymást akadályozva, egyre több nem menetrendszerű megállással tudnak csak átvergődni a vonalszakaszon. Nem lehet tehát cél a lehetséges legtöbb vonat közlekedtetetése, azaz az infrastruktúra túlzott mértékű leépítése sem.
2. ábra Átlagos utazási idő változása az utasvédelem illetve a pálya és biztosítóberendezés együttes felújításának eredményeként 3. ábra Átlagos utazási idő változása a pálya illetve biztosítóberendezés felújításának eredményeként
A problémák nem meglepő módon az állomások köré összpontosulnak. A korszerűtlen biztosítóberendezés a vágányútállítások, beállások és az oldódások hosszabb ideje miatt közvetlenül kihat az áthaladó vonatokra. Jelenleg a legtöbb állomás átmenő fővágányán komoly sebességkorlátozások vannak érvényben. Ehhez még hozzászámíthatjuk az utasvédelmi okok miatt történő késlekedéseket is. S ahogy azt a terheléses vizsgálatokban tapasztalhattuk, az utasvédelem kérdése igenis fontos, hiszen igen komoly változásokat idézett elő az eljutási időkben. Egy nagy forgalmú pályán önmagában képes volt akkora késedelmeket okozni a vonalon, mint a 40 60 km/h s lassújelekkel teletűzdelt, korszerűtlen biztosítóberendezésekkel jellemezhető állomások összessége. A jelzőket tekintve az mondható el, hogy a teszteset jellegétől függően más más jelzők váltak kritikussá a vonalon. Az utasvédelmi problémák megoldása mindenképpen javítana az állomási bejárati jelzők helyzetén, illetve az azt megelőző térközjelző is kevesebb vonatot állítana meg, s főként rövidebb ideig. A korszerűtlen pálya ezzel szemben főként a két nagy állomás (Kőbánya Kispest, Cegléd) kapacitását fogta vissza. Így itt is megnőttek a jelző előtti állásidők. Érdekes eredménye a futtatásoknak, hogy az ideális eset szinte valamennyi jelzőt a kritikus szint alá tudta vinni. Kivételt jelentett ez alól a két nagy állomás kijárati jelzői ami azonban betudható a túlterheltségnek és az őket követő két három állomás. Ez utóbbiak viszont azt jelzik, hogy ezek növekvő forgalomnál szűk keresztmetszetet jelenthetnek. Külföldi példákhoz hasonlóan ekkor megfontolandó lenne egy plusz vágány kiépítése a nagyobb állomások kivezető szakaszain. Ne felejtsük el, hogy ezek a jellemzők a terheléses teszteknél adódtak, így ez a megoldás is a mindenkori forgalom függvényében válhat esedékessé. A közlekedő vonatok számát, azok menetrendjét (a forgalmi technológiát) és az infrastruktúra (pálya, biztosítóberendezés) állapotát az optimális forgalomlebonyolítás érdekében összhangba kell hozni. Célul tűzve ki ezzel a minél kisebb áthaladási időt, a menetrendi eltérések minimalizását, az elviselhető mértékű feltartóztatásokat, a minél kevesebb nem menetrendszerű megállítást, illetve a felesleges kapacitások kiiktatását. 3./ Nem számszerűsíthető tapasztalatok, további lehetőségek
A vizsgált körülmények között az egész vonalszakaszt (mind a 10 állomást) egyetlen kezelő ( forgalmi szolgálattevő ) irányította. A tapasztalatok szerint még csúcsidőben sem okozott különösebb fennakadást a forgalomlebonyolításban a kezelő kapacitása. Amellett, hogy egy centralizált irányítás jelentős munkaerő megtakarítással jár, még azt az előnyt is magával hozza, hogy az irányító személy átlátja a teljes vonal forgalmát, és az összes információ birtokában tud megfelelő szakképzettség és gyakorlat esetén optimális döntéseket hozni. Megelőzhetővé válnak így a felesleges vonatmegállítások, kisebb késésekkel kell számolni, melyek kihatása is jelentősen csökkenthető. Rövidebbé tehetők a menetidők, mindezt kevesebb energiabefektetés mellett, stb. Ez azt jelenti, hogy centralizált forgalomirányítás esetén az optimális döntések eredményeképpen jelentős növekszik az átbocsátjtóképesség is. További vizsgálatok tárgyát kell, hogy képezze az infrastruktúra változtatásaihoz illesztett menetrend esetén a kritikus helyeken nagysugarú kitérők alkalmazása, amellyel szintén növelhető lenne az átbocsájtóképesség. Vizsgálandó eset lehet az is, hogy a szükséges menetrendi tartalékokat hol célszerű beépíteni: közvetlenül a menetidőbe, vagy pedig a vonatok sebességtartalékába? A szimuláció lehetőséget nyújt annak vizsgálatára is, hogy vágányzárak esetén hogyan bonyolítható le a forgalom, milyen akadályoztatással kell számolni, illetve milyen szervezési esetekkel lehet a kialakuló konfliktusokat optimálisan kezelni. További vizsgálat tárgyát képezheti, hogy milyen kihatása lehet egy forgalmi vagy műszaki zavarnak, azaz milyen a menetrend robosztussága. A szimuláció komplex támogatást nyújt az állomási technológiai tervek tervezéséhez, elkészítéséhez, ellenőrzéséhez is. 4./ Összefoglalás Egy vasútvonal infrastruktúrájának fejlesztése, felújítása alkalmával csak egy összehangolt, a pálya, forgalomirányító rendszer, biztosítóberendezés és menetrend (forgalmi technológia) vonatkozásában illesztett és arányos megoldás vezet optimális eredményhez. E komplex megoldás megkereséséhez nyújthat hathatós segítséget az alkalmazott mikroszimulációs eljárás.
Irodalom: [1] Bozsóki Z. dr. Hrivnák I. dr. Parádi F.: A szimuláció mint a tervezést és oktatást segítő eszköz a vasútüzem területén. Vezetékek Világa 4/97, 5 8. o. [2] Berger, J. Dr. Hrivnák, I. Dr. Parádi, F. Szilva, P. E.: Szimulátor alkalmazása az Osztrák Szövetségi Vasutakon (ÖBB) a tervezési feladatok támogatására. Vezetékek Világa 3/99, 16 19. o. [3] Dr. Parádi, F. Dr. Hrivnák, I. Szilva, P. E.: Multifunkcionális szimulátor alkalmazása a hannoveri EXPO vasúti közlekedésének vizsgálatához. Vezetékek Világa, 2000/2, 4 6. o. [4] Dr. Hrivnák, I. Dr. Parádi, F. Szilva, P.: Integration of Timetable for Railway Technology Simulation. ITEC 2001, April 2001 [5] Berger, J. Plaminger, N. Szilva, P. E.: Stellwerksplanung der ÖBB wird durch BEST Simulation unterstützt. Signal+Draht 1+2/2001, S. 16 19. [6] Dobrosi, A. Molnár, G. Parádi, F.: Forgalmi, technológiai tervek vizsgálata szimuláció segítségével, különös tekintettel az infrastruktúra kapacitásra. Vezetékek Világa, 2001/4, 21 25. o.
Prüfung der Kapazitätsausnutzung der Eisenbahnnetzen, argestellt über Eisenbahnstrecke Budapest Kőbánya Kispest Cegléd In der Planung einer Eisenbahnstrecke oder eines Eisenbahnknotenpunktes ist eine der wichtigsten Aufgaben, die nötige Infrastrukturkapazität festzustellen. Diese Beilage beschäftigt sich mit den Ergebnissen des mittels Mikrosimulation durchgeführten Pilotprojektes der MÁV. Es wurde geprüft, wie die einzelne Infrastrukturelemente ausgenutzt werden und wie die Streckenleistung durch Rekonstruktion des Bahnkörpers und/oder der Stellwerkstechnik erhöht wird. Investigation of railway network capacity based on microsimulation, demonstrated on the Budapest Kőbánya Kispest Cegléd line The most important task in the planning of a railway line or junction is to determine the necessary capacity of the infrastructure. This article presents the results of the pilot project based on microsimulation. In this project we examined the utilization of track sections, resp. the impact of track and interlocking reconstruction on infrastructure capacity.
Szerzők: dr. Parádi Ferenc 1949 ben született Nagytályán. 1972 ben szerzett közlekedésmérnöki oklevelet a BME Közlekedésmérnöi karán. 1972 óta a Közlekedésautomatikai Tanszék oktatója, jelenleg egyetemi docensi beosztásban. Doktori oklevelet szerzett 1978 ban a Budapesti Műszaki Egyetemen, majd 1991 ben a Drezdai Közlekedési Egyetemen. 1994 óta atran SYS Rendszertechnikai Kft. tulajdonosa és ügyvezetője. Jóvér Balázs 1979 ben született Debrecenben. 2002 ben szerzett közlekedésmérnöki oklevelet a BME Közlekedésmérnöki karán. 2002. szeptemberétől a MÁV Távközlő, Erősáramú és Biztosítóberendezési Gazdálkodási Központ fejlesztőmérnöke.