Digital Jernbane

Ingen havde tænkt sig at skrive jernbanehistorie den 5. maj 1998. Det er bare, at der var mangel på lokomotiver i Phippsburg, CO. I stedet for de sædvanlige fem lokomotiver, var der kun fire tilgængelige til at trække et 108-vogns kultog op ad Union Pacific Railroads stejle Toponas-grad på den vestlige skråning af Rocky Mountains. Det, der fulgte, er blandt lokomotivbyggere legendarisk.

Lokomotiverne var helt nye General Electric giganter med et twist: deres trækmotorer kørte på vekselstrøm frem for jævnstrøm. Da de klatrede Toponas-graden den dag, bremsede togene til knapt mærkbare seks meter i minuttet. Ingen ingeniør med respekt for sig selv ville have prøvet et så dumdristig trick med konventionelle jævnstrømsmotorer: Hjul ville være skredet, toget ville være gået i stå, og selve motorerne ville være blevet stegt som et æg. Men ingen af ​​de ting skete. Senere undersøgelser viste faktisk, at lokomotiverne havde produceret mere trækkraft, end man troede var muligt ved den hastighed. Denne styrkepræstation indledte en radikal transformation af jernbanedrift - en revolution, der stammer direkte fra fremskridt inden for informationsteknologi.

Denne historie var en del af vores marts 2002-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Teknologisk set er det svært at finde noget i jernbanesektoren, som ikke har ændret sig i det sidste årti. Dusinvis af mikroprocessorer i nutidens diesellokomotiver kører næsten alle deres systemer, fra brændstoftilførsel til førerhusklimaanlæg. Pælelinjer, der engang blinkede forbi vinduerne i passagertog, der hurtigt kører, forsvinder til fordel for mikrobølge- eller fiberoptisk kommunikation. Eksperimentelle nye ekspeditions- og kontrolsystemer kan snart fortælle ingeniører, om de bruger de mest brændstofeffektive gasreguleringsindstillinger.

Sig tog til de fleste mennesker, og de tænker på passagervariationen. Men i USA er de jernbaner med den største økonomiske effekt dem, der transporterer gods. Jernbanerne trækker 25 procent af amerikansk gods. De er let den mest effektive måde at flytte kul, korn og bulkemikalier på. Men jernbaneselskaberne har længe haft en slags had-kærlighedsforhold til banebrydende teknologi. De forlod for eksempel kun kulfyrede damplokomotiver, da General Motors udviklede den dieselelektriske motor og gav demonstrationer til jernbaner rundt om i landet i 1940'erne. Og selv dengang holdt mange jernbaner fast med damp i årevis.

Men i løbet af det sidste årti har jernbaner været engageret i deres egen version af en informationsrevolution. Kombinationen af ​​computere og trådløse systemer giver jernbanerne større kundeservicekapacitet og bedre ekspeditions- og omkostningskontrol - såvel som at undvære hære af funktionærer. Charles Dettmann, executive vice president for operations, research and technology hos den Washington, DC-baserede Association of American Railroads, hævder, at jernbanernes konkurrenceevne - måske endda deres eksistens - afhænger af deres brug af informationsteknologier.

Jernbaneselskaber er meget svære at sælge. Jeg er normalt i stand til at skubbe dem længere, end de ønsker at gå, siger Carl D. Martland, seniorforsker ved MIT's Center for Transportation Studies og konsulent for jernbaneindustrien. De insisterer på at vide, at der vil være en produktivitetsfordel og vil kun gå så langt, som den fordel tager dem. De har gjort et meget godt stykke arbejde med at sige: Gør denne teknologi mig noget godt?'

Modeljernbane

For bare to årtier siden var det østlige Wyomings Powder River-bassin en gold, træløs outback med få mennesker og ingen industri. Men regionen havde noget, som USA fra begyndelsen af ​​1990'erne pludselig havde brug for: masser af lavt svovlindhold, relativt rent brændende kul. Faktisk strækker en tyk søm af kul sig under den østlige tredjedel af Wyoming. Og den eneste praktiske måde at flytte så meget kul ud af det fjerntliggende Powder River-bassin er med jernbane.

De to jernbaner, der betjener området - Union Pacific og Burlington Northern Santa Fe - har brugt mere end 5 milliarder dollars på at bygge det største, mest moderne industrielle jernbanesystem i landet. Drevet af strammere luftforureningsregler boomer efterspørgslen efter kul med lavt svovlindhold nu ud over nogens vildeste drømme; en sektion af strækningen er blevet den første jernbanestrækning i historien, der bærer mere end en milliard kilogram om dagen.

Og fordi jernbanen og minerne er nye, giver Powder River-driften en ren tavle for skabelsen af ​​den mest effektive drift muligt - uden byrden af ​​ældre infrastruktur og den forældede teknologi, som jernbaner ofte har holdt kørende. Ingen steder at se er de arbejdere, der engang møjsommeligt kopierede alle bilnumre ned og faxede dem til hovedkvarteret. Efterhånden som hvert tomt tog kører ind i minen, og når hvert lastet tog forlader, læser scannere automatiske identifikationsmærker, registrerer hvert bilnummer og rapporterer dataene til Union Pacifics Harriman Dispatching Center i Omaha, NE.

Harriman Centret er hjertet af en ambitiøs indsats for at dirigere et helt jernbanesystem fra en central placering til at sende tog ved hjælp af et computerprogram, der vælger de punkter, hvor de mødes eller passerer. Harriman-systemet styrer trafikken på mere end 27.000 kilometer af Union Pacific-banen i 23 stater - selvom menneskelige koordinatorer kan gribe ind når som helst, hvis de er uenige i computerens valg - og det giver mulighed for koordinering, dage før tid, af bevægelser over hele jernbanen i stedet for på en enkelt linje eller division.

Tomme tog kører ind i Powder River-bassinets kulholdige silo under jernbaneækvivalenten til fartpilot. Togene kryber ind med omkring 1,5 kilometer i timen, hastigheder, som kun den dygtigste ingeniør kunne matche med håndkraft. Computerstyrede læsseskakter fylder hver bil med den planlagte vægt af kul-100.000 kg, nøjagtigt til inden for omkring 0,2 procent. Et tog kan fyldes med kul på 45 minutter, eller cirka dobbelt så hurtigt, som tidligere automatiske læssere kunne klare.

Mens kultog trækker ud af Powder River-markerne, taler lokomotiverne konstant med Union Pacific-hovedkvarteret i Omaha. Datastrømmen giver en løbende fortælling om togets tilstand, som rapporteret af en række sensorer, der f.eks. overvåger olietrykket, driftstemperaturen, hestekræfter og brændstofforbruget. I gamle dage (f.eks. begyndelsen af ​​1990'erne) vidste ingeniører, at der kun var noget galt med et lokomotiv, når det allerede var i alvorlige problemer. Det var, når alarmklokkerne ringede, eller motoren pludselig ville stoppe eller begynde at ryge. Union Pacific udstyrer hele sin flåde med indbyggede computere, der konstant sporer lokomotivernes placering og helbred, og derefter rapporterer disse oplysninger til en vedligeholdelsesskranke i hovedkvarteret.

Når flåden er udstyret, vil et givet lokomotiv signalere Omaha-centret, at det har et problem, længe før det fortæller ingeniøren. Sensorerne skulle normalt fange problemer hundreder eller tusinder af kilometer, før de bliver alvorlige nok til, at ingeniøren kan bekymre sig. Oplysninger om, at en motor f.eks. bruger 15 procent mere brændstof end normalt, bekymrer ingeniøren ikke meget, men af ​​stor interesse for de vedligeholdelsesteknikere, der overvåger lokomotivet.

At installere computere på lokomotiver er ikke ligefrem som at placere dem i det kontrollerede miljø på et kontor. Snavs, vibrationer og ekstreme varme og kulde er en del af den daglige jernbanedrift. Union Pacific eksperimenterede i månedsvis med forskellige typer stødbeslag og vibrationskontrollerende materiale. Ifølge teknologichef Lyden Tennison blev erfaringerne fra en anden virksomhed, der ved en ting eller to om at tilpasse højteknologisk udstyr til ugæstfrie forhold. Vi lærte meget af militæret, siger han. Lokomotivteknikere morede sig f.eks. først ved at erfare, at militæret holdt processorer tilsluttet deres stik under konstante vibrationer ved at binde dem fast med tandtråd. Underholdt, men imponeret: Union Pacific vedtog denne løsning.

AC/DC

I hele dieselalderen fungerede lokomotiver efter et simpelt princip: En dieselmotor drev en generator, der producerede elektrisk vekselstrøm, som derefter blev omdannet til jævnstrøm for at drive de trækmotorer, der drev akslerne. Springet fremad, der gjorde det muligt at trække Toponas-klassen op, afhang af et grundlæggende teknologiskifte i løbet af 1990'erne fra DC-motorer til AC-motorer. Denne ændring er blevet muliggjort af tilgængeligheden af ​​hurtige, billige mikroprocessorer.

Strøm til både et DC-lokomotiv og et AC-lokomotiv starter sin vej til hjulene på samme måde. I begge typer tænder en dieselmotor en generator, der producerer vekselstrøm, som derefter omdannes til jævnstrøm. (Start-vekselstrømseffekten, med konstante 60 cyklusser i sekundet, kunne køre lokomotivet med kun én hastighed.) Her er teknologierne dog divergerende. I et DC-lokomotiv går DC-strømmen direkte til motorer, der drejer hjulene. I en vekselstrømsmotor passerer jævnstrømmen gennem en række computerstyrede komponenter kaldet invertere, som hugger jævnstrøm til vekselstrøm. Denne AC føres igen til motorerne.

Computerchips gør AC-motorer praktiske ved at regulere strømstrømmen med en præcision, som er umulig på nogen anden måde. Chipsene overvåger og styrer DC, der kommer ind i inverterne, og sørger for, at de leverer den korrekte mængde AC til traktionsmotorerne. Dette er ikke en lille bedrift: hver inverter kan kræve så mange som 500 on-off kommandoer i sekundet for at regulere AC flowet. Og selvom 500 kommandoer i sekundet kan virke uimponerende på en dag med gigahertz-chips, er den korrekte sammenligning ikke med andre computere, men med mennesker. Forestil dig en togingeniør, der forsøger at foretage 500 ændringer i gashåndtagets position hvert sekund.

AC-motorer er mere robuste end deres DC-fætre. De har været udsat for brutale tests, der krævede maksimal mulig strømproduktion, nogle gange i dagevis. Disse test gik langt ud over noget, det værste jernbanemiljø kunne producere, og motorerne kom aldrig i nærheden af ​​at blive overophedet, ifølge Michael E. Iden, Union Pacifics generaldirektør for bil- og lokomotivteknik. Så længe udstyret fungerer korrekt, bør AC-motorer virkelig aldrig brænde ud, siger Iden. Mange jernbaner bruger endda AC-lokomotivkraft - i stedet for luftbremser - til at holde tog stille på tunge stigninger, siger Iden. Denne teknik, som undgår den tidskrævende proces med at pumpe luftbremser af, ville stege en jævnstrømsmotor på få minutter.

Ud over deres evne til at trække tungere belastninger forbedrer AC-motorer den samlede effektivitet. Hvert lokomotivhjul kommer i kontakt med et skinneområde, der ikke er større end et nikkel. Den procentdel af vægt på det hjul, der omdannes til trækkraft, kaldes adhæsion. Mens de bedste DC-motorer kan opnå en adhæsion på omkring 30 procent, drager AC-lokomotiver fordel af præcis computerstyring af traktionsmotorerne for at opnå en adhæsion på i gennemsnit 34 til 38 procent; hver procentpointforøgelse i vedhæftning giver trækkraften til fem yderligere fuldt lastede kulbiler.

At lave spor

Tog skal selvfølgelig køre på skinner. Og når den først er lagt, skal skinnen og båndene vedligeholdes og efterses. Informationsteknologi spiller en transformerende rolle i denne traditionelt arbejdsintensive affære. De sidste to eller tre år har for eksempel set fremkomsten af ​​jernbanejusteringssystemer, der bruger lasere til at måle afstand og retning. Computere regner derefter sporets korrekte krumning og højdevinkel og leverer informationen til maskiner, der sætter skinnen og båndene på plads. Det vigtige er evnen til at måle sporgeometri hurtigt uden at være afhængig af menneskeligt syn, siger Louis Cerny, en uafhængig jernbanekonsulent i Gaithersburg, MD.

Et særligt tidskrævende jernbanevedligeholdelsesjob, der spreder stenballast mellem sporene - er også at få et skud adrenalin. I juni leverede Herzog Contracting - et jernbanebyggeri med base i St. Joseph, MO - et nyt ballasttog til Union Pacific. Aflæsning af 60 biler ballast tager normalt mindst to dage; Herzogs tog klarer jobbet på 30 minutter. Mens toget tøffer, bestemmer computere styret af satellitter til globale positioneringssystem, hvilke bildøre der skal åbnes, og hvor meget ballast der skal pumpes ud (selv afbryde strømmen ved vejkrydsninger).

Lignende fremskridt hjælper med sporinspektion. Dette job var engang domænet for en enlig trackwalker, der bar et par tungt værktøj, som gik langs sporet for at se, om det flyttede sig, eller om pigge trak sig ud eller skinnesamlinger bøjede for meget. Det ultimative inden for automatiseret sporinspektion er et system leveret i 1999 til Federal Railroad Administration af Plasser American, en producent af inspektionsvogne, og Ensco, en producent af jernbaneinspektionshardware og -software. Denne selvkørende masse af sensorer og computere, der ruller med op til 145 kilometer i timen, genererer udlæsninger af sporets tilstand og sender mandskab til de steder, hvor der er problemer. De fleste af de store godsjernbaner i USA bruger enten sådanne biler nu eller har bestilt dem.

Ensco har også udviklet fjernovervågningssystemer, der kan monteres på enhver vogn eller lokomotiv. Systemerne, der nu er i brug for Amtrak og adskillige pendlerjernbaner, vurderer løbende sporets uregelmæssigheder, kørekvaliteten og et lokomotivs mekaniske helbred. Når der opstår et problem, sender monitorerne en alarm via satellit eller jordbaseret trådløs forbindelse. Detaljerede oplysninger om problemet og dets nøjagtige placering kan derefter tilgås via internettet. Andet nyt inspektionsudstyr bruger computeriseret vision til at lede efter defekter i luftbremseslanger mellem biler. Pulserende lasere, der blæser ud i en pie-slice-form, kan nøjagtigt producere et billede af hjulet, da det ruller-registrerer overfladedefekter bedre, end en erfaren inspektør kan, når hjulet står stille. Alle disse detektorer er designet til at rapportere problemer til togpersonalet eller vognmanden, før et lille problem vokser og forårsager et vrag.

Ned ad linjen

Da teknologiomkostningerne konstant falder, kan jernbanerne være klar til endnu en runde af automatisering. Den første kandidat er en idé, som jernbaner hidtil har undladt at kalde positiv togkontrol. Computerne, der styrer et lokomotivs gashåndtag og bremse, ville være udstyret med modtagere af globale positioneringssystem, der fortæller dem præcist, hvor de er, og hvor hurtigt de kører. Ændringen blev oprindeligt foreslået som en sikkerhedsforbedring for at forhindre kollisioner: Hvis en ingeniør kørte forbi et stopsignal, ville systemet signalere computeren om at bremse eller stoppe toget. Den ansøgning lykkedes dog ikke med at vinde over jernbanerne. Det ville have kostet mange penge for en minimal sikkerhedsforbedring og var derfor ikke omkostningseffektivt, forklarer MITs Martland.

Men mange jernbanetjenestemænd begynder at forstå forretningsgrundlaget for positiv togkontrol: Den samme teknologi giver løbende opdateringer om placeringen af ​​hvert lokomotiv på jernbanen. Avanceret sporings- og kontrolteknologi er allerede på plads på højhastighedspassagertog som dem på linjen Boston til Washington. Teknologien er også under udvikling hos en række virksomheder, mest fremtrædende Pittsburgh-baserede Union Switch and Signal.

At kombinere satellitter med computere for at styre et togs hastighed er kun et skridt mod fuldstændig computerautomatiseret drift. Undergrundsbaner fungerer rutinemæssigt på denne måde; føreren tager med på turen. Men et godstog er ikke så simpelt som en metro. Et langt tog kan f.eks. klatre en grad og ned ad en anden på samme tid. Og hvert godstog har sine egne bremseegenskaber, som en ingeniør hurtigt skal mestre; forkert håndtering af et tog kan forårsage alvorlige skader, såsom afrevne koblinger og måske endda afsporinger. Nogle jernbaner eksperimenterer dog med computere, der kan lære et togs egenskaber så hurtigt, som en ingeniør kan. For eksempel har computere taget kontrol over tunge malmtog i Minnesota, fungerer effektivt og stopper jævnt ved røde signaler.

Det næste logiske trin er fuldautomatisk drift, med en ingeniør ombord kun som monitor. Mens teknologien til at implementere dette stort set eksisterer, står andre faktorer som barrierer. De høje startomkostninger afskrækker for eksempel jernbaner fra at installere nye systemer, der ikke giver en åbenlys bundlinjefordel. Sikkerhed er en anden bekymring; automatiserede kontrolsystemer skal bevises ekstremt pålidelige, før de kan have tillid til at erstatte menneskelige operatører, og det er ikke før en sådan substitution er mulig, at teknologien har en stor økonomisk tilbagebetaling.

Computerisering har allerede gjort det muligt for jernbaner at operere med færre mennesker. Den nyeste udvikling repræsenterer et angreb på jobbet for de to vigtigste personer, der kører et tog: ingeniøren og konduktøren. Og implementeringen kræver genforhandling af kontrakter med fagforeninger, der repræsenterer arbejdere, som nye systemer kan fortrænge.

Det ser ud som om den lange stigning op ad Toponas-graden kun er begyndelsen på en accelererende rejse ind i en computerautomatiseret fremtid. Siger Union Pacifics Iden, Vi er lige begyndt at udnytte fordelene ved teknologi.

skjule