Введение
Система безопасности железнодорожного транспорта
Кабинная сигнализация – это система безопасности железнодорожного транспорта, которая передает информацию о состоянии пути и обстановке на перегоне в кабину машиниста, отсек экипажа или отсек управления локомотива, вагона или моторного поезда. Информация постоянно обновляется, обеспечивая машинисту легко читаемый индикатор. В простейших системах отображается показание путевого сигнала, а в более сложных – также допустимая скорость, местоположение соседних поездов и динамические данные об участке пути впереди. Кабинные сигналы могут быть частью комплексной системы защиты поезда, которая автоматически применяет тормоза, останавливая поезд, если машинист не реагирует должным образом на опасную ситуацию. Основная задача системы сигнализации – обеспечение безопасного интервала между поездами и остановка или замедление поездов перед опасным участком. Кабинная сигнализация является усовершенствованием по сравнению с путевой сигнализацией, где визуальные сигналы, расположенные вдоль пути или над ним, регулируют движение поездов, поскольку она предоставляет машинисту постоянное напоминание о последнем путевом сигнале или непрерывную информацию о состоянии пути впереди.
История
Первые такие системы были установлены на экспериментальной основе в 1910-х годах в Великобритании, в 1920-х годах в Соединенных Штатах и в Нидерландах в 1940-х годах. Современные высокоскоростные железнодорожные системы, такие как в Японии, Франции и Германии, с самого начала проектировались с учетом использования кабинной сигнализации из-за невозможности визуального наблюдения сигналов вдоль пути на новых, более высоких скоростях движения поездов. Во всем мире на существующих железнодорожных линиях применение кабинной сигнализации остается ограниченным за пределами районов с высокой плотностью движения или пригородного сообщения, и во многих случаях исключается использованием устаревшей технологии прерывистой автоматической остановки поезда. В Северной Америке кодированная система рельсовых цепей, разработанная компанией Pennsylvania Railroad (PRR) и Union Switch & Signal (US&S), стала фактическим национальным стандартом. Различные варианты этой системы также используются во многих системах скоростного транспорта и служат основой для нескольких международных систем кабинной сигнализации, таких как CAWS в Ирландии, BACC в Италии, ALSN в России и сигнализация Shinkansen первого поколения, разработанная Japan National Railways (JNR). В Европе и других странах мира стандарты кабинной сигнализации разрабатывались на национальном уровне с ограниченной совместимостью, однако новые технологии, такие как Европейская система управления железнодорожным движением (ERTMS), направлены на повышение совместимости. Компонент управления поездом в составе ERTMS, известный как Европейская система управления поездом (ETCS), представляет собой функциональную спецификацию, которая включает в себя некоторые из прежних национальных стандартов и обеспечивает их полную совместимость с незначительными модификациями.
Типы сигнала кабины
Все системы кабинного сигнализирования должны обеспечивать постоянную индикацию в кабине машиниста для информирования о состоянии пути впереди; однако они делятся на две основные категории. Перерывистые сигналы кабинного сигнализирования обновляются в дискретных точках вдоль железнодорожного пути, а между этими точками на дисплее отображается информация, полученная при последнем обновлении. Непрерывные сигналы кабинного сигнализирования получают постоянный поток информации о состоянии пути впереди, и индикация в кабине может изменяться в любой момент времени, отражая любые обновления. Большинство систем кабинного сигнализирования, включая те, которые используют кодированные участки пути, являются непрерывными.
Перерывная
Немецкая Indusi и голландская ATB NG относятся к этой категории. Эти и другие подобные системы постоянно информируют машинистов о состоянии пути впереди, но обновления поступают лишь в дискретных точках. Это может приводить к ситуациям, когда информация, отображаемая машинисту, становится неактуальной. Системы кабинной сигнализации с прерываниями имеют функциональное сходство со многими другими системами защиты поездов, такими как устройства автоматической остановки, но их отличие заключается в том, что машинист или автоматическая система управления постоянно опирается на последнее полученное обновление.
Непрерывный
Системы непрерывного действия обладают дополнительным преимуществом – безопасным поведением в случае прекращения подачи непрерывного сигнала, на который опирается кабинная сигнализация. Ранние системы использовали рельсы или контурные проводники, проложенные вдоль пути, для обеспечения непрерывной связи между путевыми сигнальными системами и поездом. Эти системы позволяли передавать больше информации, чем обычно было возможно с современными прерывистыми системами, и именно они обеспечили возможность отображения миниатюрного сигнала машинисту, отсюда и термин «кабинная сигнализация». Системы непрерывного действия также легче интегрируются с технологией автоматического управления поездом (ATC), которая может обеспечивать соблюдение ограничений скорости на основе информации, получаемой от системы сигнализации, поскольку непрерывные сигналы кабинного сигнализирования могут изменяться в любой момент, становясь более или менее строгими, что обеспечивает более эффективную работу по сравнению с прерывистыми системами ATC.
Передача информации
Сигналы кабины требуют средства передачи информации от путевых устройств к поезду. Существует несколько основных способов реализации этой передачи информации.
Электрические или магнитные
Это было распространено в ранних системах прерывистого действия, в которых наличие магнитного поля или электрического тока использовалось для обозначения опасной ситуации. Система автоматического предупреждения British Rail (AWS) является примером двухсигнальной системы кабинных сигналов, передающей информацию посредством магнитного поля.
Индуктивный
Индуктивные системы — это бесконтактные системы, которые для передачи сообщения используют не только простое наличие или отсутствие магнитного поля, но и другие его характеристики. Индуктивные системы обычно требуют установки маяка или индукционной петли у каждого светофора и в других промежуточных точках. Индукционная катушка использует изменяющееся магнитное поле для передачи сообщений поезду. Как правило, различным значениям присваиваются разные частоты импульсов в индукционной катушке. Непрерывные индуктивные системы можно создать, используя ходовые рельсы в качестве одной длинной настроенной индукционной петли. Примером прерывистой индуктивной системы является немецкая система Indusi. К непрерывным индуктивным системам относится двухпозиционная система "Автоматическое управление поездом" компании General Railway Signal, установленная, в частности, на Чикагской и Северо-Западной железной дороге.
Кодированные схемы колеи
Система кодированной рельсовой цепи по сути является индуктивной системой, использующей ходовые рельсы в качестве средства передачи информации. Кодированные рельсовые цепи выполняют двойную функцию: они обеспечивают обнаружение поездов и контроль непрерывности рельсов, как и стандартная рельсовая цепь, а также непрерывно передают сигнальные показания поезду. Системы кодированных рельсовых цепей устраняют необходимость в специальных маяках. Примеры систем кодированных рельсовых цепей включают стандартную систему Pennsylvania Railroad, вариант которой использовался на линии Victoria лондонского метрополитена. Позже системы рельсовых цепей звуковой частоты (AF) постепенно заменили системы "силовой" частоты в системах скоростного транспорта, поскольку сигналы более высокой частоты могли самозатухать, снижая потребность в изолирующих рельсовых стыках. Среди первых пользователей систем кабинного сигнализирования AF были Вашингтонский метрополитен и Bay Area Rapid Transit. В последнее время предпочтение отдается цифровым системам, которые передают информацию о скорости поездам с помощью датаграмм, а не простых кодов. Французская система TVM использует ходовые рельсы для передачи цифровой информации о сигнализации, в то время как немецкая система LZB использует вспомогательные провода, проложенные по центру пути, для непрерывной передачи информации о сигнализации.
Транспондер
Системы, основанные на транспондерах, используют фиксированные антенные петли или маяки (называемые бализами), которые передают датаграммы или другую информацию поезду при прохождении над ними. Хотя они похожи на прерывистые индуктивные системы, системы передачи сигналов в кабину на основе транспондеров передают больше информации и могут также получать данные от поезда для помощи в управлении движением. Низкая стоимость петель и маяков позволяет установить большее количество точек информации, чем это было возможно в старых системах, а также получать более детализированную сигнальную информацию. Британская система автоматической защиты поездов (ATP) была одним из примеров этой технологии, наряду с более новой голландской ATB NG.
Беспроводная связь
Системы беспроводной передачи сигналов в кабину водителя не требуют какой-либо наземной коммуникационной инфраструктуры и вместо этого используют стационарные беспроводные передатчики для отправки информации о сигналах поездам. Этот метод наиболее тесно связан с системами управления поездом на основе связи. Уровни ETCS 2 и 3 используют эту систему, а также ряд других систем передачи сигналов в кабину, находящихся в разработке.
Экран кабины
Дисплейная единица кабины (CDU) (также называемая интерфейсом машиниста и машины (DMI) в стандарте ERTMS) является интерфейсом между машинистом и системой кабинной сигнализации. Первые CDU отображали простые предупреждающие индикации или имитировали путевые железнодорожные сигналы. Впоследствии многие железные дороги и системы скоростного транспорта отказались от миниатюрных кабинных сигналов в пользу индикации допустимой скорости движения. Обычно это применялось совместно с системой автоматического контроля скорости, где для машинистов становится важнее поддерживать заданную скорость, а не полагаться на интерпретацию сигналов. Распространенным нововведением стало объединение спидометра и дисплея кабинного сигнала, с наложением или совмещением информации о допустимой и текущей скорости. Цифровые системы кабинной сигнализации, использующие датаграммы с информацией о "расстоянии до цели", могут использовать простые дисплеи, информирующие машиниста о приближении к ограничению скорости или его превышении, или более сложные, отображающие динамический график минимальных тормозных кривых, необходимых для достижения целевой скорости. CDU также информируют машиниста о текущем режиме работы системы или о её активности. CDU могут быть интегрированы в систему контроля бдительности, предоставляя обратный отсчет до применения штрафа за потерю бдительности или возможность отмены сигнала тревоги.
Системы сигнализации кабины в Соединенных Штатах
Кабинная сигнализация в Соединенных Штатах была вызвана постановлением 1922 года Межгосударственной торговой комиссии (МТК), которое требовало от 49 железных дорог установить ту или иную форму автоматического контроля поездов на одном полном пассажирском участке к 1925 году. Несколько крупных железных дорог, включая Santa Fe и New York Central, выполнили это требование, установив прерывистые индуктивные устройства автоматической остановки поездов. PRR (Pennsylvania Railroad) усмотрела возможность повысить эффективность работы и установила первые системы непрерывной кабинной сигнализации, в конечном итоге выбрав технологию импульсно-кодовой кабинной сигнализации, поставляемую Union Switch and Signal. В ответ на действия PRR, МТК обязала некоторые другие крупные железные дороги страны оснастить хотя бы один участок технологией непрерывной кабинной сигнализации для сравнительного тестирования различных технологий и методов эксплуатации. Затронутые железные дороги не были в восторге от этого, и многие предпочли оснастить один из своих более изолированных или менее загруженных маршрутов, чтобы минимизировать количество локомотивов, которые необходимо было бы оборудовать. Несколько железных дорог выбрали систему индуктивных петель, отклоненную PRR. Среди них были Central Railroad of New Jersey (установлена на ее Южном участке), Reading Railroad (установлена на ее главной линии Atlantic City Railroad), New York Central и Florida East Coast. Chicago and North Western и Illinois Central использовали двух-аспектную систему на отдельных пригородных линиях в районе Чикаго. Кабинные сигналы отображали аспекты "Свободно" или "Ограничено". CNW пошла дальше и демонтировала промежуточные сигналы на участке пути между Elmhurst и West Chicago, требуя, чтобы поезда двигались исключительно по двух-аспектным сигналам в кабине. В 1935 году на Chicago, Milwaukee, St. Paul and Pacific Railroad действовала трех-аспектная система между Portage (Висконсин) и Minneapolis (Миннесота). Поскольку система Pennsylvania Railroad была единственной, внедренной в широком масштабе, она фактически стала национальным стандартом, и большинство современных установок кабинной сигнализации основаны именно на ней. В последнее время появились новые типы кабинной сигнализации, использующие коммуникационные технологии для снижения стоимости путевого оборудования или дополняющие существующие сигнальные системы для обеспечения соблюдения ограничений скорости и принудительной остановки, а также для реагирования на неисправности или вторжения на переездах. Первой из них была система контроля скорости (Speed Enforcement System, SES), используемая New Jersey Transit на малозагруженной линии Pascack Valley Line в качестве пилотного проекта с использованием парка из 13 локомотивов GP40PH 2. SES использовала систему маяков-ответчиков, прикрепленных к путевым сигналам, для обеспечения соблюдения скорости, заданной сигналом. SES не нравилась машинистам из-за склонности к немедленному применению экстренного торможения без предварительного предупреждения о превышении скорости и предоставления машинисту возможности замедлиться. В настоящее время SES демонтируется с этой линии и заменяется на CSS (систему кабинной сигнализации). Amtrak использует Advanced Civil Speed Enforcement System (ACSES) для своего высокоскоростного железнодорожного сообщения Acela Express на NEC (North East Corridor). ACSES является надстройкой над существующей CSS типа PRR и использует ту же технологию транспондеров SES для обеспечения соблюдения как постоянных, так и временных ограничений скорости на кривых и других участках местности. Бортовой блок кабинного сигнала обрабатывает как импульсно-кодовую "скорость сигнала", так и "гражданскую скорость" ACSES, а затем применяет более низкую из двух. ACSES также обеспечивает принудительную остановку на сигнале "Стоп", которая может быть снята с помощью кода, предоставленного диспетчером и переданного с остановившегося локомотива по радиоканалу передачи данных. Позже это было упрощено до кнопки "Разрешение остановки" на дисплее кабинного сигнала.