Понимание принципов сигнализации дорожных цепей в железнодорожных сетях

Сигнализация трековых цепей является одной из наиболее важных технологий, лежащих в основе безопасности и эксплуатационной эффективности современных железнодорожных сетей. С момента своего изобретения в конце 19-го века она позволила автоматически обнаруживать положения поездов, предотвращать столкновения и обеспечивать более высокую плотность движения как на городских линиях метро, так и на высокоскоростных междугородних коридорах. Понимание принципов, лежащих в основе железнодорожных цепей, имеет важное значение для всех, кто участвует в железнодорожном проектировании, эксплуатации или обслуживании. Эта статья обеспечивает углубленное изучение того, как работает сигнализация трековых цепей, ее основных компонентов, вариаций, преимуществ, ограничений и развивающихся технологий, которые дополняют или заменяют ее в современных железнодорожных системах.

Что такое сигнал трека?

Сигнализация цепи трека представляет собой систему, в которой сами рельсы становятся частью электрической цепи, которая обнаруживает присутствие поезда в пределах определенного участка пути. Железнодорожная линия разделена на электрически изолированные сегменты, каждый из которых образует цепь пути. Когда поезд входит в участок, его колеса и оси создают короткое замыкание между двумя ходовыми рельсами, изменяя электрические условия в этой цепи. Это изменение ощущается оборудованием на стороне пути (часто реле) и используется для управления сигналами на обочине и системами управления поездом. Основная цель состоит в том, чтобы определить, занят ли участок пути или чист, и передать эту информацию для обучения водителей и центральных центров управления автоматически.

Впервые запатентованная в США в 1872 году Уильямом Робинсоном, трасса стала коммерчески жизнеспособной в 1890-х годах и быстро распространилась по магистральным и скоростным транзитным сетям по всему миру.Сегодня она остается основополагающим элементом обычной сигнализации, с миллиардами миль трассы-схемы, установленных во всем мире.

Как работает сигнализация трека

Основной электрический принцип

Трасса работает по простому электрическому принципу: два рельса секции пути соединены на одном конце с источником питания (батарейкой или трансформатором) и на другом конце с чувствительным реле или другим чувствительным устройством. Сами рельсы выступают в роли проводников. В отсутствие поезда ток течет от источника через один рельс, через релейную катушку и обратно через другой рельс, сохраняя реле заряженным. Когда поезд входит в секцию, его металлические колеса и оси перекрывают два рельса, создавая путь с низким сопротивлением, который переключает ток от реле. Реле обесточивается, заставляя его менять свое состояние контакта. Это изменение интерпретируется сигнальной системой как указание на занятие пути. Сигнал на входе в секцию затем устанавливается на опасность (красный), предотвращая вход других поездов в этот блок.

Ключевые компоненты

Типы трековых схем

Трассовые схемы не подходят для всех; было разработано несколько вариантов для различных рабочих сред, тяговых систем и требований к надежности.

DC Track Circuit

Простейшая форма использует источник питания постоянного тока (обычно аккумулятор) и реле постоянного тока. Они недороги и просты в обслуживании, но восприимчивы к отклоняющимся токам постоянного тока от электрической тяги и утечки земли. Следовательно, схемы пути постоянного тока в основном встречаются на неэлектрифицированных линиях или на выделенных системах тяги постоянного тока, таких как сети метро третьего рельса.

AC Track Circuit

В схемах колеи переменного тока используются источники питания переменного тока и реле, чувствительные к переменному току. Они обеспечивают лучший иммунитет к токам тяги постоянного тока и могут быть настроены на конкретные частоты (например, 50 Гц, 60 Гц, 83,3 Гц и т. Д.), Чтобы избежать помех. Схемы колеи переменного тока широко используются на электрифицированных железных дорогах, включая магистральные катанарные системы переменного тока. Они также могут быть наложены кодированными частотными сигналами для передачи дополнительной информации, такой как ограничения скорости.

Кодированные дорожные схемы

В закодированных цепях пути мощность импульсируется в серии кодов (например, 75, 120 или 180 кодовых скоростей в минуту). Кодовый шаблон передается через рельсы и обнаруживается на борту поезда через катушки приемника. Это позволяет передавать команды скорости непосредственно в сигнальную систему кабины поезда. Закодированные цепи пути являются ключевым компонентом сигнальных систем кабины, таких как сигнализация кабины Pulse-Code (PCCS) в США.

Безрамочные трековые схемы

Современные высокоскоростные и высокоплотные линии часто используют безсоединенные (также называемые аудиочастотными) трековые цепи. Вместо изолированных соединений они полагаются на настроенные электрические частоты, которые изолированы импедансными связями. К соседним блокам прикреплены различные аудиочастотные полосы. Безсоединенные трековые цепи устраняют механическую слабость и бремя обслуживания изолированных соединений, что делает их идеальными для длинной сварной рельсы и высокоскоростных операций выше 200 км/ч.

Преимущества сигнализации трековой цепи

Ограничения и вызовы

Несмотря на широкое распространение, сигнализация на железнодорожных путях имеет известные ограничения, которыми должны управлять железнодорожные инженеры.

  • Ощущение к условиям окружающей среды:] Мокрые листья, ржавчина или жирные поверхности рельсов могут уменьшить электрический контакт между колесами и рельсами, что приводит к «плохому шунтированию», когда поезд не обнаружен должным образом.
  • Электрические помехи: Тяговые токи, особенно от линий наземного тока третьего рельса постоянного тока или переменного тока с высоким гармоническим содержанием, могут мешать работе трековой цепи. Требуется тщательная настройка и фильтрация.
  • Надежность изолированных суставов: Механические изолированные суставы являются слабыми местами; они могут разрушаться или трескаться при тепловом напряжении или тяжелых нагрузках на ось, вызывая ложные показания к занятию.
  • Ограниченная пропускная способность для передачи данных: Традиционные трековые цепи могут передавать только один двоичный статус (занятый/четкий) или, в лучшем случае, несколько закодированных скоростей. Они не поддерживают обмен данными с высокой пропускной способностью, требуемый современными системами управления поездом.
  • Высокое техническое обслуживание в сложных конструкциях: Станции, дворы и кроссоверы требуют много изолированных соединений и сложных схем соединения, увеличивая стоимость установки и обслуживания.

Современные разработки и альтернативы

Поскольку железнодорожные сети требуют более высоких скоростей, более коротких пробегов и увеличенной пропускной способности, традиционная сигнализация цепи пути дополняется или заменяется более передовыми технологиями.

Счетчики осей

Счетчики осей обнаруживают прохождение колес поезда, подсчитывая количество осей, входящих и выходящих из секции. Два датчика (детекторы колес), размещенные на границах приращения блока и сечения счетчика. Если счетчик считывает ноль, блок понятен; в противном случае он занят. Счетчики осей не подвержены плохому шунтированию рельсовых колес и невосприимчивы к электрическим помехам тяги. Они все чаще используются в качестве экономически эффективной альтернативы трековым цепям, особенно на неэлектрифицированных или слабо используемых линиях. Однако они не предлагают возможности обнаружения сломанных рельсов трековых цепей.

Коммуникационный контроль поездов (CBTC)

CBTC широко используется в городских системах метро. Он использует непрерывную двустороннюю радиосвязь между поездами и системой управления на обочине для определения положения поезда с высокой точностью (часто до нескольких метров). CBTC может работать с движущимися блоками, а не с фиксированными блоками, что позволяет гораздо короче и более высокую пропускную способность. Хотя CBTC не полагается на трековые цепи для обнаружения поезда, он часто использует трековые цепи или счетчики осей в качестве обратного слоя для безопасности и работы в деградированном режиме.

Европейская система управления поездами (ETCS)

ETCS является стандартом для высокоскоростных и магистральных железных дорог по всей Европе и многим другим регионам. Он использует балисы (транспондеры) и радиосвязь (GSM-R) для передачи органов движения в поезд. На самом высоком уровне (уровень ETCS 2 и 3) положение поезда сообщается самим поездом по радио, что снижает потребность в трековых цепях. Однако многие реализации ETCS по-прежнему включают трековые цепи или счетчики осей в качестве жизненно важной системы обнаружения поезда для взаимосвязанных функций.

Цифровые дорожные схемы

Современные цифровые схемы трека могут кодировать несколько бит информации, позволяя им передавать команды скорости и другие данные, все еще выполняя традиционное обнаружение поезда.Такие системы, как итальянская система BAcc или японская ATC-1, работают по этому принципу, сочетая надежное обнаружение цепей трека с ограниченной способностью передачи данных.

Реальные приложения и тематические исследования

Сигнализация трековых цепей остается основой многих крупных сетей. Британская железнодорожная сеть, например, использует комбинацию трековых цепей переменного тока (50 Гц и 83,3 Гц) через свою обширную магистральную систему, с счетчиками осей, модернизируемыми на маршрутах с более низкой плотностью. Нью-Йоркское метро работает в основном на трековых цепях постоянного тока, в то время как лондонское метро использует комбинацию цепей постоянного тока и кодированных дорожек для своей системы сигнализации кабины. Высокоскоростная сеть Синкансена в Японии первоначально использовала кодированные трековые цепи для ATC, хотя новые линии переходят на цифровое радиоуправление. В развивающихся странах сигнализация трековых цепей часто является первым обновлением от ручных систем блокирования, принося немедленные выгоды для безопасности.

Одним из заметных примеров отказа цепи пути, вызвавшего крупную аварию, является железнодорожная авария 1999 года в Ладброк-Гроув в Великобритании, где сигнал прошел в опасности из-за того, что цепь пути не правильно обнаружила поезд из-за плохих условий маневрирования. Этот инцидент подчеркнул необходимость надежных стандартов маневрирования и привел к более широкому принятию счетчиков оси в качестве дополнительного метода обнаружения.

Для дальнейшего чтения о технической эволюции трековых цепей статья Wikipedia о трековых цепях предлагает подробную историческую перспективу.Институт инженеров железнодорожных сигналов (IRSE) публикует многочисленные технические документы по проектированию и характеристикам трековых цепей. Для современных замен см. Сравнение железнодорожных технологий счетчиков осей и трековых цепей.

Проблемы обслуживания и надежности

Для обеспечения надежности цепей путей требуется систематический режим обслуживания. Провода связи должны проверяться на коррозию и механические повреждения. Изолированные соединения нуждаются в регулярном осмотре на предмет трещин и износа. Реле должны проверяться на правильность работы и корректироваться на соответствующую чувствительность к шунтированию. Во многих железных дорогах отказы цепи путей являются единственной крупнейшей категорией инцидентов сигнализации, часто вызванных факторами окружающей среды, такими как мульча листьев или загрязнение дождевой воды. Для смягчения этого некоторые операторы применяют песнит (проводящий гель) или используют струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное струйное стру

Прогнозное обслуживание с использованием аналитики данных становится все более распространенным. Путем мониторинга напряжения реле цепи трека и времени отклика с течением времени, зарождающиеся неисправности (например, медленно ослабляющий соединительный провод) могут быть обнаружены до того, как они вызовут операционный сбой. Использование систем мониторинга удаленного состояния (RCMS) помогает железным дорогам уменьшить количество незапланированных сбоев сигнализации.

Будущее сигнализации трековых цепей

Не устареют ли схемы треков? Не в ближайшем будущем. Многие сети имеют огромный капитал, вложенный в инфраструктуру трековых цепей, и замена каждого блока счетчиками осей или CBTC будет экономически невыполнимой. Вместо этого тенденция к гибридным системам: трековые цепи остаются на месте для жизненно важного обнаружения поездов и обнаружения сломанных рельсов, в то время как системы наложения (например, ETCS или CBTC) обеспечивают дополнительную функциональность. Цифровые двойники сигнальных сетей в сочетании с датчиками IoT позволят еще более точно контролировать производительность трековых цепей. Кроме того, разработка систем «виртуального блока», которые используют спутниковое позиционирование для обнаружения поездов, может в конечном итоге уменьшить зависимость от фиксированных активов треков, но это все еще годы от широкого развертывания на критически важных для безопасности магистральных услуг.

Ключ к будущей надежности заключается в лучшем понимании физики маневрирования колесных рельсов и разработке трековых схем, которые могут самостоятельно настраиваться на изменяющиеся условия окружающей среды.Исследования беспроводной передачи энергии для изолированных цепей и использование машинного обучения для обнаружения зарождающихся сбоев являются активными областями исследования.

Заключение

Сигнализация трековых цепей остается важной технологией для безопасных и эффективных железнодорожных операций. Несмотря на свои ограничения, ее принцип отказоустойчивости, относительно низкая стоимость и способность обнаруживать сломанные рельсы сохраняют ее актуальность в эпоху все более цифрового управления поездом. Понимание принципов - от базовых электрических цепей до кодированных аудио-частотных систем - обеспечивает основу для всех, кто работает в железнодорожной сигнализации. По мере того, как отрасль движется к полностью автоматической работе поезда и виртуальной связи, скромная цепь треков будет продолжать служить надежной основой, на которой построены более продвинутые системы.