„POJAZDY SZYNOW E'98’' Seria: TRANSPORT z.3 1, nr kol. 1392
Krzysztof STĘPIEŃ
KOMPLEKSOWY SYMULATOR LOKOMOTYWY ELEKTRYCZNEJ DLA POLSKICH KOLEI PAŃSTWOWYCH
Streszczenie. W referacie opisano symulator lokomotywy elektrycznej dla PKP przeznaczony do szkolenia maszynistów. Referat podaje krótki opis techniczny symu
latora, przedstawiając jego budowę, funkcje szkoleniowe oraz możliwości badawczo- rozwojowe.
THE TRAIN-DRIVING SIMULATOR FOR THE POLISH STATE RAILWAYS
Summary. The paper describes a new train-driving simulator made for the Polish State Railways. The paper gives a short technical description of the device, showing its structure as well as training, research and development possibilities.
WSTĘP
W Centrum Szkolenia i Doskonalenia Kadr Kolejnictwa w Ośrodku Szkolenia w Warsza
wie zainstalowany jest kompleksowy symulator lokomotywy elektrycznej serii EP09 (ry s.l).
W odróżnieniu od symulatorów uproszczonych (np. stacjonarnych) jest to symulator kom
pleksowy. w pełni odtwarzający środowisko wewnętrzne kabiny lokomotywy elektrycznej.
Zapewnia on dostarczenie wszystkich bodźców oddziałujących na zmysły wzroku, słuchu i równowagi człowieka, przez co odbiera on złudzenie rzeczywistej jazdy.
W zasadzie symulator odwzorowuje lokomotywę pasażerską serii EP09, która na sieci PKP jest używana do prowadzenia pociągów pasażerskich z maksymalną prędkością 160 km/h. Niemniej jednak w celu umożliwienia szkolenia w zakresie prowadzenia pociągów towarowych w symulatorze możliwa jest zmiana modelu układu napędowego tak, aby uzy
skać charakterystykę trakcyjną odpowiednią do prowadzenia takich pociągów.
W aktualnej wersji symulacja jazdy odbywa się na trasie Warszawa- Kraków o łącznej długości około 300 km. Trasa ta składa się z odcinków 4 linii kolejowych różniących się mię
dzy sobą stanem utrzymania nawierzchni, prędkością maksymalną, zastosowanymi urządze
niami sterowania ruchu kolejowego oraz urozmaiceniem profilu podłużnego.
252 K. Stępień
R y s . I . W id o k z e w n ę t r z n y s y m u l a t o r a F i g . l . T h e o u t s i d e v ie w o f th e s im u l a to r
BUDOWA SYMULATORA
Symulator składa się z następujących podzespołów:
• kabiny,
• stanowiska ruchowego,
• systemu wizualizacji,
• systemu udźwiękowienia,
• stanowiska instruktora,
• systemu sterowania.
Kabina maszynisty
Wnętrze kabiny maszynisty (rys.2) jest idealną kopią kabiny odwzorowywanego pojazdu.
Wszystkie urządzenia sterownicze, pomiarowe i kontrolne są zastąpione imitatorami, których wygląd zewnętrzny, wskazania lub oddziaływanie na operatora jest identyczne do zastosowa
nego w pojeździe rzeczywistym. Tuż za kabiną znajduje się niewielkie pomieszczenie, będące skróconą wersją podziału maszynowego lokomotywy. Znajdują się w nim imitatory wszyst
kich urządzeń sterowniczo-kontrolnych umieszczonych w przedziale maszynowym lokomo
tywy, które podlegają obsłudze oraz specjalne urządzenie imitujące czynności maszynisty wykonywane poza lokomotywą.
R y s .2 . W n ę tr z e k a b i n y s y m u l a t o r a F ig .2 . T h e s i m u l a t o r ’s c a b in s id e
Stanowisko ruchowe
Układ ruchu kabiny o 6 stopniach swobody odwzorowuje wrażenia i odczucia pochodzą
ce od przeciążeń, jakich doznaje człowiek w wyniku zmian położenia kabiny lokomotywy w czasie jazdy. Układ zapewnia symulację przyspieszeń wynikających z:
• poruszania się wzdłuż toru kolejowego (hamowanie, przyspieszenie, oddziaływanie od
środkowe na łukach),
• oddziaływania dynamicznego wagonów w obrębie pociągu (w tym z nabiegania wago
nów, naciągania składu itp.),
• nierówności toru (i rozjazdów),
• symulacji wypadków kolejowych.
Kabina symulatora poruszana za pomocą zespołu siłowników hydraulicznych, na których jest zamocowana. Z zespołem tym współpracuje układ zasilania hydraulicznego.
System wizualizacji
W symulatorze zastosowano układ projekcyjny, w skład którego wchodzi projektor tele
wizyjny znajdujący się nad kabiną symulatora oraz ekran sferyczny umieszczony przed prawą szybą czołową kabiny. Obraz widziany przez maszynistę generowany jest komputerowo u technice na podstawie wcześniej przygotowanej bazy danych opisującej linię kolejową. Baza ta opracowana jest z dokumentacji geodezyjnej linii, map topograficznych jej otoczenia lub zdjęć satelitarnych oraz filmów i fotografii poszczególnych obiektów. Zastosowana technolo
gia wizualizacji uwzględnia szczegółowo najistotniejsze elementy widziane w rzeczywistości przez maszynistę, takie jak: układy torowe, szyny, rozjazdy, wskaźniki, sygnalizatory, słupy i
254 K. Stępień
sieć trakcyjną, zabudowania stacyjne, tunele, lasy. drogi, jeziora i rzeki oraz rzeźbę terenu.
Mniej szczegółowo zobrazowane są elementy znajdujące się w dalszej odległości od toru.
Rys.3 przedstawia przykład obrazu generowanego przez układ wizualizacji symulatora.
R y s .3 . S ta c ja I d z i k o w i c e w w ir t u a l n y m ś r o d o w i s k u s y m u la to r a F ig .3 . I d z i k o w i c e r a i lw a y s ta t io n in th e s i m u l a t o r ’s v ir tu a l e n v i r o n m e n t
System udźwiękowienia
Zadaniem systemu udźwiękowienia jest dostarczenie szkolonemu maszyniście odpowied
nich bodźców akustycznych, które są istotne przy podejmowaniu decyzji podczas prowadze
nia pociągu lub wpływają na zwiększenie realności jego odczuć. Dźwięki te mają dla niego wartość dodatkowego źródła informacji o prawidłowości przebiegu jazdy oraz pełnią funkcję zakłóceń wpływających na zmęczenie, czas reakcji i poczucie dyskomfortu. W symulatorze jest zainstalowany generator dźwięku, który tworzy tło akustyczne charakterystyczne dla pra
cy urządzeń lokomotywy i odgłosów pochodzących z zewnątrz. Wszystkie te efekty są syn
tetyzowane za pomocą cyfrowej metody dźwięku próbkowanego na podstawie pomiarów i analizy hałasu występującego w różnych stanach pracy pojazdu rzeczywistego, po czym zo
stają wzmacniane przez szerokopasmowe wzmacniacze foniczne i emitowane w kabinie przez głośniki.
Stanowisko instruktora
Stanowisko instruktora służy do sterowania pracą wszystkich układów symulatora oraz do przygotowania danych początkowych dla ćwiczeń, tj. liczby i typu wagonów w pociągu, cię
żaru hamującego, wyboru trasy przejazdu wraz ze wskazaniami semaforów, drogami przebie
gu na mijanych stacjach itp., a także do inicjowania pracy symulatora oraz nadzorowania pro
cesu szkolenia. Instruktor ma łączność z uczniem za pomocą imitacji rzeczywistego radiotele
fonu. Może on w każdej chwili przerwać ćwiczenie, powtórzyć jego trudne fragmenty itp.
Może także na bieżąco wprowadzić różne zakłócenia, jak np. „wygaszanie” semafora, zanik napięcia w sieci trakcyjnej, awarię silnika itp.
Stanowisko instruktora jest wyposażone w cztery monitory:
• monitor 1:
wraz z klawiaturą i m yszą służy do komunikacji z systemem informatycznym symu
latora, między innymi umożliwiając obserwację schematu linii kolejowej, na której prowadzone jest ćwiczenie, co zapewnia możliwość oceny sytuacji ruchowej przed prowadzonym pociągiem, a także umożliwia sterowanie urządzeniami sterowania ru
chu kolejowego oraz wprowadzenie dodatkowego oznakowania linii i sztucznych przeszkód,
• monitor 2:
- przekazuje repetycję obrazu projektora systemu wizualizacji przedstawiając dokładnie widok szlaku widzianego przez maszynistę,
• monitor 3:
przedstawia w formie zobrazowania przyrządów w kabinie maszynisty stan urządzeń sterująco-kontrolnych lokomotywy oraz parametry dotyczące jazdy (prędkość, prądy napięcia, ciśnienia w układzie pneumatycznym),
• monitor 4:
- przekazuje telewizyjny pogląd wnętrza kabiny maszynisty.
System komunikacji instruktora z układem sterującym jest zaprojektowany i wykonany bardzo przejrzyście i logicznie i nie wymaga od instruktora żadnych specjalistycznych umie
jętności.
System sterowania
System sterowania spełnia następujące funkcje:
• wykonuje w czasie rzeczywistym symulację pracy odwzorowywanej lokomotywy i pocią
gu:
w zakresie dynamiki, określając pozycję na szlaku, prędkość jazdy, przyśpieszenia ka
biny itp.,
w zakresie prawidłowego działania oraz awarii ich poszczególnych podzespołów (ha
mulców, silników, przetwornic, sprężarek, wentylatorów, styczników, przekaźników itp.),
• umożliwia transmisję danych między urządzeniami sterującymi znajdującymi się we
wnątrz kabiny symulatora (imitatorami nastawników jazdy, zaworów hamulcowych przełączników elektrycznych i pneumatycznych) a systemem komputerowym symulatora.
• steruje urządzeniami wykonawczymi poszczególnych podzespołów, tj. układem projek
cyjnym oraz systemem udźwiękowienia i ruchu kabiny w sposób określony przez pro
gram symulacyjny.
• steruje imitatorami urządzeń kontrolno-pomiarowych znajdujących się na stanowisku ma
szynisty wewnątrz kabiony (lampkami sygnalizacyjnymi, miernikami elektrycznymi, ma
nometrami, prędkościomierzami, bezpiecznikami) zgodnie z danymi uzyskiwanymi z pro
gramu symulującego,
• umożliwia instruktorowi przygotowanie ćwiczeń i kontrolę ich przebiegu oraz zapewnia pomoc w ich analizowaniu.
256 K. Stępień
FUNKCJE SYMULATORA
Jak już wcześniej powiedziano, symulator zapewnia możliwość symulacji prowadzenia pociągów pasażerskich i towarowych nie tylko w warunkach normalnych, ale przede wszyst
kim podczas występowania różnych stanów awaryjnych. Wynikać one mogą z niesprawności instalacji lokomotywy i pociągu, a także z występowania niebezpiecznych zakłóceń związa
nych z niekorzystnymi warunkami atmosferycznymi (mgła), nieprawidłowym funkcjonowa
niem urządzeń sterowania ruchu kolejowego oraz z zagrożeń związanych z nieprzestrzega
niem zasad sygnalizacji i prowadzenia ruchu.
Przed rozpoczęciem szkolenia instruktor wstępnie przygotowuje ćwiczenie wybierając:
• typ lokomotywy (pasażerska lub towarowa),
• odpowiedni skład wagonów,
• trasę przejazdu pociągu,
• porę doby
• pogodę, w tym stan widzialności.
• drogi przebiegu na poszczególnych stacjach przejazdu pociągu,
• wskazania semaforów, jeśli maja hyć inne niż to wynika z wybranych dróg przebiegu,
• dodatkowe oznakowanie linii kolejowej.
• sztuczne przeszkody.
Oczywiście, wszystkie te ustawienia mogą być zapisane w odpowiednim pliku konfigura
cyjnym do późniejszego wykorzystania. Większość tych wstępnych ustawień można zmieniać na bieżąco podczas wykonywania ćwiczenia.
Niesprawności techniczne lokomotywy i pociągu instruktor może w prosty sposób zada
wać za pom ocą wyboru pozycji odpowiedniej listy (menu) ze stanowiska instruktora podczas prowadzenia ćwiczenia. Można programowo zasymulować następujące grupy awarii:
• awarie w obwodzie głównym, w tym między innymi:
zwarcia w różnych częściach obwodu, awarie silników trakcyjnych,
połamanie pantografu,
samoczynne zadziałanie zabezpieczeń.
• awarie układu hamulcowego pociągu, w tym między innymi:
awarie zaworów hamulcowych, osłabienie hamowania,
zadziałanie hamulca bezpieczeństwa.
zerowanie składu pociągu,
nieszczelność układu hamulcowego pociągu, przeładowanie układu hamulcowego.
awarie sprężarki,
• awarie w obwodach pomocniczych wysokiego i niskiego napięcia, w tym:
zwarcia w różnych częściach obwodów.
- uszkodzenia przetwornic,
niesprawne ładowanie baterii pokładowej, samoczynne zadziałanie zabezpieczeń.
• awarie układu sterowania lokomotywy.
• awarie przyrządów i lampek sygnalizacyjnych,
• awarie radiotelefonu.
Ustawienia wszystkich parametrów związanych z przygotowaniem oraz modyfikacją trasy przejazdu wykonuje się za pomocą planu sytuacyjnego układu torowego trasy przejazdu. Jego wygląd jest podobny do analogicznych planów stosowanych w systemach sterowania ruchu kolejowego najnowszej generacji (rys.4), a sposób posługiwania się nim jest zmodyfikowaną i uproszczoną wersją obsługi układów rzeczywistych. Wszystkie sygnalizatory ustawiają się automatycznie stosownie do wybranej drogi przebiegu, przy czym wskazanie każdego sygna
lizatora można indywidualnie dowolnie zmieniać, doprowadzając do wystąpienia żądanego stanu awaryjnego. Istnieje także możliwość uruchamiania na semaforze sygnału zastępczego oraz prowadzenia symulacji manewrów (oczywiście, wraz z odpowiednią sygnalizacją)
s ' m m M M M M
R y s .4 . P la n s y t u a c y j n y u k ła d u to r o w e g o s ta c ji F ig .4 . T h e c o n t r o l p a n e l o f tlie s ta tio n
W zakresie programowania wydarzeń i wypadków wynikających z błędnego oznakowania szlaku, awarii sygnalizacji lub nieprzestrzegania zasad prowadzenia ruchu kolejowego in
struktor ma możliwość:
• ustawienia oznakowania lokalnych zwolnień jazdy,
• ustawienia dodatkowego oznakowania linii kolejowej zgodnie z przepisami sygnalizacji obowiązującej na PKP.
• ustawienia nieruchomych przeszkód na torzc (zwalone drzewa, samochody, zwierzęta),
• inscenizowania typowych zdarzeń i kolizji z pojazdami drogowymi na przejazdach,
• umieszczania w symulowanym środowisku kolejowym innych pociągów, które zasad
niczo umożliwiają zainscenizowanie wszystkich normalnych i nienormalnych sytuacji ru
chowych łącznie z katastrofami, a także znacznie wzbogacają złudzenie rzeczywistości.
Przyjęte rozwiązania dają nieograniczone możliwości w zakresie projektowania najprze
różniejszych normalnych i kolizyjnych sytuacji ruchowych, jakie mogą się zdarzyć podczas jazdy. Na przykład uruchomiony w odpowiednim miejscu trasy „pociąg widmo” ingeruje w odpowiednie sygnalizatory nie dopuszczając do kolizji z pociągiem prowadzonym przez szkolonego maszynistę. W ten sposób można symulować wymijanie, omijanie i wyprzedzanie
258 K. Stępień
pociągów na sąsiednich torach, jazdę za pociągiem i naprzeciw pociągowi na szlaku po tym samym torze. W celu uzyskania kolizji, należy przestawić indywidualnie zwrotnice oraz ustawić na poszczególnych semaforach sygnały zezwalające na jazdę. W ten sposób można zainscenizować przyjęcie na zajęty tor oraz dowolną katastrofę.
Wybrane dane o przebiegu symulowanej jazdy zapisane w czasie trwania ćwiczenia moż
na odtworzyć w formie odpowiednich wykresów po jego zakończeniu, Opcja ta umożliwia przeanalizowanie przebiegu ćwiczenia i ocenę poprawności czynności wykonywanych przez ćwiczącego.
MOŻLIWOŚCI ROZBUDOWY SYMULATORA
Po zdobyciu pierwszych doświadczeń eksploatacyjnych istnieją plany rozbudowy symu
latora w następującym zakresie:
• wyposażenie w aparaturę do badań medycznych i psychologicznych, głównie dotyczących stopnia monotonii, znużenia i podatności na zmęczenie.
• symulacji jazdy na innych liniach kolejowych, w tym:
na polskim odcinku linii E-20 (Kunowice - Poznań - Warszawa- Terespol),
na specjalnie zaprojektowanej pod względem szkoleniowym linii, zwierającej specjal
nie dobrane odcinki linii kolejowych PKP.
• opracowanie oprogramowania do automatycznej oceny szkolonego maszynisty oraz po
prawności wykonania ćwiczenia.
Recenzent: Dr hab.inż. Wiesław Grzesikiewicz Prof. Politechniki Warszawskiej
A bstract
The full functional EP09electric locomotive made for Polish State Railways has been ope
rated since April 1997. It is designed to train railway divers in preparing locomotive for driving setting it in motion, putting it out of action, driving passenger and freight trains with various types o f wagons or coaches and various mass and braking power. It also allows to train driver behaviour in emergencies and dangerous situations: failures and distrubances in operation o f the locomotive and driven train, railway traffic distrubances, failures in signal
lers' work, incorrect marking o f the railroad, danger o f a carsh, accidents, obstacles on a track, etc.
The paper gives a short technical description o f the device, showing its structure as well as training, research and development possibilities.
