Cyfrowa kolej

Nikt nie zamierzał tworzyć historii kolei 5 maja 1998 roku. Tyle, że w Phippsburgu w Kalifornii brakowało lokomotyw. Zamiast zwykłych pięciu lokomotyw, tylko cztery były dostępne do wciągnięcia 108-wagonowego pociągu węglowego na Union Pacific Stroma linia kolejowa Toponas na zachodnim zboczu Gór Skalistych. To, co nastąpiło później, jest wśród budowniczych lokomotyw legendarne.

Lokomotywy były zupełnie nowymi molochami General Electric z niespodzianką: ich silniki trakcyjne działały na prąd zmienny, a nie stały. Wspinając się tego dnia na szczyt Toponas, pociągi zwolniły do ​​ledwie wyczuwalnych sześciu metrów na minutę. Żaden szanujący się inżynier nie spróbowałby tak lekkomyślnej sztuczki z konwencjonalnymi silnikami prądu stałego: koła by się poślizgnęły, pociąg zgasłby, a same silniki usmażyłyby się jak jajko. Ale żadna z tych rzeczy się nie wydarzyła. Rzeczywiście, późniejsze dochodzenie wykazało, że lokomotywy wytwarzały większą siłę pociągową, niż uważano za możliwe przy tej prędkości. Ten wyczyn siły zapoczątkował radykalną transformację kolejnictwa – rewolucję, która wywodzi się bezpośrednio z postępu w technologii informacyjnej.

Ta historia była częścią naszego wydania z marca 2002 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Technologicznie trudno znaleźć w kolejnictwie coś, co nie zmieniło się w ciągu ostatniej dekady. Dziesiątki mikroprocesorów w dzisiejszych lokomotywach spalinowych obsługują prawie wszystkie ich systemy, od zasilania paliwem po klimatyzację kabiny. Linie biegunowe, które kiedyś migotały za oknami pędzących pociągów pasażerskich, znikają na rzecz komunikacji mikrofalowej lub światłowodowej. Nowe eksperymentalne systemy dyspozytorskie i sterujące mogą wkrótce poinformować inżynierów, czy używają najbardziej oszczędnych ustawień przepustnicy.

Powiedz pociągi do większości ludzi, a oni pomyślą o różnorodności pasażerów. Ale w Stanach Zjednoczonych koleje, które mają największy wpływ na gospodarkę, to te, które przewożą ładunki. Koleje przewożą 25 procent frachtu w USA. Są z łatwością najbardziej wydajnym sposobem transportu węgla, ziarna i chemikaliów luzem. Ale firmy kolejowe od dawna łączą miłość i nienawiść z najnowocześniejszą technologią. Porzucili tylko lokomotywy parowe opalane węglem, na przykład, kiedy General Motors opracował silnik Diesla i prowadził demonstracje na kolei w całym kraju w latach 40. XX wieku. A nawet wtedy wiele linii kolejowych utknęło w parze przez lata.

Jednak w ciągu ostatniej dekady koleje zaangażowały się w swoją własną wersję rewolucji informacyjnej. Połączenie komputerów i systemów bezprzewodowych zapewnia kolejom większą zdolność obsługi klienta oraz lepszą kontrolę dyspozytorską i kosztów, a także rezygnację z armii urzędników. Charles Dettmann, wiceprezes wykonawczy ds. operacji, badań i technologii w stowarzyszeniu American Railroads Association z siedzibą w Waszyngtonie, twierdzi, że konkurencyjność kolei – być może nawet ich istnienie – zależy od wykorzystania przez nie technologii informatycznych.

Firmy kolejowe są bardzo trudne do sprzedania. Zwykle jestem w sytuacji, w której popycham ich dalej, niż chcą, mówi Carl D. Martland, starszy pracownik naukowy w Centrum Studiów nad Transportem MIT i konsultant w branży kolejowej. Nalegają, aby wiedzieć, że nastąpią korzyści związane z wydajnością i posuną się tylko tak daleko, jak ta korzyść ich zaprowadzi. Wykonali bardzo dobrą robotę, mówiąc: Czy ta technologia jest dla mnie dobra?”

Model kolei

Zaledwie dwie dekady temu wschodnie dorzecze Powder River w stanie Wyoming było jałowym, bezdrzewnym pustkowiem, z niewielką liczbą ludzi i bez przemysłu. Ale region miał coś, czego Stany Zjednoczone nagle potrzebowały na początku lat 90.: dużo węgla o niskiej zawartości siarki, stosunkowo czysto palącego się. W rzeczywistości pod wschodnią częścią Wyoming rozciąga się gruby pokład węgla. A jedynym praktycznym sposobem wywiezienia tak dużej ilości węgla z odległego dorzecza Powder River jest kolej.

Dwie linie kolejowe, które obsługują ten obszar – Union Pacific i Burlington Northern Santa Fe – wydały ponad 5 miliardów dolarów na budowę największego, najnowocześniejszego przemysłowego systemu kolejowego w kraju. Napędzany przez zaostrzające się przepisy dotyczące zanieczyszczenia powietrza, popyt na węgiel o niskiej zawartości siarki eksploduje teraz, przekraczając najśmielsze marzenia; jeden odcinek linii stał się pierwszym w historii odcinkiem szyny, który obsługuje dziennie ponad miliard kilogramów.

A ponieważ linia kolejowa i kopalnie są nowe, operacja Powder River zapewnia czyste konto dla stworzenia możliwie najbardziej wydajnego działania - bez obciążenia starszą infrastrukturą i przestarzałą technologią, którą często prowadziły koleje. Nigdzie nie widać pracowników, którzy kiedyś mozolnie zapisywali wszystkie numery samochodów i przesyłali je faksem do centrali. Gdy każdy pusty pociąg wjeżdża do kopalni, a każdy załadowany pociąg odjeżdża, skanery odczytują znaczniki automatycznej identyfikacji, rejestrują każdy numer wagonu i przesyłają dane do centrum dyspozytorskiego Harriman Union Pacific w Omaha w stanie NE.

Centrum Harrimana jest sercem ambitnego przedsięwzięcia polegającego na kierowaniu całym systemem kolejowym z centralnej lokalizacji, aby wysyłać pociągi za pomocą programu komputerowego, który wybiera punkty, w których się spotykają lub przejeżdżają. System Harrimana kontroluje ruch na ponad 27 000 km toru Union Pacific w 23 stanach — chociaż dyspozytorzy mogą interweniować w dowolnym momencie, jeśli nie zgadzają się z wyborami komputera — i pozwala na koordynację ruchów na całą linię kolejową, a nie pojedynczą linię lub odcinek.

Puste pociągi wjeżdżają do silosu zawierającego węgiel w dorzeczu Powder River pod kolejowym odpowiednikiem tempomatu. Pociągi pełzają z prędkością około 1,5 kilometra na godzinę, z prędkością, którą tylko najbardziej wprawny inżynier mógł dorównać ręcznie. Skomputeryzowane zsypy załadunkowe wypełniają każdy samochód planowaną wagą 100 000 kilogramów węgla, z dokładnością do około 0,2 procent. Pociąg można napełnić węglem w 45 minut, czyli około dwa razy szybciej niż poprzednie automatyczne ładowarki.

Gdy pociągi z węglem wyjeżdżają z pól Powder River, lokomotywy nieustannie rozmawiają z centralą Union Pacific w Omaha. Strumień danych przedstawia bieżący stan pociągu, zgłaszany przez szereg czujników, które monitorują na przykład ciśnienie oleju, temperaturę roboczą, moc wyjściową i zużycie paliwa. W dawnych czasach (powiedzmy na początku lat 90.) inżynierowie wiedzieli, że coś jest nie tak z lokomotywą dopiero wtedy, gdy była już w poważnych tarapatach. Wtedy zadzwoniły dzwonki alarmowe lub silnik nagle się wyłączył lub zaczął palić. Union Pacific wyposaża całą swoją flotę w komputery pokładowe, które stale śledzą położenie i stan lokomotyw, a następnie przekazują te informacje do punktu obsługi technicznej w centrali.

Gdy flota zostanie wyposażona, dana lokomotywa zasygnalizuje centrum Omaha, że ​​ma problem na długo przed powiadomieniem inżyniera. Czujniki powinny zwykle wykrywać problemy setki lub tysiące kilometrów, zanim staną się na tyle poważne, że inżynier może się nimi zająć. Na przykład informacja, że ​​silnik zużywa 15 procent więcej paliwa niż normalnie, nie ma większego znaczenia dla inżyniera, ale jest bardzo interesująca dla techników utrzymania ruchu monitorujących lokomotywę.

Instalowanie komputerów na lokomotywach nie jest dokładnie takie, jak umieszczanie ich w kontrolowanym środowisku biura. Brud, wibracje i ekstremalne upały i zimno są częścią codziennej eksploatacji kolei. Firma Union Pacific przez wiele miesięcy eksperymentowała z różnymi typami mocowań amortyzatorów i materiałów kontrolujących wibracje. Według dyrektora ds. technologii, Lydena Tennisona, wnioski wyciągnięto z innego przedsiębiorstwa, które wie trochę o dostosowywaniu zaawansowanego technologicznie sprzętu do niegościnnych warunków. Wiele się nauczyliśmy od wojska, mówi. Technicy lokomotyw byli początkowo zabawni, na przykład, gdy dowiedzieli się, że wojsko utrzymywało procesory podłączone do gniazdka w ciągłych wibracjach, wiążąc je nicią dentystyczną. Rozbawiony, ale pod wrażeniem: Union Pacific przyjął to rozwiązanie.

AC/DC

W erze diesla lokomotywy działały na prostej zasadzie: silnik diesla obracał generator, który wytwarzał zmienny prąd elektryczny, który następnie był przekształcany w prąd stały do ​​napędzania silników trakcyjnych napędzających osie. Skok naprzód, który umożliwił podniesienie gatunku Toponas, zależał od fundamentalnej zmiany technologicznej w latach 90. z silników prądu stałego na silniki prądu przemiennego. Zmiana ta była możliwa dzięki dostępności szybkich i niedrogich mikroprocesorów.

Zasilanie zarówno lokomotywy prądu stałego, jak i lokomotywy prądu przemiennego rozpoczyna swoją drogę do kół w ten sam sposób. W obu typach silnik wysokoprężny uruchamia generator, który wytwarza prąd przemienny, który jest następnie przekształcany w prąd stały. (Początkowa moc prądu przemiennego, przy stałych 60 cyklach na sekundę, mogła napędzać lokomotywę tylko z jedną prędkością.) Tutaj jednak technologie się rozchodzą. W lokomotywie prądu stałego moc prądu stałego trafia bezpośrednio do silników, które obracają kołami. W silniku prądu przemiennego prąd stały przepływa przez szereg sterowanych komputerowo komponentów zwanych falownikami, które dzielą prąd stały na prąd przemienny. Ten prąd przemienny jest z kolei podawany do silników.

Chipy komputerowe sprawiają, że silniki prądu przemiennego są praktyczne, regulując przepływ mocy z precyzją niemożliwą w żaden inny sposób. Chipy monitorują i kontrolują wejście prądu stałego do falowników i upewniają się, że dostarczają one odpowiednią ilość prądu przemiennego do silników trakcyjnych. To nie lada wyczyn: każdy falownik może wymagać nawet 500 poleceń włącz-wyłącz na sekundę, aby regulować przepływ prądu przemiennego. I chociaż 500 poleceń na sekundę może wydawać się mało imponujące w dzień gigahercowych chipów, właściwe porównanie nie dotyczy innych komputerów, ale ludzi. Wyobraź sobie mechanika pociągu, który próbuje co sekundę dokonywać 500 zmian położenia przepustnicy.

Silniki prądu przemiennego są bardziej wytrzymałe niż ich kuzyni na prąd stały. Zostały poddane brutalnym testom, które wymagały maksymalnej możliwej produkcji energii, czasami przez wiele dni. Według Michaela E. Idena, dyrektora generalnego Union Pacific ds. inżynierii samochodowej i lokomotywy, testy te wykroczyły daleko poza wszystko, co może wytworzyć najgorsze środowisko kolejowe, a silniki nigdy nie zbliżyły się do przegrzania. Dopóki sprzęt działa prawidłowo, silniki prądu przemiennego nigdy nie powinny się przepalać, mówi Iden. Wiele linii kolejowych używa nawet lokomotywy prądu przemiennego zamiast hamulców pneumatycznych do utrzymywania pociągów nieruchomo na ciężkich pochyłościach, mówi Iden. Ta technika, która pozwala uniknąć czasochłonnego procesu odpompowywania hamulców pneumatycznych, usmażyłaby silnik prądu stałego w ciągu kilku minut.

Oprócz zdolności do ciągnięcia cięższych ładunków, silniki prądu przemiennego poprawiają ogólną sprawność. Każde koło lokomotywy styka się z obszarem szyny nie większym niż nikiel. Procent masy na tym kole, który jest zamieniany na siłę uciągu, nazywa się przyczepnością. Podczas gdy najlepsze silniki prądu stałego mogą osiągnąć przyczepność około 30 procent, lokomotywy prądu przemiennego wykorzystują precyzyjne komputerowe sterowanie silnikami trakcyjnymi, aby osiągnąć przyczepność średnio od 34 do 38 procent; każdy punkt procentowy przyrostu przyczepności zapewnia siłę uciągu pięciu dodatkowych w pełni załadowanych wagonów węglowych.

Tworzenie utworów

Oczywiście pociągi muszą jeździć po torach. A po ułożeniu szynę i opaski należy konserwować i sprawdzać. Technologia informacyjna odgrywa transformacyjną rolę w tej tradycyjnie pracochłonnej sprawie. Na przykład w ciągu ostatnich dwóch lub trzech lat pojawiły się systemy osiowania kolei, które wykorzystują lasery do pomiaru odległości i kierunku. Komputery następnie obliczają prawidłową krzywiznę i kąt wzniesienia toru, a następnie przekazują informacje do maszyn, które umieszczają szynę i podkładki na miejscu. Ważną rzeczą jest możliwość szybkiego pomiaru geometrii toru, bez uzależnienia od ludzkiego wzroku, mówi Louis Cerny, niezależny konsultant kolejowy w Gaithersburg, MD.

Jedno szczególnie czasochłonne prace związane z konserwacją kolei — rozsypywanie podsypki skalnej między torami — również dostarcza zastrzyk adrenaliny. W czerwcu Herzog Contract — firma zajmująca się budową kolei z siedzibą w St. Joseph, MO, dostarczyła nowy pociąg balastowy do Union Pacific. Rozładunek 60 wagonów balastowych trwa zwykle co najmniej dwa dni; Pociąg Herzoga wykonuje pracę w 30 minut. Gdy pociąg jedzie, komputery kierowane przez satelity globalnego systemu pozycjonowania decydują, które drzwi samochodu otworzyć i ile balastu wypompować (nawet przerywając przepływ na skrzyżowaniach).

Podobne postępy wspomagają inspekcje torów. Ta praca była kiedyś domeną samotnego wędrowca, niosącego kilka ciężkich narzędzi, który chodził wzdłuż toru, aby zobaczyć, czy się przesuwa, czy też wyrywają się kolce lub czy połączenia szyn za bardzo się wyginają. Najwyższym osiągnięciem zautomatyzowanej kontroli torów jest system dostarczony w 1999 roku Federalnej Administracji Kolejowej przez firmę Plasser American, producenta wagonów inspekcyjnych, oraz Ensco, producenta sprzętu i oprogramowania do kontroli kolei. Ta samobieżna masa czujników i komputerów, tocząca się z prędkością do 145 kilometrów na godzinę, generuje odczyty stanu torów i wysyła załogi do miejsc, w których występują problemy. Większość głównych kolei towarowych w Stanach Zjednoczonych albo używa teraz takich samochodów, albo je zamówiła.

Ensco opracowało również systemy zdalnego monitorowania, które można zamontować w każdym wagonie lub lokomotywie. Systemy, obecnie używane w Amtrak i kilku kolejach podmiejskich, nieustannie oceniają anomalie torowe, jakość jazdy i stan mechaniczny lokomotywy. Gdy pojawia się problem, monitory wysyłają alarm za pośrednictwem łącza satelitarnego lub naziemnego łącza bezprzewodowego. Szczegółowe informacje o problemie i jego dokładnej lokalizacji można wtedy uzyskać przez Internet. Inne nowe urządzenia kontrolne wykorzystują skomputeryzowaną wizję do wyszukiwania usterek w przewodach hamulcowych między samochodami. Pulsujące lasery, rozchodzące się w kształcie kawałka ciasta, mogą dokładnie wytworzyć obraz toczącej się tarczy, rejestrując wady powierzchni lepiej niż doświadczony inspektor, gdy koło jest nieruchome. Wszystkie te detektory są przeznaczone do zgłaszania problemów załodze pociągu lub dyspozytorowi, zanim niewielki problem nabierze tempa i spowoduje wrak.

W dół linii

Ponieważ koszty technologii stale spadają, koleje mogą być gotowe na kolejną rundę automatyzacji. Pierwszym kandydatem jest pomysł, którego do tej pory unikały koleje, zwany pozytywną kontrolą pociągów. Komputery sterujące przepustnicą i hamulcem lokomotywy byłyby wyposażone w odbiorniki globalnego systemu pozycjonowania, które informują je dokładnie, gdzie się znajdują i jak szybko lecą. Modyfikacja była pierwotnie proponowana jako ulepszenie bezpieczeństwa, aby zapobiec kolizjom: jeśli inżynier przejedzie obok sygnału stop, system zasygnalizuje komputerowi spowolnienie lub zatrzymanie pociągu. Jednak ta aplikacja nie zdobyła kolei. Kosztowałoby to dużo pieniędzy za minimalną poprawę bezpieczeństwa, a więc nie było opłacalne, wyjaśnia Martland z MIT.

Jednak wielu urzędników kolejowych zaczyna rozumieć biznesowe uzasadnienie pozytywnej kontroli pociągów: ta sama technologia zapewnia ciągłe aktualizacje lokalizacji każdej lokomotywy na linii kolejowej. Zaawansowana technologia śledzenia i kontroli jest już wdrożona w szybkich pociągach pasażerskich, takich jak te na linii Boston-Waszyngton. Technologia jest również rozwijana w wielu firmach, przede wszystkim Union Switch and Signal z siedzibą w Pittsburghu.

Połączenie satelitów z komputerami w celu zarządzania prędkością pociągu to tylko jeden krok w kierunku całkowicie zautomatyzowanej pracy pociągu. Metro rutynowo działa w ten sposób; kierowca jedzie na przejażdżkę. Ale pociąg towarowy nie jest tak prosty jak metro. Na przykład długi pociąg może wspinać się po jednym poziomie i schodzić po drugim w tym samym czasie. A każdy pociąg towarowy ma swoją własną charakterystykę hamowania, którą inżynier musi szybko opanować; niewłaściwa obsługa pociągu może spowodować poważne uszkodzenia, takie jak zerwanie sprzęgów, a być może nawet wykolejenie. Jednak niektóre linie kolejowe eksperymentują z komputerami, które mogą poznać charakterystykę pociągu tak szybko, jak potrafi to inżynier. Na przykład komputery przejęły kontrolę nad ciężkimi pociągami rudy w Minnesocie, które działają wydajnie i zatrzymują się płynnie na czerwonych sygnałach.

Następnym logicznym krokiem jest w pełni automatyczna praca, z inżynierem na pokładzie tylko jako monitor. Chociaż technologia do wdrożenia tego w dużej mierze istnieje, inne czynniki stanowią bariery. Na przykład wysokie koszty początkowe zniechęcają koleje do instalowania nowych systemów, które nie zapewniają oczywistych korzyści końcowych. Kolejnym problemem jest bezpieczeństwo; zautomatyzowane systemy sterowania muszą zostać udowodnione jako niezwykle niezawodne, zanim będzie można im zaufać, że zastąpią operatorów ludzkich, i dopiero, gdy taka substytucja jest możliwa, technologia ta przyniesie znaczne korzyści ekonomiczne.

Komputeryzacja już umożliwiła funkcjonowanie kolei przy mniejszej liczbie ludzi. Najnowsze osiągnięcia stanowią atak na pracę dwóch najważniejszych osób prowadzących pociąg: inżyniera i konduktora. A wdrożenie wymaga renegocjacji umów ze związkami zawodowymi reprezentującymi pracowników, których nowe systemy mogą zastąpić.

Wygląda na to, że długa wspinaczka na szczyt Toponas to dopiero początek przyspieszającej podróży w zautomatyzowaną komputerowo przyszłość. Mówi Iden z Union Pacific: Dopiero zaczynamy czerpać korzyści z technologii.

ukryć