WUT Journal of

Transportation EngineeringPOLITECHNIKA WARSZAWSKA • PRACE NAUKOWE • TRANSPORT

ISSN 1230-9265

Volume 128 (2020)

WARSAW UNIVERSITY OF TECHNOLOGY PRESS

WARSAW 2020

EDITORIALOFFICE:

Editor in Chief:

Jacek Skorupski

Co-editors:

Jarosław Artyszuk

Dariusz Tłoczyński

Agnieszka Tubis

Nicolae Brînzei

Jeevith Hegde

Mariusz Izdebski

Michael Schultz

DusǎnTeodorović

Krzysztof Zboiński

Advisory Board:

Marijonas Bogdevičius

Reggie Davidrajuh

Gökhan Inalhan

Riccardo Patriarca

Bin ShuaiWojciech Wawrzyński

Jolanta Żak

Assistant Editor:

Anna Kwasiborska

Technical editor and computer set-up:

Anna Kwasiborska

Andrzej Szmigiel

Cover design:

Danuta Czudek-Puchalska

© Copyright by Faculty of Transport, Warsaw University of Technology, Warsaw 2020

© Copyright by Warsaw University of Technology Press, Warsaw 2020

WUT Press [OWPW] Internet Bookstore www.wydawnictwopw.pl

phone (48) 22 234-75-03; fax (48) 22 234-70-60; e-mail: oficyna@pw.edu.pl

Published by Warsaw University of Technology Press

[Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej]

00-644 Warsaw, Polna 50, phone (48) 22 234 70 83, e-mail: oficyna@pw.edu.pl

Printing and bookbinding: WUT Press Printers, phone (48) 22 234-70-30

148 copies, order No. 17/2020

Table of Contents

J a c e k S k o r u p s k i

Editorial ................................................................................................................................................................................ 5

D a n u t a K o w a l s k a , M a r i u s z W e s o ł o w s k i , P a w e ł

P i e t r u s z e w s k i

Examination of selected cleaning service equipment in the scope of airfield's movement

areas maintenance ................................................................................................................... 7

T e r e s a P a m u ł a

Application of a neural network for the estimation of energy consumption for

a bus line in public urban transport ..................................................................................................................... 19

M a ł g o r z a t a O r c z y k , F r a n c i s z e k T o m a s z e w s k i

Modeling sound distribution in the bus passenger area while driving ............................................. 29

A n n a B o r u c k a , M a ł g o r z a t a G r z e l a k , A n d r z e j Ś w i d e r s k i ,

A r k a d i u s z J ó ź w i a k

Application of information on road occurrences for the assessment of the social risk

of some types of accidents ....................................................................................................................................... 37

T o m a s z C i s z e w s k i , W a l d e m a r N o w a k o w s k i ,

Z b i g n i e w Ł u k a s i k

A fault tree analysis-based method of railway traffic control systems safety assessment ..... 49

D o r o t a B u r c h a r t - K o r o l

Environmental aspects of electromobility development in the Visegrad Group

countries ............................................................................................................................................................................ 59

P i o t r M a l a w k o , M a r c i n Ś l ę z a k

Discomfort measuring method of drivers with disabilities - results of preliminary

research .............................................................................................................................................................................. 71

P a w e ł K o w a l i k , M a r i u s z F a b i j a ń s k i

Effect of biodegradable oil use on the mechanical properties of plastics used

in the railway surface ................................................................................................................................................. 81

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0014.1126 2020

Article citation information:

Skorupski, J. (2020). Editorial, WUT Journal of Transportation Engineering, 128, 5-6, ISSN: 1230-9265, DOI: 10.5604/01.3001.0014.1126 *Corresponding author E-mail address: jacek.skorupski@pw.edu.pl (J. Skorupski) ORCID: 0000-0002-0869-4217 (J. Skorupski)

Editorial

Jacek Skorupski* Warsaw University of Technology, Faculty of Transport

Dear Readers, With the beginning of 2020, our journal is entering a period of significant changes. A new

Editorial Committee has been appointed, in which I have the honor to be the Editor-in-Chief. At this point, I would like to thank our predecessors, who, for many years, cared for main-taining a high scientific level of the journal. Special thanks go to Professors Krzysztof Zboiński and Jacek Kukulski, the previous Editor-in-Chief and Assistant Editor, as well as to the members of the Scientific Council. I am convinced that the new Editorial Committee will make full use of their achievements to improve the position of the journal.

This year we set several goals. One of them is a broader opening to foreign readers and authors. Outstanding scientists working in transportation engineering agreed to participate in the Editorial Advisory Board. They will advise on the journal development. We have adopted the English title of the journal – WUT Journal of Transportation Engineering. Eng-lish versions of articles titles and summaries will now be more visible, and we will now use DOI numbers. Special software will support the process of submitting, reviewing, and pre-paring articles for publication. All activities are aimed at introducing journal to the Web of Science Core Collection and Scopus indexing databases, which will increase the recognition of the journal in the scientific community.

The current volume contains eight articles. Three of them deal with road transport. Their topics include the assessment of the social risk of road accidents, analysis of discomfort among drivers with disabilities, and environmental aspects of the development of electro-mobility. Papers on rail transport discuss the assessment of the safety of rail traffic control systems using fault trees and the impact of biodegradable oil on the mechanical properties of plastics used in the railway pavement. Two papers represent urban transport. They discuss the energy consumption estimation of electric buses using neural networks and sound distri-bution modeling in the passenger space of a bus. One article concerns aviation; it presents the results of research supporting the maintenance of selected airport equipment.

The papers included in volume 128 are available in a digital format on our website: https://pnpw-transport.publisherspanel.com.

Jacek Skorupski Editor in Chief

6 Jacek Skorupski

Copyright © 2020 Skorupski J. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

Od Redakcji

Szanowni Czytelnicy, Wraz z początkiem 2020 roku, nasze czasopismo wchodzi w okres znaczących prze-

mian. Został powołany nowy Komitet Redakcyjny, w którym mam zaszczyt pełnić funk-cję Redaktora Naczelnego. Chciałbym w tym miejscu podziękować naszym szacownym poprzednikom, którzy przez wiele lat dbali o utrzymywanie wysokiego poziomu nauko-wego czasopisma. Szczególne podziękowanie kieruję do panów profesorów Krzysztofa Zboińskiego i Jacka Kukulskiego, dotychczas pełniących role Redaktora Naczelnego i Sekretarza Redakcji, a także do członków Rady Naukowej. Jestem przekonany, że nowy Komitet Redakcyjny w pełni wykorzysta ich dorobek.

W tym roku stawiamy sobie kilka celów. Jednym z nich jest szersze otwarcie na za-granicznych czytelników i autorów. Wybitni naukowcy pracujący w szeroko pojętym ob-szarze inżynierii transportu wyrazili akceptację uczestnictwa w pracach Rady Naukowej. Będą doradzać w zakresie kierunków rozwojowych czasopisma. Przyjęliśmy i będziemy się konsekwentnie posługiwać angielskim tytułem czasopisma – WUT Journal of Trans-portation Engineering. Tytuły i streszczenia artykułów w języku angielskim będą teraz bardziej widoczne. Dla zapewnienia lepszego poziomu indeksowania prac wdrożono sto-sowanie numerów DOI. W redakcji wdrożyliśmy specjalne oprogramowanie wspomaga-jące proces zgłaszania, recenzowania i przygotowania artykułów do publikacji.

Wszystkie działania Komitetu Redakcyjnego zmierzają do wprowadzenia czasopisma do baz indeksacyjnych Web of Science Core Collection i Scopus oraz umieszczenia w wykazie czasopism naukowych MNiSzW i przypisanie mu punktów, adekwatnie do dużej rozpoznawalności czasopisma w środowisku naukowym i poziomu naukowego pu-blikowanych w nim prac.

Bieżące wydanie zawiera osiem artykułów z czego największą grupę stanowią prace dotyczące transportu drogowego. Ich tematyka obejmuje ocenę ryzyka społecznego wy-padków drogowych, analizę dyskomfortu wśród kierowców z niepełnosprawnościami oraz aspekty środowiskowe rozwoju elektromobilności. Prace z zakresu transportu szy-nowego wiążą się z oceną bezpieczeństwa systemów sterowania ruchem kolejowym z wykorzystaniem drzew niezdatności oraz odziaływania biodegradowalnego oleju na właściwości mechaniczne tworzyw sztucznych stosowanych w nawierzchni kolejowej. Transport miejski reprezentują dwie prace dotyczące szacowania zużycia energii autobu-sów elektrycznych z wykorzystaniem sieci neuronowych oraz modelowania rozkładu dźwięku w przestrzeni pasażerskiej autobusu. Transportu lotniczego dotyczy jedna praca, w której przedstawiono wyniki badań wspomagających proces eksploatacji wybranych sprzętów utrzymania powierzchni lotniskowych.

Artykuły zawarte w numerze 128 (2020) są dostępne w wersji elektronicznej na naszej stronie internetowej: https://pnpw-transport.publisherspanel.com.

Jacek Skorupski Redaktor Naczelny

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g

P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T

ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0013.7305 2020

Article citation information:

Kowalska, D., Wesołowski, M., Pietruszewski, P. (2020). Examination of selected cleaning service equipment

in the scope of airfield's movement areas maintenance, WUT Journal of Transportation Engineering, 128, 7-

17, ISSN: 1230-9265, DOI: 10.5604/01.3001.0013.7305

*Corresponding author

E-mail address: danuta.kowalska@itwl.pl (D. Kowalska)

ORCID: 0000-0003-1903-9960 (D. Kowalska), 0000-0002-5545-8831 (M. Wesołowski),

0000-0003-4192-0906 (P. Pietruszewski)

Received 10 May 2019; Revised 16 December 2019; Accepted 18 December 2019; Available online 14 January 2020

Examination of selected cleaning service equipment

in the scope of airfield's movement areas maintenance

Danuta Kowalska* , Mariusz Wesołowski , Paweł Pietruszewski

Air Force Institute of Technology, Warsaw, Poland

Abstract. Maintaining airport surfaces in good condition and in a good state of cleanliness

throughout the year is of extreme importance to ensure the safety of flight operations by

aircraft. The use of various equipment is practicable in order to clean regularly all paved

surfaces. Components of brushes and plows during operation wear out and must be replaced

periodically. New elements should be of adequate quality. Examples of airport cleaners and

exchangeable cleaning elements are presented. Some requirements have also been given on

the brushes’ bristles. To confirm the need to control the purchased cleaning elements, the

condition of worn components was checked. The results of laboratory tests of new and used

brushes bristles are presented. The tests included microscopic observations, microstructure

assessment, tensile strength testing, and microhardness testing. Defects in fixing the bundles

of polymer brush bristles during airport exploitation were found. Research on steel wires

showed a partial loss of the zinc coating during the brush operation (potential corrosion),

lowering the tensile strength and increase the hardness of the wires, which could lead to wires

crack and break. The article confirmed the need to control of brushes and plows parameters to

ensure their proper quality. Their selected parameters should be controlled during purchase

and operation on airfields belonging to the Polish Armed Forces. The impact of deicing agents

on the elements mentioned above should also be considered.

Keywords: airfield pavement maintenance, runway brooms, snowplows

1. Introduction

The movement and non-movement airport areas must be clean of any foreign debris

(FOD) that cause damage to aircraft or impair the operation of aircraft systems. The

provisions of Annex 14 [7] require to take action as necessary to remove snow, slush, ice,

standing water, mud, dust, sand, oil, rubber deposits and other contaminants from the

movement area as rapidly and completely as possible so as to minimize their accumulation

and, thus, to provide good friction characteristics.

8 Danuta Kowalska, Mariusz Wesołowski, Paweł Pietruszewski

Airfield pavements shall be maintained in good condition in order to ensure aircraft safety

[1, 2, 3, 4, 5, 18]. Any damage or deterioration of these pavements could result in severe

damage to aircraft engines and propellers and could cause injury to personnel from loose

debris thrown by a spinning propeller. In addition to the pavements, foreign object debris

(FOD) can be generated from personnel, airport infrastructure (lights, signs), the

environment (snow, ice) and the equipment operating on the airfield (aircraft, airport

operations vehicles, maintenance equipment).

FOD found on pavements are, among others metal or plastic parts from maintenance

equipment. The parts of vehicle cleaning elements found on the surface, e.g. broken brushes

bristles, made of steel or plastic, can be sucked in by jet engines or stuck in aircraft tires,

which can lead to catastrophic results. In addition, because airport cleaners work at a high

rotational speed of brushes (minimum 500 rpm), loose elements or fragments of bristles may

pose a threat to airport personnel or equipment operators.

Components of brushes and plows during operation wear out and must be replaced

periodically. However, spare parts offered by suppliers are not always of sufficient quality.

Inspection of new brushes elements kept in a storage room revealed, among others the

presence of corrosion (rust on new steel wires). Defects in fixing the bundles of polymer

brush bristles during airport exploitation were found. Therefore, there is a need to analyze

the causes of shorter than expected service life of various cleaning elements.

Regular checking of geometry, physicochemical and mechanical parameters of cleaning

elements (brushes’ components, cutting edges of plows) supplied by different manufacturers

or suppliers, will help in the assessment of the process of wear of elements. The article

focuses on presenting the testing of airport brushes elements.

2. Airport maintenance equipment

The equipment must be manufactured expressly for airport pavement cleaning [4]. An

airport’s need can be quite different from highway needs in the same region [1]. Airport

terrain is generally flat, the pavement can be very wide, many airports have in-pavement

fixtures, the terrain beyond pavement edges must be cleared (runway lights). The snow is

not usually very deep, but rapid clearance time is often a strong factor in equipment selection.

Safety requirements and testing criteria of machines for road surface maintenance are given

in the standards [10, 11, 12].

The airport uses a variety of maintenance equipment to ensure that the airport remains

operational. The equipment may be self-propelled or attached to a carrier vehicle. This

equipment may include [5, 6, 15, 16, 17]:

‒ sweeper-blower machines (airport cleaners) – sweeping and cleaning with brushes and a

blower (using rotating steel brushes, the cleaner removes dirt from the surface and then

rejects it outside the runway,

‒ compact sweeper-blower - the unit can work simultaneously as a plow, a broom, and a

blower),

‒ airport vacuum cleaning machines - using rotating brushes the cleaner removes dirt from

the surface and then sucks it into the tank,

‒ snow plows - they are most commonly mounted in the front of a carrier vehicle, but they

also may be mounted on the side or underneath the vehicle,

Examination of selected cleaning service equipment in the scope of airfield's movement … 9

‒ the multi-tasking equipment (MTE) - this type is defined as a minimum plow, broom, and

air blast. Other attachments or components such as anti-ice, de-ice systems or underbody

scrapers which aid in the snow and ice removal process may be included providing that

addition of such devices do not exceed operational capacities and/or parameters of the

unit.

The maintenance equipment should be tested by performance tests [15, 16, 17].

According to SAE ARP 5564 standard [17], airport runway brooms are primarily used to

clean snow, slush, and ice from the airport runway, taxiway, and ramp areas by using a brush

with bristles to clean the surfaces. Other uses of runway broom if specified are: dirt cleanup,

cutting ice, rubber removal.

There are many configurations of runway brooms with many different carrier vehicles

provided the forward motion for the runway brooms. The front mount type clears snow

before passing wheels or plow blades have a chance to compact and push the snow into the

grooves and pores of the pavement.

3. Exchangeable brushes components

Components shall be new, unused, of current production [17]. They shall be free of all

defects and imperfections that could affect the serviceability of the finished product. Parts

that are exposed to wear shall be capable of being replaced.

Examples of brushes mounted on airport maintenance equipment are shown in Fig. 1 [9].

Currently, there are basically two configurations of bristle assemblies: wafers and cassettes

(Fig. 2). An advantage of cassettes is that cassettes are easier to replace than wafers since

the brush core is not removed from the broom [6, 17].

a) b)

c) d)

Fig. 1. Maintenance equipment brushes: a) cassette brush, b), c) wafer brushes,

d) disc (conical) brush (source: Author's study on the basis of the Air Force Institute of

Technology Archives)

In case of wafers (flat or convoluted) the bristles shall be fastened in a radial wafer fashion

and shall consist of a steel support ring filled with steel wire bristles or poly-propylene (poly)

bristles or with both poly and wire bristles. Regarding the cassettes shall be fastened in

10 Danuta Kowalska, Mariusz Wesołowski, Paweł Pietruszewski

a lengthwise fashion and shall consist of a plastic or metal support bar with steel wire bristle

or a polypropylene (poly) bristles.

The bristles for the brush shall be designed for runway operation and shall with-stand the

normal operation of the broom [17]. They shall be made with adequate retention to keep the

bristle from falling out, fatigue strength to keep them from breaking and wear resistance for

acceptable life. The bristles shall withstand storage and operating temperatures without

functional degradation due to the environment.

The wire bristles shall be crimped and made of zinc galvanized drawn steel wire [16, 17].

The poly bristles shall be made from extruded and pulled strands. The material shall be virgin

polypropylene with a UV inhibitor.

The disc (conical) brush (Fig. 2e) and roller brush (Fig. 2f) are designed to mounting on

vacuum cleaners.

a) b)

c)

d) e) f)

Fig. 2. Exchangeable brushes components [19, 20]: a) flat wafer, b) convoluted wafer,

c) flat wafer with tufted wire, d) cassette, e) disc (conical) brush, f) roller brush

4. Laboratory tests

4.1. Samples

Samples were crimped steel wires taken from a new and used cassette for CJS 914S Super

II cleaner. The way of taking samples of wires from cassettes is shown in Figure 3.

Moreover, polymer bristles were taken from a damaged brush (Fig. 4). Damage to the

brush appeared during the operation of the equipment and resulted from improper quality of

the wafers. Defects in fixing the filling in the ring have been found, resulting in bristle loss

and breaking.

4.2. Test methods

The microscopic analyses of plastic and steel bristles were carried out in the Institute of

High-Pressure Physics, Polish Academy of Sciences, in the Zeiss-SUPRA scanning electron

microscope of Zeiss company. For selected micro areas, the microanalyses were

implemented with the use of a microanalyzer of Bruker company, Quanta 400 model.

Examination of selected cleaning service equipment in the scope of airfield's movement … 11

a)

b)

Fig. 3. The way of taking samples of wires from cassettes: a) used cassette, b) a bunch of

wires removed from the bush (the numbers indicate locations, where the microanalysis of

the wires was performed)

a) b) c)

Fig. 4. Taking samples of bristles from damaged wafer brush: a) brush, b) damaged wafer

(bristles fixing defects in the ring resulting in bristle braking), c) broken bristles

Strength tests, microhardness measurements and metallographic examinations [8] were

carried out in the Military University of Technology. Metallographic examinations were

carried out using the SEM Quanta FEG of the FEI company.

The basic strength properties of wires and plastic bristles were determined according to

PN-EN ISO 6892-1:2010 standard, method B [13]. The tensile strength tests were carried

out using the universal testing machine INSTRON 8501 (software Series IX), equipped with

a force measuring head with a range of up to 5 kN. During the tensile testing, changes in the

value of the loading force were recorded automatically. On the basis of the obtained sets of

measuring points, in the case of bristles made of plastic, the tensile strength and elongation

were determined. Due to the shape of the steel wires (waved) elongation at break results

provided for information only. The distance between the clamps was 70 mm, displacement

speed: 4 mm/min.

The microhardness measurements were made according to PN-EN ISO 6507-1:2018-05

standard [14], by a Shimadzu microhardness tester using 100 G load.

4.3. Test results

Scanning microscopy

The surface wire layer was subject to the observation in SEM. The observations of wires

were made in terms of the presence and quality of the coating. The microstructure of surfaces

of the selected wire samples together with the X-ray microanalysis data (Energy Dispersive

X-ray Analysis) of chosen micro areas of surfaces was shown in figures. The observations

were of descriptive rather than quantitative character. The new wire surface is shown in

Figure 5. Figure 6 and Figure 7 relate to the used steel wire sample (location No.1 and No.2

1

2

12 Danuta Kowalska, Mariusz Wesołowski, Paweł Pietruszewski

in Figure 3). The microscopic observation was carried out in the conditions of the high

vacuum and accelerating voltage of 15 kV.

The evaluation of the microstructure was also performed on a plastic bristle surface and

shown in Figure 8.

a) The new wire

a) b)

Fig. 5. The new wire: a) view of the surface, b) microanalysis of the wire surface (EDS),

presence of a zinc coating

According to [16] and [17], the wire bristles shall be made of zinc galvanized drawn steel

wire. On the surface of the new wire, there is a uniform, continuous zinc coating with few

discontinuities.

b) The used wire

On the surface of the used wire, there are numerous traces of exploitation in the form of

corrosion deposits, abrasions and plastic deformation of the coating.

a) b)

Fig. 6. The used wire - the place within the sleeve, marked No.1 in Figure 3:

a) microstructure of the surface, b) microanalysis (EDS) of the micro area of the surface,

presence of a zinc coating

Zn was found

Zn was found

Examination of selected cleaning service equipment in the scope of airfield's movement … 13

a) b)

Fig. 7. The used wire - the place out of the sleeve, marked No.2 in Figure 3 (contact wire

and pavement): a) microstructure of the micro area of the surface, b) microanalysis of the

sample surface (EDS), no zinc coating

The results of X-ray microanalysis of the wire taken from the used cassette indicate the

presence of Zn within the bunch placed in the sleeve and its absence in the contact area with

the pavement. The lack of zinc coating results from abrasion during the operation of

maintenance equipment. Taking into account the pH of the de-icing agents used at airports,

it is assessed that they may also affect the zinc coating. De-icing agents commonly used at

airports in Poland are based on sodium acetate, potassium acetate, sodium formate, and

potassium formate. The pH of water solutions of such agents can reach up to 12.

c) The plastic bristle

Microscopic observations of polymer bristles indicate the presence of contaminants in the

plastic material, which may come from the production process or foreign particles that have

been pressed into the material during the operation of the equipment.

a) b)

Fig. 8. Polymer bristle: a) microstructure of polymer bristle material, b) microanalysis of

the sample surface (EDS)

Metallographic examinations

Testing was carried out on samples prepared in the form of metallographic microsections.

Typical microstructures of the new and used samples are shown in Figure 9 [8].

Lack of Zn

mainly C

and O

Presence of C, O,

Ca, S, Si, Al, Na, Fe,

Mg

14 Danuta Kowalska, Mariusz Wesołowski, Paweł Pietruszewski

a) b)

Fig. 9. A typical microstructure of both: a) the new, and b) the used sample, SEM/BSE,

x5000 magnification, 20 kV

As a result of structural investigations, it was found that both examined wires (new and

used) are characterized by a similar microstructure of fine perlite with elongated grains

formed as a result of the drawing.

TENSILE STRENGTH

Steel bristles

The tensile strength results of the used wires are listed in Table 1, and the results of the

new wires - in Table 2. Load-elongation curves of wires taken from the new and used

cassettes are shown in Figure 10.

According to [16], [17] the wire bristles shall have a minimum diameter of 0.0165 to

0.0180 inch (from about 0.419 mm to 0.457 mm) nominal with a minimum tensile strength

of 325 000 pounds per square inch (psi) - about 2240 N/mm2.

Table 1. Tensile test results of the used wires

Specimen’s number Breaking load [N] Elongation at break [mm] Tensile strength Rm [MPa]

z-x1 314 10 2066

z-x2 296 9 1948

z-x3 312 8 2053

z-x4 356 10 2342

z-x5 336 9 2211

Mean value 323 9 2124

Table 2. Tensile test results of the new wires

Specimen’s number Breaking load [N] Elongation at break [mm] Tensile strength Rm [MPa]

n-x6 363 13 2389

n-x7 354 11 2329

n-x8 362 11 2382

n-x9 352 11 2316

n-x10 383 13 2520

Mean value 363 12 2387

Examination of selected cleaning service equipment in the scope of airfield's movement … 15

Fig. 10. Load-elongation curves of wires taken from new and used cassettes

The tensile strength of the new wire (Table 2) is 2387 MPa and corresponds to the strength

of the SM or DM spring wire (2250-2520 MPa) with a thickness in the range of 0.40-0.43

mm. The tensile strength of the used wire (2124 MPa, Table 1) is lower than the strength of

the new wire by 11% and lower than the required (2240 MPa) in accordance with SAE ARP

5564.

Plastic bristles

The tensile strength results of the plastic bristles are presented in Table 3 and illustrated

graphically in Figure 11. The tensile strength of the plastic bristles is 261 MPa, while the

required value according to SAE ARP 5564 is 33 MPa.

Table 3. Tensile test results of the polymer bristles

Specimen’s

number

Thickness

[mm]

Width

[mm]

Breaking load

[N] Elongation at break [mm]

Tensile strength

Rm [MPa]

p-x1 1.42 2.56 699 25 245

p-x2 1.45 2.30 684 27 261

p-x3 1.44 2.32 754 29 288

p-x4 1.43 2.32 673 21 258

p-x5 1.52 2.45 736 27 252

Mean - - 709 26 261

a) b)

Fig. 11. Polymer bristle: a) during a tensile test, b) load-elongation curve

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 2 4 6 8 10 12

load

[N

]

elongation [mm]

used wire new wire

0

200

400

600

800

0 10 20 30

load

[N]

elongation [mm]

16 Danuta Kowalska, Mariusz Wesołowski, Paweł Pietruszewski

MICROHARDNESS

The microhardness measurements HV0,1 results are presented in Table 4.

The new wire has a similar microhardness at the level of 606 HV0.1 at various points. The

microhardness at the end of the used wire has increased to 650 HV0.1 (mean value), but with

the microhardness variation in the range of 625-700 HV0.1 (Table 4). The increase in

microhardness at the end part of the wire can be related to the wire impacts on the hard

pavement and dynamic deformation.

Table 4. The microhardness measurements HV0,1 results of new and used wires

HV0,1

New wire Used wire

599 580 700 639 632 654

586 618 654 639 646 646

592 612 661 632 632 625

574 639 639 618 639 668

639 632 632 700 646 668

605 562 646 654

Mean 606 650

Std. 24 21

5. Summary and conclusions

Foreign object debris (FOD) on pavements may be sucked in by jet engines and thus

cause severe blade or propeller damage. There is also a risk that propeller or jet engine may

cause the loose object to be “shot” like bullets against adjacent aircraft, vehicles or people.

What's more, loose metal parts getting stuck in the tires pose a threat to the aircraft's wheels.

Snow and ice removal from runways and taxiways allow avoiding frozen precipitation and

slippery surfaces.

The use of various equipment is practicable in order to clean regularly all paved surfaces.

Sweepers, integral sweeper-blowers, vacuum cleaners, a combination of snow plow and

sweeper are available in different types, sizes and of different efficiency.

Parts from equipment for surface maintenance can also be a source of contamination.

Brushes bristles made of steel or plastic are found on airport surfaces. Defects in fixing the

bundles of polymer brush bristles during airport exploitation were found.

The tests carried out on the new and used brushes bristles have been presented. The tests

included microscopic observations, microstructure assessment, tensile strength, and

microhardness testing.

Research on steel wires has shown a partial loss of the zinc coating during the brush

operation (potential corrosion), lowering the tensile strength and increase the hardness of the

wires, which could lead to wires crack and break. The lack of zinc coating resulting from

abrasion during the operation of maintenance equipment may indicate the improper method

of applying this coating. The de-icing agents used at airports due to the high pH value of

their solutions may also have contributed to the loss of the coating. The tensile strength of

the used wire (2124 MPa, Table 1) is lower than the strength of the new wire by 11% and

lower than the required (2240 MPa) in accordance with SAE ARP 5564.

Examination of selected cleaning service equipment in the scope of airfield's movement … 17

Copyright © 2020 Kowalska D. et al.

This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

Microscopic observations of polymer bristles indicate the presence of contaminants in the

plastic material, which may come from the production process or foreign particles that have

been pressed into the material during the operation of the equipment. The tensile strength of

the plastic bristles (Table 3) is 261 MPa, while the required value according to SAE ARP

5564 is 33 MPa. Measurements of microhardness of new plastic bristles and after

exploitation (different lifetime) could help in understanding the cause of about 8-fold

exceeding the bristles' strength in relation to the required value.

The article confirmed the necessity of constant control parameters of new cleaning

elements intended for airport maintenance equipment and condition of worn components,

that can allow to evaluate the wear process of these elements and select appropriate products.

It is vital that the cleaning elements for maintenance equipment are of proper quality to

ensure that hazards do not develop such as excessive breaking brushes bristles due to poor

properties of used materials and defects during manufacture. Therefore, the selected

parameters of the cleaning elements should be controlled in the process of purchase and

supplying airfields belonging to the Polish Armed Forces. This is an important issue in the

aspect of the safety of air operations.

References: 1. Airport Services Manual (Doc 9137-AN/898). Part 2, (2002). Pavement surface condition. International

Civil Aviation Organization, Fourth edition.

2. Airport Services Manual (Doc 9137-AN/898) Part 9, (1984). Airport Maintenances Practices.

International Civil Aviation Organization, First edition.

3. ACRP Report 138, (2015). Preventive maintenance at general aviation airports, Vol. 1: Primer.

4. ACRP Report 138, (2015). Preventive maintenance at general aviation airports, Vol. 2: Guidebook.

5. Advisory Circular AC No 150/5380-6C, (2014). Guidelines and procedures for maintenance of airport

pavements. Federal Aviation Administration., U.S.,

6. Advisory Circular No AC 150/5220-20A, (2014). Airport Snow and Ice Control. Federal Aviation

Administration. U.S.

7. Annex 14 to the Convention on International Civil Aviation, (2016). Aerodromes. Vol. 1: Aerodrome

Design and Operations. Seventh edition, International Civil Aviation Organization.

8. Komorek, Z., Zasada, D., Mizak, K. (2019). Report No. 1/LBM/2019 Execution of strength tests,

microhardness and metallographic measurements as well as analysis of the chemical composition of

wires. Military University of Technology. Warsaw, Poland

9. Kowalska, D. et.al. (2018). Report No. 47/24/18 Development of assumptions and preliminary designs of

the test bench for checking the quality of cleaning elements for specialized equipment for maintaining

airport pavements. Part 1. Air Force Institute of Technology. Warsaw, Poland.

10. PN-EN 13019+A1:2009 Machines for road surface cleaning - Safety requirements.

11. PN-EN 15583-2:2012 Winter maintenance equipment. Snow ploughs. Part 1: Testing criteria and their

requirements.

12. PN-EN 13021+A1:2009 Winter service machines. Safety requirements.

13. PN-EN ISO 6892-1:2010 Metallic materials – Tensile testing – Part 1: Method of test at ambient

temperature.

14. PN-EN ISO 6507-1:2018-05 Metallic materials –Vickers hardness test - Part 1: Test method.

15. SAE ARP5943:2013,Snowplows and Hitches.

16. SAE ARP5548:2014,Multi-Tasking Equipment (MTE) for Airfield Snow Removal High Speed, Multi-

Tasking Snow Removal Unit to include Carrier Vehicle, Snow Plow, Rotary Broom High Velocity Air

Blast.

17. SAE ARP5564:2010 Airport Runway Brooms.

18. Shahin M. Y. (2005). Pavement management for airports, roads and parking lots. (2nd ed.), New York:

Springer.

19. www.szczotkitechniczne.pl

20. https://www.kastell.pl/oferta-dla-firm-komunalnych-szczotki-walcowe.html

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g

P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T

ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0013.7577 2020

Article citation information:

Pamuła, T. (2020). Application of a neural network for the estimation of energy consumption for a bus line in

public urban transport, WUT Journal of Transportation Engineering, 128, 19-28, ISSN: 1230-9265,

DOI: 10.5604/01.3001.0013.7577

*Corresponding author

E-mail address: teresa.pamula@polsl.pl (T. Pamuła)

ORCID: 0000-0002-0188-2848 (T. Pamuła)

Received 5 May 2019, Revised 15 December 2019, Accepted 19 December 2019, Available online 22 January 2020

Application of a neural network for the estimation

of energy consumption for a bus line

in public urban transport

Teresa Pamuła*

Silesian University of Technology, Katowice, Poland

Summary: The estimation of energy consumption has become an important prerequisite for

planning the implementation of electric buses and the required infrastructure for charging them

in public urban transport. The article proposes a model for estimating electric bus energy con-

sumption for the bus line of public urban transport. The developed model uses a deep learning

network to estimate bus energy consumption, stop by stop, accounting for the road character-

istics. The aim of the research was to develop a neural model for estimating electric energy

consumption so that it can be easily applied in large bus networks using real data sources that

are widely available to bus operators. The deep learning networks allow for the effective use

of a large number of sample data (big data). The energy needed to power a bus which travels

a distance from a bus stop to a bus stop is a function of selected parameters, such as distance

between stops, driving time between stops, time at the bus stop, average number of passengers,

the slope of the road, average speed between stops, extra energy – fixed value for the section.

The given relationships were mapped using a neural network. A neural model for estimating

the energy consumption of an electric bus can be used in works for determining the necessary

battery capacity, for the design of optimized charging strategies and to determine charging

infrastructure requirements for electric buses in a public transport network.

Keywords: electric buses, energy demand, neural networks

1. Wstęp

Transport publiczny ma kluczowe znaczenie dla funkcjonalności systemów miejskich.

Na całym świecie wiele uwagi poświęca się ograniczaniu wpływu transportu na środowisko,

promując czyste paliwa, a jednocześnie poprawiając dostępność usług. W tym kontekście

elektryfikacja transportu autobusowego zyskuje na popularności ze względu na wysoką

efektywność energetyczną, a także niską emisję i redukcję hałasu w porównaniu z autobu-

sami konwencjonalnymi.

20 Teresa Pamuła

Rozwój autobusów elektrycznych przyspieszył szybko w ciągu ostatnich pięciu lat, z glo-

balną flotą autobusów elektrycznych szacowaną na 345 000 pojazdów w 2016 r. (dwukrotnie

więcej niż w 2015 r.), przy czym największy udział mają Chiny (blisko 90%) [3]. Chociaż

europejski udział w globalnej flocie autobusów elektrycznych jest niewielki, europejskie

branże odgrywają istotną rolę w badaniach i opracowywaniu nowych rozwiązań w dziedzi-

nie elektryfikacji transportu, które można również eksportować [8].

Rozwój pojazdów elektrycznych jest wspierany przez prawnie wiążące ustawodawstwo

w Unii Europejskiej [1]. Polityka UE w zakresie zrównoważonego transportu jest oparta na

białej księdze Komisji Europejskiej pt.: „Plan utworzenia jednolitego europejskiego obszaru

transportu - w kierunku konkurencyjnego i zasobooszczędnego systemu transportowego”.

Celem jest zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych z transportu o 60% do 2050 r. w po-

równaniu do poziomu z 1990 r. [1].

W UE istnieje wyraźne poparcie dla rozwiązań w zakresie wdrażania autobusów elek-

trycznych w transporcie publicznym. Państwa członkowskie mogą swobodnie określać

swoje potrzeby w strategiach krajowych. UE dotuje projekty demonstracyjne autobusów

elektrycznych w ramach programów 7PR i Horyzont 2020. W ramach 7PR uruchomiono

inicjatywę „ZeEUS” (system miejskich autobusów o zerowej emisji), z udziałem ponad 40

uczestników konsorcjum i budżetem wynoszącym 22 miliony euro [8,1]. Wiele krajów,

w tym Francja, Niemcy, Włochy i Wielka Brytania, ustanawia krajowe ramy prawne, które

będą nadal zachęcać do wdrażania autobusów elektrycznych do transportu publicznego [8].

W Szwecji do 2030 roku 80% autobusów miejskich może być napędzanych elektrycznie.

Szacuje się, że udział ten wyniesie 100% do 2050 r. [8].

Ważnym warunkiem wstępnym planowania i wdrażania autobusów elektrycznych oraz

wymaganej infrastruktury do ich ładowania stała się ocena zapotrzebowania na energię.

Wiele najnowocześniejszych podejść do określania zużycia energii autobusów elektrycz-

nych wykorzystuje indywidualne wartości zapotrzebowania na energię lub opiera się na

standardowych cyklach jazdy, ale często nie uwzględniają one charakterystyk trasy lokalnej

[4]. Inne wymagają pomiarów profili jazdy pojazdów w wysokiej rozdzielczości, co jest

niepraktyczne w przypadku dużych flot autobusowych [7].

W artykule [2] przedstawiono dynamiczny model zapotrzebowania na energię autobusów

elektrycznych. Model ten nie wymaga szczegółowych profili jazdy, ale uwzględnia rzeczy-

wiste charakterystyki trasy autobusu i jest wystarczająco dokładny, aby uzyskać realistyczne

wyniki. Model został zaprojektowany tak, aby można go było łatwo zastosować w dużych

sieciach autobusowych przy użyciu rzeczywistych źródeł danych, które są powszechnie do-

stępne dla operatorów transportu autobusowego. Mogą to być dane zbierane podczas co-

dziennej eksploatacji, gdzie dostępny jest tylko czas przybycia i odjazdu autobusów na każ-

dym przystanku. Walidację i weryfikację modelu przeprowadzono na rzeczywistym zbiorze

danych dla publicznej sieci autobusowej miasta Singapur. Wykonano szczegółową analizę

zapotrzebowania na energię każdej pojedynczej linii autobusowej przez cały dzień pracy.

Autorzy wykazali, że pomimo zastosowania uproszczonych profili jazdy, proponowany mo-

del dał wiarygodne i bardzo szczegółowe szacunki energii, które można analizować na wiele

sposobów. Model matematyczny zaproponowany w [2] umożliwi wygenerowanie ciągów

uczących dla neuronowego modelu oszacowania zużycia energii, którego koncepcję przed-

stawiono w niniejszym artykule. W artykule zaproponowano model szacowania zużycia

energii przez autobus elektryczny dla linii autobusowej przedsiębiorstwa komunikacji miej-

skiej. W opracowanym modelu koncepcyjnym, do wyznaczenia zapotrzebowania na energię

autobusu na odcinku drogi od przystanku do przystanku z uwzględnieniem charakterystyki

Application of a neural network for the estimation of energy consumption for a bus line … 21

drogi lokalnej, użyto sieci neuronowej typu deep learning. Sieci typu deep learning, należą

do ważnej grupy metod analizy dużych zbiorów danych „big data”, co umożliwi zastosowa-

nie modelu do oszacowania zapotrzebowania na energię dużych flot autobusowych. Do-

świadczenie autora artykułu pozwala sądzić, że opracowany model koncepcyjny umożliwi

prawidłowe oszacowanie zużycia energii na podstawie podanych parametrów [5].

2. Metody obliczania zużycia energii autobusów elektrycznych

Ograniczenia związane z zasięgiem i sposobami ładowania elektrycznych autobusów

akumulatorowych stanowią wyzwanie dla elektryfikacji istniejących flot autobusowych.

Sieć autobusów elektrycznych wymaga infrastruktury ładowania i harmonogramu, który nie

spowoduje zakłóceń w pracy autobusu, ale też nie jest zbyt kosztowna. Złożoność wzrasta

proporcjonalnie do rozmiaru rozważanej sieci autobusowej. Aby zaplanować sieć autobu-

sów elektrycznych i wybrać odpowiednią pojemność akumulatorów, zapotrzebowanie na

energię każdej linii autobusowej musi być określone przez cały dzień w różnych warunkach

ruchu.

2.1. Szacowanie zużycia energii metodami średniej, cykli jazdy i profili

podróży

Wcześniejsze badania najczęściej wykorzystywały jedno z następujących trzech podejść

do określania zapotrzebowania na energię dla autobusów elektrycznych:

obliczenie średniego zapotrzebowania na energię na jednostkę długości lub czasu,

wykorzystanie standardowych cykli jazdy na podstawie danych literaturowych,

wyznaczanie szczegółowych pomiarów profili jazdy.

W pierwszym przypadku dla zapotrzebowania na energię dla każdego typu autobusu (np.

jednopiętrowego lub piętrowego) na wszystkich trasach używana jest ta sama średnia war-

tość [6, 10]. Takie podejście jest często stosowane w badaniach koncentrujących się na pro-

blemach planowania ładowania autobusów elektrycznych. Chociaż takie podejście jest bar-

dzo proste do wdrożenia, zastosowanie średnich wartości zapotrzebowania na energię daje

jedynie przybliżone oszacowanie zapotrzebowania na energię i nie uwzględnia warunków

ruchu w różnych porach dnia lub charakterystykach trasy, takich jak podjazdy lub zjazdy.

Ponadto nie bierze pod uwagę zużycia energii wynikającego z używania klimatyzacji lub

ogrzewania, na które ma wpływ czas trwania podróży, a nie długość przejechanej trasy.

W godzinach szczytu podróż autobusem może trwać znacznie dłużej niż w godzinach poza

szczytem, co powoduje znacznie większe zapotrzebowanie na energię.

W drugim podejściu standardowe cykle jazdy określane są na podstawie danych literatu-

rowych [4, 9]. Te cykle jazdy oparte są na pomiarach ruchu z różnych miast. Standardowe

cykle jazdy zawierają zmiany, takie jak jazda na autostradzie lub w zatłoczonym ruchu. Jed-

nak zastosowanie standardowego cyklu jazdy w innym mieście nieuchronnie doprowadzi do

rozbieżności. Podobnie jak w pierwszym podejściu, warunki ruchu na różnych trasach auto-

busowych nie są identyczne, zwłaszcza w dużych sieciach autobusowych, ponieważ auto-

busy mają niską średnią prędkość z wieloma przystankami i wysokim opóźnieniem (przy-

spieszeniem przed) przy dojeździe do przystanku. Duże różnice mogą również występować

między różnymi typami usług autobusowych, np. usługami przewozowymi, bagażowymi

lub ekspresowymi.

22 Teresa Pamuła

Trzecie podejście wymaga wykonania szczegółowych pomiarów w celu określenia pro-

filu jazdy [7]. W celu uzyskania dokładniejszych wartości zapotrzebowania na energię au-

tobusów, urządzenia pomiarowe mogą być zainstalowane w autobusach, aby rejestrować

zapotrzebowanie na energię z wysoką rozdzielczością czasową. Modele symulacyjne można

wyprowadzić z wyników. Podejścia wymagające pomiarów w terenie są z natury rzeczy

ograniczone ze względu na to, że pomiar profilu jazdy każdej trasy autobusu może być wy-

konany dla małych sieci autobusowych, ale dla większych sieci autobusowych szybko staje

się niepraktyczny.

We wszystkich cytowanych badaniach szczegółowe pomiary przeprowadzono tylko dla

kilku autobusów. Prowadzi to do tego samego problemu nieuwzględnienia wszystkich linii

autobusowych, które mogą mieć znacznie różne charakterystyki. Aby uwzględnić warunki

ruchu, trzeba by wykonać kilka pomiarów na każdej linii autobusowej.

2.2. Model popytu na energię z użyciem syntetycznego profilu jazdy

W artykule [2] przedstawiono model popytu na energię, który nie wymaga pomiarów

profili prędkości w wysokiej rozdzielczości. Potrzebne są tylko zapisy czasu przyjazdu i wy-

jazdu autobusów na każdym przystanku. To podejście uwzględnia różnorodność sytuacji

napotykanych w rzeczywistych warunkach operacyjnych, przy jednoczesnym zachowaniu

możliwości analizy zapotrzebowania na energię, nawet w skali dużej sieci autobusowej.

Osiąga się to za pomocą zestawów danych obejmujących całą sieć, które można łatwo uzy-

skać ze źródeł danych zwykle gromadzonych przez operatorów autobusów na podstawie

istniejących zapisów danych operacyjnych. Przykładem mogą być systemy zarządzania flotą

autobusową, które rejestrują pozycję każdego pojazdu w niskiej rozdzielczości lub systemy

zarządzania taryfami, które zapisują zdarzenia dotyczące wsiadania i wsiadania dla wszyst-

kich pasażerów na wszystkich przystankach autobusowych. Wykorzystanie takich zestawów

danych umożliwia operatorom autobusowym zastosowanie modelu do istniejących sieci

jako całości i przez długi czas. Metoda ta jest łatwa do zastosowania w innych sieciach au-

tobusowych i pokonuje problem często spotykany w praktyce: niedostępność bardzo szcze-

gółowych zestawów danych na dużą skalę.

Dla potrzeb metody zdefiniowano tzw. syntetyczny profil jazdy, który wymaga jedynie

czasów przyjazdu i odjazdu autobusów na wszystkich odwiedzanych przystankach. Profil

ten ma naśladować miejskie warunki jazdy, gdzie autobusy często muszą zatrzymywać się

na skrzyżowaniach lub światłach i przechodzić przez kolejne fazy przyspieszania i zwalnia-

nia między każdą parą przystanków. Czas trwania każdej podróży między dwoma odwie-

dzanymi przystankami autobusowymi Δtodc i czasem przebywania na każdym przystanku

Δtprzyst jest obliczany od czasu odjazdu do przyjazdu. W połączeniu ze znaną odległością D

pomiędzy przystankami, daje to średnią prędkość vsr_odc = D/Δtodc.

W celu lepszego odtworzenia rzeczywistych warunków jazdy, na które narażony jest au-

tobus określono dynamiczny profil prędkości, który jest uzyskiwany dynamicznie dla każ-

dego przejazdu między każdą parą przystanków tak, aby pasował on do dostępnych danych

rzeczywistych (odległość między przystankami D i czas trwania podróży Δtodc). Składa się

z następujących po sobie nh + 1 identycznych faz o długości D′ = D / (nh + 1), gdzie nh

odpowiada liczbie pośrednich przerw między dwoma przystankami, np. zatrzymanie się na

światłach lub ustąpienie pierwszeństwa na skrzyżowaniu. Każda faza rozpoczyna się stałym

przyspieszeniem +a na dystansie d0, a następnie jazda ze stałą prędkością v1 na odległość d1

Application of a neural network for the estimation of energy consumption for a bus line … 23

i kończy się zatrzymaniem ze stałą szybkością zwalniania -a na odległość d2 tak, że d0 + d1

+ d2 = D′.

Wartości nh i v1 są wybierane dynamicznie w oparciu o zmierzoną średnią prędkość vsr_odc.

Dla nh zakłada się, że jest co najmniej jeden pośredni postój na odcinku między kolejnymi

przystankami (nh=1), nh = 2 jeśli 20 ⩽ vsr_odc < 25 km/h i nh = 3 jeśli 15⩽vsr_odc<20 km/h.

Prędkość jazdy v1 jest ustawiana dla każdej podróży tak, aby v1 = 1,5vsr_odc, ale z dolną

granicą 15 km/h oraz górną granicą określoną jako maksymalna między vsr_odc a 50 km/h.

Na przykład, jeśli czas trwania danej podróży był mierzony jako dłuższy niż zwykle (na

przykład z powodu większego zatoru drogowego), profil syntetyczny uwzględni to, stosując

niższą prędkość stałą (v1) i dodając więcej pośrednich zatrzymań (nh). Odwrotnie, jeśli zmie-

rzony czas trwania podróży był krótszy niż zwykle, wtedy vsr_odc będzie wyższa, podobnie

jak v1, podczas gdy liczba pośrednich zatrzymań zostanie zmniejszona.

Ten uproszczony profil prędkości pozwala na eliminację składowej czasu tak, że energia

dla odcinka (Eodc) zależy tylko od znanych parametrów i zmiennych wyznaczonych na pod-

stawie zestawu danych rzeczywistych (D i Δtodc). Faza jazdy składa się z trzech części: przy-

spieszenia, jazdy ze stałą prędkością (wybiegu) oraz hamowania. Przyjęto założenie, że

przyspieszenie jest stałe.

Rysunek 1 podsumowuje kroki podjęte w celu oceny zapotrzebowania na energię jednej

linii autobusowej. Wymagane dane wejściowe z rzeczywistej eksploatacji zostały ograni-

czone do następujących zmiennych:

odległość między dwoma kolejno odwiedzanymi przystankami (D),

czas trwania podróży (Δodc),

czas przebywania na przystanku (Δtprzyst),

średnia liczba pasażerów na odcinku między przystankami,

gradient drogi (α).

Długość podróży jest znana, ponieważ trasy autobusów są stałe. Czas podróży i czas prze-

bywania są uzyskiwane bezpośrednio z zarejestrowanych czasów przyjazdu i wyjazdu na

przystankach autobusowych. Dwie dodatkowe zmienne wejściowe (npas, α) z rzeczywistych

pomiarów są również użyteczne, ale nie są absolutnie konieczne. Jeśli to możliwe, liczba

pasażerów na pokładzie (npas) może być wykorzystana do obliczenia lepszego oszacowania

całkowitej masy pojazdu (M). W przeciwnym razie do obliczenia M można wykorzystać

założenia dotyczące średniego stopnia zajętości autobusu. Gradient drogi (α) między dwoma

przystankami również poprawia dokładność oszacowania zapotrzebowania na energię.

Wpływ tego czynnika jest ograniczony, jeśli rozpatrywana sieć autobusowa nie wykazuje

znacznych różnic wysokości.

W neuronowym modelu przyjęto zmienne npas oraz α jako dodatkowe wejścia sieci neu-

ronowej. Oprócz energii związanej z napędem, należy uwzględnić dodatkową moc Ppom po-

trzebną do klimatyzacji i różnych czynności pomocniczych, takich jak: otwieranie drzwi,

wspomaganie kierownicy, oświetlenie, wyświetlacze w pojeździe itp. Przyjęto założenie, że

Ppom jest stała w czasie trwania jazdy Δtodc, jak również w czasie przebywania autobusu na

przystanku (Δtprzyst)

𝐸𝑝𝑜𝑚 = 𝑃𝑝𝑜𝑚(∆𝑡𝑜𝑑𝑐 + ∆𝑡𝑝𝑟𝑧𝑦𝑠𝑡) (1)

Sumaryczne zapotrzebowanie na energię między dwoma kolejnymi przystankami może

być obliczone jako suma zapotrzebowania na energię dla każdego odcinka plus zapotrzebo-

wanie na energię pomocniczą

𝐸𝑐𝑎𝑙𝑘_𝑜𝑑𝑐 = ∑ 𝐸𝑝𝑜𝑚𝑜𝑑𝑐 (2)

24 Teresa Pamuła

Zapotrzebowanie na energię dla jednego autobusu linii autobusowej jest sumą

𝐸𝑝𝑜𝑑𝑟 = ∑ 𝐸𝑐𝑎𝑙𝑘_𝑜𝑑𝑐𝑛 𝑜𝑑𝑐 (3)

Zużycie energii dla całej linii autobusowej jest sumą zużycia energii dla wszystkich au-

tobusów kursujących na danej linii

𝐸𝑙𝑖𝑛𝑖𝑎 = ∑ 𝐸𝑝𝑜𝑑𝑟𝑚 𝑎𝑢𝑡𝑜𝑏 (4)

W tym artykule przyjęto uproszczenie, że autobusy są tego samego typu.

3. Neuronowy model oszacowania zużycia energii dla linii

obsługiwanej przez autobusy elektryczne

W rozdziale przedstawiono autorski neuronowy model szacowania zużycia energii dla

linii autobusowej na podstawie danych rzeczywistych. Zależności funkcyjne parametrów

odwzorowano z użyciem sieci neuronowej. To odwzorowanie relacji między zmiennymi jest

uzyskiwane w trakcie szkolenia sieci. Zaletą takiego podejścia jest to, że niewielkie odchy-

lenie parametru (zakłócenie) podanego na sieć neuronową nie zmienia w istotny sposób war-

tości wyjściowej sieci – wartości energii. Dodatkowo użycie odpowiednio wytrenowanej

sieci typu deep learning powoduje, że model jest bardziej odporny na brak niektórych da-

nych niż w przypadku użycia „zwykłych” sieci neuronowych, co wykazano w [5].

Ogólny schemat postępowania w celu obliczenia zapotrzebowania na energię autobusu

dla danej linii przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Algorytm obliczenia zapotrzebowania energetycznego dla linii autobusowej

(źródło: opracowanie własne)

Application of a neural network for the estimation of energy consumption for a bus line … 25

Metodę oszacowania zapotrzebowania na energię zaproponowaną w [2] użyto do wyge-

nerowania danych dla ciągów uczących sieci neuronowej. Wartość energii potrzebna do

przejechania odcinka drogi od przystanku do przystanku przez autobus elektryczny jest

funkcją parametrów opisanych w poprzednim rozdziale i można ją przedstawić w następu-

jący sposób

𝐸𝑐𝑎𝑙𝑘_𝑜𝑑𝑐 = 𝑓(𝐷, ∆𝑡𝑜𝑑𝑐, ∆𝑡𝑝𝑟𝑧𝑦𝑠𝑡, 𝑛𝑝𝑎𝑠, 𝛼, 𝑣𝑠𝑟 , 𝑃𝑝𝑜𝑚) (5)

gdzie dane wejściowe modelu uzyskane z pomiarów to:

𝐷 – odległość między przystankami,

∆𝑡𝑜𝑑𝑐 – czas trwania jazdy na odcinku między przystankami,

∆𝑡𝑝𝑟𝑧𝑦𝑠𝑡 – czas przebywania autobusu na przystanku,

𝑛𝑝𝑎𝑠 – liczba pasażerów,

𝛼 – kąt nachylenia drogi obliczony na podstawie różnicy wysokości pomiędzy dwoma

kolejno odwiedzanymi przystankami,

𝑣𝑠𝑟 – średnia prędkość na odcinku,

𝑃𝑝𝑜𝑚 – moc pomocnicza (w tym klimatyzacja) – stała wartość dla odcinka.

Zaproponowano odwzorowanie zależności (5) z użyciem sieci neuronowej typu deep le-

arning z autoenkoderami (DLNa). Na rysunku 2 przedstawiono poglądowy schemat neuro-

nowego modelu szacowania zużycia energii przez autobus elektryczny.

Rys. 2. Model oszacowania zużycia energii przez autobus elektryczny na odcinku między

kolejnymi przystankami (źródło: opracowanie własne)

W uproszczonym modelu można przyjąć, że wejścia D, ∆todc , ∆tprzyst mogą być danymi

uzyskanymi z bezpośrednich pomiarów a pozostałe wejścia można podać jako stałe wyli-

czone i uśrednione niezależnie dla każdego odcinka jazdy autobusu.

Wyjście modelu – zapotrzebowanie na energię na odcinku od chwili przyjazdu na przy-

stanek do chwili przyjazdu na kolejny przystanek Ecalk_odc. Dla ciągu uczącego wartości ener-

gii wyliczono na podstawie [2].

Parametrami zaproponowanego modelu są dane historyczne z pomiarów profili jazdy au-

tobusów elektrycznych na linii określonej harmonogramem jazdy.

Przykładowe dane dla pięciu kolejnych przystanków odwiedzonych podczas podróży

(rys. 3) na jednej z linii autobusowej PKM Jaworzno przedstawiono w tablicy 1. Dane

z tabeli 1 zarejestrowano na trasie zaznaczonej kropkowaną czerwoną linią, przedstawionej

na mapie z rysunku 3.

Dla przykładowych danych z tablicy 1 czas pokonania czterech odcinków trasy wraz

z pobytem na przystankach wynosi 4 min 1 sek. Zużycie energii zarejestrowane na tej trasie

przez PKM Jaworzno wyniosło 3,2 kWh.

26 Teresa Pamuła

Tabela 1. Parametry jazdy autobusu

Nr aktualnego przystanku 1 2 3 4 5

Czas przybycia 09:07:38 09:09:28 09:10:18 09:11:23 09:12:29

Pasażerowie wsiadający 11 1 2 5 0

Pasażerowie wysiadający 0 1 0 4 4

Różnica wsiadający-wysiadający 11 0 2 1 -4

Pasażerowie w autobusie 𝑛𝑝𝑎𝑠 11 11 13 14 10

Czas oczekiwania ∆𝑡𝑝𝑟𝑧𝑦𝑠𝑡 00:00:20 00:00:10 00:00:10 00:00:10 00:00:10

Godzina odjazdu 09:07:58 09:09:38 09:10:28 09:11:33 09:12:39

Numer następnego przystanku 2 3 4 5 6

Długość trasy D [m] 950 410 590 410 450

Czas trwania podróży ∆𝑡𝑜𝑑𝑐 00:01:30 00:00:40 00:00:55 00:00:56 00:00:50

Średnia prędkość podróży 𝑣𝑠𝑟 [km/h] 38,0 36,9 38,6 26,4 32,4

Rys. 3. Przykładowa trasa autobusu (źródło: OpenStreetMap)

4. Wnioski

W artykule zaproponowano autorską koncepcję neuronowego modelu oszacowania zu-

życia energii dla odcinka linii autobusowej obsługiwanej przez autobus elektryczny. Wejścia

modelu to dane o parametrach jazdy autobusu elektrycznego na trasie od przystanku do przy-

stanku. Wyjście to szacowane zużycie energii dla analizowanego odcinka drogi. Zaletą mo-

delu jest to, że dane potrzebne do oszacowania zapotrzebowania na energię elektryczną

mogą być zbierane w trakcie codziennej eksploatacji. W najprostszym przypadku może to

być tylko czas przybycia i odjazdu autobusów na każdym przystanku. Pozostałe parametry

można przyjąć jako stałe dla danego odcinka trasy autobusu lub średnie, wyliczone z danych

historycznych, np. średnia liczba pasażerów przewożonych na danym odcinku. Zastosowana

sieć neuronowa typu deep learning, pozwoli na efektywne wykorzystanie dużej liczby da-

nych uczących dla różnorodnych odcinków trasy autobusu elektrycznego, a tym samym

oszacowanie zużycia energii dla dużych flot autobusów komunikacji miejskiej.

Wstępne badania wskazują na możliwość zastosowania modelu do oszacowania zapo-

trzebowania na energię autobusu elektrycznego kursującego na danej linii. Uzyskanie dużej

Application of a neural network for the estimation of energy consumption for a bus line … 27

dokładności wymaga ustalenia odpowiedniej konfiguracji sieci neuronowej. W dalszych ba-

daniach ciągi uczące dla sieci neuronowej będą stanowiły rzeczywiste dane zarejestrowane

przez PKM.

Neuronowy model oszacowania zużycia energii przez autobus elektryczny może zostać

użyty w pracach mających na celu zaplanowanie (prognozę) niezbędnej pojemności akumu-

latorów, zaprojektowanie zoptymalizowanych strategii ładowania oraz określenie wymo-

gów w zakresie infrastruktury ładowania dla autobusów elektrycznych w sieci transportu

publicznego.

Bibliografia

1. Benz, M. (2015). Techview report electric buses, Fraunhofer MOEZ, Leipzig, Germany.

2. Galleta, M., Massiera, T., Hamacherb, T. (2018). Estimation of the energy demand of electric buses based

on real-world data for large-scale public transport networks, Applied Energy, 230, 344–356.

3. IEA. (2017). Global EV Outlook 2017. Paris.

4. Nylund, N-O., Erkkilä, K., Clark, N., Rideout, G. (2007). Evaluation of duty cycles for heavy-duty urban

vehicles. Final report of IEA AMF Annex XXIX.

5. Pamuła, T. (2019). Impact of data loss for prediction of traffic flow on an urban road using neural net-

works, IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 20 (3), 1000-1009.

6. Paul, T., Yamada, H. (2014). Operation and charging scheduling of electric buses in a city bus route

network, in: 17th IEEE International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC),

2780–2786. Qingdao, China.

7. Sinhuber, P., Rohlfs, W., Sauer, DU. (2012). Study on power and energy demand for sizing the energy

storage systems for electrified local public transport buses, in: IEEE Vehicle Power and Propulsion Con-

ference, 315–320, Seoul, Korea.

8. UITP. (2017). ZeEUS eBus Report. Brussels. (UITP - Union Internationale des Transports Publics).

9. Vilppo, O., Markkula, J. (2015). Feasibility of electric buses in public transport, in: EVS28 28th interna-

tional electric vehicle symposium and exhibition KINTEX, Goyang, Korea.

10. Wang, Y., Huang, Y., Xu, J., Barclay, N. (2017). Optimal recharging scheduling for urban electric buses:

a case study in Davis, Transportation Research Part E: Logistics and Transport Review, 100, 115–132.

Zastosowanie sieci neuronowej do oszacowania zużycia

energii autobusów elektrycznych dla linii autobusowej

w publicznym transporcie miejskim

Streszczenie. Ocena zapotrzebowania na energię stała się ważnym warunkiem wstępnym pla-

nowania wdrażania autobusów elektrycznych oraz wymaganej infrastruktury do ich ładowania

w publicznym transporcie miejskim. W artykule zaproponowano model szacowania zużycia

energii przez autobus elektryczny dla linii autobusowej przedsiębiorstwa komunikacji miej-

skiej. W opracowanym modelu do wyznaczenia zapotrzebowania na energię autobusu na od-

cinku drogi od przystanku do przystanku z uwzględnieniem charakterystyki drogi lokalnej

użyto sieci neuronowej typu deep learning. Celem badań było opracowanie neuronowego mo-

delu szacowania zużycia energii elektrycznej tak, aby można go było łatwo zastosować w du-

żych sieciach autobusowych przy użyciu rzeczywistych źródeł danych, które są powszechnie

dostępne dla operatorów transportu autobusowego. Użycie sieci typu deep learning pozwala

na efektywne wykorzystanie dużej liczby danych wzorcowych (tzw. big data). Przyjęto, że

wartość energii potrzebna do pokonania odległości od przystanku do przystanku autobuso-

wego jest funkcją wybranych parametrów, takich jak: odległość między przystankami, czas

trwania jazdy na odcinku między przystankami, czas przebywania autobusu na przystanku,

28 Teresa Pamuła

Copyright © 2020 Pamuła T.

This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

średnia liczba pasażerów, kąt nachylenia drogi, średnia prędkość na odcinku, energia dodat-

kowa – stała wartość dla odcinka. Podane zależności zostały odwzorowane za pomocą sieci

neuronowej. Neuronowy model oszacowania zużycia energii przez autobus elektryczny może

zostać użyty w pracach mających na celu określenie niezbędnej pojemności akumulatorów,

zaprojektowanie zoptymalizowanych strategii ładowania oraz określenie wymogów w zakre-

sie infrastruktury ładowania dla autobusów elektrycznych w sieci transportu publicznego.

Słowa kluczowe: autobusy elektryczne, zużycie energii, sieci neuronowe

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g

P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T

ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0013.9604 2020

Article citation information:

Orczyk, M., Tomaszewski, F. (2020). Modeling sound distribution in the bus passenger area while driving,

WUT Journal of Transportation Engineering, 128, 29–36, ISSN: 1230-9265, DOI: 10.5604/01.3001.0013.9604

*Corresponding author

E-mail address: malgorzata.orczyk@put.poznan.pl (M. Orczyk),

franciszek.tomaszewski@put.poznan.pl (F. Tomaszewski)

ORCID: 0000-0003-0866-7689 (M. Orczyk), 0000-0003-1774-7437 (F. Tomaszewski)

Received 10 May 2019, Revised 17 January 2020, Accepted 12 February 2020, Available online 6 March 2020

Modeling sound distribution in the bus passenger area

while driving

Małgorzata Orczyk* , Franciszek Tomaszewski

Poznan University of Technology, Faculty of Civil and Transport Engineering

Abstract. The article presents the results of noise tests in 18 m Solaris Urbino public transport

buses. In the passenger compartment of the tested vehicles, there were ten measuring micro-

phones and a GPS device for measuring vehicle speed. These devices recorded speed and

sound levels in the tested buses. The results of the measurements were used to assess the noise

in the passenger space of buses and develop regression models for each microphone location.

In their algorithms, these models considered vehicle speed and sound levels. The purpose of

the tests was to check whether the noise in individual microphone locations depends on the

cruising speed of the bus and to assess the sound distribution along with the inside space of

the vehicle in motion.

Keywords: public transport buses, sound distribution in the passenger space, regression mod-

els

1. Wprowadzenie

Hałas wewnątrz pojazdów w dużym stopniu wpływa na komfort podróżowania różnymi

środkami transportu bliskiego (miejskiego) i dalekobieżnego oraz na komfort pracy opera-

tora pojazdu (motorniczego, kierowcy). Zapewnienie operatorowi pojazdu odpowiedniego

komfortu akustycznego ma istotny wpływ na bezpieczeństwo i zmniejszenie ryzyka zagro-

żeń przewożonych pasażerów i ładunków. W zakresie oceny hałasu na stanowisku pracy

istnieje kilka przepisów, które odnoszą się do wszystkich zawodów w tym operatorów po-

jazdów. Do najważniejszych można zaliczyć: Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Spo-

łecznej z dnia 29 listopada 2002 roku w sprawie najwyższych dopuszczalnych stężeń i natę-

żeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy, normy PN-EN ISO 9612 Aku-

styka Wyznaczanie zawodowej ekspozycji na hałas. Metoda techniczna oraz PN-Z-01338

Akustyka Pomiar i ocena hałasu infradźwiękowego na stanowiskach pracy. Inne oczekiwa-

nia odnośnie komfortu w pojeździe ma pasażer. Dla niego istotne jest to, aby dźwięki zwią-

zane z poruszającym się pojazdem w najmniejszym stopniu zakłócały mu podróż.

30 Małgorzata Orczyk, Franciszek Tomaszewski

Do głównych źródeł hałasu występującym w pojeździe drogowym podczas jazdy można

zaliczyć: hałas toczących się po nawierzchni opon, hałas układów napędowych (szczególnie

układów wydechowych i ssących silników spalinowych oraz przekładni mechanicznych)

oraz hałas aerodynamiczny. Obecnie pojazdy są budowane w taki sposób, aby spełnić coraz

bardziej restrykcyjne limity hałasu. Środki te obejmują konstytuowanie cichych jednostek

napędowych i przekładni oraz ich bardzo dokładne ekranowanie poprzez elementy nadwozia

pojazdów. Również producenci opon samochodowych zmuszani są do spełniania wymogów

dyrektywy 2001/43/EC w zakresie emisji hałasu podczas kontaktu opony z nawierzchnią

[2]. Na klimat akustyczny, jaki panuje w pojeździe podczas jazdy wpływa bardzo dużo jesz-

cze innych czynników między innymi: wielkość pojazdu, kształt nadwozia, jakość wykoń-

czenia, rodzaj układu napędowego czy prędkość, z jaką porusza się pojazd. Wiele zależy

także od klasy pojazdu i tego jak go zaprojektowano [4]. Hałasowi panującemu we wnętrzu

pojazdu osobowego jak i jego modelowaniu podczas jazdy poświęcane jest wiele uwagi

przez konstruktorów tych pojazdów. Temat komfortu akustycznego jest bardzo dobrze

znany z przemyśle samochodowym (samochody osobowe) który swoje początki miał w la-

tach 80-tych XX w. Skutkuje to tym, że tworzone są specjalne rankingi, w których ocenia

się pod kątem akustycznym wnętrza pojazdów osobowych na postoju i podczas jazdy. Nieco

inne kryteria są stosowane dla autobusów.

W zakresie autobusów komunikacji miejskiej najważniejszymi elementami decydują-

cymi o wyborze przez przewoźnika danego modelu pojazdu poza ceną jest kryterium zwią-

zane z tym, aby autobus był niskopodłogowy, spełniał najnowsze normy emisji EURO. Co-

raz częściej uwaga przewoźników jest również kierowana na tzw. pojazdy niskoemisyjne

zasilane: CNG, LPG, hybrydowe lub elektryczne. Ważne jest także, aby przestrzeń pasażer-

ska i kabina kierowcy posiadała klimatyzację. W zakresie hałasu w Polsce warunkiem do-

puszczenia do eksploatacji nowego autobusu czy tramwaju jest spełnienie norm związanych

z nieprzekraczaniem poziomów dopuszczalnych odnoszących się tylko do hałasu zewnętrz-

nego. W odniesieniu do hałasu wewnętrznego, szczególnie miejskich środków komunikacji

zbiorowej nie ma stosownych norm i przepisów [1].

W artykule przedstawione zostaną wyniki pomiarów rozkładów poziomu dźwięku

w przestrzeni pasażerskiej autobusów Solaris Urbino 18 m. Na podstawie wykonanych po-

miarów opracowano modele regresyjne, które opisują poziomy dźwięku w przestrzeni pasa-

żerskiej w zależności od prędkości, z jaką porusza się autobus. Głównym celem przeprowa-

dzonych badań było sprawdzenie czy hałas w poszczególnych lokalizacjach mikrofonów

pomiarowych zależy od prędkości oraz zbadano rozkład poziomów dźwięku wzdłuż po-

jazdu.

2. Metodyka i analiza wyników badań

Przedmiotem badań hałasu były niskopodłogowe autobusy komunikacji miejskiej Solaris

Urbino 18 m. Te 18 metrowe autobusy produkowane są przez firmę Solaris Bus & Coach

S.A. Jednostki napędowe w tych pojazdach to silniki DAF współpracujące z automatycz-

nymi 4 i 6 biegowymi skrzyniami biegów VOIT lub ZF Ecolife. Autobusy te są przystoso-

wane do przewozu 176 pasażerów, z czego 43 na miejscach siedzących. Układ drzwi w tym

autobusie to 2-2-2-2, a masa pojazdu wynosi 28 ton. Wszystkie pojazdy, w których badano

hałas były w pełni klimatyzowane zarówno w przestrzeni pasażerskiej, jak i w kabinie kie-

rowcy. Ponadto produkowane przez firmę Solaris Bus & Coach S.A. autobusy mają funkcję

Modeling sound distribution in the bus passenger area while driving 31

„przyklęku” obniżającą wysokość wejścia do pojazdu o około 70 mm, a także rampę otwie-

raną ręcznie bądź elektrycznie, ułatwiającą wjazd osobie poruszającej się na wózku inwa-

lidzkim [5]. Dostarczone do badań autobusy były w różnym stanie eksploatacyjnym pocho-

dziły z dostaw od 2006 do 2011 roku.

Do oceny hałasu w autobusach Solaris Urbino 18 m opracowano własną metodykę po-

miarową bazującą na normie PN-90/S-04052 Samochody Dopuszczalny poziom hałasu we-

wnątrz pojazdu Wymagania i badania [7]. Pomiary w wytypowanych do badań pojazdach

dotyczyły tylko przestrzeni pasażerskiej. W przestrzeni pasażerskiej na wysokości 1,6 m nad

poziomem podłogi rozmieszczono 10 mikrofonów pomiarowych. Na rysunku 1 przedsta-

wiono schematy rozmieszczenia mikrofonów pomiarowych w wytypowanych do badań au-

tobusach Solaris Urbino 18 m.

Rys. 1. Schemat rozmieszczenia mikrofonów pomiarowych w autobusach Solaris Urbino

18 m (źródło: opracowanie własne na podstawie [3])

Przebadano łącznie sześć autobusów Solaris Urbino 18 m, z czego cztery autobusy były

wyposażone w 4-biegowe automatyczne skrzynie biegów a dwa w 6-biegowe automatyczne

skrzynie biegów. Badania prowadzono bez pasażerów, a klimatyzacja przestrzeni pasażer-

skiej była wyłączona.

W ramach prowadzonych analiz sprawdzano, czy hałas w poszczególnych lokalizacjach

mikrofonów pomiarowych zależy od prędkości, z jaką poruszają się wytypowane do badań

środki transportu publicznego oraz badano rozkład dźwięku wzdłuż pojazdu. Zestawiony tor

pomiarowy składający się z 10 mikrofonów pomiarowych i urządzenia rejestrującego pręd-

kość jazdy GPS, umożliwiał równoczesne rejestrowanie prędkości jazdy autobusów z roz-

dzielczością, co 1 s i odpowiadające im poziomy dźwięku w poszczególnych lokalizacjach

mikrofonów pomiarowych.

Wybrane do badań autobusy pokonały dwa proste w planie i profilu odcinki pomiarowe

drogi dwujezdniowej asfaltowej liczące 1000 m każdy o stanie nawierzchni dobrej. Przejazd

był realizowany z zastosowaniem przez kierowcę trzech faz jazdy: rozpędzania od prędkości

0 do 43 km/h, jazdy z ustabilizowaną prędkością od 43 do 53 km/h i hamowania. Zakres

prędkości podczas faz jazdy z ustabilizowaną prędkością nie był określony. Wynikało to

z faktu, że pomiary realizowano w ciągu tzw. dnia roboczego i na wytypowanych trasach

pomiarowych odbywał się także ruch innych pojazdów. Ze względu na podobne wartości

poziomów dźwięku, uzyskane modele regresyjne oraz odpowiadające im obliczone parame-

try statystyczne poniżej przedstawiono tylko rezultaty badań na jednym odcinku pomiaro-

wym.

W tabeli 1 przedstawiono średnie poziomy dźwięku i prędkości jazdy zarejestrowane

w przestrzeni pasażerskiej badanych autobusów podczas przejazdu odcinka pomiarowego.

32 Małgorzata Orczyk, Franciszek Tomaszewski

Tabela 1. Rozkłady poziomów dźwięku w przestrzeni pasażerskiej autobusów Solaris

Urbino 18 m

Poziomy dźwięku [dB] w lokalizacji mikrofonów

Autobus vśr [km/h] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

S184 – 1 39 69 69 70 70 73 74 75 77 77 78

S184 – 2 36 69 69 70 71 73 74 74 76 76 79

S184 – 3 42 70 71 71 73 74 76 76 77 77 79

S184 – 4 39 73 74 74 76 77 78 77 78 78 78

S186 – 1 39 69 70 70 72 74 75 75 77 76 77

S186 – 2 39 69 70 71 72 75 76 76 77 76 79

Podczas przejazdu odcinka pomiarowego, w przestrzeni pasażerskiej badanych autobu-

sów średnie poziomy dźwięku nie przekroczyły 80 dB a prędkość jazdy wynosiła średnio 40

km/h. Rozkłady poziomów dźwięków w przestrzeni pasażerskiej autobusów wyposażonych

w automatyczne 4-biegowe skrzynie biegów (S184) i 6-biegowe skrzynie biegów (S186)

kształtowały się na podobnym poziomie. Najniższe poziomy dźwięku 69 – 73 dB uzyskano

w miejscu lokalizacji 1 mikrofonu pomiarowego mieszczącego się z przodu autobusu przy

kierowcy natomiast najwyższe poziomy wynoszące 78 – 79 dB zostały zarejestrowane przy

silniku spalinowym w miejscu umieszczenia 10 mikrofonu pomiarowego. Podczas jazdy

różnica pomiędzy miejscem usytuowania 1 mikrofonu pomiarowego (przód autobusu) a 10

mikrofonu (tył autobusu) wynosiła około 9 dB.

Ponadto przestrzeń pasażerską autobusów Solaris Urbino 18 m można podzielić podczas

jazdy na trzy strefy oddziaływania poziomów dźwięku. W pierwszej strefie I znajdowały się

1 – 4 mikrofony pomiarowe (rys. 1). Zarejestrowane w tej strefie poziomy dźwięku były

najniższe i wynosiły 69 – 72 dB. Druga strefa odziaływania dźwięku II mieściła się w środ-

kowej części badanych autobusów to lokalizacje 5, 6 i 7 mikrofonu pomiarowego (rys 1).

W strefie tej zarejestrowane poziomy dźwięku zawierały się pomiędzy 73 – 76 dB. Ostatnia

III strefa oddziaływania dźwięku miała swoją lokalizacje bezpośrednio przy silniku spalino-

wym. To lokalizacja 8, 9 i 10 mikrofonu pomiarowego (rys. 1). W strefie tej uzyskiwano

najwyższe poziomy dźwięku wynoszące około 79 dB.

3. Modelowanie hałasu w przestrzeni autobusu podczas jazdy

Dla uzyskanego materiału badawczego poziomów dźwięku w poszczególnych lokaliza-

cjach mikrofonów n = 1, …, 10 i prędkości jazdy opracowano modele regresyjne oraz prze-

prowadzono analizy statystyczne. Ze względu na to, że w każdej lokalizacji mikrofonu po-

miarowego rejestrowano różne poziomy dźwięku zdecydowano się opracować osobne mo-

dele dla każdej lokalizacji mikrofonu. Aby wyznaczyć poszczególne współczynniki regresji

w 10 lokalizacjach mikrofonów wykorzystano funkcję regresji drugiego rodzaju, czyli funk-

cję, której parametry zostały wyznaczone metodą najmniejszych kwadratów dla zaobserwo-

wanych w próbie wartości badanych zmiennych. Linowy model regresji wyrażono następu-

jącym równaniem ogólnym

𝑌 = 𝑏0 + 𝑏1𝑥1 + 𝑏2𝑥2 + ⋯ + 𝑏𝑘𝑥𝑘 + (1)

gdzie:

b1 – parametry modelu (współczynniki regresji) opisujące wpływ i-tej zmiennej,

ε – składnik losowy.

Modeling sound distribution in the bus passenger area while driving 33

Podczas przejazdu badanych typów autobusów po wyznaczonym odcinku pomiarowym

uzyskano w poszczególnych lokalizacjach mikrofonów modele wykładnicze. Postać ogólna

modelu przyjęła następującą postać

𝐿𝑏𝑢𝑠,𝑁,𝑛 = 𝑏0 ∙ 𝑒𝑏𝑛∙𝑣 (2)

gdzie:

Lbus,N,n – poziom dźwięku w autobusach Solaris Urbino 18 m wyposażonych w automatyczne

4 i 6 biegowe skrzynie biegów w n-tej lokalizacji mikrofonu pomiarowego [dB], gdzie:

n = 1, 2, …, 10,

b0,n – wyraz wolny równania w n-tej lokalizacji mikrofonu n = 1, 2, …,10,

b1,n – współczynnik regresji w n-tej lokalizacji mikrofonu n = 1, 2, …,10,

v – prędkość jazdy [km/h].

Oszacowania poszczególnych parametrów modeli (współczynników regresji) b0 i b1

funkcji wykładniczej dokonano, określając parametry regresji liniowej otrzymanej po odpo-

wiednich transformacjach. Następnie dla opracowanych modeli sprawdzono istotność funk-

cji i poszczególnych współczynników regresji oraz na podstawie analizy reszt: losowość

odchyleń reszt, normalność reszt i brak autokorelacji reszt.

Istotność funkcji weryfikowana była testem F i dla tego testu poziom prawdopodobień-

stwa p powinien być mniejszy od przyjętego poziomu istotności α = 0,05. Założenie to zo-

stało przyjęte zarówno dla testu F oraz dla wszystkich współczynników.

Do wyznaczenia modeli regresji i związanych z nimi parametrów statystycznych (współ-

czynników korelacji R, współczynników determinacji R2, wartości testów F, błędów stan-

dardowych estymacji oraz rozkładów reszt) wykorzystano program STATISTICA 13.1. Po-

nadto modele regresyjne opracowano osobno dla autobusów posiadających automatyczne 4

i 6-biegowe skrzynie biegów.

W tabeli 2 przedstawiono uzyskane zależności dla poszczególnych lokalizacji mikrofo-

nów pomiarowych i odpowiadające im parametry statystyczne dla autobusów Solaris Urbino

18 m wyposażonych w automatyczne 4-biegowe skrzynie biegów.

Tabela 2. Postacie modeli i parametry statystyczne opisujące rozkład poziomów

dźwięku w autobusach Solaris Urbino 18 m wyposażonych w 4-biegową skrzynie biegów

Parametry statystyczne

Nr mikrofonu Model R R2

Statystyka

F

Poziom

istotn. p

Błąd std.

estymacji

1 v

Sol eL 0029,01,184 911,61 0,74 0,55 387 0 0,04

2 v

Sol eL 0027,02,184 6211,62 0,72 0,52 345 0 0,04

3 v

Sol eL 0029,03,184 4511,62 0,76 0,58 452 0 0,03

4 v

Sol eL 0027,04,184 2245,64 0,74 0,55 387 0 0,03

5 v

Sol eL 0026,05,184 1715,66 0,77 0,59 454 0 0,03

6 v

Sol eL 0026,06,184 5295,67 0,77 0,59 458 0 0,03

7 v

Sol eL 0021,07,184 272,69 0,74 0,54 384 0 0,03

34 Małgorzata Orczyk, Franciszek Tomaszewski

c.d. tabeli 2

Parametry statystyczne

Nr mikrofonu Model R R2

Statystyka

F

Poziom

istotn. p

Błąd std.

estymacji

8 v

Sol eL 0016,08,184 8437,71 0,60 0,36 183 0 0,03

9 v

Sol eL 0016,09,184 8095,71 0,61 0,37 188 0 0,03

10 v

Sol eL 0011,010,184 6562,74 0,41 0,17 67 0 0,03

gdzie:

LSol184, n – poziom dźwięku w Solaris Urbino 18 m wyposażonym w automatyczną 4-biegową

skrzynię biegów w n lokalizacji mikrofonu pomiarowego [dB] gdzie: n = 1, …, 10,

v – prędkość jazdy [km/h].

W tabeli 3 przedstawiono modele regresyjne i odpowiadające im parametry statystyczne

dla autobusów Solaris Urbino 18 m wyposażone w automatyczne 6-biegowe skrzynie bie-

gów.

Tabela 3. Postacie modeli i parametry statystyczne opisujące rozkład poziomów

dźwięku w autobusach Solaris Urbino 18 m wyposażonych w 6-biegową skrzynie biegów

Parametry statystyczne

Nr mikro-

fonu

Model R R2 Statystyka

F

Poziom

istotn. p

Błąd std.

estymacji

1 v

Sol eL 0033,01,186 7669,59 0,79 0,62 249 0 0,03

2 v

Sol eL 0035,02,186 1744,60 0,80 0,64 278 0 0,03

3 v

Sol eL 0034,03,186 5546,60 0,81 0,66 299 0 0,03

4 v

Sol eL 003,04,186 3368,63 0,80 0,65 280 0 0,02

5 v

Sol eL 0027,05,186 0472,66 0,83 0,69 343 0 0,02

6 v

Sol eL 0024,06,186 4859,68 0,77 0,59 220 0 0,02

7 v

Sol eL 0018,07,186 7933,69 0,67 0,45 123 0 0,03

8 v

Sol eL 0013,08,186 4663,72 0,50 0,25 50 0 0,03

9 v

Sol eL 0012,09,186 3457,72 0,48 0,23 45 0 0,03

10 v

Sol eL 0006,010,186 0276,76 0,20 0,04 7 0 0,03

gdzie:

LSol186, n – poziom dźwięku w Solaris Urbino 18 m wyposażonym w automatyczną 4-biegową

skrzynię biegów w n lokalizacji mikrofonu pomiarowego [dB] gdzie: n = 1, …, 10,

v – prędkość jazdy [km/h].

W autobusach Solaris Urbino 18 m rozkłady poziomów dźwięku w przestrzeni pasażer-

skiej w zależności od prędkości jazdy najlepiej opisują modele wykładnicze. Wartości

współczynników R2 wskazują jednak, że dopasowanie w autobusach wyposażonych w au-

tomatyczne 4-biegowe skrzynie biegów jest słabe lub niezadowalające (0,17 – 0,59).

Modeling sound distribution in the bus passenger area while driving 35

Najwyższe wartości R2 = 0,59 odnotowano w miejscu lokalizacji 3, 5 i 6 mikrofonu pomia-

rowego. Najniższe wartości współczynnika R2 uzyskano na końcu autobusu – 8 i 9 mikrofon

pomiarowy. Przy samym silniku spalinowym w 10 lokalizacji mikrofonu wartość współ-

czynnika R2 była najniższa i wynosiła 0,17. Wartości współczynników korelacji R kształto-

wały się w omawianych typach autobusów na poziomie R = 0,42 – 0,77 korelacja umiarko-

wana i wysoka. Korelacja wysoka R = 0,72 – 0,77 była uzyskana w 1, 2, 3, 4, 5, 6 i 7 loka-

lizacji mikrofonów w dalszych lokalizacjach mikrofonów (8, 9 i 10) spadała do 0,42.

W autobusach wyposażonych w automatyczne 6-biegowe skrzynie biegów wartość współ-

czynnika R2 była na nieco wyższym poziomie Od lokalizacji 1 do 6 mikrofonu pomiaro-

wego R2 = 0,59 – 0,69 co może wskazywać na dopasowanie na poziomie zadowalającym.

Najwyższe wartości R2 = 0,65 – 0,69 uzyskano w lokalizacji 3, 4 i 5 mikrofonu pomiaro-

wego. Począwszy od 7 lokalizacji mikrofonu wartość współczynnika R2 spadła i wynosiła

0,45 (7 mikrofon pomiarowy) do 0,04 (10 mikrofon pomiarowy). Współczynniki korelacji

R wynosiły R = 0,20 – 0,83. Najniższe wartości R = 0,20 – 0,50 wskazujące na korelacje

niskie uzyskano w lokalizacji 8, 9 i 10 mikrofonu pomiarowego. Najwyższe R = 0,77 – 0,83

wskazujące na korelacje wysoką przypadało na miejsca lokalizacji 1, 2, 3, 4, 5 i 6 mikrofonu

pomiarowego. Obliczone wartości statystyki F w obu typach autobusów Solaris Urbino

18 m zawierały się 7 a 458, wartości prawdopodobieństwa p dla testu F oraz dla poszcze-

gólnych współczynników równań wynosiły 0 i dla przyjętego poziomu istotności α < 0,05

można stwierdzić, że opracowane równania są istotne [6].

4. Podsumowanie

Na podstawie wykonanych badań i analiz można sformułować następujące wnioski: Pod-

czas przejazdu odcinka testowego w autobusach Solaris Urbino 18 m zarejestrowane po-

ziomy dźwięku nie przekroczyły w całej przestrzeni pasażerskiej poziomu 80 dB. Nie stwier-

dzono także istotnych różnic w poziomach dźwięku pomiędzy pojazdami wyposażonymi w

4 jak i 6 biegowe automatyczne skrzynie biegów. Różnica w zarejestrowanych poziomach

dźwięku w miejscu lokalizacji 1 mikrofonu (przód autobusu) i 10 mikrofonu (tył autobusu)

wynosiła 9 dB. Całą przestrzeń pasażerską autobusów Solaris Urbino 18 m można podzielić

na trzy strefy oddziaływania dźwięku.

Opracowane modele regresyjne opisujące poziomy dźwięku w autobusach Solaris Urbino

18 m w zależności od prędkości jazdy można opisać modelami wykładniczymi. Jednak wy-

liczone parametry statystyczne: współczynniki korelacji R, i współczynniki determinacji R2

były na poziomie umiarkowanym. Stosunkowe wysokie wartości obu współczynników były

dla mikrofonów 1 – 6. W kolejnych lokalizacjach 7 – 10 następował ich spadek. Najniższe

wartości współczynnika R i R2 uzyskano przy silniku spalinowym w miejscu umieszczenia

10 mikrofonu pomiarowego. Można, zatem sformułować wniosek, że hałas w przestrzeni

pasażerskiej poza prędkością jazdy zależy także od czynników związanych z pojazdem np.

stanem technicznym lub warunkami, jakie panują na drodze.

Bibliografia

1. Andrzejczak, K., Tomaszewski, F., Orczyk, M. (2016). Metodyczne aspekty analizy hałasu wewnętrznego

w środkach komunikacji miejskiej. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej - Transport, 114, 9-18.

2. Ejsmont, J.A. (2018). Metody redukcji hałasu samochodowego. W Materiały konferencji Problem hałasu

w mieście, Hałas w mieście – doświadczenia i wyzwania, Poznań, 71 – 81.

36 Małgorzata Orczyk, Franciszek Tomaszewski

Copyright © 2020 Orczyk M. and Tomaszewski F.

This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

3. Leszek „ogorek14” (ikmg-sol). (2016), klub miłośników autobusów, trolejbusów i tramwajów marki Sola-

ris. Komunikat internetowy, www.solaris-club.com

4. Majcherek, A. (2019). Hałas w samochodzie to jeden z naszych codziennych wrogów. Skąd pochodzi i jak

z nim walczyć. Komunikat internetowy https://spidersweb.pl/autoblog/halas-w-samochodzie/

5. Materiały reklamowe autobusu Solaris Urbino. (2014). Solaris Bus&Coach S.A. Komunikat internetowy

www.solarisbus.com

6. Orczyk, M. (2019). Ocena wewnętrznego i zewnętrznego hałasu miejskiego systemu transportu. Wydaw-

nictwo Politechniki Poznańskiej.

7. PN-90/S-04052 – Pojazdy samochodowe. Dopuszczalny poziom hałasu wewnętrznego. Wymagania

i badania.

Modelowanie rozkładu dźwięku w przestrzeni

pasażerskiej autobusu podczas jazdy

Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań hałasu w autobusach komunikacji

miejskiej typu Solaris Urbino 18 m. W przestrzeni pasażerskiej badanych pojazdów umiesz-

czono 10 mikrofonów pomiarowych oraz urządzenie do pomiaru prędkości GPS. Urządzenia

te rejestrowały prędkość jazdy i poziomy dźwięku w badanych autobusach. Na podstawie wy-

konanych badań oceniono hałas w przestrzeni pasażerskiej autobusów oraz opracowano dla

każdej lokalizacji mikrofonu modele regresyjne. Modele te w swoich algorytmach uwzględ-

niały prędkość jazdy i poziomy dźwięku. Celem wykonanych badań było sprawdzenie czy

hałas w poszczególnych lokalizacjach mikrofonów zależy od prędkości, z jaką jest realizo-

wana jazda oraz zbadanie rozkładu dźwięku wzdłuż pojazdu podczas jazdy.

Słowa kluczowe: autobusy komunikacji miejskiej, rozkład dźwięku w przestrzeni pasażer-

skiej, modele regresyjne

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g

P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T

ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0507 2020

Article citation information:

Borucka, A., Grzelak, M., Świderski, A., Jóźwiak, A. (2020). Application of information on road occurrences

for the assessment of social risk of some types of accidents, WUT Journal of Transportation Engineering, 128,

37-47, ISSN: 1230-9265, DOI: 10.5604/01.3001.0014.0507

*Corresponding author

E-mail address: malgorzata.grzelak@wat.edu.pl (M. Grzelak)

ORCID: 0000-0002-7892-9640 (A. Borucka), 0000-0001-6296-7098 (M. Grzelak),

0000-0001-7451-9161 (A. Świderski), 0000-0002-1748-0878 (A. Jóźwiak)

Received 30 April 2019, Revised 6 March 2020, Accepted 9 March 2020, Available online 26 March 2020.

Application of information on road occurrences for the

assessment of the social risk of some types of accidents

Anna Borucka1 , Małgorzata Grzelak1* , Andrzej Świderski2 ,

Arkadiusz Jóźwiak1 1 Military University of Technology, Warsaw, Poland

2 Motor Transport Institute, Warsaw, Poland

Abstract. Every year, in the Pomeranian Voivodeship, around 2 600 road accidents occur,

resulting in about 140 death casualties and a further 3200 injuries. For many years there has

been a noticeable decrease in the number of traffic incidents in the study area, but the number

of fatalities is still high. Therefore, it is crucial to research to determine the causes of the above

phenomenon continually. The article aimed to assess the social risk of road accidents based on

a two-factor model. Traffic events occurring in built-up and undeveloped areas, depending on

the date of their occurrence, were analyzed. The number of accidents and participating vehicles

related to the average daily traffic volume was adopted as the measure. The analysis showed

that regardless of the area, most events occur on Fridays. Besides, the highest volume of traffic

is also recorded on these days of the week. As a result of the conducted research, it was found

that March and April are the months with the highest social risk regarding road accidents, both

in urban and extra-urban areas. Finally, the relative risk of road accidents in built-up and un-

developed areas was compared. On this basis, it was found that the risk of participation in

a road accident in the urban zone is over six times greater than the risk of an event occurring

in the extra-urban area (even though urban roads represent only 22% of all road infrastructure

in the Pomeranian Voivodeship).

Keywords: social risk, car accidents, road safety

1. Wstęp

Genezą badań nad bezpieczeństwem w ruchu drogowym było przeświadczenie, że wy-

padki są zdarzeniami całkowicie losowymi, będącymi skutkiem przeznaczenia, na które

człowiek nie ma wpływu. Wraz z rozwojem nauki i prowadzaniem kolejnych analiz wy-

kazano, że na powstawanie wypadków samochodowych wyraźny wpływ ma zachowanie

38 Anna Borucka, Małgorzata Grzelak, Andrzej Świderski, Arkadiusz Jóźwiak

uczestników ruchu, ale również wiele dodatkowych czynników. W ostatnich latach zauwa-

żalny jest rozwój teorii behawioralnych do badania poziomu bezpieczeństwa, których głów-

nym założeniem jest fakt, że determinantą zdarzeń drogowych jest ocena ryzyka ich powsta-

wania oraz akceptacja tego poziomu przez ludzi [4].

Celem artykułu było przedstawienie możliwości zastosowania posiadanych informacji

o wybranych typach zdarzeń drogowych do oceny ryzyka społecznego ich powstawania.

Dlatego dokonano analizy jego poziomu w podziale na poszczególne dni tygodnia i miesiące

na przykładzie województwa pomorskiego w obszarze zabudowanym i niezabudowanym.

Dodatkowo, przedstawiono podstawowe zależności pomiędzy wypadkami samochodo-

wymi, a dniem ich zarejestrowania.

2. Teoretyczne podstawy pozyskiwania informacji o zdarze-

niach drogowych

Ocena bezpieczeństwa aktywności człowieka realizowana jest w układzie człowiek –

technika – środowisko. W odniesieniu do bezpieczeństwa ruchu drogowego należy zawęzić

ją do analizy systemu uczestnik ruchu drogowego (U) – pojazd (P) – otoczenie (O). Uczest-

nik ruchu drogowego to zarówno kierowca samochodu i jego pasażerowie, jak również mo-

tocykliści, rowerzyści i piesi [7]. Poziom bezpieczeństwa przepływu pojazdów samochodo-

wych jest zagadnieniem złożonym i zależy zarówno od umiejętności kierowców, konstrukcji

samochodu czy niezbędnej dla ruchu drogowego infrastruktury.

Ocena zdarzenia drogowego wymaga odtworzenia zależności i kolejności występujących

faktów oraz ich odpowiedniego pogrupowania i zaszeregowania do kategorii przyczyn

i skutków. Podstawowym źródłem pozyskiwania powyższych informacji są:

dane statystyczne o wypadkach i kolizjach,

rezultaty badań eksperymentalnych,

wyniki symulacji komputerowych odtwarzających przebieg kolizji,

analiza działania zespołów i wyposażenia pojazdów w aspekcie ich wpływu na bezpie-

czeństwo ruchu drogowego.

Do przyczyn zdarzeń zaliczyć należy wszystkie elementy, które miały miejsce przed po-

wstaniem wypadku. Można je pogrupować według dziewięciu głównych kategorii (rys. 1).

Rys. 1. Podstawowe kategorie

czynników wpływające na

bezpieczeństwo ruchu drogo-

wego (źródło: opracowanie

własne na podstawie [1])

Populacja uczestników

ruchu

Infrastruktura

drogowaWarunki topograficzne

Czynniki

wpływające na

bezpieczeństwo

ruchu

drogowego

Indywidualne cechy

(zachowania)

Park samochodowy Zagospodarowanie

urbanistyczne

Porządek prawny

i nadzór

Warunki pogodowe

Organizacja służb

ratowniczych

Application of information on road occurrences for the assessment of social risk of some types … 39

Czynnikiem mającym największy wpływ na bezpieczeństwo ruchu drogowego są umie-

jętności człowieka, które rozważane mogą być w trzech głównych dziedzinach, związanych

ze sprawnym:

odbiorem informacji poprzez narządy wzroku, słuchu czy zmysłu kinestetycznego,

przetwarzaniem danych poprzez realizację procesów decyzyjnych, na podstawie analizy

i oceny aktualnej sytuacji drogowej, wyrażanej przez czas reakcji i poziom inteligencji

ogólnej,

wykonywaniem decyzji (prowadzeniem pojazdu) z zachowaniem odpowiedniej spraw-

ności manualnej i odpowiedniej koordynacji wzrokowo – ruchowej.

Dodatkowo, w układzie uczestnik ruchu – pojazd – otoczenie, wśród czynników prowa-

dzących do zdarzeń drogowych wyszczególnić należy:

w odniesieniu do człowieka – wyszkolenie wszystkich użytkowników dróg, przestrzega-

nie obowiązujących przepisów prawa, w tym tych związanych z obowiązującymi na da-

nym odcinku drogi ograniczeń w aspekcie prędkości ruchu czy pierwszeństwa przejazdu,

a także zachowanie trzeźwości i niestosowanie środków odurzających,

w odniesieniu do pojazdu – wyposażenie w urządzenia bezpieczeństwa czynnego i bier-

nego, prawidłową realizacją procesu eksploatacji, przestrzeganie terminów kontroli tech-

nicznych czy stosowanie właściwego ogumienia,

w odniesieniu do otoczenia – stan infrastruktury drogowej, dostępność autostrad i obwod-

nic miast, poziom zabezpieczenia ruchu pieszych i rowerzystów, spełnienie wymogów

widoczności, prawidłowa geometria dróg i ich oznakowanie.

Skutkami zdarzeń drogowych są wszystkie wydarzenia mające miejsce po kolizji, np.

stopień obrażeń uczestników, zakres uszkodzeń pojazdów czy poziom zniszczenia infra-

struktury, a także ponoszone koszty społeczne.

3. Kategorie ryzyka zdarzeń drogowych

Jednym z podstawowych źródeł pozyskiwania informacji o wypadkach drogowych, także

w aspekcie analizy ich ryzyka, są gromadzone dane statystyczne w tym zakresie [2]. Istot-

nym jest, aby do celów porównawczych stosować znormalizowane oceny, które uwzględ-

niać powinny rodzaj wypadku, parametry dróg i ruchu, aktualne warunki atmosferyczne czy

umiejętności i cechy psychofizyczne kierowcy. W poniższym opracowaniu analiza ryzyka

zdarzenia drogowego przeprowadzona będzie w odniesieniu do średniodobowego natężenia

ruchu odnotowanego w województwie pomorskim w aspekcie zagospodarowania urbani-

stycznego miejsca ich powstania. Podstawę badania stanowiły informacje o zdarzeniach dro-

gowych agregowane w bazie danych tworzonej przez Polskie Obserwatorium Bezpieczeń-

stwa Ruchu Drogowego funkcjonujące w Instytucie Transportu Samochodowego. Jest ona

opracowywana na podstawie informacji z kart zdarzenia drogowego, sporządzanych przez

jednostki policji każdorazowo w przypadku odnotowania wypadku lub kolizji drogowej.

Zarządzanie ryzykiem rozumiane jest jako całokształt przedsięwzięć związanych z jego

rozpoznaniem, oceną i sterowaniem oraz kontrolą działań podjętych, w celu ograniczenia

jego poziomu, a także zabezpieczenia przed negatywnymi skutkami. Zgodnie z definicją

podaną przez Encyklopedię PWN przez ryzyko należy rozumieć prawdopodobieństwo po-

wstania szkody obciążające osobę poszkodowaną niezależnie od jej winy [6]. Natomiast,

40 Anna Borucka, Małgorzata Grzelak, Andrzej Świderski, Arkadiusz Jóźwiak

w odniesieniu do bezpieczeństwa ruchu drogowego rozumiane jest jako możliwość powsta-

wania wypadku pod wpływem działania jednego lub więcej czynników [5]. Integruje w so-

bie fazę oceny ryzyka oraz reagowanie na nie w sieci dróg. Ocena jest procesem analizowa-

nia i wyznaczania jego dopuszczalnego poziomu z uwzględnieniem przyjętych standardów

akceptacji.

W odniesieniu do zarządzania ryzykiem, w inżynierii drogowej wyróżnić należy jego trzy

podstawowe kategorie: społeczne, grupowe i indywidualne [3].

Ryzyko społecznie odnosi się do ogółu zachowań na danym odcinku drogi, w badanym

obszarze, przez całe grupy społeczne, rozumiane jako strata w przyjętym przedziale czaso-

wym, powstała w wyniku niepożądanych zdarzeń transportowych. W zależności od miary

reprezentującej dany obszar należy wyróżnić:

ryzyko ogólne – mierzone wielkością poniesionych strat, w tym liczba wypadków, liczba

ofiar czy kosztów całkowitych,

ryzyko unormowane – liczone jako straty do ogólnej długości dróg czy liczby mieszkań-

ców badanego regionu.

Ryzyko grupowe odnosi się do zbiorowości znajdującej się w miejscu zagrożenia lub jego

pobliżu. Obrazuje podatność systemu transportowego na wypadki z wieloma ofiarami. Jego

znajomość umożliwia zarządcom dróg usprawnienie najbardziej niebezpiecznych odcinków

infrastruktury drogowej.

Ryzyko indywidualne stanowi średni poziom prawdopodobieństwa strat na jednego

członka badanej zbiorowości w czasie jego aktywności na sieci drogowej. Mierzone jest

liczbą wypadków i ich ofiar w odniesieniu do przebytej w ciągu roku drogi, wskazując po-

ziom zagrożenia na danym odcinku.

W poniższym opracowaniu przedstawiono ocenę ryzyka społecznego powstawania wy-

padków drogowych w obszarze zabudowanym i niezabudowanym na terenie województwa

pomorskiego. Za miarę ryzyka przyjęto liczbę wypadków oraz pojazdów w nich uczestni-

czących w odniesieniu do średniodobowego natężenia ruchu na drogach. Kalkulację prze-

prowadzono w oparciu o dwuczynnikowy model ryzyka społecznego

𝑅𝑆 = 𝑃 ∙ 𝑆 ∙ 𝐸 (1)

gdzie:

𝑅𝑆 – ryzyko społeczne,

𝑃 – prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia niebezpiecznego,

𝑆 – straty w zdarzeniu niebezpiecznym (na podstawie [9]),

𝐸 – narażenie na ryzyko [poj./24h].

Narażenie na ryzyko może być wyrażone ilościową lub jakościową wielkością charakte-

ryzującą źródło zagrożenia. W ruchu drogowym przyjmowane jest za liczbę potencjalnych

zdarzeń, w wyniku których uczestnicy ruchu mogą być uwikłani w niebezpieczne sytuacje

w przyjętej jednostce czasu i na analizowanym obszarze (w odniesieniu do poniższego ba-

dania jest to średniodobowe natężenie ruchu). Natomiast straty w zdarzeniu niebezpiecznym

szacowane są w oparciu o dane agregowane przez Polskie Obserwatorium Bezpieczeństwa

Ruchu Drogowego w ITS na podstawie informacji gromadzonych przez jednostki policji

każdorazowo podczas wystąpienia zdarzenia drogowego.

Prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia niebezpiecznego obliczane jest według jego

klasycznej definicji, zgodnie z którą prawdopodobieństwo zdarzenia A jest równe stosun-

kowi liczby zdarzeń elementarnych mu sprzyjających do wszystkich zdarzeń elementarnych

Application of information on road occurrences for the assessment of social risk of some types … 41

w przestrzeni Ω (w omawianym zagadnieniu jest to liczba pojazdów odpowiadająca rocz-

nemu natężeniu ruchu w badanym obszarze). Wyrażane jest wzorem Laplace’a (2)

𝑃(𝐴) =|𝐴|

|Ω| (2)

gdzie:

𝑃(𝐴) – prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia A, |𝐴| – liczebność zbioru zdarzeń A,

|Ω| – liczba wszystkich możliwych zdarzeń.

Badanie ryzyka społecznego przeprowadzono w odniesieniu do liczby wypadków w ob-

szarze miejskim i pozamiejskim, dlatego obliczono prawdopodobieństwo liczby wypadków

pod warunkiem jazdy w badanych strefach (3, 4) zgodnie z definicją prawdopodobieństwa

warunkowego:

𝑃(𝐴|𝐵) =𝑃(𝐴∩𝐵)

𝑃(𝐵) (3)

𝑃(𝐴|𝐶) =𝑃(𝐴∩𝐶)

𝑃(𝐶) (4)

gdzie:

A – zdarzenie będące wypadkiem drogowym,

B – zdarzenie będące jazdą w terenie miejskim,

C – zdarzenie polegające na jeździe w obszarze pozamiejskim,

P(A|B) – prawdopodobieństwo zaistnienia wypadku pod warunkiem jazdy w terenie zabu-

dowanym,

P(A|C) – prawdopodobieństwo zaistnienia wypadku pod warunkiem jazdy w terenie nieza-

budowanym,

P(A∩B) – koniunkcja zdarzeń A i B; P(A∩C) – koniunkcja zdarzeń A i C,

P(B) – prawdopodobieństwo jazdy w terenie zabudowanym,

P(C) – prawdopodobieństwo jazdy w terenie niezabudowanym.

4. Ocena ryzyka społecznego wypadków na terenie wojewódz-

twa pomorskiego

W 2017 roku w województwie pomorskim odnotowano 2608 zdarzeń drogowych, w wy-

niku których śmierć poniosły 134 osoby a 3253 zostały ranne. Dynamika zmian w liczbie

zdarzeń drogowych na przestrzeni ostatnich siedmiu lat została przedstawiona na rysunkach

2 i 3.

Od 2011 roku notowana jest tendencja spadkowa liczby wypadków drogowych oraz ich

ofiar na badanym terenie, co wynika głównie z rozwoju infrastruktury drogowej w ostatnim

czasie, jak również ze wzrostu zaawansowania technicznego systemów wspomagających

bezpieczeństwo w pojazdach oraz obniżenia średniego wieku zarejestrowanych samocho-

dów na terenie kraju. Na podstawie powyższych danych oszacowano, że w 2017 roku na

pomorskich drogach dziennie miało miejsce średnio 7 wypadków, w wyniku których śmierć

poniosło 0,36 osoby. Rysunki 4 i 5 przedstawiają zmienność powyższych wielkości w ujęciu

tygodniowym.

42 Anna Borucka, Małgorzata Grzelak, Andrzej Świderski, Arkadiusz Jóźwiak

Rys. 2. Dynamika zmian liczby wypadków drogowych w województwie pomorskim

(źródło: opracowanie własne na podstawie [9])

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017130

140

150

160

170

180

190

200

210

220

230

zabic

i

2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 20173200

3300

3400

3500

3600

3700

3800ra

nni

Rys. 3. Dynamika zmian liczby ofiar śmiertelnych i rannych w wypadkach samochodo-

wych w województwie pomorskim (źródło: opracowanie własne na podstawie [9])

Rys. 4. Średnia liczba wypadków w dniach tygodnia w województwie pomorskim

(źródło: opracowanie własne na podstawie [9])

Application of information on road occurrences for the assessment of social risk of some types … 43

Rys. 5. Średnia liczba ofiar wypadków w dniach tygodnia w województwie pomorskim

(źródło: opracowanie własne na podstawie [9])

Sezonowość tygodniowa wskazuje, że najwięcej wypadków i ofiar śmiertelnych ma miej-

sce w piątki, co wynika głównie ze wzmożonych wyjazdów weekendowych. Natomiast, naj-

mniejsza liczba zdarzeń drogowych zdarza się w niedzielę. Druga co do wielkości średnia

liczba wypadków ma miejsce w poniedziałki, co może być związane z wyborem tego dnia

jako czasu powrotu z miejsc zamieszkania do zarobkowania.

Rysunek 6 przedstawia średniodobowe natężenie ruchu drogowego w województwie po-

morskim w poszczególnych dniach tygodnia.

Rys. 6. Średniodobowe natężenie ruchu drogowego w województwie pomorskim

(źródło: opracowanie własne na podstawie [8])

44 Anna Borucka, Małgorzata Grzelak, Andrzej Świderski, Arkadiusz Jóźwiak

Największe natężenie dotyczy piątków, co wynika ze wzmożonej aktywności związanej

z wyjazdami weekendowymi, natomiast najmniej przejazdów realizowanych jest w nie-

dziele.

Na podstawie danych o liczbie wypadków samochodowych w poszczególnych dniach,

a także wartości średniodobowego natężenia ruchu obliczono miary ryzyka społecznego po-

wstania wypadku drogowego, zgodnie z poniższą metodyką, przedstawioną przykładowo

dla poniedziałków w styczniu w obszarze zabudowanym:

obliczenie prawdopodobieństwa wypadku drogowego w terenie zabudowanym

𝑃(𝐴|𝐵) =𝑘𝑛𝑚𝑛

=𝑘

𝑚=

2746

1254990= 0,00211 (5)

gdzie:

n – liczba wszystkich możliwych zdarzeń mierzona roczną sumą liczby pojazdów porusza-

jących sią po drogach w badanym obszarze [poj./rok],

m – liczba możliwych zdarzeń w terenie zabudowanym wyrażona liczbą pojazdów prze-

mieszczających się w terenie zabudowanym w skali roku [poj./rok],

k – liczba samochodów biorących udział w wypadkach w obszarze miejskim [poj./rok].

Obliczenie wielkości ryzyka społecznego

𝑅𝑆𝑃𝑆 = 𝑃(𝐴|𝐵) ∙ 𝐸 ∙ 𝑆 = 10515 ∙ 15 ∙ 0,00211 = 1007 (6)

gdzie:

RSPS – ryzyko społeczne wypadku drogowego w styczniu w poniedziałki.

Wyniki obliczeń przedstawiono w tabelach 2 i 3. Poszczególne komórki zróżnicowano

pod względem grupy przynależnego im ryzyka zgodnie z legendą (tabela 1).

Tabela 1. Zestawienie wartości granicznych dla poszczególnych klas ryzyka społecznego

w terenie zabudowanym i niezabudowanym

Poziom ryzyka Teren zabudowany

[wypadki x natężenie]

Teren niezabudowany

[wypadki x natężenie]

bardzo małe < 800 < 110

małe 800 – 999 110 – 149

średnie 1 000 – 1 199 150 – 179

duże 1 200 – 1 430 180 – 219

bardzo duże >1 430 > 220

Dokonując analizy ryzyka społecznego powstawania wypadków w obszarze zabudowa-

nym (tabela 2) stwierdzono, że marzec i kwiecień są miesiącami o największym ryzyku spo-

łecznym dotyczącym wypadków drogowych, natomiast w grudniu poziom ten jest najniższy.

W odniesieniu do dni tygodnia najniebezpieczniejszym jest piątek (co wynika głównie ze

wzmożonego ruchu w tym okresie). Dodatkowo, duże ryzyko występuje we wtorki i środy,

gdzie stwierdzono mniejszą liczbę wypadków, natomiast pojawia się wysokie natężenie po-

jazdów na drogach w tym czasie. Najmniejszy poziom ryzyka przypada w niedziele.

Podobna sytuacja ma miejsce w obszarze pozamiejskim. W ujęciu miesięcznym, naj-

większy poziom ryzyka odnotowany jest w marcu, kwietniu i lipcu, natomiast najmniejszy

Application of information on road occurrences for the assessment of social risk of some types … 45

w grudniu. Natomiast, najbezpieczniejszym dniem jest niedziela, a największe ryzyko doty-

czy piątku. Ponadto, zauważyć należy wzrost grupy ryzyka społecznego w poniedziałki

i wtorki (w odniesieniu do obszaru zabudowanego) z poziomu średniego (150–179) na duży

(180–219).

Zakończeniem analiz jest obliczenie ryzyka względnego RW powstania wypadku w te-

renie zabudowanym do zdarzeń w obszarze niezabudowanym

𝑅𝑊 = 𝑃(𝐴|𝐵)𝑃(𝐴|𝐶)⁄ = 6,19 (7)

Powyższa wartość wskazuje, że w terenie zabudowanym ryzyko wypadku jest przeszło

sześciokrotnie większe niż w obszarze niezabudowanym (pomimo, że drogi miejskie stano-

wią tylko 22% wszystkich w województwie pomorskim).

5. Podsumowanie

Celem artykułu była analiza możliwości zastosowania informacji o zdarzeniach drogo-

wych do oceny ryzyka wypadków samochodowych w obszarze miejskim i pozamiejskim

w województwie pomorskim. Przedstawiono teoretyczne podstawy pozyskiwania danych

o zdarzeniach, a także główne kategorie ryzyka w odniesieniu do zarządzania infrastrukturą

drogową.

W drugiej części artykułu omówiono sposób obliczania ryzyka społecznego w oparciu

o model dwuczynnikowy, uwzględniający prawdopodobieństwo powstania zdarzeń oraz ro-

dzaj narażenia na ryzyko. Wskazano te dni tygodnia i miesiące, gdzie jest ono największe.

Dodatkowo, przedstawiono charakterystykę występowania wypadków drogowych w ujęciu

dziennym wraz z danymi o średniodobowym natężeniu ruchu.

Powyższe rozważania stanowią podstawę do opracowania dalszych, szczegółowych ana-

liz z zakresu zarządzania ryzykiem w ruchu drogowym, w tym z uwzględnieniem wpływu

stanu infrastruktury i nawierzchni dróg oraz warunków atmosferycznych na jego poziom.

Ponadto, znajomość powyższych czynników umożliwia podjęcie działań korygujących, ma-

jących na celu podniesienie poziomu bezpieczeństwa, poprzez wybór optymalnego czasu

realizacji przewozu pomiędzy nadawcą i odbiorcą, czy wpływanie na świadomość kierow-

ców poprzez szkolenia profilaktyczne.

Tabela 2. Ryzyko społeczne wypadku w terenie zabudowanym według dni tygodnia

i miesięcy

Miesiąc

Dzień I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Średnia

Poniedziałek 1007 1256 1110 1214 1025 1370 1621 1041 1004 1626 930 624 1152

Wtorek 1192 1609 1437 1504 1174 1242 876 1125 671 1391 941 813 1165

Środa 1271 1553 1752 2275 706 951 1229 1571 1075 1194 979 995 1296

Czwartek 1122 768 1215 1604 795 1131 1338 1185 900 1296 1196 589 1095

Piątek 1314 678 2148 1327 1456 1891 1923 1534 1362 961 1219 1419 1436

Sobota 429 1109 1011 1974 811 1089 1430 852 869 572 694 922 980

Niedziela 333 681 666 923 652 1061 973 922 723 718 374 392 701

Średnia 1181 1173 1533 1585 1031 1317 1397 1291 1002 1294 1053 888

46 Anna Borucka, Małgorzata Grzelak, Andrzej Świderski, Arkadiusz Jóźwiak

Tabela 3. Ryzyko społeczne wypadku w terenie niezabudowanym według dni tygodnia

i miesięcy

Miesiąc

Dzień I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Średnia

Poniedziałek 163 203 179 196 165 221 262 168 162 262 150 101 186

Wtorek 192 260 232 243 190 201 141 182 108 224 152 131 188

Środa 205 251 283 367 114 153 198 254 174 193 158 161 209

Czwartek 181 124 196 259 128 182 216 191 145 209 193 95 177

Piątek 212 109 347 214 235 305 310 248 220 155 197 229 232

Sobota 69 179 163 319 131 176 231 137 140 92 112 149 158

Niedziela 54 110 107 149 105 171 157 149 117 116 60 63 113

Średnia 170 188 233 266 161 206 226 197 158 189 160 144

Bibliografia

1. Bąk-Gajda, D., Gajda, J. (2010). Psychologia transportu i bezpieczeństwa ruchu drogowego. ENEGRAM.

Warszawa.

2. Brzeziński, M., Kijek, M., Głodowska, K., Owczarek, P., Zelkowski, J., Bartosiak, P. (2018). Aspects of

improvement in exploitation process of passenger means of transport, Journal of Advanced Transportation.

3. Jamroz, K. (2011). Metoda zarządzania ryzykiem w inżynierii drogowej. Wydawnictwo Politechniki Gdań-

skiej. Gdańsk.

4. Jamroz, K. (2008). Review of road safety theories and models. Journal of KONBiN, s. 89-98, Warszawa.

5. Kustra, W. (2016). Modelowanie wybranych miar bezpieczeństwa ruchu na długich odcinkach dróg. s. 216.

Gdańsk.

6. Świderski, A., Czarnecki, M., Gontarczyk, M., Zelkowski, J. (2016). Wybrane zagadnienia bezpieczeństwa

ruchu drogowego. Gospodarka materiałowa i logistyka. Warszawa.

7. Wicher, J. (2012). Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego. Wydawnictwo Komunikacji i Łącz-

ności. Warszawa.

8. https://www.gddkia.gov.pl/frontend/web/userfiles/articles/n/natezenia-ruchu-2000-i-2005-

oraz_303/MARKSMAN%20-%20%20wyniki%202017%20roku%20Raport%20Ko%C5%84cowy.pdf

(stan na 215.04.2019 r.).

9. Dane dotyczące wypadków drogowych z Bazy Danych Polskiego Obserwatorium Bezpieczeństwa Ruchu

Drogowego w ITS.

Zastosowanie informacji o zdarzeniach drogowych do

oceny ryzyka społecznego wypadków

Streszczenie. Każdego roku na terenie województwa pomorskiego rocznie dochodzi do około

2600 wypadków drogowych w wyniku, których śmierć ponosi ok 140 osób a kolejnych 3200

zostaje rannych. Od wielu lat zauważalny jest spadek liczby zdarzeń komunikacyjnych na ba-

danym obszarze, niemniej jednak liczba ofiar śmiertelnych wciąż jest na wysokim poziomie.

Dlatego ważnym jest ciągłe pro-wadzenie badań mających na celu ustalenie przyczyn powyż-

szego zjawiska. Celem artykułu była ocena ryzyka społecznego powstawania wypadków dro-

gowych przeprowadzona w oparciu o model dwuczynnikowy. Analizie poddano zdarzenia

komunikacyjne mające miejsce na terenie zabudowanym i niezabudowanym w zależności od

daty ich powstania. Za miarę przyjęto liczbę wypadków oraz pojazdów w nich uczestniczą-

cych w odniesieniu do średniodobowego natężenia ruchu na drogach. Analiza wykazała, że

niezależnie od obszaru, najwięcej zdarzeń ma miejsce w piątki. Ponadto, w te dni tygodnia

odnotowuje się również największe natężenie ruchu. W wyniku przeprowadzonych badań

stwierdzono, że marzec i kwiecień są miesiącami o największym ryzyku społecznym dotyczą-

Application of information on road occurrences for the assessment of social risk of some types … 47

Copyright © 2020 Borucka A. et al.

This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

cym wypadków drogowych, zarówno w obszarze miejskim i pozamiejskim. Ostatecznie do-

konano porównania ryzyka względnego powstawania wypadków drogowych w terenie zabu-

dowanym i nie-zabudowanym. Na tej podstawie stwierdzono, że ryzyko uczestnictwa w wy-

padku drogowym w strefie miejskiej jest przeszło sześciokrotnie większe od ryzyka powstania

zdarzenia w strefie pozamiejskiej (pomimo, że drogi miejskie stanowią wyłącznie 22% całej

infrastruktury drogowej na terenie województwa pomorskiego).

Słowa kluczowe: ryzyko społeczne, wypadki drogowe, bezpieczeństwo ruchu drogowego

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g

P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T

ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0902 2020

Article citation information:

Ciszewski, T., Nowakowski, W., Łukasik, Z. (2020). A fault tree analysis-based method of railway traffic

control systems safety assessment, WUT Journal of Transportation Engineering, 128, 49-57, ISSN: 1230-9265

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0902

*Corresponding author

E-mail address: t.ciszewski@uthrad.pl (T. Ciszewski)

ORCID: 0000-0002-5493-2116 (T. Ciszewski), 0000-0003-0592-9065 (W. Nowakowski),

0000-0002-7403-8760 (Z. Łukasik)

Received 10 May 2019, Revised 20 March 2020, Accepted 21 March 2020, Available online 7 April 2020.

A fault tree analysis-based method of railway traffic

control systems safety assessment

Tomasz Ciszewski* , Waldemar Nowakowski , Zbigniew Łukasik

Kazimierz Pulaski University of Technology and Humanities in Radom

Faculty of Transport and Electrical Engineering

Abstract. Railway traffic control and signaling systems are safety-related, and thus it is crucial

to provide them with an appropriate level of safety. Technological development has led to an

increase in the functionality and reliability of these systems, taking into account the high safety

requirements. Therefore, the operations involving the design, construction, and maintenance

of railway traffic control and signaling systems should include a safety analysis. The safety

analysis of railway traffic and signaling systems assumes that a primary event may cause a

series of intermediate events, which then may lead to a disaster causing significant material

losses and fatalities. Due to the random nature of the occurrences of the adverse events (fail-

ures, human errors), the probabilistic methods are often used to estimate risk. One of the risk

assessment methods is Fault Tree Analysis (FTA). The authors of the paper conducted a qual-

itative safety analysis of level crossing protection systems using the FTA method. The require-

ments for the level crossing protection system were described, which we then used to write

out FTA diagrams. The specific technical and quality requirements for railway traffic control

and signaling systems result from the need to ensure a high safety level. Risk assessment is a

required step in the evaluation of the safety and reliability of these systems. The authors of the

paper applied the FTA method to the safety assessment of the level crossing protection system.

The obtained results should be helpful in the process of design new railway traffic control and

signaling systems.

Keywords: railway traffic control systems, signaling systems, safety assessment, FTA

1. Wstęp

Szczególnie istotnymi miejscami na kolei, ze względu na konieczność zapewnienia bez-

pieczeństwa, są przejazdy kolejowe, czyli skrzyżowania w jednym poziomie drogi kolejowej

z kołową [17]. Liczba wypadków na przejazdach kolejowych oraz znaczne szkody mate-

rialne i ofiary w ludziach, wynikające z długiej drogi hamowania i masy pociągów, powo-

duje konieczność stosowania systemów zabezpieczenia przejazdów [3]. Według raportu [27]

50 Tomasz Ciszewski, Waldemar Nowakowski, Zbigniew Łukasik

liczba wypadków na przejazdach w Europie utrzymuje się na wysokim poziomie i w roku

2018 stanowiła 15% wszystkich odnotowanych zdarzeń. Po kilku latach spadków liczby ta-

kich zdarzeń, od 2015 roku nie obserwuje się istotnej zmiany (421 wypadków w 2018 roku,

z 266 ofiarami śmiertelnymi i 250 osób ciężko rannymi). W Polsce udział wypadków na

przejazdach kolejowych w ogólnej liczbie wypadków na kolei jest jeszcze większy i w 2017

roku osiągnął wartość 35,4% (215 wypadków w 2017 roku, 49 ofiar śmiertelnych i 33 ciężko

rannych) i podobnie jak w Europie nie zmalał istotnie od 2015 roku [24].

Systemy sterowania ruchem kolejowym mają za zadanie zapewnić prowadzenie ruchu

kolejowego w sposób sprawny i bezpieczny. W miarę wzrostu świadomości i stawiania wy-

sokich wymagań w odniesieniu do bezpieczeństwa systemów rozwijana jest w tym zakresie

wiedza. Rozważania dotyczące bezpieczeństwa systemów stały się początkiem nauki o bez-

pieczeństwie (Safety Science), którego działem jest inżynieria bezpieczeństwa (Safety En-

gineering) [5], [7], [23]. Pod tym pojęciem rozumiemy działania polegające na projektowa-

niu, konstruowaniu, modyfikacji i utrzymaniu rozwiązań technicznych z uwzględnieniem

analizy bezpieczeństwa. W skład analizy bezpieczeństwa wchodzi: analiza zagrożeń (hazard

analysis) - obejmująca identyfikację sytuacji niebezpiecznych i ich przyczyn oraz analiza

ryzyka (risk analysis) - obejmująca identyfikację częstości i skutków zdarzeń niebezpiecz-

nych. W przypadku obiektów technicznych pod pojęciem bezpieczeństwa najczęściej rozu-

mie się brak niedopuszczalnego ryzyka. Tak więc system jest bezpieczny, jeśli ryzyko zwią-

zane z działaniem systemu jest na akceptowalnym poziomie. Literatura dotycząca bezpie-

czeństwa systemów jest bardzo obszerna i obejmuje między innymi następujące prace [1],

[6], [9], [10], [11], [15], [22], [25], [26]. Dotyczy to również systemów sterowania ruchem

kolejowym, dla których można wskazać następujące pozycje literaturowe [8], [20], [21],

[28].

Zgodnie z normami CENELEC dla systemów sterowania ruchem kolejowym, czyli rów-

nież dla systemów zabezpieczenia przejazdów, wymagane jest przeprowadzenie analizy nie-

zawodności i bezpieczeństwa [2], [13], [14]. Jedną z metod graficznego modelowania prze-

biegu ciągu zdarzeń powodujących wystąpienie określonej sytuacji niebezpiecznej jest me-

toda FTA.

2. Analiza drzewa niezdatności

Metoda FTA (Fault Tree Analysis) jest zaawansowaną, dedukcyjną techniką służącą do

identyfikacji i analizy czynników, które mogą być przyczyną niepożądanych zdarzeń. FTA

umożliwia modelowanie przebiegu wystąpienia sytuacji niebezpiecznej, przy wykorzystaniu

drzew logicznych. Dzięki metodzie FTA zostają zilustrowane przyczyny, których skutek

określany jest jako zdarzenie niepożądane bądź ryzyko. Drzewa błędów FTA są zatem gra-

ficznymi modelami zależności przyczynowo-skutkowych. Wykorzystuje się je do analizy

jakościowej, kiedy staramy się rozpoznać sytuację której ryzyko dotyczy, a także do analizy

ilościowej, pozwalającej na wyznaczenie prawdopodobieństw ciągów zdarzeń [4], [8], [12],

[19], [21], [26].

Zdarzenia w drzewie błędów są połączone za pomocą bramek logicznych. Każda bramka

ma połączenie z jednym zdarzeniem wyjściowym i jednym lub więcej zdarzeniami wejścio-

wymi. Zdarzenia powinny być etykietowane tak, aby łatwo można było wskazać związek

między fragmentami drzewa błędów. Najczęściej w drzewach błędów stosowane są bramki

typu AND i OR. W przypadku analizowania złożonych systemów używa się dodatkowych

A fault tree analysis-based method of railway traffic control systems safety assessment 51

symboli, zwiększających czytelność drzew błędów. Bramka AND opisuje koniunkcję zda-

rzeń, przy czym zdarzenie wyjściowe 𝑍𝑝 jest generowane wtedy, gdy zachodzą wszystkie

zdarzenia wejściowe 𝑍1, 𝑍2, … , 𝑍𝑛 [4]

𝑍𝑝 = 𝑍1 ∧ 𝑍2 ∧ … ∧ 𝑍𝑛 = ⋂ 𝑍𝑖𝑛𝑖=1 (1)

W przypadku dwóch zdarzeń niezależnych Z1 i Z2 prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia

wyjściowego P(Zp) dla bramki AND można przedstawić za pomocą równania

𝑃(𝑍𝑝) = 𝑃(𝑍1) ⋅ 𝑃(𝑍2) (2)

Dla bramki AND posiadającej n niezależnych zdarzeń wejściowych prawdopodobień-

stwo wygenerowania wyjścia wynosi

𝑃(𝑍𝑝) = ∏ 𝑃(𝑍𝑖)𝑛𝑖=1 (3)

Natomiast bramkę OR stosujemy dla sumy zdarzeń wejściowych, przy czym zdarzenie

wyjściowe 𝑍𝑝 jest generowane wtedy, gdy zachodzi przynajmniej jedno ze zdarzeń wejścio-

wych 𝑍1, 𝑍2, … , 𝑍𝑛 [4]

𝑍𝑝 = 𝑍1 ∨ 𝑍2 ∨ … ∨ 𝑍𝑛 = ⋃ 𝑍𝑖𝑛𝑖=1 (4)

Prawdopodobieństwo zdarzenia wyjściowego 𝑃(𝑍𝑝) dla dwóch zdarzeń niezależnych,

w przypadku bramki OR, można przedstawić w postaci

𝑃(𝑍𝑝) = 𝑃(𝑍1) + 𝑃(𝑍2) − 𝑃(𝑍1) ∗ 𝑃(𝑍2) ≈ 𝑃(𝑍1) + 𝑃(𝑍2) (5)

Dla bramki OR posiadającej n niezależnych zdarzeń wejściowych prawdopodobieństwo

wygenerowania wyjścia wynosi

𝑃(𝑍𝑝) = ∐ 𝑃(𝑍𝑖)𝑛𝑖=1 (6)

Metoda FTA wymaga wykonania wszystkich etapów składowych (przejścia przez

wszystkie etapy składowe) procedury analitycznej, w tym:

identyfikacji zdarzenia szczytowego (zdarzenia początkującego), która pozwala na zna-

lezienie ścieżek krytycznych prowadzących do powstania tego zdarzenia,

ustaleniu hierarchicznej struktury drzewa błędów (zdarzeń pośrednich),

skonstruowaniu drzewa błędów polegającego na powiązaniu zdarzeń logicznymi bram-

kami wyboru,

określeniu zdarzeń podstawowych prowadzących do zdarzenia szczytowego,

określeniu prawdopodobieństwa zajścia zdarzeń,

wyznaczeniu „minimalnych przekrojów drzewa”, czyli minimalnych kombinacji (iloczy-

nów) zdarzeń elementarnych prowadzących do zajścia zdarzenia szczytowego,

obliczeniu prawdopodobieństwa zajścia zdarzenia szczytowego,

analizie wyników pod kątem wyznaczenia dominujących zdarzeń elementarnych,

analizie czułości polegającej na sprawdzeniu, jak zmiana prawdopodobieństwa uszko-

dzenia jednego elementu ze zbioru „minimalnych przekrojów drzewa” wpływa na praw-

dopodobieństwo wystąpienia zdarzenia szczytowego.

52 Tomasz Ciszewski, Waldemar Nowakowski, Zbigniew Łukasik

3. Systemy zabezpieczenia przejazdów

Systemy zabezpieczenia przejazdów służą do ostrzegania użytkowników dróg kołowych

o przejeździe pociągu, a tym samym stanowią ważny składnik infrastruktury kolejowej

wpływający na bezpieczeństwo ruchu drogowego i kolejowego [16]. W dalszej części arty-

kułu omówiono zasadę działania systemów przeznaczonych dla przejazdów kategorii B (li-

nia jednotorowa, dwukierunkowa) (rys. 1). W przypadku tych systemów ostrzeganie jest re-

alizowane za pomocą sygnalizatorów drogowych i akustycznych (S1, S2). Dodatkowo prze-

jazdy mogą być wyposażone w zapory drogowe (N1, N2, N3, N4) oraz tarcze ostrzegawcze

przejazdowe TOP. Włączenie ostrzegania następuje przy zbliżaniu się pociągu do skrzyżo-

wania, w wyniku oddziaływania pociągu na układy włączające (C1, C4), którymi zwykle są

czujniki koła. Informacja ta jest przekazywana do układu sterującego, który powoduje zai-

nicjowanie ostrzegania. Następuje włączenie sygnalizatorów drogowych i akustycznych

(S1, S2), a następnie podanie sygnału Osp 2 na tarczach TOP dla wybranego kierunku jazdy.

Kolejną czynnością jest zamknięcie zapór.

Rys. 1. Wyposażenie systemu zabezpieczenia przejazdu kategorii B

(linia jednotorowa, dwukierunkowa) (źródło: opracowanie własne)

Wjazd pociągu w obszar kontrolowany przez układ wyłączający (C2, C3) powoduje wy-

łączenie sygnału akustycznego. Po opuszczeniu przez pociąg strefy przejazdu następuje wy-

łączenie tarczy ostrzegawczej TOP i rozpoczyna się otwarcie zapór. Po zakończeniu otwie-

rania zapór, zostają wyłączone sygnalizatory drogowe.

Systemy zabezpieczenia przejazdów są systemami związanymi z bezpieczeństwem, dla-

tego też możliwe usterki tych systemów zostały podzielone na dwie kategorie. W pierwszej

grupie znalazły się usterki, które zagrażają bezpośrednio bezpieczeństwu ruchu, zaś w dru-

giej - usterki niezagrażające bezpieczeństwu. Wystąpienie usterki pierwszej kategorii wy-

musza działanie systemu polegające na ograniczeniu prędkości pociągu, co pozwala na bez-

pieczne zatrzymanie pociągu, w przypadku pojawienia się przeszkody na przejeździe.

Do tej kategorii zalicza się:

usterki układów włączających,

zbyt małe napięcie akumulatorów zasilających,

awarie wykryte przez układy diagnostyki (np. brak komunikacji pomiędzy sterowni-

kami),

uszkodzenia sygnalizatorów drogowych,

uszkodzenia zapór.

A fault tree analysis-based method of railway traffic control systems safety assessment 53

Usterki drugiej kategorii nie zagrażają bezpieczeństwu ruchu, a tym samym nie wymu-

szają ograniczenia prędkości pociągów. Do usterek tych zalicza się:

usterki układów wyłączających,

zanik napięcia zasilającego,

brak napięcia ładowania na wyjściu prostowników,

uszkodzenie żarówki tarczy TOP,

otwarcie drzwi szafy układu sterującego.

Reakcją systemu zabezpieczenia przejazdu jest poinformowanie personelu obsługi

w przypadku wystąpienie tego typu usterek.

Jak już wspomniano, głównym wymogiem dla systemów zabezpieczenia przejazdów jest

zapewnienie dużej niezawodności i bezpieczeństwa ruchu. Dlatego też analizę uszkodzeń

należy przeprowadzać z uwzględnieniem powszechnie uznanych metod, której przykładem

jest FTA.

4. Konstruowanie drzewa niezdatności dla systemu

zabezpieczenia przejazdów

Analiza drzewa niezdatności stanowi model komunikacji wizualnej, który wyświetla lo-

giczne zależności w łańcuchu zdarzeń prowadzących do awarii badanego systemu. Tak więc

mocną stroną metody FTA jest to, że umożliwia budowanie scenariuszy awarii w ustruktu-

ryzowany, graficzny sposób. Wszystkie zdarzenia, usterki, warunki i relacje są wyświetlane

w zestandaryzowanej graficznej notacji, która jest prosta do zrozumienia i śledzenia. Nie-

stety, konstruowanie drzewa niezdatności jest na ogół skomplikowanym i czasochłonnym

procesem. Pierwszym krokiem w konstruowaniu drzewa jest określenie pojedynczego zda-

rzenia nadrzędnego (zdarzenie szczytowego), które ma być oceniane. Następnie, poprzez

dedukcyjne metody następuje rozbudowywanie drzewa niezdatności. Proces ten zostaje za-

trzymany, gdy nie będzie już nowych zdarzeń do uwzględnienia lub brak będzie dostępnej

wiedzy.

W rozważanym przypadku w analizie uwzględniono system zabezpieczenia przejazdu

kategorii B. Szczytowym zdarzeniem drzewa błędów jest kolizja spowodowana wjazdem

kierowcy na przejazd przy nadjeżdżającym pociągu. Na zdarzenie to składają się dwie

główne przyczyny: wjazd na przejazd kolejowy w wyniku błędu kierowcy i wjazd na prze-

jazd w wyniku błędnego działania systemu zabezpieczenia przejazdu. Rysunek 2 ilustruje

szczytowe zdarzenie drzewa błędów dla systemu zabezpieczenia przejazdu. Określenie

„przejazd zabezpieczony” oznacza, że sygnalizacja jest załączona a zapory opuszczone, na-

tomiast „wjazd pociągu” oznacza, że pociąg wjeżdża w strefę przejazdu bez ograniczenia

prędkości.

Następnie analizie poddano zdarzenie pośrednie polegające na „braku ostrzegania” wy-

nikającego z błędnego działania systemu zabezpieczenia przejazdu, pokazane na rysunku 3.

Może to być spowodowane błędami sterowników w układzie sterującym lub niewłaściwym

działaniem tarcz TOP w połączeniu z grupą takich przyczyn jak: brak wykrycia nadjeżdża-

jącego pociągu, brak reakcji systemu sterowania, błędne działanie urządzeń wykonawczych.

Ostatnią rozważaną grupą zdarzeń w drzewie uszkodzeń jest „uszkodzenie urządzeń wy-

konawczych”. W analizie uwzględniono, że przyczyną takiego zdarzenia może być błędne

działanie rogatek i błędne działanie sygnalizatorów drogowych, pokazane na rysunku 4.

54 Tomasz Ciszewski, Waldemar Nowakowski, Zbigniew Łukasik

Rys. 2. Drzewo niesprawności dla zdarzenia szczytowego (źródło: opracowanie własne)

Rys. 3. Drzewo niezdatności przy „braku ostrzegania” (źródło: opracowanie własne)

A fault tree analysis-based method of railway traffic control systems safety assessment 55

Rys. 4. Drzewo niezdatności przy uszkodzeniu urządzeń wykonawczych (źródło: opraco-

wanie własne)

5. Podsumowanie

Specyficzne wymagania techniczne i jakościowe dla systemów sterowania ruchem kole-

jowym wynikają z konieczności zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa. W celu

oceny bezpieczeństwa i niezawodności tych systemów, musimy podejmować działania

w zakresie oceny ryzyka. Metoda FTA pozwala na wykrycie niepożądanych zdarzeń. Usta-

lenie przy jakich warunkach może wystąpić awaria, umożliwia podjęcie środków zarad-

czych, aby zapobiec wystąpieniu zagrożeń prowadzących do katastrof. Zmiany w projekcie

i inne alternatywne działania zmniejszające ryzyko można oceniać pod kątem ich wpływu

na bezpieczeństwo i niezawodność systemu. Pozwala to na racjonalizację procesu podejmo-

wania decyzji. Metoda FTA oprócz identyfikacji zdarzeń umożliwia oszacowania prawdo-

podobieństwa awarii systemu. Autorzy publikacji zastosowali metodę FTA do oceny bez-

pieczeństwa przykładowego systemu sterowania ruchem kolejowym, jakim jest system za-

bezpieczenia przejazdu. Zdefiniowano zdarzenie szczytowe, jakim jest kolizja spowodo-

wana wjazdem kierowcy na przejazd przy nadjeżdżającym pociągu. Następnie dla skon-

struowano drzewo niezdatności poprzez określenie zdarzeń podrzędnych związanych z błęd-

nym funkcjonowaniem systemu zabezpieczenia przejazdu. Działania te, zilustrowane na

przykładzie systemu zabezpieczenia przejazdu, pozwalają konstruktorom systemów stero-

wania ruchem kolejowym ocenić wpływ elementarnych zdarzeń pierwotnych na powstawa-

nie zagrożeń, a tym samym umożliwiają podjęcie kroków prowadzących do ich eliminacji.

Finalnie zatem opisana metoda pozwala na oszacowanie ilościowe poziomu bezpieczeństwa

systemów.

Bibliografia

1. Balakrishnan, N., Schucany, W. R. (2012) (eds.), Advanced Risk Analysis in Engineering Enterprise Sys-

tems. CRC Press (Taylor & Francis Group).

56 Tomasz Ciszewski, Waldemar Nowakowski, Zbigniew Łukasik

2. Bester, L., Toruń, A. (2014). Modeling of Reliability and Safety at Level Crossing Including in Polish

Railway Conditions. Book Series: Communications in Computer and Information Science, Vol. 471.

Springer-Verlag.

3. Ciszewski, T., Nowakowski, W., Chrzan, M. (2018). Accidents on European Railways Causes, Context,

and Consequences. Proceedings of the 18th International Scientific Conference Globalization and Its So-

cio-Economic Consequences, Rajecke Teplice, Slovakia, Part III, pp. 1033-1040.

4. Chybowski, L. (2017). Analiza drzewa niezdatności. Podstawy teoretyczne i zastosowania. Wydawnictwo

Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinie.

5. CoVan, J. (1995). Safety Engineering. Wiley-Interscience.

6. Ericson, C. A. (2005). Hazard Analysis Techniques for System Safety. John Wiley & Sons.

7. Geysen, W. J. (1990). The Structure of Safety Science: Definitions, Goals and Instruments. Proceedings

of 1st World Congress on Safety Science. Köln, Germany, pp. 44–80.

8. Flammini, F. (2012). Railway Safety, Reliability, and Security: Technologies and Systems Engineering.

IGI Global.

9. Hyatt, N. (2003). Guidelines for process hazards analysis, hazards identification & risk analysis. Dyadem,

CRC Prcss LLC.

10. Jaźwinski, J., Kowalczyk, G., Smalko, Z., Żurek, J. (2003). Nadążne systemy bezpieczeństwa w aspekcie

procesu ich syntezy, Zagadnienia Eksploatacji Maszyn, KBM PAN, Z. 2(134), Vol. 38, str. 185-198.

11. Jaźwiński, J., Ważyńska-Fiok, K. (1993). Bezpieczeństwo systemów, Wydaw. Naukowe PWN.

12. Liu, P., Yang, L., Gao, Z., et al.: Fault tree analysis combined with quantitative analysis for high-speed

railway accidents, Safety Science, Volume 79, pp. 344-357, 2015.

13. Lewiński, A., Perzyński, T.: The Reliability and Safety of Railway Control Systems Based on New Infor-

mation Technologies. Book Series: Communications in Computer and Information Science, Vol. 104, pp.

427-433, 2010.

14. Łukasik, Z., Ciszewski, T., Młyńczak, J., Nowakowski, W., Wojciechowski, J.: Assessment of the safety

of microprocessor-based semi-automatic block signalling system, Springer-Verlag, Series: Advances in

Intelligent Systems and Computing, pp. 137-144, 2017.

15. Martorell, S., Soares, C. G., Barnett, J. (2009). Safety, Reliability and Risk Analysis, (eds.): Theory, Meth-

ods and Applications. CRC Press (Taylor & Francis Group).

16. Mikulski, J., Młyńczak, J (2011). Railroad Level Crossing – Technical and Safety Trouble, Transport Sys-

tems and Processes, Marine Navigation and Safety of Sea Transportation, Edited by Tomasz Neumann,

pp. 69–76, CRC Press.

17. Nowakowski, W., Ciszewski, T., Łukasik, Z. (2018). An Analysis of the Safety of Level Crossings in

Poland. Proceedings of the 18th International Scientific Conference Globalization and Its Socio-Economic

Consequences, Rajecke Teplice, Slovakia, Part III, pp. 1268-1274.

18. Nowakowski, W., Ciszewski, T., Młyńczak, J., Łukasik, Z. (2018). Failure Evaluation of the Level Cross-

ing Protection System Based on Fault Tree Analysis. Book Series: Lecture Notes in Network and Systems,

Vol. 21, pp. 107-115, Springer-Verlag.

19. Peng, Z., Lu, Y., Miller, A., (2016), et al: Risk Assessment of Railway Transportation Systems using

Timed Fault Trees, Quality and Reliability Engineering International, Vol. 32, Issue 1, pp. 181-194, 2016.

20. Perpinya, X. (ed.): Reliability and Safety in railway. InTech.

21. Schnieder, E., Tarnai G. (2011). Formal Methods for Automation and Safety in Railway and Automotive

Systems (eds.). Springer-Verlag.

22. Smith, D. (2016). The Safety Critical Systems Handbook. Butterworth-Heinemann.

23. Spellman, F. R, Whiting, N. E. (2009). The Handbook of Safety Engineering: Principles and Applications.

Government Institutes.

24. Sprawozdanie ze stanu bezpieczeństwa ruchu kolejowego w 2018 r., Urząd Transportu Kolejowego, 2018.

25. Szopa, T. (2009). Niezawodność i bezpieczeństwo. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej,

Warszawa.

26. Szymanek, A. (2006). Bezpieczeństwo i ryzyko w technice. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Ra-

dom.

27. UIC Safety Raport 2019, Significant Accidents 2018, International Union of Railways, 2019.

28. Zabłocki, W. (2008). Modelowanie stacyjnych systemów sterowania ruchem kolejowym. Prace Naukowe

Politechniki Warszawskiej - Transport, z. 65, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, War-

szawa.

A fault tree analysis-based method of railway traffic control systems safety assessment 57

Copyright © 2020 Ciszewski T. et al.

This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

Metoda oceny bezpieczeństwa systemów sterowania

ruchem kolejowym z wykorzystaniem FTA

Streszczenie. Systemy sterowania ruchem kolejowym są systemami związanymi z bezpie-

czeństwem, a tym samym bardzo ważnym aspektem jest dążenie do zapewnienia przez nie

odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. Wraz z rozwojem technologicznym następował

wzrost funkcjonalności i niezawodności tych systemów, przy uwzględnieniu wysokich wyma-

gań w odniesieniu do bezpieczeństwa. Dlatego też, działania polegające na projektowaniu,

konstruowaniu i utrzymaniu systemów sterowania ruchem kolejowym powinny uwzględniać

analizę bezpieczeństwa. W takiej analizie zakłada się, że zdarzenie pierwotne może wywołać

ciąg zdarzeń wtórnych, które następnie mogą doprowadzić do katastrofy, niosącej ze sobą

duże straty materialne i śmierć ludzi. Ze względu na losowy charakter występowania zdarzeń

niepożądanych (uszkodzenie, błąd ludzki), często przy szacowaniu ryzyka wykorzystuje się

w opis probabilistyczny. Jedną z metod szacowania ryzyka jest metoda FTA (Fault Tree Ana-

lysis). Autorzy artykuły przy wykorzystaniu metody FTA przeprowadzili analizę jakościową

bezpieczeństwa przejazdów kolejowych wyposażonych w systemy zabezpieczenia. Opisano

wymagania dla systemu zabezpieczenia przejazdu, które następnie posłużyły do zbudowania

drzew FTA. Specyficzne wymagania techniczne i jakościowe dla systemów sterowania ru-

chem kolejowym wynikają z konieczności zapewnienia wysokiego poziomu bezpieczeństwa.

W celu oceny bezpieczeństwa i niezawodności tych systemów, musimy podejmować działania

w zakresie oceny ryzyka. Autorzy publikacji zastosowali metodę FTA do oceny bezpieczeń-

stwa systemu zabezpieczenia przejazdu. Uzyskane wyniki mogą być pomocne w procesie kon-

struowania nowych systemów sterowania ruchem kolejowym.

Słowa kluczowe: systemy sterowania ruchem kolejowym, ocena bezpieczeństwa, FTA

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g

P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T

ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0903 2020

Article citation information:

Burchart-Korol D. (2020). Environmental aspects of electromobility development in the Visegrad Group coun-

tries, WUT Journal of Transportation Engineering, 128, 59-69, ISSN: 1230-9265

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0903

*Corresponding author

E-mail address: dorota.burchart-korol@polsl.pl (D. Burchart-Korol)

ORCID: 0000-0002-2452-5050 (D. Burchart-Korol)

Received 6 February 2020, Revised 24 March 2020, Accepted 26 March 2020, Available online 7 March 2020

Environmental aspects of electromobility development

in the Visegrad Group countries

Dorota Burchart-Korol*

Silesian University of Technology, Faculty of Transport and Aviation Engineering

Abstract. Road transport is one of the primary sources of environmental impact. The article

presents the ecological assessment of electric vehicle battery charging in the Visegrad Group

countries (Czechia, Poland, Slovakia, and Hungary), considering the structure of electricity

generation in each country in 2015-2050. The analyses concerned greenhouse gas emissions

in the Visegrad Group countries, considering the charging of the vehicle's battery from the

power grid. Poland now has the highest greenhouse gas emission indicators for charging elec-

tric cars among the Visegrad Group countries, and it is also expected in the future, while

Slovakia the lowest. Greenhouse gas emissions are the lowest when electricity used to charge

electric vehicle batteries comes from renewable sources. The analyzes provided new

knowledge regarding the development of electromobility in the Visegrad Group countries and

related to its potential impact on the environment.

Keywords: electromobility, greenhouse gas emissions, Visegrad Group countries

1. Wprowadzenie

Transport drogowy stanowi jedno z głównych źródeł oddziaływania na środowisko. Dla-

tego istotne jest zrównoważone podejście do systemów transportowych, co zapewnia rów-

nowagę między czynnikami społecznymi i gospodarczymi oraz rozwojem przestrzennym

i ochroną środowiska [1]. Pojazdy elektryczne stały się ważnym elementem strategii roz-

woju przemysłu motoryzacyjnego w Europie. Emisje gazów cieplarnianych GHG (Green-

house Gas) z transportu znacznie wzrosły w ciągu ostatnich lat. Sektor transportu pozostaje

znaczącym źródłem zanieczyszczenia powietrza, szczególnie cząstek stałych i dwutlenku

azotu. Jest to także główne źródło hałasu w Europie. Dotychczas problemy związane

z aspektami środowiskowymi transportu przedstawiono między innymi w pracach [2–4].

Została również przedstawiona analiza cyklu życia pojazdów elektrycznych w kontekście

zrównoważonego rozwoju [5]. Oprócz sektora energetycznego sektor transportu od wielu

lat jest głównym źródłem emisji gazów cieplarnianych w krajach Unii Europejskiej. Około

trzy czwarte emisji z tej działalności gospodarczej generowane jest przez transport drogowy,

60 Dorota Burchart-Korol

w szczególności samochody osobowe [6]. Według Europejskiej Agencji Środowiska po-

jazdy elektryczne EVs (Electric Vehicles) mają stanowić kluczowy element europejskiego

systemu mobilności, przyczyniając się do zmniejszenia wpływu na zmiany klimatu i jakość

powietrza. Największa potencjalna redukcja emisji gazów cieplarnianych ma miejsce pod-

czas użytkowania pojazdów elektrycznych. Większość krajów ustala również limity emisji

dwutlenku węgla, które są bezpośrednio związane ze zużyciem paliwa [7]. Stosowanie po-

jazdów elektrycznych zamiast pojazdów z silnikiem spalinowym może wpłynąć na ograni-

czenie do 60% emisji gazów cieplarnianych w większości państw członkowskich Unii Eu-

ropejskiej, w zależności od rodzaju zużywanego paliwa [8]. Sektor pojazdów elektrycznych

rozwija się na całym świecie. Rozwojowi elektromobilności towarzyszą szeroko zakrojone

badania i analizy środowiskowe pojazdów elektrycznych [9-11]. Według raportu TERM po-

jazdy elektryczne oferują niewielkie możliwości ograniczenia emisji gazów cieplarnianych

i lokalnego zanieczyszczenia powietrza [12]. Według najnowszych badań Information and

Forschung (IFO) pojazdy elektryczne w niewielkim stopniu pomogą w zmniejszeniu emisji

CO2 w Niemczech w nadchodzących latach [13]. Zgodnie z raportem Fundacji Promocji

Pojazdów Elektrycznych [14] strategia wprowadzania elektromobilności będzie służyła mię-

dzy innymi zmniejszeniu wydatków związanych z importem ropy naftowej oraz poprawie

jakości powietrza.

Celem niniejszej pracy była ocena emisji gazów cieplarnianych związanej z ładowaniem

akumulatorów pojazdów elektrycznych we wszystkich krajach Grupy Wyszehradzkiej (V4)

w latach 2015–2050. Przedstawiono również rozwój elektromobilności w poszczególnych

krajach V4.

2. Elektromobilność w Grupie Wyszehradzkiej

Grupę Wyszehradzką tworzą cztery państwa: Czechy, Polska, Słowacja i Węgry. Jest to

nieformalne określenie stosowane od 1991 r. pierwotnie w stosunku do trzech państw środ-

kowoeuropejskich Czechosłowacji, Polski i Węgier – Trójkąt Wyszehradzki. Od 1 stycznia

1993 r. wskutek rozpadu Czechosłowacji członkami Trójkąta Wyszehradzkiego zostały Cze-

chy i Słowacja, a Trójkąt zmienił nazwę na Grupa Wyszehradzka, której głównym celem

była współpraca z Unią Europejską i NATO. Jedyną instytucją Grupy Wyszehradzkiej jest

Międzynarodowy Fundusz Wyszehradzki (International Visegrad Fund), którego celem jest

wspieranie współpracy między państwami Grupy Wyszehradzkiej oraz ich wspólna repre-

zentacja w państwach trzecich. Cele te realizowane są poprzez wspieranie finansowe działań

z zakresu promocji i rozwoju współpracy kulturalnej, wymiany naukowej, badań naukowych

i współpracy w dziedzinie edukacji, wymiany młodzieży, współpracy przygranicznej oraz

turystyki [15]. W ramach działań Grupy Wyszehradzkiej podejmowane są również kwestie

rozwoju elektromobilności, która jest jednym z głównych elementów działań strategicznych.

Rozwój elektromobilności jest promowany w ramach Stowarzyszeń, które zostały przedsta-

wione w Tabeli 1 [16].

Węgierskie Stowarzyszenie Elektromobilności HEA (The Hungarian Electromobility As-

sociation) zostało utworzone, aby reprezentować zrównoważony rozwój węgierskiego prze-

mysłu elektromobilności i zbudowania europejskiej sieci. HEA prowadzi działania komuni-

kacyjne w celu wspierania elektromobilności. Członkowie HEA reprezentują przedsiębior-

stwa, organizacje, a także osoby sektora energetycznego, usług innowacyjnych, szkolnictwa

Environmental aspects of electromobility development in the Visegrad Group countries 61

wyższego, produkcji i dystrybucji pojazdów, zarządzania flotą, usług doradczych i informa-

tycznych oraz gmin. HEA działa również we współpracy regionalnej i międzynarodowej

oraz reprezentuje Węgry w Europejskim Stowarzyszeniu na rzecz Elektromobilności

AVERE (The European Association for Electromobility), a także jest wiodącym partnerem

lub członkiem projektu w kilku regionalnych projektach [17].

Tabela 1. Stowarzyszenia promujące rozwój elektromobilności w państwach Grupy

Wyszehradzkiej (źródło: opracowanie własne w oparciu o [15])

Państwo Stowarzyszenie

Węgry

Słowacja

Polska

Czechy

Słowackie Stowarzyszenie Pojazdów Elektrycznych SEVA (Slovak Electric Vehicle As-

sociations) zostało utworzone 17 kwietnia 2012 r. w Bratysławie w celu reprezentowania

i promowania rozwoju transportu i infrastruktury transportowej dla elektrycznych samocho-

dów osobowych na Słowacji. Stowarzyszenie stanowi platformę komunikacji i współpracy

między rządem, instytucjami edukacyjnymi, firmami i partnerami zagranicznymi. Jego ce-

lem jest inicjowanie i uczestnictwo w przygotowywaniu informatorów, przepisów i projek-

tów dotyczących rozwoju elektromobilności na Słowacji. SEVA jest członkiem Europej-

skiego Stowarzyszenia na rzecz Elektromobilności AVERE [18].

Polskie Stowarzyszenie Paliw Alternatywnych (PSPA) jest największą organizacją bran-

żową zajmującą się tworzeniem rynku e-mobilności i rynku paliw alternatywnych w Polsce.

PSPA integruje polskie i zagraniczne firmy z wielu branż, w tym: motoryzacyjnej, infra-

strukturalnej, finansowej, transportowej, komunalnej, energetycznej, doradczej i prawnej,

które współpracują w celu kształtowania otoczenia biznesowego, umożliwiając rozwój ni-

skoemisyjnego transportu w Polsce. PSPA jest członkiem Europejskiego Stowarzyszenia na

rzecz Elektromobilności AVERE [19].

Celem Czeskiego Stowarzyszenia Przemysłu Pojazdów Elektrycznych ASEP (the Czech

Association of Electromobile Industry) jest tworzenie, promowanie i realizacja wizji trans-

portu elektrycznego bez emisji zanieczyszczeń, promowanie innowacji w elektromobilno-

ści, rozwój dostępności sieci ładowania, tworzenie otoczenia biznesowego w celu zwiększe-

nia konkurencyjności. Działania Stowarzyszenia koncentrują się na rozwoju innowacji

w dziedzinie elektromobilności, dzieleniu know-how i wspólnych projektach [20].

62 Dorota Burchart-Korol

Głównym celem przedstawionych stowarzyszeń elektromobilności Grupy Wyszehradz-

kiej jest wspieranie komunikacji i współpracy przemysłu, rządu i instytucji naukowo-ba-

dawczych oraz promowanie najnowszych rozwiązań dotyczących pojazdów elektrycznych

z kierunku rozwoju niskoemisyjnego transportu.

Dotychczas jest niewiele pojazdów niskoemisyjnych w krajach Grupy Wyszehradzkiej

porównując z Europą Zachodnią. Według raportu TERM [12] w Polsce było najmniej tych

pojazdów. Zgodnie z aktualnymi danymi Stowarzyszenia Europejskich Producentów Pojaz-

dów ACEA (The European Automobile Manufacturers’ Association) tylko 2,0% nowych

samochodów zarejestrowanych w Unii Europejskiej (UE) w 2018 r. stanowiły pojazdy ła-

dowane elektrycznie. Trzy spośród czterech krajów Grupy Wyszehradzkiej należą do 5 kra-

jów o najniższym udziale samochodów elektrycznych w UE, w tym Polska (0,2% przy

1324 EVs sprzedanych w 2018 r.), Słowacja (0,3% przy 293 EVs sprzedanych w 2018 r.)

oraz Czechy (0,4% przy 981 EVs sprzedanych w 2018 r.). Wśród krajów UE do tej grupy

należy również Litwa (0,4% przy 143 pojazdach EVs sprzedanych w 2018 r.) i Grecja (0,3%

przy 315 EVs sprzedanych w 2018 r.). Na Węgrzech udział sprzedanych samochodów elek-

trycznych stanowił 1,5 % [21].

Elektromobilność w krajach Grupy Wyszehradzkiej (Czechy, Słowacja, Polska i Węgry)

jest w fazie rozwoju. W Grupie Wyszehradzkiej dotychczas niewiele jest pojazdów elek-

trycznych, gdyż nadal większość pojazdów jest napędzanych silnikami spalinowymi. Głów-

nym powodem tak powolnych zmian są wysokie ceny samochodów elektrycznych oraz

słabo rozwinięta infrastruktura do ładowania [22, 23]. Ale mimo tej sytuacji, Grupa Wy-

szehradzka podejmuje działania w kierunku rozwoju e-mobilności. W tym celu każdy kraj

wykorzystuje plany wsparcia funduszy krajowych oraz Instrument „Łącząc Europę” CEF

(Connecting Europe Facility). Jest to nowy instrument finansowy, który wspiera rozwój

trzech obszarów - sieci transportowej, energetycznej oraz telekomunikacyjnej [24]. W każ-

dym kraju Grupy Wyszehradzkiej uruchomione są strategie rozwoju elektromobilności.

Wsparcie elektromobilności jest koniecznością dla Grupy Wyszehradzkiej, dlatego kraje te

mają strategiczne plany rozwoju e-mobilności, zarówno w odniesieniu do produkcji samo-

chodów, jak i akumulatorów [25, 26]. W państwach Grupy Wyszehradzkiej widoczny jest

progres w planowanych działaniach związanych z rozwojem e-mobilności. Rola przemysłu

motoryzacyjnego w krajach V4, rozwój sektora motoryzacyjnego oraz nowe trendy w prze-

myśle motoryzacyjnym zostały przedstawione w pracy [27]. Dotychczasowe analizy dla

Grupy Wyszehradzkiej dotyczyły systemu oceny oddziaływania na środowisko w systemach

prawnych państw krajów należących do V4. W pracy [28] przedstawiono analizę porów-

nawczą systemu oceny oddziaływania na środowisko w krajach V4, określono podobieństwa

i różnice we wdrażaniu postępowań administracyjnych oraz wskazano możliwości wzmoc-

nienia systemu oraz przykłady dobrych praktyk w systemach. Dotychczas brak jest prac od-

nośnie aspektów środowiskowych rozwoju elektromobilności w Grupie Wyszehradzkiej.

3. Metoda oceny

Ocena cyklu życia LCA (Life Cycle Assessment) umożliwia identyfikację obciążeń śro-

dowiskowych związanych zarówno bezpośrednio, jak i pośrednio z cyklem życia pojazdu.

Podstawowymi elementami LCA są identyfikacja i ocena ilościowa potencjalnych obciążeń

środowiskowych związanych z wykorzystywanymi surowcami, jak również zużytą energią

i emisjami zanieczyszczeń.

Environmental aspects of electromobility development in the Visegrad Group countries 63

W niniejszej pracy LCA wykorzystano do oceny potencjalnego wpływu ładowania aku-

mulatora w pojeździe elektrycznym na środowisko. Metoda LCA została wybrana do wyko-

nania oceny źródeł energii elektrycznej związanej z ładowaniem akumulatorów pojazdów

elektrycznych, ponieważ umożliwia uwzględnienie w analizie różnych kategorii wpływu na

środowisko cyklu życia energii. Analiza cyklu życia została przeprowadzona zgodnie z wy-

tycznymi ISO 14040:2006 [29] i ISO 14044:2006 [30]. LCA została wykonana przy użyciu

oprogramowania SimaPro v.8 z bazą danych Ecoinvent v3 [31]. Zgodnie z normą ISO

14040:2006 zdefiniowano cel i zakres prac, w tym jednostkę funkcjonalną, granicę systemu

i podstawowe założenia do analiz.

Druga faza polegała na analizie zestawów danych wejściowych i wyjściowych do oceny

cyklu życia. Następna faza, ocena wpływu cyklu życia, umożliwiła obliczenie wartości ka-

tegorii oddziaływania na środowisko zgodnie z wybraną metodą oceny. Ostatnią fazą była

interpretacja uzyskanych wyników.

Celem pracy była ocena emisji gazów cieplarnianych związanej z ładowaniem akumula-

torów pojazdów elektrycznych we wszystkich krajach Grupy Wyszehradzkiej (V4). Zakres

pracy obejmował analizę rozwoju elektromobilności w tych krajach, przeprowadzenie ana-

lizy struktury obecnie i w przyszłości wykorzystywanych źródeł energii elektrycznej oraz

analizę środowiskową. W artykule przedstawiono ocenę wpływu na środowisko energii

elektrycznej produkowanej w poszczególnych krajach V4, służącą do ładowania akumula-

torów pojazdów elektrycznych. Określono główne źródła wpływu na środowisko. W celach

porównawczych wszystkie analizy zostały odniesione do tej samej jednostki funkcjonalnej

wynoszącej 100 km. W poprzednich własnych analizach zidentyfikowano najważniejsze ka-

tegorie oddziaływania na środowisko i główne źródła negatywnego wpływu pojazdów elek-

trycznych. Wykazano, że energia elektryczna, która jest wykorzystywana do ładowania aku-

mulatorów, stanowi czynnik determinujący wpływ na środowisko w przypadku pojazdów

elektrycznych [10]. W celu przeprowadzenia analizy LCA, zdefiniowano granicę systemu,

która obejmuje cykl życia źródeł energii we wszystkich analizowanych krajach Grupy Wy-

szehradzkiej. Szczegółowe dane dotyczące pojazdu, dla którego były wykonane analizy

przedstawiono w pracy [10]. Założenia do oceny cyklu życia określono w oparciu o analizy

własne oraz bazy danych Ecoinvent [10, 32, 33]. Założono, że zużycie energii przez pojazd

elektryczny wynosi 19,9 kWh/100 km. Głównym źródłem danych do analiz dotyczących

obecnej oraz prognozowanej struktury produkcji energii elektrycznej we wszystkich krajach

Grupy Wyszehradzkiej była dokumentacja Komisji Europejskiej [33].

Rodzaje źródeł energii elektrycznej, stanowią jeden z najważniejszych parametrów

w przypadku analizy środowiskowej pojazdu elektrycznego. Założono, że podstawową

zmienną określającą wpływ pojazdów elektrycznych na środowisko w krajach Grupy Wy-

szehradzkiej jest struktura wytwarzania energii elektrycznej. Analizy w pracy obejmują

ramy czasowe od 2015 do 2050 roku z uwzględnieniem podstawowych założeń związanych

ze zmianą źródeł energii prognozowanych dla tych krajów.

Zagadnienia związane z emisją gazów cieplarnianych stanowią istotne problemy w od-

niesieniu do wytycznych Komisji Europejskiej, a także nowych wyzwań zidentyfikowanych

w modelu gospodarki o obiegu zamkniętym. Aspekty związane z analizą emisji gazów cie-

plarnianych są również podstawowymi kwestiami ocenianymi metodą oceny środowiskowej

dla transportu WTW (Well to Wheel) opracowaną przez Wspólne Centrum Badawcze JRC

(Joint Research Centre), która jest rekomendowana przez Unię Europejską. W celu przepro-

wadzenia oceny oddziaływania na środowisko zastosowano metodę IPCC (Intergovernmen-

64 Dorota Burchart-Korol

tal Panel on Climate Change). Metoda IPCC została opracowana przez Międzyrządowy Ze-

spół ds. Zmian Klimatu [34]. Metoda IPCC służy do oceny emisji gazów cieplarnianych

w całym cyklu życia produktu. Zastosowanie metody IPCC umożliwia wyliczenie wskaź-

nika w oparciu o potencjały tworzenia efektu cieplarnianego GWP (Global Warming Poten-

tial). Wskaźnik IPCC umożliwia przedstawienie bezpośrednich i pośrednich emisji gazów

cieplarnianych i jest wyrażony w jednostce kg CO2.

4. Rezultaty i dyskusja wyników

Na potrzeby środowiskowej oceny cyklu życia zidentyfikowano i zinwentaryzowano

dane dla obecnej i prognozowanej struktury wytwarzania energii elektrycznej w każdym

kraju Grupy Wyszehradzkiej. Do wykonania analiz LCA systemów energetycznych wyko-

rzystano dane z europejskich baz dotyczących energetyki.

Na rysunkach 1–4 przedstawiono udział energii pozyskanej z poszczególnych źródeł

w Unii Europejskiej oraz w krajach Grupy Wyszehradzkiej w latach 2015 – 2050.

Rys. 1. Udział energii pozyskanej z poszczególnych źródeł w Unii Europejskiej oraz

w krajach Grupy Wyszehradzkiej w 2015 roku

Rys. 2. Prognozowany udział energii pozyskanej z poszczególnych źródeł w Unii Europej-

skiej oraz w krajach Grupy Wyszehradzkiej w 2020 roku

Environmental aspects of electromobility development in the Visegrad Group countries 65

Rys. 3. Prognozowany udział energii pozyskanej z poszczególnych źródeł w Unii Europej-

skiej oraz w krajach Grupy Wyszehradzkiej w 2030 roku

Rys. 4. Prognozowany udział energii pozyskanej z poszczególnych źródeł w Unii Europej-

skiej oraz w krajach Grupy Wyszehradzkiej w 2050 roku

W roku 2015 największy udział energii jądrowej do produkcji energii elektrycznej spo-

śród krajów Grupy Wyszehradzkiej stwierdzono na Węgrzech (54%) oraz Słowacji (54%).

Węgiel stanowił główne źródło energii elektrycznej w Polsce (85%), wysoki udział węgla

w miksie energetycznym stwierdzono również w Czechach (50%). Udział gazu ziemnego

w produkcji energii elektrycznej w krajach Grupy Wyszehradzkiej jest niewielki, najmniej-

szy w Polsce (2%), natomiast największy na Węgrzech (12%). Największy udział odnawial-

nych udział energii (OZE) w produkcji energii w krajach Grupy Wyszehradzkiej wykazano

na Słowacji (24%), natomiast najmniejszy w Czechach (9%). W odniesieniu do średniej Unii

Europejskiej udział OZE oraz gazu ziemnego w sieci elektroenergetycznej jest niższy w kra-

jach V4, natomiast udział energii jądrowej jest wyższy w krajach Grupy Wyszehradzkiej niż

średnia w UE.

W 2020 roku przewiduje się zmniejszenie udziału energii jądrowej do produkcji energii

elektrycznej na Węgrzech (45%), natomiast wzrost na Słowacji (60%). Prognozowany

udział węgla do produkcji energii elektrycznej jest nadal na bardzo wysokim poziomie

66 Dorota Burchart-Korol

w Polsce choć obserwuje się nieznaczny spadek (80%). W Czechach nadal przewiduje się

wysoki udział węgla w miksie energetycznym (53%). Przewidywany udział OZE na rok

2020 w krajach Grupy Wyszehradzkiej jest na porównywalnym poziomie do roku 2015.

W 2030 roku prognozuje się znaczący wzrost udziału energii jądrowej do produkcji ener-

gii elektrycznej na Węgrzech (82%) oraz Słowacji (77%). Udział węgla do produkcji energii

elektrycznej zmniejszy się w Polsce (65%) oraz w Czechach (45%). Największy udział OZE

spośród krajów Grupy Wyszehradzkiej do produkcji energii na rok 2030 prognozuje się w

Polsce (20%), natomiast na Słowacji prognozowany udział OZE ulegnie zmniejszeniu

(17%). Udział OZE w krajach Grupy Wyszehradzkiej będzie dużo niższy niż w przypadku

średniej UE (43%).

W 2050 roku największy udział energii jądrowej do produkcji energii elektrycznej pro-

gnozuje się w Słowacji (59%), na Węgrzech (58%) oraz w Czechach (54%). W roku 2050

przewidywana jest również energia jądrowa w Polsce z udziałem 28% do produkcji energii

elektrycznej. Udział węgla do produkcji energii elektrycznej zdecydowanie się zmniejszy

i stanowił będzie niewielki udział zarówno w Polsce (26%), jak i w Czechach (18%). Nadal

będzie zwiększał się udział OZE w produkcji energii elektrycznej w krajach Grupy Wy-

szehradzkiej, jednak nadal będzie poniżej poziomu średniej Unii Europejskiej (55%). Naj-

większy udział OZE w produkcji energii wśród krajów Grupy Wyszehradzkiej na rok 2050

prognozuje się w Polsce (29%).

Na podstawie analizy efektów środowiskowych dla ładowania akumulatorów w pojaz-

dach elektrycznych w odniesieniu do zużycia energii elektrycznej z sieci elektroenergetycz-

nej w krajach Grupy Wyszehradzkiej obliczono wskaźniki emisji gazów cieplarnianych.

Wyniki analiz również zostały odniesione do średniej wartości w Unii Europejskiej. Prze-

prowadzono analizę oceny cyklu życia ładowania akumulatorów w pojazdach elektrycz-

nych, uwzględniając zmiany w strukturze energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej

w latach 2015–2050 w krajach Grupy Wyszehradzkiej. Wyniki analiz emisji gazów cieplar-

nianych dla wszystkich krajów Grupy Wyszehradzkiej przedstawiono na rysunku 5.

Rys. 5. Wskaźniki emisji gazów cieplarnianych związanej z ładowaniem akumulatorów

pojazdów elektrycznych

We wszystkich latach analizy (2015–2050) najwyższy wskaźnik emisji gazów cieplar-

nianych energii elektrycznej do ładowania pojazdów elektrycznych wśród krajów Grupy

Environmental aspects of electromobility development in the Visegrad Group countries 67

Wyszehradzkiej wykazano w Polsce, natomiast najniższy wskaźnik emisji GHG stwier-

dzono dla Słowacji. Ciekawe rezultaty analizy emisji GHG uzyskano zarówno dla Słowacji,

jak i dla Węgier. Na Węgrzech w roku 2020 jest nieco wyższa emisja GHG niż w roku 2015

po czym prognozuje się znaczne obniżenie wskaźnika emisji GHG, a następnie w 2050 po-

nowny wzrost wskaźnika emisji GHG. Na Słowacji natomiast wykazano zmniejszanie

wskaźnika emisji GHG w latach 2015 do 2030, po czym w roku 2050 wzrost emisji GHG.

Zmiany emisji spowodowane są prognozowanymi zmianami w sieci elektroenergetycznej

w systemach energetycznych poszczególnych krajów V4. W przypadku Węgier wzrost emi-

sji GHG energii elektrycznej wynika ze wzrostu udziału gazu ziemnego. Mimo, że udział

węgla w produkcji energii elektrycznej ulega w kolejnych latach znacznemu zmniejszeniu,

to wskaźnik emisji GHG nadal rośnie. W przypadku Słowacji również wskaźniki emisji

GHG wzrastają proporcjonalnie do zwiększonego udziału gazu ziemnego. Zwiększenie

udziału energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowniach jądrowych w odniesieniu do cał-

kowitej energii elektrycznej wytworzonej powoduje niewielkie zwiększenie emisji GHG.

5. Wnioski

W pracy przedstawiono rozwój elektromobilności w krajach Grupy Wyszehradzkiej oraz

aspekty środowiskowe związane cyklem życia energii elektrycznej z sieci elektroenerge-

tycznej służącej do ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych.

Na podstawie wykonanych analiz cyklu życia wytwarzania energii elektrycznej, która

służyć ma do ładowania akumulatorów w pojazdach elektrycznych w krajach Grupy Wy-

szehradzkiej wykazano, iż:

1. Determinantem emisji gazów cieplarnianych związanej z wytwarzaniem energii elek-

trycznej jest zastosowanie paliw kopalnych, zwłaszcza węgla oraz gazu ziemnego. Pozo-

stałe źródła energii wykorzystywane w krajach Grupy Wyszehradzkiej mają niewielki

wpływ na emisje GHG.

2. Najwyższy wskaźnik emisji gazów cieplarnianych związanej z ładowaniem akumulato-

rów pojazdów elektrycznych wśród krajów Grupy Wyszehradzkiej wykazano w Polsce,

natomiast najniższy dla Słowacji.

3. Emisje gazów cieplarnianych są niższe w przypadku ładowania akumulatorów pojazdów

elektrycznych ze źródeł odnawialnych niż wykorzystując pozostałe źródła.

4. Wykazano, że kraje Grupy Wyszehradzkiej w celu zmniejszenia emisji gazów cieplar-

nianych związanej z ładowaniem akumulatorów pojazdów elektrycznych powinny wy-

korzystywać energię ze źródeł odnawialnych.

Bibliografia

1. Ambroziak, T., Jacyna, M., Wasiak, M., Lewczuk, K., Jachimowski, R., Kłodowski, M., Pyza, D., Jacyna-

Gołda, I., Merkisz-Guranowska, A. (2013). Identification and analysis of parameters for the areas of the

highest harmful exhaust emissions in the model EMITRANSYS. Journal of KONES, 20(3), 9-20.

2. Pyza, D., Miętus, M. (2018). System transportu miejskiego niskoemisyjnego – wybrane problemy, Zeszyty

Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport, z. 123, 137-146.

3. Jacyna, M., Pyza, D. (2019). Problemy decyzyjne w kształtowaniu proekologicznego systemu transporto-

wego, Autobusy – Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe, nr 6, 61-66.

4. Jacyna, M., Wasiak, M., Lewczuk, K., Karoń, G. (2017). Noise and environmental pollution from

transport: decisive problems in developing ecologically efficient transport systems. Journal of Vibroengi-

neering, 19(7), 5639–5655.

68 Dorota Burchart-Korol

5. Sendek-Matysiak, E. (2018). Ocena Cyklu Życia samochodów elektrycznych typu BEV w kontekście

zrównoważonego rozwoju, Zeszyty Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport, z. 123, 147-162.

6. Burchart-Korol, D., Folęga, P. (20190. Impact of road transport means on climate change and human health

in Poland, Promet-Traffic&Transportation, Tom31, Wyd. 2, 195-204.

7. Merkisz, J.,Pielecha, J., Jasiński, R. (2016). Remarks about real driving emissions tests for passenger cars,

Archives of Transport, 39 (3), 51-63.

8. Moro, A., Lonza, L. (2018). Electricity carbon intensity in European Member States: Impacts on GHG

emissions of electric vehicles, Transportation Research Part D: Transport and Environment, 64, 5-14.

9. Rievaj, V.; Synák, F. (2017) Does electric car produce emissions? Scientific Journal of Silesian University

of Technology. Series Transport, 94, 187-197.

10. Burchart-Korol, D., Jursova, S., Folęga, P., Korol, J., Pustejovska, P., Blaut , A. (2018). Environmental

life cycle assessment of electric vehicles in Poland and the Czech Republic, Journal of Cleaner Production,

202, 476-487.

11. Muha, R., Perosa, A. (2018). Energy consumption and carbon footprint of an electric vehicle and a vehicle

with an internal combustion engine. Transport Problems, 13, 49-58.

12. TERM report (2018) Electric vehicles from life cycle and circular economy perspectives TERM 2018:

Transport and Environment Reporting Mechanism (TERM) report, EEA Report No 13, ISSN 1977-8449.

13. Buchal, Ch., Hans-Dieter, K. Hans-Werner, S. (2019). Kohlemotoren, Windmotoren und Dieselmotoren:

Was zeigt die CO2-Bilanz?, ifo Schnelldienst, 72 (08), 40–54.

14. Raport Fundacji Promocji Pojazdów Elektrycznych: “Napędzamy Polską Przyszłość”, www.fppe.pl. (ac-

cessed on 23 March 2020).

15. https://www.gov.pl/web/nauka/grupa-wyszehradzka-visegrad-group (accessed on 3 August 2019).

16. https://emobilityatlas.eu/partners/ (accessed on 1 August 2019).

17. www.elektromobilitas.hu/ (accessed on 1 August 2019).

18. www.seva.sk/ (accessed on 2 August 2019).

19. www.pspa.com.pl/ (accessed on 8 August 2019).

20. www.asep.cz/ (accessed on 8 August 2019).

21. Market share of electrically chargeable vehicles https://www.acea.be/ (accessed on 8 August 2019).

22. Cecere, G., Corrocher, N., Guerzoni, N. (2018). Price or performance? A probabilistic choice analysis of

the intention to buy electric vehicles in European countries, Energy Policy, 118, 19-32.

23. Tomaszewski, K. (2019). Problemy rozwoju elektromobilności w Polsce w kontekście krajowej polityki

energetycznej, Przegląd Politologiczny, 2, 153-165.

24. http://www.funduszeeuropejskie.gov.pl/cef/ (accessed on 20 July 2019).

25. Daňo, F., Rehák, R. (2018). Electromobility in the European Union and in the Slovakia and its development

opportunities, International Journal Of Multidisciplinarity In Business And Science, 4 (5), 74-83.

26. Muneer, T., Kolhe, M., Doyl, A. (2017). Electric Vehicles: Prospects and Challenges, Elsevier ISBN 978-

0-12-803021-9.

27. Dębkowska, K., Ambroziak, Ł., Czernicki, Ł., Kłosiewicz-Górecka, Ł., Kutwa, K., Szymańska, A., Waż-

niewski, P. (2019). The automotive industry in the Visegrad Group countries, Polish Economic Institute,

Warsaw, August 2019 ISBN 978-83-66306-20-2.

28. Gałaś, S., Gałaś, A., Zeleňáková, M., Zvijáková, L., Fialovác, J., Kubíčková, H. (2015). Environmental

Impact Assessment in the Visegrad Group countries, Environmental Impact Assessment Review 55,

11-20.

29. ISO (2006) ISO 14040:2006 Environmental Management—Life Cycle Assessment—Principles and

Framework; International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland, 2006.

30. ISO (2006) ISO 14044:2006 Environmental Management—Life Cycle Assessment—Requirements and

Guidelines; International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland, 2006.

31. Swiss Centre for Life Cycle Inventories. Ecoinvent 2018 —Ecoinvent Database v 3, 2018. Available

online: www.ecoinvent.org (accessed on 29 July 2019).

32. Del Duce, A.; Gauch, M.; Althaus, H.J. (2016). Electric passenger car transport and passenger car life

cycle inventories in ecoinvent version 3. The International Journal of Life Cycle Assessment, 21,

1314–1326.

33. Data inventory of electricity generation mix, Energy Policies of IEA Countries -The International Energy

Agency EU28: Reference scenario (REF2016) National Technical University of Athens 2016.

34. Intergovernmental Panel on Climate Change. IPCC Fifth Assessment Report. The Physical Science Basis.

2013. Available online: http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/ (accessed on 8 June 2019).

Environmental aspects of electromobility development in the Visegrad Group countries 69

Copyright © 2020 Burchart-Korol D.

This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

Aspekty środowiskowe rozwoju elektromobilności

w państwach Grupy Wyszehradzkiej

Streszczenie. Transport drogowy stanowi jedno z głównych źródeł oddziaływania na środo-

wisko. W artykule przedstawiono ocenę środowiskową ładowania akumulatora pojazdu elek-

trycznego w państwach Grupy Wyszehradzkiej (Czechy, Polska, Słowacja i Węgry) uwzględ-

niając strukturę wytwarzania energii elektrycznej w poszczególnych krajach w latach 2015-

2050. Analizy dotyczyły emisji gazów cieplarnianych w krajach Grupy Wyszehradzkiej

uwzględniając ładowanie akumulatora pojazdu z sieci elektroenergetycznej. Największą war-

tość wskaźnika emisji gazów cieplarnianych, która jest związana z ładowaniem pojazdów

elektrycznych w państwach Grupy Wyszehradzkiej obecnie, jak i w przyszłości, uzyskano dla

Polski, natomiast najmniejszą - dla Słowacji. Wykazano, że w przypadku wykorzystania ener-

gii ze źródeł odnawialnych do ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych, emisje ga-

zów cieplarnianych są najniższe. Przeprowadzone analizy dostarczyły nowej wiedzy odnośnie

rozwoju elektromobilności w Grupie Wyszehradzkiej i związanego z nim potencjalnego

wpływu.

Słowa kluczowe: elektromobilność, emisje gazów cieplarnianych, państwa Grupy Wy-

szehradzkiej

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g

P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T

ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0904 2020

Article citation information:

Malawko, P., Ślęzak, M. (2020). Discomfort measuring method of drivers with disabilities - results of prelim-

inary research, WUT Journal of Transportation Engineering, 128, 71-80, ISSN: 1230-9265

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0904

*Corresponding author

E-mail address: piotr.malawko@its.waw.pl (P. Malawko)

ORCID: 0000-0002-4219-3352 (P. Malawko), 0000-0001-6059-8110 (M. Ślęzak)

Received 20 April 2019, Revised 9 March 2020, Accepted 11 March 2020, Available online 9 April 2020

Discomfort measuring method of drivers with disabilities

- results of preliminary research

Piotr Malawko* , Marcin Ślęzak

Motor Transport Institute, Warsaw, Poland

Abstract. The article describes research related to detecting the feeling of premature fatigue

while driving by disabled people. Based on the analysis of the literature on driving by drivers

with a significant degree of disability, and based on the authors' experience, two groups of

drivers were selected: with paraplegia and tetraplegia. The tests were carried out on vehicles

equipped with devices of the following types: handle mounted on the steering wheel, the mech-

anism for manual operation of gas and brake, automatic gearbox. To identify the phenomenon

of premature fatigue, we proposed its definition, measures, and two detection methods. Some

measures were quantitative, for example, the number of occurrences of the phenomenon in a

given statistical sample, while others were qualitative, for example, the time of occurrence

since the biginning of driving. Test methods included driving in real traffic and on the maneu-

vering yard. Tests conducted in road traffic showed the actual time of occurrence of the studied

phenomenon. On the other hand, experiments on the maneuvering area aimed at intensifying

operations performed by the driver and, as a result, reducing the time of examination. The

assessment of the correctness of the results of the presented method of detecting the feeling of

premature fatigue consisted of (i) assessing the convergence of test results from road tests and

the maneuvering yard, (ii) compliance of the assessment of the tested devices using individual

measures of the studied phenomenon and (iii) comparison of the current test results with the

reputation of devices on the market. The research allowed us to identify adaptive devices that

caused the feeling of premature fatigue to the most significant and lowest extent. On this basis,

in a properly selected research sample of drivers with disabilities, the ergonomics of individual

devices can be assessed. At the same time, using the single-person method, you can evaluate

the appropriateness of the device selection for a given driver.

Keywords: BRD, ergonomics, adaptive devices, drivers with disabilities

1. Wprowadzenie

W dobie dynamicznego rozwoju technologicznego oraz intensywnego przepływu infor-

macji komunikowanie się ludzi między sobą jest ważnym czynnikiem wpływającym na

72 Piotr Malawko, Marcin Ślęzak

egzystowanie jednostki względem ogółu społeczeństwa [15]. Jednym z kanałów umożliwia-

jących przepływ informacji jest pojazd [8], a jego czynnikiem składowym jest kierowca.

Potrzeby transportowe realizowane są za pomocą pojazdów, ponieważ ułatwiają przemiesz-

czanie się na większe odległości w krótszym czasie. Używanie pojazdów do przemieszcza-

nia się wynika z rozmieszczenia przestrzennego zasobów, skupisk ludzkich oraz miejsc

pracy [7]. Mobilność ludzi jest jednym z ważniejszych i niezbywalnych praw pozwalających

na sprawne przemieszczanie. Jednym z czynników umożliwiającym łatwiejsze przemiesz-

czanie się osób niepełnosprawnych są urządzenia adaptacyjne znajdujące się w pojazdach

przystosowanych do ich potrzeb. Rozwój wsparcia mobilności tej, że grupy osób, można

było już zauważyć w latach 70-tych XX wieku w postaci montowania sprzęgła Hycomat

w samochodzie Trabant. Kolejne seryjne z rozwiązanie adaptacyjne pojawiło się dekadę

później w samochodach Polski Fiat 126p pod postacią manipulatora ręcznego. Niestety

w tym kontekście postęp w zakresie ergonomii jest umiarkowany. Natomiast pojazdy seryj-

nie produkowane przez koncerny motoryzacyjne, zanim zostaną wprowadzone do sprze-

daży, przechodzą etap związany ze sprawdzeniem wnętrza pojazdu pod względem ergono-

micznym. Weryfikacja ta pozwala wyeliminować wszelkie niewłaściwie rozwiązania prze-

szkadzające w bezpiecznym i wygodnym prowadzeniu pojazdu. Etap projektowania daje

możliwość zmiany lub poprawy zastosowanych wcześniej rozwiązań [6]. Takie postępowa-

nie umożliwia inżynierom stworzyć produkt, który jest dobrze zaprojektowany tak, by kie-

rowca bądź pasażerowie mogli zająć jak najdogodniejszą pozycję we wnętrzu pojazdu. Pro-

jektowanie i dalsze weryfikowanie funkcjonalności wnętrza pojazdu pozwala na wykony-

wanie czynność związanych z obsługą przełączników w taki sposób, aby nie odwracać

uwagi od obserwowania drogi i podejmowania decyzji związanych z uczestnictwem w ruchu

drogowym [5]. Badania związane z analizą kabin pojazdu osobowego zostały przeprowa-

dzone przez inżynierów z Politechniki Poznańskiej. W opracowaniu poruszone zostały kwe-

stie zmiany stanu psychofizycznego kierowców oraz jego wpływu na podejmowanie decyzji

przekładających się na wzrost wypadkowości [4]. Czynniki, które są dla kierowcy szkodliwe

i uciążliwe mogą prowadzić do błędnej oceny sytuacji podczas prowadzenia pojazdu. Auto-

rzy badań przeprowadzili ocenę ergonomiczności dotyczącej określenia ryzyka wystąpienia

ergonomicznych czynników ryzyka [3]. Wystąpienie ich jest o tyle niepożądane, ponieważ

może powodować wypadki. Czynniki ergonomiczne ryzyka, to miedzy innymi [2]:

przyjmowanie niewłaściwych pozycji ciała podczas prowadzenia pojazdu,

wykonywanie nienaturalnych ruchów,

wykonywanie powtarzalnych czynności w nienaturalnych trajektoriach (położeniach),

długotrwałe wykonywanie czynności w skrajnych położeniach kątowych w stawach dla

poszczególnych części ciała,

używanie zbyt dużej siły do wykonywania czynności związanych z obsługą urządzenia,

chłód,

wibracje.

Do badań pozycji kierowcy użyto specjalistycznego urządzenia elektronicznego gonio-

metru z kolei do oceny wyników posłużono się metodą Rapid Upper Limb Assessment

(RULA). Dodatkowo użyto listy kontrolnej opartej na normach: ISO1226 oraz PN-EN

1005-4 [1]. Do zdiagnozowania oraz oceny posłużono się czterema pojazdami, które posia-

dały różne zakresy regulacji siedziska kierowcy. Po analizie wyników wyciągnięto wnioski,

które obejmowały analityczną ocenę ryzyka wystąpienia zmian chorobowych układów ru-

chu. Według źródeł [10], którymi posługiwali się autorzy badań tego typu schorzeniom

Discomfort measuring method of drivers with disabilities - results of preliminary research 73

ulega 41% większości kierowców zawodowych w Stanach Zjednoczonych. Właściwości sa-

mochodu osobowego, które implikują obciążenia kierowcy, mogą przejawiać różny poziom

ergonomiczności, (czyli niepowtarzalnej adaptacji do cech anatomicznych i psychofizycz-

nych sprawność operatora w niepowtarzalnych warunkach jazdy). Badania związane z po-

jazdami dostosowanymi pod kątem mobilności osób niepełnosprawnych zostały przeprowa-

dzone przez naukowców z Politechniki Poznańskiej. Badania obrazują potrzeby kierowców

z niepełnosprawnością motoryczną w odniesieniu do wsiadania i wysiadania z pojazdu. Dla

osób niepełnosprawnych komunikacja ze społeczeństwem jest niezwykle istotna, ponieważ

mogą uczestniczyć aktywnie w wielu płaszczyznach aktywności socjalnej. Uaktywnienie

osoby niepełnosprawnej zależy w dużym stopniu od jej samej oraz od chęci pokonania wielu

barier. Prowadzenie aktywnego stylu życia dla osoby niepełnosprawnej związane jest w du-

żej mierze od spersonalizowanych środków technicznych. Do pomocy podczas przemiesz-

czania osobie niepełnosprawnej służą balkoniki, kule, chodziki, laski, wózki. Używanie spe-

cjalistycznego oprzyrządowania ma zastosowanie również podczas prowadzenia pojazdu.

Specjalnie dostosowany pojazd pozwala na samodzielne przemieszczanie się na większe od-

ległości. Oprzyrządowanie umożliwiające mobilność osobie z dysfunkcjami można podzie-

lić na adaptacyjne umożliwiające prowadzenie pojazdu i wspomagające proces wsiadania

i wysiadania. Autorzy zbadali sekwencję wykonywaną przez kierowcę podczas transporto-

wania wózka. Sprawdzili, na jakie obciążenia i przeciążenia narażony jest organizm niepeł-

nosprawnego kierowcy. Podczas procesu załadunku/wyładunku kierowca wykonuje czyn-

ności związane z przemieszczeniem wózka do/z przestrzeni bagażowej pojazdu. We wnio-

skach końcowych opisano kwestie istotności stosowania tego rozwiązania, ponieważ urzą-

dzenia wspomagające ów proces zwiększają bezpieczeństwo i wygodę osoby korzystającej

z niego. Niestety zakup urządzenia generuje dodatkowe koszty, ponieważ sam zakup po-

jazdu i jego adaptacja pozwalająca na prowadzenie pojazdu powoduje najczęściej rezygna-

cję z zakupu urządzeń pomocnych przy załadunku wózka inwalidzkiego. Stąd też rzadko są

spotykane wśród użytkowników oprzyrządowanych pojazdów osób niepełnosprawnych

[13]. Należy również zwrócić uwagę na aspekt związany z brakiem badań urządzeń adapta-

cyjnych niepełnosprawnych kierowców pod kątem ich ukształtowania i umiejscowienia. Nie

ma jakichkolwiek wytycznych związanych z ergonomią kształtów urządzeń. Materiały,

z których producenci wytwarzają urządzenia nie przechodzą procesów homologacyjnych

ani nie są badane pod kątem wygody ich użytkowania. Tworzywo, z którego produkowane

są uchwyty nie jest poddawane żadnym testom potwierdzającym ich właściwy kształt i od-

powiednie wyprofilowanie. Ponieważ nie ma wytycznych odnoszących się do wyżej wy-

mienionych cech produktu nie ma pewności, co do tego, że u osób posługujących się tymi

urządzeniami nie będzie występowało zjawisko przedwczesnego zmęczenia i dyskomfortu.

Analizę literatury przeprowadzono na wielu możliwych opracowaniach badawczych spój-

nych z tematyką ergonomii, dotyczącą oprzyrządowania adaptacyjnego, oraz przepisów

prawnych. Niestety nie znaleziono żadnych zapisów związanych z opracowaniem innej niż

opisana w artykule metody pozwalającej określić niedogodności związane z badaniem ergo-

nomii urządzeń adaptacyjnych.

W artykule przedstawiono nowatorską metodę związaną z wykrywaniem zjawiska dys-

komfortu podczas prowadzenia pojazdu za pomocą rządzeń adaptacyjnych przez niepełno-

sprawnych kierowców.

74 Piotr Malawko, Marcin Ślęzak

2. Problem badawczy

Środowisko niepełnosprawnych kierowców można podzielić na dwie grupy: paraplegi-

ków i tetraplegików. Dysfunkcje te polegają na ograniczeniu ruchowym związanym z pora-

żeniem kończyn dolnych (paraplegia) oraz porażeniem kończyn dolnych i częściowo gór-

nych (tetraplegia). Pojazdy przystosowane do potrzeb osób niepełnosprawnych pozwolą

przybliżyć analizę relacji człowiek – środki techniczne. W rozważaniach nie brano pod

uwagę niepełnosprawności motorycznych, związanych z procesem starzenia. Obiektem roz-

ważań są niepełnosprawni kierowcy – tetra i paraplegicy. Proces prowadzenia pojazdu przez

niepełnosprawnego kierowcę za pomocą urządzeń adaptacyjnych niejednokrotnie jest zakłó-

cany niekontrolowanym i przedwczesnym odczuciem dyskomfortu. Pojawianie się niepożą-

danego odczucia może zakłócać proces prowadzenia pojazdu, autorzy artykułu podjęli próbę

wykrycia zjawiska. W badaniach zostały podjęte próby identyfikacji i wykluczenia pojawia-

nia się zbyt wczesnego dyskomfortu. Biorąc pod uwagę urządzenia adaptacyjne przezna-

czone dla badanych grup kierowców wzięto pod uwagę zestawy urządzeń typu ręczny gaz-

hamulec i uchwyt na kole kierownicy. Wymienione zestawy urządzeń są najczęściej stoso-

wane ze względu na rodzaj stopnia niepełnosprawności obu grup. Oprzyrządowanie to po-

zwala na podjęcie w pełni niezależnego poruszania się bez udziału osób trzecich. Czynniki

umożliwiające osobie z dysfunkcjami sprawne poruszanie pojazdem samochodowym to

środki techniczne, którymi są urządzenia adaptacyjne. Posługując się oprzyrządowaniem ad-

aptacyjnym osoba niepełnosprawna może wykonywać wszystkie czynności potrzebne do

prowadzenia pojazdu. Pojazd dla osób niepełnosprawnych jest złożonym urządzeniem, za

pomocą którego osoba niepełnosprawna przemieszcza się w wiele miejsc, do których bez

pojazdu ciężko było by jej się dostać a w niektórych przypadkach było by to wręcz niemoż-

liwe. Niestety z obserwacji autorów artykułu wynika, iż pojazdy osób niepełnosprawnych

są dostosowywane na podstawie kodów i subkodów ograniczeń określających rodzaj oprzy-

rządowania potrzebnego niepełnosprawnemu kierowcy do obsługi wszystkich urządzeń

w pojeździe. Przepisy określające zaszeregowanie osoby niepełnosprawnej w związku z ko-

dami ograniczeń zawarto w Rozporządzeniu Ministra Transportu, Budownictwa i Gospo-

darki Morskiej z dnia 2 sierpnia 2012 r. w sprawie wzorów dokumentów stwierdzających

uprawnienia do kierowania pojazdami [12]. Wpis dotyczący kodów i subkodów umiesz-

czany jest polu prawa jazdy z numerem 12. Na liście kodów znajdują się wytyczne związane

z wymaganiami odnoszącymi się do potrzebny stosowania przez kierowcę 01 okularów, 03

protez kończyn, 05 ograniczeń związanych z poruszaniem się pojazdem tylko w godzinach

dziennych (od świtu do zmierzchu) oraz w kodach od 10 do 44 używania specjalnego oprzy-

rządowania adaptacyjnego.

W dalszej części artykułu opisano kilka przykładowych pozycji (kodów ograniczeń) naj-

bardziej zbliżonych tematycznie [11].

Opis potrzebnych zmian w kodzie 30 odnosi się do wymagania zmian zastosowanych

w układzie hamowania i przyspieszenia. Dokładniej zostało to opisane w subkodzie 30.11,

w którym odniesiono się do potrzeby użycia - elektrycznego sterowania układem hamulco-

wym i przyśpieszenia. Kod 35 zawiera kwestie dotyczące modyfikacji urządzeń potrzebnych

do sterowania (przełączniki świateł, wycieraczki szyby przedniej, spryskiwacz, sygnał

dźwiękowy, kierunkowskazy). Subkod 35.02 odnosi się do zastosowania adaptacji dotyczą-

cej sterowaniem przełącznikami bez konieczności puszczania koła kierowniczego i akceso-

riów (w tym gałek, dźwigni).

Discomfort measuring method of drivers with disabilities - results of preliminary research 75

Jeszcze bardziej uściśla zastosowanie konkretnego rozwiązania adaptacyjnego subkod

35.04, opisujący konkretne adaptacje, a dokładnie obsługę sterowania urządzeniami za po-

mocą prawej ręki bez konieczności puszczenia jej z koła kierownicy. W subkodzie 35.05

spotkać można opis oprzyrządowania, które będzie umożliwiało sterowanie bez konieczno-

ści puszczenia kierownicy i akcesoriów w zintegrowany sposób wspólnymi mechanizmami

hamowania i przyspieszenia [14].

Podane kody i subkody są jedynym rodzajem weryfikacji tego, co w późniejszym okresie

zostanie zamontowane w dostosowanym pojeździe. Zasobność portfela przyszłego użyt-

kownika i brak organów kontrolujących poprawność zainstalowanych urządzeń powodują

sporą dowolność możliwości adaptacyjnych pojazdu. Nieusystematyzowana pozostaje rów-

nież strefa związana z wytycznymi dotyczącymi miejsca instalacji urządzeń adaptacyjnych.

Całość procesu adaptacji odbywa się na zasadzie umownej pomiędzy podmiotem montują-

cym a odbiorcą. Intencje obu stron mogą być dobre, natomiast barak badań homologacyj-

nych lub specjalnie przygotowanych pod tym względem badań kontrolnych powoduje, iż

osoby montujące urządzenia adaptacyjne robią to intuicyjne lub według wskazań klienta.

Niejednokrotnie podczas adaptacji pojazdu urządzenia montowane są w miejscu kolumny

kierowniczej, co w późniejszym czasie uniemożliwia posługiwanie się jej regulacją.

Obszarem odnoszącym się do braku regulacji i zakłócającym funkcjonalność jest monto-

wanie urządzeń adaptacyjnych typu ręczny gaz-hamulec w przestrzeni przeznaczonej na

umiejscowienie nóg kierowcy. Instalowanie w tym miejscu oprzyrządowania może powo-

dować ograniczenie swobodnego ułożenia kończyn dolnych a w następstwie odczucie dys-

komfortu. Innym przykładem zakłócającym komfort prowadzenia pojazdu jest dowolność

stosowania kształtów uchwytów urządzeń adaptacyjnych oraz materiałów do tego stosowa-

nych. Proces adaptacji pojazdów jest dla niepełnosprawnego kierowcy momentem persona-

lizacji środowiska do jego możliwości posługiwania się oprzyrządowaniem zainstalowanym

w pojeździe. Ten etap jest bardzo istotny, ponieważ dopasowanie oprzyrządowania do po-

trzeb kierowcy będzie skutkowało odczuwaniem bezpieczeństwa i komfortu posługiwanie

się nim [9]. Niestety podczas procesu adaptacji nie stosuje się żadnych metod weryfikacyj-

nych dotyczących pomiaru zjawiska dyskomfortu. Negatywne odczucie pojawiające się zbyt

wcześnie i towarzyszące podczas prowadzenia pojazdu jest niepożądane, dlatego należałoby

wprowadzić do procesu doboru zestawu urządzeń narzędzie weryfikacyjne.

3. Metodyka i wyniki badań wstępnych

Zaproponowana przez autorów artykułu metoda wykrywania dyskomfortu polega na wy-

chwyceniu niekorzystnego zjawiska, oraz polega na wykryciu jego przyczyny. W ramach

prac badawczych prowadzonych w Instytucie Transportu Samochodowego podjęto próbę

związaną z opracowaniem narzędzia wykrywającego odczuwanie przedwczesnej niedogod-

ności. Prace badawcze polegały na przeprowadzeniu prób drogowych z udziałem kierowców

niepełnosprawnych (tetraplegików i paraplegików). Testy prowadzone były w taki sposób,

aby warunki pogodowe nie miały wpływu na moment wystąpienia przedwczesnego dys-

komfortu. Czynniki, jakie były brane pod uwagę, to:

nawierzchnia - sucha,

temperatura powietrza,

pora dnia,

nasłonecznienie,

76 Piotr Malawko, Marcin Ślęzak

wietrzność.

Przed każdą z podjętych prób pytano uczestnika o samopoczucie, gdyż jakakolwiek nie-

dyspozycja związana ze złym samopoczuciem mogła wpłynąć zaburzająco na wynik prze-

prowadzanego testu. Po przeprowadzeniu weryfikacji uczestnika i warunków zewnętrznych

rozpoczynano badanie. Przejazdy zawierały się w dwóch częściach przeprowadzanych:

w ruchu drogowym,

na placu manewrowym.

Pierwszy etap zawierał w sobie elementy łączące prowadzenie pojazdu w:

ruchu pozamiejskim,

ruchu miejskim,

w formie manewrów parkingowych.

Podczas testu drogowego wykorzystywano formularz badania dyskomfortu, w którym

odnotowywano moment wystąpienia niedogodności. Dodatkowe informacje gromadzone

w formularzu, to:

umiejscowienie wystąpienia niepożądanego odczucia,

źródło, z którego pochodzi niepożądane odczucie,

czas jego wystąpienia i ekspozycja,

odległość, na której występowało odczucie,

pogłębienie negatywnego odczucia, (jeżeli występowało).

Testy drogowe z udziałem każdej osoby niepełnosprawnej przeprowadzano na trasie

trzech przejazdów. Czas przejazdu zawierał się w przedziale czasowym pomiędzy 20 a 30

minut. Podczas prowadzenia badania zbierano informację dotyczące pojawienia się nega-

tywnych odczuć oraz ich nasilania. Badania przeprowadzano za pomocą oprzyrządowania

typu ręczy gaz-hamulec oraz uchwytu zainstalowanego na kole kierownicy. Każdy z przy-

rządów posiadał inny kształt oraz materiał, z którego został wyprodukowany. Badane urzą-

dzenia ręczny gaz-hamulec wybrane zostały na podstawie pokrewnych cech użytkowych

oraz zbliżonych rozwiązań konstrukcyjnych. Uchwyty zainstalowane na kole kierownicy

wybrane zostały z tych samych przyczyn. Obsługa urządzenia typu ręczny gaz-hamulec od-

bywa się za pomocą rąk. Funkcje gazu obsługuje się za pomocą obrotu uchwytu urządzenia

w osi natomiast funkcję hamulca pojazdu uruchamia się poprzez odepchnięcie urządzenia

do przodu. Natomiast uchwyt zamontowany na kole kierownicy ma umożliwić kierowcy

z niepełnosprawnościami lepszy chwyt, a co za tym idzie posługiwanie się nią.

Rys. 1. Mechaniczny urządzenia ręczny gaz-hamulec (źródło: opracowanie własne)

Discomfort measuring method of drivers with disabilities - results of preliminary research 77

Rys. 2. Badane urządzenia typu uchwyt zamontowane na kole kierownicy (źródło: opraco-

wanie własne)

Podczas przeprowadzania prac badawczych skupiano się na pozyskaniu informacji zwią-

zanych z przedwczesnym występowaniem niepożądanego odczucia. Kierowcy, posługując

się oprzyrządowaniem adaptacyjnym, zgłaszali odczucie uwierania wewnętrznej części pra-

wej dłoni wywołanej przez zbyt krótki króciec gałki urządzenia ręcznego gazu hamulca.

Niewłaściwe proporcje związane z kształtem uchwytu tego urządzenia powodowały poja-

wienie się u 90% badanych kierowców odczucia dyskomfortu. Na ogół negatywne odczucie

pojawiało się na początku jazdy testowej i nasilało się z czasem jego kontynuowania. Dys-

komfort podczas badania nasilał się do momentu odczuwania przez prowadzącego pojazd

silnego bólu, który miał miejsce zazwyczaj już w 15 minucie trwania przejazdu. Eksperci,

testując urządzenie, zgłaszali również brak możliwości regulacji (personalizacji) jednego

z urządzeń. Możliwość zastosowania takiej regulacji ułatwiłoby możliwość lepszego usta-

wienia urządzenia względem użytkownika oraz wygodniejsze ułożenie dłoni i sylwetki kie-

rowcy przy prowadzeniu pojazdu. Eksperci zgłaszali również brak osłon zainstalowanych

na całości powierzchni jednego z urządzeń, który powodował ocieranie się elementów prze-

mieszczających się o prawą dolną kończynę. W związku, z czym kierowca odczuwał dys-

komfort (negatywne odczucie związane z uwieraniem) w przedziale czasowym pomiędzy

8 a 18 minutą testu. Kierowcy zgłaszali również zbyt niskie i odległe umiejscowienie jed-

nego z urządzeń typu ręczny gaz-hamulec. Zainstalowanie urządzenia w zbyt dalekim poło-

żeniu od kierującego powodowało niewłaściwe ułożenie ciała. Umiejscowienie oprzyrządo-

wania wpływało na wychylanie sylwetki kierowcy do przodu pojazdu, przez co prowadzący

tracił stabilizację ciała i układał swoją sylwetkę w nienaturalny sposób. Testy jezdne uwy-

pukliły również rozbieżności dotyczące badania urządzeń zainstalowanych na kole kierow-

nicy. Na początku badania 95% kierowców podejmowało próby ułożenia dłoni w jak naj-

wygodniejszy sposób. U 20 % badanych chwyt gałki był kłopotliwy ze względu na spraw-

ność motoryczną ich dłoni. Podczas przejazdu u 95% badanych zaobserwowano początkowe

problemy z operowaniem kołem kierownicy za pomocą badanego urządzenia. Eksperci po

oswojeniu się z przyrządem zgłaszali wzrastające odczucie zmęczenia przeradzające się

w drętwienie a następnie ból przedramienia oraz nadgarstka lewej dłoni. Podczas testów

zaobserwowano wypadanie z dłoni prowadzącego uchwytu. Zazwyczaj spowodowane było

to smukłym kształtem urządzenia i słabą przyczepnością pomiędzy urządzeniem a lewą dło-

nią. Po zakończeniu jazd testowych, na podstawie zebranych informacji wykonano analizę

statystyczną. Do jej realizacji posłużyła miara sumy natężenia zjawisk dyskomfortu była to

78 Piotr Malawko, Marcin Ślęzak

jedna z miar wykorzystanych do pomiaru badanego zjawiska. Skala, jaką posłużono się do

określenia zachodzącego odczucia niewygody były: zjawiska bólowe, zjawiska drętwienia,

zjawiska uwierania oraz problemów z chwytem. Na podstawie zebranych wyników wyka-

zano, że najczęściej dyskomfort w postaci bólu odczuwali kierowcy podczas obsługi urzą-

dzeń typu ręczny gaz-hamulec. Odczuwanie jego występowało zazwyczaj w środku prze-

jazdu, dyskomfort utrzymywał się na takim samym poziomie, bądź pogłębiał się w końcowej

fazie przejazdu. Na podstawie powyższych informacji związanych z badanym zjawiskiem

wy-tyczono kierunek dalszej części badań.

Druga część testu związana z pomiarem badanego odczucia dyskomfortu jest obecnie

przedmiotem dalszych badań. Przejazdy zostaną przeprowadzone na terenie zamkniętym

formułą ich będzie intensywne manewrowanie pojazdem. Opis i bardziej szczegółowe wy-

niki badań zostaną zaprezentowane w pracy doktorskiej zatytułowanej „Metoda wykrywania

dyskomfortu przy obsłudze urządzeń adaptacyjnych przez kierowców z niepełno-sprawno-

ściami”.

4. Wnioski końcowe

Omówione przez autorów badania mają na celu zaproponowanie unikatowych reguł we-

dług, których będzie mogła odbywać się weryfikacja zaadoptowanego samochodu. Metoda

ta powinna umożliwić szybką i precyzyjną weryfikacje zainstalowanego w pojeździe spe-

cjalistycznego oprzyrządowania. Według zaproponowanej metodyki - badanie dyskomfortu

może odbywać się w dwóch etapach. Pierwszy pozwoli na sprawdzenie zamontowanego

zestawu na drogach publicznych. Drugi ma być jego uzupełnieniem i określać dyskomfort

w sztucznie zaaranżowanych warunkach poprzez zastosowanie pewnej sekwencji wymuszo-

nych manewrów wykonywanych przez kierowcę na zamkniętym placu manewrowym.

Tą procedurę można stosować na różnych etapach, zarówno podczas projektowania przy-

szłych urządzeń adaptacyjnych, jak również do bezpośredniej weryfikacji odnoszącej się do

zamontowanych w pojeździe już występujących na rynku urządzeń.

Stosowanie metody wykrywającej dyskomfort to ważny aspekt z perspektywy poruszania

się w ruchu ulicznym dla osób niepełnosprawnych, a dodatkowo przekłada się na wygodne

operowanie oprzyrządowaniem do kierowania pojazdem. Zdefiniowanie procedur stasowa-

nych podczas procesu adaptacyjnego powinno uwzględniać zachowanie funkcjonalności

urządzeń adaptacyjnych przy optymalnym ich umiejscowieniu w kabinie kierowcy. Zasto-

sowanie tych procedur przełoży się ponadto na ograniczenie czynnika dotyczącego zmęcze-

nia wynikającego z posługiwania się oprzyrządowaniem.

Bibliografia

1. Dahlke, G., Kamczyc, J., Rakowski, R. (2016). Diagnostyka i ocena ergonomiczności kabin samochodów

osobowych, Logistyka 3/2014. Forum Media Polska Sp. z o. o., Poznań.

2. Horst, W. (2008). Audit ergonomiczny miejsca pracy kierowcy autobusu miejskiego. Pod red. Horst W.,

Dahlke, G., w: Bezpieczeństwo pracy kierowców: uwarunkowania psychologiczne i ergonomiczne: Mo-

nografia / Praca zbiorowa. Wydawnictwo Instytutu Inżynierii Zarządzania Inżynierii Poznańskiej.

3. Grabarek, I. (2009). Ergonomia środków transportu – rzemiosło, nauka, sztuka. Prace Naukowe Politech-

niki Warszawskiej, z. 71, Transport. Warszawa, s. 57 – 73.

4. Zielińska, E.: (2015). Wybrane aspekty bezpieczeństwa ruchu drogowego w Polsce. Czasopismo Technika

Transportu Szynowego, Nº 12/2015, Wydawnictwo Instytut Naukowo Wydawniczy „TTS Sp. z o.o. Ra-

dom.

Discomfort measuring method of drivers with disabilities - results of preliminary research 79

5. Stasiak-Cieślak, B., Dziedziak, P., Sowiński, A., Jarosiński W. (2016): Kontrola techniczna pojazdów

z adaptacjami przeznaczonymi dla osób z niepełnosprawnościami. Pilotażowe badanie ankietowe wśród

diagnostów stacji kontroli pojazdów. ITS Warszawa, Transport Samochodowy 3 (3-), 89-106.

6. Wicher, J. (2004): Bezpieczeństwo samochodów i ruchu drogowego. Wydawnictwo Komunikacji i Łącz-

ności. Wydanie 2. Warszawa.

7. Koźma, M., Skitek, P., Sydor M. (2016). Ergonomiczne kryteria doboru dostosowań pojazdów osobowych

dla osób z dysfunkcją narządów ruchu część 1 i 2, Politechnika Poznańska, Uniwersytet Przyrodniczy

w Poznaniu, Transport Samochodowy 3, s.108-115, s.116-126.

8. Świderski, A. (2018). Inżynieria jakości w wybranych obszarach transportu. Instytut Transportu Samo-

chodowego. Warszawa, s. 32.

9. Świderski, A. (2016). Wybrane zagadnienia oceny jakości środków transportu samochodowego. Problemy

Jakości nr 11/2016. Wydawnictwo SIGMA-NOT. Warszawa, s. 6-10.

10. Stasiak-Cieślak, B., Szczepański, T., Ślęzak, M., Skarbek-Żabkin, A., Malawko, P. (2018). Pojazdy au-

tonomiczne, jako ułatwienie mobilności kierowców z niepełnosprawnością. Niepełnosprawność – Zagad-

nienia, problemy, rozwiązania. Tom 2. PFRON. Warszawa, s. 7-15.

11. Grabarek, I., Choromański, W. (2014). Wybrane zagadnienia projektowania innowacyjnych środków

transportu dostosowanych do osób o ograniczonej sprawności ruchowej. Zeszyty Naukowe Politechniki

Śląskiej – Seria: Transport 83. Katowice, s. 99-108.

12. Malawko, P., Szczepański, T., Stasiak-Cieślak, B. (2018). Wielofunkcyjność pojazdów przystosowanych

dla osób z niepełnosprawnością. Autobusy – Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe nr 12. Insty-

tut Naukowo-Wydawniczy „SPATIUM” Sp. z o. o.. Radom, s. 139-142.

13. Stasiak-Cieślak, B. (2018). Procedura doboru urządzeń adaptacyjnych wspomagających prowadzenie sa-

mochodu przez kierowcę z niepełnosprawnością. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport,

(121). Warszawa, s. 363–373.

14. Zabłocki, M., Sydor, M. (2018). Możliwości adaptacji samochodu dla kierowcy z dysfunkcją kończyn

dolnych. In: Mechanika w medycynie, red. M. Korzyński i J. Cwanek, Wydawnictwo Politechniki Rze-

szowskiej. Rzeszów, s. 287-296.

15. Szulz, B. (2007). Osoby niepełnosprawne w Unii Europejskiej – sytuacja i perspektywy. Seminarium 24.

Metoda pomiaru dyskomfortu wśród kierowców

z niepełnosprawnościami – wyniki badań wstępnych

Streszczenie. W artykule opisano badania związane z wykrywaniem odczucia przedwcze-

snego zmęczenia podczas prowadzenia pojazdu przez osoby niepełnosprawne. Na podstawie

przeprowadzonej analizy literatury dotyczącej problematyki prowadzenia pojazdów przez nie-

pełnosprawnych kierowców ze znacznym stopniem niepełnosprawności oraz na podstawie do-

świadczenia Autorów, wytypowano dwie grupy kierowców: z paraplegią i tetraplegią. Bada-

nia przeprowadzono na pojazdach wyposażonych w urządzenia następujących typów: uchwyt

zamocowany na kole kierownicy, urządzenie do ręcznej obsługi gazu i hamulca, automatyczna

skrzynia biegów. W celu identyfikacji zjawiska przedwczesnego zmęczenia opracowano: de-

finicję zjawiska, jego miary możliwe do wykorzystania w badaniach oraz dwie metody wy-

krywania. Niektóre miary miały charakter ilościowy, na przykład liczba wystąpień zjawiska

w określonej próbie statystycznej, a inne jakościowy, na przykład czas wystąpienia od mo-

mentu rozpoczęcia prowadzenia pojazdu. Metody badań obejmowały prowadzenie pojazdu

w rzeczywistym ruchu drogowym oraz na placu manewrowym. Testy prowadzone w ruchu

drogowym pokazywały rzeczywisty czas pojawiania się badanego zjawiska. Natomiast eks-

perymenty na placu manewrowym miały na celu intensyfikację wykonywanych przez kie-

rowcę operacji i w efekcie skrócenie czasu badania. Ocena poprawności wyników prezento-

wanej metody wykrywania odczucia przedwczesnego zmęczenia polegała na: ocenie zbieżno-

ści wyników badań z testów drogowych i z placu manewrowego, zgodności oceny badanych

urządzeń za pomocą poszczególnych miar badanego zjawiska oraz zbieżności wyników badań

80 Piotr Malawko, Marcin Ślęzak

Copyright © 2020 Malawko P. and Ślęzak M.

This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

z renomą poszczególnych urządzeń na rynku. Przeprowadzone badania pozwoliły na identy-

fikację urządzeń adaptacyjnych, które w największym oraz najmniejszym stopniu powodo-

wały odczucie przedwczesnego zmęczenia. Na tej podstawie, w odpowiednio dobranej próbie

badawczej kierowców z niepełnosprawnościami można oceniać ergonomię poszczególnych

urządzeń. Jednocześnie, przy zastosowaniu metody dla pojedynczej osoby, można oceniać

słuszność indywidualnego doboru urządzeń dla danego kierowcy.

Słowa kluczowe: BRD, ergonomia, urządzenia adaptacyjne, kierowcy z niepełnosprawnością

W U T J o u r n a l o f T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g

P R A C E N A U K O W E - P O L I T E C H N I K A W A R S Z A W S K A . T R A N S P O R T

ISSN: 1230-9265 vol. 128

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0906 2020

Article citation information:

Kowalik, P., Fabijański, M. (2020). Effect of biodegradable oil use on the mechanical properties of plastics

used in the railway surface, WUT Journal of Transportation Engineering, 128, 81-88, ISSN: 1230-9265,

DOI: 10.5604/01.3001.0014.0906

*Corresponding author

E-mail address: mfabijan@wp.pl (M. Fabijański)

ORCID: 0000-0003-3642-5214 (P. Kowalik), 0000-0001-6606-3416 (M. Fabijański)

Received 5 February 2020, Revised 17 March 2020, Accepted 2 April 2020, Available online 9 April 2020

Effect of biodegradable oil use on the mechanical

properties of plastics used in the railway surface

Paweł Kowalik1 , Mariusz Fabijański1,2* 1 Railway Research Institute, Materials and Structure Laboratory

2 Warsaw University of Technology, Faculty of Production Engineering

Abstract. The purpose of this study is to present the requirements, methodology, and results

of research on the impact of biodegradable oil on plastic components used in the construction

of a railway turnout. Briefly discussed are what railroad turnouts are, how they work, and what

problems occur with substances used for their lubrication. They have an impact on the me-

chanical properties and durability of products made of polymeric materials. These types of

materials absorb various kinds of chemicals, to a greater or lesser degree, and this affects their

properties. For the tests, we used a universal lubrication oil with biodegradable properties,

which is its most significant advantage. However, it may not cause deterioration of the turnout

operation and change the properties of materials used for its construction. These types of oils

require more frequent applications on cooperating components. We used the two most popular

polymer materials. The first is high-density polyethylene (HDPE), used to make all kinds of

rail spacers, dowels for fixing rails, sleeves, etc. The second, polyurethane (PUR) is most com-

monly used for rail pads of various shapes. The methodology and results of testing the impact

of a lubricant (biodegradable oil) on the change of mechanical properties such as strength and

hardness are presented. The tests were carried out at various temperatures; the time of exposure

to oil was seven days; the results were referred to samples conditioned under standard condi-

tions. The tests carried out on the impact of the biodegradable lubricant on polymeric materials

(HDPE and PUR) showed little effect on the change of strength parameters of these materials.

Keywords: lubricant, oil, mechanical properties, railway turnout, biodegradability, polymer

materials

1. Wstęp

W rozjazdach kolejowych występują elementy trące, które muszą być smarowane w celu

zmniejszenia oporów. Przez wiele lat w Polsce stosowano środki będące produktami ropo-

pochodnymi, które przyczyniały się do zanieczyszczenia mechanizmów rozjazdów i pod-

sypki mazistą substancją złożoną ze smaru, pyłu i substancji sypkich. Środki te, w wyniku

wypłukiwania przez deszcz stwarzały zagrożenie dla środowiska przedostając się do wód

82 Paweł Kowalik, Mariusz Fabijański

gruntowych i wody pitnej powodując ich zanieczyszczenie. Problemem było też to, że sto-

sowane preparaty były sezonowe – inne w okresie letnim, a inne w warunkach zimowych

[1, 2, 3].

Obecnie, jako zamienniki stosuje się biodegradowalne oleje i smary plastyczne, które nie

są uciążliwe dla środowiska naturalnego. Ulegają w nim rozkładowi do substancji prostych.

Z uwagi na ich biodegradowalny charakter, konieczne jest ich częstsze stosowanie. Tego

typu zamienniki są wielosezonowe.

W skład takich olejów wchodzą, między innymi np. syntetyczne estry oraz napełniacze

i stabilizatory. Natomiast smary to plastyczne substancje o konsystencji stałej, której pod-

stawowymi składnikami są: faza ciekła i zagęszczacz. Fazę ciekłą biodegradowalnego smaru

plastycznego stanowi olej bazowy, złożony z tłuszczy roślinnych i zwierzęcych oraz estrów

kwasów tłuszczowych i alkoholi monowodorotlenowych lub węglowodorowych. W skład

smarów plastycznych mogą też wchodzić różne dodatki uszlachetniające np. stabilizatory,

inhibitory korozji, inhibitory utleniania, dodatki adhezyjne czy środki zapachowe. Jako za-

gęszczacz stosuje się m.in. mydła (np. stearyniany litu, glinu, wapnia, sodu), zagęszczacze

nieorganiczne (smary bentonitowe czy krzemionkowe) czy polimerowe (najczęściej stoso-

wane są smary poliuretanowe) [3–7].

Rozjazd to specjalna konstrukcja wielotorowa wykonana z szyn, kształtowników stalo-

wych oraz innych elementów, umożliwiająca przejazd pojazdów kolejowych z jednego toru

na drugi z określoną prędkością. Wyróżnia się następujące rodzaje rozjazdów: zwyczajny,

podwójny, krzyżowy z iglicami wewnątrz czworoboku rozjazdu, krzyżowy z iglicami na

zewnątrz czworoboku rozjazdu, łukowy. Rozjazd zwyczajny składa się ze zwrotnicy, szyn

łączących oraz krzyżownicy z kierownicami i szynami tocznymi. Poszczególne zespoły roz-

jazdu są przytwierdzone do podrozjazdnic strunobetonowych, drewnianych lub stalowych.

Iglice służą do kierowania pojazdu szynowego na tor zasadniczy lub zwrotny [4, 10].

Na podrozjazdnicach w obszarze przesuwania się iglic są zamocowane siodełka podigli-

cowe, po których przesuwają się iglice. Siodełka te smaruje się w celu zmniejszenia tarcia

przy przesuwaniu się iglic oraz wyciszenia pracy zwrotnicy [4].

2. Wymagania dla środków do smarowania części trących

w rozjazdach kolejowych

Niewłaściwy skład lub nieodpowiedni dobór środka smarnego może mieć negatywny

wpływ na materiały konstrukcyjne układów, z którymi ma on kontakt. Może to być spowo-

dowane niewłaściwymi warunkami pracy, niekompatybilnością dodatków i materiałów czy

też nieodpowiednim procesem technologicznym [5–13]. W celu przeciwdziałania takim zja-

wiskom ustalono, że środki smarne powinny posiadać następujące cechy:

brak zagrożenia dla ludzi i środowiska w normalnych warunkach eksploatacji,

nie powinny działać korozyjnie, lecz chronić przed korozją,

efektywne minimalizowanie kontaktu metal-metal,

zabezpieczanie części trących w rozjeździe przed przymarzaniem,

zabezpieczanie przed dostępem wody, wilgoci i sypkich zanieczyszczeń,

zmniejszanie oporów przestawiania zwrotnic,

uleganie biodegradacji.

Effect of biodegradable oil use on the mechanical properties of plastics used in the railway surface 83

Uwzględniając powyższe cechy opracowano wymagania, które określa dokument „Wa-

runki dopuszczenia do stosowania na liniach kolejowych zarządzanych przez Polskie Linie

Kolejowe S.A. środków do smarowania części trących w rozjazdach kolejowych Ir-27” [13].

Określono w nim:

wymagania, jakie muszą spełniać środki do smarowania części trących w rozjazdach,

zasady uzyskania dopuszczenia do stosowania ww. środków w PKP PLK S.A.

Wymagania w zakresie właściwości fizyko-chemicznych określa Załącznik nr 1 do ww.

dokumentu. Są one zestawione w Tabeli 1 [13].

Kryteriami oceny środka smarnego oprócz spełnienia ww. właściwości fizyko-chemicz-

nych są:

oznaczanie maksymalnego oporu przestawiania zwrotnic (badanie to wykonuje się po

uzyskaniu przez badany produkt pozytywnych wyników wszystkich ww. badań właści-

wości fizyko-chemicznych),

łatwość stosowania (sposób przygotowywania preparatu do aplikacji),

ocena zachowania w trakcie badań eksploatacyjnych.

3. Materiały do badań

Środek smarujący

W badaniach został użyty środek do smarowania wiodącego producenta tego typu wyro-

bów. Jest to uniwersalny olej do smarowania zawierający specyficzne składniki, które po-

wodują doskonałą odporność na utlenianie, zawierający dodatki przeciwzużyciowe oraz do-

datki przeciw pienieniu. Odznacza się również biodegradowalnością, co znacząco podnosi

jego atrakcyjność.

Materiały polimerowe

Do badań zostały wytypowane dwa materiały stosowane w budowie nawierzchni kolejo-

wej, jest to polietylen dużej gęstości (HDPE) i poliuretan (PUR). Tworzywa te przeznaczone

są do produkcji przekładek podszynowych stosowanych w nawierzchni kolejowej. Próbki

do badań, w postaci beleczek i krążków, zostały przygotowane zgodnie z aktualnie obowią-

zującymi normami w tym zakresie. Próbki zostały wykonane w technologii wtrysku.

Metodyka badań

Otrzymane próbki do badań, w postaci wiosełek o kształcie zgodnym z normą [14], kli-

matyzowano przez okres 24 godzin w temperaturze (23 ±2) °C i wilgotności (50 ±5)%.

Po tym czasie próbki rozdzielono na trzy grupy:

1) próbki odniesienia,

2) próbki wystawione na ekspozycję smaru w temperaturze 20 °C,

3) próbki wystawione na ekspozycję smaru w temperaturze 40 °C.

Po podziale, próbki przeznaczone do środka smarnego zostały w nim umieszczone po-

przez całkowite zanurzenie i poddane jego działaniu przez okres 7 dni. Próbki odniesienia

zostały pozostawione w komorze klimatycznej.

Po siedmiu dniach próbki zostały oczyszczone z resztek środka smarnego i ponownie

wstawione do klimatyzacji na okres 24 godzin w ww. warunkach. Następnie dokonano

oceny zmiany cech wytrzymałościowych w próbie statycznego rozciągania, którą przepro-

wadzono zgodnie z normą [14] oraz oznaczono twardość za pomocą metody wciskania kulki

zgodnie z normą [15] dla HDPE i metodą Shore’a „A” dla PUR zgodnie z normą [16].

84 Paweł Kowalik, Mariusz Fabijański

Tabela 1. Wymagania fizyko-chemiczne dla środków do smarowania rozjazdów kolejo-

wych zgodnie z Załącznikiem nr 1 do Instrukcji Ir-27 (źródło: [13])

Właściwości Metoda badania

Wymagania

Olej Smar plastyczny

Gęstość [g/cm3] PN-EN ISO 3675:2004

PN-EN ISO 3838:2008

Zgodność z deklaracją producenta ±10%

Lepkość [mm2/s] PN-EN ISO 3104:2004

Zgodność z de-

klaracją produ-

centa ±10%

–

Temperatura kroplenia [°C] PN-ISO 2176:2011 – ≥ 120

Temp. krzepnięcia [°C] PN-C-04016:1955 ≤ 40 –

Temperatura zapłonu [°C] PN-EN ISO 2592:2008

PN-EN ISO 2719:2007 ≥ 110

≥ 110 (dla oleju ba-

zowego)

Penetracja [1/10 mm]:

w temp. 25 °C

w temp. 30 °C

PN-ISO 2137:2011 –

≥ 265

≥ 220

Stabilność mechaniczna [%] ASTM D1831 – ≤ 4

Statyczne wydzielanie oleju uby-

tek masy badanej próbki w cza-

sie 30 h w temp. 40 °C [%]

PN-V-04047:2002 – ≤ 5

Zawartość wody [% (m/m)] PN-EN ISO 9029:2005 ≤ 0,3 ≤ 0,3

Działanie korodujące na metale:

miedź i stal PN-C-04093:1985

≤ 1b

wytrzymuje badania

Właściwości smarne: obciążenie

zespawania Pz [daN] PN-C-04147:1976 ≥ 150

Działanie agresywne na niemeta-

lowe elementy rozjazdu kolejo-

wego [%]

PN-EN ISO 527-1:2012

PN-EN ISO 2039-1:2004

PN-C-04238:1980

≤ 15

Stopień biodegradacji (rodzaj ba-

dania do wyboru)

CEC-L-103-12

(po 21 dniach) ≥ 80

OECD serii 301 C

(po 28 dniach)

≥ 70% rozpuszczonego węgla orga-

nicznego

≥ 60% biochemicznego zapotrzebo-

wania tlenu (BZT) lub wytworzonego

CO2

Okres 10-dniowy

Odporność na działanie wody PN-C-96013:2014-03 – wytrzymuje bada-

nie

4. Wyniki badań i ich omówienie

W tabeli 2 podano wyniki HDPE dla próby prowadzonej w temperaturze 20 °C. W tym

przypadku zmiana wytrzymałości materiału wyniosła, w stosunku do próby odniesienia

tylko 1,9%. Można stwierdzić, że zmiana ta jest nieznaczna i mieści się w granicach błędu

występującego podczas wykonywania testu.

Effect of biodegradable oil use on the mechanical properties of plastics used in the railway surface 85

Tabela 2. Zmiana wytrzymałości wiosełek z HDPE na rozciąganie dla próby działania

oleju przez 7 dób w temperaturze 20 °C

Wytrzymałość na rozciąganie

(próba odniesienia)

[MPa]

Wytrzymałość na rozciąganie

po działaniu oleju przez 7 dób

o temp. 20 °C

[MPa]

Zmiana wytrzymałości

na rozciąganie

[%]

15,52 0,50 15,23 0,49 1,9

W Tabeli 3 podano wyniki zmiany wytrzymałości dla próby, gdy HDPE był poddany

ekspozycji na środek smarny przez okres 24 godzin i temperaturze 40 °C.W tym przypadku

zmiana wytrzymałości wyniosła 2,9%. Jest to wartość wyższa niż w przypadku oddziaływa-

nia środka w temperaturze 20 °C, ale nadal zmiana ta jest niewielka dla tego typu materiału.

Tabela 3. Zmiana wytrzymałości wiosełek z HDPE na rozciąganie dla próby działania

oleju przez 7 dób w temperaturze 40 °C

Wytrzymałość na rozciąganie

(próba odniesienia)

[MPa]

Wytrzymałość na rozciąganie

po działaniu oleju przez 7 dób

o temp. 20 °C [MPa]

Zmiana wytrzymałości

na rozciąganie

[%]

15,52 0,50 15,07 0,49 2,9

W tabelach 4 i 5 podano odpowiednio wyniki zmiany twardości HDPE poddanego dzia-

łaniu środka smarnego odpowiednio w temperaturze 20 °C i 40 °C. Zarejestrowane zmiany

twardości materiału poddanego oddziaływaniu, w stosunku do próby odniesienia są nie-

znaczne i mieszczą się w graniach błędu statystycznego. Wynoszą odpowiednio 1,5% dla

temperatury 20 °C i 0,3% dla temperatury 40 °C. Na podstawie uzyskanych wyników można

stwierdzić, że badany środek smarny praktycznie nie ma wpływu zmianę twardości HDPE.

Taką samą procedurę badań przeprowadzono dla PUR. W Tabelach 6 i 7 przedstawiono

wyniki uzyskane w próbie statycznego rozciągania. W tym przypadku wyniki zmian wy-

trzymałości wynoszą odpowiednio 4,7% dla próby ekspozycji w temperaturze 20 °C przez

7 dób i 8,5% dla próby ekspozycji w temperaturze 40 °C. Zaobserwowane zmiany są już

wyraźne, jednak wartości te, nie są tak duże, aby dyskwalifikować zarówno smar jak i PUR

z zastosowań.

Tabela 4. Zmiana twardości HDPE dla próby działania oleju przez 7 dób w temp. 20 °C

Twardość

(próba odniesienia),

[MPa]

Twardość po poddaniu próbek działaniu oleju

przez 7 dób o temp. 20 °C,

[MPa]

Zmiana twardości,

[%]

14,20 1,25 14,41 0,34 1,5

86 Paweł Kowalik, Mariusz Fabijański

Tabela 5. Zmiana twardości HDPE dla próby działania oleju przez 7 dób w temperaturze

40 °C

Twardość

(próba odniesienia)

[MPa]

Twardość po poddaniu próbek działaniu

oleju przez 7 dób o temp. 40 °C

[MPa]

Zmiana twardości

[%]

14,20 1,25 14,24 0,80 0,3

Tabela 6. Zmiana wytrzymałości PUR na rozciąganie dla próby działania oleju przez 7 dób

w temperaturze 20 °C

Wytrzymałość na rozciąganie

(próba odniesienia)

[MPa]

Wytrzymałość na rozciąganie po poddaniu

próbek działaniu oleju przez 7 dób

o temp. 20 °C

[MPa]

Zmiana wytrzymałości

na rozciąganie

[%]

7,52 0,17 7,17 0,23 4,7

Tabela 7. Zmiana wytrzymałości PUR na rozciąganie dla próby działania oleju przez 7 dób

w temperaturze 40 °C

Wytrzymałość na rozciąganie

(próba odniesienia)

[MPa]

Wytrzymałość na rozciąganie po poddaniu

próbek działaniu oleju przez 7 dób o temp.

40 °C

[MPa]

Zmiana wytrzymałości

na rozciąganie

[%]

7,52 0,17 6,88 0,22 8,5

W przypadku zmiany twardości PUR dla obu prób zmiana ta jest niewielka i mieści się

w granicach błędu statystycznego. Wyniki przedstawiono w Tabelach 8 i 9.

Tabela 8. Zmiana twardości PUR dla próby działania oleju przez 7 dób w temperaturze

20 °C

Twardość bez poddania

próbek działaniu oleju,

Sh „A”

Twardość po poddaniu próbek działaniu

oleju przez 7 dób o temp. 20 °C, °

Sh ”A”

Zmiana twardości

[%]

89,0 2,0 89,3 2,0 0,3

Tabela 9. Zmiana twardości PUR dla próby działania oleju przez 7 dób w temperaturze

40 °C

Twardość bez poddania pró-

bek działaniu oleju,

Sh „A”

Twardość po poddaniu próbek działaniu

oleju przez 7 dób o temp. 40 °C,

Sh „A”

Zmiana twardości,

[%]

89,0 2,0 88,3 2,0 0,8

Effect of biodegradable oil use on the mechanical properties of plastics used in the railway surface 87

5. Podsumowanie

Trące elementy w rozjazdach kolejowych wymagają smarowania. Powszechnie stoso-

wane środki smarne są produktami ropopochodnymi i przyczyniają się do zanieczyszczenia

środowiska. Badania wskazują, że jeden litr oleju zanieczyszcza aż tysiąc litrów wody [17,

18]. Stosowanie biodegradowalnych środków smarnych przyczynia się znacząco do zmniej-

szenia uciążliwego oddziałania na otoczenie.

Przeprowadzone badania oddziaływania biodegradowalnego środka smarnego na two-

rzywa polimerowe (HDPE i PUR) stosowane w nawierzchni kolejowej, wykazały niewielki,

pomijalnie niski wpływ na zmianę parametrów wytrzymałościowych tych materiałów.

Bibliografia 1. Naduk, E., Milczarek, D. (2016). Wymagania dotyczące środków do smarowania rozjazdów kolejowych.

Prace Instytutu Kolejnictwa, 149, 22-26.

2. Naduk, E. (2015). Wybrane problemy korozji w taborze szynowym i infrastrukturze. Problemy Kolejnic-

twa, 167, 51-55.

3. Smary plastyczne [w:] Przemysłowe środki smarne. Poradnik firmy Total Polska http://produkty.total-

polska.pl/wiedza/rozdzial%2019.pdf

4. Korab, D. (2016). Nowe rozwiązania konstrukcyjne rozjazdu krzyżowego podwójnego na podrozjazdni-

cach strunobetonowych. Przegląd Komunikacyjny, 5, 4-8.

5. Instrukcja o oględzinach, badaniach technicznych i utrzymaniu rozjazdów Id-4, tekst ujednolicony

uwzględniający zmiany wprowadzone Zarządzeniem Nr 50/2015 Zarządu PKP Polskie Linie Kolejowe

S.A. z dnia 24 listopada 2015 r., Warszawa 2015 r.

6. Fabijański, M., Milczarek, D. (2013): Oddziaływanie substancji chemicznych na materiały polimerowe

stosowane w transporcie kolejowym. Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej - Transport. Transport,

2013, 98, 137-148.

7. Fabijański, M. (2013). Wpływ środowisk agresywnych na właściwości popularnych materiałów polime-

rowych stosowanych w transporcie szynowym, Problemy Kolejnictwa, 158, 51-67

8. Fabijański, M. (2014). Właściwości poliamidu przeznaczonego na wkładki dociskowe stosowane w przy-

twierdzeniu sprężystym szyn. Problemy Kolejnictwa, 165, 21-33

9. Nowak, W., Fabijański, M. (2014). Wpływ działania podwyższonej temperatury na wyroby z materiałów

polimerowych. Opakowanie, (01).

10. Korab, D. (2005). Droga kolejowa – nawierzchnia (rozjazdy). Rynek Kolejowy nr 2/2005.

11. Fabijański, M. (2010). Badania nowych kompozycji poliamidowych przeznaczonych na wkładki doci-

skowe stosowane w przytwierdzeniu sprężystym szyn, Prace Instytutu Kolejnictwa, 144, 47.

12. Fabijański, M. (2010). Podstawy recyklingu materiałów w transporcie szynowym ze szczególnym

uwzględnieniem tworzyw sztucznych, Problemy Kolejnictwa, 15, 19-27

13. Warunki dopuszczenia do stosowania na liniach kolejowych zarządzanych przez PKP Polskie Linie Kole-

jowe S.A. środków do smarowania części trących w rozjazdach kolejowych Ir-27, Warszawa 2016.

14. PN-EN ISO 527-2: 2012 Tworzywa sztuczne - Oznaczanie właściwości mechanicznych przy statycznym

rozciąganiu. Część 2: Warunki badań tworzyw sztucznych przeznaczonych do prasowania, wtrysku i wy-

tłaczania.

15. PN-EN ISO 2039-1:2004 Tworzywa sztuczne. Oznaczanie twardości. Część 1: Metoda wciskania kulki.

16. PN-C-04238:1980 Guma – Oznaczanie twardości wg metody Shore’a.

17. Górka, K., Poskrobko, B., Radecki, W. (2001). Ochrona środowiska. Polskie Wydawnictwo Ekonomiczne.

18. Macuda, J., Solecki, T. (2006). Zanieczyszczenie wód podziemnych substancjami węglowodorowymi w

rejonie rafinerii ropy naftowej. Wiertnictwo, Nafta, Gaz, 23, 313-318.

88 Paweł Kowalik, Mariusz Fabijański

Copyright © 2020 Kowalik P. and Fabijański M.

This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License

Odziaływanie biodegradowalnego oleju na właściwości

mechaniczne tworzyw sztucznych stosowanych

w nawierzchni kolejowej

Streszczenie. Celem niniejszego opracowania jest przedstawienie wymagań, metodyki oraz wyników

badań oddziałania biodegradowalnego oleju na elementy z tworzyw sztucznych stosownych w budowie

rozjazdu kolejowego. Krótko omówiono czym są rozjazdy kolejowe i jak działają oraz jakie występują

problemy z substancjami używanymi do ich smarowania, które nie pozostają bez wpływu na właściwo-

ści mechaniczne i trwałość wyrobów z materiałów polimerowych. Materiały tego typu wchłaniają róż-

nego rodzaju substancje chemiczne w większym lub mniejszym stopniu, a to ma wpływ na ich właści-

wości. Do badań został wykorzystany uniwersalny olej do smarowania o biodegradowalnych właści-

wościach, co jest jego największą zaletą. Jednak nie może on powodować pogorszenia pracy rozjazdu

oraz zmieniać właściwości materiałów użytych do jego budowy. Tego typu oleje wymagają częstszego

aplikowania na elementy współpracujące ze sobą. W pracy wykorzystano dwa najbardziej popularne

materiały polimerowe. Pierwszy to polietylen o dużej gęstości (HDPE), z którego wykonuje się wszel-

kiego rodzaju przekładki podszynowe, dyble do mocowania szyn, tuleje, itp. Drugi to poliuretan (PUR)

stosowany najczęściej na przekładki podszynowe o różnym kształcie. Zaprezentowano metodykę i wy-

niki badań oddziaływania środka smarnego (biodegradowalnego oleju) na zmianę właściwości mecha-

nicznych takich jak wytrzymałość oraz twardość. Badania zostały przeprowadzone w różnych tempe-

raturach, a czas ekspozycji na olej wynosił 7 dób, wyniki odniesiono do próbek klimatyzowanych

w standardowych warunkach. Przeprowadzone badania oddziaływania biodegradowalnego środka

smarnego na tworzywa polimerowe (HDPE i PUR), wykazały niewielki wpływ na zmianę parametrów

wytrzymałościowych tych materiałów.

Słowa kluczowe: smar, olej, właściwości mechaniczne, rozjazd kolejowy, biodegradowalność, HDPE,

PUR