8.1.1 Schemat procedury symulacji eksploatacyjnych obciążeń układu napędowego W rozdziale 7 omówiono symulację przebiegów czasowych obciążenia układu napędowego na podstawie znanych profili prędkości, jako alternatywę pozyskania sygnałów reprezentujących fragmenty procesu eksploatacji odzwierciedlające zmienność prędkości obrotowej i obciążenia układu napędowego momentem. Symulacja ta miała charakter mikroskopowy i zdeterminowany.
W odróżnieniu od niej, symulacja obciążeń eksploatacyjnych została zbudowana jako narzędzie do szacowania rozkładu obciążeń, a nie ich przebiegu w czasie.
Symulacja oparta jest na ogólnej idei zaprezentowanej w rozdziale 4.2. Zakłada ona budowanie szacunkowego obrazu tych obciążeń z wykorzystaniem zapisu fragmentów eksploatacji pochodzących z badań drogowych w sytuacji zbliżonej możliwie najbardziej do rzeczywistej.
Sterowanie wyborem odpowiednich fragmentów związane jest z kolei z symulacją warunków eksploatacji poczynając od rodzaju trasy poprzez ilość pasażerów czy też prędkość podróżną.
Schemat całej procedury symulacji obciążeń eksploatacyjnych przedstawiono na rys. 8.1.
Dla potrzeb symulacji, a następnie weryfikacji metody symulacji widma eksploatacyjnego wykorzystano trasę 172 komunikacji miejskiej w Warszawie. Dla tej trasy zdefiniowano następujące parametry opisujące warunki eksploatacji:
1. przebieg trasy – mapa i odległości pomiędzy przystankami, 2. wartość nachylenia na trasie,
3. średnie prędkości przejazdu pomiędzy przystankami, 4. wielkość zapełnienia autobusu.
Warunki eksploatacji zdefiniowano przy założeniu dyskretyzacji w trzech aspektach:
a) czasu (pory dnia) eksploatacji – dyskretyzacja polegała na definiowaniu zróżnicowanych warunków eksploatacji co jedną godzinę zegarową,
b) miejsca eksploatacji – dyskretyzacja polegała na definiowaniu zróżnicowanych warunków eksploatacji dla całych odcinków pomiędzy przystankami,
c) warunków eksploatacji - dla poszczególnych warunków zastosowano podział na ograniczoną ilość kategorii (każdej z kategorii przypisano kod numeryczny):
• dla wartości nachylenia - 2 kategorie (kody 1 i 2),
• dla średnich prędkości - 4 kategorie (kody 1, 2, 3 i 4),
• dla obciążenia autobusu - 2 kategorie (kody 1 i 2).
Baza danych zawierała wiele plików, które odpowiadały zdefiniowanym kategoriom. Podczas symulacji konieczny był losowy wybór spośród kilku plików odpowiadających danej kategorii.
Dlatego każdemu plikowi przypisano 4 cyfrowy kod, w którym kolejne cyfry kodu miały znaczenia zgodne z rys. 8.2.
Rys. 8.1. Schemat symulacji obciążeń eksploatacyjnych układu napędowego
Rys. 8.2. Oznaczenie pliku danych wykorzystywanego w symulacji
Proces symulacji jazdy (generowania wartości prędkości i momentu) zrealizowano przyjmując następujące założenia:
1. dotyczące odległości dla której realizowana jest symulacja:
˗ w fazach symulacji dojazdu z zajezdni do pierwszego przystanku i powrotu do zajezdni generowane są sygnały prędkości i obciążenia momentem wału napędowego bez zatrzymań na przystankach,
˗ w fazie symulacji przejazdu po trasie generowane są sygnały prędkości i obciążenia momentem wału napędowego dla przejazdu odległości od pierwszego przystanku do ostatniego i z powrotem
˗ przejazd symulowanej odległości między przystankami składa się z symulacji faz:
o włączania się do ruchu (rozpędzania, wyjazdu z przystanku), o jazdy pomiędzy przystankami,
o wyłączania się z ruchu (zwalniania, dojazdu do przystanku), 2. dotyczące symulowanego czasu jazdy:
˗ czas odcinków między przystankami jest wynikiem:
o uwzględnienia profilów prędkości i wyliczanego na ich podstawie profilu przyrostu pokonanej odległości w czasie,
˗ przejazdu trasy i jest wynikiem sumowania czasów przejazdu pomiędzy przystankami oraz uwzględnienia czasów postoju na przystankach,
˗ maksymalny czas symulacji jest zdefiniowany maksymalnym czasem pracy (parametr w programie godzzak i jego powiązaniem z dokończeniem przejazdu do zajezdni).
Proces symulacji jazdy jest globalnie definiowany następującymi parametrami:
– liczbą przystanków,
– czasem postoju na przystankach - 15 lub 30 sekund w zależności od ilości pasażerów, – kierunkiem przejazdu (od 1 do ostatniego i z powrotem),
– odległościami pomiędzy przystankami, – czasem rozpoczęcia zmiany i jej zakończenia.
8.1.2 Zdefiniowanie warunków eksploatacji
8.1.2.1 Zdefiniowanie odległości między przystankami
Przebieg trasy autobusu na mapie przedstawiono na rys. 8.3.
Rys. 8.3. Widok trasy autobusu na linii 172 w Warszawie [59]
Trasę autobusu zdefiniowano przy pomocy pliku tekstowego przystanki.txt o strukturze przedstawionej na rys. 8.4. Pierwsza kolumna definiuje nr przystanku, druga odległość od poprzedniego do bieżącego przystanku. Pierwszy i ostatni wiersz definiują odpowiednio trasę z zajezdni do pierwszego przystanku i z ostatniego do zajezdni. Plik ten zawiera dodatkowe informacje dotyczące rodzaju przystanku.
Rys. 8.4. Struktura pliku definiującego odległości pomiędzy przystankami
Dla linii 172 średnia odległość pomiędzy przystankami wyniosła 516 metrów. Najkrótszy odcinek między przystankami miał 300 metrów a najdłuższy 934 metry. Łącznie cała trasa objęła ponad 12 km plus dodatkowo prawie 9 na dojazd i powrót z zajezdni. Na rys. 8.5 przedstawiono rozkład odległości pomiędzy poszczególnymi przystankami.
Rys. 8.5. Ilustracja odległości pomiędzy przystankami i odległości sumarycznej dla przykładowej linii 172
8.1.2.2 Zdefiniowanie nachylenia drogi między przystankami
Drugim istotnym parametrem określającym warunki eksploatacji jest wartość wzdłużnego nachylenia drogi. Znaczenie tego nachylenia wynika z wypływu na opory ruchu - opory wzniesienia podczas zarówno jazdy, jak i zwalniania autobusu.
W chwili obecnej dane takie można pozyskać z serwisów GIS na stronach www lub podobnych programów off-line. Dane takie dla potrzeb realizowanej symulacji pozyskano z serwisu www.geocontext.org [56]. Serwis ten po zaimportowaniu pliku w formacie *.gpx umożliwia wyświetlenie profilu trasy, zgodnie z rys. 8.6. Plik *.gpx może pochodzić z bezpośredniego zapisu podczas przejazdu ale może także zostać wygenerowany dla wskazanej sekwencji punktów na mapie przy pomocy opcji tworzenia mapy w programie Google Maps (po zalogowaniu – menu:
Twoje miejsca/Mapy/Utwórz mapę [59].
Rys. 8.6. Widok okna serwisu mapowego www.geocontekst z wczytanym śladem GPS trasy 172 [56]
Odczytany z danych mapowych profil trasy posłużył do obliczenia wartości nachylenia wzdłużnego drogi na poszczególnych odcinkach trasy co zostało zilustrowane na rys. 8.7.
Rys. 8.7. Przebieg zmian wzdłużnego nachylenia na trasie linii 172
Większość - 90,2 % długości trasy cechuje się nachyleniem w przedziale -1 do 1%. Kolejne 6,4%
długości trasy to nachylenia pomiędzy -2 a -1 oraz pomiędzy 1a 2 % - szczegółową informację przedstawiono na rys. 8.8.
Rys. 8.8. Udział procentowy długości trasy dla różnych wartości nachylenia wzdłużnego
Dane o nachyleniu drogi mogą być zdefiniowane:
˗ szczegółowo dla kolejnych fragmentów trasy autobusu dla każdego z odcinków pomiędzy przystankami,
˗ w sposób zagregowany łącznie dla całej trasy – rys. 8.9.
Sposób pierwszy wykorzystywano w symulacji przebiegów czasowych obciążeń eksploatacyjnych, dla których krok symulacji jest krótki i wynosi 1 s. Dla symulacji obciążeń eksploatacyjnych, która ma charakter sumowania zbiorów danych, wybrano drugie podejście (w odniesieniu do odcinka pomiędzy przystankami), ze względu na zaproponowaną specyfikę budowania obciążenia dla całej trasy na podstawie zarejestrowanych fragmentów przejazdów
reprezentujących zróżnicowane warunki eksploatacji. Metodykę tę w sposób symboliczny przedstawiono na rys. 8.9.
Rys. 8.9. Metodyka uzyskania zagregowanej informacji o udziale różnych nachyleń drogi
Z przeprowadzonej analizy zmian nachylenia wzdłuż trasy zdecydowano, że w symulacji zastosowane zostanie rozróżnienie tylko na trasy o zerowym nachyleniu oraz maksymalnym - rzędu 6-8% dla połowy odcinka pomiędzy przystankami Konduktorska i park Dreszera.
W kierunku przeciwnym to nachylenie zostanie przyjęte ze znakiem ujemnym.
Dla nachylenia od 0 do 1% przyjęto kod 1 a dla nachylenia 6-8% kod 2.
8.1.2.3 Zdefiniowanie średnich prędkości przejazdu pomiędzy przystankami Średnie prędkości przejazdu pomiędzy przystankami zależą od:
– przyjętego rozkładu jazdy i formalnych ograniczeń prędkości, – są też zmienne wraz ze zmianami charakterystyk ruchu drogowego.
Typowa w dużych miastach kongestia prowadzi do zmniejszania się możliwej do osiągnięcia średniej prędkości jazdy i wpływa także znacząco na charakter obciążeń układu napędowego.
Związane jest to ze znaczną różnicą pomiędzy oporami ruchu w jeździe ustalonej oraz oporami dla fazy ruszania oraz wymaganymi siłami hamowania dla fazy zwalniania.
Dane o średnich prędkościach jazdy można pozyskać z dwóch źródeł o odmiennych cechach:
1. zbioru danych zarejestrowanych w pojeździe eksploatowanym na danej trasie,
2. danych o średnich prędkościach na odcinkach trasy uzyskanych na podstawie danych pozyskiwanych z wielu pojazdów – głównie osobowych.
Wariant pierwszy można wykorzystać, gdy analiza dotyczy już eksploatowanego pojazdu lub podobnych pojazdów, które miałby być eksploatowane na wybranej trasie. Wariant drugi można wykorzystać zarówno w odniesieniu do już eksploatowanego pojazdu, jak i do pojazdu bądź miejsca eksploatacji dopiero planowanego. Jest on także przydatny, gdy dane pozyskane z już eksploatowanego pojazdu nie obejmują całego zakresu czasu eksploatacji. Ten przypadek wystąpił w odniesieniu do trasy 172, dla której symulowano obciążenia eksploatacyjne.
• Do pozyskania informacji o średnich prędkościach na wybranych odcinkach ulic, na których przebiega trasa autobusu linii 172, wykorzystano jeden z planerów podróży - NaviExpert z technologią „Community Traffic online” 133 [65] [64] - udostępniający informację o średnich prędkościach na fragmentach tras - rys. 8.10 . Na podstawie tych danych aplikacja umożliwia oszacowanie czasu przejazdu pomiędzy wybranymi punktami.
W celu uzyskania odpowiednich danych konieczne było:
– zdefiniowanie punktu początkowego, – zdefiniowanie punktu końcowego, – wskazanie godziny wyjazdu.
Rys. 8.10. Okno programu Naviexpert z zaznaczonymi informacjami na temat szacowanego czasu przejazdu dla wybranego odcinka drogi [65]
W odpowiedzi uzyskiwano informację o długości odcinka oraz czasie przejazdu. Uzyskane wyniki zilustrowano na rys. 8.11. Dobierając początek i koniec odcinka dokonywano agregacji odcinków pomiędzy przystankami, gdy średnie prędkości przejazdu były zbliżone - kierowano się informacją przekazywaną w formie wizualizacji średnich prędkości na mapie. W przypadku większych zmian średniej prędkości dobierano krótsze analizowane odcinki. Interfejs mapy on-line [45] przestawiono na rys. 8.10.
Rys. 8.11. Czasy przejazdu dla analizowanych odcinków dla różnych godzin w ciągu dnia
Łączne czasy przejazdu pomiędzy przystankami – bez postojów na przystankach – w zależności od pory dnia zmieniały się od 24,5 minuty do 52 minut - rys. 8.12.
Rys. 8.12. Łączne średnie czasy przejazdu trasy 172
Na podstawie danych o długości odcinka oraz czasie przejazdu obliczono średnie prędkości - wyniki przedstawiono w tab. 8.1.
Analiza wartości średnich prędkości i konieczność dyskretyzacji jej przedziałów zdecydowała o wyróżnieniu czterech grup średnich prędkości przejazdu, którym nadano dla potrzeb symulacji kod numeryczny:
1. 0 ≤ >ś < 15 A4/ℎ − kod 1, 2. 15 ≤ >ś < 25 A4/ℎ − kod 2, 3. 25 ≤ >ś < 37 A4/ℎ − kod 3, 4. 37 ≤ >ś − kod 4.
Tab. 8.1. Średnie prędkości przejazdu w km/h dla kolejnych odcinków oszacowane z wykorzystaniem aplikacji NaviExpert dla kolejnych godzin w ciągu dnia
nr odcinka → 1 2 3 4 5 6 7 8 9
odległość [km]→ 0,69 0,94 2,12 1,67 1,54 1,26 1,16 1,18 1,82 godzina [hh:mm] ↓
5:00 20,3 38,0 43,1 27,4 27,6 47,8 20,2 30,0 29,7
6:00 19,5 36,3 40,5 24,5 22,6 41,3 20,2 25,8 29,3
7:00 14,0 30,5 31,2 12,7 18,2 28,4 15,7 23,3 17,1
8:00 13,7 27,9 26,8 10,2 17,1 22,3 15,0 22,3 20,3
9:00 14,0 30,5 31,2 12,7 18,2 28,4 15,7 23,3 17,1
10:00 13,8 32,8 41,9 18,0 21,6 32,9 17,2 24,3 19,5
11:00 13,8 32,8 41,9 18,0 21,6 32,9 17,2 24,3 19,5
12:00 13,5 32,8 41,9 16,1 21,4 32,7 15,9 22,0 21,9
13:00 13,5 32,8 41,9 16,1 21,4 32,7 15,9 22,0 21,9
14:00 11,9 29,7 28,8 17,7 20,4 25,1 17,3 18,8 18,1
15:00 11,9 29,7 28,8 17,7 20,4 25,1 17,3 18,8 18,1
16:00 9,3 19,8 17,6 14,0 17,3 11,7 12,7 13,7 12,6
17:00 9,3 19,8 17,6 14,0 17,3 11,7 12,7 13,7 12,6
18:00 12,8 21,7 38,9 16,8 17,9 11,7 15,1 16,8 16,2
19:00 13,9 26,8 41,9 21,7 20,6 23,9 15,3 23,8 19,3
20:00 18,5 34,1 40,5 23,3 24,2 38,1 18,5 26,8 26,9
21:00 18,5 34,1 40,5 23,3 24,2 38,1 18,5 26,8 26,9
22:00 18,5 34,1 40,5 23,3 24,2 38,1 18,5 26,8 26,9
8.1.2.4 Zdefiniowanie obciążenia autobusu pasażerami
Dla analizowanej trasy, na podstawie informacji posiadanych od eksploatatora autobusu, zdefiniowano dwa poziomy obciążenia pasażerami:
1. dla godzin od 5:00 do 6:59, 10:00 do 15:59 oraz 18:00 do 22:59 - 50% − kod 1, 2. dla godzin od 7:00 do 9:59 oraz 16:00 do 17:59 - 100% − kod 2.
8.1.3 Stworzenie macierzy warunków eksploatacji (MWE)
W celu uwzględnienia podczas symulacji zmiennych warunków eksploatacji konieczne jest sterowanie doborem plików danych z bazy plików. W tym celu konieczne było opracowanie zmiennej sterującej takim wyborem. Zmienną tą jest kod przypisany polu wyznaczonemu przez odcinek pomiędzy przystankami oraz okres czasu (godziny), w jakim zachodzi eksploatacja w macierzy takich kodów, która stanowi macierz warunków eksploatacji. Macierz ta jest zbiorem zdyskretyzowanej zmienności tych warunków. Dyskretyzacja w dziedzinie pokonywanej odległości dotyczy podzielenia zmienności warunków eksploatacji na odcinki równe odległościom pomiędzy kolejnymi przystankami. Drugą dziedziną dyskretyzacji jest czas eksploatacji – tutaj przyjęto podział na 1 godzinne okresy czasu od początku do końca okresu eksploatacji w ciągu dnia.
Macierz warunków eksploatacji zawiera tylko 3-literowe kody, podczas gdy w opisach plików danych zastosowano kody 4-literowe. Ostatnia - czwarta – cyfra służy do oznaczenia kolejnego nr pliku należącego do tej samej grupy plików wyodrębnionych ze względu na zbieżne warunki eksploatacji - średnią prędkość, obciążenie pasażerami oraz wartość nachylenia drogi. Przyjęto zasadę zdefiniowania 10 plików dla każdej z grup i losowania w trakcie symulacji każdorazowo podczas wczytywania plików nr jednego z tych plików. Odpowiedzialna za to jest procedura
symulacja2017_wczytywanie_danych.m. W celu losowania numeru pliku wykorzystano polecenie randperm(n), które generuje losową permutację liczb 1, 2, ... , n. Zastosowanie zasady losowania plików powoduje, że każda realizacja procedury generuje w pewnym stopniu odmienny wynik wynikający z losowości doboru łączonych fragmentów danych.
Strukturę tej macierzy zilustrowano i opisano na rys. 8.13. Jej pełny obraz zamieszczono w załączniku do pracy.
obciążenie pasażerami
rozpedzanie4321.mat
typ fragmentu jazdy
średnia prędkość kolejny nr pliku
wartość nachylenia drogi
Rys. 8.13. Macierz warunków eksploatacji(MWE) (fragment - pełna w załączniku)