kl - Tabor
Transkrypt
kl - Tabor
prof. dr hab. inż. Tadeusz Cisowski Politechnika Radomska Model matematyczny wyboru optymalnych dróg przewozu ładunków w transporcie kolejowym W pracy przedstawiono model matematyczny wyboru optymalnych marszrut dla potoków ładunków w transporcie kolejowym. Sformułowana funkcja celu zawiera dwie składowe. Pierwsza pozwala ocenić efektywność przydziału potoku do danej marszruty. Składowa druga uwzględnia efekt nieliniowy, pojawiający się przy zmianie potoku w danej marszrucie. Zadanie wyboru marszruty optymalnej dla potoków ładunków w transporcie kolejowym, sprowadza się do określenia takich kierunków ich przemieszczania, które minimalizują globalne nakłady, związane z realizacją przewozów, uwzględniające dodatkowe ograniczenie typu zdolność przeróbcza stacji, zdolność przepustowa linii itp. Dotychczasowe rozwiązania zadania wyboru marszrut optymalnych dla potoków ładunków są niedokładne i mało efektywne. Wielu badaczy zadanie to rozwiązało wykorzystując liniowe metody transportowe, a w szczególności algorytm poszukiwania najkrótszej ścieżki w sieci [1,9,18]. Tymczasem zadanie wyboru marszruty optymalnej dla potoków ładunków jest zadaniem bardziej złożonym, gdyż powinno uwzględniać nakłady zależne od rozmiarów tych potoków, a tym samym od samych marszrut, określonych odpowiednimi algorytmami [11,19]. Dodatkowo, w zadaniu wyboru marszruty, należy uwzględnić lokalne ograniczenia technologiczne, związane z wielkością potoku ładunków na poszczególnych stacjach, szlakach i w relacjach planu zestawienia. Zadanie wyboru marszruty optymalnej można efektywnie rozwiązać, korzystając z naturalnej graficznej interpretacji sieci kolejowej. W charakterze modelu matematycznego rozważmy sieć transportową, opisaną symetrycznym grafem ważonym G ({}{ i , i, j}) , składającym się ze zbioru węzłów {} i i zbioru łuków Ponumerujmy wszystkie marszruty od węzła i do węzła j . Wtedy Sijδ – oznacza marszrutę z nu- ( ) merem δ δ = 1; δ ij , gdzie δ ij – liczba marszrut z i do j . Niech węzły i łuki grafu G będą opisane liczbami charakteryzującymi nakłady, związane z przeróbką jednostki potoku ładunków. Długością d Sijδ ( ) marszruty Sijδ będziemy nazywać sumą nakładów związanych z wszystkimi jej elementami. Niech dana będzie macierz korespondencji potoków N = N ij w określonymprzedziale czasowym ∆T (N ij > 0; i, j = 1; m ), gdzie i – stacja nadania, j – stacja przeznaczenia. Oznaczmy przez N ijδ – wielkość części korespondencji N ij przemieszczonej po marszrucie δ ij δ S ∑ N ij = N ij . δ =1 δ ij Funkcja celu w zadaniu wyboru marszruty dla potoków ładunków w transporcie kolejowym ma postać funkcji nakładów, odniesionych do wszystkich elementów (wierzchołków i łuków) sieci: ∧ n F = ∑ f i (N i ) → min {N i } i =1 (1) {(i, j )}(i, j = 1; m) , gdzie m – ogólna liczba węzłów w gdzie: f i (N i ) – nieliniowa funkcja nakładów doty- sieci. Ponumerujemy wszystkie łuki: k = m + 1; n , gdzie n – ogólna liczba elementów sieci. Wtedy (n − m ) jest liczbą łuków, rozpatrywanych w danej chwili. Marszrutą (drogą zorientowaną, łańcuchem) od węzła i do węzła j nazywamy ciąg następujących po sobie węzłów i łuków sieci, w którym każdy łuk jest incydenty z węzłem poprzedzającym i następującym po nim: i = i1 , (i1 .i2 ); i2 ,..., ir −1 , (ir −1 , ir ), ir = j . czących i – tego elementu, i = 1, n ; N i –obciążenie i – tego elementu, składające się z części rozdzielanej POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 ~ ∧ N i i normatywnej N i : ~ ∧ Ni = Ni + Ni n– ogólna liczba elementów sieci występująca w modelu. W obliczeniach, dotyczących korekty operatywnej planu zestawiania pociągów towarowych, 1 ∧ funkcja celu F charakteryzuje sumaryczne nakłady wagono-godzin przeróbki wagonów. W zadaniu wyboru marszruty, funkcja ta określa sumaryczne nakłady eksploatacyjne, związane z przemieszczaniem wagonów przez szlaki i stacje. W przypadku ogólnym, funkcja celu może przyjąć następującą postać: n ∧ F = ∑ N i t i (N i ) → min (2) {N i } i =1 gdzie: t i (N i ) – zależność czasu obróbki jednostki potoku wagonów od obciążenia elementu sieci. Funkcja celu (2) minimalizuje sumaryczny czas przemieszczania się wagonów po wszystkich N ij = const , marszrutach. Uwzględniając, że ∑ funkcja (2) minimalizuje średni czas przemieszczania się jednego wagonu po danej marszrucie. Uniwersalnym podejściem do rozwiązania złożonych zadań optymalizacji jest metoda dekompozycji [5], która pozwala zamienić złożone zadanie wyjściowe zbiorem prostych wzajemnie powiązanych zadań, koordynacja rozwiązań których, pozwala znaleźć rozwiązanie zadania wyjściowego. Przy zadanych wartościach t i (N i ) funkcja celu (2) staje się liniową i posiada rozwiązanie dokładne, otrzymane drogą idealnej dekompozycji na zbiór zadań wyboru najkrótszej drogi w grafie G ,dla określonego potoku N ij . Wybór ( ) δ δ = 1, δ kl i elemencie i . Dla uproszczenia przyjmiemy, że obciążenie i – tego elementu stanowi tylko rozdzielana część ~ ({ ( )}) = ∑ N t (N ) = F = F Ni S n δ kl i i i =1 i =1 δ , k ,l i gdzie: N i = δ kl i δ , k .l δ kl i ∑ N (S ), N (S ) δ , k ,l i δ kl i δ kl (3) N i S klδ – potok wagonów z k do l , przemieszczany po marszrucie S klδ o numerze 2 ( ) i, j ∈ S klδ ; δ = 1, δ kl ; k , l = 1, n; k ≠l (4) b) ograniczenie dotyczące pełnej realizacji przewozów (wywozu i wwozu odpowiednio): δ ij ∑ N (S ) = N δ =1 δ ij i δ ij ij ∑ N (S ) = N δ =1 δ ij j ; i, j = 1, n; i≠ j (5) ; i, j = 1, n; i≠ j (6) ij c) ograniczenia związane z wartością dodatnią potoków: ( ) N i S klδ ≥ 0; i = 1, n; δ = 1, δ kl ; k , l = 1, n; k ≠l (7) Do dekompozycji zadania (3÷7) wykorzystamy klasyczny schemat dowodowy warunków tego zadania w obszarze rozwiązania optymalnego. * ( ) Niech N i S klδ będzie optymalnym rozwiązaniem * ( ) ( )) zadania (3÷7) a (N i S klδ + ∆N i S klδ – rozwiąza- niem dopuszczalnym, zawierającym się w obszarze rozwiązania optymalnego. Wtedy spełniona jest następująca nierówność: ( ( )) ( ) ( ) * ∆F ∆N S klδ = F N i S klδ + ∆N i S klδ − ( ) * − F N i S klδ ≥ 0 (8) i ∑ ∑ N (S )t ∑ N (S ) → min ( ) n ( ) N i S klδ = N j S klδ ; marszruty dla potoku N ij , przy nieliniowej funkcji nakładów t i (N i ) , zależy od obciążenia elementów sieci, a tym samym od dołączanych strug wagonów. W tym przypadku zadanie dekompozycji staje się o wiele trudniejszym. Dekompozycja nieliniowa funkcji (2) możliwa jest przy wykorzystaniu metod iteracyjnych. Należy przy tym podkreślić, że algorytmy iteracyjne nie gwarantują zbieżności dekompozycyjnego algorytmu rozwiązania zadania nieliniowego (2), w skończonej liczbie kroków. W pierwszym etapie budowy algorytmu dekompozycji zadania (2), pominiemy ograniczenia, dotyczące rozdzielenia potoku. Wówczas rozwiązanie zadania w sposób istotny się upraszcza, i funkcję celu można przedstawić w ekwiwalentnej postaci: ∧ potoku wagonów, tj. N i = N i , N i = 0 , co nie narusza ogólności rozważań. Minimalizację funkcji cele (3) dokonuje się przy następujących ograniczeniach, związanych z istotą rozpatrywanego zadania: a) ograniczenie dotyczące nierozłączności potoku: Fizyczny sens nierówności (8) jest taki, że dowolny rozkład potoku w sieci, przy rozwiązaniu optymalnym, nie zmniejsza wartości funkcji celu. * ( ) ( )) Jeżeli (N i Sklδ + ∆N i S klδ jest rozwiąza- niem dopuszczalnym, spełniającym warunki (4÷7), to ∆N i S klδ spełnia następujące zależności: ( ) POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 ( ) ( ) ∆N i S klδ = ∆N j S klδ ; k , l = 1, n; δ ij ∑ ∆N (S ) = 0; δ =1 δ ij i, j = 1, n; ∑ ∆N (S ) = 0; j δ =1 δ = 1, δ kl ; (9) k ≠l δ ij i i, j ∈ S klδ ; δ ij ( ) N (S ) = 0; i≠ j i, j = 1, n; (10) i≠ j δ kl δ = 1, δ kl ; i = 1, n; k , l = 1, n; k ≠l (12) Uwzględniając wypukłość i różniczkowalność ( ) ( )) * F (N i Sklδ + ∆N i S klδ , funkcji względem wszystkich zmiennych, można wykorzystać twierdzenie Taylora o wartości funkcji w otoczeniu punktu. Zazwyczaj, w zadaniach optymalizacyjnych korzysta się z trzech pierwszych członów szeregu Taylora. Dla * ( ) ( )) funkcji F (N i S klδ + ∆N i S klδ , szereg Taylora ma postać: ( ) ( )) k ≠l ( ) dF (N ) ∑ ∆N (S ) ∑ dN ≥ 0 δ , k ,l k ≠l (13) * ∂F N i Sklδ Zauważmy, że ∂N i S klδ – obciążenie i – tej stacji. * dF N i , gdzie N = i dN i ( ) ( ) ( ) Przy małych wartościach ∆N i S klδ można pomijać człon R , i nierówność (8) przyjmie postać: * dF N i ∆N S δ ≥ 0 ∑ 1 kl dN i δ ,i , k ,l ( ) i i∈S klδ i (15) Wydzielenie składowych nakładów różniczkowych, dotyczących marszrut S klδ stanowi idealną podstawę do dekompozycyjnego algorytmu rozwiązania zadania wyjściowego. W budowie algorytmu dekompozycji wyko* ( ) rzystamy potok N k S klδ > 0 , który określa optymalną część korespondencji, odpowiadającej marszrucie ( { }) * ( ) S klδ β ∈ 1, δ kl . Ponieważ N k S klβ > 0 , to z (10) wynika: ( ) δ kl ( ) ∆N k S klβ = − ∑ ∆N k Sklδ δ =1 δ ≠β (16) Wykorzystując równanie (16) doprowadzimy początkowo nierówność (15) do postaci: * * dF N i dF N i ≥0 − ∑ ∑ ∆N k S klδ ∑δ dN ∑ dN k , l δ =1 i∈S kl i∈S klβ i i k ≠l δ ≠ β δ kl k ≠l δ kl k a następnie do postaci: ( ) gdzie R – jest resztą o małej wartości dodatniej, wynikającej z wypukłości funkcji F . Jeżeli drugi człon szeregu Taylora zamienimy resztą Lagrange’a, to nierówność (8) przyjmie wartość: * ∂F Ni (Sklδ ) + Θ∆Ni (Sklδ ) ∆Ni (Sklδ ) ≥ 0 ∆F (∆Ni (Sklδ )) = ∑ δ ( ) ∂ N S δ ,i , k .l i kl gdzie Θ ∈ 0,1 . ) * dF N i δ kl δ kl dF (N i ) − ∑ ∆ N k (S klδ ) ∑ ≥0 ∆N k (S klδ ) ∑ ∑ ∑ i∈S β dN i i∈S δ dN i δ =1 k ,l δ =1 k kl k ≠ l δ ≠ β δ ≠β * * F (N i S klδ + ∆N i S klδ = F N i S klδ + * ∂F N i S klδ ∆N i S klδ + R ∑ δ ∂ N S δ ,i , k , l i kl ( ) ( ) ( Sklδ δ = 1, δ kl ; k , l = 1, n; k ≠ l : (11) ∆N i Sklδ ≥ 0, jeżeli i Wykorzystując zależności (9÷12), w wyrażeniu (13) wydzielimy te składowe, które związane są z nakładami różniczkowymi wzdłuż marszruty ( ) * (17) ( ) Z zależności (12) wynika, że jeżeli N k S klδ = 0 , to ( ) ∆N k S klδ ≥ 0 i warunek: * * dF N i dF N i ≥ ∑δ dN ∑β dN i∈S kl i i∈S kl i (18) δ ≠β spełnia nierówność (17). * ( ) ( ) Jeśli N k S klδ > 0 to ∆N k S klδ może być dodatnie lub ujemne. Wtedy nierówność (17) spełnia następujący warunek: * * dF N i dF N i = ∑δ dN ∑β dN i∈S kl i∈S kl i i (19) δ ≠β (14) k ≠l POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 3 Z wyrażenia (18) wynika, że S klδ jest najkrótszą, ze względu na sumaryczne nakłady różniczkowe, marszrutą z punktu nadania do punktu przeznaczenia, zaś wyrażenie (19) dowodzi, iż przy optymalnym rozkładzie potoków, nakłady te powinny być jednakowe dla wszystkich marszrut potoku N kl . Tak więc, zadanie wyboru marszruty przy dopuszczalnym rozdrobnieniu potoku dekomponuje się na szereg prostych zadań poszukiwania najkrótszych odległości z k do l ze względu na nakłady, tj. dF (N i ) , gdzie k , l = 1, n . dN i i∈S klδ min ∑ Koordynacja tych zadań dokonywana jest z uwzględnieniem nieliniowych funkcji nakładów sumarycznych każdego elementu sieci, w zależności od jego obciążenia. Dowodem na optimum rozwiązania jest powszechnie znany fakt, iż szczegółowe rozwiązanie optymalne wypukłej funkcji nieliniowej jest również rozwiązaniem ogólnym. Nakłady różniczkowe można interpretować, jako koszty dodatkowe związane z przewozem ostatniego wagonu. Jeżeli na danej drodze suma nakładów różniczkowych jest większa niż na drodze innej, to dana marszruta nie jest optymalna, i dla zmniejszenia ogólnych nakładów należy ostatni wagon przemieszczać po innej marszrucie. Uwzględniając strukturę funkcji celu (2) ogólne nakłady różniczkowe wzdłuż marszruty S klδ mają postać: dF (N i ) dt (N ) = ∑ ti (N i ) + N i i i dN i dN i i∈S klδ i∈S klδ ∑ (20) Rozważmy sens fizyczny składowych wyrażenia (20). Niech N i [n ] będzie obciążeniem i – tej stacji w n – tym kroku wyboru marszruty, dla części ∆N kl potoku N kl . Wtedy pierwsza składowa ∑ t (N [n]) określa nakłady czasu na przemieszcza- i∈S klδ i i nie potoku N kl wzdłuż marszruty S klδ i pozwala ocenić efektywność przyłączenia ∆N kl do danej marszruty, przy zadanych obciążeniach N i [n ] elementów sieci. Obecność drugiej składowej ∑ N [n] i∈S klδ i dti (N i [n]) uwzględnia efekt nieliniowy, dN i pojawiający się przy zmianie potoku w marszrucie S klδ . Tym samym, druga składowa pokazuje, w jaki sposób zmiana w obciążeniu marszruty S klδ wpływa na przeróbkę pozostałych potoków i pozwala ocenić dodatkową efektywność przyłączenia ∆N kl do danej 4 marszruty. Efekt nieliniowy, wynikający z drugiej składowej równania (20), w sposób istotny utrudnia dekompozycję zadania (3÷7). Jeżeli uwzględniać będziemy tylko pierwszą składową wyrażenia (20) to w każdym kroku rozkładu, potoki należy przydzielać do marszrut najkrótszych, wybranych przy zadanych obciążeniach N i [n ] elementów sieci. Optymalny rozkład potoku wagonów na sieci kolejowej powinien gwarantować równowagę, tj. najkrótsze w sensie nakładów różniczkowych, marszruty od punktów nadania do punktów przeznaczenia. Spostrzeżenie to stanowi podstawę algorytmów wyboru marszrut dla potoków wagonów. Literatura [1] Акулиничев В.М. и др.: Организация вагонопотоков и маршрутизация перевозок, М., «Транспорт»,1970 [2] Cisowski T.: Metodyka wyboru dróg przewozu ładunków w transporcie kolejowym. Pojazdy Szynowe, Nr 3/2008 [3] Gajda B.: Technologia i automatyzacja pracy stacji, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, 1983 [4] Gutenbaum J.: Modelowanie matematyczne systemów, PWN, Warszawa-Łódź, 1987 [5] Кутыркин А.В., Кадушин А.И.: Декомпозиционный алгоритм регулирования порожних вагонопотоков в АСУЖТ, М., «Транспорт», «Вестник ВНИИЖТ», №6,1978 [6] Кутыркин А.В.: Динамическая модель планирования и оперативного управления вагонопотоками, «Вестник ВНИИЖТ», №8,1981 [7] Лебедев Т.П., Ломакина Н.Н., Садиков П.П., Сотников Е.А.: Расчет времени нахождения вагонов на сортировочных и участковых станциях, Труды ЦНИИ МПС, вып. 481, «Транспорт»,1973 [8] Leszczyński J.: Optymalna decyzja w procesach transportowych, WKiK, Warszawa, 1981 [9] Leszczyński J.: Modelowanie systemów i procesów transportowych, Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1990 [10]Лебедев Т.П., Ломакина Н.Н., Садиков П.П., Сотников Е.А.: Расчет времени нахождения вагонов на сортировочных и участковых станциях, Труды ЦНИИ МПС, вып. 481, «Транспорт»,1973 [11]Левит Б.Ю., Лившиц В.Н.:Нелинейные сетевые транспортные задачи, М., «Транспорт»,1972 [12]Nowosielski L.: Procesy przewozowe w transporcie kolejowym, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, 1995 [13]Nowosielski L.: Organizacja przewozów kolejowych, Kolejowa Oficyna Wydawnicza, Warszawa, 1999 [14]Potthoff G.: Teoria potoków ruchu, WKiK, Warszawa, 1973 [15]Steenbrick P.A.: Optymalizacja sieci transportowych, WKiK, Warszawa 1978 [16]Sysło M., Deo N., Kowalik J.S.: Algorytmy optymalizacji dyskretnej, PWN, 1985 [17]Woch J.: Podstawy inżynierii ruchu kolejowego, WKiK, Warszawa, 1983 [18]Wyrzykowski W.: Ruch kolejowy, WKiK, Warszawa 1967 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 dr inż. Marek Sobaś Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Rozwiązania konstrukcyjne układów biegowych wagonów osobowych przystosowanych do wysokich prędkości W artykule omówiono rozwiązania konstrukcyjne układów biegowych przystosowanych do wysokich prędkości ze szczególnym uwzględnieniem poszczególnych podzespołów oraz części. Rozwiązania te odniesiono do wymagań, przedstawionych w przepisach międzynarodowych. Artykuł powstał w ramach projektu badawczo-rozwojowego Nr R10 041 02, finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego ze środków budżetowych na naukę na lata 2007÷2009 pt.„Wózek pasażerskiego pojazdu kolejowego typu Z o prędkości 250 km/h i możliwości modyfikacji do prędkości 300 km/h”. 1.Wstęp Transport osobowy z wysokimi prędkościami ma już długoletnią tradycję. Związane jest to między innymi z wdrożeniem zespołów trakcyjnych typu „Shinkansen” w Japonii w 1964 roku, TGV we Francji w 1982 roku, ICE w Niemczech w 1992. Przydatność zespołów trakcyjnych przystosowanych do wysokich prędkości w transporcie osobowym została potwierdzona przez długoletnią eksploatację w Europie Zachodniej (SNCF, DBAG) oraz w Japonii ( JNR, JNR Central, JR West, Central+West) [1,2,3,6 i 7]. Ożywienie powstało również w transporcie realizowanym za pomocą wagonów osobowych ciągnionych w dowolnie formowanych składach przez lokomotywę, które w coraz większym stopniu są przystosowywane do wysokich prędkości i mogą skutecznie konkurować z zespołami trakcyjnymi [1]. Z tego wynika potrzeba projektowania i wykonania układów biegowych przystosowanych do wysokich prędkości, powyżej 250 km/h zgodnie z kartą UIC 660 [30]. Jak pokazują współczesne doświadczenia i prace studialne ruch osobowy z wysokimi prędkościami można zrealizować przy wspólnym wysiłku konstruktorów pojazdu oraz infrastruktury, zwłaszcza w dziedzinie zapewnienia prawidłowych własności dynamicznych oraz ograniczenia emisji hałasu [8]. Konstrukcja układu biegowego musi spełniać wymagania odpowiednich przepisów oraz norm europejskich, opracowanych przez Europejski Komitet Normalizacyjny –CEN ( fr.„ Comité Européen de Normalisation” ), kart UIC, przepisów ORE/ERRI oraz RIC (wł. „Regolamento Internationale Carozza”). 2. Wymagania dla układów biegowych 2.1.Przepisy międzynarodowe, jakie muszą spełniać układy biegowe Układ biegowy przystosowany do wysokich prędkości musi spełniać następujące przepisy: POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 * * * * * * * * karty UIC 515-0 [16] w zakresie geometrii określonej przez tzw. „otoczkę wózka”(niem .„Kernhüllraum”, „Hüllraum”); przez „otoczkę wózka” rozumie się przestrzeń przeznaczoną dla wózka, włącznie z ugięciami pionowymi wynikającymi z obciążenia, zużycia i przemieszczeń w kierunku poziomym, wynikającym z luzu w kierunku poprzecznym w pierwszym i drugim stopniu usprężynowania (rys.1 i rys.2). „Otoczka wózka” jest przewidziana dla bazy wózka (odległości pomiędzy zestawami kołowymi) znajdującej się w zakresie 2,50÷2,60 m. karty UIC 518 [22] i normy PN-EN 14363: 2005 [40] w zakresie własności bezpieczeństwa przed wykolejeniem w warunkach quasi-statycznych podczas przejazdu pojazdu przez tory wichrowate oraz własności dynamicznych i oddziaływania na tor w trakcie jazdy karty UIC 515-4 [19] i normy PN-EN 13749:2005 [39] w zakresie własności wytrzymałościowych ram (badania statyczne i zmęczeniowe); PN-EN 13260:2006 [35], PN-EN 13261:2004 [36], PN-EN13262:2005 [37] w zakresie warunków technicznych wykonania i odbioru, tolerancji kształtu i położenia zestawów kołowych, osi i kół PN-EN 13103: 2003 [34] w zakresie wytrzymałości statycznej i zmęczeniowej osi zestawu kołowego (metodyka obliczeń) karty UIC 505-1 [12] w zakresie spełnienia wymagań skrajni kinematycznej karty UIC 410 [11], 543 [24], 544-1 [25] i 546 [27] w zakresie wyposażenia hamulcowego karty UIC 515-1 [17] w zakresie warunków, jakie muszą spełniać dodatkowo podzespoły w stosunku do warunków ustalonych w kartach UIC 515-3 [18] oraz 515-5 [21] 5 Rys.1. Otoczka wózka wagonu osobowego zgodna z kartą UIC 515-0 [16] Rys.2. Otoczka wózka wagonu osobowego w ujęciu przestrzennym zgodnie z kartą UIC 515- 0 [16] * * * * 6 karty UIC 515-5 [16] oraz PN-EN 12082:2000 [33] w zakresie maźnic karty UIC 533 [23] w zakresie wyposażenia w uziemienie ochronne przed porażeniem personelu obsługującego i podróżnych karty UIC 541-05 [26] w zakresie wyposażenia układu biegowego w urządzenie antypoślizgowe karty UIC 552 [28] w zakresie ochrony łożysk i smaru przed uszkodzeniami spowodowanymi przepływem prądów elektrycznych * * karty UIC 814 [31] w zakresie własności smaru zastosowanego w łożyskach tocznych maźnic karty UIC 822 [32] i PN-EN 13298:2003 [38] w zakresie produkcji, warunków technicznych wykonania i odbioru sprężyn śrubowych zastosowanych w zawieszeniu pierwszego i drugiego stopnia. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Wózek typu „Sumitomo” posiada wewnętrzne ułożyskowanie, dzięki czemu udało się ograniczyć masę własną całego układu biegowego jak również mas W celu dopuszczenia wózka do eksploatacji nieusprężynowanych. Rozwiązanie to nie spełnia wykomercyjnej musi on być poddany następującym ba- magań karty UIC 515-1 [17] w zakresie współpracy z urządzeniami typu HOA do wykrywania przegrzanych daniom: ⇒ badania stanowiskowe, aby wykazać wytrzyma- łożysk tocznych umieszczonych w maźnicach. Urząłość części konstrukcyjnych wózka tzn.: łożysk, dzenia te są usytuowane na zewnątrz toru. Jednak maźnic, ramy wózka, sprężyn, tłumików, sytemu karta UIC 660 [30] dopuszcza już zainstalowanie czujnika do kontroli temperatury łożysk na pojeździe, przegubów i elementów gumowo-metalowych ⇒ badania podczas jazdy, aby dostarczyć dowód który musi funkcjonować tak, że przy wykryciu wzropoprawnych własności dynamicznych dotyczą- stu temperatury następuje ograniczenie prędkości pocych bezpieczeństwa jazdy, komfortu i obciążenia ruszającego się pojazdu względnie jego stopniowe zahamowanie aż do stopniowego zatrzymania się potoru. Wagon przystosowany do wysokich prędkości musi ciągu w zależności od zgłoszenia informacyjnego i posiadać tak zaprojektowane układy biegowe, aby ostrzegawczego. Zmniejszenie masy układu biegowego (zwłaszcza w zakresie mas nieusprężynowanych) mógł przejść dodatkowe próby i badania: ⇒ wagon musi posiadać możliwość przejazdu przez można osiągnąć przez wykorzystanie zapisu w karcie łuki toru o promieniu R=150 m, jeśli wagony UIC 515-1 [17] w p.1.3.1 dotyczącego dopuszczalnych średnic tocznych kół w stanie nowym w zakresie znajdują się w składzie pociągu ⇒ pojedynczy wagon z układami biegowymi musi 800÷1000 mm, przy zalecanych wartościach w zakreprzejeżdżać w stanie próżnym przez warsztatowe sie 890÷920 mm. Karta UIC 515-1 [17] przedstawia w załączniku B dwa rozwiązania kół o średnicy w stanie łuki toru o promieniu 80 m ⇒ wagon musi przejeżdżać podczas wjazdu na prom nowym/ zużytym odpowiednio φ920/870 mm i łuk toru o promieniu 300 m i kącie pochylenia 890/840 mm z dopuszczalnym zużyciem granicznym rampy promowej wynoszącego 2,5°, zgodnie z 31 mm na promieniu ( wynikającym z 25 mm do ostatniej reprofilacji (odtworzenia zarysu zewnętrznekartą UIC 507 [13]. Dodatkowe badania powinny być przeprowadzone go wieńca koła oraz długości „rowka zużyciowego” albo przesuwnicy (badania stanowiskowe) albo na wynoszącej 6 mm) i masami wynoszącymi odpotorze spełniającym powyższe kryteria. W trakcie ww. wiednio 320 kg oraz 307 kg. Ww. wymagane i zaleprób przejezdności żadna cześć wagonu nie może być cane wartości średnic tocznych kół dla układów bieuszkodzona oraz nie może wystąpić kolizja pomiędzy gowych przystosowanych do wysokich prędkości są zgodne z przepisami karty UIC 510-2 [15]. Utrzymaczęściami pudła wagonu oraz wózków. nie zarysu skrajni kinematycznej wg karty UIC 5052.3. Dodatkowe wymagania wynikające z trendów 1[12] przy wyborze mniejszych średnic zestawów kołowych poniżej 920 mm, wiąże się z poszukiwarozwojowych niem tarcz hamulcowych o mniejszych średnicach, co Poważnym wyzwaniem dla konstruktorów z kolei przyczynia się do wzrostu temperatury pary układów biegowych przystosowanych do wysokich ciernej okładzina hamulcowa-tarcza hamulcowa. Dlaprędkości jest między innymi masa własna. Porównatego w przypadku wózka tocznego typu MD 530 przenie poszczególnych mas własnych wózków wagonów znaczonego do zespołu trakcyjnego ICE zastosowano osobowych przedstawiono na w tabeli 1. 4 tarcze hamulcowe zamontowane na jednej osi o wymiarach 640×80 mm, przy średnicy Zestawienie mas własnych układów biegowych zastosowanych w wagotocznej koła w stanie nowym, wynonach osobowych i zespołach trakcyjnych przeznaczonych do wysokich szącej φ 920 mm. W tym przypadku prędkości Tabela 1 jednak założono, że zespół trakcyjny Prędkość makMasa nie będzie przejeżdżał przez górki Oznaczenie L.p. symalna [km/h] własna Uwagi rozrządowe i hamulce torowe w połowózka [t] żeniu pracy i jest utrzymany zarys 1. GP 210 250 6,8 odniesienia skrajni kinematycznej wg 2. z hamulcem 7,52 p.5.2 karty UIC 505-1 [12] ( rys.3). ręcznym 2.2. Badania potrzebne do udzielenia tymczasowego dopuszczenia MD 530 280 7,42 3. 4. 5. SGP 400 „ Sumitomo” ( TR 9005) TR 400 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 300 6,8 350 5,5 350 4,9 bez hamulca ręcznego 7 Rys.3. Zarys skrajni kinematycznej wagonów towarowych nie mogących przejeżdżać przez górki rozrządowe ani też nie mogących być hamowanymi za pomocą hamulców torowych wg p.5.2 karty UIC 505-1 [12] Legenda: a-przestrzeń dla części konstrukcyjnych znajdujących się w większej odległości od kół b- przestrzeń dla części konstrukcyjnych w bezpośrednim sąsiedztwie kół c-przestrzeń dla szczotek krokodyli ( automatycznych wyłączników blokad torowych-ang. „contact ramp”, niem.„Krokodilen”), które są stosowane przez niektóre zarządy kolejowe jak SNCF ( wysokość od główki szyny 94 mm) oraz SNCB ( wysokość od główki szyny 96 mm) d-przestrzeń dla kół i innych części, które stykają się z szynami e- przestrzeń przeznaczona wyłącznie dla kół (1) zarys odniesienia dla części konstrukcyjnych znajdujących się za zewnątrz skrajnych zestawów kołowych ( urządzenia czyszczące szyny, piaskujące), które zapewniają przejazd przez petardy ochronne (ang. „detonators”, niem. „Knallkapseln”) Zarys odniesienia nie musi być zachowany dla części, które znajdują się między kołami pod warunkiem, że znajdują się w tle kół (2) największa dopuszczalna szerokość obrzeży kół przy występowaniu kierownic ( ang. „check-rail”, niem.„ Radlenker”) (3) rzeczywiste położenie graniczne zewnętrznej powierzchni kół i części konstrukcyjnych, które są połączone z kołami. Dolne części konstrukcyjne są zdefiniowane w karcie UIC 505-5 [30] (4) jeśli pojazd znajduje się w dowolnym ustawieniu w łuku toru o promieniu R=250 m ( najmniejszy promień dla zainstalowania krokodyli) i o prześwicie toru 1 465 mm, wówczas żadna część pojazdu za wyjątkiem szczotki krokodyli (ang.„ contact ramp brushes”, ,niem. Krokodilenbürste” lub „Kontaktbürste”) nie może przekroczyć wymiaru wynoszącego 100 mm mierzonego względem główki szyny i nie może w znajdować się w odległości większej niż 125 mm od osi toru. (5) rzeczywiste położenie graniczne wewnętrznej powierzchni czołowej kół, kiedy zestaw kołowy (6) l/2- połowa prześwitu toru (szerokości toru) Problem utrzymania zarysu odniesienia skrajni kinematycznej wiąże się z doborem usprężynowania pierwszego i drugiego stopnia. Nie mniej jednak w wózku typu „ Sumitomo” zastosowano koła o średnicy tocznej będącej w zakresie eksploatacyjnym 840÷780 mm, natomiast w wózku TR 400 firmy Bombardier 780÷730 mm, przy czym obydwa przypadki wykraczają poza wymagany i zalecany przez kartę UIC 5151 [17] zakres eksploatacyjny średnicy tocznej. Rozwiązanie to przy tym samym nacisku zestawu kołowego jest bardziej narażone na zużycie koła, z tytułu większych nacisków powierzchniowych na powierzchni tocznej koła oraz większej prędkości obrotowej przy tej samej prędkości liniowej pojazdu. Istotnymi warunkami ograniczającymi są przede wszystkim przepisy karty UIC 515-1 [17] w p.2.1.5, gdzie ogranicza się wartość współczynnika pochylania pojazdu w stanie próżnym oraz we wszystkich stanach załadowania do 0,4 oraz w p.2.1.8, gdzie ogranicza się różnicę wysokości w stanie próżnym pudła wagonu 8 odpowiadającemu przepisom RIC oraz karcie UIC 567-1[29] z kołami w stanie nowym oraz wagonu z kołami w stanie ładownym przy całkowicie zużytych zestawach kołowych przy obciążeniu normalnym do 80 mm. Warunek przedstawiony w p.2.1.8 karty UIC 515-1 [17] jest ograniczeniem sumy zużycia oraz przyrostu ugięcia usprężynowania I i II stopnia próżny-ładowny. Jednocześnie prawidłowy dobór usprężynowania gwarantuje własności dynamiczne i komfort jazdy wymagany przez przepisy karty UIC 518 [22] oraz PN-EN 14363:2005 [40], co wymaga kompromisu w świetle ww. wymagań postawionych przez kartę UIC 515-1 [17]. Zgodnie z p.2.1.7 karty UIC 515-1[17] usprężynowanie wózka musi być tak zaprojektowane, aby posiadało „zdolności filtrujące” polegające na unikaniu propagacji emisji hałasu, powstającego w układzie koło-szyna. Zgodnie z p. 2.1.8 karty UIC 515-1 [17] usprężynowanie wózka powinno gwarantować możliwie duże przesuwy poprzeczne przy zachowaniu zarysu odniesienia POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 skrajni kinematycznej. Jak wykazują doświadczenia uzyskane z badań zbyt sztywne usprężynowanie i małe przemieszczenia w kierunku poprzecznym powodują duże sprzężenie pomiędzy pudłem wagonu poprzez ramę wózka z torem, co wywołuje działanie dużych sił dynamicznych. To obowiązuje przed wszystkim podczas jazdy w łukach [5]. W związku z tym należy przewidzieć raczej duże przemieszczenia poprzeczne, co udowadnia przykład zespołu trakcyjnego X 2000 kolei szwedzkich lub zastosowanie tzw. aktywnych usprężynowań w kierunku poprzecznym tzw. AQS ( niem. „ aktive Querfedurungen”). System ten kompensuje w sposób częściowy lub pełny przemieszczenia poprzeczne pod wpływem siły odśrodkowej, co powoduje że pojazd dysponuje większymi przemieszczeniami poprzecznymi wynikającymi z błędów toru i zapewnia wymagany komfort dla podróżnych. Skutecznym rozwiązaniem, przynoszącym efekty jest zapewnienie maksymalnego luzu poprzecznego na torze prostym, wynoszącym ± 60 mm oraz 50 mm na zewnątrz łuku i 20 mm do wewnątrz łuku o promieniu 250 m. Rozwiązanie to zostało zastosowane w wózku tocznym MD 530 i zapewnia jednoczesne spełnienie własności dynamicznych w kierunku poprzecznym jak również zarysu odniesienia skrajni kinematycznej zgodnie z raportem ORE/ERRI B176/DT278 [41]. Kolejnym zagadnieniem związanym z zapewnieniem prawidłowych własności dynamicznych jest luz wzdłużny w łożyskach tocznych. Jak wynika z doświadczeń uzyskanych podczas badań dynamicznych przeprowadzonych w zespole trakcyjnym „Shinkansen” luz ten powinien być ograniczony do 0,6 mm. Powyżej tej wartości odnotowuje się negatywne oddziaływanie wężykowania zestawu kołowego na komfort jazdy. Jednocześnie badania potwierdziły bardzo dużą przydatność łożysk stożkowych. Zgodnie z p.2.1.6 karty UIC 515-1 [17] oraz p.5.3 karty UIC 660 [30] wózki eksploatowane z prędkością powyżej 200 km/h muszą być wyposażone w czujnik do badania przyspieszeń, umieszczony na ramie w celu wykrycia niestabilności ruchu wózków; meldunek o zarejestrowanej niestabilności powinien być przekazany do kabiny maszynisty i wywoływać bezpośrednie działanie na układ hamulcowy pociągu. Rejestracja niestabilności dynamicznej musi odbywać się przez pomiar przy+ spieszenia w kierunku poprzecznym y*S na ramie wózka poprzez zestaw kołowy, przy czym wartość efektywna przyspieszenia nie może przekroczyć wartości granicznej (sÿ)lim+: Nowoczesne układy biegowe muszą być zabezpieczone przed działaniem czynników atmosferycznych takich jak powietrze, deszcz, śnieg, pył i substancje chemiczne używane do mycia pojazdów szynowych. Czynnik ten jest bardzo istotny, gdyż jak wynika z badań przeprowadzonych przez Urząd Badań Ochrony Środowiska w Niemczech (niem. „Umweltbundesamt”) około 300 000 ton cząstek związków organicznych rocznie jest emitowanych do atmosfery [4]. W związku z tym układ biegowy oraz jego części (zwłaszcza zużywające się) nie mogą być źródłem emisji substancji szkodliwych dla środowiska naturalnego. Ma to odzwierciedlenie w p.7.2.1 karty UIC 515-1 [17], aby ilość części zużywających się ograniczyć do niezbędnego minimum. Oprócz tego do ochrony środowiska naturalnego przyczynia się zastosowanie farb i lakierów wolnych od zawartości metali ciężkich, ołowiu i chromu, które jednocześnie przyczyniają się do zabezpieczenia wytrzymałości zmęczeniowej elementów nośnych podczas eksploatacji. Przykład wpływu zabezpieczenia antykorozyjnego na wytrzymałość zmęczeniową udowodniły badania stanowiskowe Rys.4. Wolna przestrzeń, którą należy zachować dla funkcjonowania urządzeń przeprowadzone na partii sprężyn do podnoszenia zestawów kołowych, przy wykonywaniu prac konserwacyjnych i naprawczych zgodnie z kartą UIC 515-1 [17] oraz kartą UIC 508-2 [14] POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 9 śrubowych. Wykazały one jednocześnie przydatność nowoczesnych farb i lakierów nawierzchniowych wodorozcieńczalnych, przyjaznych jednocześnie dla środowiska naturalnego [4]. Układ biegowy musi być dostosowany do bezpiecznej i niezawodnej eksploatacji w zakresie temperatur 25°÷40°C. Bardzo istotnym czynnikiem jest również problem ograniczenia emisji hałasu przez układ biegowy [8]. Przykładem takiej konstrukcji jest wózek toczny typu MD 530, gdzie zastosowano między innymi zestawy kołowe z kołami wyposażonymi w tłumiki hałasu (zainstalowane od wewnętrznej strony tarczy kół), elementy gumowe w rejonie maźnic, elementy gumowo-metalowe sprężyn zawieszenia drugiego stopnia, zabudowane pomiędzy powierzchniami czołowymi sprężyn i oparcia na ramie, w ułożyskowaniu wahaczy oraz tuleję gumowo-metalową w czopie skrętu. Ww. zabiegi konstrukcyjne zmniejszają przede wszystkim emisję hałasu układu biegowego powstającego w układzie koło-szyna (niem. „Rollgeräusch”). Poważny sukces w emisji hałasu zanotowano w zespołach trakcyjnych, w których zastosowano układ biegowy typu „Kawasaki” i aktywny system sterowania przechyłem pudła (ang.„active suspension system”). Podczas jazd próbnych przy prędkości 300 km/h otrzymano następujące wartości natężenia hałasu: 81,1 dB przy wyłączonym oraz 71,1 dB przy włączonym systemie sterowania przechyłem pudła. Kolejnym problemem, który pojawia się przy zapewnieniu własności dynamicznych wagonu jest zaprojektownie odpowiednio sztywnej konstrukcji pudła, aby uniknąć jego drgań giętych oraz giętno-skrętnych w trakcie eksploatacji. Źródłem tych drgań są wymuszenia, powodujące drgania nadwozia wywołane przez nierówności geometryczne toru i kół oraz sinusoidalny bieg zestawów kołowych w torze (wężykowanie obrotowe i poprzeczne). Wymuszenia te są przenoszone przez strukturę pojazdu i wzbudzają drgania nadwozia w postaci: podskakiwania, galopowania, kołysania, wężykowania poprzecznego i wężykowania obrotowego. Drgania tego rodzaju wywołują z kolei drgania strukturalne pudła stalowego, przybierające liczne formy wyrażające się odkształceniami giętymi w kierunku poprzecznym i pionowym o charakterze postaciowym jego przekroju poprzecznego. Niniejsze zagadnienie polega na takim ukształtowaniu konstrukcji stalowej pudła, aby zapobiec jego „ rombowaniu” pod wpływem drgań strukturalnych [8÷10]. Nowoczesne układy biegowe muszą spełniać również wymagania w zakresie części zużywających się i tak: wszystkie części zużywające się, które posiadają wpływ na bezpieczeństwo eksploatacyjne i jazdy muszą być poddane kontroli (między innymi wizualnej), która nie powinna być utrudniona wszystkie części zużywające się muszą być łatwe do wymiany; zamocowanie ich musi być łatwo dostępne przy montażu i demontażu. W przypadku tłumików drgań pionowych wężykowania musi być możliwość demontażu bez użycia kanałów, natomiast tłumiki drgań poziomych muszą dać się wymieniać z użyciem kanału przez personel obsługujący w sposób łatwy i nie sprawiający trudności. 3. Przykłady nowoczesnych konstrukcji układów biegowych przystosowanych do wysokich prędkości Przykładem nowoczesnego układu biegowego jest wózek GP 210 przeznaczony dla wagonów osobowych, zaprojektowany i wyprodukowany przez firmę TransTec Vetschau GmbH ( rys.5.). Rys.5. Wózek typu GP 210 wagonów osobowych, przystosowany do wagonów osobowych dla wysokich prędkości produkcji TransTec Vetschau GmbH wg [44] 10 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Zasadnicze parametry układu biegowego: prześwit toru: 1435 mm, możliwość modyfikacji na tor szeroki o prześwicie: 1520 mm hamulec tarczowy (3 tarcze hamulcowe przypadające na zestaw kołowy, hamulec szynowy elektromagnetyczny) prędkość: 250 km/h (pod względem spełnienia wymaganych własności dynamicznych) i 200 km/h (pod względem wymaganej intensywności hamowania) materiał użyty na podstawowe elementy nośne ramy: TSt E355 ( St 52-3) masa własna: 6,8 t prowadzenie zestawu kołowego i belki bujakowej: za pomocą wahaczy odpornych na zużycie połączenie układu biegowego z pudłem wagonu: poprzez czop skrętu możliwość dopasowania do obciążeń pionowych na czop skrętu wynoszących 20,5 t, 23,5 t 25 t, 28 t usprężynowanie pierwszego i drugiego stopnia: sprężyny śrubowe. Kolejnym przykładem nowoczesnych konstrukcji układów biegowych jest wózek typu „Kawasaki” zaprojektowany przez japońską firmę Kawasaki Heavy Industries LTD w Tokio (rys.6). Na uwagę zasługuje zastosowanie aktywnego sterowania przechyłem pudła za pomocą silnika o charakterystyce liniowej, które zwiększa komfort podróżnych. Usprężynowanie pierwszego stopnia stanowią sprężyny śrubowe, natomiast drugiego stopnia stanowią sprężyny pneumatyczne. Na rys.7 przedstawiono nowoczesne rozwiązanie układu biegowego typu Flexx Tronic Technology, który został zaprojektowany i wyprodukowany przez firmę Bombardier oraz jest wyposażony w system mechatroniczny pozwalający na aktywne sterowanie radialnym ustawieniem zestawów kołowych i aktywne sterowanie przechyłem pudła monitorujący geometrię toru i wózka podczas jazdy. 1. System sprężyn powietrznych 2. System zawieszenia aktywnego Rys.6. Wózek typu „Kawasaki” z aktywnym sterowaniem przechyłu pudła dla wagonów osobowych oraz zespołów trakcyjnych dla wysokich prędkości produkcji Kawasaki Heavy Industries Ltd wg [42] Rys.7. Wózek typu Flexx Tronic Technology (Mechatronic Technology) przeznaczony do wagonów osobowych dla wysokich prędkości produkcji Bombardier Transportation wg [43] POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 11 4. Wnioski Skonstruowanie nowego układu biegowego dla wagonów osobowych przystosowanych do wysokich prędkości powinno bazować na wytycznych karty UIC 515-1[17]. Przestrzeganie „otoczki” wymaganej w karcie UIC 515-0 [16] wydaje się być celowe z punktu przyszłych modernizacji konstrukcji pudeł wagonów osobowych dostosowanych do prędkości v≤200 km/h. Przestrzeganie tych przepisów jest tylko wtedy uzasadnione o ile, nie uniemożliwia spełnienia innych wymagań, zwłaszcza dotyczących własności dynamicznych oraz hamulcowych, wynikających ze wzrostu prędkości z 200 km/h do zakresu 250÷300 km/h. Wymiary tarcz hamulcowych w kierunku pionowym mogą przyjmować większe wartości ze względów ograniczenia temperatury współpracujących par ciernych tarcze hamulcowe-okładziny cierne. Bardzo istotne jest również spełnienie wymagań skrajni kinematycznej wg karty UIC 505-1 [12]. Szczególną uwagę przy konstruowaniu nowych układów biegowych należy zwrócić oprócz zagadnień dynamicznych (komfort jazdy), bezpieczeństwa jazdy ( przejazd przez tory wichrowate w warunkach quasistatycznych oraz oddziaływanie na tor) oraz hamulcowych (zapewnienie wymaganej hamowności, mierzonej przez drogę hamowania) na elementy związane z ochroną środowiska naturalnego, do jakich należą ograniczenie emisji substancji szkodliwych do otoczenia oraz emisji hałasu. Zainstalowanie tylko i wyłącznie hamulca tarczowego i rezygnacja z hamulca tarczowego nie jest gwarantuje jeszcze istotnego postępu w zwalczaniu hałasu. Kolejnym zagadnieniem, na jakie należy zwrócić uwagę jest bezobsługowość poszczególnych elementów układu biegowego oraz ich łatwa dostępność podczas ewentualnych napraw, co rzutuje na ich koszty oraz utrzymania pojazdu w stanie gotowości do eksploatacji, czyli tzw. dyspozycyjność. Wiąże się to z ograniczeniem węzłów wymagających konserwacji i napraw jak np. węzeł łożyskowy, który tradycyjnie podlegał większemu nakładowi pracy ze względu na wymianę smaru. Istotnym czynnikiem przy projektowaniu jest zapewnienie bardzo dużej odporności poszczególnych części układu biegowego przed korozją, która zmniejsza wytrzymałość zmęczeniową. Dobór farb gruntowych i nawierzchniowych musi być również determinowany przez własności tłumiące drgań materiałowych oraz brak substancji szkodliwych dla środowiska naturalnego. Konstrukcja układu biegowego dla wagonów osobowych przystosowanych do wysokich prędkości jest poważnym wyzwaniem techno- 12 Literatura [1] Adam H.D., Simbürger A., Oreski W.: Viaggio Comfort-Intercity-Reisezugwagen für das 21 Jahrhundert. Eisenbahntechnische Rundschau. Mai 2008. Nr. 04 [2] Bonnepart R., Raison J.: Die NeigetechnikErprobungsträger der SNCF –TGV mit Neigetechnik, Axis und Triebzug X-TER. Zevrail Glasers Annalen. 126 Tagungsband SFT Graz 2002. [3] Jänsch E.: Fahrzeugentwicklungen für den Hochgeschwindigkeitsverkehr. Eisenbahningenieur 9.2001. [4] Kaiser B.: Untersuchung des Korrosionsschutzes an Schraubenfedern für Schienenfahrzeuge. Eisenbahntechnische Rundschau Nr.132, 7+8. 2008. [5] Madeyski T.: Fahrwerkstechnik. Zusammenwirken mit dem Fahrweg und dem Fahrzugkasten. Eisenbahntechnische Rundschau. Nr.48, 9.1999. [6] Okamoto I.: Geschwindigkeitssteigerung des Shinkansen. Technologische Entwicklungen. Schienen der Welt. 08-09.2008. [7] Schmidt M.: Moderne Fahrwerksrahmen-Fertigung in Graz. Glasers Annalen Nr. 125 0.3.2001. [8] Sobaś M.: Tendencje rozwojowe w układach biego wych przystosowanych do wysokich Prędkości. Materiały konferencyjne.. XVIII Konferencja Pojazdów Szynowych. Katowice-Ustroń 17-19.09.2008. [9] Wittenbeck L., Sobaś M.: Analiza modalna bezprzedziałowego wagonu osobowego. XVIII Konferencja Pojazdów Szynowych. Materiały konferencyjne Politechniki Śląskiej. Katowice-Ustroń 17-19.09.2008 [10] Zacher M.: Erfahrungen über Zusammenwirken von Fahrzeug und Fahrweg im Hochgeschwindigkeitsverkehr bei der Deutschen Bahn AG. Glasers Annalen 132, 6-7. 2008. [11] Karta UIC 410: Skład i określenie ładunku oraz hamowania pociągów pasażerskich. 6-te wydanie z sierpnia 2006. [12] Karta UIC 505-1: Pojazdy kolejowe. Skrajnia pojazdów. 10-te wydanie z maja 2006 [13] Karta UIC 507: Wagony towarowe. Warunki, którym powinny odpowiadać wagony towarowe w komunikacji promowej. 1-sze wydanie, nowy nakład z 1.07.1997, ze zmianą z 1.07.1997. [14] Karta UIC 508-2: Urządzenia do czyszczenia i parkowania w stanie gotowości do pracy dla pojazdów transportu pasażerskiego. 1-sze wydanie z 1.01.1994. [15] Karta UIC 510-2:Pojazdy doczepne. Warunki do stosowania kół o różnych średnicach w układach biegowych różnego typu. 4-te wydanie z 04. 2004. [16] Karta UIC 515-0: Wagony pasażerskie. Wózki-Układy biegowe. 2-gie wydanie, kwiecień 2001. [17] Karta UIC 515-1: Pojazdy dla transportu pasażerskiego. Wózki toczne. Układy biegowe. Ustalenia ogólne dla zespołów konstrukcyjnych wózków. 2-gie wydanie 03.2003. [18] Karta UIC 515-3: Pojazdy kolejowe. Wózki-układy biegowe. Metoda obliczania osi zestawów kołowych. Wydanie 1-sze z 1.07.1994. [19] Karta UIC 515-4: Pojazdy kolejowe dla transportu pasażerów. Wózki toczne –układy biegowe. Badania wytrzymałościowe ram wózków. 1-sze wydanie z 1.01.1993. [21] Karta UIC 515-5: Pojazdy trakcyjne i wagony. Wózki –układy biegowe. Badania maźnic zestawów kołowych. 1-sze wydanie z 1.07.1994. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 [22] Karta UIC 518: Badania i homologacja pojazdów szynowych z punktu widzenia właściwości dynamicznych, bezpieczeństwa jazdy, obciążenia toru i parametrów biegowych. 3-cie wydanie, październik 2005. [23] Karta UIC 533: Uziemienie ochronne części metalowych pociągu. 2-gie wydanie z 1.01.1977. [24] Karta UIC 543: Hamulec. Przepisy na wyposażenie wagonów. 12-te wydanie, czerwiec 2003 [25] Karta UIC 544-1: Hamulec. Hamowność. 4-te wydanie z maja 2004. [26] Karta UIC 541-05: Hamulec. Przepisy dotyczące budowy różnych części hamulca. Urządzenia antypoślizgowe. 2-gie wydanie, sierpień 2005. [27] Karta UIC 546: Hamulec. Hamulec dużej mocy dla pociągów pasażerskich. 5-te wydanie z 1.01.1967. [28] Karta UIC 552: Zasilanie pociągów w energię elektryczną. Ujednolicone charakterystyki techniczne szyny zbiorczej. 10-te wydanie z czerwca 2005. [29] Karta UIC 567-1: Zunifikowane wagony pasażerskie typów X i Y dopuszczone do ruchu międzynarodowego. Charakterystyki. 4-te wydanie z 1.01.1978, 7-dma zmiana z 1.01.1994. [30] Karta UIC 660:Przepisy dotyczące zapewnienia kompatybilności technicznej dla pociągów do stosowania dużych prędkości. 2-gie wydanie, sierpień 2002. [31] Karty UIC 814: Warunki techniczne dotyczące homologacji oraz dostawy smarów przeznaczonych do smarowania maźnic tocznych pojazdów szynowych. 2-gie wydanie z 1.07.1978. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 [32] Karta UIC 822: Warunki techniczne dostawy sprężyn śrubowych naciskowych formowanych na gorąco lub zimno dla pojazdów trakcyjnych i wagonów. 5-te wydanie z listopada 2003. [33] PN-EN 12082:2000: Kolejnictwo- Maźnice- Badania eksploatacyjne [34] PN-EN 13103:2003: Zestawy kołowe i wózki. Osie zestawów kołowych tocznych. Zasady konstrukcji. [35] PN-EN 13260:2006: Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Wymagania dotyczące wyrobu [36] PN-EN 13261:2004: Kolejnictwo- Zestawy kołowe i wózki. Osie. Wymagania dotyczące wyrobu [37] PN-EN 13262: 2005: Kolejnictwo. Zestawy kołowe i wózki. Koła. Wymagania dotyczące wyrobu. [38] PN-EN 13298:2003: Kolejnictwo. Elementy zawieszenia. Stalowe sprężyny śrubowe zawieszenia. [39] PN-EN 13749:2005: Kolejnictwo-Zestawy kołowe i wózki-Metody określania wymagań konstrukcyjnych dla ram wózków. [40] PN-EN 14363:2005: Kolejnictwo-Badania własności dynamicznych przed dopuszczeniem pojazdów szynowych. Badania własności biegowych i próby stacjonarne. [41] Raport ORE/ERRI B176/DT278: Wpływ przemieszczenia poprzecznego belki bujakowej na profile pojazdów( ang.„influence of lateral swing bolster play of vehicle profiles”) Utrecht 04.1983. [42] http: //www. khi.co.jp. [43] http: //www. bombardier.com. [44] http:// www. transtec-vetschau.de 13 dr inż. Stanisław Bocian mgr inż. Jerzy Frączek Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR’ Program do badań układu sterująco – pomiarowego, pracującego w sieci CANopen, przeznaczonego do pojazdu szynowego W artykule opisano program do badania układu sterująco – pomiarowego pracującego w sieci CANopen. Wykorzystano do tego język programowania ogólnego (język C++). Przez autorów artykułu zostały zrealizowane funkcje dotyczące sieci CANopen związane z konfiguracją i monitorowaniem pracy w sieci oraz funkcje związane z uruchomieniem programów badawczych. Przedstawiono przykład uruchamiania programu sterującego hamulcem pneumatycznym pojazdu szynowego z wykorzystaniem 12 - pozycyjnego zadajnika. Praca jest kontynuacją artykułu „Przyszłościowe współbieżne mikroprocesorowe inteligentne systemy mechatroniczne w sterowaniu i diagnostyce pojazdów szynowych” przedstawionego w czasopiśmie „Pojazdy Szynowe” 4/2007; 1/2008; 2/2008. Artykuł powstał w wyniku realizacji projektu badawczego KBN 4T 12C 04929 pt.” Rozproszone współbieżne mikroprocesorowe inteligentne podsystemy mechatroniczne w sterowaniu i diagnostyce pojazdów szynowych”. 1. Wprowadzenie W pracach [1, 2, 3 i 4] przedstawiono wiadomości na temat sieci CAN. W artykule opisano program Copen zrealizowany przez autorów artykułu, spełniający rolę pomocniczą przy tworzeniu i badaniu algorytmów sterująco - pomiarowych. Algorytmy te mają być realizowane przez układy komputerowe pracujące w sieci CANopen. Docelowy układ może składać się np. z kosztownych sterowników i komputerów przemysłowych, dlatego korzystne jest wstępne dopracowanie algorytmu przy wykorzystaniu sprzętu PC powszechnego użytku. Funkcje programu dzielą się zasadniczo na dwie grupy: - funkcje dotyczące sieci CANopen związane z konfiguracją i monitorowaniem pracy sieci - funkcje związane z uruchamianiem programów badawczych. Typowy komputer PC, aby mógł współpracować z siecią CAN (która jest podstawą standardu CANopen), musi być wyposażony w sprzęg do tej sieci. Obecnie program może korzystać z trzech rodzajów sprzęgów. Są to konwertery: - USB / CAN, typu USB-8473 firmy National Instruments - RS232 / CAN, typu i-7530 (Tech base) - PCMCIA / CAN, typu CANcardXL firmy Vector Informatik. Wyboru typu sprzęgu dokonuje się przy starcie programu, co pokazuje rys. 1. Możliwe do wyboru są te pozycje, które są aktualnie zainstalowane w komputerze. 14 Rys. 1. Okno wyboru typu złącza CAN Po dokonaniu wyboru mamy na ekranie okno główne przedstawione na rys. 2. Funkcje dotyczące sieci są dostępne przez menu "Sieć", a funkcje programów badawczych przez menu "Programy". 2. Funkcje konfiguracyjne programu Funkcje dotyczące konfiguracji, testowania i monitorowania sieci są skupione w oknie otwieranym z menu: Sieć | Konfiguracja (rys. 2). Funkcje są pogrupowane na oddzielnych kartach odpowiednio do serwisów CANopen: NMT, SDO, PDO. Serwisy CANopen są omówione w [2]. Karty Can1 i Can2 służą do monitorowania sieci na poziomie komunikatów CAN. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Rys. 2. Okno główne programu 2.1. Serwis NMT Karta Nmt (rys.3) pozwala na wykonywanie przez program funkcji mastera serwisu: Network Management (NMT). W każdej sieci CANopen musi być węzeł pełniący taką funkcję. Aby wykonać operację należy wybrać adres węzła slave (Slv ID), funkcję (Start remote node, ...) i wysłać komunikat naciskając klawisz Tx. Rys. 3. Karta serwisu: Network Managment (NMT) 2.2. Serwis SDO Karty Sdo1, Sdo2, Sdo3 (rys. 4, 5, 6) pozwalają na wykonywanie przez program funkcji klienta serwisu: Service Data Objects (SDO). Serwis SDO służy do konfiguracji słownika obiektów węzłów slave. Funkcje polegają na odczycie (Upload) i zapisie (Download) pozycji słownika. Poszczególne pozycje słownika są określone przez indeks i subindeks i mogą zawierać dane złożone z 1 .. 8 bajtów. Karta Sdo1 pozwala na dostęp do dowolnej pozycji słownika. Aby odczytać pozycję należy podać indeks i subindeks i kliknąć: Upload. Aby zapisać pozycje należy dodatkowo podać liczbę zapisywanych bajtów (pole Dlc) oraz ich wartości (pola D1 .. D8). Aby korzystać z tej karty trzeba znać szczegółowy opis pozycji słownika obiektów zawarty np. w opisach standardu CANopen [4], [5] lub w dokumentacji konkretnego węzła slave. W polu informacyjnym pokazywana jest wymiana komunikatów w ramach każdej operacji SDO. Przez tx: oznaczone są komunikaty wysyłane, przez rx: odbierane Karty Sdo2 i Sdo3 ułatwiają wykonywanie wybranych operacji SDO. Modyfikowane parametry są przedstawione w sposób wygodny dla POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Rys. 4. Karta ogólna serwisu Service Data Objects (SDO). użytkownika. Ustalenie indeksu, subindeksu i zestawu bajtów danych wykonuje program. Przykładem na karcie Sdo2 rys. 3 jest parametr Heartbeat producer [2], związany z kontrolą poprawności pracy sieci. Parametr ten ustala odstęp czasowy wysyłania kolejnych komunikatów Heartbeat przez węzeł slave. Należy tylko podać czas w ms i kliknąć klawisz: Ustaw. Karta Sdo3 rys. 6 zawiera elementy związane z konfiguracją obiektów PDO (transmisja danych procesowych). Zadanie obejmuje ustalenie parametrów mapowania (powiązania danych PDO z odpowiednimi pozycjami słownika obiektów węzła slave) i parametrów komunikacyjnych obiektów PDO [2]. Konfiguracja PDO jest konieczna, gdy domyślny zdefiniowany w [4] układ PDO jest w danym zastosowaniu niewystarczający. W szczególności potrzeba taka zachodzi. gdy oprócz stanów wejść i wyjść fizycznych należy przesyłać między węzłami wartości zmiennych obliczeniowych. W takiej sytuacji należy ustalić rozszerzony układ identyfikatorów COB-ID dla obiektów PDO. W [3], p.4.2 przedstawiono przykład takiego układu. Elementy na karcie Sdo3 rys. 6 ułatwiają konfigurację według powyższego układu. Rys. 5. Karta wybranych funkcji serwisu Service Data Objects (SDO) 15 Rys. 6. Karta serwisu Service Data Objects (SDO) dla konfiguracji obiektów PDO 2.3. Serwis PDO Serwis Process Data Objects (PDO) służy do transmisji danych procesowych podczas normalnej pracy węzła za pomocą objektów PDO. Karta Pdo1 (rys. 7) służy do wysłania i odbierania obiektów PDO. Przy wysłaniu należy podać adres węzła slave, numer PDO, liczbę wysyłanych bajtów (Dlc) i wartość bajtów (pola D1 .. D8). Program ustala identyfikator komunikatu (COB-ID) przy czym dla PDO nr 1..4 według domyślnego układu identyfikatorów [4] a dla pozostałych według wspomnianego wcześniej układu przykładowego [3], p.4.2. W polu informacyjnym górnym pokazywane są wysyłane komunikaty określane jako TPDO. W polu dolnym pokazywane są odbierane przez program obiekty określone RPDO. Rys. 8. Karta pomocnicza serwisu Process Data Objects (PDO) 2.4. Transmisja CAN Na karcie Can1 (rys. 9) można wysłać i odebrać dowolny komunikat CAN. Komunikaty są prezentowane odpowiednio w górnym i dolnym polu informacyjnym. Dla komunikatów odbieranych można zastosować jednozakresowy filtr powodujący pomijanie pewnego zakresu identyfikatorów. Rys. 9. Karta wysyłania i odbierania komunikatów CAN Karta Can2 (rys. 10) służy do prezentacji odbieranych komunikatów CAN. W odróżnieniu od karty Can1 komunikaty o tym samym identyfikatorze są prezentowane w tym samym wierszu zawierającym licznik odebranych komunikatów (kolumna N). Rys. 7. Karta ogólna serwisu Process Data Objects (PDO) Karta Pdo2 (rys. 8) obsługuje wybrane obiekty PDO w sposób wygodny dla użytkownika. Obsługa dotyczy czterech wejść i czterech wyjść binarnych oraz dwóch wejść i dwóch wyjść analogowych. Jednocześnie można obsługiwać do czterech węzłów slave o wybranych adresach (Slv ID). 16 3. Funkcje badawcze programu Program Copen zawiera program badawczy: Hamowanie 1. Algorytm tego programu jest omówiony w [3]. W skrócie algorytm polega na realizacji hamowania sterowanego 12 - pozycyjnym zadajnikiem. Hamowanie składa się z zadanej liczby odcinków POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Rys. 10. Karta dodatkowa dla prezentacji odbieranych komunikatów CAN hamowania o zadanym czasie trwania. Na każdym odcinku załączona jest wybrana pozycja zadajnika hamowania. Układ hamulcowy jest sterowany dwoma zaworami sterowanymi analogowo napięciem 0 .. 10V. Jeden z zaworów podnosi ciśnienie w układzie, a drugi opuszcza według ustalonego algorytmu [3]. 3.1. Przygotowanie programu badawczego Rys. 12. Okno przygotowania danych programu Hamowanie 1 Algorytm regulacji ciśnienia jest określony zestawem parametrów ustalanych wspólnie dla wszystkich zestawów danych w oknie pokazanym na rys. 13. Można przygotować dowolna liczbę zestawów danych i wykonywać program z tym zestawem wielokrotnie. Okno na rys. 11 służy do organizowania i uruchamiania programu z poszczególnymi zestawami danych. Rys. 13. Okno ustalania parametrów hamowania 3.2. Realizacja programu badawczego Rys. 11. Okno organizowania zestawów danych i uruchamiania programów badawczych Przygotowanie poszczególnych zestawów danych odbywa się w kolejnym oknie (rys. 12). Po ustaleniu liczby odcinków programu dla każdego odcinka ustala się czas jego trwania (t_odc) i wybiera z listy pozycję zadajnika hamowania. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Po wybraniu klawisza: Start w oknie zestawów danych (p.3.1) otwiera się okno z rys. 14. Po wybraniu kolejnego klawisza: Start rozpoczyna się realizacja algorytmu programu badawczego. W oknie są prezentowane różne elementy związane z przebiegiem programu. W dolnym panelu są wartości zadane ustalane zgodnie z przygotowanym zestawem danych i wysyłane do stacji slave realizujących hamowanie. W górnej części okna jest prezentowany aktualny stan węzłów slave (jednocześnie do pięciu węzłów). 17 Rys. 14. Okno realizacji programu badawczego. 4. Podsumowanie Literatura Przedstawiono program wspierający badanie układu pomiarowo - sterującego pracującego w sieci CAN open na etapie jego projektowania i uruchamiania. Program umożliwia konfigurację i monitorowanie pracy sieci oraz realizację algorytmów pomiarowo sterujących. Powyższe funkcje pozwalają na badanie różnych wariantów pracy układu przeznaczonego do pojazdów szynowych przed wykonaniem jego wersji docelowej. [1] Bocian S.: Przyszłościowe współbieżne mikroprocesorowe inteligentne systemy mechatroniczne w sterowaniu i diagnostyce pojazdów szynowych (1). Pojazdy Szynowe Nr 4/2007. [2] Koncepcja układu do badania algorytmów sterujących w pojazdach szynowych. Opis układu sieciowego CANopen. Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” w Poznaniu, OR–9200. [3] Koncepcja układu do badania algorytmów sterujących w pojazdach szynowychw oparciu o sieć CANopen. Program testowy algorytmów sterujących. Instytut Pojazdów Szynowych „Tabor” w Poznaniu, OR–9280. [4] CANopen. Application Layer and Communication Profile. CiA Draft Standard 301. CAN in Automation, Am Weichselgarten 26, D-91058 Erlangen, 2002, www.can-cia.org [5] CANopen. Device Profile for Generic I/O Modu-les. CiA Draft Standard 401. CAN in Automation, Am Weichselgarten 26, D-91058 Erlangen, Version 2.1, 2002, www.can-cia.org 18 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 inż. Roch Tarczewski Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Certyfikacja pojazdów szynowych narzędziem do spełnienia wymagań bezpieczeństwa i interoperacyjności W artykule przedstawiono proces certyfikacji wyrobu w kontekście etapów charakterystycznych dla pojazdu szynowego oraz wskazano źródła wymagań i stosowane dokumenty odniesienia. Ukazano miejsce procesu certyfikacyjnego w całokształcie postępowania merytorycznego i formalnego mającego na celu dopuszczenie pojazdu szynowego do eksploatacji na sieci kolejowej w Polsce. Zaprezentowano algorytm procesu certyfikacyjnego zaprojektowanego z przeznaczeniem dla Ośrodka Certyfikacji w Instytucie Pojazdów Szynowych „TABOR” w Poznaniu. 1. Wstęp Kolejnictwo jako publiczny rodzaj transportu masowego zdaje się przeżywać renesans w nowej odmienionej technicznie formule. Wzrost prędkości narzuca ostrzejsze wymagania w zakresie bezpieczeństwa a podwyższenie komfortu podróżowania wymaga szerokiego zastosowania elektroniki, automatyki, klimatyzacji i systemów diagnostycznych. Składy pociągów realizują coraz większe przebiegi dobowe, co wymaga niezawodności taboru. W związku z rozszerzeniem zakresu kursowania pociągów poza granice krajowe państw członkowskich Unii Europejskiej (UE) a niekiedy i dalej, znaczenia nabiera problem współpracy z urządzeniami infrastruktury kolejowej oraz taborem innych operatorów. Aspekty te wymusiły wprowadzenie przez Unię Europejską uregulowań uniwersalnych w postaci dyrektyw [1],[2],[3],[4], traktujących kolejnictwo jako system z podziałem na podsystemy. Jednym z podsystemów jest tabor kolejowy, będący przedmiotem działalności statutowej Instytutu Pojazdów Szynowych „TABOR” w Poznaniu. Każdy pojazd szynowy, jako element podsystemu, podlega nadzorowi właściwej krajowej agendy rządowej, odpowiedzialnej za dopuszczenie pojazdu do eksploatacji na krajowej sieci kolejowej. W Polsce taką funkcję spełnia Urząd Transportu Kolejowego (UTK), działający w ramach Ministerstwa Infrastruktury. Dokumentem formalnym zezwalającym na dopuszczenie do ruchu na sieci Polskich Linii Kolejowych (PLK) jest świadectwo wydawane przez UTK. Podstawą wydania przez UTK świadectwa dopuszczenia są dwa rodzaje dokumentów: dokumenty odniesienia określające wymagania dla przedmiotowego pojazdu (Techniczne Standardy Interoperacyjności – TSI, normy europejskie – EN, Karty UIC) oraz dokumenty będące dowodami, że pojazd wymagania te spełnia (raporty z badań oraz opinie opracowane POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 przez niezależne, akredytowane, autoryzowane i notyfikowane laboratoria, np. w Instytucie Pojazdów Szynowych „TABOR” w Poznaniu). Takie postępowanie zawiera w sobie dwa aspekty: akt formalnego wydania świadectwa dopuszczenia do ruchu przez UTK, niosący odpowiedzialność państwa za bezpieczeństwo przewozów oraz poprzedzający go proces certyfikowania wyrobu (pojazdu). 2.Etapy charakterystyczne dla pojazdu szynowego Zaistnienie pojazdu szynowego bierze początek, gdy na rynku przewozów pojawi się zapotrzebowanie na określony rodzaj przewozów pasażerskich lub towarowych. Taka potrzeba pojawia się zwykle w świadomości zainteresowanego przewoźnika lub organu władzy np. samorządowej. Etap ten wymaga analiz planistycznych, technicznych i ekonomicznych, przyjmujących formy oficjalnych dokumentów, podlegających uzgodnieniom i zatwierdzeniu. Końcowym etapem charakterystycznym dla pojazdu szynowego jest likwidacja, recykling lub utylizacja, następująca po wieloletniej eksploatacji, gdy pojazd wyczerpał swoje możliwości i przestał spełniać stawiane wymagania. Całościowe zestawienie etapów charakterystycznych dla pojazdu szynowego przedstawiono w tabeli 1. Każdy z etapów obejmuje określone procesy i kończy się ich udokumentowaniem. Wśród procesów, na szczególną uwagę, z punktu widzenia kompleksowej oceny pojazdu, zasługuje proces certyfikacji (Lp. 8). Na uwagę zasługuje także fakt, iż w realizację znaczącej części procesów związanych z pojazdem szynowym zaangażowany jest w całości lub częściowo Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR”. Udział ten jest zaznaczony w tabeli 1 wytłuszczonym drukiem. 19 Zestawienie etapów charakterystycznych dla pojazdu szynowego Tabela 1 Lp. 1. Etap Określenie zapotrzebowania rynku Realizator Zainteresowany przewoźnik lub organ władzy Dokumenty Analizy rynku, plany rozwoju i finansów regionu 2. Określenie wymagań klienta (przewoźnika) Przewoźnik jako inwestor zamawiający pojazd Specyfikacja techniczno- ekonomiczna pojazdu 3. Określenie wymagań operatora sieci kolejowej 4. 5. 6. 7. 8. 9. Właściciel infrastruktury kolejowej (w Polsce PKP-PLK) na podstawie dyrektyw UE (Techniczne Standardy Interoperacyjności) Jednostka projektowa w Określenie możliwości systemie zarządzania jakością technicznych, technolog. PN-ISO 9001 materiałowych Opracowanie dokumentacji Jednostka projektowa w projektowej systemie zarządzania jakością PN-ISO 9001 Wyprodukowanie pojazdu, Producent we współpracy z testy odbiorcze poddostawcami w SZJ PN-ISO 9001 lub IRIS Laboratorium akredytowane, Badania laboratoryjne i autoryzowane, notyfikowane eksploatacyjne wg PN-EN ISO/IEC 17025 Certyfikacja obowiązkowa Jednostka certyfikująca lub dobrowolna wyroby, akredytowana, autoryzowana, notyfikowana wg PN-EN 45011 Dopuszczenie do ruchu 10. Eksploatacja i utrzymanie pojazdu 11. Modernizacja pojazdu (jeżeli to uzasadnione) 12. 13. 14. 15. 16. Wykonanie modernizacji Badania Certyfikacja Dopuszczenie Likwidacja, recykling, utylizacja Specyfikacja wymagań: interoperacyjności, bezpieczeństwa, energochłonności, komfortu i ekologii wg TSI Studium koncepcyjne pojazdu uzgodnione z inwestorem Dokumentacja techniczna niezbędna dla wyprodukowania pojazdu Atesty materiałowe, świadectwa odbiorcze, protokoły prób i testów Raporty z badań Specyfikacja techniczno-ekonomiczna pojazdu. Specyfikacja wymagań: interoperacyjności, bezpieczeństwa, komfortu i ekologii wg TSI. Analizy, Obliczenia, Interpretacje, Opinie, Oceny. Certyfikat zgodności Agenda rządowa odpowiedzialna Rozporządzenia Ministra Infrastruktury za bezpieczeństwo ruchu. [9, 11] (W Polsce Urząd Transportu Analizy, Obliczenia, Interpretacje, Kolejowego). Opinie, Oceny. Świadectwo dopuszczenia DTSU, zapisy przebiegów, przeglądów, Przewoźnik- wg Dokumentacji awarii, napraw Technicznych Standardów Utrzymania Jednostka projektowa w Studium koncepcyjne pojazdu systemie zarządzania jakością uzgodnione z inwestorem PN-ISO 9001 Dokumentacja Techniczna niezbędna dla modernizacji Jak w p.6 Jak w p.6 Jak w p.7 Jak w p.7 Jak w p.8 Jak w p.8 Jak w p.9 Jak w p.9 Protokoły likwidacji pojazdu Przewoźnik oraz Potwierdzenia recyklingu i utylizacji wyspecjalizowane jednostki wg stosownych dyrektyw 3.Proces certyfikacji wyrobu Certyfikacja wyrobu polega na porównaniu wyspecyfikowanych wymagań dla danego wyrobu z wynikami niezależnych jego badań oraz formalnym potwierdzeniu spełnienia wymagań. Instytucja przeprowadzająca proces certyfikowania wyrobów winna spełniać wymagania normy [5], potwierdzone akredytacją krajo20 wej jednostki akredytującej (Polskie Centrum Akredytacji – PCA) oraz zgodnie z ustawą [6],[7] uzyskać autoryzację (udzielaną w imieniu Ministerstwa Infrastruktury przez Urząd Transportu Kolejowego) oraz notyfikację UE. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Z definicji certyfikacji wynika, że certyfikat zgodności jest warunkiem merytorycznym i koniecznym, ale nie wystarczającym dla dopuszczenia pojazdu do ruchu. Niezbędny jest jeszcze krok merytoryczno – formalny zawierający akt podjęcia odpowiedzialności państwa za stan bezpieczeństwa; a więc świadectwo dopuszczenia do ruchu. Z brzemienności skutków dopuszczenia pojazdu do ruchu wywodzą się wymagania normy [5] dotyczące jednostek certyfikujących i personelu przez nie zatrudnionego. Certyfikacja pojazdów szynowych i ich zespołów związana z dopuszczeniem do ruchu, obejmująca bezpieczeństwo ruchu oraz interoperacyjność wynikającą z dyrektyw unijnych dla kolejnictwa[1,2,3,4] jest obowiązkowa. Certyfikacja dobrowolna może być wykonywana z inicjatywy producenta i służyć promocji wyrobu na rynku celem zaprezentowania go potencjalnemu użytkownikowi. 4.Polityka w dziedzinie certyfikacji wyrobów Polityka dotycząca certyfikacji wyrobów – pojazdów szynowych jest pochodną wymagań prawnych [6,7,8] wyrażających odpowiedzialność władz państwowych za bezpieczeństwo i interoperacyjność w ruchu kolejowym na obszarze kraju zgodnie z dyrektywami UE [1,2,3,4]. Wymagania systemowe w odniesieniu do certyfikacji wyrobów określa norma [5]. Instytucje i osoby zajmujące się certyfikowaniem wyrobów winny dysponować dużą wiedzą i doświadczeniem w dziedzinie taboru kolejowego w aspektach takich jak: konstrukcja, obliczenia, projektowanie, rozwój, modernizacje, wykonawstwo nowatorskich rozwiązań, badania, analizy, ekspertyzy, oceny, opiniowanie i doradztwo. Klientami, zainteresowanymi certyfikacją swoich wyrobów są jednostki zajmujące się produkcją, modernizacją i naprawami oraz eksploatacją taboru szynowego w kraju i poza granicami. Klienci oczekują zwykle konsultacji merytorycznych, profesjonalnej obsługi i przyjaznej współpracy. Ośrodek Certyfikacji Wyrobów winien mieć na celu działanie na rzecz klientów w dziedzinie certyfikacji pojazdów szynowych i ich zespołów, co jest niezbędnym elementem promowania transportu szynowego oraz bezpiecznej i przyjaznej dla pasażera i środowiska eksploatacji. Ośrodek Certyfikacji Wyrobów, podlega bezpośrednio Dyrektorowi Instytutu, mając zapewnioną osobowością prawną, autonomię organizacyjną, możliwość angażowania niezależnego personelu i nie podlega żadnym zewnętrznym i wewnętrznym naciskom organizacyjnym i finansowym. Pracami Ośrodka kieruje Główny Specjalista ds. Certyfikacji Wyrobów. Proces certyfikacji wyrobów jest zgodny z wymaganiami normy PN-EN 45011:2000. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 5.Przebieg procesu certyfikacji wg [5] i [10] Zgodnie z [5] możliwość zgłoszenia swojego wyrobu (pojazdu lub zespołu) do certyfikacji ma każdy producent. Natomiast nie może uczestniczyć w procesie certyfikacji osoba będąca konstruktorem, projektantem bądź producentem przedmiotowego wyrobu oraz uczestnicząca w jego badaniach. Przestrzeganie tej zasady jest podstawą zachowania bezstronności i niezależności procesu. Kolejne kroki postępowania w zaprojektowanym procesie przedstawiono w algorytmie, rys.1. Proces certyfikacji wyrobu jest usługą płatną w oparciu o umowę pomiędzy stronami. Podpisanie umowy winno nastąpić możliwie na początku procesu, jednak na etapie pozwalającym na oszacowanie niezbędnego zakresu prac, a szczególnie ewentualnego podzlecania badań, wykonania analiz specjalistycznych itp. W uzasadnionych przypadkach, można stosować wówczas aneksowanie wcześniej spisanej umowy. Proces certyfikacji zawarto w 12 krokach: Krok 1. Analiza zamówienia lub zapytania klienta wyrażającego zamiar poddania określonego wyrobu certyfikacji, jest wykonywana w Ośrodku Certyfikacji Wyrobów (NC) pod kątem wymagań i możliwości realizacji. Krok 2. Jeżeli certyfikowanie okazuje się możliwe, NC przesyła do klienta informator i druk wniosku o przeprowadzenie certyfikacji wyrobu. W przeciwnym wypadku NC wysyła pismo informując klienta o niemożności certyfikowania z podaniem uzasadnienia. Krok 3. Klient składa wniosek, który winien spełniać wymagania zawarte w informatorze. Krok 4. NC dokonuje przeglądu wniosku na zgodność z kryteriami i warunkami certyfikacji. Krok 5. Jeżeli wniosek spełnia wymagania formalne, NC opracowuje plan oceny. W przeciwnym wypadku wniosek wraca do klienta celem uzupełnienia. Krok 6. W oparciu o plan oceny, NC wyznacza kompetentnych specjalistów, dokumentem powołania zatwierdzonym przez Dyrektora Instytutu. NC nie wyznacza takich ekspertów, którzy byli związani z projektowaniem lub innym postępowaniem związanym z certyfikowanym wyrobem i mogliby być nieobiektywni w swoich ocenach. Specjaliści analizują przedstawione przez klienta dokumenty celem ustalenia czy zachodzi potrzeba podzlecania badań. Krok 7. Jeżeli zachodzi potrzeba, NC w porozumieniu z klientem podzleca badania w zakresie niezbędnym dla dokonania oceny wyrobu, względnie klient zleca badania we własnym zakresie. Krok 8. NC kompletuje dokumenty niezbędne dla oceny wyrobu takie jak raporty z badań, obliczenia, analizy, dokumentacja konstrukcyjna oraz kryteria oceny zawarte w TSI, normach Kartach UIC i innych opracowaniach. 21 22 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 23 E Rys. 1 Algorytm procesu certyfikacji wyrobów Krok 9. Opracowanie ocen cząstkowych jest wykonywane przez powołanych niezależnych ekspertów. Jeżeli zgromadzono niezbędne materiały źródłowe, opracowuje się całościową ocenę wyrobu w formie raportu. Raport podpisują autorzy ocen cząstkowych oraz Główny Specjalista ds. Certyfikacji wyrobów. Raport zawiera zestawienie ocen cząstkowych w konfrontacji z kryteriami i wymaganiami oraz ocenę końcową zgodności wyrobu. W przypadku ocen negatywnych, raport zawiera wykaz niezgodności cech zidentyfikowanych z wymaganymi, których usunięcie warunkuje ocenę pozytywną. 24 Krok 10. Przekazanie raportu z oceny wyrobu klientowi, następuje na zasadach poufności niezależnie od wyniku postępowania oceniającego. Krok 11. Jeżeli raport wymaga wykonana działań korygujących, to klient zobowiązany jest przedstawić dowody, że wprowadzono niezbędne zmiany wynikające z raportu. Jeżeli wymagane jest częściowe powtórzenie oceny, postępowanie wraca do kroku 9. Krok 12. Jeżeli nie występują przeszkody w nadaniu certyfikatu, zespół oceniający pod przewodnictwem Głównego Specjalisty ds. Certyfikacji Wyrobów podejmuje decyzję o przyznaniu certyfikatu zgodności. Certyfikat podpisuje Główny Specjalista ds. Certyfikacji Wyrobów oraz Dyrektor Instytutu. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 6. Zapisy związane z procesem certyfikacji wyrobów Każdy krok postępowania certyfikacyjnego winien być udokumentowany w celeu umożliwienia odtworzenia działań w przypadku ewentualności wystąpienia skargi klienta, awarii lub katastrofy pojazdu. Poniżej wyspecyfikowano zapisy dokumentujące kolejne kroki procesu, oznaczając je symbolami Z1, Z2, Z3, występującymi w algorytmie – rys.1. Z1. Notatka z analizy zamówienia lub pisma od klienta. Postać niesformalizowana, wykonuje Główny Specjalista ds. Certyfikacji Wyrobów jako dowód przeanalizowania wystąpienia klienta. Zawiera konkluzję niezbędną dla odpowiedzi klientowi na pytanie „Czy certyfikacja jest możliwa?”. Z2. Notatka z przeglądu wniosku o certyfikację złożonego przez klienta, na zgodność z wymaganiami zawartymi w Informatorze. Wykonuje Główny Specjalista ds. Certyfikacji Wyrobów. Zawiera konkluzję niezbędną dla odpowiedzi na pytanie „Czy wniosek spełnia wymagania formalne?” Z3. Protokół z posiedzenia zespołu ekspertów pod przewodnictwem Głównego Specjalisty ds. Certyfikacji Wyrobów, zawierający konkluzję o przyznaniu lub odmowie przyznania certyfikatu dla przedstawionego wyrobu. Zawiera podpisy wszystkich ekspertów i przewodniczącego zespołu. 7. Dokumenty związane z procesem certyfikacji wyrobów Kolejne etapy decyzyjne realizacji procesu wymagają opracowania dokumentów, będących podstawą w postępowaniu formalnym. Dokumenty te są sygnowane w imieniu Instytutu posiadającego osobowość prawną i odpowiedzialność za wydawane certyfikaty. Na rys.1 dokumenty oznaczono symbolem D1 – D10. D1. Pismo do klienta potwierdzające możliwość podjęcia przez IPS-NC certyfikacji zgłoszonego wyrobu. W tym przypadku przesyła się w załączeniu informator o warunkach certyfikacji i druk wniosku. D2. Pismo do klienta informujące o braku możliwość podjęcia przez IPS-NC certyfikacji zgłoszonego wyrobu. Pismo winno zawierać uzasadnienie. D3. Plan oceny – opracowuje NC. Plan zawiera zestawienie czynności oceny wyrobu w strukturze tematyczno - terminowej z wyszczególnieniem badań niezbędnych do oceny. D4. Pismo do klienta pismo z prośbą o uzupełnienie wniosku, jeżeli wniosek posiada luki formalne. D5. Dokument powołania ekspertów technicznych dla dokonania cząstkowych ocen wyrobu przygotowuje NC a zatwierdza DN. D6. Pismo podzlecające wykonanie badań niezbędnych do oceny wyrobu. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 D7. Wykaz dokumentów niezbędnych dla dokonania oceny raporty z badań oraz dokumenty normatywne zawierające kryteria oceny. D8. Raport z oceny wyrobu opracowany przez członków zespołu oceniającego. Raport zawiera uwagi wskazujące na niespełnienie wymagań lub zawiera ocenę pozytywną wyrobu, która jest podstawą do wydania certyfikatu zgodności wyrobu. D9. Pismo do klienta informujące i uzasadniające odmowę udzielenia certyfikatu. D10.Certyfikat zgodności wyrobu podpisany przez Głównego Specjalistę ds. Certyfikacji Wyrobów i Dyrektora Instytutu. 8. Warunki udzielania, utrzymywania, rozszerzania, zawieszania i cofania certyfikatu 1) Jednostka Certyfikująca dokonuje certyfikacji wyrobów w dziedzinie pojazdów szynowych poprzez porównanie wyników badań i analiz z wymaganiami przyjętymi dla oceny danego wyrobu w postępowaniu zgodnym z normą [5]. 2) Badania wyrobu lub eksploatacja nadzorowana muszą być wykonywane lub nadzorowane przez akredytowane laboratoria badawcze. Badania zleca wnioskodawca lub za jego zgodą Jednostka Certyfikująca. 3) Klient występuje do Jednostki Certyfikującej w formie wniosku (na druku Jednostki Certyfikującej), który winien zawierać: -Określenie firmy zgłaszającej wyrób do certyfikacji, nazwę, adres i status prawny. -Określenie wyrobu, który ma być certyfikowany, system certyfikacji i normy, na zgodność z którymi wyrób ma być certyfikowany. -Wnioskowany zakres certyfikacji. -Zgodę wnioskodawcy na spełnienie wymagań certyfikacyjnych oraz na dostarczenie wszelkich informacji niezbędnych do oceny wyrobu. -Podpis upoważnionego przedstawiciela wnioskodawcy na arkuszu zasadniczym jak i na ewentualnych załącznikach. 4) Certyfikacja jest przedmiotem umowy dwustronnej określającej cenę, termin i pozostałe szczegóły certyfikacji. 5) Udzielanie certyfikacji punkt 4.6 normy [5] Udzielanie certyfikacji na wyrób następuje, jeżeli nie występują sprzeczności między wymaganiami a wynikami badań decydującymi o ich spełnieniu, oraz gdy są zachowane warunki formalne. 6) Utrzymywanie certyfikatu jest warunkowane terminem jego wydania lub udokumentowanym brakiem odstępów w zachowaniu się wyrobu w eksploatacji w stosunku do wymagań. 7) Rozszerzanie certyfikacji jest możliwe wg postępowania wg Części A oraz spełnieniu wymagań dotyczących poszerzonego zakresu zgłoszonego we wniosku, przy braku sprzeczności wymagań wcześniejszych i dotyczących rozszerzenia. 25 8) Zawieszenie certyfikacji występuje do czasu wykonania i potwierdzenia realizacji działań korygujących wynikłych ze stwierdzonych niezgodności wyrobu z wymaganiami w okresie objętym certyfikatem. Zawieszenie jest oznajmiane pisemnie wnioskodawcy i publikowane jeśli to konieczne. 9) Cofnięcie certyfikatu następuje na warunkach jak w p.4 gdy zachodzi brak perspektyw na przywrócenie wyrobowi cech określonych w certyfikacie a działania nie mogą być zrealizowane lub są nieopłacalne. 10) Klientowi przysługuje składanie reklamacji, skargi w odniesieniu do procesu certyfikacji w terminie 2 lat od zakończenia procesu certyfikacji. 9. Nadzór nad wyrobem certyfikowanym Potrzeba stosowania nadzoru nad wyrobem certyfikowanym wynika z konieczności eliminacji przypadków nadużywania znaku certyfikacji wyrobu, wykorzystywania wyrobu niezgodnie z przeznaczeniem oraz wynikłych z tego tytułu ewentualnych zagrożeń, stosując następujące zasady: 1) Nadzór nad wyrobem certyfikowanym polega na gromadzeniu i analizie informacji o zachowaniu się wyrobu w eksploatacji i spełnianiu warunków zgodności z kryteriami zapisanymi w certyfikacie. 2) Nadzór wynika z odpowiedzialności jednostki certyfikującej za zachowanie zgodności wyrobu z certyfikatem oraz wykazaniu w razie konieczności, że ewentualne nieprawidłowości w funkcjonowaniu wyrobu leżą po stronie niewłaściwej eksploatacji lub zmian w procesie produkcji. 3) Zmiany właściwości wyrobu w stosunku do standardu określonego w certyfikacie, lub niespełnienie wymagań potwierdzonych w certyfikacie mogą wynikać z czynników, takich jak: -Zmiany konstrukcyjne. -Zmiany materiałów, podzespołów lub części. -Zmiany technologiczne. -Niewłaściwa obsługa. -Niezgodne z założeniami zastosowanie wyrobu. -Stosowanie niewłaściwych materiałów eksploatacyjnych. -Niezgodne z założeniami warunki pracy. 4) Wymienione wyżej zmiany i odstępstwa są niedopuszczalne. Mogą być wprowadzane tylko za wiedzą i zgodą jednostki certyfikującej wyrób. 5) Wymienione zmiany i odstępstwa skutkują utratą certyfikatu oraz koniecznością ponownego certyfikowania wyrobu w aspekcie zmienionych wymagań i kryteriów. 6) Wnioskodawca zobowiązany jest pod groźbą utraty certyfikatu do informowania jednostki certyfikującej o wszelkich zmianach w wyrobie, które mogłyby mieć wpływ na jego jakość. 7) Jednostka certyfikująca prowadzi rejestr wydanych certyfikatów (zał.1) oraz skoroszyt dokumentacyjny 26 dla każdego wyrobu i dokonuje okresowych przeglądów wyrobów certyfikowanych zasięgając w tym celu informacji od producenta i użytkownika. W tym celu dokonuje ankietyzacji i analizy stanu wyrobu na zgodność z certyfikatem. 8) W przypadku ujawnienia odstępstw od certyfikatu oraz nadużywania wydanych dokumentów bądź nieodpowiedniej promocji wyrobu, jednostka certyfikująca przekazuje producentowi lub użytkownikowi pisemne upomnienie, informuje o konsekwencjach, cofa certyfikat podając to do publicznej wiadomości bądź kieruje sprawę na drogę sądową. 9) Jednostka Certyfikująca Wyroby wymaga od producenta wyrobu certyfikowanego: -Przechowywania i udostępniania zapisów dotyczących reklamacji zgodności wyrobu. -Podejmowania i dokumentowania działań w związku z reklamacjami i usterkami wykrytymi w wyrobach, które mają wpływ na ich zgodność z certyfikatem. 10. Nadzór nad dokumentacją, zapisami i poufnością 10.1.Przechowywanie dokumentacji związanej z certyfikacją. Dokumentacja Systemu Zarządzania Ośrodka Certyfikacji Wyrobów oraz inne dokumenty (rysunki, analizy, obliczenia, opinie, raporty z badań itp.) są dokumentami wewnętrznymi i nie mogą być udostępnione osobom lub instytucją trzecim. Są przechowywane w wydzielonym pomieszczeniu Ośrodka Certyfikacji oraz nadzorowane poprzez spisy, rejestry dystrybucji, oraz książkę korespondencji wychodzącej i przychodzącej. Oryginały Księgi Jakości i Procedur przechowuje Pełnomocnik ds. Jakości. Czas przechowywania dokumentów zdezaktualizowanych ustala się indywidualnie dla każdego przypadku, lecz nie krócej niż 5 lat. W zakresie przechowywania i ochrony dokumentów i plików komputerowych mają zastosowanie uregulowania obowiązujące w Instytucie, dotyczące archiwum oraz systemu komputerowego. Każdy zatrudniony przy certyfikacji podpisuje zobowiązanie do zachowania poufności. 10.2.Zachowanie poufności informacji związanych z certyfikacją. Poufność dotyczy informacji technicznych i marketingowych przekazanych do Ośrodka Certyfikacji Wyrobów przez wnioskodawcę oraz ocen i decyzji podejmowanych w związku z wykonywaną certyfikacją. Przekazywanie dokumentów jest odnotowywane lub potwierdzane na kopiach pism. Pomieszczenie zawierające dokumentację jest zamykane, plombowane oraz dostępne tylko osobom upoważnionym, które podpisały deklarację poufności. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 11.Podsumowanie Literatura: 1.W artykule skoncentrowano się na podstawowych aspektach procesu certyfikacji wyrobów w aplikacji dotyczącej pojazdów szynowych, nie omawiając ze względu na komunikatywność prezentacji aspektów wyłącznie dotyczących Systemu Zarządzania (audity, działania korygujące, przeglądy zarządzania itd.). 2.Proces certyfikacji wyrobu jest niezależnym, obiektywnym działaniem potwierdzającym za pomocą certyfikatu, ocenę zgodności wyrobu z wymaganiami, co nie jest jednoznaczne z dopuszczeniem pojazdu do eksploatacji. 3.Na proces certyfikacji wyrobu składają się działania merytoryczne ujęte w statutowym obszarze działalności Instytutu Pojazdów Szynowych „TABOR” i leżące w kompetencjach zatrudnionych naukowców i specjalistów. 4.Działania merytoryczne Instytutu na rzecz certyfikacji wyrobów oraz dopuszczenia pojazdu do ruchu obejmują: 4.1.Badania wykonywane przez akredytowane, autoryzowane i notyfikowane laboratorium, posiadające uznanie Kolei Niemieckich oraz będące na liście jednostek naukowo badawczych uprawnionych przez polskie Ministerstwo Infrastruktury do wykonywania badań na rzecz procedur dopuszczenia do eksploatacji pojazdów szynowych w kraju [11 ]. 4.2.Opracowywanie Dokumentacji Technicznych Standardów Utrzymania dla taboru szynowego, obliczenia, analizy, opinie, oceny, ekspertyzy, dotyczące pojazdów szynowych i zespołów realizowane przez ukierunkowanych naukowców i specjalistów w certyfikowanym systemie jakości ISO, na rzecz procedur dopuszczenia do eksploatacji pojazdów szynowych w kraju [11 ]. 5.Wykonywane aktualnie przez Instytut działania zgodnie z [9,11] wypełniają zakres merytoryczny certyfikacji wyrobu, stanowią czynnik stymulujący utrzymywanie wymaganego poziomu jakości i bezpieczeństwa taboru szynowego oraz dają solidne podstawy merytoryczne procesowi dopuszczania do ruchu pojazdów na sieci kolejowej, realizowanemu przez Urząd Transportu Kolejowego. [1] POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Dyrektywa 48/96/WE w sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości [2] Dyrektywa 2001/16/WE w sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnej [3] Dyrektywa 2004/50/WE zmieniająca dyrektywy 48/96/WE i 2001/16/WE [4] Dyrektywa 2004/49/WE w sprawie bezpieczeństwa kolei wspólnotowych [5] Norma PN-EN 45011:2000 „Wymagania ogólne dotyczące jednostek prowadzących systemy certyfikacji wyrobów”. [6] Ustawa z dnia 30 sierpnia 2002r. o systemie oceny zgodności (Dz. U. 2002 nr 166, poz.1360) [7] Ustawa z dnia 29 sierpnia 2003 r. o zmianie ustawy o systemie oceny zgodności oraz zmianie niektórych ustaw (Dz. U. 3003 nr 170,poz. 1652) [8] Ustawa z dnia 28 marca 2003r. o transporcie kolejowym – tekst jednolity (Dz. U. 2007 nr 16, poz.94) [9] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 października 2005 r. w sprawie zakresu badań koniecznych do uzyskania świadectw dopuszczenia do eksploatacji typów budowli i urządzeń przeznaczonych do prowadzenia ruchu kolejowego oraz typów pojazdów kolejowych (Dz. U. 2005 nr212, poz.1772) [10] Przewodnik PKN-ISO/IEC Guide 67 marzec 2007 Ocena zgodności. Podstawy certyfikacji wyrobów. [11] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 30 kwietnia 2004 r w sprawie świadectw dopuszczenia do eksploatacji typu budowli i urządzeń przeznaczonych do prowadzenia ruchu kolejowego oraz typu pojazdu kolejowego. 27 mgr inż. Marcin Haba Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Możliwości wykorzystania przekazu satelitarnego w diagnozowaniu stanu technicznego trakcyjnych pojazdów szynowych W niniejszym artykule przedstawiono potencjalne zastosowania satelitarnej transmisji danych w obszarze diagnostyki trakcyjnych pojazdów szynowych, opisano rozwój telekomunikacji satelitarnej, a w szczególności satelitarnej radiokomunikacji ruchomej, scharakteryzowano system INMARSAT a także wybrany terminal satelitarny. Artykuł powstał na podstawie prac prowadzonych w ramach projektu badawczego „Zastosowanie satelitarnego systemu akwizycji danych do poligonowych badań spalinowych pojazdów szynowych” (nr 4 T12D 054 30) finansowanego przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. 1. Wstęp 1.1. Systemy bezprzewodowej transmisji danych Zdalna diagnostyka trakcyjnego pojazdu szynowego wymaga zastosowania systemu sterowania z zaimplementowanym algorytmem realizującym proces oceny stanu technicznego poszczególnych zespołów i podzespołów tego pojazdu. Wyniki tej oceny system sterowania powinien przesyłać do centrum diagnostycznego za pośrednictwem transmisji bezprzewodowej. Transmisja bezprzewodowa jest jedynym możliwym sposobem transmisji danych w systemach, w których obiekt pomiaru przemieszcza się (np. w pojeździe) lub jest znacznie oddalony od centrali systemu pomiarowego (sondy meteorologiczne, obiekty kosmiczne) albo znajduje się w miejscu trudno dostępnym [6, 7]. Obecnie bezprzewodowa transmisja danych może być realizowana głównie poprzez: - interfejs IrDA (ang. „Infrared Data Association”) – interfejs wykorzystujący promieniowanie podczerwone umożliwiający transmisję danych z prędkością 4 Mb/s na odległość do 1 m - interfejs Bluetooth – interfejs radiowy pracujący w paśmie 2,45 GHz umożliwiający transmisję danych z prędkością 1 Mb/s na odległość do 10 m - sieci telefonii komórkowej GSM (ang. „Global System for Mobile Communication”) - łącza satelitarne. Dwa pierwsze wymienione rodzaje transmisji (IrDA i Bluetooth) umożliwiają przesyłanie danych na małe odległości i stosuje się je głównie w celu wyeliminowania połączeń przewodowych pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, które znajdują się w bliskiej odległości od siebie. Ze względu na niewielki zasięg działania powyższych systemów nie mogą być one rozpatrywane w przypadku transmisji danych pomiędzy przemieszczającym się pojazdem a centrum diagnostycznym, czyli na odległości znacznie przekraczające zasięg działania wymienionych standardów. 28 Dwa kolejne rodzaje transmisji (sieci telefonii komórkowej GSM i łącza satelitarne) umożliwiają przesyłanie danych na rozległym obszarze obejmującym zasięg działania danego systemu łączności: w przypadku sieci GSM jest to zazwyczaj obszar danego kraju, natomiast w przypadku systemów satelitarnych może to być obszar danego kontynentu (np. system ESA obejmujący swym zasięgiem Europę) lub obszar całego globu (np. systemy Iridium, INMARSAT, Globalstar) [9]. Biorąc pod uwagę koszty zakupu aparatury nadawczo-odbiorczej oraz koszty przesyłania danych sieci GSM mają zdecydowaną przewagę nad systemami transmisji satelitarnej. Trzeba jednak zaznaczyć, że w warunkach polskich komercyjne sieci GSM nie oferują 100% pokrycia szlaku kolejowego, co jest istotnym mankamentem jeżeli transmisja danych ma odbywać się w trybie rzeczywistym lub jeżeli uszkodzenie pojazdu spowoduje jego zatrzymanie w miejscu pozbawionym zasięgu sieci GSM. Sytuacja taka jest często spotykana, ponieważ szlaki kolejowe często przebiegają przez tereny słabo zaludnione lub niezaludnione, na których brak jest infrastruktury GSM, co uniemożliwia prowadzenie zdalnej diagnostyki. Szczególnie do omawianego zastosowania nadawałby się kolejowy system GSM-R (ang. „Global System for Mobile Communication – Rail”), który w Polsce jest jednak dopiero w początkowej fazie wdrażania. Istotną przewagą systemów łączności satelitarnej z punktu widzenia użytkownika jest to, że nie wymagają one żadnej infrastruktury naziemnej a jedynie zakupu terminalu pracującego w danym systemie. Sprawia to, że systemy satelitarne stanowią doskonałą alternatywę dla innych systemów radiokomunikacyjnych w miejscach, w których brak jest przyłączy do sieci konwencjonalnych, a ich realizacja wiąże się ze znacznymi nakładami lub z trudnością uruchomienia w odpowiednio krótkim czasie [1]. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Wobec powyższego jedynym na dzień dzisiejszy środkiem łączności zapewniającym transmisję danych diagnostycznych z pojazdu szynowego będącego w ruchu niezależnie od jego usytuowania na szlaku kolejowym pozostaje transmisja satelitarna. Dodatkowo terminale łączności satelitarne zazwyczaj wyposażone są w moduł GPS (ang. „Global Positioning System”), który umożliwia wyznaczenie pozycji, prędkości i kursu pojazdu w wybranym układzie odniesienia (np. współrzędnych geograficznych) oraz odbiór generowanego przez system GPS sygnału czasu wzorcowego. 1.2. Łączność satelitarna Cechą charakterystyczną łączności satelitarnej jest zdolność wytworzenia jednoczesnych połączeń dla wszystkich użytkowników znajdujących się na powierzchni Ziemi, wskutek czego zapewnione jest świadczenie usług telekomunikacyjnych niezależnie od odległości oraz liczby abonentów. Odnosi się to zarówno do naziemnych obiektów stałych, jak i do obiektów ruchomych poruszających się na lądzie, morzu lub w powietrzu [1]. Głównym celem zastosowania transmisji satelitarnej jest przesyłanie danych diagnostycznych z systemu sterowania zainstalowanego na trakcyjnym pojeździe szynowym znajdującym się w ruchu, w dowolnym punkcie szlaku kolejowego do komputera pełniącego rolę centrum diagnostycznego (odbiór, przetwarzanie, prezentowanie i archiwizowanie danych). Komunikacja powinna być zapewniona także w drugą stronę, aby możliwe było przesyłanie z centrum diagnostycznego do systemu sterowania pojazdu np. żądań nadawania danych diagnostycznych, sygnałów sterujących lub odpowiednich nastaw danych wielkości. Po analizie usług oferowanych przez poszczególnych operatorów systemów satelitarnych w świetle wymagań dotyczących transmisji danych z pojazdu znajdującego się w ruchu oraz kosztów zakupu sprzętu i transmisji danych zdecydowano o wyborze terminalu pracującego w systemie INMARSAT – system ten jako jedyny świadczy usługi łączności z obiektami ruchomymi (statki, samoloty, pojazdy naziemne) [5, 8]. 2. Potencjalne zastosowania transmisji satelitarnej w obszarze zdalnej diagnostyki trakcyjnych pojazdów szynowych 2.1. Wdrażanie nowych systemów sterowania W fazie wdrażania nowych systemów sterowania na trakcyjnych pojazdach szynowych na dane diagnostyczne składają się głównie sygnały wejściowe doprowadzone do sterownika PLC oraz generowane przez ten sterownik wyjściowe sygnały sterujące. Zebrane dane diagnostyczne pozwalają zanalizować poprawność przyjętych algorytmów sterowania oraz ich implementacji w sterowniku PLC [3]. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Analiza zmian w czasie sygnałów wejściowych oraz generowanych na ich podstawie sygnałów wyjściowych wymaga gromadzenia ich wartości z określonym interwałem czasowym (najlepiej w każdym cyklu pracy sterownika), jednak pojemność pamięci sterownika nie pozwala na zapis tak dużej ilości danych, dlatego gromadzenie danych diagnostycznych przebiega następująco: - sterownik PLC co określony przedział czasowy (wartość tego przedziału zależy od czasu wykonywania przez sterownik jednego cyklu programu, od objętości przesyłanej ramki danych oraz od prędkości transmisji) tworzy ramkę danych diagnostycznych (wielkość ramki zależy od złożoności systemu sterowania – głównie od ilości wejść i wyjść) i przesyła ją za pośrednictwem interfejsu RS-232 do komputera serwisowego (odpowiednio oprogramowanego komputera przenośnego) - odpowiednia aplikacja uruchomiona na komputerze serwisowym odbiera kolejne ramki danych diagnostycznych z jego portu szeregowego i gromadzi je na twardym dysku komputera jako kolejne wiersze pliku tekstowego. Powyższa metoda bazuje na transmisji przewodowej i wymaga obecności na pojeździe odpowiednio przeszkolonego pracownika wyposażonego w odpowiednio oprogramowany komputer serwisowy. Zastosowanie transmisji satelitarnej wyeliminowałoby konieczność przebywania na pojeździe pracownika oddelegowanego jedynie w celu zebrania danych diagnostycznych z pojazdu znajdującego się często kilkaset kilometrów od siedziby firmy. Pozwoliłoby to na zminimalizowanie kosztów badań i racjonalne wykorzystanie zasobów ludzkich (czasu pracy pracowników). 2.2. Eksploatacja obserwowana Podczas eksploatacji obserwowanej mogą ujawnić się nieprawidłowości w pracy danego systemu lub samego systemu sterowania. Często nieprawidłowości te występują sporadycznie (np. raz na tydzień) w związku z czym ich przyczyna jest trudna do wykrycia. W takiej sytuacji algorytm uzbraja się w „pułapki” wychwytujące moment zaistnienie nieprawidłowości i tworzące historię przebiegu sygnałów wokół tego punktu (np. 5 s przed i 5 s po wystąpieniu nieprawidłowości). W tym przypadku ramka danych diagnostycznych zawiera tylko wybrane sygnały, których analiza pozwala na znalezienie przyczyn nieprawidłowości. Prowadzi to do uzyskania obiektywnych danych pomiarowych zamiast subiektywnych wrażeń personelu obsługującego pojazd. Dla przykładu zostanie omówione badanie układu przeciwpoślizgowego na zmodernizowanych lokomotywach ST44 serii 3000 (rys. 1). Lokomotywy 29 te mają 2 wózki 3-osiowe. Dane diagnostyczne zawierały: wartości prędkości poszczególnych osi lokomotywy, wartość prędkości referencyjnej, średnią wartość prędkości 4-ech osi (po odrzuceniu skrajnych wartości prędkości) oraz sygnały sterujące zaworami przeciwpoślizgowymi. Rys. 1. Zmodernizowane lokomotywy ST44 serii 3000 (3001 oraz 3002) należące do PKP Linia Hutnicza Szerokotorowa spółka z o. o. Program działania sterownika tego układu został „uzbrojony” w mechanizm, który rejestruje wystąpienie następujących zdarzeń (rys. 2): - zdarzenie 1: zbiorczy sygnał poślizgu (będący sumą logiczną sygnałów poślizgu poszczególnych osi) trwa co najmniej 2 s - zdarzenie 2: w czasie 3 s wystąpią 4 poślizgi dowolnych osi - zdarzenie 3: występuje poślizg co najmniej 4ech osi jednocześnie. Ograniczona pojemność pamięci sterownika nie pozwala na zapis zbyt dużej ilości danych, wobec czego dla każdego z powyższych zdarzeń zarezerwowano obszar pamięci sterownika umożliwiający zarejestrowanie stanu wymienionych sygnałów w okresie 2 s przed i 2 s po wystąpieniu danego zdarzenia (rys. 2). Niestety obszary te są „nadpisywane” po kolejnym wystąpieniu danego zdarzenia. Zastosowanie transmisji satelitarnej umożliwiłoby rejestrację wszystkich wystąpień omawianych zdarzeń a tym samym pełniejszą analizę zjawiska. Wyeliminowałoby również konieczność przebywania na pojeździe personelu gromadzącego dane diagnostyczne w sposób omówiony w poprzednim podpunkcie (na twardym dysku komputera za pośrednictwem interfejsu RS-232), tym bardziej, że uchwycenie nieprawidłowości (zebranie danych diagnostycznych) może okazać się bardzo czasochłonne zważywszy na przypadkowy charakter ich występowania. 2.3. Normalna eksploatacja Podczas normalnej eksploatacji pojazdu trakcyjnego można zmniejszyć ilość przesyłanych danych diagnostycznych lub ograniczyć się jedynie do przesyłania tzw. alarmów informujących np. o uszkodzeniu danego czujnika. Dzięki zastosowaniu transmisji satelitarnej alarmy takie byłyby przesyłane do centrum diagnostycznego znajdującego się w lokomotywowni w wyniku czego personel warsztatowy otrzymywałby informację o rodzaju uszkodzenia jeszcze przed zjazdem pojazdu ze szlaku. Umożliwiłoby to np. wcześniejsze przygotowanie stanowiska naprawczego oraz odpowiednich narzędzi i części, skracając tym samym czas wyłączenia pojazdu z ruchu. Rys. 2. Badanie działania układu przeciwpoślizgowego lokomotyw ST44 serii 3000 - rejestracja wybranych zdarzeń 30 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 3. Rozwój telekomunikacji satelitarnej W latach 50-tych XX wieku zarówno Stany Zjednoczone jak i ZSRR dysponowały rakietami zdolnymi wynieść satelitę w kosmos. Z okazji ogłoszonego od 1 lipca 1957 roku do 31 grudnia 1958 roku Międzynarodowego Roku Geofizycznego oba państwa zamierzały umieścić satelitę na orbicie. Jako pierwszym udało się to Rosjanom [29]. Era kosmiczna rozpoczęła się 4 października 1957 roku o godzinie 19:28, gdy z kosmodromu Bajkonur w ówczesnym Związku Radzieckim (obecnie w Kazachstanie) wystartowała rakieta R-7 z pierwszym sztucznym satelitą Ziemi o nazwie „Sputnik 1” (z języka rosyjskiego „towarzysz podróży”). Wydarzenie to stało się początkiem trwającego nieprzerwanie od ponad pięciu dekad „wyścigu w kosmos” [22]. się liczne sztuczne satelity służące celom praktycznym. W dniu 1 kwietnia 1960 roku wydział administracji rządowej USA zajmujący się amerykańskim programem kosmicznym oraz rozwojem techniki lotniczej – Narodowa Agencja Aeronautyki i Przestrzeni Kosmicznej NASA (ang. „National Aeronautics and Space Administration”) – umieściła na orbicie pierwszego w historii satelitę meteorologicznego „TIROS 1” (ang. „Television InfraRed Observational Satellite”). Był to satelita do obserwacji telewizyjnych i podczerwonych. Przesłał on pierwsze zdjęcia Ziemi widzianej z kosmosu [14, 21, 31]. Rys. 4. Satelita „Echo 1A” wg [16] Rys. 3. „Sputnik 1” – pierwszy sztuczny satelita Ziemi wg [26] „Sputnik 1” (rys. 3) był obiektem w kształcie kuli o średnicy 58,5 cm i wadze 83,6 kg. Aby zbytnio się nie nagrzewał jego powłokę zewnętrzną wykonano z wypolerowanego aluminium o grubości 2 mm, które odbijało promienie słoneczne. Satelita krążył po orbicie oddalonej o 250 km od powierzchni Ziemi przez trzy miesiące. W dniu 4 stycznia 1958 roku wyczerpały mu się baterie (srebrno-cynkowe) i spłonął w atmosferze. Podczas każdego obiegu wokół Ziemi, który trwał ok. 98 minut, satelita przemierzał prawie 48 tys. km z prędkością 8 km/s. „Towarzysz podróży” wyposażony był w 2 nadajniki oraz 4 anteny, które trzy razy w ciągu sekundy emitowały sygnały radiowe o częstotliwościach 20 MHz i 40 MHz. Sygnały te mogli odbierać radioamatorzy na powierzchni Ziemi. Niosły ze sobą informację o temperaturze i ciśnieniu w przestrzeni kosmicznej. Pomogły również naukowcom w badaniu gęstości elektronów w jonosferze [17, 19, 27, 29, 31]. Rozwój sztucznych satelitów był niezwykle szybki. W ciągu kilku lat, poza badawczymi, pojawiły POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 W tym samym roku NASA przeprowadziła próby z pierwszymi sztucznymi satelitami telekomunikacyjnymi pasywnymi (biernymi) o nazwie „Echo”. Były to balony o średnicy 30 m wykonane z mylaru (aluminiowanego poliestru), które jedynie odbijały sygnały radiowe emitowane z Ziemi. W dniu 13 maja 1960 wystrzelono satelitę „Echo 1” jednak z powodu awarii rakiety nośnej nie osiągnął on orbity. Zaplanowaną dla niego misję wykonał bliźniaczy satelita „Echo 1A” (rys. 4), którego wystrzelono 12 sierpnia 1960 roku. Dokonano wówczas pierwszej transmisji sygnałów telefonicznych i telewizyjnych między stacjami naziemnymi stosując częstotliwości 1 GHz i 2,5 GHz. „Echo 1A” był widzialny z Ziemi nieuzbrojonym okiem i był prawdopodobnie najliczniej oglądanym obiektem pochodzenia ziemskiego wystrzelonym w kosmos [2, 14, 15, 16]. W dniu 4 października 1960 roku NASA wprowadziła na orbitę pierwszego eksperymentalnego satelitę telekomunikacyjnego aktywnego (czynnego) „Courier 1B”. Odebrane z Ziemi sygnały zapisywane były w pamięci magnetycznej satelity a następnie retransmitowane po otrzymaniu przez niego odpowiedniego rozkazu. Na pokładzie satelity aktywnego znajduje się tzw. transponder – urządzenie elektroniczne, które odbiera sygnały przychodzące z Ziemi, 31 wzmacnia je, przesuwa do innego pasma częstotliwości i po ponownym wzmocnieniu wysyła z powrotem w kierunku Ziemi. W dniu 10 lipca 1962 roku NASA wystrzeliła satelitę telekomunikacyjnego „Telstar 1”. Był to pierwszy satelita zaprojektowany od podstaw do transmisji połączeń telefonicznych i przesyłu danych (obrazów telewizyjnych, sygnałów telegraficznych oraz radiowych). Umożliwiał on retransmismisję pomiędzy Europą i USA 240 kanałów telefonicznych albo zamiennie jednego kanału telewizyjnego. Obecnie satelity najnowszej generacji, po ponad 50-ciu latach intensywnego rozwoju techniki łączności satelitarnej oraz elektroniki, są w stanie retransmitować do 22 500 kanałów telefonicznych [20]. W dniu 6 kwietnia 1965 roku Międzynarodowa Organizacja Telekomunikacji Satelitarnej INTELSAT (ang. „INternational TELecommunications SATellite Consortium”) umieściła na orbicie pierwszego komercyjnego satelitę telekomunikacyjnego noszący nazwę „Early Bird” (inne nazwy to „INTELSAT I” i „Atlantic I”). Był to satelita geostacjonarny do realizacji łączności pomiędzy Europą a Ameryką [18]. Od momentu powstania systemy łączności satelitarnej skupiały się na transmisji sygnałów telefonicznych i programów telewizyjnych. W latach 70tych XX wieku systemy te uzyskały monopol na połączenia międzykontynentalne. Sytuacja ta zmieniła się diametralnie w 1988 roku, gdy położono pierwszy kabel światłowodowy między Europą a Ameryką. Ze względu na znacznie większą pojemność światłowody zaczęły wypierać systemy satelitarne z tego segmentu rynku i obecnie systemy satelitarne traktowane są głównie jako systemy rezerwowe [5]. 4. Rozwój satelitarnej radiokomunikacji ruchomej wg [1, 5] Początkowo satelitarna radiokomunikacja ruchoma rozwijała się w ramach systemów morskich. Pierwsza sieć satelitarna do łączności ze statkami została włączona do eksploatacji przez Międzynarodową Organizację Morskiej Łączności Satelitarnej INMARSAT (ang. „INternational MARitime SATellite Organization”) w 1982 roku. Choć początkowo terminale systemu charakteryzowały się wysoką ceną i dużymi rozmiarami to rynek satelitarnej telekomunikacji morskiej rozwinął się bardzo szybko. Ocenia się, że do 1995 roku uruchomiono ponad 24 000 terminali tego systemu. Jednocześnie prowadzono prace nad rozwiązaniami pozwalającymi na realizację połączeń fonicznych z pasażerami samolotów. Pierwszy taki system został uruchomiony w 1989 roku przez Skyphone. Obejmuje on swym zasięgiem wschodnie rejony USA, obszar Atlantyku, Europy, Afryki i część rejonu Środkowego Wschodu. Połączenia w systemie realizowane są przy wykorzystaniu satelity INMARSAT. W 1990 roku INMARSAT samodzielnie przystąpił do 32 realizacji tego rodzaju usług zarówno dla pasażerów, jak i obsługi linii lotniczych. Dotychczas najsłabiej rozwijały się publiczne systemy satelitarne do łączności z obiektami poruszającymi się na lądzie. Pierwotnie były one wykorzystywane przez organizacje humanitarne oraz środki masowego przekazu w sytuacjach, gdy nie mogły być użyte konwencjonalne środki łączności. Znacznie szybciej następował rozwój militarnych systemów radiokomunikacji satelitarnej. Oprócz systemów łączności strategicznej, których przykładami są amerykański DSCS (ang. „Defense Satellite Communication System”), brytyjski SKYNET czy NATO SATCOM, rozwinęły się systemy taktyczne, jak np. amerykański TACSAT (ang. „TACtical SATellite System”). Z istoty swego przeznaczenia umożliwiają one komunikowanie się nie tylko z obiektami o stałej lokalizacji, lecz także z pojedynczymi samolotami, okrętami a nawet z najmniejszymi pododdziałami różnych rodzajów wojsk. Na przełomie lat 80-tych i 90-tych XX wieku rozpoczęto prace nad satelitarnymi systemami telefonii komórkowej, zakładającymi wykorzystanie satelitów na orbitach niższych niż orbita geostacjonarna. Satelita na niskiej orbicie porusza się względem powierzchni Ziemi i oświetla znacznie mniejszy obszar niż satelita geostacjonarny, więc aby zapewnić ciągłą łączność między systemem satelitarnym a użytkownikiem konieczne jest zastosowanie konstelacji wielu satelitów i przełączanie połączeń między nimi (ang. „handover”), gdy satelita znika z pola widzenia terminalu naziemnego. Jest to sytuacja analogiczna do naziemnych systemów komórkowych, lecz tu użytkownik może być traktowany jako obiekt nieruchomy, a poruszają się stacje bazowe tworzące poszczególne komórki. Opierając się na powyższej koncepcji opracowano i uruchomiono systemy satelitarnej telefonii komórkowej Iridium i Globalstar, ale problemy związane z małym zapotrzebowaniem na usługi tego typu zatrzymały prace nad kolejnymi systemami. Nie przewidziano sukcesu telefonii naziemnej, głównie GSM, która dzięki usługom roamingu międzynarodowego zapewnia prawie globalny zasięg przy znacznie mniejszych kosztach oraz mniejszych i lżejszych terminalach niż w systemach satelitarnych. Rozwój technologiczny końca lat 90-tych XX wieku pozwolił na realizację systemów satelitarnej telefonii komórkowej w oparciu o satelity na orbicie geostacjonarnej. Odpowiada to sytuacji naziemnej sieci komórkowej, gdzie wszystkie stacje bazowe zostały wyniesione na pokład satelity. Satelita taki musi transmitować w kierunku Ziemi sygnał odpowiednio dużej mocy, tak aby można było go odebrać przy pomocy przenośnego terminalu wielkości klasycznego telefonu komórkowego z niewielką anteną o dookólnej (wielokierunkowej) charakterystyce promieniowania. Satelita taki jest najbardziej zaawansoPOJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 wanym technologicznie urządzeniem wyposażonym w anteny o wymiarach rzędu kilkunastu metrów, mikrofalowe wzmacniacze mocy i cyfrowe układy przetwarzania sygnałów. Koszt budowy takiego satelity to około 1 mld USD. Według tej koncepcji powstały systemy Thuraya i ACeS, które rozpoczęły pracę w 2000 roku. Rewolucja informacyjna obserwowana od początku lat 90-tych XX wieku zapoczątkowała ewolucję systemów satelitarnych w kierunku szerokopasmowych systemów transmisji danych multimedialnych. Systemy satelitarne wykorzystywane są do realizacji szybkiego dostępu do Internetu dla użytkowników, którzy nie mają dostępu do usług systemów naziemnych. W rozwoju satelitarnych systemów łączności można zaobserwować stałą tendencję wzrostu komplikacji układów satelity (zwiększenie transmitowanej mocy, większe anteny, obróbka i przetwarzanie sygnałów na pokładzie satelity) prowadzącą do możliwości zastosowania mniejszych i tańszych terminali naziemnych (przenośnych i ruchomych). Jednocześnie w celu zwiększenia pojemności systemów satelitarnych stosuje się zwielokrotnianie przestrzenne i polaryzacyjne sygnałów nadawanych w tych samych pasmach częstotliwości. W ostatnich latach zaczęto również stosować anteny wielowiązkowe z dynamicznie sterowanymi charakterystykami promieniowania oraz realizować transmisje w paśmie (20 ÷ 30) GHz. Ostatnie sondaże wskazują na potencjalnie duże zapotrzebowanie na komercyjną sieć satelitarnej radiokomunikacji ruchomej. Wiele organizacji handlowych i przemysłowych oraz ludzi biznesu potrzebuje dostępu do usług telekomunikacyjnych w miejscach, w których brak jest przyłączy do sieci konwencjonalnych, a ich realizacja albo wiąże się ze znacznymi nakładami, albo z trudnością uruchomienia w odpowiednio krótkim czasie. Są to głównie rejony budów, eksploatacji surowców, lokalizacji oddziałów spółek międzynarodowych, jak również obszary odizolowane bądź słabo rozwinięte. W takich sytuacjach system satelitarnej łączności ruchomej stanowi doskonałą alternatywę dla innych systemów radiokomunikacyjnych. Obecnie powstają sieci, które realizują nie tylko podstawowe usługi foniczne, ale także transmisję danych oraz inne rodzaje usług niefonicznych przy wykorzystaniu małych, przenośnych terminali. Stwarza to dobre warunki do tego, aby systemy satelitarne odgrywały znaczącą rolę w dalszym rozwoju radiokomunikacji ruchomej. 5. INMARSAT wg [4] Organizacja INMARSAT (ang. „INternational MARitime SATellite Organization”) powstała w 1979 roku z inicjatywy Międzynarodowej Organizacji Morskiej IMO (ang. „International Maritime Organization”). POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Polska była jednym z 40 państw-założycieli. Obecnie INMARSAT stowarzysza 75 państw. Początkowo głównym celem organizacji było stworzenie globalnego systemu łączności ruchomej dla użytkowników morskich. Cel ten osiągnięto po uruchomieniu sieci standardu INMARSAT-A, która rozpoczęła pracę operacyjną w 1982 roku. W związku z postępem technologicznym, który nastąpił od tamtego czasu i umożliwił m. in. znaczną redukcję wymiarów i masy urządzeń końcowych (terminali), a także obniżenie ich ceny, możliwe stało się wykorzystanie tej samej koncepcji łączności także w powietrzu i na lądzie. Znalazło to odzwierciedlenie w opracowaniu przez INMARSAT standardów łączności dostosowanych do nowych obszarów zastosowań. INMARSAT jest również jednym z najważniejszych elementów Światowego Morskiego Systemu Alarmowania w Niebezpieczeństwie i dla Zapewnienia Bezpieczeństwa GMDSS (ang. „Global Maritime Distress and Safety System”). Umożliwia rozsyłanie i odbieranie wiadomości SafetyNET i FleetNET oraz retransmisję wiadomości NAVTEX (ostrzeżenia przybrzeżne) [23]. INMARSAT jest organizacją rozwijającą się bardzo dynamicznie. Globalny charakter oferowanych usług oraz ich różnorodność zapewnia jej bardzo dobrą pozycję na rynku usług radiokomunikacji ruchomej. Obserwowany wzrost liczby użytkowników systemu oraz postęp technologiczny umożliwiający redukcję wielkości i masy terminali prowadzą do obniżenia kosztów realizacji połączeń oraz kosztów zakupu terminali. Wraz ze wzrostem liczby użytkowników system wymaga dalszego zwiększania jego pojemności oraz modernizacji segmentu satelitarnego – obecnie wprowadzane są do użytku satelity IV generacji. 5.1. Struktura systemu INMARSAT 5.1.1. Segment kosmiczny Segment satelitarny systemu INMARSAT to konstelacja czterech satelitów podstawowych umieszczonych na orbicie geostacjonarnej (rys. 5), które obsługują następujące cztery rejony: - AOR-W (ang. „Atlantic Ocean Region-West”) – rejon Oceanu Atlantyckiego – Zachodni (pozycja satelity: 54° W) - AOR-E (ang. „Atlantic Ocean Region-East”) – rejon Oceanu Atlantyckiego – Wschodni (pozycja satelity: 15,5° W) - IOR (ang. „Indian Ocean Region”) – rejon Oceanu Indyjskiego (pozycja satelity: 64,5° E) - POR (ang. „Pacific Ocean Region”) – rejon Oceanu Spokojnego (pozycja satelity: 178° E). Oprócz wymienionych satelitów podstawowych w skład segmentu satelitarnego systemu wchodzą również satelity rezerwowe, które w razie awarii lub uszkodzenia satelity podstawowego przejmują jego funkcje. 33 Rys. 5. Segment kosmiczny systemu INMARSAT wg [10] Podział rejonu Oceanu Atlantyckiego na dwa odrębne rejony obsługiwane przez dwa satelity nastąpiło w 1990 roku, ze względu na występujące tam największe nasilenie ruchu oraz dla zapewnienia pełnego globalnego pokrycia, którego nie dało się uzyskać w poprzedniej konfiguracji systemu przy wykorzystaniu jedynie trzech satelitów. System nie zapewnia pokrycia obszarów podbiegunowych – zasięg działania systemu to pas od 70° szerokości geograficznej południowej do 70° szerokości geograficznej północnej. Satelity odbierają sygnały nadawane przez segment naziemny, wzmacniają je, przesuwają do właściwego pasma częstotliwości i transmitują w kierunku Ziemi. Łączność pomiędzy satelitą a częścią ruchomą segmentu naziemnego (terminalami ruchomymi) odbywa się w paśmie L (1,6 GHz do satelity, 1,5 GHz z satelity), natomiast pomiędzy satelitą a częścią stałą segmentu naziemnego w paśmie C (6 GHz do satelity, 4 GHz z satelity). Do segmentu satelitarnego zalicza się także stacje nadzorujące i sterujące pracą satelitów (ang. „Telemetry, Tracking and Control Stations”). Ich zadaniem jest utrzymanie właściwego położenia satelitów, ustawianie pożądanych parametrów urządzeń telekomunikacyjnych umieszczonych na satelitach oraz zdalne pomiary parametrów technicznych satelitów (poziom paliwa, obciążenie energetyczne, itp.). 5.1.2. Segment naziemny 5.1.2.1. Terminale ruchome Najbardziej widocznym elementem segmentu naziemnego z punktu widzenia użytkownika jest urządzenie końcowe nazywane terminalem ruchomym lub stacją naziemną. Terminal tworzą: antena, część radiowa, modem, urządzenia obróbki sygnału i urządzenia interfejsu użytkownika, czyli aparat telefoniczny, faks lub też złącze do przyłączenia terminalu komputerowego bądź innego urządzenia mogącego stanowić źródło danych. Rozróżnia się: statkowe stacje naziemne SES (ang. „Ship Earth Station”) oraz ruchome stacje naziemne MES (ang. „Mobile Earth Station”). 34 Terminale mogą znacznie różnić się do siebie pod względem konstrukcji, w zależności od standardu w jakim pracują jak i producenta urządzenia, jednak realizują te same funkcje: - umożliwiają korzystanie z typowych dla standardu urządzeń interfejsu użytkownika - „nasłuchują” kanał sygnalizacyjny w celu wychwycenia próby nawiązania połączenia - w przypadku odebrania sygnału wywołania nastrajają się na właściwy kanał w celu realizacji połączenia ponadto w przypadku inicjalizacji połączenia przez użytkownika terminalu: - umożliwiają dokonania wyboru lądowej stacji naziemnej LES, za pośrednictwem której będzie realizowane połączenie - wysłają do wybranej stacji LES żądanie przydziału kanału - umożliwiają wybór adresata połączenia i przesyłają wybrany numer do stacji LES. Liczba terminali systemu uzależniona jest jedynie od liczby użytkowników. Wszystkie terminale pracujące w systemie stanowią część ruchomą segmentu naziemnego i nie są przypisane na stałe do żadnego z wymienionych czterech rejonów (AOR-W, AOR-E, IOR, POR). 5.1.2.2. Lądowe stacje naziemne LES Lądowe stacje naziemne LES (ang. „Land Earth Station”) nazywane są również brzegowymi stacjami naziemnymi CES (ang. „Coast Earth Station”). Druga nazwa pochodzi z czasów, gdy INMARSAT zajmował się wyłącznie łącznością morską. W konstrukcji stacji LES występują takie same elementy, jak w terminalu ruchomym, tzn. antena, nadawczo-odbiorcza radiowa część urządzenia, modemy i powiązane z nimi tzw. wyposażenie kanałowe oraz właściwe tylko dla stacji LES urządzenia kontroli dostępu i nadzoru ACSE (ang. „Access Control and Supervisory Equipment”). Stacja LES zamiast w interfejs użytkownika wyposażona jest w interfejs do sieci publicznej (w zależności od standardu może to być sieć telefoniczna, teleksowa, pakietowa bądź kilka z nich), stanowi więc bramę łączącą sieć systemu INMARSAT z sieciami publicznymi. Stacja LES umożliwia użytkownikowi terminalu ruchomego nawiązanie połączenia z dowolnym abonentem sieci publicznej znajdującym się w dowolnym miejscu świata. Realizacja takiego połączenia jest możliwa, jeżeli tylko istnieją łącza telefoniczne pomiędzy krajem docelowym a krajem, w którym zlokalizowana jest stacja LES. Dodatkowo użytkownik terminalu ruchomego może skorzystać z pośrednictwa dowolnej stacji LES. Pozwala to użytkownikom wybierać stacje LES w zależności od punktu docelowego jak też ze względu na wysokość opłat pobieranych przez operatora danej stacji. Sprawia to, że wewnątrz systemu istnieje konkurencja pomiędzy POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 operatorami poszczególnych stacji LES, którzy poprzez atrakcyjność swojej oferty mogą zachęcać użytkowników do korzystania z ich stacji. Możliwe jest również nawiązanie połączenia pomiędzy dwoma terminalami ruchomymi systemu. Dzięki stacjom LES również abonenci sieci publicznej mają możliwość nawiązywania połączeń z terminalami ruchomymi, jednak w tym przypadku abonent nie ma możliwości wyboru stacji. Wyboru tego dokonuje krajowy operator telekomunikacyjny, kierujący ruch poprzez własne stacje LES bądź przez stacje operatorów z którymi zawarł odpowiednie porozumienia. W Polsce usługi w systemie INMARSAT oferuje Centrum Usług Satelitarnych TP S.A. mieszczące się w Psarach koło Kielc, które jest operatorem dwóch naziemnych stacji satelitarnych standardu INMARSAT-C. Stacje te uruchomiono w dniu 1 października 1997. Aktualnie współpracują one z satelitami INMARSAT trzeciej generacji: F2 15.5°W we wschodnim rejonie Oceanu Atlantyckiego (AOR-E) oraz F1 64°E w rejonie Oceanu Indyjskiego (IOR) [28]. Dostęp z sieci publicznej do sieci INMARSAT następuje poprzez wybór odpowiedniego numeru kierunkowego. INMARSAT uzyskał przydział numerów kierunkowych (ang. „Country Code”) dla poszczególnych rejonów na takich samych zasadach jak państwa. Są to następujące numery (kolejno dla rejonów AORE, POR, IOR, AOR-W): - dla publicznej sieci telefonicznej: 871, 872, 873, 874 - dla publicznej sieci teleksowej: 581, 582, 583, 584 - dla publicznej sieci pakietowej: 1111, 1112, 1113, 1114. Pozostałe funkcje, jakie pełni lądowa stacja naziemna LES, to: - nasłuchiwanie kanałów sygnalizacyjnych i wychwytywanie wywołań oraz informacji adresowanych do danej stacji - automatyczna weryfikacja uprawnień terminali wywołujących stację do korzystania z systemu i akceptacja wywołań tylko od uprawnionych użytkowników - wymiana informacji sygnalizacyjnej z centralą międzynarodową oraz z innymi elementami segmentu naziemnego, w tym żądanie przydziału kanału satelitarnego - zestawianie połączeń pomiędzy abonentami sieci publicznej a użytkownikami terminali ruchomych lub pomiędzy użytkownikami terminali ruchomych - w ramach zestawiania połączeń m. in. dostrajanie modemów nadawczo-odbiorczych do przydzielonego kanału POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 - rejestracja czasu połączeń i innych danych niezbędnych dla wystawienia rachunku dla użytkownika. 5.1.2.3. Stacje koordynujące sieci Podstawowym zadaniem stacji koordynującej sieci NCS (ang. „Network Coordination Station”) jest zarządzanie w czasie rzeczywistym przydziałem kanałów satelitarnych dla poszczególnych połączeń. Generalną zasadą we wszystkich standardach INMARSAT jest to, że kanał przydzielany jest poszczególnym użytkownikom tylko na czas trwania połączenia. Pozwala to na optymalne wykorzystanie widma częstotliwości i mocy satelitów. W konsekwencji użytkownik płaci tylko za rzeczywiste wykorzystanie systemu. Jedna stacja koordynująca obsługuje z reguły przydział kanałów satelitarnych na jednym satelicie i dla jednego standardu. W celu realizacji przydziału kanałów stacja koordynująca odbiera informacje sygnalizacyjne ze wszystkich lądowych stacji naziemnych LES pracujących w danym rejonie. Informacje te stanowią pewnego rodzaju zamówienia na określone kanały. W zależności od istniejących możliwości stacja NCS przydziela odpowiedni kanał lub wysyła do stacji LES występującej o jego przyznanie i terminalu chcącego nawiązać połączenie informację o braku możliwości realizacji tego połączenia z odpowiednim kodem pozwalającym rozpoznać przyczynę jego odrzucenia. 5.2. Standardy systemu INMARSAT Początkowo INMARSAT był systemem dedykowanym przede wszystkim na potrzeby żeglugi morskiej. Zasadniczym celem pomysłodawców i realizatorów projektu było zapewnienie możliwości nawiązania łączności z lądem przez każdy statek znajdujący się na pełnym morzu. Najstarszym standardem systemu jest INMARSAT-A uruchomiony w 1982 roku. Standard ten zapewnia transmisję głosu, usługi teleksowe i faksowe oraz transmisję danych. Jest to jedyny standard analogowy (zastosowano w nim modulację FM) [9]. Pozostałe standardy są w pełni cyfrowe. Z powodu dużych rozmiarów urządzeń (antena o średnicy ok. 1 m wyposażona w mechaniczny układ stabilizacji położenia), ich masy (ok. 100 kg), jak i wysokich kosztów ich zakupu terminale tego standardu instalowane były głównie na dużych statkach i platformach wiertniczych. W 1993 roku w celu zastąpienia standardu INMARSAT-A został wprowadzony standard INMARSAT-B, który oferuje te same usługi ale realizowane w technice cyfrowej. Doskonałe rozwiązania systemowe oraz wysoka jakość funkcjonowania wywołały zainteresowanie systemem również użytkowników lądowych. Wyjście systemu poza sektor morski nastąpiło w roku 1991 wraz z wprowadzeniem standardu INMARSATC, który nie umożliwia nawiązywania połączeń 35 telefonicznych a jedynie dwukierunkową transmisję danych z przepływnością 600 bit/s. W 1992 roku uruchomiono przeznaczony dla lotnictwa INMARSATAERO. Od tego momentu to głównie zastosowania lądowe wymuszały powstawanie nowych odmian systemu o coraz bardziej wyrafinowanych możliwościach technicznych. Zaowocowało to wprowadzaniem kolejnych standardów, m. in.: M (1992), D/D+ (1995), E/E+, mini-M (1996), M4 (GAN, ISDN) (1999), R-BGAN (2002), BGAN (2004), Fleet-33/55/-77 (w nawiasach podano rok uruchomienia danego standardu). 5.3. Standard INMARSAT-C Jak wspomniano standard ten zapewnia jedynie dwukierunkową transmisję danych w trybie simpleksowym z przepływnością 600 bit/s. Kolejną specyficzną dla tego systemu właściwością jest to, że pracuje on w trybie „przechowaj i przekaż” (ang. „store-andforward”). Oznacza to, że informacja po jej nadaniu z terminalu lub z sieci publicznej dociera do lądowej stacji naziemnej LES, gdzie jest zapisywana w bazie danych i oczekuje w kolejce na nadanie do odbiorcy. Czas oczekiwania w kolejce zależy od aktualnego obciążenia stacji i może wahać się w zakresie od kilkunastu sekund do kilkunastu minut. Lądowa stacja naziemna może ponadto dokonywać translacji przesyłanych wiadomości do pożądanego formatu np. faksu, teleksu lub e-maila. Opisane powyżej cechy standardu nie wykluczają realizacji połączeń w obu kierunkach, tzn. z sieci publicznej do terminalu ruchomego i odwrotnie lub pomiędzy dwoma terminalami ruchomymi, jednak uniemożliwiają prowadzenie konwersacji pomiędzy nadawcą a odbiorcą. INMARSAT-C oprócz transmisji danych udostępnia wiele innych serwisów [24]: - rozsyłanie i odbieranie wiadomości SafetyNET i FleetNET w ramach Światowego Morskiego Systemu Alarmowania w Niebezpieczeństwie i dla Zapewnienia Bezpieczeństwa GMDSS (ang. „Global Maritime Distress and Safety System”) - APR (ang. „Automatic Positioning Reporting”) – automatyczne ustalanie pozycji i przesyłanie raportów pozycyjnych wg GPS - Polling – sprawdzanie, które terminale są aktualnie zalogowane i aktywne - SCADA (ang. „Supervisory Control And Data Acqusition”) – sterowanie nadrzędne i zbieranie danych. Praca w trybie „store-and-forward” może okazać się niezbyt korzystna dla niektórych zastosowań, zwłaszcza wymagających pracy w czasie rzeczywistym lub pracy konwersacyjnej jednak nie stanowi przeszkody w przypadku przesyłania danych diagnostycznych z systemu sterowania pojazdu. 36 Niewątpliwymi zaletami tego standardu są bardzo małe rozmiary terminali oraz małe rozmiary anten o wielokierunkowej charakterystyce, co eliminuje konieczność nakierowywania ich na satelitę. Najbardziej typowo wyglądająca antena standardu INMARSAT-C to stożek o średnicy podstawy ok. 20 cm i wysokości ok. 30 cm. Najnowsze konstrukcje anten to krążki o średnicy ok. 12 cm i wysokości ok. 3 cm. 6. Zastosowany terminal satelitarny W ramach projektu badawczego zakupiono terminal satelitarny TT-3026L easyTrack duńskiej firmy Thrane & Thrane A/S (rys. 6), który pracuje w systemie INMARSAT mini-C. Rys. 6. Terminal satelitarny TT-3026L easyTrack wg [11] Poniżej zestawiono wybrane parametry techniczne terminalu wg [11]: - napięcie zasilania: (10,5 ÷ 32) V DC - pobór mocy: max. 32 W - temperatura pracy: -35 °C ÷ 55 °C - wymiary: Ø = 163 mm, H = 146 mm - masa: 1,1 kg. Omawiany terminal umożliwia transmisję danych z prędkością 600 bit/s do/z pojazdu poruszającego się z prędkością nie przekraczającą wartości 140 km/h. Terminal ten ma wbudowany 12-kanałowy odbiornik systemu GPS, co umożliwia określenie pozycji pojazdu z dokładnością do 15 m, jego prędkości i kursu oraz czasu UTC (ang. „Universal Coordinated Time”). Dane te odświeżane są co 1 s. Transmisja danych do/z terminalu realizowana jest za pośrednictwem interfejsu RS-232. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Rys. 7. Układ laboratoryjny do testowania transmisji satelitarnej wg [11] (1- terminal satelitarny TT-3026L easyTrack, 2 – skrzynka podłączeniowa TT-3616B, 3 – laptop) Satelita systemu INMARSAT Lądowa stacja naziemna LES (ang. „Land Earth Station”) systemu INMARSAT Terminal satelitarny TT-3026L easyTrack Internet Centrum diagnostyczne System sterowania (sterownik główny pojazdu) Rys. 8. Tor transmisji danych diagnostycznych z pojazdu szynowego wg [13] 7. Struktura systemu przesyłania danych Na rys. 7 przedstawiono tor laboratoryjny wykorzystywany do testowania transmisji satelitarnej. Za jego pośrednictwem możliwe jest przesyłanie danych diagnostycznych jako załączników do listów poczty elektronicznej wysyłanych z wykorzystaniem dostarczonego przez producenta terminalu satelitarnego programu „easyMail”. 8. Oprogramowanie Oprogramowanie sterownika głównego pojazdu musi uwzględniać algorytm generowania danych diagnostycznych i przesyłania ich po łączu szeregowym do terminalu satelitarnego w celu transmisji do centrum diagnostycznego. Kolejne paczki danych będą dostarczane do komputera pełniącego rolę centrum diagnostycznego jako załączniki poczty elektronicznej. Oprogramowanie zainstalowane na tym komputerze POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 musi konwertować dane zawarte w załącznikach na wartości poszczególnych danych diagnostycznych a następnie dokonać ich analizy, prezentacji i archiwizacji. 9. Podsumowanie i wnioski Zastosowanie łącz satelitarnych umożliwia transmisję danych diagnostycznych z pojazdu szynowego niezależnie od miejsca, w którym on się znajduje. Z bardzo dużą dozą prawdopodobieństwa można prognozować, że transmisja satelitarna będzie odgrywać coraz większą rolę w telekomunikacji a postęp w technologii budowy urządzeń do transmisji satelitarnych spowoduje spadek cen ich zakupu oraz zmniejszenie ich rozmiarów. Można oczekiwać również zwiększenia przepustowości łącz satelitarnych oraz obniżenia kosztów przesyłu danych. W związku z powyższym zastosowanie transmisji satelitarnej do transmisji danych diagnostycznych z pojazdów szynowych jest rozwiązaniem przyszłościowym. 37 Literatura [1] Amanowicz M.: Satelitarne systemy radiokomunikacji ruchomej, Przegląd telekomunikacyjny, Nr 5-6/1995. [2] Bem D. J.: Rozwój radiokomunikacji, Przegląd telekomunikacyjny, Nr 1/2003. [3] Haba M.: Programy wspomagające uruchamianie mikroprocesorowych systemów sterowania w pojazdach szynowych, Pojazdy Szynowe, Nr 2/2007. [4] Kmieciak J.: INMARSAT – globalny system satelitarnej łączności ruchomej, Przegląd telekomunikacyjny, Nr 5-6/1995. [5] Modelski J., Kurek K.: Perspektywy rozwoju systemów łączności satelitarnej, Politechnika Warszawska - Wydział Elektroniki i Technik Informacyjnych - Instytut Radioelektroniki, Warszawa, Październik 2004 (dokument PDF pobrany ze strony: www.urtip.gov.pl). [6] Nawrocki W.: Rozproszone systemy pomiarowe, WKŁ, Warszawa 2006. [7] Nawrocki W.: Komputerowe systemy pomiarowe, WKŁ, Warszawa 2002. [8] Ryzenko J., Badurska A., Kobierzycka A.: Kierunki rozwoju systemów satelitarnych: łączność satelitarna, Raport I fazy projektu Foresight „Przyszłość technik satelitarnych w Polsce Dziś-Jutro-Pojutrze” prowadzonego przez Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej, Styczeń 2007 (dokument PDF pobrany ze strony: www.kosmos.gov.pl). [9] Wesołowski K.: Systemy radiokomunikacji ruchomej, WKŁ, Warszawa 2006. [10] Thrane & Thrane A/S: TT-3026L/M easyTrack. Getting Started. [11] Thrane & Thrane A/S: TT-3026L/M/S easyTrack Transceiver. Installation Manual. 38 [12] Thrane & Thrane A/S: TT-3026L/M/S easy Track Transceiver. User/Operators Manual. [13] Thrane & Thrane A/S: Mini-C SCADA Integration Manual. [14] midob.republika.pl/wyprawy.html [15] pl.wikipedia.org/wiki/Echo_1 [16]www.firstscience.com/home/articles/machines/sol ar-sailing_51134.html [17] pl.wikipedia.org/wiki/Eksploracja_kosmosu [18] pl.wikipedia.org/wiki/Intelsat [19] pl.wikipedia.org/wiki/Sputnik [20] pl.wikipedia.org/wiki/Telstar_1 [21] pl.wikipedia.org/wiki/TIROS_1 [22]www.eduskrypt.pl/czy_ziemia_jest_bezpieczna__ wyklad_na_politechnice_warszawskiej-info6098.html [23] www.fkn.pl/4,3694,1357627,1,3,artykul.html [24] www.heading.enter.net.pl/inmarsat.htm [25] www.inmarsat.com [26] www.space50.net/sputnik.html [27]www.polskieradio.pl/nauka/wszechswiat/artykul1 7439.html [28] www.psary.tpsa.pl [29] www.sciaga.pl/tekst/4904-5zdobywanie_kosmosu_przez_czlowieka [30] www.thrane.com [31]www.wynalazki.mt.com.pl/joomla/index.php?opti on=com_content&task= view&id=444&Itemid=51 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 mgr Mikołaj Kirpluk NTL-M.Kirpluk mgr inż. Estera Wojciechowska Instytut Pojazdów Szynowych „TABOR” Akty prawne (ustawa prawo ochrony środowiska oraz rozporządzenia ministra środowiska) odnoszące się do hałasu kolejowego Po przystąpieniu Polski do Unii Europejskiej znacznie wzrosła aktywność w tworzeniu rozporządzeń dotyczących wykonywania pomiarów poziomu hałasu, w tym również dla taboru kolejowego. Obecnie ukazują się normy, dyrektywy i rozporządzenia porządkujące tą dziedzinę nauki. W artykule przedstawiono wybiórczo najnowsze, obowiązujące akty prawne dotyczące hałasu kolejowego. 1. Wstęp Wejście w życie Dyrektywy 2002/49 [1] oraz przystąpienie Polski do UE (05.2005r.) spowodowało nagły wzrost prac związanych z unormowaniem dziedziny jaką jest hałas generowany przez pojazdy szynowe Do tej pory Polska posiadała jedną główną normę odnoszącą się do hałasu kolejowego PN91/K11000 [2] zatwierdzoną w 1993r. oraz Ustawę Prawo Ochrony Środowiska z 2001r [3]. Obecnie ogłaszane są nowe, dostosowane do przepisów Unii Europejskiej Rozporządzenia Ministra Środowiska regulujące w coraz większym stopniu tematykę związaną z hałasem kolejowym. W wielu przypadkach przepisy te wprowadzają dotąd nie stosowane w Polsce zagadnienia, jak np. sporządzanie map akustycznych. Prawodawstwo unijne może oddziaływać na wewnętrzny porządek prawny państwa poprzez: - Rozporządzenia - bezpośrednio zastępują regulacje krajowe przepisami Unii, mają moc wiążącą we wszystkich państwach członkowskich, - Dyrektywy - oddziaływują pośrednio na ustawodawstwo krajowe, muszą być wprowadzone w życie w państwach członkowskich w ustawach lub innych aktach normatywnych w określonym terminie - zwykle 2 lata. Prawa i obowiązki dla obywatela państwa członkowskiego wynikają z aktów wydanych na ich podstawie przez organy danego państwa, - Decyzje - wiążą podmioty do których są skierowane tj państwa członkowskie a także osoby fizyczne i prawne np. przedsiębiorstwo, - Zalecenia i uchwały - nie mają mocy wiążącej są wytycznymi postępowania [17]. 2. Ustawa Prawo Ochrony Środowiska Konkretne zadania w zakresie eliminowania hałasu w Polsce, rozłożone na kilkanaście najbliższych lat, wynikają z ustawy – Prawo Ochrony Środowiska (27.04.2001r. w Dz. U. Nr.62 poz.627) [3], traktującej zbyt głośne dźwięki jako zanieczyszczenie środowiska i określającej takie same ogólne zasady, obowiązki i formy działania w stosunku do hałasu jak do pozostałych zanieczyszczeń. Ustawą POŚ zostały w Polsce wdrożone regulacje dotyczące hałasu, zaproponowane początkowo w projekcie, a następnie w Dyrektywie Unii Europejskiej w sprawie zarządzania i oceny hałasu w środowisku [1]. Ustawa przewiduje m.in. obowiązek sporządzania map akustycznych i programów działań, których celem jest dostosowanie poziomu hałasu do dopuszczalnego. Ponadto ustawa, wprowadziła bardzo istotną regulację dotyczącą określania w miejscowym planie zagospodarowania przestrzennego standardów akustycznych środowiska. W kolejnych latach po wydaniu POŚ wprowadzano korekty w ustawie, mające na celu udoskonalenie istniejących przepisów. I tak do tej pory ukazywały się następujące zmiany: Dz. U. Nr.233 poz. 1957 z 2002r. Dz. U. Nr.190 poz. 1865 z 2003r. Dz. U. Nr.49 poz. 464 z 2004r. Dz. U. Nr.62 poz. 552 z 2005r. Dz. U. Nr.113 poz. 954 z 2005r. Dz. U. Nr.21 poz.124 z 2007r. Dz. U. Nr.88 poz. 587 z 2007r. Wykaz literatury należy aktualizować w miarę ukazywania się nowych pozycji wydawniczych. Ostatnie naniesione zmiany spowodowały m.in. uchylenie Rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 9 stycznia 2002r. w sprawie wartości progowych poziomów hałasu [4], określające wartości progowe POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 39 poziomów hałasu w środowisku, których przekroczenie powoduje zaliczenie obszaru, na którym poziom hałasu przekracza poziom dopuszczalny, do kategorii terenu zagrożonego hałasem. Ustawa Prawo Ochrony Środowiska wprowadza następujące akty wykonawcze związane bezpośrednio lub pośrednio z hałasem kolejowym: 2.1. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 października 2002r. w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinien odpowiadać program ochrony środowiska przed hałasem [5] 2.2. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 17 stycznia 2003r. w sprawie rodzajów wyników pomiarów prowadzonych w związku z eksploatacją dróg, linii kolejowych, linii tramwajowych, lotnisk oraz portów, które powinny być przekazywane właściwym organom ochrony środowiska, oraz terminów i sposobów ich prezentacji [6] 2.3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 grudnia 2006r. w sprawie dróg, linii kolejowych i lotnisk, których eksploatacja może powodować negatywne oddziaływanie akustyczne na znacznych obszarach, dla których jest wymagane sporządzanie map akustycznych, oraz sposobów określania granic terenów objętych tymi mapami [7] 2.4. Obwieszczenie Ministra Środowiska z dnia 18 września 2007r. w sprawie wysokości stawek kar za przekroczenie warunków wprowadzania ścieków do wód lub do ziemi oraz za przekroczenie dopuszczalnego poziomu hałasu, na rok 2008 [8] 2.5. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 czerwca 2007r. w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku [9] 2.6. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 października 2007r. w sprawie szczegółowego zakresu danych ujętych na mapach akustycznych oraz ich układu i sposobu prezentacji [10] 2.7. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 2 października 2007r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów w środowisku substancji lub energii przez zarządzającego drogą, linią kolejową, linią tramwajową, lotniskiem, portem [11] 2.8. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 7 listopada 2007r. zmieniające rozporządzenie w sprawie ustalania wartości hałasu L(DWN) [12]. 3. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 7 listopada 2007r. [12] zmieniające rozporządzenie (Dz. U. Nr. 106 poz. 729 §2) [13] w sprawie ustalania wartości hałasu LDWN. Rozporządzenie określa wartość długookresowego wskaźnika hałasu LDWN , który ustala się z zależności: 40 4 8 12 LDWN = 10 lg ⋅10 0,1LD + ⋅10 0,1(LW +5 ) + ⋅10 0,1(LN +10 ) 24 24 24 (1) gdzie: L DWN - oznacza długookresowy średni LD LW LN poziom dźwięku A wyrażony w decybelach (dB), wyznaczony w ciągu wszystkich dób w roku, z uwzględnieniem pory dnia (rozumianej jako przedział czasu od godz. 6.00 do godz. 18.00), pory wieczoru (rozumianej jako przedział czasu od godz. 18.00 do godz. 22.00) oraz pory nocy (rozumianej jako przedział czasu od godz. 22.00 do godz. 6.00), - oznacza długookresowy średni poziom dźwięku A wyrażony w decybelach (dB), wyznaczony w ciągu wszystkich pór dnia w roku (rozumianych jako przedział czasu od godz. 6.00 do godz. 18.00), - oznacza długookresowy średni poziom dźwięku A wyrażony w decybelach (dB), wyznaczony w ciągu wszystkich pór wieczoru w roku (rozumianych jako przedział czasu od godz.18.00 do godz. 22.00), - oznacza długookresowy średni poziom dźwięku A wyrażony w decybelach (dB), wyznaczony w ciągu wszystkich pór nocy w roku (rozumianych jako przedział czasu od godz.22.00 do godz. 6.00), Dopuszczalne wartości wskaźników hałasu określa rozporządzenie [9]. 4. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 2 października 2007r. [11] Z dniem wejścia w życie tego Rozporządzenia traci moc Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 29 stycznia 2003r. Dz. U. Nr. 35 poz. 308). W praktyce, uchwalenie tego Rozporządzenia nic nie zmienia w polskim ustawodawstwie w zakresie ochrony przed hałasem!!! Akt prawny określa wymagania w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów hałasu w środowisku, do których są obowiązani zarządzający drogą, linią kolejową, linią tramwajową, lotniskiem lub portem. Pomiary dotyczą hałasu emitowanego do środowiska w związku z eksploatacją tych obiektów i wykonywane są w sposób ciągły lub okresowy. Rozporządzenie POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 reguluje metodykę pomiarową, kryteria wyboru punktów pomiarowych oraz sposób ewidencjonowania wyników. Wyniki przeprowadzonych pomiarów hałasów ewidencjonowane są w formie zestawień tabelarycznych, opisów i map sytuacyjnych zapisanych w postaci drukowanej i elektronicznej. UWAGA! Poniżej przedstawionoważniejsze informację dotyczące pomiaru hałasu od linii kolejowych i tramwajowych. Numeracja poszczególnych paragrafów oraz punktów w celu pozostawienia spójności z tekstem oryginalnym pozostaną niezmienione. §1. określa wymagania w zakresie prowadzenia pomiarów substancji lub energii w środowisku, do których są zobowiązani zarządzający drogą, linią kolejową, linią tramwajową, lotniskiem, portem, wprowadzanych w związku z eksploatacją tych obiektów, oraz ustala przypadki, w których wymagane są: 1) ciągłe pomiary poziomów wskazanych substancji lub energii w środowisku; 2) okresowe pomiary poziomów wskazanych substancji lub energii w środowisku; 3) referencyjne metodyki wykonywania pomiarów, 4) kryteria lokalizacji punktów pomiarowych; 5) sposoby ewidencjonowania wyników przeprowadzonych pomiarów. §3. Okresowe pomiary poziomów substancji lub energii w środowisku prowadzi się dla następujących substancji lub energii: 1) hałasu w środowisku od: c) linii kolejowych magistralnych i pierwszorzędnych - co 5 lat, d) linii tramwajowych - co 5 lat, §4. Referencyjne metodyki wykonywania pomiarów oraz kryteria lokalizacji punktów pomiarowych dla pomiarów: 1) okresowych - hałasu w środowisku, o których mowa w § 3 pkt 1 lit. a-d, są określone w załączniku nr 2 do rozporządzenia; §5. Wyniki przeprowadzonych pomiarów poziomów substancji lub energii w środowisku wykonane w związku z eksploatacją drogi, linii kolejowej, linii tramwajowej, lotniska oraz portu są ewidencjonowane w formie zestawień tabelarycznych, opisów i map sytuacyjnych zapisanych w postaci drukowanej i elektronicznej. Załączniki do Rozporządzenia MŚ z dnia 2 października 2007r. Załącznik nr 2 Referencyjne metodyki wykonywania okresowych pomiarów poziomów hałasu w środowisku POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 dla dróg, linii kolejowych, linii tramwajowych, urządzeń na terenach portów oraz kryteria lokalizacji punktów pomiarowych I. POSTANOWIENIA OGÓLNE 1. Stosowane metody Okresowe pomiary poziomów hałasu w środowisku, powodowanego ruchem drogowym, kolejowym, tramwajowym i urządzeń związanych z pracą portu, wykonuje się, wykorzystując: a) metodę pośrednią, to jest metodę pomiarów pojedynczych zdarzeń akustycznych, b) metodę bezpośrednich pomiarów hałasu z wykorzystaniem próbkowania, c) metodę bezpośrednią ciągłych pomiarów w ograniczonym czasie, d) metody obliczeniowe oparte o modele rozprzestrzeniania się dźwięku w środowisku. Metoda pomiarów pojedynczych zdarzeń akustycznych stosowana jest w pomiarach hałasu: a) dla linii kolejowych i tramwajowych, Metoda bezpośrednich pomiarów hałasu z wykorzystaniem próbkowania stosowana jest głównie do pomiaru hałasu dla dróg o natężeniu ruchu przekraczającym 300 pojazdów na godzinę. Metoda bezpośrednia ciągłych pomiarów w ograniczonym czasie stosowana jest do nieprzerwanych wielogodzinnych lub wielodniowych obserwacji hałasu w danym punkcie pomiarowym. Metody obliczeniowe mogą być stosowane w odniesieniu do wszystkich wymienionych wyżej źródeł hałasu. Powyższe metody służą do wyznaczenia wartości równoważnego poziomu hałasu wraz z niepewnością oszacowania: (2) L Aeq,T ± ∆L Aeq,T w decybelach [dB] gdzie: L Aeq,T - uzyskana w wyniku pomiarów wartość równoważnego poziomu dźwięku dla czasu odniesienia T [dB], ∆L Aeq,T - niepewność oszacowania wartości poziomu równoważnego [dB]. !!! Rozporządzenie nie określa metod wyznaczania wartości niepewności ∆L Aeq ,T !!!1 1 zasady prawidłowego określania niepewności pomiarów akustycznych przedstawiono w punkcie 11 tego artykułu. 41 2. Ogólne wymagania dotyczące zestawów pomiarowych Zestawy pomiarowe powinny być tak dobrane, by można było za ich pomocą wyznaczyć równoważny poziom dźwięku A zarówno metodami bezpośrednimi, jak pośrednimi, to znaczy przez pomiary ekspozycyjnych poziomów dźwięku. Do bezpośrednich ciągłych pomiarów w ograniczonym czasie mogą być stosowane zestawy przyrządów pomiarowych wykonujących automatyczne pomiary hałasu oraz warunków meteorologicznych. Zestawy przyrządów pomiarowych, to jest mierników poziomu dźwięku wraz z mikrofonem oraz innych przyrządów używanych do pomiarów poziomów dźwięku, powinny mieć 1 klasę dokładności. Wzorcowe źródła dźwięku używane do wzorcowania toru pomiarowego muszą mieć klasę dokładności minimum 1. Mikrofony pomiarowe powinny mieć założone osłony przeciwwietrzne, niezależnie od warunków atmosferycznych. 3. Wzorcowanie, legalizacja Pomiary mogą być wykonywane wyłącznie za pomocą przyrządów z ważnym świadectwem legalizacji. Wszystkie przyrządy używane do pomiarów hałasu powinny być wzorcowane, a sposób wzorcowania musi być zgodny z instrukcją dostarczaną przez producenta przyrządu. 4. Warunki meteorologiczne Pomiary hałasu wykonuje się w warunkach meteorologicznych, zapewniających najbardziej stabilne warunki w czasie rozprzestrzeniania się dźwięku z dodatnią składową prędkości wiatru od źródła do punktu pomiarowego, takich jak: a) prędkość wiatru 0-5 m/s określona na wysokości położenia najwyższego punktu obserwacji, b) brak silnej inwersji temperaturowej przy gruncie, c) temperatura powyżej -5°C, d) brak opadów atmosferycznych. Stosując metodę bezpośrednich, ciągłych pomiarów w ograniczonym czasie pomiary parametrów meteorologicznych wykonuje się równocześnie z pomiarami hałasu. II. OGÓLNE ZASADY LOKALIZACJI PUNKTÓW POMIAROWYCH DLA POMIARÓW OKRESOWYCH 1. Informacje wstępne Lokalizacja punktów pomiarowych ustalana jest indywidualnie dla każdego pomiaru w zależności od aktualnego celu pomiarów, charakterystyk źródła hałasu oraz rodzaju pokrycia i zagospodarowania obszaru, na którym wykonywane są pomiary. Punkty pomiarowe dzieli się na dwie kategorie: 42 a) referencyjne, b) pozostałe. Referencyjne punkty pomiarowe służą do oceny i monitorowania zmienności parametrów akustycznych źródła hałasu. Uzyskane w nich wyniki służą za punkt odniesienia do: a) oceny akustycznej źródła, b) interpretacji wyników pomiarów uzyskanych w pozostałych punktach pomiarowych. 2. Kryteria lokalizacji referencyjnych punktów pomiarowych Referencyjny punkt pomiarowy lokalizuje się na wysokości 4,0 m ± 0,1 m. Jeżeli w miejscu lokalizacji punktu referencyjnego znajdują się przeszkody na drodze rozprzestrzeniania się dźwięku (takie jak mur, płot, budynek), punkt sytuuje się na wysokości minimum 0,5 m nad tą przeszkodą. W przypadkach pomiarów hałasu w miejscu projektowanego ekranu akustycznego, punkt referencyjny pomiarów sytuuje się w płaszczyźnie ekranu na wysokości minimum 0,5 m ponad przewidywaną górną krawędzią ekranu. Dla linii kolejowych poza miastem, niezabudowanych, punkt referencyjny w miarę możliwości oddala się do 25 m. Przyjmuje się zasadę, iż pomiar w jednym punkcie referencyjnym charakteryzuje emisję hałasu z danego jednorodnego pod względem akustycznym odcinka drogi lub linii kolejowej, przy czym ta jednorodność dotyczy nie tylko parametrów ruchu i arterii (linii kolejowej), lecz jednocześnie najbliższego otoczenia. Jeżeli arteria (drogowa, szynowa) biegnie po nasypie, estakadzie itp., a warunki na to pozwalają, referencyjny punkt pomiarowy hałasu lokalizuje się także zgodnie z wymienionymi zasadami, przy czym wysokość punktu pomiarowego liczona jest w stosunku do wysokości jezdni (nawierzchni torowej). Dla dróg przebiegających w wykopie referencyjny punkt pomiarowy lokalizuje się w odległości 1 m od krawędzi wykopu na wysokości 4,0 m ± 0,1 m. 3. Kryteria lokalizacji pozostałych punktów pomiarowych hałasu w środowisku W przypadku pomiarów hałasu na terenie chronionym, nie przeznaczonym pod zabudowę, punkt pomiarowy lokalizuje się na wysokości 1,5 m nad powierzchnią terenu. W przypadkach skomplikowanego ukształtowania lub zagospodarowania terenu (takiego jak teren pagórkowaty) lokalizacja punktów pomiarowych musi być rozpatrywana indywidualnie. Jeżeli pomiary hałasu prowadzone są na terenie zabudowanym, to w celu zminimalizowania POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 wpływu odbić dźwięku, punkty pomiarowe powinny być sytuowane w odległości co najmniej 3,5 m od najbliższej płaszczyzny odbijającej (poza podłożem). Jeżeli pomiary hałasu odnoszą się do terenu, na którym usytuowana jest zabudowa wymagająca ochrony akustycznej, to punkt pomiarowy hałasu w środowisku lokalizuje się w odległości od 1 do 2 m od ściany zewnętrznej oraz na wysokości 1,5 m nad poziomem podłogi kondygnacji, na której poziom hałasu jest najwyższy. Kondygnację, na której poziom hałasu jest najwyższy, ustala się, poprzedzając właściwy pomiar hałasu pomiarami orientacyjnymi na poszczególnych kondygnacjach. W przypadku pomiarów hałasu na obszarach przeznaczonych pod zabudowę punkt pomiarowy sytuowany jest na granicy przewidywanej zabudowy na wysokości: a) 4 m nad poziomem terenu w przypadku przewidywanej zabudowy jednorodzinnej, b) 10 m nad poziomem terenu w przypadku przewidywanej zabudowy wielorodzinnej. III. METODA POŚREDNIA - METODA POMIARÓW POJEDYNCZYCH ZDARZEŃ AKUSTYCZNYCH a) terenowych pomiarach ekspozycyjnych poziomów dźwięku, b) wyznaczeniu równoważnego poziomu dźwięku na podstawie zmierzonych poziomów ekspozycyjnych. Ekspozycyjne poziomy dźwięku, oznaczane LAE, mierzone są dla pojedynczych zdarzeń akustycznych. Pojedyncze zdarzenia akustyczne łączy się w klasy. Dla każdej klasy wyznaczana jest wartość średnia oraz odchylenie standardowe. Podstawowym kryterium łączenia pojedynczych zdarzeń akustycznych w klasy jest uzyskanie możliwie niskiej wartości odchylenia standardowego dla klasy, oznaczonego jako σL AE . W pomiarach hałasu dla linii kolejowych określa się 3 klasy pojedynczych zdarzeń akustycznych, polegających na przejeździe przed punktem pomiarowym: a) pociągu pasażerskiego dalekobieżnego (takiego jak pospieszny, EuroCity, InterCity), b) pociągu pasażerskiego lokalnego, c) pociągu towarowego. Czas pomiaru poziomu L AE dla każdego pojedynczego zdarzenia akustycznego nie może być mniejszy niż akustyczny czas trwania zjawiska, to znaczy by wartość chwilowa poziomu dźwięku generowanego przez wydarzenie akustyczne zawierała się w przedziale: POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 L A max − 10dB ≤ L A (t ) ≤ L A max gdzie: (3) L A (t ) - chwilowa wartość poziomu dźwięku, dB, L A max - maksymalna wartość poziomu dźwięku. Dla każdej klasy pojedynczych zdarzeń akustycznych oblicza się średnią wartość poziomu ekspozycyjnego według wzoru: 1 n L AEk = 10 lg ∑ 10 0.1LAEki n i =1 (4) w którym: n - liczebność klasy, to jest liczba pomiarów pojedynczych zdarzeń akustycznych k-tej klasy, L AEk - średni dla k-tej klasy poziom ekspozycyjny w dB, L AEki - zmierzona wartość poziomu ekspozycyjnego zakwalifikowanego do k-tej klasy. Dla każdej klasy pojedynczych zdarzeń akustycznych określa się odchylenie standardowe w próbce według wzoru: σ L AEk = 1 n (L AEki − L AEk )2 ∑ n − 1 i =1 oznaczenia jak poprzednio2 Wynikową wartość równoważnego dźwięku określa się z zależności: 1 m L Aeq = 10 lg ∑ N k 10 0.1LAEk T k =1 gdzie: T (5) poziomu (6) - czas odniesienia w sekundach, Nk iczba pojedynczych zdarzeń akustycznych k-tej klasy zaobserwowana w czasie odniesienia T, L AEk - średni dla k-tej klasy poziom ekspozycyjny w dB, m - liczba klas pojedynczych zdarzeń akustycznych. V. METODA BEZPOŚREDNIA CIĄGŁYCH POMIARÓW W OGRANICZONYM CZASIE Przy zastosowaniu tej metody wartości równoważnego poziomu dźwięku dla badanego hałasu wyznacza się w oparciu o wyniki ciągłej obserwacji zmian poziomu w czasie odniesienia. 1 wzór jest nieprawidłowy z fizycznego punktu widzenia patrz punkt 11 artykułu - przyp.MK 43 Z pełnego okresu ciągłego pomiaru hałasu eliminuje się dane uzyskane w odcinkach czasu, w których warunki atmosferyczne nie odpowiadają warunkom podanym w I.4. Dla odcinków czasu, dla których wyeliminowano wyniki obserwacji poziomów dźwięku, ich wartości wyznacza się w oparciu o metody obliczeniowe. VI. METODY OBLICZENIOWE Metody obliczeniowe hałasu od dróg, linii kolejowych, linii tramwajowych, urządzeń i statków w porcie oparte powinny być o model rozprzestrzeniania się dźwięku w środowisku, zawarty w normie PN ISO 9613-2 [14]. Zastosowanie modelu obliczeniowego może wymagać pomiarów w celu ustalenia wielkości wejściowych do obliczeń dotyczących emisji hałasu ze źródeł. Pomiary takie przeprowadza się w oparciu o metody podane w III-V. VII. DANE REJESTROWANE W PROTOKOŁACH I SPRAWOZDANIACH Z BADAŃ Każdy pomiar musi być udokumentowany protokołem pomiarowym zawierającym: 1. Zastosowana metoda pomiarów: Nazwa lub krótki opis (charakterystyka metody). 2. Przyrządy pomiarowe i wyposażenie: 1) użyte przyrządy pomiarowe, nazwy i typy poszczególnych przyrządów, 2) metody stosowane do okresowych kontroli mikrofonów i elementów składowych systemów pomiarowych (nr świadectwa legalizacji), 3) ustawienia przyrządów pomiarowych (charakterystyka korekcyjna A, zastosowana stała czasowa). 3. Charakterystyka terenu, na którym prowadzono pomiary hałasu. Opis terenu, na którym prowadzono badania, a w tym szkice lub fotografie pokazujące: 1) ukształtowanie terenu, 2) powierzchnię terenu, 3) zabudowę, 4) obiekty odbijające fale akustyczne w otoczeniu źródła i punktu pomiarowego, 5) klasyfikację terenu z punktu widzenia planu zagospodarowania przestrzennego, 6) dopuszczalne poziomy hałasu. 4. Charakterystyka lokalizacji punktu pomiarowego: 1) odległość punktu pomiarowego od źródła, 2) wysokość punktu pomiarowego, 3) współrzędne geograficzne i/lub topograficzne punktu pomiarowego. 5. Charakterystyka źródła hałasu. Dane niezbędne do identyfikacji źródła i interpretacji wyników. Charakterystyki te są różne w zależności od mierzonego źródła: Hałas dla linii kolejowych i tramwajowych: 1) nazwa odcinka linii, przy której prowadzone są pomiary hałasu, 2) rodzaj linii: a) miejska, b) pozamiejska, 3) parametry linii: a) długość odcinka, przy którym prowadzone są badania, b) liczba torów, c) trakcja, d) niweleta trasy, e) stan torowiska (opisowo), f) położenie (w poziomie terenu, w wykopie, na nasypie, estakadzie), 4) parametry ruchu: a) liczba pociągów danego typu, b) średnia prędkość danego typu pociągu, c) średnia długość pociągu danego typu, 5) otoczenie źródła hałasu: a) rodzaj zabudowy: - po stronie wykonywania pomiarów, - po przeciwnej stronie, b) odległość pierwszej linii zabudowy od linii: - po stronie wykonywania pomiarów, - po przeciwnej stronie, c) wysokość pierwszej linii zabudowy: - po stronie wykonywania pomiarów, - po przeciwnej stronie, d) liczba obiektów (budynków) bezpośrednio eksponowanych na hałas: - po stronie wykonywania pomiarów, - po przeciwnej stronie, e) oszacowana liczba mieszkańców (osób) eksponowanych na hałas. 6. Warunki meteorologiczne: 1) prędkość i kierunek wiatru, 2) względna wilgotność, 3) temperatura, 4) ciśnienie. 7. Wyniki pomiarów - dane akustyczne: 1) pora doby, której dotyczą pomiary, POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 44 1) wyniki wszystkich badań (pomiarów) w punktach obserwacji i punkcie odniesienia (referencyjnym), 2) wartość poziomu równoważnego wraz z niepewnością, w każdym punkcie pomiarowym, 3) przekroczenia dopuszczalnych poziomów hałasu, 4) nazwa i adres instytucji wykonującej badania, data badań, 6) osoba odpowiedzialna za przeprowadzenie badań. 8. Załączniki graficzne - szkic poligonu badań: 1) wycinek planu z zaznaczeniem położenia źródła, punktów obserwacji, innych pobliskich obiektów o charakterze ekranującym lub powodujących odbicia, 2) szkice przybliżające lokalizację i wzajemne usytuowanie punktów obserwacji, źródła, punktów odniesienia (referencyjnych), pobliskich obiektów mających wpływ na pole akustyczne, z uwzględnieniem przekrojów poziomych i pionowych (wysokości). Objaśnienie: Użyte w niniejszym załączniku określenia są zgodne z normami PN ISO-1996-1/2 [15] . 5. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1 października 2007r. [10] Rozporządzenie implementuje przepisy Dyrektywy 2002/49/WE [1] Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 25 czerwca 2002 r. w sprawie oceny i zarządzania poziomem hałasu w środowisku. Zgodnie z zapisami ww. dyrektywy (art. 1) kraje członkowskie zobowiązane są do: • określenia stopnia narażenia na hałas w środowisku poprzez sporządzenie map akustycznych; • zapewnienia społeczeństwu dostępu do informacji na temat hałasu w środowisku i jego skutków; • przyjęcia, w oparciu o dane pochodzące z map akustycznych, planów działań zmierzających do zapobiegania powstawaniu hałasu w środowisku i obniżania jego poziomu, szczególnie w sytuacji zagrożenia zdrowia ludzi. Mapy akustyczne są elementem długookresowej polityki ochrony środowiska przed hałasem. Ocena stanu akustycznego środowiska, obejmująca między innymi wykonanie map akustycznych, jest obligatoryjna w ramach Państwowego Monitoringu Środowiska (PMŚ). Nowe Rozporządzenie Ministra Środowiska określa szczegółowy zakres danych, które powinny być ujęte na mapach akustycznych oraz ich układ i sposób POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 prezentacji w celu ich wykorzystywania do opracowania danych dla PMŚ. Mapy akustyczne składają się z części opisowej, zawierającej informacje wprowadzające, tabelaryczne zestawienia wyników, wykresy, dokumentację fotograficzną i wnioski, oraz części graficznej złożonej z szeregu map tematycznych obrazujących stan klimatu akustycznego. W części opisowej bardzo ważny element stanowi charakterystyka obszaru podlegającego ocenie, w tym ogólny opis terenu objętego mapą z podstawowymi danymi statystycznymi, identyfikacja i charakterystyka źródeł hałasu, uwarunkowania akustyczne wynikające z miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego lub innych dokumentów prawa miejscowego (np. Studium uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego gminy) i dokumentów planistycznych (np. opracowanie ekofizjograficzne). Zakres danych części opisowej mapy akustycznej jest zróżnicowany w zależności od obszaru objętego mapą, ponieważ rozróżnia się mapy akustyczne dla obszaru aglomeracji oraz mapy akustyczne dla obszarów położnych w otoczeniu dróg, linii kolejowych oraz portów lotniczych. Zakres danych części graficznej obejmuje mapy opracowane osobno dla każdego rozpatrywanego rodzaju źródła hałasu oraz osobno dla stosowanych wskaźników oceny (LDWN i LN), w szczególności: • Mapę emisyjną (charakteryzującą hałas emitowany z poszczególnych źródeł); • Mapę imisyjną (mapę stanu akustycznego środowiska kształtowanego przez dany rodzaj źródła hałasu np. kolejowego); • Mapę wrażliwości hałasowej obszarów (w zależności od sposobu zagospodarowania terenu i jego funkcji); • Mapę terenów zagrożonych hałasem, obrazującą przekroczenia dopuszczalnych poziomów dźwięku; • Mapę pokazującą liczbę osób eksponowanych na hałas. Mapy akustyczne stanowią podstawę do tworzenia i aktualizacji programów ochrony środowiska przed hałasem. Tereny objęte programami ochrony przed hałasem to między innymi tereny położone w zasięgu oddziaływania akustycznego głównych dróg, linii kolejowych i lotnisk. 6. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14 czerwca 2007r. w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku [9]. Z dniem wejścia w życie niniejszego Rozporządzenia traci moc Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 29 lipca 2004r. Dz. U. Nr. 178 poz. 1841). W Rozporządzeniu pozostawiono dotychczasowe wartości dopuszczalne dla celów kontrolnych (dla 45 dróg, kolei i przemysłu). Istotną zmianą jest wprowadzenie przypisu dotyczącego pory nocnej dla "terenów zabudowy związanej ze stałym lub czasowym pobytem dzieci i młodzieży" oraz wykreślenie słowa "poza miastem" przy "terenach rekreacyjnowypoczynkowych" - konsekwencją tego może być objęcie ochroną np. ogródków działkowych, które kiedyś były w dawnej strefie ochronnej zakładu przemysłowego. Dodano również przypis dotyczący pory nocnej dla "terenów rekreacyjno-wypoczynkowych”. Usunięto kategorię "tereny zabudowy mieszkaniowej jednorodzinnej z usługami rzemieślniczymi", za to wprowadzono jednoznacznie określoną kategorię "tereny mieszkaniowo-usługowe". Wprowadza się takie same wartości długookresowych wskaźników L DWN i L N jak wskaźniki L AeqD i L AeqN - czego konsekwencją jest Zaostrzenie polityki długookresowej w stosunku do dróg, kolei i przemysłu, jako że wskaźnik L DWN zawiera w sobie ostrzejszy o 5 dB poziom wieczorny oraz o 10 dB poziom nocny! Natomiast pozostawiając dla pewnych kategorii terenów różnice pomiędzy L DWN i L N w wysokości 5 dB powoduje się to, że w większości przypadków dla tych terenów wartość wskaźnika nocnego będzie bezprzedmiotowa, bo we wskaźniku L DWN poziom nocny jest o 10 dB ostrzejszy. Poza tym Rozporządzenie ma zastosowanie, w przypadku ustalania wykazu miejscowości, w których może być pobierana opłata miejscowa (pobierana za każdy dzień pobytu od osób fizycznych przebywających dłużej niż dobę w celach turystycznych, wypoczynkowych lub szkoleniowych). Miejscowość ubiegająca się o taki status powinna spełniać minimalne warunki klimatyczne tzn. zachowanie w miejscowości dopuszczalnych poziomów hałasu, określonych w niniejszym rozporządzeniu Ministra Środowiska. ZAŁĄCZNIK DOPUSZCZALNE ŚRODOWISKU POZIOMY HAŁASU W Dopuszczalne poziomy hałasu w środowisku powodowanego przez poszczególne grupy źródeł hałasu (*) w odniesieniu do jednej doby Tabela 1 Dopuszczalny poziom hałasu w [dB] Drogi lub linie kolejowe 1) Lp. 1 Rodzaj terenu a) b) a) b) 2 c) d) a) 3 4 b) c) Strefa ochronna „A” uzdrowiska Tereny szpitali poza miastem Tereny zabudowy mieszkaniowej jednorodzinnej Tereny zabudowy związanej ze stałym lub czasowym pobytem dzieci i młodzieży 2) Tereny domów opieki społecznej Tereny szpitali w miastach Tereny zabudowy mieszkaniowej wielorodzinnej i zamieszkania zbiorowego Tereny zabudowy zagrodowej Tereny rekreacyjno – wypoczynkowe L AeqD L AeqN przedział czasu odniesienia równy 16 godzinom przedział czasu odniesienia równy 8 godzinom 50 45 55 50 60 50 65 55 2) d) Tereny mieszkaniowo - usługowe Tereny w strefie śródmiejskiej miast powyżej 100 tys. mieszkańców 3) * z wyłączeniem hałasu powodowanego przez starty, lądowania i przeloty statków powietrznych oraz linie elektroenergetyczne, wyrażone wskaźnikami 1) 2) 3) 46 L AeqD i L AeqN , które to wskaźniki mają zastosowanie do ustalania i kontroli warunków korzystania ze środowiska Objaśnienia: Wartości określone dla dróg i linii kolejowych stosuje się także dla torowisk tramwajowych poza pasem drogowym i kolei linowych. W przypadku niewykorzystania tych terenów, zgodnie z ich funkcją, w porze nocy, nie obowiązuje na nich dopuszczalny poziom hałasu w porze nocy Strefa śródmiejska miast powyżej 100tys. mieszkańców to teren zwartej zabudowy mieszkaniowej z koncentracją obiektów administracyjnych, handlowych i usługowych. W przypadku miast, w których występują dzielnice o liczbie mieszkańców pow. 100 tys., można wyznaczyć w tych dzielnicach strefę śródmiejską, jeżeli charakteryzuje się ona zwartą zabudową mieszkaniową z koncentracją obiektów administracyjnych, handlowych i usługowych. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Dopuszczalne poziomy hałasu w środowisku powodowanego przez poszczególne grupy źródeł hałasu ( *) dla wszystkich dób w roku Tabela 2 Dopuszczalny długookresowy średni poziom dźwięku A w [dB] Drogi lub linie kolejowe 1) Lp. 1 2 3 4 L DWN Rodzaj terenu a) b) a) b) LN przedział czasu przedział czasu odniesienia równy odniesienia równy wszystkim dobom w wszystkim porom roku nocy Strefa ochronna „A” uzdrowiska Tereny szpitali poza miastem Tereny zabudowy mieszkaniowej jednorodzinnej Tereny zabudowy związanej ze stałym lub czasowym pobytem dzieci i młodzieży c) Tereny domów opieki społecznej d) Tereny szpitali w miastach a) Tereny zabudowy mieszkaniowej wielorodzinnej i zamieszkania zbiorowego b) Tereny zabudowy zagrodowej c) Tereny rekreacyjno – wypoczynkowe d) Tereny mieszkaniowo - usługowe Tereny w strefie śródmiejskiej miast powyżej 100 tys. mieszkańców 2) 50 45 55 50 60 50 65 55 * z wyłączeniem hałasu powodowanego przez starty, lądowania i przeloty statków powietrznych oraz linie elektroenergetyczne, wyrażone wskaźnikami LDWN i L N , które to wskaźniki mają zastosowanie do prowadzenia długookresowej po- lityki w zakresie ochrony przed hałasem Objaśnienia: Wartości określone dla dróg i linii kolejowych stosuje się także dla torowisk tramwajowych poza pasem drogowym i kolei linowych. Strefa śródmiejska miast powyżej 100tys. mieszkańców to teren zwartej zabudowy mieszkaniowej z koncentracją obiektów administracyjnych, handlowych i usługowych. W przypadku miast, w których występują dzielnice o liczbie mieszkańców pow. 100 tys., można wyznaczyć w tych dzielnicach strefę śródmiejską, jeżeli charakteryzuje się ona zwartą zabudową mieszkaniową z koncentracją obiektów administracyjnych, handlowych i usługowych. 7. Obwieszczenie Ministra Środowiska z dnia 18 września 2007r. – załącznik 5 [8] Określa, wysokości kar za przekroczenie warunków wprowadzenia ścieków do wód lub ziemi oraz za przekroczenie dopuszczalnego poziomu hałasu, na rok 2008. (Dane należy aktualizować corocznie). Tabela 3 Wysokość kar za przekroczenie dopuszczalnego poziomu hałasu Wielkość przekroczenia od 1 do 5 dB powyżej 5 do 10 dB powyżej 10 do 15 dB powyżej 15 dB w zł za każdy dB przekroczenia w porze w porze dnia nocy 9,19 11,50 16,10 19,55 23,00 27,61 34,49 41,41 8. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14.12.2006r. [7] w sprawie dróg, linii kolejowych i lotnisk kolejowych i lotnisk, których eksploatacja może powodować negatywne oddziaływanie akustyczne na znacznych obszarach, dla których jest wymagane sporządzanie map akustycznych, oraz sposobów określania granic terenów objętych tymi mapami. UWAGA! Poniższy tekst zawiera wyłącznie informację dotyczące pomiaru hałasu od linii kolejowych i tramwajowych. Numeracja poszczególnych paragrafów oraz punktów w celu pozostawienia spójności z tekstem oryginalnym pozostaną niezmienione. UWAGA: nie dotyczy dróg, linii tramwajowych ani linii kolejowych! POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 47 § 1. Rozporządzenie określa: 1) drogi, linie kolejowe i lotniska, których eksploatacja może powodować negatywne oddziaływanie akustyczne na znacznych obszarach, dla których jest wymagane sporządzanie map akustycznych; 2) terminy zaliczenia dróg, linii kolejowych i lotnisk do obiektów, których eksploatacja może powodować negatywne oddziaływanie na środowisko; 3) sposoby określania granic terenów objętych mapami, o których mowa w pkt 1. § 2. Do obiektów, których eksploatacja może powodować negatywne oddziaływanie akustyczne na znacznych obszarach, zalicza się: 1) z dniem wejścia w życie rozporządzenia: a) linie kolejowe, po których przejeżdża ponad 60 000 pociągów rocznie, 2) z dniem 1 stycznia 2011 r.: a) linie kolejowe, po których przejeżdża ponad 30 000 pociągów rocznie. § 3. Granice terenów objętych mapą akustyczną, w związku z eksploatacją dróg, linii kolejowych oraz lotnisk, o których mowa w § 2, określa się liniami rozgraniczającymi, pokrywającymi się z izoliniami odpowiadającymi wartościom długookresowego średniego poziomu dźwięku A, wyrażonego w decybelach (dB): 1) wyznaczonego w ciągu wszystkich dób w roku — LDWN = 55; 2) wyznaczonego w ciągu wszystkich pór nocy w roku — LN = 50. 9. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 17.01.2003r. [6] w sprawie rodzajów wyników pomiarów prowadzonych w związku z eksploatacją dróg, linii kolejowych, linii tramwajowych, lotnisk oraz portów, które powinny być przekazywane właściwym organom ochrony środowiska, oraz terminów i sposobów ich prezentacji UWAGA! Poniższy tekst zawierał będzie wyłącznie informację dotyczące pomiaru hałasu od linii kolejowych i tramwajowych. Numeracja poszczególnych paragrafów oraz punktów w celu pozostawienia spójności z tekstem oryginalnym pozostaną niezmienione. §1. Rozporządzenie określa rodzaje wyników pomiarów prowadzonych w związku z eksploatacją dróg, linii kolejowych, linii tramwajowych, lotnisk oraz portów, które ze względu na szczególne znaczenie dla systematycznej obserwacji zmian stanu środowiska, wynikających z eksploatacji tych obiektów, powinny być przekazywane właściwym organom ochrony środowiska, oraz terminy i sposób ich prezentacji. § 2. Właściwemu organowi ochrony środowiska przedkłada się wyniki: 2) okresowych pomiarów poziomów substancji lub energii w środowisku na skutek eksploatacji: a ) dróg, linii kolejowych, linii tramwajowych, na które, na mocy art. 176 ustawy z dnia 27 kwietnia 2001 r. - Prawo ochrony środowiska oraz w związku z art. 175 ust. 1 i ust. 3 tej ustawy, został nałożony obowiązek ich prowadzenia. §3. Wyniki ciągłych i okresowych pomiarów emisji substancji lub energii wprowadzanej do środowiska, o których mowa w § 2, przedkłada się w formie drukowanych zestawień tabelarycznych, opisów, szkiców i schematów sytuacyjnych.. § 4. 3) Układ przekazywanych wyników okresowych pomiarów poziomów hałasu w środowisku dla linii kolejowych i tramwajowych jest określony w załączniku nr 3 do rozporządzenia. § 6. 1) Wyniki ciągłych pomiarów hałasu w środowisku, prowadzone w okresie miesiąca kalendarzowego, przekazuje się w terminie 30 dni od dnia zakończenia pomiarów. 2) Wyniki okresowych pomiarów poziomów substancji lub energii w środowisku przekazuje się w terminie 21 dni od daty wykonania pomiarów. § 7. Rozporządzenie weszło w życie z dniem 1 stycznia 2004 r. Załącznik nr 3 UKŁAD PRZEKAZYWANYCH WYNIKÓW OKRESOWYCH POMIARÓW POZIOMÓW HAŁASU W ŚRODOWISKU DLA DRÓG, LINII KOLEJOWYCH I LINII TRAMWAJOWYCH Nazwa obiektu Data wykonania pomiaru ....................................................................................................................... Lokalizacja punktu pomiarowego............................................................................................................... 48 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 Układ współrzędnych płaskich prostokątnych ,,1992": Długość geograficzna .................................................................................................................................. Szerokość geograficzna ............................................................................................................................... Względna wysokość punktu pomiarowego [m]........................................................................................... Opis i charakterystyka źródeł hałasu (w tym natężenia ruchu, parametry ruchu, liczby pojazdów) ..................................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................................... Szkic sytuacyjny: Szkic sytuacyjno-wysokościowy w skali 1: 500 lub l: 1000, z oznaczeniem kierunku wiatru, położeniem terenów chronionych przed hałasem i z opisem dopuszczalnych poziomów hałasu Metoda badań: Metoda pośrednia, to jest metoda pomiarów sygnałów elementarnych.......................... Metoda bezpośrednich pomiarów hałasu z wykorzystaniem próbkowania.................... Metoda bezpośrednia ciągłych pomiarów w ograniczonym czasie................................ Metoda obliczeniowa oparta o modele rozprzestrzeniania się dźwięku w środowisku... Warunki atmosferyczne: Zmierzone na wysokości.......... Wartości mierzone Wartości maksymalne Wartości minimalne Wartości średnie prędkość i kierunek wiatru: m/sek /° temperatura otoczenia: °C wilgotność względna % ciśnienie atmosferyczne (hPa) stan pogody w okresie wykonania pomiaru inne spostrzeżenia Aparatura pomiarowa: ...................................................................................................................................... typ ............, z mikrofonem typu ....................................................................................................................... świadectwo uwierzytelnienia nr ............................ wydane dnia ..... przez Prezesa Głównego Urzędu Miar w Warszawie, ważne do dnia ..................................................................................................... Parametry pomiaru: stała czasowa: ................................................................................................................. korekcja: ....................................................................................................................... Warunki pozaakustyczne: odpowiednio dla źródła emisji hałasu (natężenie ruchu pojazdów z uwzględnieniem udziału pojazdów ciężkich, liczby przejeżdżających pociągów, tramwajów) WYNIKI POMIARÓW Metoda pośrednia - metoda pomiarów sygnałów elementarnych Kategoria sygnału Zmierzone wartości ekspozycyjnego Lp. Numer pomiaru elementarnego poziomu dźwięku A , [dB] Data przeprowadzenia pomiarów: od ............. godz. ......... do ............. godz. .......... (data) (data) Określenie średnich wartości poziomów ekspozycyjnych dla każdej kategorii sygnału elementarnego wraz z odchyleniem standardowym ....................................................................................................................................................... Określenie równoważnego poziomu hałasu wraz z niepewnością wyniku ....................................................................................................................................................... (opis sposobu określenia równoważnego poziomu dźwięku oraz niepewności pomiaru, tabelaryczne zestawienie uzyskanych wartości) POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 49 Metoda bezpośrednich pomiarów hałasu z wykorzystaniem próbkowania Zmierzone wartości Numer Czas Lp. Poziom równoważny Poziom Poziom minimalpomiaru pomiaru t [s] zmierzony w czasie t [dB] maksymalny [dB] ny [dB] Data przeprowadzenia pomiarów: od ......... ............. godz. ......... do ................ godz. .......... (data) (data) Określenie równoważnego poziomu hałasu wraz z niepewnością wyniku ....................................................................................................................................................... (opis sposobu określenia równoważnego poziomu dźwięku oraz niepewności pomiaru, tabelaryczne zestawienie uzyskanych wartości) Metoda bezpośrednia ciągłych pomiarów w ograniczonym czasie Lp. Pora pomiaru Wartość równoważnego poziomu dźwięku (zmierzona), [dB] Data przeprowadzenia pomiarów: od ......... ............. godz. ......... do ................ godz. .......... (data) (data) Określenie równoważnego poziomu hałasu wraz z niepewnością wyniku ....................................................................................................................................................... (opis sposobu określenia równoważnego poziomu dźwięku oraz niepewności pomiaru, tabelaryczne zestawienie uzyskanych wartości) Metoda obliczeniowa oparta o modele rozprzestrzeniania się dźwięku w środowisku Zastosowany model obliczeniowy (charakterystyka): ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... Dane wejściowe do modelu: ................................................................................................... Wyniki pomiarów danych wejściowych do modelu, o ile takie były wykonywane, ....................................................................................................................................................... Dane wejściowe do modelu pozyskane w inny sposób niż za pomocą pomiarów (źródło danych, wiarygodność danych) ....................................................................................................................................................... Określenie równoważnego poziomu hałasu ....................................................................................................................................................... ....................................................................................................................................................... (opis sposobu określenia równoważnego poziomu dźwięku oraz niepewności pomiaru, tabelaryczne zestawienie uzyskanych wartości) Graficzne przedstawienie zasięgu hałasu (o ile takie oceny wykonano) Szkic sytuacyjno-wysokościowy w skali 1: 500 lub l: 1000 Inne, nie wymienione wyżej, dane rejestrowane w czasie badań, wynikające z referencyjnej metodyki pomiarów ....................................................................................................................................................... Okres przeprowadzenia pomiarów: od ......... ............. godz. ......... do ................ godz. .......... (data) (data) Wykonujący pomiar: Zarządzający: ..................................... ..................................... (data i podpis) (data i podpis) 50 POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 10. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14.10.2002r. [5] Zgodnie z Rozporządzeniem Ministra Środowiska w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinien odpowiadać program ochrony środowiska przed hałasem. Kolejność realizacji zadań programu na terenach mieszkaniowych następuje z uwzględnieniem wskaźnika charakteryzującego wielkość przekroczenia dopuszczalnego poziomu hałasu i liczbę mieszkańców na terenie, ustalonego w sposób następujący: „Kolejność realizacji zadań programu na terenach mieszkaniowych (...) ustala się, zaczynając od terenów o najwyższej wartości wskaźnika M do terenów o wartości wskaźnika M najniższej. Punktem wyjścia do ustalenia kolejności realizacji inwestycji jest tzw. współczynnik M, obliczany wg następującej zależności: ( ) M = 0,1m 10 0,1DL − 1 (7) gdzie: M - wartość wskaźnika, DL - wielkość przekroczenia dopuszczalnego poziomu hałasu dB, M - liczba mieszkańców na terenie o przekroczonym poziomie dopuszczalnym W programie określa się i ocenia następujące zagadnienia: 1) powstającą emisję hałasu w związku z eksploatacją: d) dróg, linii kolejowych, linii tramwajowych, lotnisk oraz portów; 2) powstający hałas w środowisku w związku z eksploatacją źródeł hałasu, o których mowa w pkt 1, przed i po realizacji zadań programu, z uwzględnieniem liczby mieszkańców na terenie objętym programem; 3) efektywności ekologicznej i ekonomicznej zadań programu we wzajemnym ich powiązaniu. Określanie niepewności pomiarów akustycznych [18] W pomiarach poziomu hałasu od linii tramwajowej lub kolejowej mierzymy ekspozycyjne poziomy dźwięku L AE dla pojedynczych zdarzeń akustycznych (przejazdów), grupowanych w odpowiednie klasy. Uzyskujemy w ten sposób zbiory wartości L AEi dla każdej z klas z osobna. Jednak z uwagi, że są to poziomy dźwięku wyrażane w decybelach - nie mają one cechy addytywności (nie dodają się arytmetycznie) - zatem nie można bezpośrednio do nich stosować znanych wzorów statystycznych, zawartych w podręcznikach. W celu prawidłowego wykonania rachunków statystycznych należy „odlogarytmować” poziomy, czyli wyrazić zmierzone zdarzenia jako ekspozycje względne określone wzorem: E Ei = 10 0,1⋅LAEi (8) I dopiero na tak uzyskanym zbiorze wartości ekspozycji względnych (mających cechę addytywności) możemy wykonywać rachunki stosując znane wzory statystyczne. Określamy zatem przedział niepewności o zadanym poziomie ufności (zazwyczaj 95%) dla wartości ekspozycji względnych. Konsekwencją tego faktu jest - po ponownym przeliczeniu na poziomy dźwięku w celu wyrażenia wyniku końcowego w decybelach - asymetryczne granice przedziałów niepewności wyrażanych w decybelach względem wartości średniego poziomu ekspozycyjnego. Szczegółowe sposoby obliczania niepewności typu A (statystyka pomiarowa) oraz typu B (niedokładności związane z aparaturą, czynnikami zewnętrznymi czy modelowaniem zdarzenia) w celu określenia niepewności rozszerzonej uzyskanego wyniku badania (zbioru wyników pomiarów) są przedstawione w artykułach na stronie internetowej www.ntlmk.com w zakładce „E-biblioteka”. Literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] 10. POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008 [7] [8] Dyrektywa 2002/49/WE z dnia 25.06.2002r. „Ocena i kontrola poziomu hałasu w środowisku” PN-91/K11000 „Tabor kolejowy. Hałas” Prawo Ochrony Środowiska – Dz.U. Nr.62 poz. 627 z dnia 27.04.2001r. Dz. U. Nr.8 poz.81 2002r. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 09.01.2002r. w sprawie wartości progowych poziomów hałasu. Dz. U. Nr.179 poz.1498 Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14.10.2002r. w sprawie szczegółowych wymagań, jakim powinien odpowiadać program ochrony środowiska przed hałasem. Dz. U. Nr.18 poz.164 Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 17.01.2003r. w sprawie rodzajów wyników pomiarów prowadzonych w związku z eksploatacją dróg, linii kolejowych, linii tramwajowych, lotnisk oraz portów, które powinny być przekazywane właściwym organom ochrony środowiska, oraz terminów i sposobów ich prezentacji. Dz. U. Nr.1 poz. 8 2007r. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 14.12.2006r. w sprawie dróg, linii kolejowych i lotnisk, których eksploatacja może powodować negatywne oddziaływanie akustyczne na znacznych obszarach, dla których jest wymagane sporządzanie map akustycznych, oraz sposobów określania granic terenów objętych tymi mapami. M.P. Nr.65 poz.732 Obwieszczenie Ministra Środowiska z dnia 18.09.2007r. w sprawie wysokości stawek kar za przekroczenie warunków wprowadzenia ścieków do wód lub do ziemi oraz przekroczenie dopuszczalnego poziomu hałasu, na rok 2008. 51 [9] [10] [11] [12] 52 Dz. U. Nr.120 poz.826 Rozporządzenie Ministra rodowiska z dnia 14.06.2007r. w sprawie dopuszczalnych poziomów hałasu w środowisku. Dz. U. Nr.187 poz.1340 Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 1.10.2007r. w sprawie szczegółowego zakresu danych ujętych na mapach akustycznych oraz ich układu i sposobu prezentacji. Dz. U. Nr.192 poz. 1392 Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 2.10.2007r. w sprawie wymagań w zakresie prowadzenia pomiarów poziomów w środowisku substancji lub energii przez zarządzającego drogą, linią kolejową, linią tramwajową, lotniskiem, portem. Dz. U. Nr.210 poz.1535 Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 7.11.2007r. zmieniające rozporządzenie w sprawie ustalania wartości hałasu L(DWN) [13] [14] [15] [16] [17] [18] Dz. U. Nr.106 poz.729 2007r. PN ISO 9613-2 „Akustyka. Tłumienie dźwięku podczas propagacji w przestrzeni otwartej. Obliczanie pochłaniania dźwięku przez atmosferę/Ogólna metoda obliczania” PN ISO 1996-1/2/3 „Opis i pomiary hałasu środowiskowego. Podstawowe wielkości i procedury” www.portaldrogowy.pl Dębicka – Fobie G., Jankowska M.; „Zagadnienia i wytyczne dotyczące Ochrony Środowiska w UE”, Związek Rzemiosła Polskiego 2004r. Strona internetowa firmy NTL-M.Kirpluk: www.ntlmk.com, zakładka „E-biblioteka” POJAZDY SZYNOWE NR 4/2008