Studie proveditelnosti 2017 - Simulace stability navržených variant ŽUBrno

Brno hlavní nádraží dnes. Slepý zazděný východ.

Navržených 11 variant modernizace železničního uzlu Brno je třeba podrobit počítačovým simulacím, zda jsou schopny přenést předpokládaný objem osobní a nákladní dopravy Jak odolávají případným nepravidelnostem v provozu. Zda se případné zpoždění šíří z vlaku na vlak, či zda problémy na jedné trati, na jedné koleji, způsobují dominový efekt a zhroucení jízdních řádů v celém brněnském železničním uzlu. Jak stabilní a odolné jsou navržené varianty modernizace ŽUB? Proto simulace stability navržených variant

Druhý díl Studie proveditelnosti popisuje současný stav železniční dopravy v brněnském železničním uzlu a v okolí Brna. Dnes, v blízké budoucnosti a ve vzdálenější budoucnosti kolem roku 2050. Což se může zdát daleko, ale při schvalovacích lhůtách českých staveb je to za chvíli.

Zdroj: Studie proveditelnosti. Díl B2: Dopravně technologické řešení železniční dopravy, 436 stran textu + přílohy

Před čtením této části se doporučuji seznámit s popisem jednotlivých navržených variant Řeka – Petrov.
Obsah a úvod Studie proveditelnosti 2017 najdete zde.
Pokud to chcete jednoduše, směřujte na odkaz Studie proveditelnosti: Stručně a jasně.
Plné znění Studie proveditelnosti 2017 najdete na webu EuroPoint Brno.cz.

Jedná se o můj stručný a zjednodušující výtah ze Studie proveditelnosti 2017.
Cílem je obsah Studie přiblížit občanům, kteří se o brněnský gordický železniční uzel zajímají.
Pokud dotazy nebo názor, využijte kontaktní formulář pod článkem.
Nebo mi napište rovnou na pavel.boucnik@centrum.cz

Simulace dopravního řešení navržených variant

Navržených (4+6+1) variant modernizace železničního uzlu Brno je třeba podrobit počítačovým simulacím, jak odolávají případným nepravidelnostem v provozu. Zda se zpoždění šíří z vlaku na vlak, neb zda problémy na jedné trati, na jedné koleji, způsobují dominový efekt a zhroucení jízdních řádů v celém brněnském železničním uzlu. Jak stabilní a odolné jsou navržené varianty modernizace ŽUB.
Simulace představuje zjednodušené zobrazení reality ve formě modelu, který je co možná nejpodobnější realitě co se týče hlavních souvislostí systému (statických i dynamických), díky čemuž umožňuje na základě svých vlastních výstupů činit spolehlivé závěry o skutečnosti samotné. Cílem simulací v oblasti železničního provozu je tedy nikoliv samotná tvorba provozního konceptu a jízdního řádu, ale mají za úkol již hotový kompletní provozní koncept podrobně prověřit, a tedy prozkoumat chování systému na vybraném detailně zpracovaném úseku infrastruktury, který je zpravidla úzkým hrdlem a kritickým prvkem pro celý navržený provozní koncept a který má zásadní vliv na jeho praktickou funkčnost. Zásadním faktorem, který do celého procesu vstupuje, je zpoždění.

Studie proveditelnosti. Díl B2: Dopravně technologické řešení železniční dopravy, str. 300

Simulace jako taková tedy nedokáže vytvořit jízdní řád. Umí však vypočítat, nakolik je navržený jízdní řád v kombinaci s plánovanou železniční infrastrukturou a vozovým parkem (rychlosti, zrychlení) realizovatelný, dokáže předpovídat, jak se železniční systém bude za daných okolností chovat, a také dokáže případně provést srovnání s jiným návrhem.

Cílem simulace ve Studii proveditelnosti ŽUB 2017 bylo provést ověření stability:

ve statickém stavu a
následně provést dynamické simulační prověření stability,
za současného působení vnějších vlivů ve formě vstupního zpoždění vlaků vjíždějících do ŽUB a
zároveň za působení zpoždění, vznikajících jako důsledek prodlužování plánovaných pobytů vlaků v jednotlivých stanicích.

Simulace se zaměří jednak na provoz uzlu Brno jako jednoho celku, jednak i na důsledky takového provozu v jednotlivých potenciálně kritických oblastech tak, aby bylo možné objektivně a detailně vyhodnotit funkčnost navrhovaného provozního konceptu železničního uzlu Brno.
Simulace za účelem dopravně technologického posouzení varianty proběhne pro dva základní stavy: provoz bez zpoždění a provoz za zohlednění běžných nepravidelností (se zpožděními).

Simulace byla provedena v centrální části železničního uzlu Brno a na všech z něj vedoucích tratích. Hranicí pro zkoumání bylo vždy místo, které je již mimo Železniční uzel Brno a je dostatečně daleko, aby mělo vliv na sled vlaků v rámci ŽUB. V některých případech byla uvažována jako hranice střed nejbližší dopravny (dopravní kancelář, nebo nástupiště), která sousedí s ŽUB (Brno-Chrlice, Modřice, Střelice, Brno-Královo Pole, Adamov, Šlapanice).
Použitý simulační program OpenTrack.

Pro výpočet byl uvažováno s pobytem vlaků na nádražích takto

Min. možné pobyty vlaků ve stanicích

Tab. 259

Simulace je prováděna jako vícenásobná simulace pro 4 hodinové špičkové provozní období. Výsledkem simulace je vyhodnocení kvality stupně A (výborná) až po D (nedostatečná).

Hodnocení kvality železničního provozu

Tab. 265

Úplně zpracování bude provedeno pro varianty Bez projektu, Řeka A, Ab, Petrov B1d a B1f. U zbývajících variant je ve Studii proveditelnosti jen rozbor výsledků zaměřených na rozdílné prvky infrastruktury a ovlivněné spoje.

Výsledek simulace pro variantu Řeka najdete zde.

Výsledek simulace pro variantu Petrov najdete zde.

Výsledek simulace pro Nulovou variantu, označenou ve Studii proveditelnosti jako varianta Bez projektu níže.

Studie proveditelnosti. Díl B2: Dopravně technologické řešení železniční dopravy, str. 316

Výsledek simulace pro variantu Bez projektu

Varianta Bez projektu 2020 bez poruch a bez nepravidelností

Vyhodnocení provozu bez vlivů vstupních zpoždění prokázalo, že navržený provozní koncept do roku 2020 je staticky realizovatelný. Většina linek osobní dopravy vykázaly stupeň „A“ s výjimkou linek R9, R13, R19, S2 a S6, které byly hodnoceny stupněm „A-B“. V převážné většině se jednalo o mírné hodnoty nárůstu zpoždění.

Nejhoršího výsledku dosahovaly linky S2 (Boskovice – Brno – Střelice) a S6 Brno – Slavkov u Brna – Nesovice (-Nemotice), které vlivem těsnějšího provozu nebo vlivem upřednostňování jiných vlaků v případě interakce (S6) vykazují hodnoty ležící na rozhraní „B-C“. Celkovou funkčnost systému tato výjimka ale nepředstavuje, neboť systém osobní dopravy jako celek funguje na stupni „A“, a celý systém dosahuje stabilních hodnot zpoždění na vstupu i výstupu ze systému, resp. zpoždění velmi mírně klesá.

Dosažené úrovně kvality provozu – rok 2020, varianta Nulová – Bez projektu

Tab. 266

Kritická či potenciálně kritická místa v simulační verzi „Bez Projektu 2020“ představuje především obvod současného hlavního brněnského nádraží. Za pomoci barevného rastru jsou rozlišovány čtyři situace, zatížení pod 40 procent (zelená), 40–60 procent (žlutá; znak, že obsazení prvky se blíží k doporučené hranici celodenního využití prvku), 60–75 procent (oranžová; z celodenního pohledu se jedná o přetížený prvek infrastruktury, špičkové zatížení prvku je však přípustné) a nad 75 procent (červená; obecně přetížený prvek).

Simulace využití staničních kolejí a nástupišť. Rok 2020, varianta Nulová – Bez projektu

Obr. 71

Přetížené koleje z obrázku nejsou ty s vysokou intenzitou provozu, ale s velmi dlouhou dobou pobytu jednoho či několika vlaků u jednoho nástupiště. Většina součástí infrastruktury proto není hodnocena jako skutečně přetížená. Stupeň „B“ je však možné považovat z hlediska stability provozu za dostatečný, neboť nedochází k nárůstu zpoždění v systému a tedy nárůstu nebezpečí destabilizace provozu. Celkový provoz osobní dopravy na stupni „A“ z hlediska stability železničního provozu jako celku proto předpokládá provoz osobní dopravy roku 2020 bez připomínek.

Varianta Bez projektu 2020 s vlivem nepravidelností

Pro hodnověrné vyhodnocení budoucích možných situací bylo provedeno velké množství náhodně zvolených simulačních běhů, které dohromady umožňují vytvořit obraz provozu uzlu za vlivu nepravidelností. Pro každý z těchto scénářů byla vygenerována sada náhodných primárních i sekundárních zpoždění, které umožní zkoumat různé kombinace faktorů zpoždění i pořadí vlaků na infrastruktuře.

Simulace dosažené úrovně kvality provozu, varianta nulová, rok 2020, při zahrnutí vlivu nepravidelností

Tab. 267

Průměrné využití staničních kolejí na hlavním nádraží. Varianta nulová, rok 2020, při zahrnutí vlivu nepravidelností

Využití staničních kolejí na hlavním nádraží v době dopravní špičky. Varianta nulová, rok 2020, při zahrnutí vlivu nepravidelností

Obr 73 a Obr 74

Při posuzování stability brněnského nádraží v nulové variantě Bez projektu 2020 pomocí sumárních vstupních a výstupních zpoždění do systému bylo zjištěno, že celkové výstupní zpoždění narůstá, což obecně značí dlouhodobou provozní neudržitelnost systému a jeho rozpad v konečném čase.
Důvodem takového chování je zejména předpoklad poměrně častého a významného vstupního zpoždění, stejně tak jako vliv primárního zpoždění. To je navíc zesíleno současným stavem tratí a vlaků. Tento statický model využívá maximálních vlastností vozidel a infrastruktury, což ovšem za výskytu daných zpoždění způsobuje komplikace zejména na jednokolejných úsecích tratí, jako je tomu v úseku Brno hlavní nádraží– odb. Slatinská. Důsledkem těchto vlivů vzniká systém, ve kterém dochází k nárůstu zpoždění.

Nárůst zpoždění v systému však není zásadním způsobem ohrožující. Sumární výstup přes vlaky celé simulace je ohodnocen stupněm „B“. Lze konstatovat, že takový systém je z hlediska krátkodobého a střednědobého pohledu obecně provozuschopný. Stupeň „B“ jako takový nevyžaduje přijímání zvláštních opatření, je ovšem třeba předpokládat, že ještě vyšší rozsah nepravidelností může vést k jeho nestabilitě.

Segment dálkové osobní dopravy (rychlíky) vykazuje obecně jako celek pokles celkového zpoždění (A), regionální doprava se pohybuje na dolním kvartilu potenciálně rizikového intervalu (C+), nákladní doprava vykazuje stupeň „B“. Jako celek systém současného brněnského železničního uzlu sice není kriticky nestabilní, ale některé jeho součásti ovšem vykazují vysoké (C –) nárůsty zpoždění, které mohou negativně ovlivnit chování ostatních prvků v síti. Jedná se zejména linky regionální dopravy S2 a S6 a linky dálkové dopravy linky R9 (Praha – Havlíčkův Brod – Brno/Jihlava) a linky R56. Kromě obecných problémů daných zejména vysokou úrovní výskytu zpoždění vlivem prodloužení pobytů ve stanicích (týká se zejména regionální dopravy s vysokým počtem zastavení) mají zejména negativní vliv obraty / změny směru jízdy vlaku, popř. v kombinaci s opakovaným průjezdem přes infrastrukturní celky s vysokým stupněm obsazení infrastruktury (R56).

Provoz linky R9 ovlivňuje zejména pravidelnost provozu dalších linek se stejnou či podobnou trasou, výrazněji pak zejména linkou S2 (Brno – Boskovice) v souvislosti s minimem možností pro změnu pořadí jízdy vlaků.
Provoz na jednokolejném úseku Brno hlavní nádraží – Černovice – Slatinská zapříčiňuje zpožďování linky S6 (Brno – Slavkov u Brna – Nesovice (-Nemotice), dané interakcí s ostatními vlaky, které díky zařazení do vyšších kategorií, vyšším rychlostem a kratším jízdním dobám v úseku jsou preferovány částečně na úkor linky S6. Tento fakt se negativně odráží na růstu zpoždění linky S6.
Zpoždění linky S2 souvisí s průjezdem samotným uzlem hlavní nádraží, jízdní dobou s relativně nižším podílem rezerv a zejména s návaznou jednokolejnou tratí směr Chrlice, kde dopravní koncept předpokládá křižování a proto dochází k bezprostřednímu přenosu zpoždění i do protisměru.

Závěrem, funkčnost uzlu Brno pro rok 2020 přes celkový drobný nárůst sumárního zpoždění není při uvažovaném provozních konceptu zásadně dotčena a tedy je možné takovýto provozní koncept na dané infrastruktuře a za daných podmínek provozovat. Celková stabilita systému není zásadním způsobem dotčena a lze očekávat, že výsledný provoz, alespoň po dobu špičkového provozu, je možné ještě zajistit na horní hranici intervalu úrovně kvality provozu B (ekonomicky optimální), přičemž nedojde k překročení hranice do potenciálně rizikové úrovně kvality provozu C.

Stabilní a trvalý provoz takového systému, ve smyslu například celodenního provozu, však není možné doporučit.

Varianta Bez projektu 2035 bez poruch a bez nepravidelností

Linky osobní dopravy vykázaly stupeň „A“ s výjimkou opět linek R9, R13, R19, S2 a S6, které byly hodnoceny stupněm „B“. I v tomto případě se jednalo o velmi mírné hodnoty nárůstu zpoždění v řádu nízkých jednotek sekund.

Dosažené úrovně kvality provozu na současném nádraží v roce 2035. Varianta nulová – Bez projektu

Tab 269

Průměrné využití staničních kolejí na hlavním nádraží. Varianta nulová, rok 2035

Obr. 76

Vzhledem k faktu, že se jednalo o prověřování navrhovaného provozního konceptu v oblasti, který nebyl zatížen vlivy dodatečného zpoždění, je nezbytné prověřit provoz zejména výše zmiňovaných linek R9, R13, R19, S2 a S6 ve scénářích uvažujících i s vlivem primárních zpoždění. Stupeň „B“ je stále z hlediska stability provozu třeba uvažovat za dostatečný, neboť nedochází k nárůstu zpoždění v systému a tedy nehrozí riziko pozdější destabilizace provozu.

Studie proveditelnosti. Díl B2: Dopravně technologické řešení železniční dopravy, str. 328

Varianta Bez projektu 2035 s vlivem nepravidelností

Dosažené úrovně kvality provozu na současném nádraží v roce 2035. Varianta nulová – Bez projektu. S vlivem nepravidelností v provozu

Tab. 270

Apriori přetížené prvky infrastruktury (červené) se v těchto průměrných hodnotách nevyskytují. Prvky v oblasti ještě přípustného špičkového zatížení (oranžové) jsou přípustné, neboť simulace byla provedena právě pro dopravní špičku.

Průměrné využití staničních kolejí na hlavním nádraží. Varianta nulová, rok 2035. Při zahrnutí vlivu nepravidelností v provozu.

Obr. 78

Využití staničních kolejí na hlavním nádraží v době špičky. Varianta nulová, rok 2035. Při zahrnutí vlivu nepravidelností v provozu.

Obr. 79

Při posuzování stability pomocí vstupních a výstupních zpoždění do systému bylo zjištěno, že celkové výstupní zpoždění posuzovaného systému velmi mírně klesá. To znamená provozní udržitelnost systému.
Vzhledem k podmínce využití maximálně 75% z přirážky k jízdní době k odbourávání zpoždění a vzhledem k relativně vysoké hustotě zastavování vlaků, což vede k častému výskytu prodloužení pobytu ve stanicích a zastávkách, byly i v rámci tohoto bloku simulací zaznamenány horší výsledky pro regionální zastávkové vlaky. Zpoždění komplikují situaci zejména na jednokolejných tratích.

Shrnutí varianty Bez projektu

Na základě dat je možné říci, že systém je z hlediska krátkodobého, střednědobého i dlouhodobého provozuschopný. Segment dálkové osobní dopravy vykazuje mírný pokles celkové sumy zpoždění (A), regionální doprava se pohybuje v dolním kvartilu „ekonomicky optimálního“ intervalu (B+), nákladní doprava vykazuje prakticky shodné výsledky a je hodnocena taktéž stupněm „B+“
Třebaže systém je jako celek stabilní, některé jeho součásti vykazují vyšší nárůsty zpoždění, které výjimečně dosahují i „potenciálně rizikových“ hodnot. Do této kategorie spadá především linka dálkové dopravy R9, v mírnější formě (C+) potom také linky regionální dopravy S2 a S3. Provoz linky R9 stále negativně ovlivňuje zejména pravidelnost provozu dalších linek se stejnou či podobnou trasou.

Podrobné dopravně technologické posouzení varianty „Bez projektu 2035“ pomocí simulačních metod potvrdilo, že za daných předpokladů rozsahu stávající infrastruktury, navrhovaným jízdním řádem a s předpokládanou mírou výskytu primárních i sekundárních nepravidelností v běžném provozu je možné udržovat stabilní provoz v rámci celého uvažovaného uzlu Brno. Celková stabilita systému, vzhledem k byť relativně malému, ale přesto efektivnímu nárůstu sumy zpoždění, není zásadním způsobem dotčena a lze očekávat, že výsledný provoz, alespoň po dobu špičkového provozu, je možné ještě zajistit na horní hranici intervalu úrovně kvality provozu B (ekonomicky optimální), přičemž nedojde k překročení hranice do potenciálně rizikové úrovně kvality provozu C.

Studie proveditelnosti. Díl B2: Dopravně technologické řešení železniční dopravy, str. 333

Je však třeba zdůraznit (!), že uvažovaný koncept dopravy ve variantě nulové, Bez projektu, uvažuje jen s velmi malým nárůstem počtu vlaků oproti dnešnímu nevyhovujícímu stavu. Ve variantě Bez projektu nebude možné provézt uzlem všechny vlaky osobní dopravy, které požadují objednatelé pro horizont 2020 ani 2035. Praktické zkušenosti ukazují, že nejlépe se ruší spoje ještě nezavedené, proto nejsou ve variantě Bez projektu uvažovány linky Ex30 Brno – Ostrava a R31 Brno – Zlín. Z důvodu velmi omezené kapacity na trati Brno hlavní nádraží – Brno-Slatina i Brno hlavní nádraží – Chrlice – Rousínov je nutné omezit četnost spojů linek R6 (Brno – Kyjov) a S6 (Brno – Slavkov) oproti výhledově plánovanému intervalu. Konkrétně v horizontu 2020 na interval 60 minut linky S6 a 120 minut linky R6. Další rozšíření provozu naráží na kapacitu hlavního nádraží. Pro vlaky nejsou v současném uspořádání hlavního nádraží volné staniční koleje. Více v příspěvku o Rozvoji železniční dopravy v okolí Brna zde.

Závěrečné shrnutí

Ve variantách Bez Projektu byla prověřována udržitelnost navrženého současného omezeného provozu na současném brněnském železničním zamotaném uzlu a současném hlavním nádraží.

Ve variantách Řeka A a Ab byla porovnána řešení směrového a traťového uspořádání obvodu osobního nádraží. Z pohledu stability provozu se jako mírně lepší jeví řešení Ab. Další potenciál má tato varianta při případné úpravě provozního konceptu na navazujících tratích podle možností této varianty. Řešení variant Aa a Ac, tj. zavedení vlaků od Brna-Chrlic do severojižního kolejového diametru, zlepší především provozní parametry Chrlické linky S1. Samotnému obvodu nového brněnského nádraží ale výraznou pomoc nepřinese. A z provozních důvodu je zaústění Chrlické trati pod nové nádraží výrazně nic nezlepší.

Ve variantách Petrov B1d a B1f byly řešeny hraniční možnosti zavedení tratí od Přerova a Vláry do obvodu osobního nádraží s modifikovanými časy příjezdu a odjezdu dotčených směrů do obvodu osobního nádraží. Simulace obou variant prokázala, že řešení obvodu osobního nádraží je robustní vůči úpravám těchto vstupů a v tomto smyslu se jeví přenositelná i na další varianty B1. Kritickým prvkem se jeví zaústění obou těchto tratí dvěma kolejemi do východní části jižního zhlaví. Řešení komárovské spojky jednokolejnou regionální tratí s výhybnami v úseku Komárov – Černovice – Černovická Terasa (B1f) se ukázalo jako technologicky průchozí alternativa oproti dvoukolejné regionální trati pod letištěm (B1d).
Prověření všech předepsaných variant prokázalo, že návrh rozsahu infrastruktury a dopravní technologie odpovídá ve všech variantách požadovaným kvalitativním parametrům udržitelného provozu. Zároveň nebyla potvrzena, že by byly některé koleje navrženy zbytečně navíc, především v obvodu osobního nádraží. Tyto provozní koncepty je tedy možné za daných okrajových podmínek uvažovat k realizaci.