Il monitoraggio del circuito è una delle tecnologie più critiche che sottopongono la sicurezza e l'efficienza operativa delle moderne reti ferroviarie. Fin dalla sua invenzione alla fine del XIX secolo, ha permesso il rilevamento automatico delle posizioni dei treni, la prevenzione delle collisioni e la possibilità di maggiori densità di traffico sia sulle linee metropolitane urbane che sui corridoi intercity ad alta velocità.

Che cosa è il segnale del circuito di pista?

Il circuito di segnalazione è un sistema in cui le rotaie diventano parte di un circuito elettrico che rileva la presenza di un treno all'interno di una sezione definita della pista. La linea ferroviaria è divisa in segmenti isolati elettricamente, ciascuno formando un circuito di pista. Quando un treno entra in una sezione, le ruote e gli assi creano un corto circuito tra i due binari in esecuzione, alterando le condizioni elettriche in quel circuito.

Il circuito di pista, brevettato negli Stati Uniti nel 1872 da William Robinson, divenne commercialmente praticabile negli anni 1890 e rapidamente diffuso in rete di transito lineare e rapido in tutto il mondo.

Come funziona il segnale del circuito di pista

Principio elettrico di base

Il circuito di binario opera su un semplice principio elettrico: le due rotaie di una sezione di binario sono collegate ad un'estremità ad una fonte di alimentazione (batteria o trasformatore) e all'altra estremità ad un relè sensibile o ad un altro dispositivo di rilevamento.

Componenti chiave

  • Fonte di potenza:[] Fornisce l'energia elettrica per il circuito. In genere un alimentatore AC o DC a bassa tensione, spesso intorno a 1-12 volt, per evitare interferenze con la potenza di trazione e per garantire la sicurezza.
  • Giunti isolati:[] Giunti meccanici che isolano elettricamente le sezioni di binari adiacenti. Sono posizionati ai confini di ogni circuito di pista e impediscono la corrente di trapelare tra i blocchi.
  • Raccordi ferroviari:[ Le guide in acciaio servono da due conduttori del circuito, devono essere elettricamente continue all'interno del blocco e libere da legami rotti.
  • Relè:[] Un dispositivo elettromeccanico o a stato solido che cambia lo stato quando la corrente scende sotto una soglia. I contatti del relè controllano direttamente l'aspetto dei segnali del wayside o alimentano i dati in logica di interlocking.
  • Fili di collegamento:[] Conduttori di rame flessibili che collegano le sezioni ferroviarie tra giunti e interruttori, mantenendo la continuità elettrica attraverso giramenti e incroci.
  • Track Feed Equipment:[] Nei circuiti di pista AC, questo include i legami di impedenza e le unità sintonizzate per filtrare le armoniche di corrente di trazione e consentire il rilevamento dei treni.

Tipi di Circuiti di Circuiti

I circuiti di tracciamento non sono di sola dimensione; sono state sviluppate diverse varianti per soddisfare diversi ambienti operativi, sistemi di trazione e requisiti di affidabilità.

Circuiti di pista DC

La forma più semplice utilizza una fonte di alimentazione DC (tipicamente una batteria) e un relè DC. Sono economici e facili da mantenere, ma sono suscettibili di stray correnti DC da trazione elettrica e dispersione della terra. Di conseguenza, i circuiti di circuito DC sono per lo più trovati su linee non elettrificati o su sistemi di trasmissione DC dedicati come reti di metropolitana di terzo raggio.

Circuiti di pista AC

I circuiti di corrente alternata utilizzano alimentatori AC e relè sensibili all'AC, offrono una migliore immunità alle correnti di trazione DC e possono essere sintonizzati a frequenze specifiche (ad esempio, 50 Hz, 60 Hz, 83.3 Hz, ecc.) per evitare interferenze. I circuiti di tracciamento AC sono ampiamente utilizzati su linee ferroviarie elettrificati, inclusi i sistemi catenari a corrente alternata.

Circuiti di pista codificati

Nei circuiti di binari codificati, la potenza viene pulsata in una serie di codici (ad esempio, 75, 120 o 180 tassi di codice al minuto) e il modello di codice viene trasmesso attraverso le guide e rilevato a bordo del treno tramite bobine di ricezione.

Circuiti a binario senza giunture

Le moderne linee ad alta velocità e ad alta densità spesso utilizzano circuiti binari senza giunture (chiamati anche audiofrequenza), invece di giunti isolati, si basano su frequenze elettriche sintonizzate isolate da legami di impedenza.

Vantaggi del segnale del circuito di pista

  • Rilevamento automatico del treno:[ Non è necessario alcun intervento umano per rilevare la presenza di un treno; il sistema opera continuamente e in modo affidabile in condizioni normali.
  • Fail‐Safe Design:[ Nella stragrande maggioranza dei progetti dei circuiti di traccia, lo stato predefinito quando un componente non riesce è quello di indicare “occupied” (pericolo), causando segnali di mostrare il rosso.
  • Monitoraggio continuo:[] Il circuito di binario può anche rilevare rotaie rotte, se una frattura ferroviaria, il circuito è rotto, e il relè scende per indicare un blocco occupato, fornendo un ulteriore vantaggio di sicurezza.
  • Scalability:[] I circuiti di pista possono essere applicati a linee di qualsiasi lunghezza o complessità, da linee di rami semplici a metropolitane urbane dense con centinaia di blocchi.
  • Costo di funzionamento basso:[] Una volta installato, i circuiti di pista richiedono energia minima (spesso alimentati a energia solare per linee remote) e hanno una lunga vita di servizio.
  • Compatibilità con i sistemi esistenti:[ I circuiti di binari si integrano bene con i segnali tradizionali del wayside, gli interlocking e i sistemi di controllo del treno.

Limitazioni e sfide

Nonostante la loro diffusa adozione, il segnale dei circuiti ha ben noti limiti che gli ingegneri ferroviari devono gestire.

  • Scettabilità alle condizioni ambientali:[ Le foglie di bagnato, ruggine o superfici ferroviarie grasse possono ridurre il contatto elettrico tra ruote e rotaie, portando a “spingere povera” dove un treno non è correttamente rilevato.
  • Interferenza elettrica:[] Correnti di trazione, in particolare da linee aeree DC a terzo raggio o AC con alto contenuto armonico, possono interferire con le prestazioni del circuito di pista.
  • Affidabilità congiunta isolata:[ I giunti isolati meccanici sono punti deboli; possono rompere o rompere sotto stress termico o carichi pesanti di asse, causando false indicazioni di occupazione.
  • La larghezza di banda limitata per la trasmissione dei dati:[[] I circuiti tradizionali possono trasmettere solo uno stato binario (occupied/clear) o, al meglio, alcune velocità codificate, non supportano lo scambio di dati ad alta larghezza di banda richiesto dai moderni sistemi di controllo dei treni.
  • Alta manutenzione in layout complessi:[] Stazioni, cantieri e crossover richiedono molte articolazioni isolate e complesse modalità di incollaggio, aumentando i costi di installazione e manutenzione.

Sviluppo e Alternative Moderne

Poiché le reti ferroviarie richiedono velocità più elevate, piste più corte e maggiore capacità, il segnale tradizionale del circuito è stato completato o sostituito da tecnologie più avanzate.

Contatori di asse

I contatori dell'asse rilevano il passaggio delle ruote ferroviarie, contando il numero di assi che entrano e lasciano una sezione. Due sensori (rilevatori di ruote) posti ai confini dell'incremento del blocco e decrementano un contatore. Se il contatore legge zero, il blocco è chiaro; altrimenti, è occupato. I contatori dell'asse non sono influenzati da scarse rotture e sono immuni alle interferenze di trazione elettrica.

Controllo del treno basato sulla comunicazione (CBTC)

CBTC è ampiamente utilizzato su sistemi metropolitani urbani. Utilizza una comunicazione continua a due vie tra treni e un sistema di controllo a senso lato per determinare la posizione del treno con alta precisione (spesso a pochi metri). CBTC può operare con blocchi in movimento piuttosto che blocchi fissi, consentendo a headway molto più brevi e capacità più elevate.

Sistema europeo di controllo dei treni (ETCS)

ETCS è lo standard per le ferrovie ad alta velocità e linea principale in tutta Europa e in molte altre regioni. Utilizza balli (trasmettitori) e comunicazioni radio (GSM‐R) per trasmettere le autorità di movimento al treno.

Circuiti di pista digitali

I moderni circuiti di binari digitali possono codificare più bit di informazioni, permettendo loro di trasmettere comandi di velocità e altri dati, pur mantenendo il tradizionale rilevamento dei treni. Sistemi come il sistema BAcc italiano o il giapponese ATC‐1 operano su questo principio, combinando la robusta rilevazione dei circuiti di traccia con la limitata capacità di trasmissione dei dati.

Applicazioni e studi di casi reali

Il circuito britannico, ad esempio, utilizza un mix di circuiti di circuiti AC (50 Hz e 83.3 Hz) attraverso il suo ampio sistema di rete principale, con contatori di asse che vengono retrofitti su percorsi di densità inferiore. La metropolitana di New York City opera in gran parte sui circuiti di circuito DC, mentre la metropolitana di Londra utilizza una combinazione di circuiti di transizione DC e codek per il suo aggiornamento della rete cablata.

Un esempio notevole di guasto del circuito di pista causando un incidente importante è il crollo ferroviario di Ladbroke Grove del 1999 nel Regno Unito, dove un segnale passato in pericolo a causa in parte di un circuito di pista che non ha correttamente rilevato un treno a causa di condizioni di scarsa interruzione.

Per ulteriori informazioni sull'evoluzione tecnica dei circuiti, l'articolo Wikipedia sui circuiti di pista offre una prospettiva storica dettagliata. L' Istituzione degli ingegneri di segnale ferroviario (IRSE) pubblica numerosi documenti tecnici sulla progettazione e sulle prestazioni del circuito di pista.

Sfide di manutenzione e affidabilità

I cavi di collegamento devono essere controllati per danni alla corrosione e meccanica. I giunti isolati hanno bisogno di un controllo regolare per la crepatura e l’usura. I relè devono essere testati per un corretto funzionamento e regolati per una sensibilità appropriata dello shunt. In molte ferrovie, i guasti dei circuiti di pista sono la categoria più grande di incidenti di segnalazione, spesso causati da fattori ambientali come la foglia di multich o la contaminazione delle acque di pioggia.

La manutenzione predittiva con l'analisi dei dati sta diventando più comune: monitorando la tensione del relè del circuito e i tempi di risposta nel tempo, si possono rilevare guasti incipienti (ad esempio un filo di legame che indebolisce lentamente) prima di causare un guasto operativo. L'uso dei sistemi di monitoraggio delle condizioni remote (RCMS) aiuta le ferrovie a ridurre il numero di guasti di segnalazione non pianificati.

Il futuro del segnale del circuito di pista

Molti network hanno un enorme capitale investito nell’infrastruttura dei circuiti binari, e la sostituzione di ogni blocco con contatori di asse o CBTC sarebbe economicamente inaffidabile. Invece, la tendenza è verso i sistemi ibridi: i circuiti di binari rimangono in posizione per il rilevamento dei treni vitali e il rilevamento di velocità rotte, mentre i sistemi di sovrapposizione (ad esempio, ETCS o CBTC) forniscono funzionalità aggiuntive precise.

La chiave per la futura affidabilità è la migliore comprensione della fisica della frenata del rullo e dello sviluppo dei circuiti tracciati che possono auto-tunere a cambiare le condizioni ambientali.

Conclusioni

Nonostante i suoi limiti, il suo principio di sicurezza, relativamente basso costo e la capacità di rilevare le rotaie rotte lo tengono rilevante in un'epoca di controllo sempre più digitale del treno. Comprendendo i principi – dai circuiti elettrici di base fino ai sistemi di frequenza audio codificati – fornisce una base per chiunque lavori nel segnale ferroviario.