Централизованная диспетчерская сигнализация на железной дороге

Введение

Система железнодорожной сигнализации

Централизованный контроль движения (CTC) – это форма железнодорожной сигнализации, возникшая в Северной Америке. CTC объединяет принятие решений о маршрутизации поездов, которые ранее осуществлялись местными работниками сигнализации или непосредственно бригадами поездов. Система состоит из централизованного диспетчерского центра, который управляет стрелочными переводами и движением поездов на участках железнодорожной сети, определенных как территория CTC. Характерной особенностью CTC является пульт управления с графическим отображением железнодорожной сети. С помощью этого пульта диспетчер может отслеживать местоположение поездов на контролируемом участке. Крупные железные дороги могут иметь несколько диспетчерских центров и даже несколько диспетчеров для каждого эксплуатационного участка. Эти центры обычно располагаются вблизи наиболее загруженных сортировочных станций или узлов, а их функциональные возможности сопоставимы с функциями диспетчерских вышек авиадиспетчерской службы.

Предыстория

Ключевым элементом концепции CTC является понятие управления движением поездов, применимое к североамериканским железным дорогам. Поезда, движущиеся в противоположных направлениях по одному и тому же пути, не могут обгонять друг друга без специальной инфраструктуры, такой как боковые пути и стрелочные переводы, позволяющие одному из поездов освободить путь. Изначально поездам было доступно лишь два способа организации таких встреч: предварительное планирование или обеспечение связи между органом управления движением (диспетчером) и самими поездами. Эти два механизма контроля были формализованы американскими железнодорожными компаниями в виде набора процедур, получивших название «операция по выдаче распоряжений поезду», которая впоследствии была частично автоматизирована с использованием автоматической локомотивной сигнализации (ALS). Отправной точкой каждой системы было железнодорожное расписание, определявшее предварительный план маршрута движения поездов. Поезда, следующие расписанию, знали, когда необходимо переходить на боковые пути, перестраиваться и какой маршрут выбирать на перекрестках. Однако, если фактическое движение поездов отклонялось от запланированного, расписание переставало отражать реальность, и следование графику могло привести к ошибкам маршрутизации или даже авариям. Это особенно часто происходило на однопутных линиях, составлявших большую часть железнодорожной сети Северной Америки. Заранее запланированные «встречи» могли приводить к значительным задержкам, если один из поездов не прибывал вовремя, а в худшем случае – к лобовому столкновению с «внеплановым» поездом, не указанным в расписании. Поэтому к работе по расписанию добавили выдачу распоряжений поезду, которые имели приоритет над инструкциями в расписании. С 1850-х годов и до середины XX века распоряжения поезду передавались диспетчером по телеграфу с использованием азбуки Морзе на местные станции, где они записывались на стандартные бланки, а копия передавалась бригаде поезда при прохождении станции, указывая им на необходимость выполнения определенных действий впереди: например, уйти на боковой путь для встречи с другим поездом, ожидать дальнейших инструкций в указанном месте, отправиться позже запланированного времени или выполнить другие действия. Развитие прямой связи диспетчера с бригадой поезда по радио или телефону к 1970-м годам сделало телеграфные распоряжения в значительной степени устаревшими. В условиях высокой плотности движения могли быть проложены несколько путей, каждый из которых имел определенный по расписанию поток движения, что устраняло необходимость в частых «встречах» на однопутных участках. Поезда, идущие навстречу этому потоку, по-прежнему нуждались в распоряжениях, но другие поезда – нет. Эта система была дополнительно автоматизирована с помощью автоматической локомотивной сигнализации и путевых постов, что обеспечивало эффективную и безопасную установку конфликтующих маршрутов на перекрестках и безопасное разделение поездов, следующих друг за другом. Однако любой участок пути, по которому поезда могли двигаться в обоих направлениях, даже при защите ALS, требовал дополнительной защиты, чтобы избежать ситуации, когда два поезда сближаются на одном и том же перегоне. Такой сценарий не только представляет опасность, но и потребует от одного из поездов изменить направление движения до ближайшего места обгона. До появления CTC существовало несколько решений этой проблемы, не требовавших строительства нескольких однонаправленных путей. Многие западные железные дороги использовали автоматическую систему, называемую «абсолютный разрешительный блок» (АРБ), при которой вход поезда на однопутный участок приводил к тому, что все встречные сигналы между ним и следующим местом обгона переключались в положение «Стоп», предотвращая выход навстречу других поездов. В районах с высокой плотностью движения иногда организовывалась двунаправленная работа между станцией централизации стрелок и сигналов, укомплектованной персоналом. Каждый участок двунаправленного пути имел рычаг управления движением, определяющий направление движения на этом участке. Часто обе станции должны были установить свои рычаги в одинаковое положение, прежде чем можно было установить направление движения. Сигналы в направлении движения отображали состояние пути, а сигналы, идущие навстречу движению, всегда устанавливались в наиболее ограничивающее положение. Кроме того, ни один поезд не мог быть направлен на участок пути против направления движения, и рычаги управления движением не могли быть переведены, пока участок пути не будет свободен от поездов. И АРБ, и ручное управление движением по-прежнему требовали выдачи распоряжений в определенных ситуациях и предполагали компромисс между участием человека и детализацией управления маршрутом.

Key to the concept of CTC is the notion of traffic control as it applies to North American railroads. Trains moving in opposite directions on the same track cannot pass each other without special infrastructure such as sidings and switches that allow one of the trains to move out of the way. Initially, the only two ways for trains to arrange such interactions was to somehow arrange it in advance or provide a communications link between the authority for train movements (the dispatcher) and the trains themselves. These two mechanisms for control would be formalized by American railroad companies in a set of procedures called train order operation, which was later partly automated through use of Automatic Block Signals (ABS). The starting point of each system was the railroad timetable that would form the advanced routing plan for train movements. Trains following the timetable would know when to take sidings, switch tracks and which route to take at junctions. However, if train movements did not go as planned, the timetable would then fail to represent reality, and attempting to follow the printed schedule could lead to routing errors or even accidents. This was especially common on single track lines that comprised the majority of railroad route miles in North America. Pre defined "meets" could lead to large delays if either train failed to show up, or worse, an "extra" train not listed in the timetable could suffer a head on collision with another train that did not expect it. Therefore, timetable operation was supplemented with train orders, which superseded the instructions in the timetable. From the 1850s until the middle of the twentieth century, train orders were telegraphed in Morse code by a dispatcher to a local station, where the orders would be written down on standardized forms and a copy provided to the train crew when they passed that station, directing them to take certain actions at various points ahead: for example, take a siding to meet another train, wait at a specified location for further instructions, run later than scheduled, or numerous other actions. The development of Direct Traffic Control via radio or telephone between dispatchers and train crews made telegraph orders largely obsolete by the 1970s. Where traffic density warranted it, multiple tracks could be provided, each with a timetable defined flow of traffic which would eliminate the need for frequent single track style "meets." Trains running counter to this flow of traffic would still require train orders, but other trains would not. This system was further automated by the use of Automatic Block Signaling and interlocking towers which allowed for efficient and failsafe setting of conflicting routes at junctions and that kept trains following one another safely separated. However, any track that supported trains running bi directionally, even under ABS protection, would require further protection to avoid the situation of two trains approaching each other on the same section of track. Such a scenario not only represents a safety hazard, but also would require one train to reverse direction to the nearest passing point. Before the advent of CTC there were a number of solutions to this problem that did not require the construction of multiple single direction tracks. Many western railroads used an automatic system called absolute permissive block (APB), where trains entering a stretch of single track would cause all of the opposing signals between there and the next passing point to "tumble down" to a Stop position thus preventing opposing trains from entering. In areas of higher traffic density, sometimes bi directional operation would be established between manned interlocking towers. Each section of bi directional track would have a traffic control lever associated with it to establish the direction of traffic on that track. Often, both towers would need to set their traffic levers in the same way before a direction of travel could be established. Block signals in the direction of travel would display according to track conditions and signals against the flow of traffic would always be set to their most restrictive aspect. Furthermore, no train could be routed into a section of track against its flow of traffic and the traffic levers would not be able to be changed until the track section was clear of trains. Both APB and manual traffic control would still require train orders in certain situations, and both required trade offs between human operators and granularity of routing control.

Развитие и технологии

Окончательное решение дорогостоящей и неточной системы выдачи нарядов на поезда было разработано компанией General Railway Signal как их фирменная технология "Централизованная диспетчерская централизация" (ЦДЦ). Первая установка в 1927 году была осуществлена на участке длиной 64 км (40 миль) железной дороги New York Central Railroad между Стэнли, Толедо и Бервиком, штат Огайо, при этом аппарат управления ЦДЦ располагался в Фостории, штат Огайо. ЦДЦ была разработана для того, чтобы диспетчер мог непосредственно управлять движением поездов, минуя местных операторов и исключая письменные наряды на поезда. Вместо этого диспетчер мог напрямую видеть местоположение поездов и эффективно управлять их движением, отображая сигналы и управляя стрелками. Также она была разработана для повышения безопасности путем информирования оператора о занятости пути (см. рельсовую цепь) и автоматического предотвращения въезда поездов на занятый участок пути. Отличительной особенностью аппаратов ЦДЦ от стандартных аппаратов централизации и ABS было то, что жизненно важное оборудование централизации располагалось удаленно, а аппарат ЦДЦ лишь отображал состояние пути и отправлял команды на удаленные объекты. Команда на отображение сигнала требовала от удаленной централизации установки направления движения и проверки наличия свободного маршрута через централизацию. Если команда не могла быть выполнена из-за логики централизации, отображение на аппарате ЦДЦ не изменилось бы. Эта система обеспечивала такую же гибкость, как и ручное управление движением, но без затрат и сложности, связанных с обеспечением дежурного оператора на каждом участке маршрута. Это было особенно актуально для малозагруженных линий, которые не могли бы оправдать такие высокие накладные расходы. Первоначально связь осуществлялась по выделенным проводам или витым парам, но позже она была заменена импульсно-кодовыми системами, использующими единую общую линию связи и релейную телекоммуникационную технологию, аналогичную той, что используется в кроссбарных коммутаторах. Кроме того, вместо отображения информации только о поездах, приближающихся и проходящих через централизации, аппарат ЦДЦ отображал статус каждого перегона между централизациями, участки которых ранее считались "темными" (т.е. с неизвестным статусом) с точки зрения диспетчера. Система ЦДЦ позволяла одному человеку в одном месте регулировать движение на многих участках пути, а также управлять стрелками и сигналами на централизациях, которые также стали называться постами управления. Аппараты ЦДЦ начинались как небольшие консоли в существующих диспетчерских пунктах, обслуживающие лишь несколько ближайших удаленных централизаций, а затем стали контролировать все большую территорию, позволяя закрывать малозагруженные диспетчерские пункты. Со временем аппараты были перемещены непосредственно в диспетчерские офисы, устраняя необходимость в том, чтобы диспетчеры сначала связывались с дежурными по перегонам в качестве посредников. В конце 20-го века электромеханические системы управления и отображения были заменены компьютерными дисплеями. Хотя аналогичные механизмы управления сигнализацией были разработаны в других странах, ЦДЦ отличается парадигмой независимого движения поездов между фиксированными точками под контролем и надзором центрального органа.

The ultimate solution to the costly and imprecise train order system was developed by the General Railway Signal company as their trademarked "Centralized Traffic Control" technology. Its first installation in 1927 was on a 40 mile stretch of the New York Central Railroad between Stanley, Toledo and Berwick, Ohio, with the CTC control machine located at Fostoria, Ohio. CTC was designed to enable the train dispatcher to control train movements directly, bypassing local operators and eliminating written train orders. Instead, the train dispatcher could directly see the trains' locations and efficiently control the train's movements by displaying signals and controlling switches. It was also designed to enhance safety by reporting any track occupancy (see track circuit) to a human operator and automatically preventing trains from entering a track against the established flow of traffic. What made CTC machines different from standard interlocking machines and ABS was that the vital interlocking hardware was located at the remote location and the CTC machine only displayed track state and sent commands to the remote locations. A command to display a signal would require the remote interlocking to set the flow of traffic and check for a clear route through the interlocking. If a command could not be carried out due to the interlocking logic, the display would not change on the CTC machine. This system provided the same degree flexibility that the manual traffic control has before it, but without the cost and complexity associated with providing a manned operator at the end of every route segment. This was especially true for lightly used lines that could never hope to justify so much overhead. Initially the communication was accomplished by dedicated wires or wire pairs, but later this was supplanted by pulse code systems utilizing a single common communications link and relay based telecommunications technology similar to that used in crossbar switches. Also, instead of only displaying information about trains approaching and passing through interlockings, the CTC machine displayed the status of every block between interlockings, where previously such sections had been considered "dark territory" (i. e., of unknown status) as far as the dispatcher was concerned. The CTC system would allow the flow of traffic to be set over many sections of track by a single person at a single location as well as control of switches and signals at interlockings, which also came to be referred to as control points. CTC machines started out as small consoles in existing towers only operating a few nearby remote interlockings and then grew to control more and more territory, allowing less trafficked towers to be closed. Over time, the machines were moved directly into dispatcher offices, eliminating the need for dispatchers to first communicate with block operators as middlemen. In the late 20th century, the electromechanical control and display systems were replaced with computer operated displays. While similar signaling control mechanisms have been developed in other countries, what sets CTC apart is the paradigm of independent train movement between fixed points under the control and supervision of a central authority.

Сигналы и контролируемые точки

ЦТЦ использует железнодорожные сигналы для передачи инструкций диспетчера поездам. Эти инструкции выражаются в виде маршрутных решений в контролируемых точках, разрешающих поезду следовать или останавливаться. Локальная сигнальная логика в конечном итоге определяет конкретный отображаемый сигнал, основываясь на состоянии занятости пути впереди и необходимом поезду маршруте, поэтому от системы ЦТЦ требуется только команда "следовать" или "остановиться". Сигналы на территории ЦТЦ бывают двух типов: абсолютный сигнал, который непосредственно контролируется диспетчером и определяет границы контрольного пункта, и промежуточный сигнал, который автоматически контролируется состоянием пути в своем сигнальном участке и состоянием следующего сигнала. Диспетчеры не могут напрямую управлять промежуточными сигналами, поэтому они почти всегда исключены из диспетчерского дисплея, отображаясь лишь как справочная информация. Большинство контрольных пунктов оснащены дистанционно управляемыми, электрическими стрелочными переводами. Эти переводы часто являются переводами с двойным управлением, поскольку ими можно управлять как дистанционно диспетчером, так и вручную с помощью рычага или насоса непосредственно на механизме перевода (хотя для этого обычно требуется разрешение диспетчера). Эти переводы могут вести к боковому пути, представлять собой перекрестный перевод, обеспечивающий переход на смежный путь, или перевод, направляющий поезд на альтернативный путь (или маршрут).

Операция

Хотя некоторые железные дороги по-прежнему используют более старые, простые электронные световые табло и ручное управление, в современных системах диспетчеры полагаются на компьютеризированные системы, аналогичные системам диспетчерского управления и сбора данных (SCADA), для отображения местоположения поездов и показаний абсолютных сигналов. Как правило, эти системы управления не позволяют диспетчеру выдавать двум поездам противоречивые разрешения, если команда не была отклонена на удалённом стрелочном переводе. Современные компьютерные системы обычно отображают упрощённую схему пути, показывающую расположение абсолютных сигналов и съездов. Занятость пути отображается жирными или цветными линиями, наложенными на схему пути, а также метками для идентификации поезда (обычно номер головного локомотива). Сигналы, которыми может управлять диспетчер, отображаются как "Стоп" (обычно красным) или "Разрешено" (обычно зелёным). Сигнал "Разрешено" означает, что сигнал не показывает "Стоп", и точный вид сигнала, который видит машинист, диспетчеру не передаётся.

Австралия

Первая установка централизованной диспетчерской сигнализации (CTC) в Австралии была введена в эксплуатацию в сентябре 1957 года на линии Глен-Уэверли в пригороде Мельбурна. Имея протяженность 6 миль (10 км), она была установлена Викторианскими железными дорогами в качестве прототипа для проекта стандартизации Северо-Восточной линии. С тех пор CTC широко используется на основных междуштатных железнодорожных магистралях.

Новая Зеландия

Впервые CTC был установлен в Новой Зеландии между Таумарунуи и Окахукурой на сильно загруженной магистрали Северного острова в 1938 году, затем – на участке Те Куити – Пукетуту в 1939 году, и от Тава Флат до Пейкакарики на линии Капити в 1940 году, с последующим расширением от Пейкакарики до Парапарауму в 1943 году. Продолжение системы управления с использованием таблеток на коротком однопутном участке потребовало бы обустроенных постов управления с дежурным по станции и тремя (таблеточными) носильщиками на каждом конце участка (см. разъезд «Север-Юг»). Далее, на магистрали Северного острова (NIMT) в 1945 году была установлена система на участке Пукетуту – Копаки, между Франктоном, Гамильтоном и Таумарунуи – с 1954 по 1957 год, и от Те Кауваты до Амокуры в 1954 году. На других линиях CTC был установлен между Верхним Хаттом и Федерстоном в 1955 году и между Сент-Леонардс и Оамару поэтапно с 1955 по 1959 год. Полная установка CTC между Гамильтоном и Пейкакарики на NIMT была завершена 12 декабря 1966 года. На главной южной линии CTC был установлен на участке от Роллстона до Пукури (к северу от Оамару) поэтапно с 1969 года до завершения в феврале 1980 года. Более старая установка CTC от Сент-Леонардс до Оамару была заменена на систему Track Warrant Control поэтапно в 1991 и 1992 годах. Последние установки CTC были завершены в августе 2013 года на MNPL на участке от Мартона до Арамохо и от Дунедина до Мосгиэла, а также на линии Тайери-Гордж до Северного Тайери в конце 2015 года.

Соединенные Штаты

Дорога с централизованной диспетчерской сигнализацией (CTC) значительно дороже в строительстве, чем несигнализированный участок, из-за необходимой электроники и систем обеспечения безопасности. CTC обычно внедряется на участках с интенсивным движением, где снижение эксплуатационных расходов за счет увеличения плотности движения и экономии времени превышает капитальные затраты. Большая часть сети железных дорог BNSF и Union Pacific Railroad работает по системе CTC; участки с меньшей интенсивностью движения обычно управляются по системе выдачи разрешений (Track Warrant Control – BNSF и UP) или прямой диспетчерской связи (Direct Traffic Control – UP). В последнее время стоимость CTC снизилась, поскольку новые технологии, такие как микроволновые, спутниковые и рельсовые каналы передачи данных, устранили необходимость в проволочных линиях связи или оптоволоконных кабелях. Эти системы начинают называться системами управления движением поездов.