„Eco-mobilność” – w kierunku nowych systemów i środków mobilności uwzględniających potrzeby aglomeracji miejskich i osób niepełnosprawnych

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 98. Transport. 2013. Wodzimierz Choromaski Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu. „ECO-MOBILNO ” – W KIERUNKU NOWYCH SYSTEMÓW I RODKÓW MOBILNO CI UWZGLDNIAJ CYCH POTRZEBY AGLOMERACJI MIEJSKICH I OSÓB NIEPENOSPRAWNYCH Rkopis dostarczono, czerwiec 2013. Streszczenie: Praca analizuje wspóczesne problemy szeroko rozumianej mobilnoci, ze szczególnym uwzgldnieniem mobilnoci realizowanej z wykorzystaniem innowacyjnych rodków i systemów transportowych. Du a uwaga skierowana jest na systemy APM & ATS (Automated People Movers & Automated Transit Systems). Uwzgldnione s przy tym tzw. „czyste technologie”. Praca bazuje na wynikach projektu ECO-Mobilno. Ze wzgldu na szeroko problemu oraz ograniczony zakres artykuu praca stanowi ograniczon, subiektywn wypowied koordynatora wspomnianego projektu dotyczc problemów Eco-Mobilnoci. Sowa kluczowe: Eco-Mobilno, APM, ATS. 1. WPROWADZENIE We wstpie zdefiniujmy pewne pojcia , tak jak rozumiane one bd w niniejszej pracy. Otó pod pojciem mobilnoci rozumie bdziemy mo liwo przemieszczania si ludzi bez lub z wykorzystaniem rodków wspomagajcych ten proces. W przypadku wykorzystania rodków technicznych istotne jest czy owe rodki zasilane s miniami czowieka (rowery, bierne egzoszkielety, aktywne wózki inwalidzkie) czy zasilane s z zewntrznych róde energii (aktywne egzoszkielety, elektryczne wózki inwalidzkie). Oczywicie tak okrelone pojcie mobilnoci ma charakter niezwykle szeroki i obejmuje zarówno rodki i systemy transportowe jak równie elementy mobilnoci bardziej osobistej jak wspomniane egzoszkielety, czy elementy przywracajce nasz “mobilno” a majce charakter klinicznych urzdze ortopedycznych. Aby zredukowa ju i tak szerokie spectrum analiz w przypadku transportu ograniczmy nasze rozwa ania do transport miejskiego lub lokalnego (np. w obszarze lotniska). Przedrostek „ECO” dotyczy zastosowa tak zwanych „czystych technologii” jakkolwiek sowo to czsto rozumiane.

(2) 56. Wodzimierz Choromaski. jest niezbyt precyzyjnie. Powstaje pytanie dlaczego, szczególnie w ostatnich dekadach, wzrasta zainteresowanie problemami „Eco-mobilnoci”, przy czym pojcie to bywa okrelane niekoniecznie cile z jego rozumieniem podanym powy ej przez autora. Wydaje si, e sporód „tysica powodów” tego faktu mo na wymieni kilka szczególnie wa nych: 1. Problemy transportu miejskiego, zatory ruchu, wypadkowo itd.; 2. Zanieczyszczenie rodowiska, szczególnie CO2; 3. Energochonno i materiaochonno transportu; 4. „Widmo” wyczerpujcych si klasycznych róde energii (ropa naftowa); 5. Du e koszty infrastruktury i eksploatacji niektórych systemów transportowych; 6. Zmieniajca si wiekowa struktura spoeczestw Europy i Ameryki Pónocnej. W zasadzie ka dy punkt wymieniony powy ej wymaga osobnej dyskusji. Ograniczmy si do pobie nej analizy. Odnonie punktu 1 to w du ych miastach oczywicie najlepszym rozwizaniem jest rozbudowana sieci metra. Jest to jedna rozwizanie niezwykle drogie a w warunkach polskich, poza Warszaw, praktycznie nie do wdro enia. Punkt dwa wymaga przynajmniej maej dyskusji, poniewa czsto mylnie pojazdy z napdem elektrycznym uto samiane s z pojazdami ekologicznymi. Aby rozwa a czy np. pojazd z napdem elektrycznym zasilany bateriami litowo-jonowymi jest ekologiczny nale y przeanalizowa midzy innymi: rodki wytwarzania energii elektrycznej (w Polsce s to w dalszym cigu w wikszoci elektrownie wglowe), problemy recyklingu zespoów pojazdu (np. wspomnianych ju baterii litowo-jonowych) itd. Punkty 3,4 i 5 nie wymagaj zbytniego komentarza. Skupmy si natomiast na nie zawsze dostatecznie uwiadamianym punkcie 6. Spoeczestwa zwaszcza Europy i Ameryki Pónocnej starzej si. Przy zachowaniu aktualnych trendów demograficznych w cigu najbli szych 30 lat odsetek ludzi w wieku powy ej 65 roku ycia w Polsce osignie 25%. To w du ej mierze s osoby niepenosprawne (gama chorób prowadzca do niepenosprawnoci w okresie starczym jest bardzo liczna). Zwikszenie mobilnoci tej wanie grupy osób jest autentycznym wyzwaniem równie dla in ynierów. Na rysunku 1 podano dane GUS z 2010 r. W Polsce zarejestrowanych jest ponad 5 milionów osób niepenosprawnych. Na rysunku 1 podano procent osób niepenosprawnych z ograniczona mobilnoci. Rys. 1. Osoby z ograniczona mobilnoci w % (dane GUS 2010 r.).

(3) „ECO-mobilno” – w kierunku nowych systemów i rodków mobilnoci uwzgldniajcych …. 57. W rozdziaach poni ej autor skrótowo opisze systemy i rodki dotyczce eco-mobilnoci, które byy przedmiotem kierowanego przez niego projektu.. 2. PERSONAL RAPID TRANSIT Obecnie na wiecie mo na zaobserwowa trend do rozwijania systemów okrelanych mianem APM & ATS. Znakomity opis osigni i prognoz dotyczcy tej grupy systemów mo na znale w [1]. W literaturze [1,9] mo na spotka inne jeszcze okrelenia nowych systemów transportowych jak: GRP (Group Rapid Transit), AGT (Automated Guided Transit) , PRT (Personal Rapid Transit). Szczegóowe klasyfikacje tego typu systemów mo na znale w pracy [9]. Tutaj ograniczymy si do stwierdzenia, e chodzi o systemy na ogó poruszajce si po torze, bez kierowcy /motorniczego/ wyposa one w bardziej lub mniej zaawansowane systemy sztucznej inteligencji, „przyjazne” pasa erom w tym pasa eróm niepenosprawnym. Przykadem takiego systemu jest PRT [1,2,5,7,9]. PRT jest nowym systemem transportu miejskiego jakkolwiek sama idea PRT siga lat 50 ubiegego wieku (USA). System skada si z wielu pojazdów (najczciej 3-4 osobowych) cakowicie zdalnie kierowanych (bez udziau kierowcy) realizujcego transport „door to door” tzn. od przystanku pocztkowego do kocowego bez przystanków porednich. Pojazdy poruszaj si po lekkiej infrastrukturze napowietrznej atwo skalowalnej tzn. atwo podlegajcej rozbudowie o nowe elementy sieci /linie przystanki itd./. Napd pojazdów jest elektryczny. Komisja Europejska postrzega w PRT by mo e nowe rozwizanie dla systemów transportowych w miastach. Obecnie odpowied na temat zasadnoci wprowadzania tego systemy jest wci otwarta. Podstawowe problemy , które si pojawiaj dotycz: 1) Rozwiza z zakresu zaawansowanych problemów in ynierskich z mechaniki i mechatroniki; 2) Zagadnie sterowania i zarzadzania ruchem; 3) Odpowiedzi na pytania dotyczce ekonomicznoci nowego rozwizania oraz problemów prawnych zwizanych z jego wdro eniem; 4) Odpowiedzi na pytanie dotyczce efektywnoci transportowej zwaszcza dla wersji High Capacity [7]; 5) Bezpieczestwa i niezawodnoci. Odpowiedzi na powy sze problemy o tyle s zo one, e jest to nowa technologia transportowa i aktualnie mo na mówi o jednym tylko wdro eniu PRT: system ULTRA na lotnisku Heatrow (rozwizujcy lokalne problemy transportowe). Jakkolwiek zgodnie z raportami, które zostay przedstawione na konferencji APM & ATS (USA Phoenix, 2013) Ultra jest sukcesem nie tylko technologicznym, nie tylko systemem osigajcym bardzo du e uznanie przez pasa erów ale równie systemem, który odniós sukces ekonomiczny. Zdaniem autora analiza i projektowanie nowych systemów wymaga zastosowa nie tylko innowacyjnych technologii, ale równie masowego zastosowania technik symulacji komputerowej (mimo caej uomnoci tej metody badawczej) i analiz wra liwociowych..

(4) 58. Wodzimierz Choromaski. W ramach projektu „Eco-Mobilno” przeprowadzono badania w tym: symulacyjne badania komputerowe, badania eksperymentalne na zbudowanych prototypach autorskiego systemu PRT. Na rys. 2 pokazano projekt kabiny pojazdu PRT.. Rys. 2. Przykadowy wizerunek pojazdu PRT (projekt ECO-Mobilno). Podstawowe zao enia do rozwizania proponowanego dla projektu: 1) Maksymalna prdko: ok. 50 km/h, separacja 10 m, 2) System PRT realizowany bdzie z wykorzystaniem pojazdów czteroosobowych (wymagana lekka infrastruktura, realizacja systemów „door to door”) poruszajcych si z wykorzystaniem napdu elektrycznego (silnik liniowy) na szynie napowietrznej (pojazd osadzony jest na torze (ang. Supported) a nie zawieszony (ang.suspended)) 3) Podstawowe znaczenie dla systemów PRT maj zwrotnice, umo liwiajce zmian kierunku jazdy. Zwrotnice maj by statyczne - nie wymagajce adnych elementów ruchomych. Zmiana kierunku jazdy realizowana bdzie poprzez specjalne mechanizmy, w które wyposa one zostan pojazdy, 4) Sie „dróg” dla pojazdów PRT jest dwuwarstwowa i skada si z warstwy I (w skad, której wchodz tzw. magistrale gówne, po których poruszaj si pojazdy ze sta prdkoci V (ok. 50 km/h) przy separacji 10 metrowej oraz warstwy II (w skad, której wchodz drogi, po których pojazdy poruszaj si z mniejsz prdkoci (0-50 km/h i która realizuje istot transportu „door to door” tzn. transport pasa era od miejsca w bezporedniej bliskoci jego przebywania na pocztku podró y do miejsca bezporedniej bliskoci miejsca docelowego podró y 5) Pojazdy PRT musz mie gabaryty zgodne z wymogami ergonomicznymi oraz umo liwia transport osób niepenosprawnych (w szczególnym przypadku po zo eniu siedzisk - wjazd wózka inwalidzkiego z osob obsugujc ten wózek), Na rysunkach 3 oraz 4 pokazano w sposób uproszczony elementy skadowe systemu PRT oraz zakresy prac objte projektem Eco-Mobilno..

(5) „ECO-mobilno” – w kierunku nowych systemów i rodków mobilnoci uwzgldniajcych …. 59. Rys. 3. Elementy systemu PRT, zakresy prac objte projektem Eco-Mobilno. Niektóre elementy opracowanego w ramach projektu ECO-Mobilno systemu PRT, które bd przedmiotem wdro enia s nastpujce: 1. Moc ukadów napdowych ok 18 kW, 2. Jako jednostka napdowa: silnik liniowy (oryginalne rozwizanie konstrukcyjne), 3. System rekuperacji energii /z zastosowaniem superkondensatora/, 4. Bezprzewodowy przesy energii do pojazdu (ogólna struktura pokazana na rys. 4),. Rys. 4. Ogólna struktura ukadu napdowego i zasilania energetycznego /opracowanie wasne – projekt ECO-Mobilno/. 5. Hierarchiczny system komputerowy (rys. 5) ze sterownikami obszarowymi do zarzadzania i sterowania ruchem pojazdów w tym system obsugi sprzeda y biletów, wyboru trasy, kontaktu z pasa erami w przypadkach zagro enia, system informatyczny zwizany z przekazywaniem aktualnych wiadomoci oraz dotakowych informacji (wiadomoci reklamy itd.). System wykorzystuje najnowsze technologie ITS i ma charakter interoperacyjny. 6. Wybór trasy z monitora dotykowego wewntrz pojazdu. Mo liwo dopasowania projektu kabiny do indywidualnych ycze warunkowanych potrzebami miasta i charakterem wykorzystania PRT (typowo transportowa, turystyczna itd.)..

(6) 60. Wodzimierz Choromaski. Rys. 5. Ogólna struktura systemu komputerowego (opracowanie wasne – projekt ECO-Mobilno). Osobnego komentarza wymaga omówienie systemu zarzdzania i sterowania ruchem. Wprawdzie ogólna struktura systemu zostaa omówiona na rys 6, nie wyjania ona jednak podstawowej „filozofii” funkcjonowania systemu. W pracach [2,5] szczegóowo opisano algorytmy, tutaj ograniczymy si do uwag ogólnych. Sie PRT mo e mie posta jak na rysunku 6.. wejciowy Output buffer. Debarking berth. Other berths. Boarding berth. a)inline. Input buffer. Output buffer. Stub berths b)stubberths. Fig.1stationtypes. Rys. 6. Struktura sieci PRT oraz wybrane elementy tej struktury (dwa typy przystanków). ‫ݐ‬௕ ൌ. ݀‫݈ܽ݊ܽ݉݅݊݅݉ܽ݃݋ݎ‬ ൗ݉ܽ݇‫݋݇݀¸ݎ݌݈ܽ݊ܽ݉ݕݏ‬ä©݀‫݈ܽ݊ܽݖܿݖݏݑ݌݋‬. (1). Teoretyczny minimalny czas podró y midzy dwoma przystankami (przypominamy, e obowizuje zasada „door to door”) wyra a si równaniem (1). Zakada si, e w przypadku równania (1) pojazd jest jedynym pojazdem w sieci (nie ma opó nie powodowanych np..

(7) „ECO-mobilno” – w kierunku nowych systemów i rodków mobilnoci uwzgldniajcych …. 61. zatorami). Oczywicie czas podró y w stosunku do okrelonego równaniem (1) jest, czy mo e by, znaczco du szy: ‫ݐ‬௖௔௟௞௢௪௜௧௬ ൌ ‫ݐ‬௕ ൅ ‫ݐ‬௢௣ ሺʹሻ Na czas top skada si wiele czynników : zatory, czasy przyspiesze i opó nie pojazdów, czasy wsiadania i wysiadania, gsto sieci PRT, struktury przystanków, jako algorytmów sterowania i zarzdzania ruchem pojazdów z pasa erami i pojazdów bez pasa erów itd. itp. Wanie okrelenie czasu top jest przedmiotem sporów w ocenie wydajnoci systemu PRT. Autor w analizach symulacyjnych przyj wasna definicj pojemnoci systemu PRT: Def. Pojemno systemy PRT okrelamy jako maksymalna liczb pasa erów jaka mo e obsu y sie PRT w jednostce czasu tak by czas top nie przekroczy wartoci granicznej ο‫ݐ‬௢௣ . Badania wydajnoci sieci PRT praktycznie mog by realizowane tylko metodami symulacyjnymi. W pracy [5] autorzy wykazali, e przy trafnie dobranej topologii sieci ta wydajno mo e by porównywalna a nawet lepsza od sieci autobusowych czy tramwajowych. Do symulacji ruchu zastosowano teori automatów komórkowych. Osobnym problemem, który tylko zostanie zasygnalizowany jest problem niezawodnoci i bezpieczestwa. Szczególnie, w przypadku gdy sygnay transmisyjne przekazywane s droga bezprzewodow.. 2.1. ECO SAMOCHÓD. POZOSTAE SYSTEMY: WÓZKI INWALIDZKIE, EGZOSZKIELET Podstawowe zao enia przyjte w projekcie ECO-samochodu s nastpujce: • Przeznaczenie: tereny wyczone z ruchu pojazdów spalinowych lub o ograniczeniach ruchu tych pojazdów • Max. prdko 50 km/h, zasig 100 km, przeznaczony jako przede wszystkim samochód wypo yczany • Pojemno 4 osoby lub wózek inwalidzki i 3 osoby • Przyjazny rodowisku (napd elektryczny), atwy w prowadzeniu (wykorzystane technologie : drive by wire, break by wire) • kierowcy:– osoby sprawne, osoby niepenosprawne z upoledzeniem dolnego ukadu ruchowego poruszajce si na aktywnych wózkach inwalidzkich . Unikalny system wjazdu i zamocowa wózków inwalidzkich • Oryginalny system nawigacji satelitarnej • System wypo yczenia samochodu i opat z wykorzystaniem telefonu komórkowego • Infrastruktura adowania i wymiany akumulatorów. Niektóre kluczowe elementy ECO-samochodu zostay przedstawione na rysunku 6 za na rysunku 7 pokazano niektóre cech funkcjonalne..

(8) 62. Wodzimierz Choromaski. a). b) Rys. 7. a) Elementy ECO-Samochodu, b) Zarys struktury elektrycznej i napdowej. Rys. 8. Niektóre funkcje i konfiguracje Eco samochodu.

(9) „ECO-mobilno” – w kierunku nowych systemów i rodków mobilnoci uwzgldniajcych …. 63. Samochód cakowicie zosta zaprojektowany (aktualnie wykonywany jest prototyp) w ramach projektu ECO-Mobilno. Za szczególnie innowacyjne autor projektu uwa a: uwzgldnienie w ukadzie zasilania hybrydy elektrycznej: akumulatory litowo-jonowe – superkondensator; mo liwo kierowania wózkiem poprzez kierowc niepenosprawnego na wózku inwalidzkim, wasne rozwizanie ukadu drive by wire oraz brake by wire; oryginalny inteligentny interfejs do kierowania samochodem przez u ytkownika aktywnego wózka inwalidzkiego. Samochód niewtpliwie ( mimo ró nic w celach projektów oraz zdecydowanie wikszym zasigiem projektu Google’a) nawizuje w niektórych istotnych punktach do projektu Google driverless car kierowanego przez Sebastiana Burkhard Thrun’a z Uniwersytetu Stanforda. Istotnym elementem systemu eco samochodu jest jego interoperacyjno tzn mo liwo wspópracy z innymi rodkami wspomagajcymi mobilno osób niepenosprawnym. Chodzi tutaj o wózek inwalidzki o napdzie elektrycznym, wózek o napdzie rcznym oraz egzoszkielet. Wymienione elementy stanowi element infrastruktury systemu eco samochodu. Wnosz one równie istotne elementy innowacyjnoci. I tak wózek inwalidzki wyposa ony jest w funkcje: pokonywania przeszkód (rys. 9).. Rys. 9. Wózek inwalidzki przeznaczony do systemu Eco samochodu.

(10) 64. Wodzimierz Choromaski. Na rysunku 10 przedstawiono z kolei aktywny wózek inwalidzki o napdzie d wigniowym stanowicym równie integralny element eco-samochodu. To wanie u ytkownik wózków aktywnych mo e by potencjalnym kierowc eco-samochodu.. Rys. 10. Aktywny wózek inwalidzki z napdem d wigniowym: projekt, stanowisko do bada i jednoczenie symulator do nauki poruszania si wózkiem z torem komputerowo wizyjnym (opracowanie wasne: projekt ECO-Mobilno). Wspomniane wózki opracowane zostay w ramach PO IG program: ECO-Mobilno. Szczegóy konstrukcji i zasady sterowania opisane zostay midzy innymi w [3,4]. Z kolei na rysunkach 11, 12 przedstawiono ukady pionizacji (tzw egzoszkielety), które te stanowi cz integralna systemu eco samochodu. Na rysunku 7 ukady zagraniczne (Izrael, USA) na rysunku 8 ukad opracowany w ramach POIG „Eco-Mobilnoc”). Rys. 11. Ukad egzoszkieletu – rozwizania zagraniczne (izraelski rewalker oraz egzoszkielet opracowany na Uniwersytecie Berkeley).

(11) „ECO-mobilno” – w kierunku nowych systemów i rodków mobilnoci uwzgldniajcych …. 65. Rys. 12. Ukad egzoszkieletu opracowany w ramach realizacji programu POIG Eco-Mobilno. Egzoszkielety stanowi ukady „zewntrznych mini” wspomagajcych lub zastpujcych ukady misni biologicznych.. 3. PODSUMOWANIE Przedstawione w pracy rozwizania zrealizowane w ramach projektu Eco-Mobilno stanowi tylko may fragment prac realizowanych na wiecie i w kraju dotyczcych mobilnoci. Trudno jest na tym etapie rozstrzygn jakie rozwizania zostan zaakceptowane, upowszechnione oka si ekonomiczne. Tym niemniej bez adnych wtpliwoci mo na obserwowa „gód” na innowacyjne rozwizania w zakresie mobilnoci. Ju dzisiaj, jeszcze w ograniczonym zakresie, wspaniae nowe systemy zostay wdro one wprawdzie w szczególnych miejscach np. w transporcie przylotniskowym. Mo na tu chocia by wymieni system ULTRA na lotnisku w Heathrow czy synny system ATS – SKYTRAIN w Phoenix USA opracowany przez firm Bombardier. Na koniec autor pragnie podzieli si dwiema refleksjami. Po pierwsze projekty w zakresie eco-mobilnoci maj charakter interdyscyplinarny i wymagaj wspópracy specjalistów co najmniej z zakresu: informatyki, mechatroniki, teorii sterowania, telekomunikacji, materiaoznawstwa. Po drugie projekty te s niezwykle innowacyjnogenne. A zatem je eli nawet w sensie caociowym nie doczekaj si penego wdro enia, to generuj rozwizania, które czciowo z du ym prawdopodobiestwem bd zastosowane. Acknowledgements Publication part-financed (85%) by the European Union within the European Regional Development Fund (the ECO-Mobility project WND POIG.01.03.01-14-154/09, 20092013 leaded by W. Choromanski)..

(12) 66. Wodzimierz Choromaski. Bibliografia 1. AMP & ATS Half a Century of Automatem Transit – Past , Present Future: Conference Proceedings of the 14 th International Conferences , published by American Society of Civil Engineering, Phoenix 2013. 2. Choromaski W et al..: Personal Rapid Transit – computer simulation results and general design principles, Conference Procedings, APM&ATS, p.276-296. Phoenix 2013. 3. Choromaski W.: Mechatroniczne Wózki Inwalidzkie. Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 2007. 4. Choromaski W., Fiok K., Dobrzyski G., [1].: Optimizing the lever propelling system for manual wheelchairs, Bulletin of the Polish Academy of Sciences – Technical Sciences Vol.60 No 4, pp. 793-800, Warszawa 2013. 5. Choromaski W., Daszczyk W., Brach P. : PRT – Computer Network Simulation and Analysis of Flow Capacity, , Conference Procedings, APM&ATS, p.296-313, Phoenix 2013. 6. Gaca S., Suchorzewski W., Tracz M.: In ynieria Ruchu Drogowego – Teoria i Praktyka, Wydawnictwa Komunikacji i acznoci, Warszawa, 2009. 7. Irwing, J. et al. 1978 „Fundamentals of Personal Rapid Transit”, Lexington books, Lexington MA, 1978. 8. Ulsoy A.G., Peng H., Cakmakci M. : Automotive Control Systems, Cambridge University Press, 2012. 9. Vuchic V.R: Urban Transit, Systems and Technology, John Wiley & Sons, New Jersey, 2007.. „ECO-THE MOBILITY” - TOWARDS OF NEW SYSTEMS AND MEANS OF MOBILITIES TAKING INTO ACCOUNT OF THE NEED OF URBAN AGGLOMERATIONS AND HANDICAPPED PERSONS Summary: The work analyses present problems of the widely understood mobility, with particular reference to the mobility realized with the utilization of innovative resources and forwarding systems. The large attention directed is on systems APM & ATS (Automated People Movers & Automated Transit Systems). Taken into account are at this so called „clean technologies”. The work bases herself on performance of the project ECO-the Mobility. For the width of the problem and the limited range of the article the work to the state the subjective statement of the coordinator of the remembered project. Keywords: Eco-Mobility, Automated Transit Systems, Automated People Movers.

(13)