W Polsce podstawowym dokumentem wprowadzającym, w sposób formalny, pojęcie innowacyjności do obiegu gospodarczego był Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka 2007-2013 (PO IG) – rządowy dokument przyjęty przez Radę Ministrów 19 grudnia 2006 roku. Dokument ten opisywał stan polskiej gospodarki oraz stan polskiej nauki pod kątem innowacyjności i konkurencyjności. Jak zwykle w takich przypadkach, na początek rozwinięto struktury administracyjne wprowadzając takie pojęcia jak: Instytucja Zarządzająca, Instytucje pośredniczące i Instytucje Wdrażające oraz rozpoczęto szeroko zakrojoną kampanię informacyjną tak, jak gdyby do tej pory w Polsce nie realizowano projektów, które nie zostały zakończone wdrożeniem w praktyce gospodarczej nowego lub znacząco udoskonalonego produktu, usługi lub procesu. W referacie zostaną przedstawione niektóre projekty zrealizowane na Wydziale Transportu Politechniki Warszawskiej przed 2007 rokiem, czyli przed uruchomieniem PO IG, które to projekty zgodnie z przyjętą definicją zaliczyć można do projektów innowacyjnych.
Innowacyjne rozwiązania w zakresie taboru
szynowego w projektach badawczych
Innovative solutions in the scope of railway rolling
stock in research projects
In Poland, the basic document introducing, in a formal way, the concept of innovation into the economic cycle was the Operational Program Innovative Economy 2007-2013 (OP IE) - a government document adopted by the Council of Ministers on 19 December 2006. This document described the state of the Polish economy and the state of Polish science in terms of innovation and competitiveness. As usual in such cases, the administrative structures were initially developed by introducing the concepts such as: Managing Institution, Intermediate Institutions and Implementing Institutions, and a large-scale information campaign was started as if the projects in Poland had not been implemented so far, which had not been completed with implementation in practice of a new or significantly improved product, service or process. The paper will present some projects carried out at the Faculty of Transport of the Warsaw University of Technology before 2007., that is before the OP IE, which projects can be included in the innovative projects according to the adopted definition.
1. Wstęp
Pojęcie innowacyjności ((od łac. innovare - odnowić) nowość, celowo wprowadzona zmiana w →technice, →organizacji, →działalności gospodarczej lub w
innej sferze ludzkiego życia) zostało spopularyzowane w krajach UE pod koniec lat 90 - tych przez OECD [1] jako nowe podejście do badań nad rozwojem nowych rozwiązań praktycznie wszystkich dziedzin gospodarki danego kraju, nie wyłączając obszarów działalności o charakterze społecznym.
W przypadku gospodarki, innowacyjność to zdolność i motywacja przedsiębiorców do prowadzenia badań naukowych polepszających i rozwijających produkcję, do poszukiwania nowych rozwiązań, pomysłów i kon-cepcji. Innowacje w gospodarce powinny prowadzić
1. Introduction
The concept of innovation (from Latin innovare - re-new) a novelty, intentionally introduced change in → technology, → organization, → economic activity or in another sphere of human life) was popularized in the EU countries in the late 90s by the OECD [1 ] as a new approach to research on the development of new solutions practically in all areas of the economy of a given country, not excluding the areas of social activ-ity.
In the case of the economy, innovation is the ability and motivation of entrepreneurs to carry out the scien-tific research to improve and develop production, to search for new solutions, ideas and concepts. The in-novations in the economy should lead to the creation prof. dr hab. inż. Andrzej Chudzikiewicz
Politechnika Warszawska
Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny w Radomiu dr hab. inż. Anna Stelmach, prof. PW
prof. dr hab. inż. Wojciech Wawrzyński Politechnika Warszawska
do tworzenia nowych produktów, do ulepszania tech-nologii, zwiększenia efektywności i tym samym do zwiększenia konkurencyjności gospodarki wobec in-nych krajów. Aby tak było, muszą być spełnione pew-ne warunki dotyczące przepływu wiedzy i informacji pomiędzy instytucjami oddziaływującymi na rozwój innowacji, mając na uwadze obszar B+R (Badania + Rozwój). Do nich można zaliczyć:
• stworzenie warunków do rozwoju badań oraz rozwój badań ukierunkowanych na rozwiąza-nia innowacyjne
• przepływ wiedzy o rozwiązaniach innowacyj-nych z instytucji naukowo-badawczych do sektora gospodarki (prywatnego i publiczne-go)
• stworzenie spójnego i politycznie uzasadnio-nego systemu w zakresie dyfuzji innowacji w obszarze zakupu dóbr i usług.
Według instytucji PRO INNO Europe, założonej przez Komisję Europejską do badania rozwoju innowacyj-ności, Polska w 2007 zajmowała 23 miejsce na 27 krajów Unii, mając na uwadze innowacyjność gospo-darki. Współczynnik SII (Summary Innovation Index) dla Polski wynosił w 2007 roku 0,270 przy średniej unijnej 0,450. Aby, zgodnie z polityką UE, poprawić te wskaźniki, podjęto w Polsce szereg działań zmierza-jących do poprawy tego stanu.
Jednym z tych działań było uruchomienie Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka 2007-2013 (PO IG). Podstawowym dokumentem wprowadzają-cym, w sposób formalny do realizacji ten program, był rządowy dokument przyjęty przez Radę Ministrów 19 grudnia 2006 roku. Dokument ten opisywał stan pol-skiej gospodarki oraz stan polpol-skiej nauki pod kątem innowacyjności i konkurencyjności. Jednocześnie w 2007 roku powołano Narodowe Centrum Badań i Rozwoju, polską agencję wykonawczą w rozumieniu ustawy z dnia 27 sierpnia 2009 r. o finansach publicz-nych (Dz.U. z 2013 r. poz. 885, ze zm.), mającą za zadanie realizację zadań z zakresu polityki naukowej, naukowo-technicznej i innowacyjnej państwa. NCBiR zastąpił Komitet Badań Naukowych (KBN).
Jak wygląda pozycja Polski, po 10 latach od momentu uruchomienie PO IG, mając na uwadze innowacyjność polskiej gospodarki?
Rys.1. Wskaźniki innowacyjno-ści poszczególnych krajów UE (stan wg danych za 2017 r) [4].
Fig.1. Innovation index of the individual EU countries (state according to data for 2017.) [4] of new products, to improve technology, to increase
efficiency and thus to increase the competitiveness of the economy towards other countries. So that it would be, the certain conditions must be met regarding the flow of knowledge and information between the insti-tutions that influence the development of innovation, taking into account the R & D area (Research + De-velopment). These include:
• creating the conditions for the development of research and development of research aimed at innovative solutions
• flow of knowledge about innovative solutions from scientific and research institutions to the economy sector (private and public)
• creating a coherent and politically justified system in the field of diffusion of innovations in the area of the purchase of goods and ser-vices.
According to the PRO INNO institution Europe, estab-lished by the European Commission to study the de-velopment of innovation, Poland in 2007. took 23rd place for 27 EU countries, taking into consideration the innovation of the economy. The coefficient SII (Summary Innovation Index) for Poland in 2007. was 0.270 with the EU average of 0.450. In order to im-prove these indexes according to the EU policy, a number of activities were taken in Poland to improve this situation.
One of these activities was initiation of the Opera-tional Program Innovative Economy 2007-2013 (OP IE). The basic document introducing the program to realization in a formal way was the government docu-ment adopted by the Council of Ministers on 19 De-cember 2006. This document described the state of the Polish economy and the state of Polish science in terms of innovation and competitiveness. At the same time, in 2007. the National Center for Research and Development (NCBiR )was established, the Polish executive agency within the meaning of the Act of 27 August 2009 on public finance (O. J. of 2013., item 885, as amended), whose task is realization of tasks in the field of scientific, scientific and technical and in-novation policy of the state. NCBiR replaced the Sci-entific Research Committee (KBN).
Korzystając z danych zawartych w corocznej publika-cji KE [4] na rys. 1 przedstawiono wartości globalne-go wskaźnika innowacyjności dla poszczególnych państw UE, obliczone wg przyjętego algorytmu uwzględniającego 27 parametrów charakteryzujących osiągnięcia tych krajów w poszczególnych obszarach, przyjętych przez UE jako te, które charakteryzują in-nowacyjność [4].
Pozycja Polski to 25 miejsce na 28 krajów UE uwzględnionych w tym rankingu. W stosunku do 2015 roku wskaźnik ten praktycznie nie uległ zmianie, a w stosunku do 2010 roku jego wartość zwiększyła się o 2.0 %. W rankingu wyprzedzają nas nasi sąsiedzi, z którymi razem byliśmy przyjmowani do UE. Należy jednak zaznaczyć, że wg prowadzonego rankingu, uwzględniającego całokształt problematyki dotyczącej innowacyjności gospodarki, jesteśmy klasyfikowani jako kraj o średnim poziomie rozwoju innowacyjności. Pojęcie innowacyjności i filozofia dotycząca działań innowacyjnych w gospodarce nie są żadnymi nowo-ściami, które pojawiły się pod koniec XX wieku. Jak wspomniano wcześniej, słowo innowacja pochodzi od słowa łacińskiego innovatio i tak jak wiele innych pojęć, znanych w dawnych czasach, nie było w po-wszechnym użyciu, co nie oznacza że działania za-równo w nauce jak i w technice i gospodarce, charak-teryzujące się cechami innowacyjności, nie były pro-wadzone.
Odnosząc się do okresu sprzed 2007 roku, należy stwierdzić, że istniejąca wówczas struktura finanso-wania projektów badawczych w postaci KBN pozwa-lała i umożliwiała realizację projektów o charakterze innowacyjnym, czego dowodem będą pokazane w następnym rozdziale przykłady. Z przyczyn oczywi-stych nie sposób jest, aby odnieść się do całego obsza-ru transportu, dlatego też przedstawione rozważania dotyczyć będą przykładów projektów dotyczących pojazdów szynowych, zrealizowanych na Wydziale Transportu PW przed, jak i po 2007 roku.
What is the position of Poland, 10 years after the launch of the OP IE, taking into consideration the in-novation of the Polish economy?
Using the data contained in the annual EC publication [4], Figure 1 presents the value of the global innova-tion index for individual EU countries, calculated ac-cording to the adopted algorithm taking into account 27 parameters characterizing the achievements of these countries in the individual areas, adopted by the EU as those that characterize the innovation [4]. Poland's position is the 25th place for 28 EU countries included in this ranking. In relation to 2015. this index hasn’t practically changed, and in relation to 2010. its value increased by 2.0%. In the ranking our neighbors are ahead of us, with whom we were admitted to the EU together. It should be noted, however, that accord-ing to the conductaccord-ing rankaccord-ing, takaccord-ing into account the whole problem of innovation of the economy, we are classified as a country with an average level of innova-tion development.
The concept of innovation and the philosophy of inno-vative activities in the economy are no novelties that appeared at the end of the 20th century. As it was mentioned earlier, the word innovation comes from the Latin word innovatio and, like many other concepts known in the ancient times, it was not widely used, which does not mean that actions in science as well as in technology and economy, characterized by innova-tion features were not carried out.
Referring to the pre-2007. period it should be noted that the then existing structure of financing of research projects in the form of KBN allowed and enabled the realization of innovative projects with the innovative character, as evidenced by the examples shown in the next chapter. For the obvious reasons, it is impossible to refer to the entire transport area, therefore the pre-sented considerations will refer to the examples of projects concerning the railway vehicles, realized at the Faculty of Transport of Warsaw University of Technology, before and after 2007.
2. Research process at the stage of design-ing/modernization of rail vehicle
The basic goals which should be achieved in the de-sign process in the case of rail vehicles are:
- achieving a large functionality of the future vehi-cle
- reduction of construction, serial production and later operation costs in comparison to the current conditions, and
- increasing comfort while increasing driving safety The user and operator are also interested in such fea-tures as the emitted noise, vibrations and durability of the vehicle, associated with such an operational feature as availability. Using the traditional methods and tools in the design process of the construction prototype, it
2. Proces badawczy na etapie projektowa-nia/modernizacji pojazdu szynowego
Podstawowymi celami jakie należy osiągnąć w proce-sie projektowania, w przypadku pojazdów szynowych to:
- osiągnięcie dużej funkcjonalności przyszłego po-jazdu
- obniżenie kosztów budowy, produkcji seryjnej i późniejszej eksploatacji pojazdu w porównaniu do aktualnych warunków, oraz
- zwiększenie komfortu przy jednoczesnym zwięk-szeniu bezpieczeństwa jazdy.
Użytkownika i operatora interesują ponadto takie ce-chy jak emitowany hałas, drgania oraz trwałość pojaz-du, związana z taką cechą eksploatacyjną jaką jest
would be difficult to meet the above-mentioned goals and expectations of the user, in addition taking into consideration time of the project implementation. That is why it became essential to use the new approaches in this type of projects with using the computer tech-niques and tools that allow to use the modeling meth-ods and computer simulation techniques.
Figure 2 presents a general procedure showing the use of computer simulation methods in the process of con-struction works on a rail vehicle prototype. The rail vehicle is a construction working under the specific operating conditions and therefore the basic matter is to formulate the guidelines for the simulation process, taking into account the technical assumptions, working conditions and requirements works of the future user. During carrying out the construction works of the ve-hicle using CAD/CAE, simulation tests and analyzes are carried out, whose goal is determination the impact of static and dynamic loads on the behavior of the vehicle structure. These tests are performed on discrete or continuous models. The procedure of research at this stage was presented in [6, 7].
Due to the static loads, the elements of the vehicle construction are checked taking into account the maximum loads and failures that may occur during operation, e.g. derailment and lifting of the vehicle. However, the dynamic loads, that often exceed the static values of strength, lead to the fatigue wear of the construction and through the accumulation of fatigue stress are the reason of cracks occurring and as a result of the destruction of the construction. The discreet model, describing the dynamics of motion, allows to obtain the maximum values of forces and displace-ments that will occur in the modeled eledisplace-ments of vehi-cle during simulation of motion in the real conditions.
Wytyczne do projektowania System CAD Proces modelowania dynamiki
Model geometryczny
Specyfikacja pojazdu Wektor obciążeń Model dyskretny Model FEM
Symulacje własności dynamicznych
w dziedzinie czasu i częstotliwości Symulacje odkształceń i naprężeń konstrukcji Weryfikacja modeli (porównanie z eksperymentem)
Analiza wytrzymałości oraz trwałości konstrukcji
Czy spełnione są kryteria?
Generowanie konstrukcji prototypu TAK Zmiana założeń NIE Właściwości materiałów Rzeczywiste warunki
Fig. 2. General scheme of research in the design process of the rail vehicle construction Rys. 2. Ogólny schemat badań w procesie projektowania konstrukcji pojazdu szynowego
dyspozycyjność. Stosując tradycyjne metody i narzę-dzia w procesie projektowania prototypu konstrukcji trudno byłoby spełnić wymienione wyżej cele i ocze-kiwania użytkownika, mając dodatkowo na uwadze czas realizacji projektu. Dlatego też nieodzowne stało się stosowanie w tego typu projektach nowych podejść z wykorzystaniem technik i narzędzi komputerowych pozwalających na wykorzystanie metod modelowania i technik symulacji komputerowych.
Na rysunku 2 przedstawiono ogólną procedurę poka-zującą wykorzystanie metod symulacji komputerowej w procesie prac konstrukcyjnych nad prototypem po-jazdu szynowego. Pojazd szynowy jest konstrukcją pracującą w specyficznych warunkach eksploatacyj-nych i dlatego też podstawową sprawą jest sformuło-wanie wytycznych dla procesu symulacji mając na uwadze założenia techniczne, warunki pracy oraz wymagania przyszłego użytkownika.
Podczas prowadzenia prac konstrukcyjnych pojazdu z wykorzystaniem techniki CAD/CAE, prowadzone są metodami symulacyjnymi badania i analizy mające na celu określenie wpływu obciążeń statycznych i dyna-micznych na zachowanie się konstrukcji pojazdu. Ba-dania te wykonuje się na modelach dyskretnych lub ciągłych. Procedura prowadzonych na tym etapie ba-dań została przedstawiona w pracach [6, 7].
Ze względu na obciążenia statyczne, elementy kon-strukcji pojazdu sprawdzane są mając na uwadze mak-symalne obciążenia oraz mogące zdarzyć się w czasie eksploatacji awarie np. wykolejenie i podnoszenie pojazdu. Natomiast obciążenia dynamiczne, przekra-czające często statyczne wartości wytrzymałości pro-wadzą do zmęczeniowego zużycia konstrukcji i po-przez kumulację naprężeń zmęczeniowych są powo-dem powstawania pęknięć i w efekcie zniszczenia
The essential matter is including in this model the contact zone between the wheel and rail and the ge-ometry of the track represented by the actual geomet-ric irreguralities of the track. The finite element model is used to assess the strength, safety and durability of the construction. From the computer simulations car-ried out on this model, the values of deformations and stresses are determined and the critical places of the construction are located. This stage of research enables early detection of constructional errors and their im-provement without the necessity of the prototype tests, which significantly reduces the costs of the prototype construction process.
konstrukcji. Model dyskretny, opisujący dynamikę ruchu, pozwala na otrzymanie maksymalnych wartości sił i przemieszczeń, które wystąpią w zamodelowa-nych elementach pojazdu w czasie symulacji ruchu w rzeczywistych warunkach. Istotną sprawą jest uwzględnienie w tym modelu strefy kontaktu koła z szyną oraz geometrii toru odwzorowywanej przez rzeczywiste geometryczne nierówności toru. Do oceny wytrzymałości, bezpieczeństwa oraz trwałości kon-strukcji wykorzystywany jest model elementów skoń-czonych. Z symulacji komputerowych wykonanych na tym modelu wyznacza się wartości odkształceń i na-prężeń oraz lokalizuje miejsca krytyczne konstrukcji. Ten etap badań umożliwia wczesne wykrycie kon-strukcyjnych błędów oraz ich poprawę bez konieczno-ści badań prototypu, co znacznie zmniejsza koszty procesu budowy prototypu.
Carrying out the computer simulations, in order to verify the constructional and technological assump-tions, the following computer packages are used at the individual stages:
− for simulation of motion dynamics and vehicle dynamics analysis - DADS, Matlab/Symulink sys-tem
− for design support CAD - CATIA, AutoCAD, Autodesk Inventor, Solidworks 3D Mechanical − for analysis of static and dynamic properties -
MSC PATRAN/NASTRAN, ADAMS/Rail − for noise analysis - SYSNOIS system.
The exemplary results of simulation analyses carried out at the stage of vehicle construction will be pre-sented in the next chapter of the article.
In the case of modernization, which generally the aim is creation, on the basis of an already existing product having the technical parameters corresponding to the products produced by the competitors, a new product of the same kind and type, but morally modernized, the research process proceeds as shown in Figure 3. The basic goals that should be achieved with moderni-zation in the case of rail vehicles are: improvement of functionality, reduction of operating costs and increas-ing the comfort while minimizincreas-ing the cost of moderni-zation. The user is also interested in such features as the emitted noise, vibrations and vehicle durability connected with such an operational feature as avail-ability. Using the traditional methods and tools in the process of designing of a modernized construction prototype, it would be difficult to meet the above men-tioned goals and expectations of the user, in addition taking into account the time of project realization. Therefore, it has become essential to use in this type of projects the new approaches with using the computer techniques and tools [3] allowing to use the modeling methods and simulation techniques that allow at the design stage to adapt the vehicle to the existing condi-tions in place of its operation. These condicondi-tions in-clude, among others, the track quality, their geometry, service conditions, etc.
Przeprowadzając symulacje komputerowe, w celu weryfikacji założeń konstrukcyjno-technologicznych, wykorzystywane są na poszczególnych etapach nastę-pujące pakiety komputerowe:
− do symulacji dynamiki ruchu i analizy dynamiki pojazdu - system DADS, Matlab/Symulink
− do wspomagania projektowania CAD - CATIA, AutoCAD, Autodesk Inventor, Solidworks 3D Mechanical
− do analizy własności statycznych i dynamicznych - MSC PATRAN/NASTRAN, ADAMS/Rail − do analizy hałasu - system SYSNOIS.
Przykładowe wyniki analiz symulacyjnych prowadzo-nych na etapie konstruowania pojazdu zostaną przed-stawione w następnym rozdziale artykułu.
W przypadku modernizacji, której ogólnie celem jest stworzenie, na bazie już istniejącego produktu, posia-dającego parametry techniczne odpowiadające produk-tom wytwarzanym przez konkurencje, nowego pro-duktu tego samego rodzaju i typu, ale moralnie odno-wionego, proces badawczy przebiega, tak jak to poka-zano na rys. 3.
Podstawowymi celami, jakie należy osiągnąć poprzez modernizacje w przypadku pojazdów szynowych to: poprawa funkcjonalności, obniżenie kosztów eksplo-atacji oraz zwiększenie komfortu przy jednoczesnym zminimalizowanym koszcie wykonania modernizacji. Użytkownika interesują ponadto takie cechy jak emi-towany hałas, drgania oraz trwałość pojazdu związana z taką cechą eksploatacyjną jak dyspozycyjność. Sto-sując tradycyjne metody i narzędzia w procesie pro-jektowania prototypu zmodernizowanej konstrukcji trudno byłoby spełnić wymienione wyżej cele i ocze-kiwania użytkownika, mając dodatkowo na uwadze czas realizacji projektu. Dlatego też nieodzowne stało się stosowanie w tego typu projektach nowych podejść z wykorzystaniem technik i narzędzi komputerowych [3] pozwalających na wykorzystanie metod modelo-wania i technik symulacyjnych pozwalających na eta-pie projektowania dostosowania pojazdu do istnieją- In addition, in the case of modernization, its subject is
an already existing and operating rail vehicle, which must meet the specific technical conditions to carry
Fig. 3. The test process in the case of modification and modernization of the vehicle construction Rys. 3. Proces badań w przypadku modyfikacji i
modernizacji konstrukcji pojazdu.
cych warunków w miejscu jego eksploatacji. Warunki te, to między innymi, jakość torów, ich geometria, warunki serwisowania, itp.
out the modernization. The correct selection of such a vehicle requires to carry out the preliminary tests to determine the state and extent of wear as a result of exploitation. The results of these tests decide on the choice of the object for modernization and later they determine the scope of modernization works.
Obiekt rzeczywisty
Badania wytrzymałościowe Badania
lustracyjne metalograficzne Badania Wibracje, hałas Decyzja o wykorzystaniu podzespołów tramwaju
Projektowanie prototypu Symulacja numeryczna:
• symulacja dynamiki ruchu (MBS)
• symulacja modelu (FEM)
• walidacja modelu Dokumentacja Optymalizacja akustyki Optymalizacja trwałości Ergonomia Budowa prototypu Badania prototypu
Badania dynamiki i akustyki Badania homologacyjne Cele modernizacji
Dopuszczenie do eksploatacji
Dodatkowo, w przypadku modernizacji, jej przedmio-tem jest istniejący już i będący w eksploatacji pojazd szynowy, który musi spełniać określone warunki tech-niczne, aby modernizacja mogła być na nim wykona-na. Prawidłowy wybór takiego pojazdu wymaga prze-prowadzenia wstępnych badań, których celem jest określenie stanu i stopnia zużycia w wyniku eksplo-atacji. Wyniki tych badań decydują o wyborze obiektu do modernizacji i wyznaczają później zakres prac mo-dernizacyjnych.
3. Przykłady zrealizowanych projektów
W 2001 roku rozpoczęto realizację projektu
Moderni-zacja tramwaju 105N jako element strategii odnowy taboru tramwajowego [5]. Zadaniem projektu była
pełna modernizacja tramwaju typu 805Na, dla której ogólnymi celami było:
• zwiększenie komfortu i bezpieczeństwa jazdy pasażerów oraz motorniczego,
• obniżenie kosztów eksploatacji i serwisowania (kosztów LCC)
• poprawa estetyki zewnętrznej i wewnętrznej
• zwiększenie trwałości pojazdu
• obniżenie poziomu emitowanego hałasu. Zakres prac obejmował następujące elementy:
• rama pudła została oczyszczona, wzmocniona i pokryta odpowiednimi substancjami zabezpie-czającymi
• wykonano nowe pudło, w technologii „inter-locking”, z nowo zaprojektowanym wystrojem wnętrza, układem klimatyzacji oraz nową kabi-ną motorniczego
• zaprojektowano i wykonano nowe czoło wago-nu z nowym zderzakiem (pochłaniacz energii)
• wózki zostały przeprojektowane oraz dodany został dodatkowy stopień odsprężynowania (zastosowano elementy gumowo-metalowe ty-pu MEGI), układ hamulca został zmodernizo-wany
• układ napędowy i sterowania uległy pełnej modernizacji (zachowane zostały jedynie sil-niki, został zastosowany rozruch impulsowy)
• zostały zamontowane dodatkowe układy (układ informacji pasażerskiej, układ diagnostyki, czarna skrzynka).
Była to klasyczna innowacja produktowa. Badania i prace badawczo-rozwojowe podzielono na:
• badania przed modernizacją
• prace rozwojowe prowadzone w trakcie mo-dernizacji
• badania po wykonaniu prototypu.
Projekt została zakończony w 2003 roku [3], a jego efekt końcowy w porównaniu z pojazdem przed mo-dernizacją pokazano na rys. 4.
3. Examples of realized projects
In 2001 the realization of Modernization of the 105N
tram as an element of the tram fleet renewal strategy
project was initiated [5]. The task of the project was the full modernization of the tram of 805Na type, for which the general goals were:
• increasing the comfort and safety of passengers and driver,
• reduction of operating and servicing costs (LCC costs)
• improvement of external and internal aesthetics
• increasing the durability of the vehicle
• lowering the level of emitted noise.
The scope of work included the following elements:
• the frame of the body was cleaned, strength-ened and covered with appropriate protective substances
• a new body was made in the "inter-locking" technology with a newly designed interiors, air conditioning system and a new driver’s cab
• a new front of the wagon was designed and made with a new bumper (energy absorber)
• the bogies were redesigned and an additional degree of springing was added (rubber-metal elements of the MEGI type were used), the
• brake system was modernized
• the drive and control systems were fully mod-ernized (only the engines were retained, an im-pulse start was used)
• additional systems were installed (passenger in-formation system, diagnostics system, black box).
It was the classic product innovation. The tests and research and development works were divided into:
• tests before the modernization
• development works carried out during the mod-ernization
• tests after the prototype was made.
The project was completed in 2003. [3], and its final effect in comparison to the vehicle before moderniza-tion is shown in Figure 4.
a)
b)
Fig. 4. Tram of 805Na type before modification a) and after modification b)
Rys. 4. Tramwaj typu 805Na przed modyfikacją a) i po modyfikacji b).
The experiences obtained during realization of this project ware used both by the Contractor (PESA Bydgoszcz SA) and the Implementer (Faculty of Transport) in the further works on the development of construction and production of modern tram vehicles and in the development of methods and research tools in the area of rail vehicles.
Next example of project with an innovative character was the project: Specialized 8-axle self-discharging
coal wagon, realized in 2003-2005.
As part of the project it was performed:
- technical and economic analyzes related to the selection of the running gear system and body construction
- simulation tests of vehicle dynamics - constructional documentation - a prototype was built
- so-called approval tests were carried out - necessary certificates of approval for
opera-tion on the PKP network were obtained. As a result of the conducted analyzes for the designed wagon, regarding the running gear system, it was se-lected the guiding based on eight-axle wheelsets and innovative suspension of 26RS type. The research and development works covered by the planned financing of the State Committee for Scientific Research con-cerned: constructional analyzes related to the choice of materials, simulation analyzed related to the selection of the running gear system, homologation analyzes of vehicle, supervised operation as well as the detailed analyzes in the range of LCC costs. The prototype composition was subjected to tests according to a spe-cially designed trials and tests program. It included: applicable national and international requirements, UIC leaflets, ERRI reports, PKP regulations, European and national standards. The built prototype is shown in Fig. 5.
Uzyskane podczas realizacji tego projektu doświad-czenia zostały wykorzystane zarówno przez Wyko-nawcę (PESA Bydgoszcz SA) jak i Realizatora (Wy-dział Transportu) w dalszych pracach nad rozwojem konstrukcji i produkcji nowoczesnych pojazdów tramwajowych oraz w zakresie rozwoju metod i na-rzędzi badawczych w obszarze pojazdy szynowe. Następnym przykładem projektu o charakterze inno-wacyjnym był projekt: Specjalizowana węglarka
ośmioosiowa samowyładowcza, zrealizowany w latach
2003 – 2005.
W ramach realizacji projektu wykonano:
- analizy techniczne i ekonomiczne związane z wyborem układu jezdnego i konstrukcji nadwozia
- badania symulacyjne dynamiki pojazdu - dokumentacje konstrukcyjną
- zbudowano prototyp
- przeprowadzono badania tzw. homologacyj-ne,
- uzyskano niezbędne świadectwa homologa-cyjne do eksploatacji na sieci PKP.
W wyniku przeprowadzonych analiz wybrano dla projektowanego wagonu, odnośnie układu jezdnego, prowadzenie oparte na zestawach kołowych ośmio-osiowych i nowatorskim sprężynowaniu typu 26RS. Objęte planowanym dofinansowaniem KBN prace badawczo-rozwojowe dotyczyły: analiz konstrukcyj-nych związakonstrukcyj-nych z wyborem materiałów, symulacyj- However, this project did not finish with full success
because PKP Cargo did not decide to place an order for these wagons, but the 1-axle bogie constructed for this wagon by R. Suwalski turned out to the innovative
nych związanych z wyborem układu jezdnego, homo-logacyjnych pojazdu, eksploatacji nadzorowanej, a także szczegółowych analiz w zakresie kosztów LCC. Prototypowy skład poddany został badaniom wg spe-cjalnie opracowanego programu prób i badań. Uwzględniał on: obowiązujące wymagania krajowe i międzynarodowe, karty UIC, raporty ERRI, przepisy PKP, normy europejskie i krajowe. Zbudowany proto-typ przedstawia rys. 5.
solution that found application in later constructional solutions of rail buses produced by the Polish produc-ers.
Fig. 5. Specialized 8-axle self-discharging coal wagon. Rys. 5. Specjalizowana samowyładowcza węglarka 8-osiowa. Another example of the innovative project for those times was the target project of A new generation
four-section electric traction unit for servicing the interre-gional transport realized in 2005-2007 in the system
of Rail Vehicles PESA as a leader (then the Client Party) and the Faculty of Transport of Warsaw Uni-versity of Technology as partner (then the Contractor). The project was financed by the State Committee for Scientific Research (KBN). The project results were presented, among others at the conference [8].
The effect of the realization of the topic was the intro-duction of a four-section electric traction unit for the passenger inter-regional transport. It is a vehicle with technical parameters that do not differ from the techni-cal parameters of vehicles of the same type produced by such concerns as Siemens, Bombardier or Alstom. The vehicle can carry 250 passengers with an operat-ing speed of 140 km/h, with a maximum design speed of 160 km/h. The profile of the vehicle (Fig. 6) has an aerodynamic shape obtained as a result of using the modern computer techniques in the design, construc-tional and building processes of the vehicle.
It is a vehicle of a friendly and safe series for the passenger. It was equipped with:
• passenger information system (visual and with sound system)
• monitoring system (cameras allowing observa-tion and recording of events inside of the vehi-cle)
• toilet system in the closed system • heating and ventilation system
• special, marked off the space for luggage with large dimensions.
In the design and construction process it was also paid attention to such parameters as:
• noise level
• vibration comfort index • electromagnetic field density • heating comfort.
Projekt ten nie zakończył się jednak pełnym sukcesem, bowiem spółka PKP Cargo nie zdecydowała się złożyć zamówienia na te wagony, jednak skonstruowany dla tego wagonu przez R. Suwalskiego jednoosiowy wó-zek, okazał się rozwiązaniem nowatorskim, które zna-lazło zastosowanie w późniejszych rozwiązaniach konstrukcyjnych autobusów szynowych produkowa-nych przez polskich producentów.
Innym przykładem projektu innowacyjnego jak na owe czasy, był projekt celowy Czterowagonowy
elek-tryczny zespół trakcyjny nowej generacji do obsługi przewozów międzyregionalnych realizowany w latach
2005 – 2007 w układzie Pojazdy Szynowe PESA jako lider (wówczas Zleceniodawca) i Wydział Transportu PW jako partner (wówczas Wykonawca). Projekt był finansowany przez KBN. Wyniki projektu były pre-zentowane, m. in. na konferencji [8].
Efektem realizacji tematu było wprowadzenie do pro-dukcji czterowagonowego elektrycznego zespołu trak-cyjnego do pasażerskich przewozów międzyregional-nych. Jest to pojazd o parametrach technicznych nie odbiegających od parametrów technicznych pojazdów tego samego typu produkowanych przez takie koncer-ny jak Simens, Bombardier czy Alstom.
Pojazd może przewozić 250 pasażerów z prędkością eksploatacyjną 140 km/godz., przy maksymalnej prędkości konstrukcyjnej 160 km/godz. Sylwetka po-jazdu (rys. 6) posiada aerodynamiczny kształt, uzy-skany w wyniku zastosowania nowoczesnych technik komputerowych w procesie projektowania, konstru-owania i budowy pojazdu.
Jest to pojazd z serii przyjaznych i bezpiecznych dla pasażera. Wyposażony został w:
• system informacji dla pasażerów ( wizualny i z nagłośnieniem)
• system monitoringu ( kamery pozwalające na obserwację i rejestrację zdarzeń wewnątrz po-jazdu)
• system toalet w układzie zamkniętym • system ogrzewania i wentylacji
• specjalne, wydzielone miejsca na bagaż o du-żych gabarytach.
W procesie projektowania i konstruowania zwrócono również uwagę na takie parametry jak:
• poziom hałasu
• wskaźnik komfortu wibracyjnego • gęstość pola elektromagnetycznego • komfort cieplny.
The particular attention was paid to the driver's cab trying to create the ergonomic and friendly conditions of work for the driver. The control desk was designed with using a computer package allowing to simulate the work of the driver. The cab is air-conditioned. Constructionally its front part, the frame on which it was built, has an additional crumple zone allowing to absorb the additional energy that can be released in the case of a collision.
The vehicle was exhibited at the Innotrans 2006 fair in Berlin, where it enjoyed a great interest of visitors. The ED74 serial unit was presented at TRAKO 2007., where it received rewards, including the Medal of the President of the Association of Polish Electrical Engi-neers. The consequence of this project realization was gaining by PESA Bydgoszcz SA in 2006. the order from PKP Regional Transport for 11 pieces of four-section electric traction units. The additional 3 pieces of four-section EMU were ordered in 2008. The value of the contract is PLN 182 250 000.
Szczególną uwagę zwrócono na kabinę maszynisty starając się stworzyć ergonomiczne i przyjazne wa-runki pracy dla maszynisty. Pulpit sterowniczy został zaprojektowany z użyciem pakietu komputerowego pozwalającego na symulowanie pracy maszynisty. Kabina jest klimatyzowana. Konstrukcyjnie jej przed-nia część, rama na której została posadowiona, posiada dodatkową strefę zgniotu pozwalającą na pochłonięcie dodatkowej energii, jaka może wyzwolić się w przy-padku zderzenia.
Pojazd wystawiony był na targach Innotrans 2006 w Berlinie, gdzie cieszył się dużym zainteresowaniem zwiedzających. Jednostka seryjna ED74 zaprezento-wana została na targach TRAKO 2007, gdzie uzyskała wyróżnienia, w tym Medal Prezesa Stowarzyszenia Elektryków Polskich. Następstwem zrealizowania tego projektu, było pozyskanie przez PESA Bydgoszcz SA w 2006 roku zamówienia od PKP Przewozy Regional-ne na 11 sztuk czterowagonowych elektrycznych ze-społów trakcyjnych. Dodatkowe 3 sztuki czteroczło-nowych e.z.t. zamówione zostały w 2008 roku. War-tość kontraktu to 182 250 000 zł.
Fig. 6. Electric traction unit ED 74 at Żmigród station during tests Rys. 6. Elektryczny zespół trakcyjny ED 74 na stacji Żmigród w
trakcie badań.
The above presented realizations of projects are only exemplary, performed and implemented projects real-ized as part of the funding the research and develop-ment works by KBN. Undoubtedly, these were the innovative projects. As part of realization of these works, the doctoral, postdoctoral theses were made parallel and the contractors of these works collected the achievements allowing to run the procedures re-garding academic and titles degrees. The similar pro-jects were also carried out in other scientific centers at that time. The methods and research tools developed at that time are currently used and they have lost nothing of scientific value [9, 10].
4. Conclusions
The presented research procedures in the scope of research conducted at the stage of works on the con-struction of a new vehicle as well as in the case of modernization of the existing already construction turned out to be an effective research tool, as it was shown by the realized projects in the presented exam-ples. The supervised operation, which lasted more than
Przedstawione wyżej realizacje projektów są tylko przykładowymi, wykonanymi i wdrożonymi projek-tami zrealizowanymi w ramach finansowania przez KBN prac o charakterze badawczo-rozwojowym. Niewątpliwie były to projekty innowacyjne. W ramach realizacji tych prac, równolegle powstawały doktoraty, prace habilitacyjne i wykonawcy tych prac zbierali dorobek pozwalający na uruchamianie procedur odno-śnie stopni i tytułów naukowych. Podobne projekty były w tym czasie realizowane również w innych ośrodkach naukowych. Opracowane wówczas metody i narzędzia badawcze są wykorzystywane obecnie i nie straciły nic na wartości naukowej [9, 10].
4. Wnioski
Przedstawione procedury badawcze w zakresie badań prowadzonych na etapie prac nad konstrukcja nowego pojazdu jak i w przypadku modernizacji istniejącej już konstrukcji, okazały się skutecznym narzędziem badawczym, jak pokazały zrealizowane projekty na przestawionych przykładach. Trwająca ponad rok eksploatacja nadzorowana, a następnie eksploatacja w normalnych warunkach zmodernizowanej jednostki potwierdziła skuteczność zastosowanej metodologii. Również w przypadku projektu nad nowym pojazdem, elementy tej metodologii wykorzystane w pracach projektowych pokazały, że zbudowany pojazd spełnił warunki potrzebne do uzyskania dopuszczenia do eksploatacji. Mimo, że prace te były prowadzone w okresie, kiedy to termin innowacja produktowa nie był w powszechnym użyciu, to zaproponowane wtedy procedury okazały się w pełni zgodne i kompatybilne z przyjętymi później rozwiązaniami organizacyjnymi. które mają zapewnić innowacyjność realizowanych projektów.
a year, followed by operation under the normal condi-tions of the modernized unit confirmed the effective-ness of the used methodology. As well as in the case of a project on a new vehicle, the elements of this methodology used in the design works showed that the built vehicle met the conditions required to obtain the authorization for placing in service. Although these works were carried out in the period when the term
product innovation was not widely used, the proposed
procedures at that time turned out to be fully in accor-dance and compatible with the adopted later organiza-tional solutions which are to provide the innovation of realized projects.
BIBLIOGRAPHY / BIBLIOGRAFIA
1. http://www.oecd.org/science/innovationinsciencetechno logyandindustry/2101733.pdf.
2. Ministerstwo Rozwoju Regionalnego. Program Opera-cyjny Innowacyjna Gospodarka 2007-2013. Warszawa 1 października 2007
3. A. Chudzikiewicz: Modernizacja tramwaju typu 805Na. Międzynarodowa Konferencja Nukowo-Techniczna "Zintegrowany System Miejskiego Transportu Szynowego. Organizatorzy: SITK, SEP, PWr. Wrocław 24 -25.04.2003. Materiały Konf. pp.25-30
4. European Innovation Scoreboard 2017. Raport KE 2018 http://ec.europa.eu/growth/industry/innovation/ facts-figures/scoreboards, dostęp 27.01.18
5. Modernization of the 105N/805N tram as part of the strategy of renovating the trams. Objective Project of The Committee of Scientific Research (KBN) no. 10 T12 025 2000C/5298. PESA Bydgoszcz – The Faculty of Transport, Warsaw University of Technology. Warsaw 2001-2003
6. Uhl T., Chudzikiewicz A., Lasiewicz B.: Zastosowanie metody RSM w optymalizacji konstrukcji pojaz-dów szynowych. Międzynarodowa Konferencja Naukowa TRANSPORT XXI WIEKU. 19-21.09.2001. Warszawa. Mat. Konf. pp.128-136
7. A. Chudzikiewicz, T. Uhl: Problems of safety and durability of rail vehicle in a process of construction modernization. 6th International Conference on Railway Bogies and Running Gears. 13 – 16 September 2004. Budapest, Hungary
8. A. Chudzikiewicz: Badania Symulacyjne w Procesie Budowy Prototypu Pojazdu Szynowego. XIII Warsztaty Naukowe PTSK. Symulacja w Badaniach i Rozwoju. 31.08-2.09.2006. Kazimierz Dolny 9. A. Chudzikiewicz: Simulation of Rail Vehicle Dynamics in MATLAB Environment. Vehicle System
Dy-namics. 33 (2000), pp.107-119
10. A. Chudzikiewicz, A. Stelmach: Acceleration signals in the process of monitoring the rail vehicle and track. 20th International Congress on Sound and Vibration. Bangkok. 7- 11 July 2013. Proceedings of the ICSV20, International Journal of Acoustics and Vibration. ISBN: 978-616-551-682-2, 2013, pp1-8, CD
The tram-train as an element of ecological public
transport system in the agglomeration in Poland (part 1)
Tram-train elementem proekologicznego systemu
transportu zbiorowego w aglomeracjach w Polsce (cz. 1)
W artykule przedstawiono negatywne oddziaływanie transportu w aglomeracjach na stan śro-dowiska i klimat. Opisano źródła i dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń śrośro-dowiska i degrada-cji klimatu oraz udział samochodów w tym procesie oraz podejmowane działania dla ograni-czenia emisji. Przedstawiono tendencje unowocześniania systemów komunikacji zbiorowej oraz uzasadnienie wdrażania ekologicznego systemu tram-train. W dalszej części artykułu porówna-no cechy tramwaju i pasażerskich pojazdów kolejowych jako środków transportu zbiorowego w aglomeracjach. W krótkim zarysie opisano działania, jakie zostały podjęte dla wdrożenia sys-temu tram-train w Polsce. W końcowej części artykułu odniesiono się do zagadnień technicz-nych związatechnicz-nych z różnicami w zakresie budowy i wyposażenia tramwajów i pojazdów kolejo-wych, a także omówiono zakres prac organizacyjno-prawnych, których podjęcie jest niezbędne dla rozpoczęcia działań praktycznych. Wskazano potencjalnych realizatorów tych działań na poziomie krajowym. W ostatniej części przeprowadzono, na przykładzie aglomeracji poznań-skiej, krótka analizę przydatności sieci kolejowej do wprowadzenia systemu tram-train. Istotną częścią artykułu jest obszerna lista bibliografii.
Niniejszy artykuł jest kontynuacją wcześniejszych artykułów, których autor był współautorem. W poprzednich artykułach niektóre zagadnienia były tylko zasygnalizowane, dlatego jednak w związku z ich istotnym znaczeniem dla tematu systemu tram-train zostały omówione szerzej. Druga część artykułu zostanie opublikowana w kolejnym numerze kwartalnika Pojazdy Szyno-we.
The article presents an adverse impact of the transport in agglomerations on the environment and climate conditions. The sources and acceptable levels of environmental pollution and climate degradation are presented as well as contribution of the cars to this process, together with the actions undertaken with a view to reduce the emission. The trends in modernizing of the public transport systems are pointed out, inclusive of justification of the ecological tram-train system implementation. The next part of the paper includes comparison of the features of the tram and passenger rail vehicles used for public transport in agglomerations. A brief outline of the actions initiated to implement the tram-train system in Poland is depicted. The final part of the article highlights the technical issues related to the difference between the tram and rail vehicle construction and equipment and discusses the scope of organizational and legal tasks necessary to undertake the practical measures. The Polish contractors potentially able to perform these tasks are indicated. In the last part a brief assessment of railway network suitability for implementation of the tram-train system was carried out on the example of the Poznań agglomeration. An extensive bibliography makes an essential part of the paper.
The present article is a continuation of the earlier papers developed with participation of the author. Some of these problems have been only identified in the former papers and, therefore, they are discussed here more clearly, due to their importance to the topic of the tram-train system.
The second part of the article will be published in the next issue of the quarterly Rail Vehicles.
1. Introduction
Searching for less energy-consuming and low-carbon transport systems in the agglomerations imposes a serious challenge for the people responsible for civili-zation development of the country, at all levels of state management. A responsible analysis of the current state and the state available in the future should be a
1. Wstęp
Poszukiwanie coraz mniej energochłonnych i nisko-emisyjnych systemów transportowych w aglomera-cjach staje się poważnym wyzwaniem dla ludzi odpo-wiedzialnych za rozwój cywilizacyjny kraju, na każ-dym szczeblu zarządzania państwem. Podstawą do dr inż. Zbigniew Durzyński, prof. Instytutu
ŁUKASIEWICZ – IPS „TABOR” dr hab. inż. Małgorzata Orczyk Politechnika Poznańska
basis for such measures. Similar undertakings led,
among others, to implementation of the tram-train system in several Western European countries.
The Conference of Parties 25 (COP25) in Madrid (December 2-13, 2019) confirmed the meaning of the subject of climate change and pointed out the huge threat to our planet in case the activity aimed at pre-venting the changes is not significantly intensified. The conference unfortunately came to the end without final agreement.
The examples of several European countries show that implementation of the tram-train systems is increas-ingly common, among others due to their favourable impact on the environment. It is also a result of devel-opment of the agglomerations, since the number of the people living in suburbia of large cities permanently grows. Taking into account their professional work, education, cultural and leisure needs they expect ra-tional transport means on the route to the agglomera-tion centres.
Extensive civilization development and, in conse-quence, the economic development of the leading countries resulted in significant increase in the air pollution level. The pollution levels significantly ex-ceeded the values considered safe for the health of inhabitants of large human populations. This particu-larly applies to the agglomerations.
Environmental devastation and global climate degra-dation have reached disastrous level. Under these cir-cumstances an immediate action should be undertaken to withstand the dangerous tendency in all possible areas, even those seemingly less affecting the disad-vantageous condition.
One of the elements affecting this is related to com-munication in the agglomerations. The problem was noticed in many Western European cities and began to be solved, among others by implementation of the tram-train systems. Such an approach does not elimi-nate the problem entirely, but significantly reduces the environment and climate pollution.
2. The agglomeration transport as a source of the environmental pollution and climate degradation 2.1. The sources and allowable levels of environ-mental pollution and climate degradation
Some of the air pollution sources are independent of human activity. These sources include: • volcanoes (about 450 active ones) emitting,
among others, volcanic ash and gases (CO2,
SO2, H2S);
• forest, savanna and grassland fires (CO2, CO
and dust emissions);
• marshes emitting, among others, CH4, CO2,
H2S, NH3;
• soils and rocks subjected to erosion, sandstorms (globally up to 700 million tons of dust a year) ; • green areas being the plant pollen sources.
takich działań powinny być odpowiedzialnie przepro-wadzone analizy sytuacji obecnej i możliwej do uzy-skania w przyszłości. Prace tego rodzaju zakończyły się m. in. wdrożeniem systemu tram-train w kilku krajach zachodniej Europy.
Konferencja COP 54 (Conference of Parties 25) w Madrycie (2–13 grudnia 2019) potwierdziła ważność tematu zmian klimatycznych i wskazała na olbrzymie zagrożenie dla naszej planety w sytuacji braku działań znacznie intensywniejszych niż dotychczasowe. Kon-ferencja zakończyła się niestety bez końcowego poro-zumienia.
Przykłady kilku krajów europejskich wskazują, że wdrażanie systemów tram-train (tramwaj-pociąg) staje się coraz powszechniejsze, a jednym z powodów ich eksploatowania jest pozytywny wpływ na środowisko naturalne. Wiąże się to także z rozwojem aglomeracji, bowiem coraz więcej ludzi mieszka na obrzeżach du-żych miast i z racji pracy zawodowej, nauki, korzysta-nia z ofert w zakresie kultury i wypoczynku oczekują racjonalnej oferty przewozu do centrów tych aglome-racji.
Gwałtowny rozwój cywilizacyjny, a co za tym idzie także gospodarczy przodujących państw, stał się po-wodem intensywnego wzrostu poziomu zanieczysz-czenia powietrza. Poziomy zanieczyszczeń w znaczą-cy sposób zaczęły przekraczać poziomy uznane za bezpieczne dla zdrowia mieszkańców dużych skupisk ludzkich. Szczególnie odnosi się to do aglomeracji. Dewastacja środowiska naturalnego i degradacja kli-matu w skali globalnej osiągnęła katastrofalny po-ziom. W tej sytuacji należy podjąć natychmiastowe działania, aby tej groźnej tendencji się przeciwstawić, na wszystkich możliwie obszarach, nawet tych pozor-nie mpozor-niej wpływających na negatywną sytuację. Jednym z wpływających na ten stan elementem jest komunikacja na obszarach aglomeracyjnych. Problem ten dostrzeżono i rozpoczęto go rozwiązywać w sze-regu miast Zachodniej Europy, między innymi na drodze wdrażania systemów tram-train. To rozwiąza-nie rozwiąza-nie likwiduje całkowicie problemu, lecz w znacz-nym stopniu wpływa na ograniczenie zanieczyszczeń środowiska i klimatu.
2. Transport w aglomeracjach źródłem zanieczysz-czenia środowiska i degradacji klimatu
2.1. Źródła i dopuszczalne poziomy zanieczyszczeń środowiska i degradacji klimatu
Część źródeł zanieczyszczenia powietrza jest nieza-leżna bezpośrednio od człowieka i do tych źródeł na-leżą:
• wulkany (ok. 450 czynnych), z których wydo-bywają się m. in. popioły wulkaniczne i gazy (CO2, SO2, H2S)
• pożary lasów, sawann i stepów (emisja CO2,
CO i pyłów)
Aside from them, there are a number of emission sources resulting from human activity, called
anthropogenic ones. Among them there are:
• of energetic origin – fuel combustion;
• industrial – resulting from technological processes in chemical plants, refineries, ironworks and cement plants;
• communication - mainly road transport;
• municipal – households, waste and sewage collection and utilization (e.g. rubbish dumps, sewage treatment plants) [33].
Communication in agglomerations includes both mobility of the inhabitants and the transport related to supplies. Therefore, it includes not only the public but also personal transport, mainly in passenger cars. Their impact on the environment and climate condition is significant within the agglomeration, as all these elements of transport substantially change the environment and climate. In order to assess properly the current condition, the allowable pollution level should be taken into account.
The European Union has set down only the acceptable threshold level for fine dust PM10 and PM2.5, i.e. 50µg/m3 (daily) and 40µg/m3 (average-annual) for PM10, and 25µg/m3 (average-annual) for PM2.5. Allowable level for carbon monoxide in ambient air amounts to 10.000µg/m3 [11].
In Poland, the standards related to PM10 fine dust are set at three levels [14]:
• allowable level 50 µg/m3 (daily);
• alert level 200 µg/m3 (daily);
• alarm level 300 µg/m3 (daily).
Allowable level - 50 µg/m3 implies that the air quality
is not good, but does not seriously affect the human health.
Alert level - 200 µg/m3 means that the inhabitants
should limit their outdoor activities since the dust content exceeds four times the allowable level.
Alarm level - 300 µg/m3 means that the dust content
six times exceeds the allowable level. The outdoor activity should be strictly limited and the inhabitants should preferably stay at home, especially in case of ill persons.
The alarm levels rarely occur in Poland. In 2018 the alarm level was exceeded once, in Zabrze - on November 5. The daily PM10 concentration was then 330 µg/m3. On the other hand, the alert levels are
exceeded several dozen times a year in various regions, i.e. the daily concentration in several places in Poland exceeds 200µg/m3. This indicates that the air
quality, particularly in southern Poland, is sometimes poor that is caused both by humans and the weather. The air pollution level in Kraków and Poznań in 2019 is depicted in the figures below [10], [11], [25].
• gleby i skały ulegające erozji, burze piaskowe (globalnie do 700 mln ton pyłów/rok)
• tereny zielone, z których pochodzą pyłki roślinne.
Poza nimi istnieje szereg źródeł emisji wynikających z działalności człowieka, zwanych antropogeniczymi. Są to źródła:
• energetyczne - spalanie paliw
• przemysłowe - procesy technologiczne w zakładach chemicznych, rafineriach, hutach i cementowniach
• komunikacyjne - głównie transport
samochodowy
• komunalne - gospodarstwa domowe oraz gromadzenie i utylizacja odpadów i ścieków (np. wysypiska, oczyszczalnie ścieków) [33]. Komunikacja w aglomeracjach obejmuje zarówno przemieszczanie się mieszkańców i jak transport związany z zaopatrzeniem, zatem obejmuje nie tylko transport zbiorowy lecz także indywidualny, głównie samochodami osobowymi. Ich wpływ na stan środowiska i klimatu jest w skali danej aglomeracji istotny, jako że wszystkie te elementy transportu w istotny sposób wpływają na zmianę stanu środowiska i klimatu. W celu właściwej oceny aktualnego stanu należy odnieść się dopuszczalnego poziomu zanieczyszczeń.
Unia Europejska dla pyłów drobnych PM10 i PM2,5 ustaliła jedynie poziom dopuszczalny, odpowiednio dla PM10 – 50 µg/m3 (dobowy) i 40 µg/m3 (średni-roczny), a dla pyłu PM2,5 - 25 µg/m3 (średni-roczny).
Poziom dopuszczalny dla tlenku węgla w powietrzu wynosi 10.000 µg/m3 [11].
W Polsce normy dla pyłów drobnych PM10 są ustalone na trzech poziomach [14]:
• poziom dopuszczalny 50 µg/m3 (dobowy) • poziom informowania 200 µg/m3 (dobowy) • poziom alarmowy 300 µg/m3 (dobowy).
Poziom dopuszczalny – 50 µg/m3: mówi o tym, że
jakość powietrza nie jest dobra, ale nie wywołuje ciężkich skutków dla ludzkiego zdrowia.
Poziom informowania - 200 µg/m3: oznacza, że
mieszkańcy powinni ograniczyć swoją aktywności na powietrzu, bo norma przekroczona jest czterokrotnie. Poziom alarmowy – 300 µg/m3: oznacza, że norma
przekroczona jest sześciokrotnie i należy bezwzględnie ograniczyć przebywanie na powietrzu, a najlepiej zostać w domu, szczególnie dotyczy to osób chorych.
Poziomy alarmowe zdarzają się w Polsce rzadko. W 2018 roku poziom alarmowy został przekroczony raz, w Zabrzu – 5 listopada. Wówczas dobowe stężenie pyłu PM10 wyniosło tam 330 µg/m3.
Natomiast poziomy informowania są przekraczane kilkadziesiąt razy w roku na różnych obszarach, czyli stężenie w kilku miejscach w Polsce przekracza 200 µg/m3 na dobę. Wynika z tego, że jakość powietrza,
The graphs show that the levels of several pollutant components were exceeded already in autumn. High level of nitrogen oxides in Krakow throughout 2019 is
Rys. 1. Poziomy zanieczyszczenia powietrza pyłami w 2019 r. (liniami zieloną i czerwoną zaznaczono poziom dopuszczalny)w Krakowie (Kurdwanów) b) Poznaniu (Dąbrowskiego)
Fig. 1. Dust air pollution levels in 2019 (the allowable levels marked with green and red lines) a) in Krakow (Kurdwanów) b) in Poznan (Dąbrowskiego Str.) - (pył zawieszony = particulate matter)
Rys. 2. Poziomy zanieczyszczenia powietrza tlenkami w 2019 r. (poziom dopuszczalny dla tlenku azotu to 200 µg/m3) w
Krakowie (Kurdwanów) b) w Poznaniu (Dąbrowskiego)
Fig. 2. Oxide air pollution levels in 2019 (the allowable level of nitric oxide amounts to 200 a) in Krakow (Kurdwanów) b) in Poznan (Dąbrowskiego Str.) (dwutlenek azotu = nitrogen dioxide, tlenki azotu = nitric oxides, tlenek azotu = nitric oxide)
szczególnie w regionach Polski południowej, okreso-wo jest zła i mają na to wpływ zarówno czynnik ludz-ki jak i pogoda.
Poziom zanieczyszczeń powietrza w Krakowie i w Poznaniu w roku 2019 przedstawiono na poniższych rysunkach [10], [11], [25].
particularly worrying.
This is mainly due to the fact that the number of the apartments heated with coal furnaces and with the use of other unacceptable substances is still significant. Similar situation also occurs in other large cities in Poland.
2.2. The cars as a meaningful reason of environmental pollution and climate degradation
Specification of the pollution sources indicates a sig-nificant impact of car transport on the air quality,
mainly in agglomerations. Passenger cars are one of essential emission sources. Therefore, it would be useful to pay attention to the growth rate of their num-ber (the data per 1000 inhabitants) [36÷39].
Miasto/rok City/year 2014 2015 2016 2017 Województwo w 2017 / Province in 2017 Poznań 601 625 660 690 648 Wrocław 575 601 632 659 603 Gdańsk 543 552 572 593 577 Kraków 534 557 585 611 5554
Przyrost samochodów w wybranych aglomeracjach w Polsce Tablica 1 The increase in the number of the cars in selected
agglomera-tions in Poland Table 1
The chart below presents total numbers of the cars registered in Poland (in thousands) at the end of sub-sequent years [40].
Jak wynika z tych wykresów poziomy dla kilku skład-ników zanieczyszczeń już w okresie jesiennym zostały przekroczone. Szczególnie niepokojący jest wysoki poziom tlenków azotu trwający w Krakowie przez cały okres roku 2019.
Wynika to głównie z faktu, że do ogrzewania miesz-kań nadal mają znaczący udział piece opalane węglem i innym niedopuszczalnymi substancjami. Podobna sytuacja jest także w innych dużych miastach w Pol-sce.
2.2. Samochody istotnym elementem zanieczyszczenia środowiska i degradacji klimatu
Z zestawienia źródeł zanieczyszczeń wynika istotny wpływ transportu samochodowego na stan jakości powietrza, zwłaszcza w aglomeracjach. Samochody osobowe są jednym z istotnych źródeł emisji zanie-czyszczeń, zatem warto zestawić w jakim tempie na-rasta ich liczba (dane na 1000 mieszkańców) [36÷39]. Łączna liczba (w tysiącach) samochodów zarejestro-wanych w Polsce w końcu kolejnych lat przedstawia poniższy wykres [40].
Rys. 3. Przyrost liczby samochodów w Polsce (w tysiącach pojaz-dów)
Fig. 3. Growth of the car number in Poland (in thousands) (osobowe = passenger, ogółem = generally) It could seem that various types of the cars (i.e. the
passenger cars, vans, buses) emit mainly the gaseous
pollutants (CO, NOx). Nevertheless, the particulate
pollution (PM 2.5, PM 10) caused by these vehicles should also be taken into account. Their sources are as follows:
• abrasion of the street surface (mainly asphalt);
• tire abrasion;
• wear of friction brake parts;
• crumbling the pavement particles from road surface damages (the holes, chuckholes). Total mass of these particles is close to the mass of the exhaust emitted by internal combustion engines of these vehicles [8].
Furthermore, the age of passenger cars used in Poland should be taken into account. In case of earlier year of manufacture the older technological solutions result in an unfavorable impact on the environment. This rank-ing unfortunately gives Poland the shameful last place. In case of vans and trucks the situation is very similar [17], [32].
Pozornie mogłoby się wydawać, że różnego typu sa-mochody (osobowe, dostawcze, autobusy) generują głównie zanieczyszczenia gazowe (CO, NOx). Należy
jednak brać także pod uwagę ich udział w zanieczysz-czeniu cząstkami stałymi (PM 2.5, PM 10). Ich źró-dłem są następujące czynniki:
• - ścieranie nawierzchni ulic (głównie asfaltu) • - ścieranie opon
• - zużywanie się elementów hamulców ciernych • - wykruszanie cząstek nawierzchni z ubytków
drogi (dziury, wyboje).
Sumaryczna masa tych cząstek jest porównywalna z masą spalin pochodzących z pracujących silników One of currently recommended ways aimed at
reduc-ing the pollution emitted by the cars consists in launching electric cars on the market. In consequence, this concept should be followed by extensive devel-opment of renewable energy technologies. Otherwise, the problem will relocate from the "exhaust pipe" to the "chimneys of coal power plants".
spalinowych tych pojazdów [8].
Ponadto należy mieć na uwadze wiek eksploatowa-nych w Polsce samochodów osobowych, co w przy-padku ich wcześniejszych lat produkcji przekłada się na starsze rozwiązania techniczne, a to skutkuje nega-tywnym oddziaływaniem na środowisko. Polska w tym zestawieniu zajmuje niestety niechlubne ostatnie miejsce. W odniesieniu do samochodów dostawczych i ciężarowych sytuacja jest bardzo podobna [17], [32]. Systematic limitation of the number of cars causing
the above-mentioned detrimental impact on the environment and climate may also result from improving of the offer of the carriers providing the public transport. In order to reach such an objective the carriers should regularly put into operation modern means of public transport.
Wiek samochodów w krajach europejskich Tablica 2 Age of the cars in the European countries Table 2
Country / Kraj The age of passenger cars / wiek aut osobowych The age of vans / wiek aut dostawczych The age of trucks / wiek aut ciężarowych Austria 8,9 8,1 8,4 Belgia / Belgium 7,7 8,2 9,8 Chorwacja / Croatia 14,1 12,0 14,3 Czechy / Czech Republic 14,5 12,0 13,9 Dania / Denmark 8,5 8,6 7,7 Estonia 15,1 12,8 16,3 Finlandia / Finland 12,7 12,2 12,5 Francja / France 9,0 8,3 7,5 Grecja / Greece 13,5 16,7 18,7 Hiszpania / Spain 11,4 12,1 126 Holandia / Nether-lands 9,5 8,8 7,9 Irlandia / Ireland 9,0 8,8 9,8 Litwa / Lithuania 16,7 12,2 12,7 Łotwa / Latvia 16,3 12,8 12,7 Luksemburg / Lux-embourg 6,2 6,3 6,6 Niemcy / Germany 8,9 7,3 8,0 Polska / Poland 17,2 16,0 16,7 Portugalia / Portugal 12,6 14,0 13,7 Słowacja / Slovakia 13,4 11,3 12,7 Słowenia / Slovenia 11,2 9,0 10,4 Szwecja / Sweden 9,6 8,0 8,5 Rumunia / Romania 15,3 13,5 13,8 Węgry / Hungary 14,5 13,4 12,8 Wielka Brytania / Great Britain 8,5 8,5 8,8 Włochy / Italy 10,7 11,9 13,2
2.3. The action aimed at reducing the emission
One of commonly applied ways of improving the situation in Western Europe consists in development and implementation of renewable energy technologies (i.e. solar batteries, wind and water power plants). Abandonment of supporting construction of large-scale wind farms, according to current policy of our country, remains incomprehensive. Based on the stra-tegic document devoted to renewable energy sources the topic of was addressed only to the farms [35]. Another government document pertaining to the coun-try's development strategy indicates that the planned increase in the share of the energy coming from re-newable sources amounts from 11.45% (2014) to 15% in 2020, giving only about 0.5% of annual growth rate [41].
Both of these government documents related to the country's development strategy entirely neglect the
Jednym z obecnie rekomendowanych sposobów ogra-niczania zanieczyszczeń pochodzących z eksploato-wanych samochodów jest wprowadzanie na rynek samochodów z napędem elektrycznym. Konsekwent-nie za tym kierunkiem działania musi jednak iść inten-sywne rozwijanie technologii odnawialnych źródeł energii. W przeciwnym razie problem z "rury wyde-chowej" przeniesie się na "kominy elektrowni węglo-wych".
Systematyczne ograniczanie liczby samochodów wy-wołujących opisane wyżej negatywne oddziaływanie na środowisko i klimat może być także skutkiem uatrakcyjnienia oferty przewoźników realizujących transport zbiorowy. Do takich działań przewoźnicy powinni sukcesywnie wdrażać do eksploatacji nowo-czesne środki transportu zbiorowego.
2.3. Działania w celu ograniczenia emisji zanieczysz-czeń
Jednym z powszechnie wdrażanym w Zachodniej Europie sposobów poprawy sytuacji jest rozwijanie i wdrażanie technologii źródeł odnawialnych (baterie słoneczne, elektrownie wiatrowe i wodne).
Niezrozumiałe jest zaniechanie wspierania budowy na szeroką skalę elektrowni wiatrowych w aktualnej poli-tyce naszego kraju. Przykładowo w strategicznym dokumencie temat odnawialnych źródeł energii odnie-siony został tylko do gospodarstw rolnych [35]. Z innego dokumentu rządowego dotyczącego strategii rozwoju państwa wynika, że planuje się wzrost udzia-łu energii ze źródeł odnawialnych z 11.45% (rok 2014) do 15% w roku 2020, co daje tylko ok. 0,5% rocznie [41].
W obu tych dokumentach rządowych dotyczących strategii rozwoju kraju nie znalazły się żadne plany dotyczące uruchomienia działań dla wdrożenia syste-mu tram-train w polskich aglomeracjach.
Zarówno dane w tablicy 1 jak i na rys. 3 wskazują wyraźnie, że jednym ze sposobów ograniczenia szko-dliwej dla zdrowia człowieka emisji zanieczyszczeń stałych i gazowych z samochodów jest stopniowe ograniczanie ich liczby w ruchu aglomeracyjnym po-przez tworzenie lepszej oferty przewozowej na tym obszarze [4], [5], [42].
Ograniczenie emisji może być wynikiem m. in. wy-miany spalinowych autobusów do obsługi transportu zbiorowego w aglomeracjach na autobusy elektryczne. Przykładowo, planuje się że do grudnia 2019 r. na ulicach Poznania pojawią się pierwsze kursowe auto-
