Corso di Sistemi di Trazione
Lezione 4: I sistemi di trasporto a guida vincolata:
schemi funzionali, diagrammi di marcia e costi
A. Alessandrini – F. Cignini – C. Holguin – D. Stam AA 2014-2015
Argomenti
•
Definizione di guida vincolata
– Guide meccaniche
– Guide elettroniche
•
I sistemi di trasporto a guida vincolata
– Componentistica
– Scambi
– Costruirne i diagrammi di marcia
•
Caratteristiche e costi di costruzione dei sistemi di trasporto a guida vincolata
più comuni:
– tram e
– metropolitane
Obiettivi
• Familiarizzare con i sistemi di trasporto a guida vincolata
• Conoscere le diverse opzioni tecnologiche per realizzare
una guida vincolata
• Imparare da cosa dipendono i consumi di un sistema di
trasporto a guida vincolata
• Sfatare il mito “se è elettrico non inquina”
• Conoscere le caratteristiche ed i costi di installazione dei
sistemi di trasporto a guida vincolata più comuni
Definizione di guida vincolata
•
•
Si definisce sistema di trasporto a guida vincolata quello in cui non è
il veicolo (e quindi il conducente) ma l’infrastruttura a definire la
traiettoria del veicolo
Le guide vincolate meccanicamente sono:
–
–
–
–
•
ferroviaria (unica in cui la stessa ruota ha funzione di supporto e guida);
a guida centrale;
a guida laterale;
sospesa.
Il ministero dei trasporti ha catalogato nelle guide vincolate anche
quelle elettroniche i cui veicoli tuttavia mantengono uno sterzo.
Queste si dividono in guide:
–
–
–
–
ottiche;
a banda magnetica;
a odometro e magneti;
a odometro e triangolazioni (satellitari e/o di punti di riferimento).
Guide vincolate meccanicamente: ferroviaria
•
La ruote ferroviarie sono
coniche e calettate
rigidamente sulla sala montata
per cui:
– Le ruote ruotano alla stessa
velocità angolare
– Se la sala non è centrata sui
binari la ruota esterna rotola
su un diametro maggiore della
ruota interna riportando la
sala verso il centro
•
•
Con questo meccanismo le
ruote seguono sempre i binari
Il bordino serve solo per
sicurezza
Fonte: A. Orlandi Meccanica dei Trasporti Pitagora editrice Bologna pag. 35
Caratteristiche richieste per guide vincolate
alternative
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•
•
•
•
Forma della guida semplice ed economica da realizzare e da
mantenere
Forma compatta del veicolo e della guida
Forma valida esteticamente
Superficie della guida autopulente (o che almeno non faciliti
depositi di materiali)
Forma della guida che eviti il ribaltamento o lo svio
Veicolo e guida che rendano facili ed economiche le deviazioni
Superficie della guida che faciliti in caso di incidente la fuga dei
passeggeri
Guide vincolate meccanicamente: guida centrale
•
Le ruote di guida sono al centro tra le
ruote di sostegno:
– esterne all’infrastruttura o
– interne all’infrastruttura come nel caso
della metropolitana su gomma
automatica di Torino (VAL) di cui a
fianco c’è uno schema funzionale
Guide vincolate meccanicamente: guida esterna
•
Le ruote di guida sono esterne alle
ruote di sostegno:
–
–
esterne all’infrastruttura o
interne all’infrastruttura come nel
caso del bus di Cambridge che
tocca il marciapiede con la rotellina
per sterzare le ruote e segue il
marciapiede
Altri esempi (1/3)
Guided busway
Altri esempi (2/3)
Guided busway
Altri esempi (3/3)
Metropolitana di Parigi
Guide vincolate meccanicamente: veicoli sospesi
•
•
•
Il corpo del veicolo è al disotto
e non al disopra della guida
Questi schemi funzionali sono
più spesso utilizzati per delle
funivie piuttosto che per
monorotaie rigide
La differenza tra i due schemi
funzionali proposti è che:
– il primo ha le ruote di guida
esterne all’infrastruttura ed
– il secondo interne
Guide vincolate elettronicamente: guida ottica
•
•
•
•
Dei segni bianchi e
riflettenti sono dipinti sulla
via
Una telecamera inquadra i
segni e individua se sono
perfettamente al centro del
veicolo, se no lo sterzo
viene comandato per
riportare i segni al dentro
del veicolo
L’autista resta responsabile
del veicolo e della sua
traiettoria ma non sterza se
non in caso di emergenza
Il sistema è meno affidabile
in condizioni di scarsa
visibilità
Guide vincolate elettronicamente: guida a banda
magnetica (wire)
•
•
•
•
•
Un cavo conduttore viene
annegato nell’asfalto
Il cavo è alimentato con una
corrente alternata a frequenza
nota
Un sensore a bordo del veicolo
sente il campo magnetico e lo
mantiene al centro del veicolo
L’autista resta responsabile del
veicolo e della sua traiettoria ma
non sterza se non in caso di
emergenza
Il sistema è meno affidabile se
nell’aria ci sono elevate
concentrazioni di energia
elettrostatica
Tecnologia di navigazione a banda magnetica/ottica
Guide vincolate elettronicamente: guida a odometro
e magneti (FROG – Free Ranging On Grid)
•
•
•
•
Dei piccoli cilindretti magnetici
(diametro 20 mm lunghezza 60 mm)
vengono inseriti nell’asfalto
Il veicolo è dotato di un odometro
molto preciso che consente di
conoscere la posizione istantanea
all’istante n conoscendo quella
all’istante n-1
Quando il veicolo passa su un
magnete ne legge la posizione e
ricalibra il proprio odometro
conoscendo la posizione del magnete
Per conoscere la posizione di ogni
magnete il veicolo viene guidato
manualmente la prima volta e ne
registra la posizione
Guide vincolate elettronicamente: guida a odometro e
triangolazioni di punti di riferimento (satellitari)
•
•
•
Nessun intervento infrastrutturale
è richiesto
Come prima il veicolo è dotato di
un odometro
Ma lo ricalibra o con un GPS
molto preciso o misurando la
propria posizione rispetto a dei
punti di riferimento noti (almeno
3)
Tecnologia di navigazione a triangolazione radio
Antenne
Radiofari
Sistemi di trasporto a guida vincolata
•
•
•
Componentistica dei veicoli (con particolare riferimento alle guide
vincolate meccanicamente a guida centrale)
Scambi per guide alternative
La determinazione dei diagrammi di marcia per sistemi di trasporto a
guida vincolata
– Limiti cinematici
– Limiti dinamici
•
Caratteristiche di una linea metro e una linea tram in termini di
capacità, costi e investimento richiesto
Componentistica del veicolo (1/2)
Componentistica del veicolo (2/2)
Veicoli sospesi
Scambi per guide alternative
• Scambi ingombranti (l’ingombro è maggiore rispetto a
quelli usati in ferrovia)
• Scambi rumorosi
• Le guide automatiche non convenzionali sono utilizzate
per mettere i veicoli su gomma limitandone il rumore
Scambi scorrevoli (1/2)
Scambi scorrevoli (2/2)
Scambi direzionali (1/2)
Scambi direzionali (2/2)
Costruzione di un diagramma di marcia nel rispetto dei limiti
cinematici
a
amax
Jmax
t
v
vmax
t1
t2
t1
t3
t1
t2
t1
t
Influenza sui diagrammi dei limiti posti su spazio e velocità (1)
a
amax
t
A1
v
A3
A2
Vmax  amax2/Jmax
A3
A2
A1
t
Influenza sui diagrammi dei limiti posti su spazio e velocità (2)
A1) per 0  s n  2 a m ax J m ax
In questo caso non si raggiunge né la velocità massima né
l’accelerazione massima.
3
2
A2) per 2 a m ax J m ax  s n  v m ax (a m ax J m ax  v m ax a m ax )
In questo caso si raggiungere l’accelerazione massima ma
non la velocità massima.
3
2
A3) per s n  v m ax (a m ax J m ax  v m ax a m ax )
In questo caso, corrispondente anche a quello di fig. 1 si
raggiungere sia l’accelerazione massima che la velocità massima.
L’impatto ambientale dei consumi di energia
elettrica
Consumi energetici per passeggero kilometro dei diversi
modi di trasporto
•
•
•
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•
•
Banister, D., Watson, S., Wood, C., 1997. Sustainable cities, transport, energy, and urban form. Environment and Planning B: Planning and Design 24 (1), 125–143.
Commission of the European Communities, 1992. The Impact of Transport on the Environment. Office for Official Publications of the European Communities, Luxembourg.
Hillman, M., Whalley, A., 1983. Energy and Personal Travel: Obstacles to Conservation. Policy Studies Institute, London.
Hughes, P., 1992. The role of passenger transport in CO2 reduction strategies. Energy Policy 20 (2), 149–160.
Martin, D., Shock, R., 1989. Energy Use and Energy Efficiency in UK Transport up to the Year 2010. HMSO, London.
Tomkins, R., Wade, J., 1989. Transport energy in Britain: future trends and carbon dioxide emissions. International Journal of Ambient Energy 10 (4), 171–193.
Stead, D., 1999. Planning for Less Travel—Identifying Land Use Characteristics Associated with more Sustainable Travel Patterns, Unpublished PhD thesis, Bartlett School of
Planning, University College London, London.
Caratteristiche di una linea metro
• Capacità
• Costi
–
–
–
–
20 000 p/h per direzione
Costruzione
10 M€/km
Scavo
40-50 M€/km se in galleria
Convogli 10 M€ l’uno
Stazioni 30 M€ l’una se in sotterranea
• Investimento al chilometro ~100 M€
– Considerando:
• una stazione ogni chilometro (40 km/h di velocità commerciale con
accelerazione 1.2 m/s2, velocità massima 70 km/h e 20 secondi di
arresto in stazione)
• una frequenza di passaggio di 5 minuti
Caratteristiche di una linea tram
• Capacità
• Costi
–
–
–
–
5 000 p/h per direzione
Costruzione
10 M€/km
Scavo
40-50 M€/km se in galleria
Convogli 4 M€ l’uno
Stazioni 30 M€ l’una se in sotterranea
• Investimento al chilometro (bidirezionale) 25M€
– Considerando:
• una stazione ogni 300 m (20 km/h di velocità commerciale con accelerazione
1.2 m/s2, velocità massima 50 km/h e 20 secondi di arresto in stazione)
• una frequenza di passaggio di 5 minuti
• la linea all’aperto
Conclusioni
•
La guida vincolata non corrisponde necessariamente alla segregazione del
percorso; tuttavia se il percorso è segregato la guida vincolata conviene per:
–
–
–
•
•
•
•
•
Ridurre l’ingombro delle corsie
Aumentare la precisione dell’accosto in banchina
Trovare soluzioni innovative di segregazione (es rendere la strada due strisce di asfalto
nel prato come a Cambridge)
Nei consumi di un sistema a guida vincolata, soprattutto se segregato, l’autista ha
meno influenza
I consumi di una linea di trasporto di massa, soprattutto se in sotterranea, sono
dovuti per oltre metà al consumo delle infrastrutture
L’energia elettrica deve essere prodotta e se è prodotta da fonti fossili il suo
impatto ambientale non è nullo
Diversi sistemi consumano diversamente ma i trasporti collettivi (se ben
dimensionati) consumano sempre meno di quelli individuali
Ogni sistema di trasporto è adatto a diverse esigenze; una metro costa 100 M€/km
ed è indicata solo per domande attese da 20000 passeggeri ora per direzione in
ora di punta