Digitální železnice

Dne 5. května 1998 neměl nikdo v úmyslu zapsat se do historie železnice. Jde jen o to, že v Phippsburgu, CO, byl nedostatek lokomotiv. Místo obvyklých pěti lokomotiv byly k dispozici pouze čtyři, aby táhly 108vozový uhelný vlak po Union Pacific. Strmý svah železnice Toponas na západním svahu Skalistých hor. To, co následovalo, je mezi staviteli lokomotiv legendární.

Lokomotivy byly zbrusu nové monstra General Electric s kroucením: jejich trakční motory fungovaly na střídavý proud spíše než na stejnosměrný. Vlaky, které toho dne stoupaly na stupeň Toponas, zpomalily na sotva znatelných šest metrů za minutu. Žádný sebeúctyhodný inženýr by nezkusil takový pošetilý trik s konvenčními stejnosměrnými motory: kola by prokluzovala, vlak by se zastavil a samotné motory by se smažily jako vejce vejci. Ale žádná z těch věcí se nestala. Pozdější vyšetřování skutečně ukázalo, že lokomotivy produkovaly větší tažnou sílu, než bylo při této rychlosti považováno za možné. Tento výkon inicioval radikální transformaci železnice – revoluci, která přímo pramení z pokroku v informačních technologiích.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z března 2002

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Technologicky vzato je těžké v železnici najít něco, co by se za poslední desetiletí nezměnilo. Desítky mikroprocesorů v dnešních dieselových lokomotivách řídí téměř všechny jejich systémy, od přívodu paliva až po klimatizaci kabiny. Sloupové čáry, které se kdysi míhaly za okny ujíždějících osobních vlaků, mizí ve prospěch mikrovlnné nebo optické komunikace. Experimentální nové dispečerské a řídicí systémy mohou inženýrům brzy říci, zda používají nastavení škrticí klapky s nejúspornější spotřebou paliva.

Řekněte většině lidí vlaky a myslí na rozmanitost cestujících. Ale ve Spojených státech mají železnice s největším ekonomickým dopadem ty, které přepravují náklad. Železnice přepraví 25 procent nákladu v USA. Jsou snadno nejefektivnějším způsobem přepravy uhlí, obilí a sypkých chemikálií. Ale železniční společnosti mají již dlouho jakýsi vztah lásky a nenávisti k nejmodernější technologii. Uhelné parní lokomotivy opustili, například když General Motors vyvinul dieselelektrický motor a ve 40. letech minulého století předváděl na železnicích po celé zemi. A dokonce i tehdy mnoho železnic zůstalo létat párou.

V posledním desetiletí se však železnice zapojily do své vlastní verze informační revoluce. Kombinace počítačů a bezdrátových systémů dává železnicím větší kapacitu zákaznických služeb a lepší dispečink a kontrolu nákladů – stejně jako se obejde bez armád úředníků. Charles Dettmann, výkonný viceprezident pro provoz, výzkum a technologie Asociace amerických železnic se sídlem ve Washingtonu, DC, tvrdí, že konkurenceschopnost železnic – možná i jejich existence – závisí na jejich využívání informačních technologií.

Železniční společnosti se velmi těžko prodávají. Obvykle jsem v pozici, kdy je posouvám dál, než chtějí, říká Carl D. Martland, vedoucí výzkumný pracovník v Centru dopravních studií MIT a konzultant železničního průmyslu. Trvají na tom, že vědí, že to bude přínosem pro produktivitu, a půjdou jen tak daleko, jak je tento přínos vezme. Odvedli velmi dobrou práci, když řekli: Dělá mi tato technologie dobře?

Model železnice

Před pouhými dvěma desetiletími bylo povodí řeky Powder ve východním Wyomingu pusté, bezstromové vnitrozemí s několika lidmi a bez průmyslu. Ale region měl něco, co na počátku 90. let Spojené státy najednou potřebovaly: spoustu uhlí s nízkým obsahem síry a relativně čistě spalujícího uhlí. Ve skutečnosti se pod východní třetinou Wyomingu táhne hustá sloj uhlí. A jediný praktický způsob, jak přesunout tolik uhlí z odlehlého povodí Powder River, je železnice.

Dvě železnice, které obsluhují oblast – Union Pacific a Burlington Northern Santa Fe – utratily více než 5 miliard dolarů na vybudování největšího a nejmodernějšího průmyslového železničního systému v zemi. Poptávka po uhlí s nízkým obsahem síry, poháněná zpřísňujícími se předpisy o znečištění ovzduší, nyní vzkvétá nad rámec těch nejdivočejších snů; jeden úsek trati se stal prvním úsekem železnice v historii, který unese více než jednu miliardu kilogramů denně.

A protože železnice a doly jsou nové, provoz Powder River poskytuje čistý štít pro vytvoření co nejefektivnějšího provozu – bez zátěže starší infrastruktury a zastaralé technologie, kterou železnice často nechaly v provozu. Nikde nejsou vidět dělníci, kteří kdysi pracně opisovali všechna čísla aut a faxovali je do centrály. Když každý prázdný vlak vjíždí do dolu a každý naložený vlak odjíždí, skenery čtou automatické identifikační štítky, zaznamenávají každé číslo vozu a hlásí data dispečerskému centru Union Pacific Harriman v Omaze, NE.

Harrimanovo centrum je srdcem ambiciózního úsilí o nasměrování celého železničního systému z centrálního místa k vypravování vlaků pomocí počítačového programu, který vybírá body, ve kterých se setkávají nebo projíždějí. Systém Harriman řídí provoz na více než 27 000 kilometrech tratě Union Pacific ve 23 státech – ačkoli lidští dispečeři mohou kdykoli zasáhnout, pokud nesouhlasí s volbami počítače – a umožňuje koordinaci pohybů na několik dní předem. celá železnice spíše než na jedné trati nebo divizi.

Prázdné vlaky vjíždějí do sila obsahujícího uhlí v povodí Powder River pod železničním ekvivalentem tempomatu. Vlaky se plíží rychlostí kolem 1,5 kilometru za hodinu, což je rychlost, které se ručně vyrovná jen ten nejšikovnější inženýr. Počítačem řízené nakládací skluzy naplní každý vůz plánovanou hmotností uhlí – 100 000 kilogramů, s přesností asi 0,2 procenta. Vlak lze naplnit uhlím za 45 minut, tedy zhruba dvakrát rychleji, než dokázaly předchozí automatické nakladače.

Jak uhelné vlaky vyjíždějí z polí Powder River, lokomotivy neustále mluví s centrálou Union Pacific v Omaze. Proud dat poskytuje průběžný popis stavu vlaku, jak jej hlásí řada senzorů, které monitorují například tlak oleje, provozní teplotu, výkon v koňských silách a míru spotřeby paliva. Za starých časů (řekněme na začátku 90. let) inženýři věděli, že s lokomotivou není něco v pořádku, až když už byla ve vážných potížích. Tehdy zazvonili poplašné zvonky nebo se motor náhle vypnul nebo začal kouřit. Union Pacific vybavuje celou svou flotilu palubními počítači, které neustále sledují polohu a zdravotní stav lokomotiv, a poté tyto informace hlásí na oddělení údržby v ústředí.

Jakmile je flotila vybavena, daná lokomotiva signalizuje centru Omaha, že má problém, dlouho předtím, než to řekne strojníkovi. Senzory by měly obvykle zachytit problémy stovky nebo tisíce kilometrů předtím, než se stanou natolik závažnými, že se o to bude technik zajímat. Například informace, že motor spotřebovává o 15 procent více paliva než normálně, není pro inženýra příliš důležitá, ale pro techniky údržby sledující lokomotivu velmi zajímá.

Instalace počítačů na lokomotivy není úplně stejná jako jejich umístění do řízeného prostředí kanceláře. Nečistoty, vibrace a extrémní horko a zima jsou součástí každodenního železničního provozu. Společnost Union Pacific měsíce experimentovala s různými typy tlumičů a materiálem regulujícím vibrace. Podle hlavního technologického ředitele Lydena Tennisona se poučila z jiného podniku, který ví něco o přizpůsobení high-tech zařízení pro nehostinné podmínky. Od armády jsme se toho hodně naučili, říká. Techniky lokomotiv nejprve pobavilo, když se například dozvěděli, že armáda udržuje procesory zapojené ve svých zásuvkách pod neustálými vibracemi tak, že je svazuje dentální nití. Pobaveno, ale ohromeno: Union Pacific toto řešení přijalo.

AC/DC

Po celou dobu dieselové éry fungovaly lokomotivy na jednoduchém principu: dieselový motor roztáčel generátor, který produkoval střídavý elektrický proud, který byl následně přeměněn na stejnosměrný proud, aby poháněl trakční motory pohánějící nápravy. Skok vpřed, který umožnil vytažení stupně Toponas, závisel na zásadním posunu v technologii během 90. let od stejnosměrných motorů k motorům střídavým. Tato změna byla umožněna dostupností rychlých a levných mikroprocesorů.

Výkon pro stejnosměrnou lokomotivu i pro střídavou lokomotivu začíná svou cestu ke kolům stejným způsobem. U obou typů vznětový motor roztáčí generátor, který vyrábí střídavý proud, který se pak převádí na stejnosměrný. (Startovací střídavý výkon při konstantní rychlosti 60 cyklů za sekundu by mohl lokomotivu pohánět pouze jednou rychlostí.) Zde se však technologie rozcházejí. Ve stejnosměrné lokomotivě jde stejnosměrný proud přímo do motorů, které otáčejí kola. Ve střídavém motoru prochází stejnosměrný proud řadou počítačově řízených součástí zvaných invertory, které rozdělují stejnosměrný proud na střídavý. Tento střídavý proud je zase přiváděn do motorů.

Počítačové čipy dělají střídavé motory praktickými tím, že regulují tok energie s přesností, která není jiným způsobem možná. Čipy monitorují a řídí stejnosměrný proud vstupující do střídačů a zajišťují, že dodávají správné množství střídavého proudu do trakčních motorů. To není maličkost: každý invertor může vyžadovat až 500 povelů zapnutí-vypnutí za sekundu k regulaci toku AC. A i když se 500 příkazů za sekundu může zdát v den gigahertzových čipů nevýrazných, správné srovnání není s jinými počítači, ale s lidskými bytostmi. Představte si vlakového inženýra, který se každou sekundu snaží provést 500 změn polohy plynu.

Střídavé motory jsou robustnější než jejich stejnosměrné příbuzné. Byly podrobeny brutálním testům, které vyžadovaly maximální možnou produkci energie, někdy i celé dny. Tyto testy šly daleko za vše, co by nejhorší železniční prostředí mohlo vyprodukovat, a podle Michaela E. Idena, generálního ředitele automobilového a lokomotivního inženýrství Union Pacific, se motory nikdy nepřiblížily k přehřátí. Dokud zařízení funguje správně, AC motory by opravdu nikdy neměly shořet, říká Iden. Mnoho železnic dokonce používá střídavou lokomotivu – místo vzduchových brzd – k udržení vlaků v klidu na těžkých kolejích, říká Iden. Tato technika, která se vyhýbá časově náročnému procesu odčerpávání vzduchových brzd, by usmažila stejnosměrný motor během několika minut.

Kromě schopnosti táhnout těžší břemena zlepšují střídavé motory celkovou účinnost. Každé kolo lokomotivy se dotýká oblasti kolejnice ne větší než nikl. Procento hmotnosti na tomto kole, které je převedeno na tažnou sílu, se nazývá adheze. Zatímco nejlepší stejnosměrné motory dokážou dosáhnout adheze asi 30 procent, střídavé lokomotivy využívají přesné počítačové řízení trakčních motorů k dosažení adheze v průměru 34 až 38 procent; každý procentní bod zesílení adheze poskytuje tažnou sílu pro pět dalších plně naložených vozů na uhlí.

Tvorba stop

Vlaky musí samozřejmě jezdit po kolejích. A jakmile je položena, musí být kolejnice a pražce udržovány a kontrolovány. Informační technologie hrají v této tradičně pracovně náročné záležitosti transformující roli. Například poslední dva nebo tři roky byly svědky nástupu systémů pro vyrovnávání kolejnic, které používají lasery k měření vzdálenosti a směru. Počítače pak vypočítají správné zakřivení a úhel elevace a předávají informace strojům, které ukládají kolejnici a pražce na místo. Důležitá je schopnost měřit geometrii tratě rychle, bez závislosti na lidském zraku, říká Louis Cerny, nezávislý železniční konzultant v Gaithersburgu, MD.

Jedna obzvláště časově náročná práce na údržbě kolejí – roznášení kamenné zátěže mezi koleje – také dostává dávku adrenalinu. V červnu Herzog Contracting – železniční stavební společnost se sídlem v St. Joseph, MO – dodala do Union Pacific nový zátěžový vlak. Vyložení 60 vozů zátěže normálně trvá nejméně dva dny; Herzogův vlak to zvládne za 30 minut. Jak vlak popojíždí, počítače vedené satelity globálního polohového systému rozhodují, které dveře auta otevřít a kolik balastu vypumpovat (dokonce i přerušit tok na křižovatkách).

Podobné pokroky pomáhají inspekci trati. Tato práce byla kdysi doménou osamělého chodce s několika těžkými nástroji, který chodil po dráze, aby zjistil, zda se posouvá, zda se nevytahují hroty nebo zda se spoje kolejnic příliš neohýbají. Špičkovým systémem automatizované inspekce kolejí je systém dodaný v roce 1999 Federální správě železnic společností Plasser American, výrobce kontrolních vozů, a Ensco, výrobce hardwaru a softwaru pro železniční inspekce. Tato samohybná masa senzorů a počítačů, pohybující se rychlostí až 145 kilometrů za hodinu, generuje údaje o stavu trati a posílá posádky na místa, kde se vyskytly problémy. Většina hlavních nákladních železnic ve Spojených státech tyto vozy buď nyní používá, nebo si je objednala.

Ensco také vyvinulo vzdálené monitorovací systémy, které lze namontovat na jakýkoli železniční vůz nebo lokomotivu. Systémy, které jsou nyní v provozu pro Amtrak a několik příměstských železnic, neustále vyhodnocují anomálie trati, kvalitu jízdy a mechanický stav lokomotivy. Když se objeví problém, monitory pošlou alarm přes satelit nebo pozemní bezdrátové spojení. Přes internet je pak možné získat podrobné informace o problému a jeho přesné poloze. Další nové kontrolní zařízení využívá počítačové vidění k hledání závad na hadicích vzduchových brzd mezi vozy. Pulzní lasery, rozprostírající se do tvaru koláčového plátku, dokážou přesně vytvořit obraz kola, když se odvaluje a registruje povrchové vady lépe, než to dokáže zkušený inspektor, když kolo stojí. Všechny tyto detektory jsou navrženy tak, aby hlásily problémová místa vlakové četě nebo výpravčímu dříve, než malý problém naroste a způsobí vrak.

Po linii

Vzhledem k tomu, že náklady na technologii neustále klesají, mohou být železnice připraveny na další kolo automatizace. Prvním kandidátem je myšlenka, které se železnice dosud vyhýbaly, nazývaná pozitivní kontrola vlaků. Počítače, které ovládají plyn a brzdu lokomotivy, by byly vybaveny přijímači globálního polohovacího systému, které by jim přesně řekly, kde jsou a jak rychle jedou. Modifikace byla původně navržena jako bezpečnostní vylepšení, aby se zabránilo kolizím: pokud inženýr urychlil kolem signálu zastavení, systém by signalizoval počítači, aby zpomalil nebo zastavil vlak. Tato aplikace však nedokázala zvítězit nad železnicí. Minimální zlepšení bezpečnosti by to stálo spoustu peněz, a tak to nebylo nákladově efektivní, vysvětluje Martland z MIT.

Ale mnoho železničních úředníků začíná chápat obchodní případ pro pozitivní řízení vlaků: stejná technologie poskytuje neustálé aktualizace polohy každé lokomotivy na železnici. Pokročilá technologie sledování a řízení je již zavedena ve vysokorychlostních osobních vlacích, jako jsou ty na lince z Bostonu do Washingtonu. Tato technologie je také ve vývoji v řadě společností, z nichž nejvýznamnější je Union Switch a Signal sídlící v Pittsburghu.

Kombinace satelitů s počítači pro řízení rychlosti vlaku je pouze jedním krokem ke zcela počítačově automatizovanému provozu. Metro běžně funguje tímto způsobem; řidič jede spolu na jízdu. Nákladní vlak ale není tak jednoduchý jako metro. Dlouhý vlak může například šplhat po jednom stoupání a sjíždět po druhém ve stejnou dobu. A každý nákladní vlak má své vlastní brzdné vlastnosti, které musí strojník rychle zvládnout; nesprávná manipulace s vlakem může způsobit vážné poškození, jako jsou roztržená spřáhla a možná i vykolejení. Některé železnice však experimentují s počítači, které se dokážou naučit vlastnosti vlaku tak rychle, jak to dokáže inženýr. Počítače například převzaly kontrolu nad těžkými rudnými vlaky v Minnesotě, fungují efektivně a plynule zastavují na červené signály.

Dalším logickým krokem je plně automatický provoz s inženýrem na palubě pouze jako monitorem. I když technologie k implementaci tohoto do značné míry existuje, překážky představují další faktory. Vysoké počáteční náklady například odrazují železnice od instalace nových systémů, které neposkytují zjevný konečný přínos. Dalším problémem je bezpečnost; automatizované řídicí systémy se musí prokázat jako extrémně spolehlivé, než jim lze důvěřovat, že nahradí lidské operátory, a až taková náhrada bude možná, bude mít tato technologie velkou ekonomickou návratnost.

Počítačová automatizace již umožnila, aby železnice fungovaly s menším počtem lidí. Nejnovější vývoj představuje útok na práci dvou nejdůležitějších lidí, kteří řídí vlak: strojníka a průvodčího. A nasazení vyžaduje opětovné projednání smluv s odborovými svazy zastupujícími pracovníky, které by nové systémy mohly vytlačit.

Vypadá to, jako by dlouhé stoupání po svahu Toponas bylo jen začátkem zrychlující se cesty do počítačově automatizované budoucnosti. Iden společnosti Union Pacific říká, že právě začínáme využívat výhod technologie.

skrýt