معرفی سیگنالینگ راه آهن
مقدمه
سیگنالینگ یکی از مهم ترین اجزایی است که یک سیستم راه آهن را تشکیل می دهد. ایمنی حرکت قطار ، کنترل و مدیریت قطار به آن بستگی دارد. در طول سال‌ها، بسیاری از سیستم‌های سیگنالینگ و کنترل قطار تکامل یافته‌اند ، به طوری که امروزه به عنوان یک صنعت بسیار فنی و پیچیده ، توسعه یافته است. در اینجا تلاشی برای توضیح به زبان ساده نحوه توسعه سیگنالینگ راه آهن و نحوه عملکرد آن بر اساس استانداردهای انگلستان ارائه می دهیم.
سیستم های اولیه
در دهه‌های 1830 و 40 (در روزهای اولیه راه‌آهن) هیچ سیگنال ثابتی وجود نداشت – هیچ سیستمی برای اطلاع راننده از وضعیت خط پیش رو وجود نداشت. قطارها فقط بنابر دید و بینایی توسط رانندگان رانده می شدند. رانندگان باید چشمان خود را برای هر نشانه ای از امکان وجود قطار جلویی باز نگه می داشتند تا بتوانند قبل از برخورد با آن بایستند. با این حال، خیلی زود، تجربه عملی ثابت کرد که این رویه جوابگو نیست و باید راهی برای جلوگیری از برخورد قطارها به یکدیگر وجود داشته باشد. چندین تصادف ناخوشایند نشان داده بود که توقف قطار در فاصله دید راننده با مشکلات زیادی مواجه است. مشکلات تا حدودی بی تجربگی و ترمزهای ضعیف بود، اما مشکل واقعی تماس نسبتاً ضعیفی بود که در راه آهن بین چرخ فولادی و ریل فولادی برای کشش و ترمز وجود دارد (و هنوز هم هست). سطوح چسبندگی بسیار کمتر و وزن وسایل نقلیه در راه آهن بسیار بیشتر از جاده ها است و بنابراین قطارها به فاصله بسیار بیشتری برای توقف نیاز دارند تا مثلاً اتومبیلی که با همان سرعت حرکت می کند. حتی تحت بهترین شرایط، توقف قطار در فاصله دید راننده غیرممکن بود (و امروزه حتی بیشتر از آن با سرعت های بالا).
سیستم بازه زمانی
در روزهای اولیه راه‌آهن، تصور می‌شد که ساده‌ترین راه برای افزایش فاصله توقف راننده قطار، ایجاد فاصله زمانی بین قطارها است. بیشتر راه‌آهن‌ها چیزی حدود 10 دقیقه را به عنوان فاصله زمانی انتخاب کردند. آنها فقط 10 دقیقه پس از حرکت قطار قبلی به قطاری با سرعت کامل اجازه حرکت دادند. آنها قطارهای خود را با فاصله 10 دقیقه ای به نام “هدوی” حرکت می دادند.
پرچم های قرمز، زرد و سبز توسط “پلیس” استفاده می شد تا به رانندگان نشان دهد که چگونه باید حرکت کنند. یک پرچم قرمز برای پنج دقیقه اول پس از حرکت قطار نشان داده می شد. اگر قطار بعد از 5 دقیقه رسید، یک علامت احتیاط زرد به راننده نشان داده می شد. سیگنال سبز پر سرعت فقط پس از سپری شدن 10 دقیقه کامل نشان داده می شد.
«سیستم بازه زمانی» در تلاش برای استفاده از یک هدوی(headway) برای محافظت از قطارها، در واقع مشکلات جدی ای را ایجاد کرد. جدی ترین مشکل این بود که هنوز ذاتاً خطرناک بود. قطارها در آن روزها به طور قابل توجهی کمتر از امروز قابل اعتماد بودند و اغلب بین ایستگاه ها خراب می شدند. همچنین نمی توان تضمین کرد که سرعت قطار اول برای جلوگیری از رسیدن قطار دوم به آن ، کافی باشد. نتیجه یک سری از برخوردهای ناخوشایند از عقب بود که در هر مورد ایجاد شد، زیرا راننده معتقد بود که 10 دقیقه فاصله در پیش دارد و در صورت وجود فرسایش در این 10 دقیقه هشدار کمی داشت یا هیچ هشداری نداشت. حتی اگر زمان آنقدر کاهش می یافت که می توانست قطار جلویی را ببیند، اغلب ظرفیت ترمز کافی برای جلوگیری از برخورد را نداشت.
ظرفیت خط
مشکل جدی دیگر از دیدگاه راه آهن، ظرفیت خطوط بود. حتی اگر می‌توانستند به قطارهایشان اعتماد کنند که توقف‌های بدون برنامه نداشته باشند و همه با سرعت یکسان حرکت کنند، فاصله زمانی 10 دقیقه تعداد قطارهایی (در این مورد 6 قطار) را که می‌توانستند در هر ساعت در یک خط معین حرکت کنند، محدود می‌کرد. همانطور که آنها دریافتند که نیاز به حرکت دادن قطارهای بیشتری دارند، به تدریج شروع به کاهش زمان بین قطارها کردند. همانطور که آنها زمان(هدوی) را کاهش دادند، تعداد قطارها در هر ساعت افزایش یافت. همزمان تعداد تصادفات نیز افزایش یافت. در نهایت متوجه شدند که باید کاری انجام دهند. پاسخ سیگنال ثابت بود.
سیستم بلاک ثابت (Fixed Block)
حتی با سیستم بازه زمانی قدیمی، قانون اساسی این بود که مسیر را به بخش‌هایی تقسیم کنیم و اطمینان حاصل کنیم که فقط یک قطار در یک بخش در یک زمان مجاز است. این قانون امروز هم خوب است. هر بخش (یا بلاک همانطور که اغلب نامیده می شود) توسط یک سیگنال ثابت که در ورودی آن برای نمایش به راننده قطار در حال نزدیک شدن قرار می گیرد ، محافظت می شود. اگر بلاک آزاد باشد ، به عنوان مثال هیچ قطاری در آن وجود ندارد، سیگنال علامت “به طرفی حرکت کردن” را نشان می دهد. برای سال‌های زیادی در بریتانیا معمولاً بازوی سیمافور برآمده یا پایین بود (شکل1). تعداد کمی از این موارد در سراسر کشور باقی مانده است، اما امروزه معمولاً به قول راه آهن چراغ سبز یا “نما” است. با این حال، اگر این بلاک توسط قطار اشغال شود، سیگنال علامت “توقف” را نشان می دهد که معمولاً یک نمای قرمز است. قطار بعدی منتظر می ماند تا قطار جلویی این بخش را پاک کند. این مبنایی است که تمام سیستم های سیگنالینگ بر اساس آن طراحی می شوند و کار می کنند.
در تصویر بالا سیگنال سیمافور راه آهن در سایت Great Western Society در دیدکوت، آکسفوردشایر، انگلستان. سیگنال سمت راست فرمان توقف را نشان می‌دهد، در حالی که سیگنال سمت چپ، فرمان ادامه دادن حرکت را در مسیر واگرا نشان می‌دهد.
سیگنال های مکانیکی برای اولین بار در انگلستان در سال 1841 و یک جعبه سیگنال با اهرم های کنترل سیگنال ها و نقاط از راه دور در سال 1860 ظاهر شد. در اصل، عبور هر قطار از یک بلاک به صورت بصری توسط سیگنال دهنده ردیابی می شد. هنگامی که قطار بلاک را ترک می کند (بلاک آزاد می شود) ، علامت دهنده به جعبه سیگنال گفت که بلاک اکنون خالی است و در صورت نیاز می تواند قطار دیگری را “پذیرش” کند. پیام‌های بین جعبه‌های سیگنال توسط سیستمی از کدهای زنگی با استفاده از تلگراف الکتریکی مخابره می‌شد.
استفاده الزامی از “تلگراف بلاک الکتریکی” برای ارسال پیام ها و اینترلاکینگ سیگنال ها ، که در آن نقاط و سیگنال ها به طور مکانیکی از ایجاد حرکات متضاد جلوگیری می کردند، در بریتانیا به دنبال قانون مقررات راه آهن در سال 1889 معرفی شدند.
سیگنال های هشدار
تا زمانی که راننده قطاری که در حال نزدیک شدن بود قادر به دیدن سیگنال به موقع برای توقف می بود، سیگنال اولیه توقف/رفت که برای محافظت از هر بلاک از خط استفاده می‌شد، خوب بود. این به ندرت اتفاق می افتاد، بنابراین سیستم سیگنال های “هشدار” در بسیاری از مکان ها ارائه شد.
سیگنال های هشداردر موقعیتی قرار می گرفتند که اگر سیگنال توقف بعدی در حالت خطر بود ، راننده می توانست به موقع متوقف شود. تعیین موقعیت به دید، انحنا، حداکثر سرعت مجاز خط و محاسبه توانایی قطار برای توقف بستگی داشت. در بریتانیا، قطارهای باری با ظرفیت ترمز کاهش یافته (محموله های غیرمجاز یا نیمه نصب شده) فقط مجاز به حرکت با حداکثر سرعت محدود بودند تا فواصل ترمز سیگنالی را فراهم کنند.
در اصل، سیگنال های دور سیمافور بودند مانند سیگنال های توقف که بالاتر ذکر شد. اگر سیگنال توقف مربوطه سبز (آزاد) بود، در شب چراغ سبز نشان می دادند و اگر سیگنال توقف قرمز بود، زرد نمایش داده می شد. الگوی قرمز-زرد-سبز برای سیگنال های نور رنگی به کار گرفته شد و در نهایت برای ارائه یک شکل پیچیده تر در کنترل قطار استفاده شد.
اینترلاکینگ
یکی دیگر از ویژگی های ایمنی که در اواسط قرن نوزدهم معرفی شد، اینترلاکینگ مکانیکی نقاط و سیگنال ها بود. هدف این بود که از راه‌اندازی مسیر قطار و آزاد شدن سیگنال حفاظتی آن در صورتی که مسیر دیگری متناقض راه‌اندازی شده بود و سیگنال حفاظتی آن مسیر آزاد شده بود، جلوگیری شود. اینترلاکینگ توسط یک سری میله های مکانیکی برهم کنش متصل به اهرم های عامل سیگنال در جعبه سیگنال انجام شد. چیدمان میله ها از نظر فیزیکی از راه اندازی حرکات متناقض جلوگیری می کرد. همانطور که سیستم ها توسعه یافتند، برخی از کابین های بزرگتر سیگنال در اتصالات پیچیده دارای قاب های عظیمی از اهرم های به هم پیوسته بودند که نام “قاب اهرمی(lever box)” را به ردیف اهرم های عملیاتی در یک جعبه سیگنال داد.
در نهایت، زمانی که اهرم‌های سیگنال با اهرم‌های کوچک (مینیاتوری) یا دکمه‌های فشاری جایگزین شدند، اینترلاکینگ قاب‌های مکانیکی با اینترلاکینگ رله جایگزین شدند. رله های الکترومغناطیسی به صورت سری برای اطمینان از ایمنی تنظیم مسیر در تقاطع ها استفاده شدند. “جدول کنترل” پیچیده برای طراحی روشی که در آن این رله ها در تعامل هستند و برای اطمینان از ایمنی و یکپارچگی طراحی شده اند. در حال حاضر، بیشتر این رویه کامپیوتری است.
بلاک ها
راه‌آهن‌ها در درجه اول دارای سیگنال‌هایی هستند تا اطمینان حاصل شود که همیشه فضای کافی بین قطارها وجود دارد تا قطار بعدی قبل از برخورد با قطار جلویی متوقف شود. این با تقسیم هر خط به “بلاک ها” به دست می آید. هر بلاک توسط یک سیگنال قرار داده شده در ورودی آن محافظت می شود. اگر بلاک توسط قطار اشغال شده باشد، سیگنال یک “نما” قرمز رنگ را نشان می دهد تا به قطار بگوید توقف کند. اگر بلاک آزاد باشد، سیگنال می تواند یک نمای سبز یا “ادامه حرکت” را نشان دهد.
شماتیک بخش بلاک سیگنال. هنگامی که یک بلاک آزاد باشد، سیگنال آن سبز نشان داده می شود. اگر یک بلاک اشغال شده باشد، سیگنال آن قرمز نشان داده می شود.
نمودار ساده شده (شکل 2) اصل اساسی بلاک را نشان می دهد. بلاک اشغال شده توسط قطار 1 توسط سیگنال قرمز پشت آن در ورودی بلاک محافظت می شود. بلاک پشت (در عقب، همانطور که نشان داده شده است) خالی(آزاد) از قطار است و یک سیگنال سبز به قطار 2 اجازه می دهد تا وارد این بلاک شود. این ، قانون اساسی یا سیگنال‌دهی راه‌آهن را اجرا می‌کند که می‌گوید تنها یک قطار در هر زمان مجاز به ورود به یک بلاک است.
مدار راه
امروزه برای اهداف سیگنالینگ، قطارها به طور خودکار با استفاده از “مدار راه” نظارت می شوند. مدارهای راه برای اولین بار در دهه 1890 در ایالات متحده آزمایش شدند و کمی بعد در بریتانیا ظاهر شدند. متروی لندن اولین کاربر در مقیاس بزرگ بود که آنها را در سال 1904-1906 به عنوان بخشی از برنامه برق رسانی خود معرفی کردند.
جریان های ولتاژ پایین اعمال شده به ریل ها باعث می شود که سیگنال از طریق یک سری رله (در اصل) یا الکترونیک (اخیرا) نمای “ادامه حرکت” را نشان دهد. شار جریان با وجود چرخ های قطار قطع می شود. چنین وقفه ای باعث می شود که سیگنال محافظت کننده از آن بلاک دستور “توقف” را نشان دهد. هر دلیل دیگری برای قطع جریان نیز باعث نمایش سیگنال “توقف” می شود. چنین سیستمی به این معنی است که یک خرابی ، یک نمای قرمز (یک سیگنال توقف) می دهد. گاهی اوقات از این سیستم به عنوان “خراب ایمن” یاد می شود. سیگنال “ادامه حرکت” تنها در صورتی نمایش داده می شود که شار جریان ، جریان داشته باشد. بیشتر خطوط اصلی اروپا با ترافیک متوسط یا سنگین مجهز به سیگنال های نور رنگی هستند که به طور خودکار یا نیمه خودکار با استفاده از تشخیص مدار راه قطار کار می کنند.
تصویر بالا نشان می دهد که چگونه مدار راه بر روی یک بلاک از مسیر اعمال می شود. یک ولتاژ کم از باتری به یکی از ریل ها در بلاک اعمال می شود و از طریق دیگری باز می گردد. یک رله در ورودی بلاک ، ولتاژ را تشخیص می دهد و برای اتصال یک منبع جداگانه به لامپ سبز انرژی می دهد.
مدار راه - بلاک اشغال شده است
هنگامی که یک قطار وارد بلاک می شود ، چرخ های جلو جریان را اتصال کوتاه می کند، که باعث می شود رله انرژی خود را از دست داده و کنتاکت(قطب اتصال) را رها کند به طوری که مدار تامین لامپ سیگنال اکنون لامپ قرمز را فعال می کند. سیستم “خراب ایمن” است ، زیرا هر گونه شکست در مدار باعث نمایش سیگنال خطر می شود.
در بالا توضیح ساده ای از مدار راه ارائه شد. واقعیت تا حدودی پیچیده تر است. یک بخش بلاک معمولاً از طریق اتصالات عایق در ریل ها به صورت الکتریکی از بخش های مجاور خود جدا می شود. با این حال، تاسیسات جدیدتر از الکترونیک برای مدارهای مسیر بدون اتصال استفاده می کنند. همچنین، برخی از مناطق دارای مدارهای اضافی هستند که به سیگنال ها اجازه می دهد تا به صورت دستی از جعبه سیگنال یا مرکز کنترل به رنگ قرمز نگه داشته شوند، حتی اگر بلاک آزاد باشد. این سیگنال ها به عنوان سیگنال های نیمه اتوماتیک شناخته می شوند. حتی پیچیدگی بیشتری در اتصالات مورد نیاز است.
سیگنالهای چند نما
سیگنال پایه قرمز و سبز دو نما برای عملکرد با سرعت کمتر مناسب است، اما برای هر سرعتی بیش از 50 کیلومتر در ساعت، راننده قطار به هشدار سیگنال قرمز در جلوی مسیر خود نیاز دارد تا به او فضای توقف بدهد. در بریتانیا، این منجر به ایده سیگنالهای احتیاط شد (که در اصل سیگنالهای دوردست زمانی که بازوهای سیمافور به طور مکانیکی کار می‌کردند ، نامیده می‌شد) به اندازه کافی دور از سیگنال محافظت کننده ورودی بلاک قرار می‌گرفت تا به راننده هشدار دهد و یک ترمز ایمن ایجاد کند(فاصله ای که باید در آن توقف کرد). هنگامی که این برای سیگنال دهی مداری مسیر توسعه یافت، سیگنال احتیاط یک بلاک دورتر از سیگنال توقف ارائه شد. هر سیگنال اکنون یک نمای قرمز، زرد یا سبز را نشان می دهد – یک سیگنال چند نمایی.
شکل بالا شماتیک مسیر سیگنالینگ 3 نما که نمای زرد اضافی ارائه شده را نشان می دهد تا هشدارهای قبلی و در نتیجه عملکرد با سرعت بالاتر را ممکن کند.
شکل یک خط با سیگنال های 3 نمارا نشان می دهد. بلاک اشغال شده توسط قطار 1 توسط سیگنال قرمز در ورودی بلاک محافظت می شود. بلاک پشت قطار خالی(آزاد) از قطار است اما یک سیگنال زرد ، هشدار پیشرفته ای از نمای قرمز جلو را ارائه می دهد. این بلاک فاصله ترمز ایمن را برای قطار 2 فراهم می کند. بلاک بعدی در عقب نیز خالی(آزاد) از قطار است و یک سیگنال سبز نشان می دهد. راننده قطار 2 سیگنال سبز را می بیند و می داند که حداقل دو بلاک آزاد در جلوی خود دارد و می تواند حداکثر سرعت مجاز را در این خط تا زمانی که رنگ زرد را ببیند حفظ کند.
سیگنالینگ 4 نما
سیگنالینگ چند نمایی که امروزه در انگلستان استفاده می شود، یک سیستم 4 نمایی است. این سیستم به طور مشابه با سیستم سه بعدی کار می کند با این تفاوت که دو هشدار قبل از سیگنال قرمز ارائه می شود، یک زرد دوتایی و یک زرد تک. این دو هدف دارد. اول، هشدارهای اولیه سیگنال قرمز را برای قطارهای با سرعت بالاتر ارائه می دهد یا می تواند با کوتاه کردن طول بلاک ها، اشغال بهتر مسیر را فراهم کند. قطارهای سریع السیر هشدار پیشرفته‌ای نسبت به سیگنالهای قرمز دارند، در حالی که قطارهای با سرعت پایین‌تر می‌توانند با سرعت 50 کیلومتر در ساعت یا بیشتر به هم نزدیک‌تر شوند.
شکل بالا شماتیک مسیر سیگنالینگ شده 4 وجهی که نحوه عملکرد نمای زرد دوگانه را نشان می دهد. نمودار بالا سیگنال های چهار وجهی را با قطاری با سرعت بالا با سه بلاک آزاد جلوتر و سپس در نمودار پایین تر، قطار کندتر با دو بلاک آزاد جلوتر را نشان می دهد. قطارهای با سرعت پایین‌تر می‌توانند نزدیک‌تر به هم حرکت کنند، بنابراین قطارهای بیشتری می‌توانند در یک بخش معین از خط حرکت کنند.
فاصله ترمز
شرح فوق در مورد سیگنال دهی تا کنون فقط به مفهوم هشدار یا اجرای نما های سیگنال محدود کننده دقت داشته است. هنوز مسافت ترمز(Braking distance) یا هدوی را در نظر نگرفته است. اول، مشکل فواصل ترمز وجود دارد. همانطور که قبلاً دیدیم، یک قطار نمی تواند در جا یا بی حرکت متوقف شود. توقف قطار اینتر سیتی که با سرعت 100 مایل در ساعت (160 کیلومتر در ساعت) حرکت می کند، بیش از یک مایل طول می کشد. حتی برای یک سیستم سیگنال دهی با سیستم اجرایی (ATP) مانند متروی لندن، همانطور که تاکنون توضیح داده شد، این خطر وجود دارد که قطار بتواند سیگنال توقف را عبور دهد، سپس توسط سیستم اجرای ATP متوقف شود و همچنان به قطار جلویی برخورد کند. اگر قطار جلویی درست جلوی سیگنال محافظت کننده از آن ایستاده باشد، این وضعیت ممکن است رخ دهد. این مشکل مدت‌هاست که شناخته شده است و می‌توان با فراهم کردن فضایی برای توقف قطار، یک «همپوشانی» بر آن غلبه کرد.
همپوشانی
در ساده‌ترین شکل آن، همپوشانی فاصله‌ای است که قطار در صورت عبور از سیگنالی که نمای توقف را نشان می‌دهد، مجاز می‌باشد. با قرار دادن سیگنال تا حدی قبل از ورودی بلاکی که از آن محافظت می کند، ارائه می شود.
شکل بالا عکس سیگنال نور رنگی 4 نمایی راه آهن بریتانیا که یک نمای دو زرد را نشان می دهد. لنز پایینی برای رنگ قرمز و لنز بین دو زرد برای رنگ سبز است.
در راه‌آهن‌های بریتانیا، از آنجایی که محاسبه تمام فواصل مختلف ترمز انواع مختلف قطارها غیرممکن است و پیش‌بینی اینکه چه زمانی راننده ممکن است به سیگنال توقف واکنش نشان دهد، غیرممکن است، مقدار ثابت 200 یارد (185 متر) معمولاً وجود دارد. جایی که فضا اجازه می دهد استفاده می شود. در متروهایی که از سیستم‌های ATP استفاده می‌کنند، مسافت بر اساس یک فرمول دقیق بر اساس ظرفیت ترمز شناخته شده مترو، شیب در محل مورد نظر، حداکثر سرعت ممکن قطارها با استفاده از آن بخش، و یک کمک هزینه برای رؤیت محاسبه می‌شود. نتیجه محاسبه “فاصله ترمز ایمن” نامیده می شود. همپوشانی ، این فاصله ترمز ایمن را شامل می شود.
