Железнодорожные переезды: как автоматические шлагбаумы узнают о приближении поезда

Там, где дорога пересекает железную дорогу на одном уровне, что-то должно остановить движение до прихода поезда. На автоматическом переезде это не делает никто глазами. Поезд сообщает о себе пути, путь передаёт сигнал оборудованию, и огни и шлагбаумы работают в фиксированном порядке. Каждый шаг опирается на простую физическую идею, а расстановка датчика сводится к одному умножению.

Обнаружение поезда

Есть три распространённых способа узнать, что поезд находится на участке пути.

Рельсовые цепи. Низкое напряжение подаётся на один рельс, проходит по нему, переходит на другой рельс и возвращается через реле. Пока путь свободен, ток держит реле включённым. Когда приходит поезд, его стальные колёса и оси соединяют два рельса и отводят ток от реле, и оно отпускает. Та же идея разделяет поезда на магистрали, как описано в как сигнализация железной дороги разделяет поезда. A relay that has dropped means "occupied", and the crossing equipment reads that as a train in the section.

Счётчики осей. Вместо того чтобы использовать колёса как электрическое замыкание, датчик в начале и в конце участка считает оси, которые входят, и оси, которые выходят. Если вошло 12 осей и вышло 12, участок свободен. Если числа различаются, участок считается занятым. Счётчики осей не зависят от чистого электрического контакта через рельсы, поэтому ржавчина или листья на головке рельса их не сбивают.

Педальные датчики. Педаль — устройство сбоку от рельса, которое нажимается или определяет гребень колеса, когда тот проходит. Каждое проходящее колесо регистрируется как импульс. Педали просты и тоже считают колёса, поэтому встречаются в старых установках и как дополнение к двум другим способам.

Где ставится датчик

Обнаруживать поезд прямо на переезде было бы бесполезно. Дороге нужно время: сначала мигают огни, звенят звонки, затем опускаются шлагбаумы, и водители должны остановиться или освободить переезд. Поэтому датчик стоит на некотором расстоянии вдоль пути, в точке срабатывания. When a train reaches it, the sequence starts.

Насколько далеко вдоль пути, зависит от двух вещей: насколько быстро едет поезд и как долго должно длиться предупреждение. Связь здесь базовая для любой постоянной скорости:

расстояние = скорость × время предупреждения

Время предупреждения — это проектное решение, которое задаёт дорожное ведомство или железная дорога для конкретного переезда. Оно должно покрывать огни, ход шлагбаумов и запас для транспортного средства, которое уже внутри. 27 секунд, использованные здесь, — иллюстративная цифра, а не правило какой-либо страны. Возьмём скорость линии 100 миль в час, или около 160 км/ч:

• 100 миль/ч × 0,44704 = 44,7 м/с (160 км/ч ÷ 3,6 дают 44,4 м/с, почти то же самое).
• 44,7 м/с × 27 с ≈ 1 207 м, или примерно 1,2 км.

Значит, датчик стоит примерно в 1,2 км до переезда. Поезд, который проходит его на скорости линии, достигает переезда через 27 секунд. Следующая диаграмма применяет те же 27 секунд к другим скоростям.

Обратите внимание на контраст с торможением, где вдвое выше скорость означает в четыре раза большее расстояние. Здесь связь прямая, потому что поезд не замедляется; он просто проходит вдвое больше пути за то же время.

Проблема медленных поездов

Точка срабатывания фиксирована, но поезда ходят с разной скоростью. Поезд на 25 миль/ч, который запускает датчик, рассчитанный на 100 миль/ч, проходит 1 207 м ÷ 11,18 м/с, примерно 108 секунд, до переезда. Шлагбаумы были бы опущены вчетверо дольше, чем нужно, и водители ждали бы, ничего не видя. Переезд, который поднимает ложную тревогу, учит людей объезжать шлагбаумы.

Поэтому переезды на линиях с разной скоростью решают это одним из двух способов. Одни измеряют скорость с помощью двух датчиков на известном расстоянии друг от друга и запускают последовательность в точке, выбранной для этой скорости. Другие добавляют таймер, так что предупреждение сокращается до нужной длины. Оба способа восстанавливают задуманное время предупреждения при любой скорости поезда.

Отказобезопасная конструкция

Главный принцип безопасности: неисправность должна стоить участнику движения некоторого удобства, но никогда безопасности. Реле сконструированы так, чтобы отпускать под действием силы тяжести, поэтому потеря питания их отпускает, а отпущенное реле означает «поезд на участке». Так же сломанный рельс, неисправный кабель или пропавшее питание выглядят как занятый участок.

В итоге потеря питания должна оставлять шлагбаумы опущенными, а не поднятыми. Водители останавливаются из-за ненужного шлагбаума — это неудобство. Им не приходится пересекать действующую железную дорогу без предупреждения, что опасно. Неисправности, при которых оборудование показывает безопасность, когда её нет, — именно то, что конструкторы стараются предотвратить сильнее всего.

Всё вместе

1. Обнаружение: поезд входит в участок точки срабатывания и отпускает реле или меняет счёт осей.
2. Предупреждение: вспыхивают огни и звучат звонки.
3. Опускание: шлагбаумы опускаются, когда дороге дано время отреагировать.
4. Подъём: когда поезд проходит переезд, участок освобождается и шлагбаумы поднимаются.

В описании Valley Rail: Train Tycoon упоминает железнодорожные переезды с автоматической сигнализацией. Там не сказано, как они обнаруживают поезда, поэтому всё выше — реальная инженерия, а не описание игры.

Что из этого вынести

• Рельсовые цепи используют оси поезда, чтобы замкнуть рельсы и отпустить реле; счётчики осей сравнивают количество вошедших и вышедших осей.
• Датчик стоит по линии на расстоянии скорость × время предупреждения. При 100 миль/ч и 27 с это около 1,2 км.
• Расстояние для заданного времени предупреждения растёт пропорционально скорости, а тормозной путь — пропорционально квадрату скорости.
• Отказобезопасность означает, что неисправность отпускает реле и опускает шлагбаумы.