Planowanie robót i ocena ich wpływu na ruch pociągów

Po określeniu potrzeb naprawczych i modernizacyjnych bardzo istotnym zagadnieniem jest analiza wpływu podziału zidentyfikowanego zakresu prac na kontrakty oraz wzajemnej koordynacji kontraktów na zamknięcia torowe i ruch pociągów. Do prac opisujących tą tematykę można zaliczyć badania prowadzone na Politechnice Śląskiej [26, 27] (wyniki opublikowane w latach 2002-2003), w których jako kryterium decyzyjne w koordynacji zamknięć torowych przyjmowana jest minimalizacja strat czasu w ruchu pociągowym, obliczanych z wykorzystaniem narzędzi symulacyjnych. Prace te nie były jednak w ostatnich latach kontynuowane.

Tematykę planowania kolejowych robót budowlanych z jednoczesną analizą ruchu pociągów w trakcie zamknięć torowych podejmuje niewiele publikacji [2, 18, 41, 99]. Spośród nich najbardziej rozbudowany model optymalizacyjny przedstawia publikacja [41], przyjmująca jako funkcję minimalizację sumy następujących kosztów:

 kosztu wykonania robót budowlanych,

 kosztu czasu jazdy pociągów,

 kosztu czasu traconego na wyprzedzanie lub krzyżowanie pociągów,

 kosztów wynikających z różnicy pomiędzy pożądanymi przez przewoźników godzinami kursowania pociągów a zmienionymi wskutek realizacji robót godzinami kursowania pociągów.

Praca koncentruje się na przedstawieniu wielkości zagadnienia optymalizacyjnego i czasu jego rozwiązania na przykładzie kilkunastu modelowych odcinków linii kolejowych i fragmentów sieci kolejowej. Udowodniono, że wykorzystując komercyjne

36 oprogramowanie do rozwiązania problemu optymalizacyjnego, w czasie maksymalnie 1 godziny obliczeń możliwe jest zaplanowanie robót i ruchu pociągów dla przedziału o długości 1 tygodnia. Wyniki optymalizacji przedstawiane są przez autorów w postaci wykresu ruchu pociągów wraz z oznaczeniem zaplanowanych zamknięć torowych (rys. 4.3). Kolejna publikacja [43] przedstawia zastosowanie zaproponowanego modelu do rozwiązania praktycznego zagadnienia zaplanowania robót na rzeczywistym odcinku linii kolejowej o długości 913 km, wymagających 2-godzinnych zamknięć torowych w ciągu doby.

Rys. 4.3. Wykres ruchu pociągów z zaplanowanymi zamknięciami torowymi (oznaczonymi kolorem żółtym) na potrzeby przeprowadzenia robót utrzymaniowych w torach analizowanego fragmentu sieci kolejowej, w przedziale 25 godzin

źródło: [41]

Szczegółowy opis sposobu określenia poszczególnych kosztów, wchodzących w skład funkcji celu omawianego modelu, został przedstawiony w publikacji [42].

Artykuł omawia wpływ czasu trwania pojedynczego zamknięcia torowego na koszt realizacji robót i koszt utrudnień ruchowych. Wykonanie robót w kilku krótkich

4. Dotychczasowy stan wiedzy o wpływie kolejowych robót budowlanych na ruch pociągów

37 zamknięciach torowych pozwala zredukować wpływ robót na ruch pociągów, ale jednocześnie wiąże się z niską efektywnością wykorzystania maszyn.

Dla analizowanego przykładu linii jednotorowej, obciążonej wyłącznie ruchem pociągów towarowych autorzy wskazują na możliwość wyznaczenia takiego czasu trwania zamknięcia torowego, dla którego suma analizowanych kosztów osiąga wartość minimalną (rys. 4.4).

Rys. 4.4. Zależność kosztu utrudnień ruchowych i kosztu realizacji robót od czasu trwania pojedynczego zamknięcia torowego dla modelowego odcinka linii jednotorowej obciążonej ruchem pociągów towarowych

źródło: opracowanie własne na podstawie [42]

Inny model optymalizacyjny przedstawia publikacja [18], poświęcona planowaniu krótkich zamknięć torowych z minimalizacją koniecznych modyfikacji rozkładu jazdy pociągów. Publikacja dowodzi możliwości wykorzystania opracowanej metody do rozwiązania praktycznego problemu – przedstawiono w niej przykład obliczeniowy dla fragmentu szwedzkiej sieci kolejowej, obejmującego linie o łącznej długości ponad 100 km, a analizą objęto dobowy rozkład jazdy 94 pociągów. Jako wynik analiz podano zależność wydłużenia czasu jazdy pociągów i liczby odwołanych pociągów od czasu trwania zamknięcia torowego (rys. 4.5).

38 Rys. 4.5. Utrudnienia ruchowe w funkcji czasu trwania zamknięć torowych dla dobowego rozkładu jazdy pociągów dla analizowanego fragmentu sieci kolejowej Hallsberg – Vanneboda – Arboga w Szwecji

źródło: opracowanie własne na podstawie wyników analiz przedstawionych w publikacji [18]

Opisane powyżej modele dotyczą robót obejmujących konserwacje oraz remonty – naprawy bieżące⁵, możliwych do wykonania podczas kilkugodzinnych zamknięć torowych w dobie, co sprawia, że opracowanych modeli nie można wykorzystać bezpośrednio do analizy kompleksowych napraw główny oraz modernizacji. O ile niektóre modele dają możliwość uwzględnienia ograniczeń prędkości w sąsiedztwie miejsca robót przy zamknięciach jednotorowych (np. [22, 41]), to nie uwzględniają one poprawy parametrów eksploatacyjnych, takich jak np. prędkość maksymalna, po zakończeniu robót. Ponadto w przypadku prostych robót remontowych (np. podbicie toru) uzasadnione jest założenie przyjęte w modelu, że nie jest rozważana równoczesna realizacja robót przez dwa lub większą liczbę zespołów. Kompleksowe modernizacje wymagają analizy równoczesnej realizacji robót różnego typu na danym szlaku (np. roboty podtorzowe i punktowe roboty na obiektach inżynieryjnych), a także równoczesnej realizacji robót tego samego typu przez większą liczbę zespołów w celu skrócenia czasu zamknięcia. Przywołane publikacje nie uwzględniają również analizy

5 Należy zwrócić w tym miejscu uwagę na nazewnictwo rodzajów robót wykonywanych na liniach kolejowych – stosowane w publikacjach anglojęzycznych „maintenance” nie odpowiada terminowi „roboty utrzymaniowe” w rozumieniu zapisów Instrukcji Id-1 [75]. Porównując definicje zawarte w [96] i [75]

można wskazać następujące zależności:

 ang. maintenance: termin obejmujący konserwacje i remonty – naprawy bieżące,

 ang. renewal: remonty – naprawy główne,

 ang. upgrading: – modernizacje,

 roboty utrzymaniowe, obejmujące konserwacje i „remonty – naprawy bieżące” oraz „remonty – naprawy główne” nie mają odpowiednika w nomenklaturze anglojęzycznej.

4. Dotychczasowy stan wiedzy o wpływie kolejowych robót budowlanych na ruch pociągów

39 wpływu na ruch pociągów opóźnień w realizacji robót wskutek awarii maszyn, czy konieczności zmiany zakresu prac. O ile w przypadku napraw bieżących (np. podbicie toru) może to mieć pomijalne znaczenie, ponieważ tor może zostać otwarty dla ruchu natychmiast po usunięciu z toru maszyny, to w przypadku robót modernizacyjnych np. awaria pociągu do potokowej naprawy podtorza uniemożliwia ponowne otwarcie toru dla ruchu pociągów aż do zakończenia robót.

Sposób uwzględnienia ostatniego z elementów, czyli wpływu opóźnień robót na ruch pociągów (ale również opóźnień pociągów na realizację robót) rozważano w pracy [22]. Wynikiem zaprezentowanego w niej modelu optymalizacyjnego jest harmonogram robót na linii kolejowej, dla którego suma ważona opóźnień w realizacji robót oraz opóźnień pociągów osiąga wartość minimalną. Daną wejściową do modelu są m.in. prawdopodobieństwa opóźnień robót danego typu oraz opóźnień pociągów danej kategorii.

Opóźnienia robót na odcinkach linii kolejowych o niewielkim wykorzystaniu zdolności przepustowej nie zawsze będą skutkować istotnymi utrudnieniami w ruchu pociągów – w takich przypadkach analiza konsekwencji opóźnień robót wymaga analizy ruchu pociągów w warunkach zamknięć torowych. W przypadku linii o dużym wykorzystaniu zdolności przepustowej każde wydłużenie zamknięć torowych, niezgodne z planem, będzie skutkowało dużymi opóźnieniami, lub koniecznością odwołania pociągów [33]. W takich sytuacjach zastosowanie mogą znaleźć również wyniki prac dotyczących inżynierii przedsięwzięć budowlanych, ale nie dotyczące specyfiki kolejowej. Biorąc pod uwagę istotne ograniczenia zasobów (zwłaszcza specjalistycznych maszyn torowych), konsekwencje przekroczenia końcowego terminu realizacji robót (wydłużenie czasu zamknięcia torowego), a także dużą niepewność wydajności robót, uzależnioną od zmiennych warunków lokalnych na długości linii kolejowej, szczególnie interesująca wydaje się możliwość zastosowanie metody „Critical Chain Scheduling and Buffer Management” [91]. Zgodnie z założeniami tej metody w harmonogramie należy planować stosunkowo krótkie czasy trwania poszczególnych czynności, a uzyskane w ten sposób rezerwy czasu gromadzić w postaci buforów, wykorzystywanych do zabezpieczenia kluczowych terminów realizacji robót [90].

Modele dotyczące kompleksowych napraw głównych i robót modernizacyjnych przedstawia m.in. praca [104] prezentująca narządzie wspomagania decyzji PACE opracowane dla Aurizon Holdings Limited – zarządcy australijskiej sieci kolejowej

40 obsługującej transport węgla kamiennego w rejonie wydobywczym w stanie Qeensland (Central Queensland Coal Network). Ponieważ analiza dotyczy transportu towarowego, to jej celem jest utrzymanie wymaganej przepustowości sieci kolejowej podczas wykonywania robót, umożliwiającej realizację zakontraktowanych zadań przewozowych. Ograniczenie analiz wyłącznie do przepustowości nie pozwala na uwzględnienie wydłużenia czasu jazdy pociągów, co znacznie ogranicza możliwość zastosowania zaprezentowanego narzędzia do sieci kolejowej o ruchu mieszanym (pasażerskim i towarowym).

Inne publikacje odnoszące się do kompleksowych robót remontowych i modernizacyjnych nie analizują wprost utrudnień w ruchu pociągów, a główne wysiłki położone są na planowanie pracy zespołów i maszyn [20, 73]. Warto zwrócić uwagę, że powyższe prace uwzględniają wpływ prowadzenia robót na ruch pociągów w sposób bardzo uproszczony – np. w modelu przedstawionym w pozycji [20] przyjęto wyłącznie założenie, że liczba robót równocześnie wykonywanych na trasie danego pociągu nie może przekroczyć ustalonej wartości maksymalnej, przyjmowanej jako dana do analiz. Nie wyjaśniono zależności występujących pomiędzy tą wartością a wielkością utrudnień w ruchu pociągów.

Biorąc pod uwagę klasyfikację stosowanych modeli w przedstawionych publikacjach dominują modele optymalizacyjne sformułowane w postaci zagadnień programowania liniowego mieszanego⁶ (m.in.: [2, 15, 18, 20, 41]). Do ich rozwiązania autorzy badań proponują zastosowanie algorytmów heurystycznych (np. [15, 20, 22]) lub komercyjnych programów, tzw. „solverów” (np. Gurobi Optimizer [41] lub IBM ILOG CPLEX [15]).