SimuX:
Raylı Sistem Simülatörü |
ElektrikPort Akademi

SimuX, diğer adıyla Simulator X; raylı sistemlerin simülasyonunda kullanılan bir simülasyon programıdır. Akademisyen Prof. Dr. Mehmet Turan Söylemez tarafından hazırlanan bu programa ait geliştirme çalışmaları, hali hazırda sektörün ihtiyaçlarına göre sürekli olarak devam etmektedir. Türkiye’de gerçeklenen raylı sistem uygulamalarında oldukça önemli bir yere sahip bu programı, simülasyonun bu tip çalışmalardaki yerini irdeleyerek ele alalım.

A- A+

22.12.2015 tarihli yazı 17979 kez okunmuştur.

Raylı Sistem Simülasyon Programlama Demiryolu Ulaşım Sinyalizasyon Algoritma

Raylı Sistemlerin Simülasyonu

Günümüzde genelde bilgisayar ortamında üzerinde gerçeklenen simülasyonun kelime anlamı, gerçek hayattaki sistemlerin bir benzerinin farklı bir ortamda kurularak düşük maliyet ile sisteminin nasıl çalıştığının anlaşılması yolunda yapılan faaliyetlerdir. Bir sisteme ait simülasyon tasarım esnasında yapılabildiği gibi, var olan bir sistem için performans ölçütlerini değerlendirme amaçlı uygulanabilmektedir.

Şekil 1: Raylı Sistem Bileşenleri ve Birbirleriyle Etkileşimleri

►İlginizi Çekebilir: Raylı Sistemlerde Sinyalizasyon

Bir raylı sisteme ait simülasyonun ise kendine has bazı özellikleri bulunmaktadır. Öncelikle raylı bir sisteme ait simülasyonun 5 temel bileşeni olduğunu unutulmamalıdır: Mekanik bileşen, elektriksel bileşen, sosyal bileşenler, sinyalizasyon ve iklim şartları. Bu çok bileşenlik ve bu bileşenlerin birbiriyle ile ilişkilerinin zamanla değişkenlik göstermesi simülasyon esnasında zorluk çıkartmaktadır.

Raylı Sistem Bileşenleri ve Birbirleriyle Etkileşimleri

Bununla birlikte raylı sistemlerin simülasyonunda zorluk çıkartabilecek diğer konu; bir demiryolu sisteminin modellenmesi ve simülasyonunun çok sayıda eş zamanlı doğrusal olmayan denklem çözümünü gerektirmesidir.

Raylı sistemlerde neden simülasyon bu denli önemli sorusu şu aşamada cevaplanabilmektedir. Sistemin inşaatı son derece yüksek maliyetli olup tasarım sırasında yapılacak hataları telafi etmek oldukça zor olmaktadır. Önerilen tasarımın doğruluğu simülasyon yardımıyla ölçülebilmektedir. Bu sayede hem olası hatalar en aza indirgenebilmekte hem de en ekonomik ve en uygun çözümler önerilebilmektedir.

Bunun yanı sıra çalışan bir sistemde önemli değişiklikler yapılacağı zaman, (araç veya trenler arası zamanların değiştirilmesi gibi) simülasyon önerilen değişikliklerin uygunluğunun sınanması sırasında tasarımcıya yardımcı olmaktadır. Ayrıca simülasyon üzerinde sistemlerde yapılan ufak değişiklikler sınanarak önemli enerji kazançları sağlamak mümkün olabilmektedir.

Genel Özellikleri ile SimuX

SimuX; yapılması planlanan yeni bir hattın boyutlandırılması ve/veya performans analizi ile mevcut hatlarda yapılacak iyileştirme çalışmalarının doğrulanması esnasında kullanılan bir simülatördür. Visual C++ programlama dilini kullanan SimuX’a ait bazı bilgiler aşağıdaki gibi sıralanabilir:

►Kaynak dosya sayısı (.cpp, .h, .rc): 131
►Kullanılan sınıf (class) sayısı: 100
►Kaynak dosyaların büyüklüğü: >1 MB
►Çalıştırabilir dosya büyüklüğü: >3 MB
►Program satırı: >32,000

Bu özellikleriyle birlikte SimuX oldukça gelişmiş bir arayüze sahip olup, arayüz özelliklerinden bazıları aşağıdaki gibidir:

►Sonuçların hat üzerinde hareket eden trenler şeklinde görülebilmesi
►Diyalog kutuları yardımıyla etkin bilgi girişi
►İstenen analog değerlere ait grafiklerinin simülasyon ile eş zamanlı olarak çizdirilmesi
►Matlab, Mathematica ve Text formatlarında çıktı alınabilmesi
►Kopyala-Yapıştır şeklinde Text input data girişi

SimuX’un Kullanım Alanları

SimuX pek çok alanda tasarımcıya yardımcı olmakla birlikte, temel kullanım alanları aşağıdaki gibi sıralanabilir:

►Trafo merkezlerin ve kesicilerinin boyutlandırılması
►Katener sisteminin yeterliliğinin saptanması
►Bir trenin pantografındaki gerilim değerlerinin bulunması
►Enerji tüketiminin ve kayıplarının saptanması
►Enerji tasarruf programlarının uygulamadan önce test edilmesi
►Regeneratif frenlemenin etkisinin belirlenmesi
►Ray gerilimi ve kaçak akım analizi
►Farklı besleme şekillerinin test edilmesi
►Kısa devre akım ve gerilimlerinin analizi
►Araç zaman çizelgelerinin iyileştirilmesi

SimuX’a Ait Simülasyon Bileşenleri

Gerçekçi bir simülasyon programının, raylı sisteme ait tüm simülasyon bileşenlerini (Mekanik bileşen , elektriksel bileşen, sosyal bileşenler, sinyalizasyon ve iklim şartları) göz önüne alması gerekmektedir. Tüm bu bileşenleri SimuX üzerinden inceleyelim:

Mekanik Bileşen: Mekanik bileşen genel olarak sistem üzerinde hareket eden nesnelere (trenler) ilişkin mekanik aksamları içermektedir. Bu aksamlara ilişkin temel denklemler Newton kanunları ile belirlenmektedir. Ancak trenlerin nasıl hızlanması gerektiği araç karakteristikleri, sinyalizasyon kıstasları (izin verilen maksimum hızlar, trafik ışıkları vbg), elektriksel şebeke tarafından sağlanan güç, yol ve hava koşulları gibi pek çok kritere bağlı olarak değişkenlik gösterebilmektedir. SimuX, belirtilen bu detayları göz önüne alarak trenlerin hareketlerini simüle etmektedir. Trenler hat şeması üzerinde hareket eden kutcuklar olarak gösterilmekte ve fare ile etkileşimleri sağlanarak özelliklerine erişilebilmektedir. Tek hatlı bir sisteme ilişkin hat şeması -SimuX üzerinde- aşağıdaki gibidir.

Şekil 2: Tek Hatlı Bir Sisteme İlişkin Hat Şeması

►İlginizi Çekebilir: Sistem Mühendisliğinde Simülasyon | Catia V6

Gerekli hesaplamalar yapılırken araç dinamiklerindeki lineer olmayan unsurlar göz önüne alınmaktadır. Her araçla ilgili temel karakteristik bilgiler kütüphaneler yardımıyla saklanmaktadır. Bu sayede, değişik simülasyonlarda bilgi paylaşımına olanak verilmiş olunmaktadır. Örnek olarak bir araca ilişkin cer kuvveti-hız diyagramları aşağıda verilmiştir (Diyagramın hat gerilimine bağlı olarak değiştiği de simülasyon programı tarafından dikkate alınmaktadır).

Şekil 3: Bir Araca İlişkin Cer Kuvveti-Hız Diyagramı

Elektriksel Bileşen: Raylı sistemi oluşturan elemanlardan bir kısmı büyük bir elektrik şebekesinin birer parçası olarak modellenebilmektedir. SimuX bu şebekenin tamamını sürekli olarak oluşturmakta ve ortaya çıkan elektriksel denklemleri her örnekleme anı için çözerek sistemin her bir noktasındaki akım ve gerilimleri sürekli olarak hesaplamaktadır.

Elektriksel sistemi oluşturan başlıca elemanlar şunlardır:

►Trafo merkezleri
►Katener ve ray sistemi
►Trenin dizileri
►Paralelleme elemanları (Jumperlar)
►İzolasyon elemanları (SI'lar)
►Topraklama ekipmanları vb.

SimuX, bu elemanların oluşturduğu elektrik şebekesine ilişkin denklemleri çözerken rejeneratif frenleme ve trafoların blokaja girmesi gibi lineer olmayan etkileri de göz önüne almaktadır.

Sosyal Bileşen: Raylı sistemler genellikle insan taşımacılığı amaçlı yapılmıştır. Bu sebeple, raylı sistemlerin sosyal bir bileşene sahip olması kaçınılmazdır. Gün içerisinde farklı bölgelerde olan talep fazlalığı, tren kütlelerinin dinamik olarak değişmesine yol açabilmektedir. Gerçekçi bir simülasyon, istenildiğinde bu değişkenliği de göz önüne alabilmelidir. Bununla birlikte, gelişmiş demiryolu ağlarında talebin artmasına bağlı olarak tren öncelikleri değişebilmekte yani sinyalizasyon kısmı etkilenebilmektedir.

Sinyalizasyon: Tren hareketlerinde sinyalizasyon sistemi oldukça büyük önem taşımaktadır. SimuX sabit blok (fixed block) ve hareketli blok (moving block) sinyalizasyon sistemlerinin simülasyonuna olanak sağlamaktadır. Bu sayede sadece tahrik sisteminin boyutlandırılması değil aynı zamanda sinyalizasyon sisteminin yeterliliği ve iyileştirilmesi yönünde fikirler edinilebilmektedir.

İklim Şartları: Gün içinde değişen sıcaklıklar katener ve rayların gösterdiği elektriksel dirençlerin değişimine neden olmakta, ayrıca hat üzerinde bazı bölgelerde rüzgar dikkate alınması gereken bir faktör olarak ortaya çıkabilmektedir. SimuX istendiğinde tüm bu detayları dahi göz önüne alabilecek şekilde tasarlanmıştır.

SimuX’a Bilgi Girişinin Gerçekleştirilmesi

Raylı sistemlerin simülasyonu pek çok parametreye bağlıdır. Dolayısıyla, parametrelerin etkin ve doğru bir şekilde girilmesi simülasyonun sağlığı açısından büyük önem taşımaktadır. SimuX'ta bu amaçla pek çok diyalog kutusu geliştirilmiştir. Bu diyaloglar yardımıyla simülasyon için gerekli olan parametreler istenilen ayrıntıyla ve hızlı bir şekilde programa girilebilmektedir. Sisteme girilmesi mümkün olan nesnelerden bazıları şunlardır:

Hatlar: SimuX kullanılarak istenildiği sayıda hattı olan bir raylı sistem simüle edilebilmektedir. Her bir hata ilişkin isimlendirme, metraj bilgileri, katener ve ray sistemine ilişkin veriler, düşey ve yatay eğimler, her iki yöndeki hız sınırlamaları, istasyonlara ilişkin isim, metraj, bekleme süresi ve yolcu akış profili bilgileri, ray toprak arası iletkenlik bilgileri, hat üzerindeki trafik işaretleri, bekonlar (balisler), ray devreleri gibi sinyalizasyon sistemi ayrıntıları diyalog kutuları yardımıyla programa girilebilmektedir. Çoğu durumda bilgi girişi görsel etkilerle desteklenerek hata oranı en aza indirilmektedir.

Şekil 4: Bir Hat İçin Düşey Eğimlerin Girilmesi

Trafo Merkezleri: Trafo merkezleri sisteme enerjinin sağlandığı ana noktalar olarak düşünülmektedir. Trafo merkezinin isimlendirilmesi, nominal gerilimi, topraklama sistemine ilişkin veriler, varsa her bir hat üzerindeki bölge izolatörüne ilişkin veriler, her bir hat ve yön için fider kablolarına ilişkin bilgiler programa girilebilmektedir. Fider kablolarının trafo merkezinden uzak noktalara bağlanmış olması durumları, ve bunlardan bir yada bir kaçının kesime gitmesi durumunda yaşanabilecek senaryolar SimuX tarafından göz önüne alınabilmektedir. Ayrıca simülasyonun her hangi bir anında istenen bir trafo merkezi servis dışı bırakılarak trafo merkezindeki aksaklıkların sisteme olan etkileri gözlenebilmektedir.

Trenler: Trenler araç dizileri olarak düşünülmekte ve araç kütüphanesinden çekilen istenilen sayıda aracın ard arda bağlanmasıyla elde edilmektedir Bir trendeki yolcu sayısı, trenin konum, hız ve ivmesi, hareket modu, pantograf gerilimi gibi pek çok özelliği diyalog kutuları yardımıyla izlenebilmekte ve değiştirilebilmektedir. Ayrıca her bir trene ilişkin zaman çizelgesi (uğraması beklenen istasyonlar, istasyonlardaki bekleme süreleri, trenin rotası, en son gidilecek nokta gibi) belirlenebilmektedir. Trenler sisteme teker teker eklenebilecekleri gibi depolar yardımıyla toplu olarak da eklenebilmektedir.

Şekil 5: Bir Trene Ait Zaman Çizelgesinin Belirlenmesi

Paralelleme Elemanları: Raylı sistemlerde belirli noktalarda hatlar arasında katener veya raylar üzerindeki gerilim farklarını yok etmek amacıyla paralelleme elemanları (jumper) kullanılabilmektedir. Bu elemanlara ilişkin bilgiler SimuX tarafından diyalog kutuları yardımı ile sisteme eklenebilmektedir.

İzolasyon Elemanları: Bir hat üzerinde katener yada ray üzerinde elektriksel izalasyon yapmak amacıyla bölge izolatörleri (section insulator) kullanılabilmektedir. SimuX benzer şekilde bunlara ilişkin bilgileri de diyaloglar yardımıyla sisteme dahil edebilmektedir.

Topraklama Elemanları: Bazı raylı sistemlerde ray gerilimlerinin tehlikeli seviyelere ulaşmasını engellemek amacıyla ray gerilimi sigortaları ya da ray gerilimi kontrol ekipmanları (rail potential control device) kullanılmaktadır. Ray gerilim analizi yapılacağı durumlarda en basitinden en karmaşığına kadar bu ekipmanlara ilişkin bilgiler SimuX'a girilebilmektedir.

Makaslar: Makas bölgelerine ilişkin isimlendirme, konum, zamanlama ve anklasman bilgileri sisteme girilebilmektedir. Makas bölgelerini kullanarak trenler (rotalarına bağlı olarak) bir hattan diğerine geçebilirler.

Şekil 6: Makas Bölgesi Bilgilerinin Girilmesi

Depolar: Depolar trenlerin hata girme ve çıkma noktaları olarak düşünülebilir. Depolar kullanılarak hangi trenin hangi hatta ne zaman çıkması gerektiği belirlenebilmektedir. Ayrıca trenlerin hat üzerine düzenli aralıklarla çıkması sağlanarak değişik trenler arası sürelerin (headway) sistem üzerindeki etkisinin araştırılmasına olanak sağlanmaktadır.

Trafik Işıkları: Trafik ışıkları bir yada birden fazla demiryolu hattının karayolu ile karşılaştığı noktaları göstermektedir. Trafik ışıklarının yeşil ve kırmızı yanma süreleri belirlenebildiği gibi demiryoluna öncelik tanıyan trafik ışıkları da sisteme girilebilmektedir.

SimuX’ta Program Çıktısı ve Raporlama

Raylı sistem simülasyonu gibi binlerce değişkenin söz konusu olduğu bir ortamda sonuçların etkin bir şekilde raporlanması büyük önem taşımaktadır. SimuX kullanıcının simülasyon sonuçlarını en rahat şekilde gözleyebilmesi için çeşitli mekanizmalar sunmaktadır. Bu mekanizmalardan bazıları şunlardır:

Ana Bilgi Ekranı: Ana bilgi ekranı sürekli olarak güncellenerek trenlerin konumları, sinyalizasyon sisteminin durumu, trafoların blokajda ya da iletimde olması gibi bir takım kritik bilgileri görselleştirmektedir. Ayrıca bu ekran üzerinde bulunan opsiyonel tablolar yardımıyla sistem hakkındaki bazı önemli veriler (trafolardan çekilen maksimum güçler, max. fider akımları gibi) sürekli olarak göz önünde bulundurulmaktadır.

Şekil 7: Ana Bilgi Ekranı

Skoplar (Scopes): Simülasyon sırasında hangi değişkenlerin zaman içindeki değişmlerinin kaydedileceği kullanıcı tarafından belirlenebilmektedir. Skoplar kullanılarak bu değişkenlerin değişimi grafik olarak ekrana yansıtılabilmektedir. Aynı anda birden fazla skop izlemek mümkün olduğu gibi aynı skop içinde birden fazla değişkeni izlemek de mümkündür. İstenildiğinde değişkenlerin birbirine göre olan değişimleri de (örneğin bir trenin hız - yer grafiği) skoplar yardımıyla görüntülenebilmektedir. Ayrıca skoplar üzerinden Matlab, Mathematica ve Excel gibi uygulamalara veri aktarmak mümkündür.

Şekil 8: Bir Skop Örneği

Mesaj Tahtaları: Mesaj tahtaları simülasyon sırasındaki bazı önemli olayları haber veren yazı ağırlıklı haberleşme kanalları olarak düşünülebilir. Her nesne kendisiyle ilgili olan olayları (örneğin bir trenin bir istasyona varması ya da bir istasyondan hareketi gibi) bir mesaj olarak göndermektedir. Mesaj tahtaları kullanılarak bir nesnenin gönderdiği mesajlar ya da gönderilen tüm mesajlar incelenebilmektedir.

Şekil 9: Bir Trene Ait Mesajların Gösterildiği Bir Mesaj Tahtası

Bilgi Kutuları: Bilgi kutuları bir nesne hakkında anlık bilgileri içermektedir. Örnek vermek gerekirse; bir trene ilişkin bilgi kutusuna bakarak yeri, hızı, ivmesi, bir sonraki istasyona olan uzaklığı gibi pek çok önemli değişkenin değerini tasarımcıya gösterebilir.

Şekil 10: Bir trene ilişkin örnek bilgi kutusu

SimuX’ta Program Akışı

SimuX ilk olarak, hattın geometrisine göre trenlerin hangi modda çalışması gerektiğine karar vermekte, ardından araç karakteristikleri ve kontrol lojiğini dikkate alarak trenin ihtiyacı olan cer kuvvetini hesaplamaktadır. Bu noktadan sonra aracı bulunduğu moda uygun şekilde modellemektedir.

Aracın modelini oluşturan SimuX, geri kalan sabittesislerin (Trafo, Katener ve Ray sistemleri) o andakidurum için modellerini oluşturmaktadır. Daha sonra oluşturulan tüm bu modelleri optimum şekilde numaralandırmakta ve düşüm gerilimleri yönteminikullanarak her nokta için gerilimleri hesaplamaktadır. Buesnada regeneratif frenlemenin etkisini de hesaba katmakta ve blokaja geçirilecek trafo merkezlerini saptamaktadır. Gerilim değerlerinin bulunması sonucunda her düşümdeki akımdağılımı hesaplanmış olmaktadır.

Kaynak:

►simulatorx.com
►web.itu.edu.tr/soylemezm/simux/simux.pdf