Řízené staničení - optimalizace průjezdu vozidel MHD křižovatkami

Vozidla MHD (veřejné dopravy) po nástupu cestujících často odjíždějí ze zastávky umístěné před křižovatkou ihned zastaví před semaforem, a kde čekají na zelenou. Tuto dobu je ale možné využít k nástupu dalších cestujících, pokud by ji vozidlo MHD trávilo ještě na zastávce. Navíc rozjíždění vozidla a jeho další bezprostřední zastavení vede jak k vyšší spotřebě a k vyššímu opotřebení (prvky brzdného systému, komponenty náchylné na dynamiku), tak i k významnému vypouštění zplodin z výfukových plynů. Možnost, jak omezit tyto situace, je realizace principu „staničení vozidla“, který je součástí moderního systému preference vozidel.  

Běžně se v mnoha městech používá tzv. systém preference vozidel MHD v různých variantách – s jednosměrnou či obousměrnou komunikací mezi vozidlem MHD a řadičem křižovatky. V případě častější jednosměrné komunikace vozidla s řadičem křižovatky je řadič informován pouze o příjezdu vozidla. Na základě aktuálního vnitřního stavu řadič rozhodne, zda a jakou preferenci tomuto vozidlu přidělí. Ve vozidlech se pak pouze kontroluje doručení požadavku na řadič, nikoliv však výsledek jeho rozhodnutí. Tato komunikace se historicky realizovala pomocí klasických radiových kanálů či radiových datových modemů. Výsledkem této komunikace mohla být buď zelená vlna, nebo změna světel na semaforu, což se řidič dozvěděl pouze změnou stavu návěstidla.

Možnost použití nové technologie V2X pro řízené staničení

V dnešní době může být tato komunikace řešena pomocí nově zaváděných mezinárodních standardů V2X či C2X (komunikace vozidla s okolím) na frekvenci 5,9 GHz. Jedná se také o systém, který byl testován v České republice v rámci mezinárodního projektu C-ROADS pro realizaci ITS systémů v dopravě. Technologie samotná je určena pro obecnou komunikaci vozidla s okolím. Touto komunikační technologií jsou v dnešní době vybavena všechna vozidla MHD v Dopravním podniku města Brna a.s. (DPMB) a v Dopravním podniku Ostrava a.s. (DPO).

Ačkoli se systém V2X pro preferenci MHD využívá prozatím pouze v rámci DPMB a.s., výhod tato technologie přináší hned několik:

• Standardizace komunikačního kanálu – nasazení technologie V2X s sebou přináší benefit v podobě jasné definice komunikačního kanálu. V rámci ČR se nyní využívá několik různých způsobů preference. Tato „nejednotnost“ vnáší do systému problémy s rozšiřováním dalších účastníků preference – integrovaný záchranný systém či veřejná linková doprava, jejichž vozidla se taktéž pohybují ve velkých městech. Standard V2X jasně definuje pravidla komunikace, a proto využitím této technologie odpadá závislost na výrobcích řadičů, komunikačních jednotek či provozovatelů dopravy. Závisí jen na „městě“ jak si chce tuto dopravu uspořádat.
• Bezpečnost komunikace – rádiová komunikace s sebou přinesla nové možnosti přímé komunikace, ale bezpečnost závisela na využívání jednoduchých jednoúčelových komunikačních protokolů. Komunikace prostřednictvím technologie V2X zavádí zabezpečení pomocí asymetrické kryptografie a použitím certifikátů s veřejnými a neveřejnými klíči (podpisy). Není tedy možno bez jejich znalostí zneužít této komunikace žádnými subjekty například k preferenci (u ostatních typů je to pouze problém technických prostředků a způsobu patřičné analýzy).
• Digitální komunikace – forma klasické rádiové komunikace s sebou přinášela jednoduché řešení, ale radiový signál, byť pracuje na vyhrazených kmitočtech, je méně odolný proti rušení. Technologie V2X je založena na obdobných principech jako je Wi-Fi a tím je spolehlivější.
• Možnost dalšího rozvoje – využívání standardu V2X umožňuje i další funkce dané vlastnostmi protokolu – například detekce srážky tramvají vyhodnocená z komunikace vozidlo – vozidlo, přímá komunikace mezi vozidlem a označníkem zastávky, a podobně.

Co je to „řízené staničení" vozidel veřejné dopravy

Pojem „řízené staničení“ není veřejnosti úplně známý a z provozu vozidel je i obtížně poznatelný. Zato jeho výsledek může být zajímavý. Jeho základem je inteligentní komunikace mezi vozidlem MHD (a nejen jím) a řadičem křižovatky – tedy málo využívaná oboustranná komunikace mezi vozidlem MHD a řadičem křižovatky (dnes je nasazena ve Zlíně, Jihlavě či v Ostravě). Co značí pojem "řízené staničení" rozumíme:

• Pojem řízené staničení v rámci veřejné dopravy má význam „průjezd křižovatkou s předchozím zastavením na zastávce“. Značí to, že vozidlo zastavuje v zastávce před křižovatkou (ve svém „zálivu“ nebo na ostrůvku u samostatného tělesa).
• Princip řízeného staničení spočívá v koordinaci odjezdu vozidla MHD ze zastávky před křižovatkou. Vozidlo odjede teprve tehdy, když dostane „povel“ z řadiče křižovatky. Systém staničení tak sám o sobě není (nebo nemusí být) přímo spjat s preferencí vozidla MHD, ale umožňuje optimalizaci jeho výjezdu.
• Výhody řízeného staničení jsou dvě - tento princip umožňuje komfortnější nástup cestujících, kdy vozidlo neodjede ze zastávky předčasně a je v ní delší dobu a současně zabrání dvojitému rozjezdu vozidla MHD – nejprve k semaforu křižovatky a potom na „zelenou“. Tím je veřejná doprava o něco atraktivnější pro cestujícího a navíc šetrnější k vozidlu i prostředí, což přináší ekologické a ekonomické benefity.

Jak funguje řízené staničení (funkce jednotlivých bodů): 

1) Před příjezdem (1) do zastávky se vozidlo ohlásí řadiči křižovatky. V tomto případě se nachází mezi prvním bodem přihlášení a druhým bodem přihlášení (bodem korekce přihlášky) zastávka. 

2) Vozidlo dostane pokyn od řadiče, že má zůstat v zálivu (3), dokud řadič neřekne jinak. Řidič je o této situaci informován na displeji palubního počítače – má „červenou“. Stojí stále v zastávce, má otevřené dveře a cestující mohou nastupovat. 

3) Vozidlo dostane informaci o tom, že může vyjet na trasu (4), jelikož v jeho směru bude za x sekund „zelená“. Dostane tedy „garantovanou“ zelenou a při příjezdu na křižovatku jí volně projede. Informaci dostane řidič opětovně přes palubní počítač. 

4) Vozidlo informuje řadič o odjezdu ze zastávky a poloze na trati (bod 2) a o průjezdu křižovatkou (bod 5). Kdyby se na zastávce z jakéhokoli důvodu zdržel, pak se celý cyklus opakuje do doby, než jej vozidlo využije. 

Popis praktického testu řízeného staničení pomocí V2X komunikací z města Ostravy je popsán zde, kde se prokázala použitelnost i pro tento způsob provozu.

Systém řízeného staničení – nejen ekonomické přínosy

Jak bylo uvedeno: Pokud není „řízené staničení“ uplatněno, tak z pohledu chování řidiče to značí, že po nástupu cestujících zavře dveře a „vyrazí“ ke křižovatce, tj. rozjede se a často znovu zabrzdí. Cenu rozjezdu vozidla k dosažení určité rychlosti lze vyčíslit z nákladů na pohonné hmoty/energie a jejich spotřeby. Spotřeba se pak liší dle technického stavu vozidla a jeho váhy, která je výrazně ovlivněna jeho obsazeností. Pokud se podíváme, kolik stojí jeden rozjezd vozidla do rychlosti 30 km/h, tak se nejedná o zanedbatelné částky (ceny jsou z roku 2018 a byly pro jednoduchost zobrazení průměrovány pro různé kategorie vozidel dle trakce):

Jen na okraj – z uvedeného grafu je vidět, že „nejdražší“ rozjezd má autobus, a že vozidla s elektrickým pohonem jsou ekologičtější.

Uveďme si příklad z praxe na příkladu tramvají z dané křižovatky, kterou projíždějí konkrétní typy vozidel (spřažené tramvaje, tramvaje T13, K2, Anitra, Varia kloubová a KT8). Průměrně stojí rozjezd těchto typů tramvají u plně obsazeného vozidla do rychlosti 30 km/h – 1,56 CZK. 

Pro příklad se zaměříme na křižovatku Pekařská – Úvoz, která se nachází na území Brna a je vhodná pro realizaci staničení. V současnosti s omezeným provozem po Covid-19 je zde v pracovních dnech celkem 538 průjezdů a ve dnech volna 404 průjezdů tramvají v době, kdy světelná signalizace řídí provoz.

Pokud by v dnešním stavu využilo staničení pouze 50% tramvají, tak se jedná o:

• 269 průjezdů v pracovní dny a
• 202 průjezdů v nepracovní dny.

Pokud toto přepočítáme na celý rok 2020, který má 251 pracovních dnů a 114 nepracovních dnů, lze tyto náklady vypočítat násobkem, tedy:

• 251 x 270 x 1,56 = 105 721,- CZK pro pracovní dny resp.
• 114 x 202 x 1,56 = 35 924,- CZK pro nepracovní dny.

Součtem těchto nákladů se tak na jedné konkrétní křižovatce a konkrétních typech vozidel tramvají, které do místa skutečně zajíždějí, mohou uspořit průměrně náklady za úhradu elektrické energie až 140 tis. CZK ročně. I když uvažujeme statisticky jen 50% tramvají, které by využily principu staničení, bude číslo o něco nižší, protože ne všichni řidiči tyto principy respektují a ne vždy je tramvaj plně obsazena. Další úspory pak lze najít ve spojení nižším opotřebení prvků vozidla.

Co je třeba pro funkci „řízeného staničení“ zajistit?

Jak již bylo zmíněno výše, řízené staničení je často spojováno s funkcí preference vozidla MHD. Tato funkcionalita se postupně odvodila právě při realizacích preference. Ideálním prostředkem k realizaci řízeného staničení je právě nasazení standardizované komunikační technologie V2X, která byla popsána výše.

Aby celý systém preference a staničení fungoval, musí být provedeny následující úpravy:

• Doplnění komunikační jednotky V2X do vozidla (někdy nazývané OBU – On Board Unit - v našem případě UCU 5.0).
• Úprava chování palubního počítače pro řidiče (přenesení předzvěsti „zelené“ a „červené“ z řadiče křižovatky přímo na obrazovku palubního počítače).
• Doplnění komunikační jednotky RSU v řadiči křižovatky k zajištění oboustranné komunikace V2X s vozidly.
• Úprava SW v řadiči křižovatky pro komunikaci s jednotkou RSU (řadič toho musí být schopen) - v našem případě RSU - UCU 5.0.

Řadič tedy musí vědět, že vozidlo se nachází ve sledovaném úseku a nějak s tou informací umět naložit. Vozidlo zase musí vědět, kde se nachází, aby tyto pokyny mohlo zpracovat, tj. poslat pokyn, přijmout pokyn a jednoznačně pak řidiče informovat o pokynu k odjezdu.

Závěr

Popsaný systém řízeného staničení (ověření popsáno zde), i kdyby neposkytnul preferenci MHD, tak přesto zpříjemní cestování lidem a navíc zajistí provozní úspory energií (elektrické, nafty či plynu). Umožní provoz veřejné dopravy udělat mnohem čistější a to zejména autobusů.

Systém tak přináší další, neekonomické aspekty, kterými jsou:

• Komfortní nástup cestujících – vozidlo může zůstat déle v zastávce a cestující tak mohou pohodlně nastoupit.
• Snížení emisí a hluku u silničních vozidel – každé rozjíždění vozidla s sebou přináší zvýšenou tvorbu zplodin výfukových plynů či spotřebu energie nebo hluk z rozbíhajících se motorů.
• Bezpečnost provozu – každé organizované opuštění křižovatky přinese nižší pravděpodobnost havárií a řidiči nebudou nuceni jezdit na „oranžovou“.

Z výše uvedených výpočtů je zřejmé, že i při jednorázových investicích do nových technologií vozidel a křižovatek lze počítat také s ekonomickými přínosy, který vlastní technologický rozvoj uhradí.

O firmě autorů

Společnost Herman má s funkcionalitou spojenou se staničením a preferencí MHD významné zkušenosti. Jedna z prvních realizací „řízeného staničení“ byla nasazena ve Zlíně, dále pak v Jihlavě a v Ostravě, a to v rámci klasického rádiového provozu. Nasazení technologie V2X společnost Herman úspěšně realizovala integraci preferencí MHD a HZS (IZS) a to za účasti projektu C-ROADS. V rámci řešení byl pro komunikační jednotky V2X na křižovatky RSU vyvinut nový FW a upravena komunikace s řadiči křižovatek (RSU – řadič). Funkce „staničení“ je v souladu s použitím technologie V2X. Za účelem kontroly funkcí V2X komunikací pak byl vyvinut vizualizační program V2Deep.

Více o systému staničení na stránkách www.herman.cz.

PS: Podklady o průjezdech a spotřebách byly poskytnuty z DPMB a.s.