تطور السكك الحديدية النظم في شبكات السكك الحديدية الحديثة

وتشكل نظم الإشارة بالسكك الحديدية العمود الفقري لعمليات القطار الآمنة والفعالة، ومنذ الأيام الأولى من نقل السكك الحديدية، تطورت الإشارة من أساليب يدوية بدائية إلى شبكات رقمية متطورة تتيح السفر السريع والحركة الكثيفة، وتتتبع هذه المادة تطور الإشارة بالسكك الحديدية عبر أربعة حقبات رئيسية - ذات طابع ميكانيكي وكهربي ورقمي - وتستكشف الاتجاهات الناشئة في جميع أنحاء العالم التي تعد بزيادة تحويل شبكات السكك الحديدية.

نظم الإشارة في مرحلة مبكرة

في القرن التاسع عشر كانت الإشارة إلى السكك الحديدية مسألة يدوية، وكان رجال الإشارة على طول المسار يستخدموا أعلاماً يدوية أثناء النهار والمصابيح أو المصابيح الليلية للتواصل مع سائقي القطارات، وكان العلم الأحمر يعني "توقف" وعلم أخضر يعني "الذهاب" وعلم أبيض يشير إلى الحذر، وكانت هذه الإشارات البصرية مكملة بأخطاء مشهودة من الخيوط والفولية.

مع توسع شبكات السكك الحديدية، أصبحت الحاجة إلى أساليب أكثر موثوقية واضحة، حيث تم إدخال أول إشارات ثابتة في الثلاثينات، مثل إشارة الكرات التي استخدمها كاسل الجديد و سكة الحديد الفرنسية في الولايات المتحدة، حيث تمّت إثارتها إلى أعلى عمود يشير إلى "الجو" بينما كانت الكرة أقل تعني "توقف".

وقد جاءت الخطوة الرئيسية الأولى نحو الإشارة المنهجية باختراع التلغراف الكهربائي في الأربعينات، حيث سمحت خطوط التلغراف لرجال الإشارة بالاتصال بين المحطات، مما أتاح إنذارا مسبقا بمقاربة القطارات، وقد أدى نظام الغلق، الذي براءة من كوك وويتستون في إنكلترا، إلى تقسيم المسارات إلى أجزاء )الحواجز( ولم يسمح إلا بفتح قطار واحد في كل حجرة، وهذا المبدأ، لا يزال أساسيا اليوم، إلى حد كبير من الوصلات الأشعة تحت سطحية.

إشارات ميكانيكية وشبه نسيجية

في منتصف القرن التاسع عشر، كان هناك اعتماد واسع النطاق للإشارات الميكانيكية، وعلى الأخص الذراع السيمافوري، اختراع من قبل (جي جي ستيفنز) في الأربعينات، و صقل من قبل (تشارلز هوتون غريغوري) في عام 1841، كانت إشارة الـ"السيلمافوري" تستخدم ذراعاً متحركاً مُعلقاً بوظيفة،

وكانت إشارات الشبهات توفر عدة مزايا على الأعلام اليدوية، وكانت مرئية من مسافات أكبر، وانخفاض الاعتماد على مشغلي البشر في كل نقطة، وتوفر رمزاً متسقاً يفهمه جميع السائقين، وأصبح ربط الإشارات والمفاتيح ممكناً بأطر تداخل آلية، مثل تلك التي طورها جون ساكسبي في الخمسينات، وقد حالت هذه الأطر مادياً دون قيام أحد رجال الإشارات بوضع علامة متوافقة، مما يؤدي إلى تضارب.

بيد أن الإشارة الميكانيكية لها حدود، إذ تتطلب الأجزاء المتحركة صيانة متكررة، ويمكن أن تتأثر الإشارات بالهواء أو الثلج أو الرياح، ويمكن أن تعطل الأسلحة، فحاجة الكابلات المادية التي تتدفق من صندوق الإشارة إلى الإشارات تحد من المسافة الفاصلة بينها، ومع تزايد سرعة القطارات وتزايد كثافة المرور، يكافح النظام الميكانيكي للحفاظ على سرعة السرعة، وقد تُخفض الإشارة المقطعة إلى حد بعيد في خطوط القطارات المتحركة.

الإشارة الميكانيكية

ظهرت الإشارة الميكانيكية الإلكترونية في أوائل القرن العشرين كطريقة للتغلب على قيود النظم الآلية البحتة، كان الابتكار الرئيسي هو استخدام نقل كهربائي لمراقبة الإشارات والمفاتيح عن بعد، ويمكن لرجال الإشارات الآن تشغيل إشارات متعددة من لوحة التحكم المركزية باستخدام الجرافات الكهربائية، مما أدى إلى إزالة الحاجة إلى كابلات ميكانيكية ثقيلة، وكانت أول تركيبة ميكانيكية واسعة النطاق في محطة (بالتيمور)

وقد سمح نظام التداخل القائم على التتابع، المعروف باسم " الكهرباء - الوصلية " أو " التداخل الكهربي " ، بوضع مسار أكثر تعقيداً واستخدام أفضل للتتبع، واستبدلت إشارات الضوء الملوّث الأسلحة السيمفورية في مواقع كثيرة، وقدمت إشارات أكثر إشراقاً وأكثر موثوقية، وقد استخدمت هذه الإشارات عدسات ملونة ومصابيح كهربائية ذات جوانب حمراء وأخضرة لا تزال معيارية اليوم.

ومن أهم التطورات في الإشارات الكهروميكانيكية نظام اللبنات الآلية، حيث تم التحكم تلقائياً في الإشارات بواسطة الدوائر الكهربية - الكهربية التي كشفت وجود قطار على جزء من المسار، وعندما دخل القطار إلى مربع، كانت عجلاته تتبع دائرة المسار السريع، مما أدى إلى ظهور إشارة صفرية على نطاق واسع، حيث تم نقل عناصر الأمن إلى نقطة الصفر.

وقد زاد من كثرة الإشارة إلى مركز مراقبة حركة المرور الذي بدأ في العشرينات، حيث سمح مركز مكافحة الإرهاب لمرسل واحد بمراقبة الإشارات والمفاتيح عبر جزء كبير من المسار من مجموعة مركزية، وبدلا من الإشارة المحلية، يمكن للمرسل أن يرى شبكة السكك الحديدية بأكملها على لوحة عرض وأن يحدد الطرق عن بعد، وقد أدى ذلك إلى تحسين الكفاءة وانخفاض تكاليف العمل، وبحلول منتصف القرن العشرين، كان معظم الطرق الرئيسية التي تستخدمها أجهزة النقل الآلي.

الإشارة الرقمية والحواسيب

وقد أدت الثورة الرقمية التي بدأت في أواخر القرن العشرين إلى تحويل إشارة السكك الحديدية مرة أخرى، حيث أتاحت أجهزة تجهيزات صغيرة وشبكات اتصالات رقمية وبرامجيات متقدمة مراقبة أكثر دقة ومرنة بكثير لحركات القطارات، وحلت محل التداخل القائم على الحاسوب باستخدام الحواسيب الزائدة لأداء مهام حرجة للسلامة، وتوفر نظما أكثر موثوقية وأقل حجما وأكثر سهولة للحماية من الكترونيات.

نظم التحكم الآلي في القطار، التي نشأت من الستينات فصاعدا، واستخدام الإشارة داخل الكباش، والضغط التلقائي لإنفاذ الحدود القصوى للسرعات ووقف الإشارات، بدلا من الاعتماد فقط على إشارات جانبية، تنقل الوكالة المعلومات مباشرة إلى كوخ القطار، مما يسمح للسائق برؤية السرعة القصوى الآمنة وأي قيود، وإذا لم يرد السائق، فإن النظام يطبق تلقائيا المكابح الفرنسية.

ووفقاً للضوابط الإيجابية للمدربين، التي أُسندت إلى الولايات المتحدة بعد سلسلة من الحوادث البارزة، هي نظام شامل للنفقات يمنع عمليات الاصطدام بالقطارات، وتجاوز عمليات التكديس، وتنقلات القطار غير المأذون بها، واقتحام مناطق العمل، وتستخدم شركة النقل العالمي، والاتصالات اللاسلكية (التي تستند إلى نطاق التردد 220 ميغاهيرتز)، وأجهزة الحاسوب لرصد عمليات النقل المستمر.

وفي أوروبا، يشكل النظام الأوروبي لمراقبة القطار معياراً للإشارات الرقمية، ويشكل نظام مراقبة حركة المرور في أوروبا جزءاً من مبادرة النظام الأوروبي لإدارة حركة المرور بالسكك الحديدية، التي تتيح تنسيق الإشارات عبر القارة، وتتيح إمكانية التشغيل المتبادل عبر الحدود، وتتوفر في نظام التبادل الالكتروني للبيانات مستويات متعددة: المستوى 1 يوفر الإشراف المتقطع باستخدام البصائر؛ ويضيف المستوى 2 الاتصالات اللاسلكية المستمرة (GSM-R) ويزيل الحاجة إلى التدريب على المستوى الثالث.

(ب) إن مراقبة الاتصالات - القطارات هي نهج رقمي آخر يستخدم أساساً في نظم المترو، وتستخدم لجنة منع الإرهاب الاتصالات اللاسلكية المستمرة ذات الاتجاهين بين القطارات ونظام المراقبة المركزي، وتوفر معلومات دقيقة عن الموقع وتتيح مسارات سريعة جداً (بدون 90 ثانية في بعض النظم) كما أن المدن مثل نيويورك ولندن وباريس وسنغافورة ودبي قد نشرت أيضاً خطاً رئيسياً في باريس، وهو ما يزيد من القدرة والموثوقية.

الاتجاهات المستقبلية في مجال الإشارة إلى السكك الحديدية

أما الحدود التالية في الإشارة إلى السكك الحديدية فهي إدماج الاستخبارات الاصطناعية، والمجسات المتقدمة، والاتصالات ذات النطاق الترددي العالي من أجل تحقيق التشغيل المستقل تماماً للقطارات والصيانة التنبؤية، وهناك اتجاهات عديدة ترسم مستقبل نظم الإشارة:

AI and Machine Learning for Predictive maintenance

وتخضع البنية التحتية للسكك الحديدية للارتداء والدموع اللذين يمكن أن ينتقصا من الأداء الملاحظ، ويمكن أن تحلل البيانات التحليلية القائمة على أساس التسلسل من دوائر المسار، والإشارات، والآلات التحويلية، وتدريب النظم على التنبؤ بالفشل قبل حدوثها، وذلك بتحديد أنماط غير عادية (مثل تقلبات الفولط، وفترات الاستجابة للمحاضرين)، ويمكن لأفرقة الصيانة أن تحل محل العناصر بصورة استباقية، مما يقلل منا منا الوقت غير المخطط له.

5 زاي - شبكات الاتصال

وتعتمد نظم الإشارات الحالية على شبكات إذاعية مخصصة مثل نظام إدارة الخدمات العامة - R، التي تقدم عرض محدود النطاق الترددي (200 كيلو متر مربع) ولا تكفي لبيانات الفيديو أو الاستشعار الهائل في الوقت الحقيقي.

القطارات المستقلة والزبائن الافتراضية

التشغيل الآلي الكامل (الهدف 4) يزيل السائق بالكامل، بينما حقق المترو عملية لا تعمل بسائقة، فإن السكك الحديدية الرئيسية تتحرك نحو عملية القطار غير المجهزة بالرقمية، ومفهوم " الانقلابات الافتراضية " سيسمح للقطارات بالعمل في فصائل منسقة تنسيقاً، ويتواصلون مباشرة مع بعضهم البعض بدلاً من الاعتماد على خط المراقبة المركزي.

التوائم الرقمية والحياكة

ويُعدّ التوأم الرقمي نسخة طبق الأصل من نظام السكك الحديدية الفيزيائية، بما في ذلك الإشارة والتتبع والمخزون المتداول، ويمكن للمشغلين أن يحفّزوا السيناريوهات، ويختبروا التغييرات التي تُظهر الإشارة، ويضعوا جداول زمنية على النحو الأمثل دون تعطيل عمليات العالم الحقيقي، كما يدعم التوأم الرقمي عملية اتخاذ القرارات في الوقت الحقيقي، وعلى سبيل المثال، إذا حدثت إشارة، فإن التوائم يمكن أن يساعدا على إعادة توجيه القطارات في فرنسا إلى الحد الأدنى من التأخير.

الإشارات المستدامة

وتهدف مبادرات الإشارة الخضراء إلى الحد من استهلاك الطاقة من معدات الإشارة، وقد حلت الأجهزة المتفجرة المرتجلة ذات الكفاءة في استخدام الطاقة بالفعل محل المصابيح غير المُستقطعة؛ ولا تستخدم الإشارات الحديثة سوى القليل من الشواذ، كما يجري نشر إشارات ذات قدرة هائلة في المناطق النائية، وعلاوة على ذلك، يمكن للإشارة الذكية أن تُحدِد أنماط التكفير والتسريع التي تتيح توفير الطاقة، والمعروفة بنظم الاستشارية للحركة الإلكترونية.

خاتمة

وقد شهدت الإشارة إلى السكك الحديدية تطوراً ملحوظاً من توجيه العلم إلى النظم التي تسيطر عليها الحواسيب، مما يتيح التشغيل الآمن لمئات القطارات في اليوم نفسه، ويحقق كل مدير من مديري أجهزة النقل، سواء أكان ذلك بحكم الزمن أو ميكانيكياً أو كهربياً أو رقمياً، بناء على الدروس والتكنولوجيات التي استخلصها النظام السابق، ويقوده الطلب غير المكثف على قدر أكبر من القدرات والسرعة، وعلى السلامة.

Additional resources:] For more details on specific signaling systems, consult the ]Wikipedia article on railway signaling. Learn about the European Train Control System at the ERTMS website