Пропускная способность железнодорожной сети

Эта страница предназначена для теоретического рассмотрения пропускной способности. Развязки и работа сети в целом имеют гораздо большее значение. Ниже приведены различные факторы, которые влияют на пропускную способность.

Расстояние между сигналами (Signal Distance, SD)

Это довольно очевидно. Широко расставленные cигналы приводят к низкой пропускной способности. Если сигналы расставлены через каждые N клеток, то минимальное расстояние между поездами, идущими с максимальной скоростью не может быть меньше, чем N+1 (Рис. 1). Если на диагональном пути сигналы расставлены через 2N "полуклетки" или N "полных клеток", то минимальное расстояние не может быть меньше, чем 2N+1 "полуклеток" или N+1/2 "полных клеток". Когда поезда находятся настолько близко, достигается максимальная теоретическая плотность следования поездов. На практике достижение такого результата невозможно.

Рис. 1: Минимальное расстояние между поездами равно пяти при SD равном четыре клетки

Рис. 2: Неэффективное расстояние между сигналами

Очень важным моментом является постоянство SD. Так, для пути, у которого сигналы выставлены через каждые две клетки, но при этом имеющим единственное аномальное расстояние в три или четыре клетки, будет иметь значительно меньшую пропускную способность и потенциально может создать затор и нарушить правило 1 (Рис. 2). Помните, что это также справедливо для поворотов и соединений/разветвлений путей.

Рис. 3: Ниже: Знаки выставлены каждую клетку; Выше: Знаки выствлены каждые полклетки.

Диагональный путь

В OpenTTD, поезда движутся медленнее на диагональных путях (Спасибо SmatZ!), и поэтому требуют большей плотности сигналов для предотвращения заторов. Важно, чтобы расстояние между поездами (не между сигналами (SD)) на прямом и диагональном путях было одинаково настолько, насколько это возможно. В противном случае поезда будут застревать при переходе от прямого к диагональному или от диагонального к прямому пути.

Рис. 4: Теорема Пифагора.

Быстрый эксперимент показал, что поезд проходит по прямой расстояние в 2 клетки за такое же время, как этот же поезд по диагонали расстояние в 3 "полуклетки". Таким образом, при использовании определенных настроек авторасстояния между сигналами, вероятно, придется вручную увеличивать это расстояние на каждом угловом пути.

Следующие примеры были созданы в предположении, что длина поезда также меняется на диагональном пути. По видимому, это истинно только для некоторых NewGRF (если я правильно помню, это верно для JapanSet и неверно для поездов по умолчанию.)

• Значение 3 настройки авторасстояний дает минимальное расстояние между поездами 4. Это значит, что минимальное расстояние между поездами на диагональном пути равно 6 "полуклеткам", которое может быть достигнуто при расположении сигналов через каждые 5 "полуклеток" (или при двойном размещении сигналов с настройкой авторасстояния при значении 5).

• Значение 2 настройки авторасстояний дает минимальное расстояние между поездами 3. Этому соответствует минимальное расстояние между поездами 4,5 "полуклетки". Диагональное расстояние между поездами, равное 5 "полуклеток" может быть достигнуто путем размещения сигналов через каждые 4 "полуклетки" или при значении настройки автосигнала около 2. Диагональное расстояние между поездами, равное 4 "полуклетки", может быть достигнуто путем размещения сигналов через каждые 3 "полуклетки" (или при двойном размещении сигналов с настройкой авторасстояния при значении 3). Несмотря на то, что такое расстояние между сигналами не в полной мере соответствуют друг другу, отклонение между прямым и диагональными путями всего 1/3 клетки, поэтому одинаковые настройки авторасстояния могут быть использованы для прямого и диагонального путей.

• Значение 1 настройки авторасстояний дает минимальное расстояние между поездами 2. Этому соответствует минимальное расстояние между поездами на диагональном пути равно 3 "полуклеткам", которое может быть достигнуто при расположении сигналов через каждые 2 "полуклеток" или при размещении сигналов с настройкой авторасстояния при значении 1. Здесь также используются одинаковые настройки авторасстояния для прямого и диагонального путей.

Итак, какое же SD следует использовать?

• Две клетки

Это дает минимальное расстояние между поездами в 3 клетки, что является оптимальным решением, полученным на практике.

• Одна клетка

Это чревато проблемами. Даже развилка приводит к пропуску сигналов. Можно соединить диагональные пути с SD = 1, но это приведет к значительному усложнению постройки.

• Половина клетки

На диагональных путях возможна двойная плотность размещения сигналов. Теоретически, это могло бы быть полезным для того, чтобы срезать пару миллиметров в определенных ситуациях. Очевидно, самый большой недостаток при SD равном половине клетки, это то, что на прямых участках расстояние между клетками будет больше.

Вне зависимости от того, какое SD выбрано, следует быть постоянным. При постоянном SD = 2 и единственном зазоре между сигналами 3 на часто используемых путях возможно образование заторов. Следовательно, такая сеть может иметь меньшую пропускную способность, чем сеть с постоянным SD = 3.

Длина поезда (Train Length, TL)

Это палка о двух концах. Более длинные поезда в большей степени подвержены замедлению в реалистичной модели ускорения, что делает строительство более разветвлённым и сложным. Но при этом более длинные поезда имеют большую грузоподъемность, что увеличивает грузопоток сети. Следует обратить внимание, что при использовании тяговых локомотивов, которые имеют переднюю и заднюю секции, TL уменьшается еще на полклетки, из-за чего короткие поезда ещё менее привлекательны.

Для высокоскоростных сетей нормальным значением TL является от 2 до 5 клеток. Значение 4 является предпочтительным на практике, так как при SD = 2 и TL = 4 ускорение с места имеет меньшее время реакции, чем поезда с нечётной длиной.

Количественные характеристики грузопотока

Сеть будет содержать определенное количество поездов. При наличии стандартной длины поезда, можно определить некоторые измеряемые показатели.

Плотность движения поездов, (Train Density, TD)

Выражается в единицах поездов на тысячу клеток и может быть вычислена путем подсчета количества поездов на пути, делённым на длину пути.

Типичное значение показателя для неоптимизированной сети при TL = 4 клетки составляет TD = 25 (поездов на тысячу клеток).

Максимальная плотность движения поездов перед заторами становится самораспространяющейся. Она может быть измерена путем выстраивания очереди поездов, разгона из неподвижного состояния из измерения расстояния между поездами, когда все поезда достигли максимальной скорости. Значение определяется по формуле:

1000 / (TL + расстояние между поездами)

Например, для полностью груженого 4-клеточного Lev4 'Chimaera' (топовые маглевы) было установлено, что расстояние между поездами равно 12 клеток, что дает TD = 1000/16 = 62,5.

Поскольку TD включает в себя информацию об ускорении и времени, необходимом для достижения максимальной скорости, она также может многое сказать о практических возможностях сети. Например, при использовании медленных поездов, легче создать более плотный поток. Среднее расстояние между поездами гораздо меньше для железнодорожных поездов, чем для монорельсовых или маглевов. Выполнив предыдущий пример для электропоезда T.I.M получим, что расстояние между поездами равно всего 6 клеток, а критическая плотность движения равна 100. Однако, медленнее не значит лучше - более низкая плотность движения на линии будет компенсирована меньшими сроками доставки.

Есть возможность запустить сеть с плотностью движения более высокой, чем критическая, но это опрометчиво.

Теоретически максимальная плотность движения поездов

Проще говоря, это плотность движения поездов, при которой сеть полностью заполнена поездами при минимальном расстоянии между ними. На практике достичь этого невозможно.

Она вычисляется по формуле:

1000 / (TL + SD + 1)

Например, для 4-хклеточного поезда при расстоянии между сигналами 2 клетки теоретически максимальная плотность движения поездов равна 140.

Грузопоток (Carrying Capacity, CC)

Поскольку TL изменяет грузопоток на линии, постольку сравнивать TD при разных значениях TL бессмысленно. Для оценки эффективности различных вариантов построения сети, требуется использовать другой измерительный показатель. Это будет мера того, сколько единиц груза сеть перевозит в год на путь. Она прямо пропорциональна количеству груза на единицу клетки поезда, а также как быстро этот груз движется.

CC_day = TC / ( TL + TG ) * v_travel
CC_day = TC / ( TL + TG ) * v_kmh * 74*2/16/256*1.00584
CC_day = TC / ( TL + TG ) * v_mph * 74*2/16/256/1.6

CC_day = грузопоток [в единицах груза в день], показывает как много груза может пересечь клетку в течении одного дня. Это среднее значение груза подано в начале пути и доставлено к конечному пункту.

TC = Train Capacity, вместимость поезда [в единицах груза], показывает, сколько груза входит в один поезд.

v_travel = скорость [в клетках/день], v_kmh = скорость [в км/ч] и v_mph = скорость [в милях/ч] скорость движения поезда.

TG = Train Gap, расстояние между поездами [в клетках]. Для схемы пути, которая не вводит поездов для формирования потока высокой плотности движения это критическое расстояние.

TL = длина поезда [в клетках].

Для поезда (Chimaera):

CC_day=47*6*402/16*0,0056=40 Пассажиров/день 
или
CC_day=27*6*402/16*0,0056=23 Мешков с драгоценностями/день

Для поезда (T.I.M.):

CC_day=40*6*150/10*0,0056=20 Пассажиров/день
или
CC_day=20*6*150/10*0,0056=10 Мешков с драгоценностями/день

Улучшение эффективности работы сети

Итак, когда определены параметры, которые интуитивно понятны, можно использовать их для улучшения работы железнодорожной сети. Золотое правило №1 гласит, что поезда никогда не должны замедляться. Есть два возможных участка сети, где это может всё же произойти: разветвление путей и их слияние.

Разветвление пути

При разветвления сети следует следить, чтобы расстояния между сигналами не были бы больше, чем обычно. Это можно обеспечить тщательным размещением сигналов. Иногда даже избыточным.

Слияние путей

Слияние путей вызывает уникальные проблемы. При самом простом слиянии, поезда, двигающиеся по магистральным путям, могут быть остановлены поездом с бокового пути. Есть некоторый объем работы на openttdcoop.org, составленный при сотрудничестве с нашими коллегами. Информация по ссылке дает представление о приоритете прохождения слияний путей.

Мы остановимся на неразветвлённых путях, соединяющих перегонными станциями. Хотя развязки являются хорошо проработанной областью, вы поймёте, что высокооптимизированный поток не сможет хорошо проходить через них.

🔍

Рис. 5: Разгрузка плотного потока и его сборка заново

Обратите внимание, что если разгрузка товара занимает одинаковое время, есть возможность расщепить, а затем заново собрать плотный поток поездов, даже при вышеупомянутой критической плотности движения. (рис. 5)

Теперь рассмотрим типичное, не пересекающееся слияние путей на выходе из станции. Плотно упакованный поток поездов входит на станцию, но из-за различий во времени погрузки, этот порядок нарушается на выходе из станции, в итоге получается два потока слабо упакованных поездов. Одна из линий, назовем её главной, будет иметь, в среднем, достаточно места между поездами, чтобы вместить между ними ещё и третий поезд. Обычное соединение двух линий вместе работать не будет, требуется знать приоритет слияния на путях.

🔍

Рис. 6: Слияние путей с приоритетом.

При прохождении первого слияния путей с приоритетом, при помощи приоритетного блока можно сократить соотношение трафика от 1:1 до 3: в пользу главного пути. (рис. 6). Когда поезд с боковой колеи решает повернуть на главную, он ещё какое-то время должен проехать до двухстороннего входного пресигнала. Если в этот промежуток поезд на главной колее въедет в зону приоритета, то он зажжёт красный свет двойного пресигнала, перед которым остановится поезд с боковой колеи, заблокировав боковую колею и далее с высокой вероятностью создаст затор на основной колее из-за того, что будет въезжать на низкой скорости. Для того, чтобы избежать этого, дополнительно к приритетному блоку добавлен ещё один выходной пресигнал, соединяющийся с боковой колеёй, который зажигает зелёный свет двустороннего пресигнала прямо перед подошедшим к нему поездом.

Добавление второго слияния пути сразу после первого было бы бесполезно, поскольку поезда на обеих линиях двигались бы с одинаковой скоростью, а поезда на главном пути опять перехватывали бы приоритет. Если ввести задержку потока добавив небольшой крюк перед вторым слиянием путей с приоритетом, это позволит уменьшить количество поездов на боковой линии и заполнить большую часть слотов на главном пути. Есть решения с использованием предускорения поезда, но использование циклотрона избавит от необходимости терять импульс.

Циклотроны

Предположим, что боковая колея замыкается обратно на себя после неудачного приоритет слияния. Поезд в этом цикле будет повторять проверку возможности перехода на главную колею каждые 8 ​​*TL клеток, пока не обнаружит место, достаточное, чтобы перейти на неё. После того, как циклотрон освободится, следующий ожидающий поезд может заранее ускориться и войти в циклотрон, повторяя цикл. Эта система имеет некоторые недостатки, так как циклотрон вмещает один поезд, и будет много упущенных возможностей из-за того, что поезда находятся в неправильном положении в ускорителе.

🔍

Рис. 7: Простейший циклотрон

.

Можно улучшить циклотрон. Места в кольце достаточно для двух поездов, а система приоритетных сигналов при желании позволит запустить второй поезд в циклотрон. С двумя поездами в циклотроне, будут удвоены шансы найти место на магистрали. В целях предотвращения заторов внутри циклотрона (которые будут иметь катастрофические последствия), необходимо подкорректировать некоторые задержки, но это в результате принесёт большую пользу.

Задержка впуска предполагает, что второй поезд ускоряется с места, но есть небольшой шанс, что второй поезд проедет вход циклотрона на полной скорости. В этом случае синхронизация будет нарушена и он почти наверняка вызовет затор в циклотроне (и, следовательно, на основной линии). Это может быть компенсировано за счет дополнительной сигнализации для фильтрации поездов на полной скорости. Отфильтрованные поезда могут быть либо приостановлены сигналом, либо направлены на другую петлю. Используя последовательно несколько петель циклотронов, можно обрабатывать неограниченное количество поездов (рис.8).

🔍

Рисунок 8: циклотрон, состоящий из двух последовательных колец

Также здесь можно посмотреть последовательные циклотроны для оригинальной модели ускорения.

🔍

Рисунок 9: полнофункциональный циклотрон, левосторонние сигналы

Циклотрон показан на рисунке 9.

Хотя было сделано много улучшений этого циклотрона, эксперименты показали, что система предускорения является более надёжной.

Параллельные циклотроны

Попытка свести к минимуму недостатки полнофункционального циклотрона приводит к параллельным, небольшим циклотронам вместимостью в 1 поезд. В этом случае, массив таких циклотронов может заполняться одновременно. Они могут иметь различные размеры петли в целях предотвращения синхронизации между зацикленными поездами, давая больше шансов найти место в потоке основной линии. Каждая петля всё ещё нуждается в собственной полосе ускорения, чтобы поезда входили в цикл на полной скорости. Если поезд случайно войдёт в цикл на низкой скорости, он получит шанс присоединиться к основной линии не на максимальной скорости и, возможно, привести к большой пробке.

🔍

Рисунок 9: Параллельный циклотрон

На рисунке 9 показан параллельный циклотрон с двумя петлями.

Преимущества по сравнению с полнофункциональным циклотроном:

• Может обрабатывать более двух поездов
• Более частые попытки перейти на основную линию
• Нет необходимости синхронизации циклов поездов
• Легче построить и помнить

Недостатки:

• Больше при использовании более чем одной петли

Триггер

Триггер позволяет контролировать, когда поезд может покинуть станцию. Это существенно увеличивает вместимость колеи. Можно использовать триггер, чтобы несколько поездов покидали станцию через определённые промежутки времени. После того, как они ускорятся, можно совместить их на одной колее. Так как промежутки между ними всегда одинаковы, слияние всегда пройдёт успешно.

Этот набор скриншотов показывает сам триггер. Основная часть это кольцевая колея (A). Она разделена на четыре сегмента маршрутными сигналами. Поезд ездит по кругу (B). Две контрольные точки использованы, чтобы он продолжал движение. Длина поезда такова, что он почти покрывает три сегмента круга. Наконец, у каждого сегмента есть выход (C). Чтобы показать концепцию, на каждой колее был поставлен светофор. Когда поезд едет, каждый светофор будет зажигать зелёный свет на короткое время.

A: Кольцевая колея, поделённыя на сегменты

B: Сегментированная кольцевая колея с поездом

C: Завершённый триггер с коллекторами

Теперь триггер подключен к станции с высокой отдачей. У станции 16 платформ, каждая длиной 9 клеток. Четыре колеи отходят от станции. Позже они соединяются в две:

🔍

Завершённый триггер, подключенный к станции

Обратите внимание, как соединены монорельс и маглев. Каждая колея, выходящая от станции, соединена с одним сегментом триггера. Сразу после этого соединения поставлен обычный сигнал. Таким образом, триггер способен останавливать поезда, выезжающие со станции.

Подбор времени при установке имеет решающее значение! В зависимости от типа и размеров поездов, точные размеры триггера должны быть изменены. Например, поезда, перевозящие сталь тяжёлые, следовательно, триггер должен быть медленным. Это достигается при помощи очень крутых поворотов в кольцевой части триггера. В результате, поезд движется со скоростью 131 км/ч.

На похожей станции также 16 платформ, каждая длиной 9 клеток. Но поезда перевозят товары, которые намного легче стали. Следовательно, временные интервалы триггера могут быть короче. Это достигается путём использования менее крутых поворотов в кольцевой части. В результате, поезд движется со скоростью 226 км/ч.

Более быстрый триггер

Пошаговое слияние путей

Пошаговое слияние это лёгкий способ соединять несколько путей, обычно от станции, один за одним, друг в друга, пока не останется только основная колея.

Первая задача - выпускать поезда со станции настолько быстро, насколько это возможно. Место на платформе очень ценно, и поезд должен его полностью освободить, чтобы следующий мог заехать. Мы сделаем это при помощи выездной колеи с каждой платформы, длина каждой колеи должна быть по крайней мере 150% длины самого длинного поезда. Добавьте маршрутный сигнал сразу после станции, чтобы освободить платформу для следующего поезда. Распространённые ошибки здесь могут быть непоставленный сигнал, или слишком длинные или слишком короткие выездные пути.

Удостоверьтесь, что поезда быстро покидают станцию

Дальше мы займёмся слиянием. Можно соединять пути на прямом участке, но легче и эффективнее это делать на поворотах. Обязательно ставьте маршрутный сигнал на каждом выездном пути, настолько близко к слиянию, насколько это возможно - но не ставьте сигнал после слияния. Снова удостоверьтесь, что после каждого слияния достаточно места для разгона, примерно 150% длины самого длинного поезда. Не ставьте здесь дополнительных сигналов, даже маршрутных. Следующие слияния все спроектированы точно так же.

Слияние 8 в 4

Слияние 4 в 2

Положительная сторона этой планировки слияния, что оно лучше всего работает в условиях высокой загруженности, или даже затора: как только один поезд [A] освобождает слияние, поезд с других путей [B] может начать разгон. Но этот поезд также освободил свой сегмент, что позволяет одному из поездов за предыдущим слиянием [C] начать ускорение. Таким образом, одновременно ускоряются два поезда, и синхронизируются до следующей станции.

🔍

Поезд A позволяет поездам B и C разгоняться синхронно

Показанный здесь пример справляется с грузопотоком, генерируемым 80 поездами и 25000 ящиками товаров.