Table of Contents

مقدمة: الدور الحاسم للسلطة غير المتقطعة في الإشارة إلى السكك الحديدية

(ج) نظم الإشارة بالسكك الحديدية هي النظام العصبي لشبكات السكك الحديدية الحديثة، وهي تتحكم في تحركات القطار، وتفرض مسافات آمنة، وتمنع الاصطدام، وتدير تدفق حركة الركاب والشحن، وتواجه عوامل الفشل في تحديد مواقع الوصلات في حالات التأخير، وتعطل الخدمات، وفي أسوأ السيناريوهات، الحوادث المفجعة، وفي قلب كل تركيبة إشارات، توجد قدرة يمكن الاعتماد عليها.

فهم إمدادات الطاقة الزائدة عن الحاجة في سياق السكك الحديدية

وتشير إمدادات الطاقة الزائدة إلى التشكيلات التي توفر فيها مصادر متعددة مستقلة للطاقة، أو مسارات متعددة داخل مصدر واحد، بحيث لا يعطل فشل أي عنصر من العناصر الحمل، وفي إشارة السكك الحديدية، لا يكون التكرار مجرد ملاءمة؛ بل هو شرط أساسي للسلامة والموثوقية، وتشمل أهم التضاريس المستخدمة في تطبيقات السكك الحديدية ما يلي:

  • N+1 التكرار: تم تركيب وحدة إضافية للطاقة تتجاوز القدرة المطلوبة، وإذا فشلت وحدة واحدة، فإن الوحدات المتبقية تواصل دعم الحمولة الكاملة.
  • 2N أو 2N+1 التكرار: Two fully independent power systems (each capable of handling the entire load) are deployed, sometimes with an additional spare. This provides the highest level of fault tolerance.
  • Distributed redundancy:] Multiple smaller power supplies are placed near the signaling equipment they serve, reducing single points of failure in the distribution network.

ويعتمد اختيار الطبقات على مستوى السلامة المطلوب، ودرجة حرجة وظيفة الإشارة، والبيئة التشغيلية، مثلا، الإشارات الرئيسية ذات السرعة العالية التي تتحكم في قطارات الركاب التي عادة ما تُكلف 2N أو أفضل، في حين أن إشارات الساحات الثانوية قد تعمل بالرقم 1.

الفوائد الأساسية للسلطة الزائدة عن الحاجة في البنية التحتية للإشارة

وفي حين أن المزايا العامة للتكرار معروفة جيدا، فإن أثرها المحدد على الإشارة إلى السكك الحديدية يستحق دراسة تفصيلية.

تعزيز السلامة من خلال التصميم الفاي - العملياتي

وفي الإشارة إلى أن الأولوية تفشل دائماً بشكل آمن من خلال إظهار جانب تقييدي (إشارة مصغرة) عندما تضيع الطاقة، غير أن اتباع نهج بسيط في السلامة يؤدي إلى انقطاع الإشارات على نطاق واسع يمكن أن يكون في حد ذاته خطيراً، وقطارات متقطعة في الأنفاق، أو على الجسور، أو عند المعابر على المستوى، كما أن إمدادات الطاقة المتجددة تسمح للنظام بأن يظل يعمل بكامل طاقته (معطلاً) أثناء حدث واحد يتعلق بفقدان القدرة.

زيادة الموثوقية والحد من الوقت

ويترجم الانقطاع المباشر إلى تدريب التأخيرات، وفقد الإيرادات، وعدم رضا المسافرين، ويمكن أن يحقق هيكل الطاقة الزائدة أرقاماً متوافرة تبلغ 99.999 في المائة (ما يسمى بـ " خمسة تسعة " ) حتى عندما تكون لكل عنصر من العناصر درجة أقل من الموثوقية، وهذا ممكن لأن معدل فشل النظام العام هو ناتج عن معدلات فشل فرادى المسارات، عندما يكون لكل من هاتين المركبتين المستقلتين احتمال بنسبة 1 في المائة.

العمليات المستمرة تحت ستار الضواحي

وتخضع شبكات المرافق العامة للتشنجات والارتفاعات والتغيرات في الترددات والتسرب الكامل، وفي مناطق كثيرة، تكون التجاوزات المتصلة بالطقس شائعة، وتوحيد نظم الطاقة الكهربائية، التي تجمع عادة بين تغذية المرافق وتوليدها في الموقع (مولدات الديزل أو الغاز) ومصارف البطاريات، وضمان استمرار تشغيل معدات الإشارة دون هوادة، وأجهزة التحويل الآلي الحديثة، وإمدادات الطاقة غير القابلة للاستمرار.

الامتثال التنظيمي والتصديقات

ومن ثم، فإن معايير السلامة في السكك الحديدية في جميع أنحاء العالم تتطلب نظماً إضافية للطاقة من أجل الإشارة إلى السلامة، فعلى سبيل المثال، فإن المعايير الأوروبية للشبكة الأوروبية للطاقة المتجددة (المعدل 50126، و50128، و50129) تتطلب أن تكون المهام المسندة إلى مستوى السلامة من 3 أو 4 نظم اختيارية معززة بالاستقلال الكافي، وكذلك توفر الإدارة الاتحادية للسكك الحديدية (FRA) والمعايير الدولية مثل IEC 6124.

الوفورات في التكاليف الطويلة الأجل بعد الاستثمار الأولي

وفي حين أن فائض إمدادات الطاقة يرتفع في النفقات الرأسمالية الأولية، فإن التكلفة الإجمالية للملكية على مدى 20-30 سنة، مما يشير إلى دورة الحياة، كثيرا ما تكون أقل، ويتفادى انخفاض وقت العمل التعطلي التكلفة في دقائق التأخير (التي يمكن أن تصل إلى آلاف اليورو في الساعة بالنسبة لخدمات الركاب الرئيسية)، ويخفض معدل الفشل في زيارات الصيانة واستبدال قطع الغيار، وعلاوة على ذلك، قد تكون أقساط التأمين أقل عندما تكون هندسة زائدة.

العناصر التقنية وتركيب السلطة اللاسلكية للإشارة إلى السكك الحديدية

ويتطلب تنفيذ التجاوز فهماً شاملاً لسلسلة الطاقة، من الربط الشبكي لشبكة الكهرباء إلى رئيس الإشارة النهائي أو المنطق المتقاطع.

مصادر الطاقة: التنوع هو مفتاح

ويتطلب التكرار الحقيقي تنوعاً من مصادر أخرى - ليس مجرد كابلين من نفس الإحلال.

  • مغذيان مستقلان للمرافق من مختلف المراكز الفرعية أو نقاط مختلفة على الشبكة.
  • تغذية واحدة للمرافق بالإضافة إلى مولد مكرس في الموقع (الديزل أو الغاز الطبيعي أو الهيدروجين).
  • A utility feed plus a bat energy storage system (BESS) capable of sustaining the signaling load for several hours.
  • في المناطق النائية، مزيج من صفائف فولتية شمسية مع تخزين البطاريات ومولد ديزل احتياطي.

وتخفض المصادر العكسية خطر وقوع حوادث مشتركة بسبب الفشل - أحداث تعطل مسارات متعددة في آن واحد )مثل فشل محطات توليد الطاقة المحلية، أو انقطاع الكهرباء على نطاق الشبكة، أو انقطاع إمدادات الوقود(.

النقل غير المتعمد وغير المفقود

The transition between power sources must be seamless. Static transfer shiftes (STS)] using silicon-controlled rectifiers (SCRs) can shift in under 4 milliseconds - invisible to signaling equipment. For longer interruptions, a dual-conversion UPS (online UPS) continuously draw power from the primary source and concur charges

الرصد، والأسلحة، والتشخيص اللاحق

ولا يجوز الإشراف باستمرار على نظام التصريف الزائد إلا بقدر ما يكون رصده، إذ يجب الإشراف باستمرار على كل وحدة من وحدات الطاقة، وسلسلة البطاريات، ومفاتيح التحويل، وتدمج نظم الطاقة الحديثة مع منابر إدارة الشبكات (مثلاً، SCADA، TMS) للإبلاغ عن الفولط، والحال، ودرجة الحرارة، وحالة الشحن، وتولد الأسلحة لظروف غير عادية مثل انخفاض مواقع البطاريات، وارتفاع درجة الحرارة، أو فقدان القدرة على تغذية المرافق.

المعايير والاختبارات وأطر الامتثال

وتنظم عملية تصميم وتثبيت القوة الزائدة عن الحاجة لإشارات السكك الحديدية مجموعة صارمة من المعايير الدولية والإقليمية.

التصنيف الدولي للحساب الإلكتروني 61508 و SIL

(أ) [موازية: / خط] IEC 61508] هو معيار الأمان الوظيفي الشامل للنظم الإلكترونية ذات الصلة بالكهرباء/الكهرباء/الكهرباء/الكهرباء، الذي يحدد أربعة مستويات لنزاهة السلامة (من 1 إلى 4) مع أن وظائف الإشارات السريعة تتطلب عادةً توفير SIL 3 أو SIL.

معايير السكك الحديدية في منطقة البحر الكاريبي (EN 50126/50128/50129)

وتقتضي الأسرة الأوروبية التابعة للشبكة الأوروبية للطاقة الذرية (الشبكة 50126: إدارة نظم إدارة السجلات والمحفوظات، EN 50128: EN 50129: النظم الإلكترونية المتصلة بالسلامة) معالجة إمدادات الطاقة كجزء من نظام السلامة.

أنظمة لجنة حقوق الإنسان في شمال شرق أفريقيا ورابطة أمم جنوب شرق أفريقيا

وفي أمريكا الشمالية، تضع هيئة الاعتماد على الكهرباء في أمريكا الشمالية معايير لموثوقية نظام الطاقة السائبة التي تؤثر على خط السكك الحديدية والفرعيات التي تشير إلى ذلك، وتصدر الإدارة الاتحادية للسكك الحديدية لوائح تنظيمية (49 CFR Part 236) تنظم نظم الإشارات، التي تتطلب ضمناً إعادة توزيع الطاقة من خلال اشتراط تصميم " السلامة " ، ورغم أن قواعد هيكل الإشارات الحيوية لا تُطبق على نحو مسبق كما هو الحال في نظام CENELEC.

أفضل الممارسات والخيوط المشتركة

إن نشر إمدادات الطاقة الزائدة عن الحاجة في منشآت الإشارة في العالم الحقيقي ينطوي على أكثر من اختيار الطبقات العليا الصحيحة، وتؤثر القرارات المتخذة أثناء التصميم والتركيب والصيانة تأثيرا مباشرا على قدرة النظام على الوفاء بوعوده.

الانفصال المادي والكهربائي

ويجب أن تكون طرق الطاقة المتردية منفصلة ماديا في مختلف صنايات الكابلات، من خلال قنوات مختلفة، ومن الناحية المثالية على الجوانب المقابلة لغرفة المعدات، وهذا يحمي من الأضرار الميكانيكية والنار والتدخل الكهرومغناطيسي، وبالإضافة إلى ذلك، يجب أن يكون الركن والترابط من نقطة واحدة لتجنب الحلقات الأرضية التي يمكن أن تعطل الإشارات الإلكترونية، والفصل بين الحركات هو أحد أكثر الأسباب شيوعاً للفشل في الأسباب المشتركة الخفية.

إدارة البطاريات والتخطيط لنهاية الحياة

فالبطاريات هي في كثير من الأحيان أضعف صلة، فبطاريات الرصاص المصممة بالقيمة شائعة ولكنها محدودة العمر (من 5 إلى 10 سنوات) وهي حساسة بالنسبة لدرجات الحرارة، إذ أن البطاريات التي تستخدم الليثيوم توفر حياة أطول وأداة أفضل، ولكنها تتطلب نظما متطورة لإدارة البطاريات لمنع الركض الحراري، وبغض النظر عن الكيمياء، واختبارات القدرة العادية (منها 27).

اختبارات التعبئة الدورية والتدفئة

ويجب إثبات إعادة التوحيد من خلال الاختبارات التشغيلية الروتينية، وينبغي على الأقل أن تقوم أفرقة الصيانة كل ثلاثة أشهر بتحفيز فقدان التغذية الأساسية للمرافق والتحقق من أن المصدر الاحتياطي (المولد و/أو البطاريات) يستلم دون أي تعطيل للإشارة، وينبغي أيضا أن يجري " حفريات الاستنشاق " هذه تحت الحمولة للتحقق من أن النظام يمكن أن يوفر الحد الأقصى المطلوب خلال سيناريو أسوأ الحالات.

أمن الفضاء الإلكتروني في نظم إدارة الطاقة

ومع زيادة الربط بين نظم الطاقة (الرصد القائم على أساس برنامج العمل الدولي، والمراقبة عن بعد)، فإنها تصبح أهدافاً للهجمات الإلكترونية، إذ يمكن أن يؤدي عامل تهديد إلى تعطيل السلطة عن طريق هجوم منسق على واجهات الإدارة، وبعد ] IEC 62443 ] (شبكات الاتصالات الصناعية - الأمن) يوصى به بصورة متزايدة لنظم إدارة الطاقة في سياقات السكك الحديدية، وضوابط قوية

الاتجاهات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

ويجري تشكيل تطور حركة إعادة الإمداد بالطاقة السكك الحديدية عن طريق إضفاء الطابع الرقمي، وتحقيق أهداف الاستدامة، وإدماج مصادر الطاقة المتجددة.

Solid-State Transformers and High-Voltage DC Distribution

وتستخدم إمدادات الطاقة التقليدية متحولات كبيرة ذات تردد كبير، كما أن تكنولوجيات التحويل الجديدة في الدول الصلبة، إلى جانب توزيع مرتفع في العاصمة على 750 V أو 1500 V، يتيحان توفير قدر أكبر من الكفاءة من الطاقة على مسافات أطول مع الحد من وزن النحاس، كما يمكن أن توفر النظم المحولة المغنطة والثبط الدينامية التي تعزز نوعية الطاقة الكهربائية.

التكامل مع جيل جديد على الشبكة العالمية وموجات مجهرية

وتتزايد تجهيز محطات السكك الحديدية ومواقع الإشارة باللوحات الشمسية، والاضطرابات الريحية الصغيرة، وتخزين البطاريات، ويمكن أن تكون هذه المصادر مصادر إضافية زائدة، لا سيما في المناطق الريفية أو النائية التي تكون فيها الاتصالات الشبكية ضعيفة، ويمكن للمتحكمين في الأحجار الصغيرة أن يُجمعوا بحرارة الحمولة من المرافق أثناء اضطراب الشبكة، مما يغذيها من مصادر الطاقة المتجددة المحلية، ولا يعزز الكربون المحتوي على البصمة فحسب، بل ويخفض أيضا.

الصيانة الاستباقية الذكية

ويمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم الآلاتي التي تطبق على قياسات نظام الطاقة بالفشل في العناصر قبل حدوثها، مثلاً، يمكن أن تشير التغيرات الطفيفة في ضغط البطاريات أو ارتفاع درجة الحرارة إلى حدوث عطل وشيك قبل أسابيع، فالالصيانة الافتراضية تتيح للمشغلين الاستعاضة عن الوحدات المتدهورة أثناء فترات التعطل المقررة بدلاً من خلال أزمة، وهذا النهج يزيد من توافر الطاقة الزائدة عن الحاجة إلى حد كبير عن طريق ضمان صحة جميع المسارات.

خاتمة

إن إعادة الإمداد بالطاقة عنصر أساسي في البنية الأساسية الحديثة للإشارات بالسكك الحديدية، إذ أنها توفر القدرة على الفشل في العمل اللازمة للحفاظ على السلامة والموثوقية والتقيد بالمواعيد في بيئة متنقلة تتطلب زيادة الطلب على السكك الحديدية، ومن التشكيلات التقليدية التي تستخدمها الشبكة إلى الحد الأدنى من الحاجات الدقيقة، يظل المبدأ كما يلي: ضمان عدم وجود أي عنصر واحد يعطل أبداً وظائف الإشارة الحيوية التي تحافظ على انتقال خطوط السك الحديدية بأمان.

For further reading on functioning safety in railways, consult the CENELEC standards gate and the IEC Functional Safety website]. Practical guidance on battery maintenance can be found in IEE 1188