Цель — интеллектуальный грузовой поезд

В 2019 г. в Германии и Швейцарии завершились демонстрационные проекты создания инновационных грузовых вагонов. Летом того же года сообщество TIS, объединяющее ряд европейских грузовых операторов и поставщиков железнодорожной техники, опубликовало Белую книгу, в которой сформулированы основные задачи, направленные на повышение конкурентоспособности грузовых перевозок. Одной из ключевых задач является создание интеллектуального грузового поезда.

Содержание

1. Потребность в инновациях
2. Бортовые телематические устройства и датчики на грузовых вагонах
3. Инновационные тележки грузовых вагонов
4. Инновационный кузов вагона
5. Стоимость жизненного цикла
6. Демонстрационные проекты
7. Перспективы инновационных грузовых вагонов
8. Интеллектуальный грузовой поезд
9. Перспективы интеллектуального грузового поезда

Сообщество технических инноваций в грузовых железнодорожных перевозках TIS (Technischer Innovationskreis Schienengüterver­kehr) объединяет несколько европейских национальных и частных операторов грузовых перевозок, лизинговых и вагоностроительных компаний и поставщиков оборудования для грузовых вагонов, в том числе DB Cargo, SBB Cargo, VTG, BASF SE, Wascosa, ELH Waggonbau Niesky, Knorr-Bremse, Wabtec и др. В научный совет сообщества входят также технические университеты Берлина и Дрездена.

Белая книга TIS, обнародованная в 2019 г., стала вторым изданием такого рода. Первая Белая книга сообщества, опубликованная в 2012 г., была ориентирована на создание интеллектуального грузового вагона, отвечающего принципам 5L (Logistikfähig, Leicht, Life-cycle-cost-orientiert, Leise, Laufstark). Под этими принципами подразумеваются:

• способность к высокой интеграции в логистические цепочки;
• повышение грузоподъемности за счет снижения массы тары;
• низкая стоимость жизненного цикла;
• низкий уровень шума;
• высокая надежность.

За прошедшие годы участники сообщества предприняли ряд мер, направленных на разработку грузовых вагонов в соответствии с перечисленными принципами, их испытания и коммерциализацию. В Швейцарии и Германии прошли испытания демонстрационных грузовых поездов, сформированных из вагонов, в конструкции которых использованы разнообразные инновационные компоненты (рис. 1).

Рис. 1. Один из вагонов демонстрационного поезда 5L, оборудованный автосцепкой с автосоединением воздуховодов тормозной магистрали (фото: SBB Cargo) 

Потребность в инновациях

В Белой книге обозначены основные факторы, которые в прошедшие годы препятствовали быстрому внедрению инноваций на европейских железных дорогах:

• длинные инновационные циклы, обусловленные длительным сроком службы грузовых вагонов. При этом срок службы грузового автомобиля не превышает в среднем 8 лет;
• высокая потребность в совместимости вагонов, обусловленная большой долей международных перевозок;
• непропорционально высокие расходы на разработку и допуск к эксплуатации подвижного состава вследствие ограниченности и волатильности европейского рынка;
• неготовность собственников вагонов сформулировать для поставщиков требования к базовым инновациям;
• отсутствие зачастую должного экономического эффекта от инноваций для инвестора — собственника вагонов.

Участники сообщества TIS сознательно объединили усилия в поиске экономически оправданных технических решений, отвечающих принципам 5L. Центральное место в их деятельности занимают три темы: бортовые телематические устройства и датчики, инновационные тележки и конструкции вагона. Кроме того, разработана и согласована с собственниками вагонов модель расчета стоимости жизненного цикла тележек, колесных пар и тормозного оборудования, позволяющая проводить адекватное сравнение инновационных и традиционных компонентов.

Сформулированные TIS технические и эксплуатационные требования стали основой для трех демонстрационных проектов по созданию инновационных вагонов. Это проекты оператора SBB Cargo (поезд 5L, «ЖДМ», 2017, № 5, с. 30 – 32), оператора DB Cargo и лизинговой компании VTG (проект «Инновационный грузовой вагон» — Innovativer Güterwagen, выполнявшийся по заказу Министерства транспорта и цифровой инфраструктуры Германии (BMVI), «ЖДМ», 2018, № 9, с. 52 – 60), а также проект «Инновационный танк-контейнер» (Innovative Tank Container) компании BASF.

Бортовые телематические устройства и датчики на грузовых вагонах

Цифровизация стала одним из ключевых факторов, определяющих конкурентоспособность грузовых перевозок. Собственники грузовых вагонов в Европе активно оборудуют их бортовыми телематическими устройствами и разнообразными датчиками, позволяющими отслеживать местоположение каждого вагона, контролировать появление его в определенной зоне или выход из нее, собирать сведения о пробеге, ударных нагрузках, а также получать информацию о состоянии перевозимого груза по данным о температуре, давлении и влажности.

Рабочая группа TIS в 2014 г. приступила к разработке требований к телематическим устройствам и датчикам. К этой работе были привлечены операторы грузовых перевозок и изготовители оборудования. На тот момент бортовые приборы разных изготовителей не были совместимы друг с другом.

Одна из целей рабочей группы состояла в разработке стандартов для нескольких интерфейсов, которые были бы признаны по крайней мере в Европе и позволили бы датчикам и телематическим устройствам разных поставщиков обмениваться информацией друг с другом. Принятие таких стандартов также повышает эффективность инвестиций в бортовые устройства для собственников вагонов.

К участию в разработке стандартов были привлечены также поставщики телематических устройств и услуг, которые, в свою очередь, учредили объединение ITSS (Industry platform for telema­tics and sensors). По состоянию на февраль 2020 г. в это объединение входили 24 компании, в том числе Siemens, Bosch, Nexxiot, Wabtec, Perpetuum и др.

На первом этапе деятельности рабочей группы были идентифицированы четыре интерфейса, требующих стандартизации (рис. 2).

Рис. 2. Интерфейсы в комплексе телематического оборудования, для которых разрабатываются стандарты сообществом TIS

Интерфейс 1 определяет обмен информацией между сервером провайдера телематических услуг, на котором выполняется подготовка данных от бортовых устройств грузовых вагонов (в частности, преобразование координат GPS в данные о местоположении вагона в привязке к пути), и сервером пользователя. Этот стандарт уже принят и регулярно совершенствуется и дополняется путем выпуска новых версий. В настоящее время действует версия 1.2 от сентября 2018 г.

Интерфейс 2 охватывает обмен данными между датчиками и бортовым телематическим устройством по проводным или беспроводным каналам связи. Этот интерфейс еще окончательно не стандартизирован, вследствие чего в большинстве случаев нет возможности интегрировать в бортовую систему датчики разных изготовителей. На первом этапе сообщество TIS и объединение ITSS согласовали применение для беспроводного обмена данными частоту 2,4 ГГц по стандарту 802.15.4. В конце 2018 г. была завершена и согласована с ITSS и TIS версия спецификации интерфейса 2, которая тестируется участниками объединения ITSS. В настоящее время введена возможность подтверждения готовности бортовой аппаратуры к будущему стандарту. При этом устройства должны отвечать предварительно согласованным требованиям в отношении диапазона частот и стандарта 802.15.4, а также допускать обновление микропрограмм для удовлетворения требований будущего стандарта интерфейса 2.

Интерфейс 3 служит для обмена данными между бортовым телематическим устройством и носимыми приборами, которые используются эксплуатационным персоналом для быстрого считывания информации о вагоне.

Интерфейс 4 обеспечивает обмен данными между грузовым вагоном и локомотивом, что необходимо, например, при автоматическом опробовании тормозов и определении составности поезда. При этом возможна передача данных через сеть сотовой связи и стационарный сервер (для приложений, некритичных по времени) либо по прямым беспроводным или проводным соединениям.

Стандарты для интерфейсов 3 и 4 еще не созданы.

Наряду со стандартизацией интерфейсов существует еще ряд технологий в сфере цифровизации, унификация которых способна повысить эффективность работы всей отрасли. В частности, современные технологии позволяют регистрировать ударные нагрузки на грузовые вагоны с фиксацией времени и места события. Однако пока не накоплены данные, позволяющие определить, при каком пороговом уровне нагрузки с учетом ее длительности, направления, места воздействия и типа вагона можно надежно зарегистрировать повреждение подвижного состава. Для разработки согласованной методики необходимы совместные усилия представителей отрасли.

Разработанные и разрабатываемые TIS совместно с ITSS стандарты требуют дальнейшего развития с участием других отраслевых организаций. Объединение ITSS сотрудничает с германским (VPI) и европейским (UIP) сообществами собственников грузовых вагонов, МСЖД и инициативой Shift2Rail с целью введения общеевропейских стандартов на интерфейсы телематических устройств и датчиков для грузовых вагонов.

Тем временем грузовые операторы и собственники вагонов, входящие в сообщество TIS, активно внедряют бортовые телематические устройства и датчики, а также облачные платформы для анализа и обработки данных мониторинга.

Лизинговая компания VTG еще в 2016 г. приступила к оснащению такими устройствами парка, в состав которого входят примерно 90 тыс. грузовых вагонов. Завершить работы планируется в 2020 г. В качестве партнера выступает швейцарская компания Nexxiot, которая уже выпускает бортовые телематические устройства второго поколения с питанием от солнечных и аккумуляторных батарей. Кроме того, в 2020 г. планируется оборудовать телематическими устройствами Nexxiot примерно 9000 танк-контейнеров VTG, предназначенных для перевозки опасных грузов.

Грузовой оператор DB Cargo в 2018 г. подписал с компанией Siemens контракт на оборудование 30 тыс. грузовых вагонов комплектами телематических устройств (рис. 3) и датчиков CTmobile, включая эксплуатацию этого оборудования в течение 6 лет с обработкой данных мониторинга на сервере Siemens. Контракт включает опцион, предусматривающий возможность оборудования еще 50 тыс. вагонов. К 2020 г. цифровыми телематическими устройствами и датчиками оборудовали 68 тыс. вагонов, а завершить оснащение ими всего парка DB Cargo планируется к 2022 г. Грузоотправители получают через облачную платформу DB Cargo информацию о текущем местоположении вагонов, недопустимых ударных нагрузках, температуре и влажности в кузове вагона (для вагонов определенных категорий) и т. п.

Рис. 3. Монтаж телематического устройства на грузовом вагоне оператора DB Cargo (фото: DB Cargo)

Инновационные тележки грузовых вагонов

Наиболее распространенные на европейских железных дорогах тележки семейства Y25 основаны на конструкции, широко применяемой с 1960‑х годов. Основным их недостатком является отсутствие возможности радиальной установки колесных пар в кривых. В результате увеличивается сопротивление движению прежде всего в кривых, способствующее росту износа колесных пар и уровня шума, а также повышению расходов на техническое обслуживание.

Разные изготовители разработали инновационные тележки с радиальной установкой колесных пар, которые тем не менее не смогли вытеснить с рынка тележки Y25 из‑за значительно более высокой стоимости.

Сообщество TIS на первом этапе разработало требования к инновационным тележкам и провело переговоры с изготовителями. В ходе анализа имеющихся разработок стало ясно, что тележки разных конструкций сравнивать между собой достаточно сложно. Заявленные изготовителями преимущества в отношении снижения уровня шума, потребления энергии и износа в системе колесо — рельс основаны на субъективных оценках или результатах нестандартизированных испытаний.

В связи с этим сообщество TIS разработало концепцию испытаний инновационных тележек. На основе этой концепции оператор SBB Cargo заказал четыре инновационные тележки для демонстрационного поезда 5L, пробег которого составил 400 тыс. км, а оператор DB Cargo и лизинговая компания VTG приобрели инновационные тележки двух типов и испытали их в ходе опытной эксплуатации с пробегом 150 тыс. км (рис. 4). Проведенные испытания продемонстрировали преимущества инновационных тележек в отношении уровня шума и энергопотребления особенно при движении в кривых.

Рис. 4. Тележка RC25NT компании Eisenbahnlaufwerke Halle с радиальной установкой колесных пар и облегченными дисковыми тормозами производства Faiveley во время испытаний в рамках проекта «Инновационный грузовой вагон» (фото: Innovativer Güterwagen) 

Колесные пары

Место контакта колеса и рельса является одним из основных источников шума в грузовых перевозках. Кроме того, на колесные пары приходится значительная доля расходов на техническое обслуживание грузовых вагонов. Соответственно, усилия TIS сконцентрированы на создании надежных колесных пар с низкими затратами на техническое обслуживание и уменьшении уровня излучаемого ими шума.

Важным фактором роста экономической эффективности инновационных вагонов является повышение межремонтного пробега колесных пар. TIS активно поддержало исследовательский проект ESFA («Стандартная европейская колесная пара»), который выполнялся МСЖД с 2015 по 2017 г. Были разработаны технические требования к усиленным осям колесных пар, рассчитанным на увеличенные интервалы между процедурами неразрушающего контроля.

Для снижения уровня излучаемого шума разные изготовители разработали колесные пары с шумопоглощающими элементами. Для сравнения их эффективности подготовлена и опробована в рамках демонстрационных проектов SBB Cargo, DB Cargo и VTG концепция испытаний. Кроме того, в ходе реализации этих демонстрационных проектов проверялась эффективность дисковых тормозов по сравнению с колодочными.

Испытания подтвердили, что при использовании инновационных колесных пар уровень излучаемого шума становится меньше действующего норматива TSI, составляющего 83 дБ, на величину от 4 до 7 дБ. Однако применение таких колесных пар ограниченно, поскольку шумопоглощающие элементы препятствуют визуальному контролю состояния колесных дисков.

Снижение уровня излучаемого шума возможно только за счет увеличения стоимости изготовления колесных пар, которое не компенсируется уменьшением стоимости их жизненного цикла, поскольку не влияет на износ колес. Для принятия решения о возможности применения таких колесных пар необходимы дополнительные испытания с целью изучения динамики расходов на их техническое обслуживание и долгосрочной эффективности в плане поглощения шума.

Инновационные дисковые тормоза

Применение дисковых тормозов экономически оправданно для вагонов определенных категорий с высоким ежегодным пробегом. Они обеспечивают меньший износ колес по сравнению с колодочными тормозами, в том числе оборудованными накладками из композиционных материалов.

К недостаткам современных дисковых тормозов относится их большая масса по сравнению с колодочными. Поэтому дисковые тормоза актуальны прежде всего для грузовых вагонов с неполной загрузкой. Их использование экономически целесообразно в вагонах ускоренных грузовых поездов, развивающих скорость 100 км/ч и более и обращающихся на протяженных маршрутах, обслуживающих морские порты.

Цель TIS состоит во внедрении облегченных дисковых тормозов. Такие тормоза уже разработаны несколькими изготовителями и опробованы в рамках демонстрационных проектов. При их создании использованы новые материалы и новые технологии. Масса новых дисковых тормозов для грузовых вагонов на 50 кг (т. е. на 35 %) ниже, чем эксплуатируемых в настоящее время.

По мнению TIS, потенциал снижения массы дисковых тормозов еще не исчерпан. В частности, перспективной выглядит конструкция дискового тормоза, в которой используется один тормозной диск вместо двух. В этом случае необходимо, однако, тщательно изу­чить влияние такой конструкции на безо­пасность движения.

Важным фактором остается сравнительно высокая стоимость дисковых тормозов. Анализа требует и характер расходов при эксплуатации дисковых тормозов по сравнению с колодочными.

Инновационный кузов вагона

Облегченные конструкции

Уменьшение массы тары вагона позволяет перевозить больше грузов при той же осевой нагрузке и снижает энергопотребление при порожних пробегах. Современные технологии позволяют получить облегченные конструкции и при использовании традиционных материалов (рис. 5). Дальнейший прогресс возможен при переходе к инновационным материалам, что требует проведения углубленных научных исследований.

Рис. 5. Вагон-цистерна компании VTG с облегченным резервуаром увеличенного диаметра (фото: Innovativer Güterwagen)

В рамках проектов «Инновационный грузовой вагон» (DB Cargo и VTG) и «Инновационный танк-контейнер» (BASF) созданы облегченные конструкции из традиционных материалов. При этом масса тары инновационных грузовых вагонов снизилась в ряде случаев на несколько тонн по сравнению с сопоставимыми традиционными вагонами.

Переходу на облегченные грузовые вагоны препятствуют, в частности, существующие нормы, согласно которым масса тары четырехосного грузового вагона с дисковыми тормозами не может быть меньше 20 т, а с колодочными — меньше 16 т. TIS считает, что эти нормы должны быть проверены и пересмотрены.

В целом TIS поддерживает применение в грузовом вагоностроении инновационных материалов, таких как углеволокно, однако считает необходимым провести предварительно соответствующие углубленные научные исследования и всесторонние испытания. Это касается в том числе вопросов безопасности движения, включая устойчивость вагонов к сходам с рельсов, и экономической эффективности в течение жизненного цикла (в том числе в отношении ремонтопригодности конструкций из инновационных материалов).

Модульность

Современные грузовые вагоны рассчитаны на эксплуатацию в течение нескольких десятилетий. С одной стороны, это позитивная характеристика, с другой — инновационные циклы становятся в результате слишком протяженными. Кроме того, большинство вагонов на железных дорогах Европы являются специализированными, а потому эффективность их использования зависит от спроса на перевозки конкретных грузов. Специализация вагонов приводит также зачастую к неполной загрузке их парка, высокой закупочной цене вследствие малых производственных партий и росту затрат на техническое обслуживание.

Решение перечисленных проблем сообщество TIS видит в модульном исполнении вагонов в сочетании с применением инновационных обменных кузовов. Идея обменных кузовов на грузовом железнодорожном транспорте не нова и широко используется в мультимодальных перевозках. Цель состоит в том, чтобы распространить ее и на перевозку массовых грузов.

Отделение кузова вагона от рамы и ходовой части дает целый ряд преимуществ: рама может быть стандартизирована (с несколькими вариантами по длине) и изготавливаться крупными партиями по сниженным ценам. При этом она должна быть по‑прежнему рассчитана на длительный срок службы. Конструкция специализированного под конкретные грузы обменного кузова может быть ориентирована на меньший срок службы. В результате появляется возможность сократить инновационные циклы и быстрее переходить к новым техническим решениям.

Еще одно преимущество модульности состоит в том, что этот подход защищает инвестиции собственников вагонов. При приобретении специализированного подвижного состава им приходится считаться с риском неблагоприятного изменения ситуации на рынке перевозок в долгосрочной перспективе. Модульная концепция позволяет более гибко реагировать на подобные изменения, а также минимизировать требования к техническому обслуживанию подвижного состава.

Примером реализации модульной концепции могут служить эксплуатируемые компанией BASF с 2017 г. танк-контейнеры массой брутто до 75 т в сочетании с облегченными платформами. Вместе с тем для определенных родов грузов останутся востребованными и специализированные грузовые вагоны традиционной конструкции.

Стоимость жизненного цикла

Технические инновации не являются самоцелью, они оправданны только при подтверждении экономической эффективности. Зачастую закупочная цена инновационных компонентов выше по сравнению с традиционными, особенно на первом этапе коммерциализации, поскольку включает в себя расходы на НИОКР и допуск к эксплуатации. Решающее значение имеет, однако, стоимость жизненного цикла. До недавнего времени отсутствовала базовая модель расчета стоимости жизненного цикла грузовых вагонов, которую готова была бы принять вся отрасль. Участники сообщества TIS совместно разработали такие модели для тележек, колесных пар и тормозных систем. К этим работам была привлечена независимая консалтинговая компания, которая разработала алгоритмы расчета стоимости жизненного цикла в зависимости от пробега, опираясь на данные о реальной стоимости приобретения продукции и ее технического обслуживания. TIS намерено продолжить эту работу и включить в модель стоимости жизненного цикла и другие компоненты грузовых вагонов. В результате отрасль получит комплексный инструмент для подтверждения экономической эффективности инноваций.

Демонстрационные проекты

Еще в 2015 г. сообщество TIS разработало концепцию эксплуатационных испытаний инновационных компонентов при помощи демонстрационного поезда. К настоящему времени эта концепция опробована в рамках трех проектов.

В 2016 г. оператор SBB Cargo первым объявил о намерении приступить к реализации проекта, в рамках которого предусматривались испытательные поездки демонстрационного поезда 5L с разнообразными инновационными компонентами. В том же году в Германии BMVI заказало компаниям DB Cargo и VTG выполнение исследовательского проекта по созданию и тестированию инновационных грузовых вагонов. Наконец, компания BASF запустила проект разработки концепции инновационного танк-контейнера и облегченного вагона-платформы для него.

Во всех этих проектах изучались влияние инноваций на экономическую эффективность грузовых вагонов, а также возможности снижения потребления энергии и уровня излучаемого вагонами шума.

Демонстрационный поезд 5L

Демонстрационный поезд 5L был впервые показан общественности в мае 2017 г. на выставке transport logistic в Мюнхене, и с мая 2018 г. началась его эксплуатация в Швейцарии. В составе поезда 16 вагонов-платформ, в течение 4 лет его пробег должен достигнуть 400 тыс. км. В ходе испытаний собирается информация об износе, уровне излучаемого шума и работе средств автоматизации, включая автоматическое опробование тормозов. Уже собранные результаты испытаний подтверждают снижение уровня излучаемого шума примерно на 5 дБ по сравнению с традиционными грузовыми вагонами, оборудованными малошумными композитными тормозными колодками.

В составе поезда 5L эксплуатируются вагоны с шестью инновационными компонентами:

• тележками четырех изготовителей;
• колесными парами четырех изготовителей;
• дисковыми тормозами трех изготовителей;
• автосцепкой двух изготовителей;
• съемным 60‑футовым кузовом со сдвижной боковой стенкой;
• телематическими системами и приложениями.

Проект «Инновационный грузовой вагон» в Германии

В 2016 г. BMVI провело тендер на право реализации исследовательского проекта создания и опробования инновационных грузовых вагонов. При этом ставилась цель разработать малошумные энергоэффективные и экономически привлекательные вагоны с использованием уже имеющихся на рынке компонентов и технологий. По результатам тендера выполнение проекта было поручено объединению двух компаний — DB Cargo и VTG.

Для испытания инновационных вагонов был сформирован демонстрационный поезд (рис. 6), в состав которого включили 12 прототипов инновационных вагонов — по три вагона четырех категорий:

• платформы для перевозки продукции сталелитейной промышленности;
• вагоны для перевозки легковых автомобилей;
• цистерны для продукции химической промышленности;
• платформы для контейнеров.

Рис. 6. Демонстрационный поезд из инновационных грузовых вагонов в Германии (фото: DB)

Все эти прототипы были оборудованы инновационными компонентами, в том числе тележками с радиальной установкой колесных пар, дисковыми тормозами, малошумными колесными парами с шумопоглощающими элементами, телематическими устройствами, цифровыми системами мониторинга состояния тормозов, шинами электропитания и передачи данных и электропневматическим тормозом.

Для сравнения в состав демонстрационного поезда включили восемь традиционных вагонов, причем три из них оборудовали автосцепкой двух типов.

Испытания начались в марте 2018 г. и завершились через год. Пробег поезда составил 150 тыс. км. Зимой и осенью 2018 г. на испытательном полигоне Вегберг-Вильденрат компании Siemens были проведены разнообразные измерения уровня излучаемого шума и потребления энергии. Они продемонстрировали снижение уровня излучаемого инновационными вагонами шума на величину от 4 до 7 дБ относительно норматива 83 дБ согласно требованиям TSI.

Инновационная концепция танк-контейнера компании BASF

BASF располагает парком из более чем 1000 вагонов-цистерн, в которых перевозятся жидкие и газообразные грузы между предприятиями компании. Цель проекта состояла в сокращении расходов на перемещение этих грузов до их отправления железнодорожным транспортом и после доставки на другое предприятие. Для этого было решено автоматизировать перемещение грузов по территории предприятий и снизить уровень шума, излучаемого при транспортировке грузов по железной дороге.

Концепция включает четыре элемента:

• инновационный танк-контейнер массой 75 т;
• инновационный вагон-платформу;
• беспилотные самоходные транспортеры с электроприводом для перемещения танк-контейнеров;
• полностью автоматизированный склад для танк-контейнеров.

Танк-контейнер повышенной вместимости класса B-TC (BASF Class Tankcontainer) был разработан совместно с бельгийской компанией Van Hool, которая специализируется на производстве коммерческого автотранспорта (рис. 7 и 8). Совместно с партнерами по проекту был разработан также 45‑футовый вагон-платформа с инновационной ходовой частью, которая позволила уменьшить уровень излучаемого вагоном шума на величину 5 дБ по сравнению с нормативом TSI. Оптимизация конструкции платформы позволила уменьшить ее массу до 16,5 т, несмотря на применение дисковых тормозов.

Рис. 7. Перегрузка  инновационного танк-контейнера компании BASF на беспилотный транспортер (фото: BASF)

Рис. 8. Перевозка танк-контейнера в автоматическом режиме по территории предприятия в Дуйсбуре (фото: BASF)

В середине 2018 г. был принят в эксплуатацию полностью автоматизированный склад в Людвигсхафене для танк-контейнеров. Для перемещения танк-контейнеров между складом и производственными площадками служат автоматически управляемые самоходные транспортеры на автомобильном ходу.

Перспективы инновационных грузовых вагонов

За последние годы сообщество TIS и другие участники рынка грузовых перевозок разработали и опробовали множество инноваций, которые существенно улучшают технические и экономические характеристики грузовых вагонов. В целом отрасль выработала совместное видение перспективного инновационного вагона, который отличают:

• облегченные ходовая часть и тормозная система, имеющие низкие уровни износа и излучаемого шума;
• оснащение телематическими устройствами и датчиками для разных случаев применения. При этом передача телематической информации осуществляется через стандартные интерфейсы, что делает совместимыми все оборудованные датчиками грузовые вагоны;
• модульная облегченная конструкция рамы и кузова вагона, хотя для определенных родов груза по‑прежнему оправданны вагоны традиционной конструкции.

Ключевое значение для внедрения перспективных инновационных вагонов имеет низкая стоимость жизненного цикла. Она подтверждается результатами реализации демонстрационных проектов, выполненных участниками сообщества TIS.

Интеллектуальный грузовой поезд

Для существенного повышения конкурентоспособности грузовых железнодорожных перевозок недостаточно перейти к использованию инновационных грузовых вагонов. Польза от инноваций, прежде всего в сфере цифровых технологий, станет ощутимой, если рассматривать поезд в целом. Именно поэтому TIS ставит перед собой цель создать интеллектуальный грузовой поезд, который способен повысить экономическую эффективность грузовых перевозок.

В настоящее время практически все операции, связанные с составлением поездов и их подготовкой к рейсу, включая контроль технического состояния вагонов, осуществляются вручную. Сообщество TIS исходит из того, что повышение уровня автоматизации является основным фактором роста конкурентоспособности железных дорог. Необходимы комплексные технические решения, направленные на минимизацию участия персонала в грузовых перевозках. В первую очередь это касается внедрения автосцепки, причем с перспективой не только сцепления, но и расцепления вагонов в автоматическом режиме, а также автоматического соединения и рассоединения воздуховодов тормозной магистрали и шин электропитания и передачи данных.

Деятельность TIS сосредоточена на четырех основных темах, связанных с переходом к интеллектуальному грузовому поезду:

• автоматизация технологических операций, включая опробование тормозов и расчет тормозного коэффициента, проверку технической готовности и целостности поезда, сбор информации о составности поезда, мониторинг состояния компонентов вагонов, в том числе для перехода к техническому обслуживанию по фактическому состоянию;
• внедрение цифровой автосцепки (DAC) с автоматическим соединением воздуховодов, шин электропитания и передачи данных, в том числе разработка функциональных требований и выбор геометрии головной части автосцепки, разработка сценариев использования и анализ экономической эффективности концепций перехода к автосцепке и финансирования такого перехода;
• подача электроэнергии и данных, в том числе разработка стандартов электропитания бортового оборудования грузового вагона (аккумуляторные батареи или шина электропитания) и передачи данных (беспроводной и проводной с выбором конкретной технологии);
• внедрение электропневматического тормоза, включая применение шины электропитания для включения тормоза, разработку и испытания экономически оправданного технического решения.

Автоматизация технологических операций

Размещение датчиков на грузовых вагонах в сочетании с телематическими приложениями создает условия для автоматизации технологических операций, которые сейчас выполняются вручную. При этом важно найти комплексное решение, позволяющее полностью отказаться от ручных операций и визуальных осмотров.

Автоматизация способна не только повысить конкурентоспособность, но и решить проблему растущей нехватки персонала на железных дорогах Европы, в первую очередь это касается машинистов и составителей поездов.

Сообщество TIS сформулировало основные задачи и процессы, требующие автоматизации:

• опробование тормозов;
• расчет тормозного коэффициента с последующим отображением его значения на дисплее машиниста;
• определение составности поезда. Предполагается, что перед отправлением интеллектуального поезда его вагоны будут регистрироваться в поездной сети передачи данных и сообщать о своем месте в составе. При отклонении от планового натурного листа система генерирует соответствующее сообщение;
• контроль целостности поезда. С внедрением европейской системы управления движением поездов произойдет отказ от напольных устройств контроля свободности пути, таких как рельсовые цепи и счетчики осей, что позволит сократить инвестиции в инфраструктуру и затраты на ее техническое обслуживание. В настоящее время этому препятствует отсутствие бортовых средств контроля целостности грузовых поездов. Ожидается, что в интеллектуальном грузовом поезде будет периодически осуществляться проверка наличия всех вагонов в составе;
• цифровизация технического осмотра вагонов. Уже сейчас на рынке предлагаются разнообразные технические решения, позволяющие при помощи бортовых телематических устройств автоматизировать мониторинг состояния компонентов грузового вагона и прогнозировать его развитие.

Сообщество TIS заказало исследование с целью проанализировать потенциал цифровизации технического осмотра вагонов и составления соответствующей дорожной карты. Это исследование показало, что для цифровизации данных операций не требуется большое число технологий. В числе ключевых авторы исследования называют следующие технологии:

• автоматическое опробование тормозов (рис. 9 и 10);
• идентификация вагонов;
• сбор посредством датчиков информации об ускорениях ходовой части или кузова вагона;
• системы машинного зрения.

Рис. 9. Машинист проверяет результат автоматического опробования тормозов грузового поезда (фото: SBB Cargo)

Рис. 10. Бортовой модуль мониторинга состояния тормозов на грузовом вагоне (фото: Innovativer Güterwagen)

Цифровые технологии дают и дополнительные преимущества, поскольку несут в себе способность к самообучению и могут обеспечить систематическое выявление причин неисправностей. С другой стороны, расширенная информация о состоянии вагонов позволит пересмотреть подходы к техническому обслуживанию, заменив периодические ремонты на обслуживание по фактическому состоянию.

В настоящее время операторы применяют как стационарные, так и бортовые диагностические комплексы. По мнению TIS, на основе всех этих технологий должны быть разработаны и опробованы в пилотных проектах экономически оправданные технические решения. Особого внимания заслуживает при этом объединение всех этих средств диагностики в единую сеть.

Цифровая автосцепка

Центральное место в комплексе мер по автоматизации грузовых железнодорожных перевозок занимает автосцепка, обеспечивающая также надежное автоматическое соединение воздуховодов тормозной магистрали, шин электропитания и передачи данных. Такая цифровая автосцепка (DAC — digital automatic coupling) способна радикально повысить эффективность железных дорог.

До сих пор все попытки массового перехода европейских железных дорог на автосцепку заканчивались неудачей, однако в настоящее время граничные условия существенно изменились. Если ранее внедрение автосцепки обосновывали стремлением повысить безопасность и производительность маневровой работы, то сегодня стали очевидны экономические преимущества цифровой автосцепки.

Сообщество TIS исходит из того, что в настоящее время недостаточно внедрить традиционную автосцепку, возможности которой ограничены автоматическим сцеплением вагонов. Для резкого повышения производительности железных дорог необходима автосцепка с автосоединением воздуховодов и шин электропитания и передачи данных. В перспективе возможно даже создание автосцепки с управлением по радиоканалу процессом автоматической расцепки вагонов.

Основная задача отрасли состоит сейчас в разработке стратегии перехода к цифровой автосцепке и реализации этой стратегии в среднесрочной перспективе. Соответственно необходимо унифицировать цифровую автосцепку и принять стандарт на шины электропитания и передачи данных в грузовом поезде.

Подход сообщества TIS к внедрению автосцепки DAC основан на следующих принципах:

• вводятся пять типов автосцепки (рис. 11) — начиная от обычной, которая обеспечивает только автоматическое сцепление вагонов, и заканчивая цифровым, полностью автоматическим сцепным устройством, способным также соединять воздуховоды и шины электропитания и передачи данных, а также автоматически выполнять расцепку по дистанционно подаваемой команде;
• минимально приемлемым стандартом для выхода на рынок является DAC типа 4 с интегрированными средствами соединения воздуховодов и шин электропитания и передачи данных. При этом должна обеспечиваться возможность дооснащения DAC типа 4 до автосцепки DAC типа 5 (с дистанционно управляемой расцепкой);
• не должно быть совместимости с традиционной ручной винтовой сцепкой. Это необходимо для быстрого и полномасштабного перехода Европы на цифровую автосцепку;
• необходимо стандартизировать управление поездными шинами электропитания и передачи данных для успешного внедрения телематических приложений и средств автоматизации. TIS занимается разработкой соответствующей концепции;
• автосцепка должна быть достаточно мощной, чтобы надежно воспринимать растягивающие и сжимающие силы в поездах увеличенной массы и длины, но при этом она должна быть по возможности легкой.

Рис. 11. Типы автосцепки с разными уровнями функциональности

Операторы — участники сообщества TIS уже испытывают цифровую автосцепку AC типа 2 в демонстрационных поездах, а Федеральные железные дороги Швейцарии в 2019 г. приступили к ее ограниченному развертыванию на вагонах контейнерных поездов в рамках пилотного проекта (рис. 12). AC типа 2 — это хорошее стартовое решение, позволяющее получить определенный экономический эффект, однако цель TIS состоит во внедрении полностью автоматического сцепного устройства, поэтому, внедряя AC типа 2, компании-изготовители и операторы должны обеспечить возможность дооснащения этой автосцепки до уровня DAC типа 5.

Рис. 12. Адаптированная для грузового движения автосцепка Шарфенберга производства компании Voith (фото: Voith). На этом месте было фото из фотобанка SBB Cargo, но оно заменено по просьбе этой компании.

TIS осознает, что массовое внедрение цифровой автосцепки является сложным процессом как с организационно-технической, так и с финансовой точки зрения. Эту задачу практически нельзя решить без политической поддержки на национальном и европейском уровнях. Вследствие значительных расходов на приобретение новых сцепных устройств и переоборудование вагонов необходима также финансовая поддержка. При этом основные выгоды от внедрения автосцепки получают операторы перевозок, а инвестиционные затраты понесут собственники вагонов. Соответственно необходимо разработать меры стимулирования собственников вагонов к переходу на цифровую автосцепку.

Сообщество TIS занимается подготовкой функциональных требований к автосцепке DAC, чтобы проанализировать на соответствие этим требованиям имеющиеся на рынке сцепные устройства. В ближайшей перспективе TIS намерено вступить в диалог с изготовителями автосцепок, чтобы обсудить эти требования и согласовать дальнейшие действия. Одновременно разрабатывается концепция управления поездными шинами электропитания и передачи данных.

На следующем этапе предусмотрена разработка с участием собственников вагонов, операторов и промышленности концепции финансирования перехода с учетом получаемых отдельными представителями отрасли выгод. Кроме того, предстоит разработать собственно концепцию перехода к DAC и ее эксплуатации с сопутствующей государственной поддержкой.

В начале 2020 г. на симпозиуме в Гамбурге, который проводил германский Союз поставщиков грузовых вагонов (VPI), представители ведущих железнодорожных объединений страны подписали хартию цифровой автосцепки («ЖДМ», 2020, № 2, с. 13). По мнению привлеченных авторами хартии экспертов, для перевода всего парка грузовых вагонов (примерно 450 тыс. ед.) европейских железных дорог на автосцепку DAC потребуется от 6 до 10 млрд евро.

В марте 2020 г. TIS представило первую версию спецификации цифровой автосцепки, подготовленную железными дорогами Германии, Швейцарии и Австрии, лизинговыми компаниями Ermewa, GATX Rail Europe и VTG с участием промышленных компаний, в том числе Amsted Rail, CAF, Knorr Bremse, Voith, Wabtec Europe и др. Спецификация включает в себя также описание методики испытаний, проведение которых планируют начиная с 2020 г. При этом будут тестировать цифровые автосцепки DAC типа 4 четырех изготовителей, в том числе одну автосцепку системы Schwab, две автосцепки системы Шарфенберга и еще одну, совместимую с СА-3.

Управление поездными шинами электропитания и передачи данных

Для вагонов традиционных грузовых поездов не предусмотрены возможности подачи электропитания и передачи данных. Современные бортовые телематические устройства оборудованы аккумуляторными батареями и автономными генераторами энергии. Обмен информацией между ними и стационарными серверами осуществляется через сети сотовой радиосвязи.

С ростом уровня автоматизации потребление энергии бортовыми устройствами грузового вагона будет расти, а для ряда приложений (таких как контроль целостности поезда) также необходима надежная и безопасная передача данных между отдельными вагонами и локомотивом. Энергии, вырабатываемой применяемыми сегодня солнечными батареями, осевыми генераторами или харвестерами вибраций, окажется при этом недостаточно.

В связи с этим TIS изучает возможности управления шинами электропитания и передачи данных интеллектуального грузового поезда. Необходимо понять, какие потребители электроэнергии и какая мощность системы электроснабжения будут востребованы в будущем. Исходя из этого можно определить напряжение в шине питания с учетом перехода в перспективе к поездам увеличенной длины.

Также необходимо определить, какая информация будет транслироваться между грузовыми вагонами и локомотивом, после чего можно сформулировать требования к шине передачи данных. В дальнейшем сообщество TIS выберет подходящую технологию проводной передачи данных — CAN, Ethernet, PowerLine и т. п. На сегодняшний день промежуточные результаты исследований позволяют сделать предварительный вывод о целесообразности применения в грузовом поезде шины питания напряжением 110 В и шины CAN для передачи данных (рис. 13).

Рис. 13. Шина электропитания напряжением 110 В на вагоне проекта «Инновационный грузовой вагон» (фото: А. Ефремов) 

При этом важно заложить в выбранные технические решения возможность дальнейшего развития, чтобы удовлетворить перспективные и еще неизвестные на данный момент требования. Не менее важно создать надежную, неприхотливую и недорогую систему. В противном случае ее внедрение не будет экономически оправданным. Сообщество TIS также активно изу­чает опыт других видов транспорта, где подобные шины передачи данных уже давно получили широкое распространение и выпускаются большими партиями.

В марте 2020 г. TIS представило требования к электрическим разъемам в цифровой автосцепке и соединительным кабелям между вагонной шиной электропитания и автосцепкой.

Электропневматический тормоз

Электропневматический тормоз (ЭПТ) уже применяется в ограниченных масштабах в грузовых поездах в Северной Америке, Австралии и ЮАР. Он позволяет одновременно включить тормоза всех вагонов поезда независимо от его длины, что способствует уменьшению продольных сил в составе. Кроме того, при использовании ЭПТ обеспечивается равномерное распределение нагрузки на тормозные устройства и колеса вагонов в составе поезда и более точное управление торможением.

В то же время внедрению ЭПТ препятствует его высокая стоимость. Наряду с необходимостью прокладки вдоль поезда шины электропитания напряжением 110 В (для соответствия требованиям МСЖД) обычно необходим второй воздуховод — напорная магистраль для наполнения воздухом главного резервуара. Тем не менее TIS рассматривает ЭПТ как важную технологию, которую следует учитывать при разработке интеллектуального грузового поезда, и изучает возможность применения недорогого ЭПТ в грузовых перевозках, пусть даже с ограниченным функционалом.

Компании DB Cargo и VTG уже заняты опробованием так называемого облегченного электропневматического тормоза (без напорной магистрали). При этом после торможения поезда наполнение воздухом запасного резервуара происходит через тормозную магистраль, т. е. более медленно и так же, как при традиционном пневматическом тормозе. Управление тормозными клапанами осуществляется через шину питания напряжением 110 В (рис. 14).

Рис. 14. Тормозной клапан ЭПТ производства Faiveley на вагоне проекта «Инновационный грузовой вагон» (фото: Innovativer Güterwagen) 

Перспективы интеллектуального грузового поезда

Дорожная карта перехода к интеллектуальному грузовому поезду уже подготовлена, и участники сообщества TIS приступили к реализации первых проектов по всем основным направлениям работ.

Все участники сообщества TIS считают, что автоматизация грузовых железнодорожных перевозок не даст должного экономического эффекта без введения унифицированной цифровой автосцепки в масштабе железных дорог Европы.

Унификация необходима также при оборудовании грузовых поездов шинами электропитания и передачи данных.

Очевидно, что инновации, связанные с переходом к интеллектуальным грузовым поездам, носят комплексный характер и требуют более согласованных действий в масштабах отрасли по сравнению с внедрением инновационных грузовых вагонов. Более того, отрасль не сможет решить столь сложную и сопряженную с крупными инвестициями задачу самостоятельно, без политической поддержки.

На железных дорогах Европы реализуется ряд проектов, направленных на реализацию концепции интеллектуального поезда. В частности, испытана технология автоматического опробования тормозов. Определенный прогресс наблюдается в выполнении проектов, направленных на переход к ремонту грузовых вагонов по их фактическому состоянию, однако потребуются еще значительные усилия в сфере цифровизации мониторинга технического состояния вагонов, прежде чем можно будет приступить к массовому развертыванию новой технологии технического обслуживания и ремонта. Здесь необходимо взаимодействие операторов инфраструктуры и перевозок, а также собственников вагонов, в том числе для выработки оптимального соотношения бортовых и напольных диагностических средств.

TIS продолжает прорабатывать концепцию управления поездными шинами электропитания и передачи данных, но считает необходимым развивать и другие технологии, в том числе автономного питания и передачи данных по радиоканалу. Внедрение шин питания и передачи данных в масштабе Европы возможно только вместе с оборудованием грузовых вагонов цифровой автосцепкой.

В целом, по мнению TIS, реализовать весь комплекс инновационных решений в рамках перехода к интеллектуальным грузовым поездам невозможно без государственной поддержки, поскольку требуемый размер инвестиций превышает возможности отрасли. Такая государственная поддержка оправданна, поскольку железные дороги обладают значительными преимуществами перед другими видами транспорта, в том числе экологическими.

А. Ефремов

В статье использованы материалы Белой книги сообщества TIS — White Paper. The Intelligent Freight Train (tis.ag/download/tis_weissbuch_intelligenter_gueterzug) и материалы Министерства транспорта и цифровой инфраструктуры Германии (www.bmvi.de), компаний DB Cargo (www.dbcargo.com), SBB Cargo (www.sbbcargo.com), VTG (www.vtg.de), Nexxiot (www.nexxiot.com), Siemens (www.siemens.com), а также проекта Innovativer Güterwagen (www.innovativer-gueterwagen.de)

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2020, № 5.