Railway Technology Today 8 (szerkeszti: Kanji Wako)
Jelzésrendszerek a biztonságos vasúti közlekedésért

        Tetsuo Takashige írása nyomán a Japan Railway & Transport Review 21, September, 1999-ben





Bevezető
Vonatok nem közlekedhetnek biztonságosan jelzőeszközök nélkül. A japán cikk áttekinti a négy rendszert, mely biztonságot nyújt a vasutaknak Japánban: block systems, a blokkrendszert, train control systems, a vonat vezérlő rendszert, train traffic control systems, a vasút forgalom vezérlő rendszert és a wireless communication devices, a vezeték nélküli távközlési eszközöket.



A blokkrendszerek

Automatikus blokkrendszerek

A fékút -az az út, melyet a vasúti jármű megtesz a fékezés megkezdésétől a megállásig- a vonatok számára hosszabb, mint a közúti járműveknek. Következésképpen a pálya egy bizonyos szakaszát egy időben csak egy vonat foglalhatja el. A pálya e szakaszát blokknak nevezzük. Sínáramköröket használunk megállapítani, hogy van-e vonat egy blokkban.

A sínáramkör alapelvét William Robinson szabadalmaztatta 1871-ben Amerikában, és elsőként a Philadelphia Eric Railroadnál alkalmazták. Azóta világszerte széles körben elterjedt.    Vasúti lexikon



    A sínáramkör általános elve               Ábra az írásból

A vasúti jármű tengelye rövidrezárja az adó áramát, így a vevőben lévő jelfogó elenged és a rendszer a blokkot foglaltnak érzi




Az automatikus blokk rendszer a sínáramkörrel érzékeli a blokk foglaltságát, és vezérli a jelzőket más blokkokban is.

Japánban minden kétvágányú pálya automatikus blokk rendszert használ. A lenti ábrán látszik, hogy alapvetően három jelzési fogalom van:

vörös, jelentése azonnal megállni a következő blokk elérése előtt, melyet vonat foglal el,

sárga, jelentése 'proceed with caution' (óvatosan), legfeljebb 45 km/h sebességgel (55 km/h vagy több is lehet egyes szakaszokon),

zöld, jelentése a következő blokk szabad, a vonat a megengedett legnagyobb sebességgel haladhat.

Nagy forgalmú vonalakon további két fogalom is lehet:

két sárga (sebességkorlátozás),

egy sárga és egy zöld (csökkentett sebesség).










Egyéb blokkrendszerek

Az automatikus blokkrendszer mellett több más blokkrendszer is használatos az egy vágányú vonalakon. Sok helyen sínáramkör rendszert, vagy elektronikus blokkrendszert (elektronikus kódfelismerő rendszert) használnak. Ezek félautomatikus blokkrendszerek.

A sínáramkör rendszer a vonatok mozgását két állomás között vezérli, és működteti a biztosított jelzőket a két állomáson, amelyek között a vonat halad. A vonat indulását és érkezését sínáramkörök érzékelik az állomások ki- és bejáratán. (A leírás explicite nem írja, de úgy tűnik, ez állomástávolságú közlekedést jelent. Saját megjegyzésem)
 Az elektronikus blokkrendszernél minden vonatnak rádiós távközlő eszköze van, mely adja a vonat azonosítóját (ID). Mikor a mozdonyvezető indulásra kész, megnyom egy gombot a készüléken, és a jelző zöldre változik (majd indulás előtt a mozdonyvezető rámutat a zöld jelzésre, és csak azután indítja el a járművét, ez a japán vasutakon általános. Saját megjegyzésem)

Mikor a vonat megérkezik a következő állomásra, a vonat azonosítót (ID) a rádiós eszköz adja a vevő felé, és a blokk felszabadul.

Ez az elektronikus blokkrendszer kisebb számú személyzetet kíván, mivel alapjában a mozdonyvezető vezérli a blokkot.




Vonat vezérlő rendszerek (Train Control Systems)

Automatikus vonatmegállító (Automatic Train Stop, ATS)


A mozdonyvezetőnek mindig figyelnie kell a jelzőket, de a lehetséges emberi hiba nagy balesetet okozhat. Két, sok áldozatot követelő vasúti baleset a 60-as évek elején eredményezte az úgynevezett Automatic Train Stop (automatikus vonatmegállító, ATS) rendszer általános alkalmazását Japánban. 		 1962 május 3-án egy gőzmozdonyos tehervonat nem állt meg a vörös jelzőnél Mikawashima állomás előtt, a Joban vonalon, Tokiótól északra. A mozdony és az első vagon kisiklott, elzárta a szomszédos kétvágányú fővonalat, és egy villamos motorvonat beléjük ütközött. Egy másik motorvonat érkezett az ellenkező irányból, és beleütközött az első motorvonatba. 160-an haltak meg a balesetben.

1963 november 9-én egy vonali sebességgel haladó tehervonat három kocsija siklott ki Tsurumi állomás közelében, Tokió és Yokohama között, és elzárta a szomszédos személyvonati vágányokat. Két villamos motorvonat ütközött beléjük, az áldozatok száma 161 volt.




Az ATS rendszer hangjelzést ad a mozdonyvezetőnek, mikor a vonat megállj állású jelző felé halad. Ha nem fékez, az ATS automatikusan megállítja a vonatot.

Az ATS rendszer a jelzők előtt bizonyos távolságra elhelyezett pálya tekercseket használ. Mikor a vonat elhalad egy tekercsnél és a jelzési kép megállj, a mozdonyvezető riasztást kap, függetlenül a vonat sebességétől. Ha a mozdonyvezető a riasztás érkezte után 5 mp-en belül nem fékez, automatikus vészfékezés történik. 		 Más szavakkal: nem történik kényszerfékezés, ha a mozdonyvezető fékez, és megnyomja a nyugtázó gombot. Ez azt jelenti, hogy ha a mozdonyvezető megállítja a vonatot a pálya tekercsnél, a vonat továbbhaladhat a megállj állású jelzőig.

Úgynevezett abszolút megállj (absolute stop) pályatekercset alkalmaznak állomások kijárati jelzőinél, melyek nem érzékelik a mozdonyvezető nyugtázását, hogy így akadályozzák meg a véletlen elindulásból származó balesetet.





A japán vasutaknál alkalmazott ATS-S rendszer működése

"Alarm rings here", itt szólal meg a riasztás. A pontból kiinduló függőleges vonal a vonat sebességgörbéje. Nagyobb sebességgel nagyobb távot tesz meg 5 mp alatt. Ha a mozdonyvezető nem fékez, kényszerfékezés indul, és a vonat sebességgörbéje a szaggatott vonal lesz. Ha a mozdonyvezető fékez, a vonat hosszabb úton, a jelzőhöz közelebb áll meg. (Az ábrán a nyilak némileg mást mutatnak, saját megjegyzésem.)




Az új ATS-P rendszer működése nem függ a mozdonyvezető nyugtázásától. Ezt most (a cikket 1999-ben írták) helyezik üzembe főleg Tokió és Osaka körzetében.

Földi tekercsek távközölnek a vonattal, és a vonat fékezési (sebesség-) görbéjét tekercsek figyelik, azt, hogy a vonat megáll-e a megállj jelzés előtt. 		Ha a vonat túllépi a fékezési görbe által megengedett sebességet, kényszerfékezés állítja meg a vonatot. Ezután a vonat tovább haladhat, de csak a következő tekercstől kapott utasítás szerint.

Ez a rendszer magasabb biztonsági szintet nyújt, mivel működése nem függ a mozdonyvezető nyugtázásától.




Az ATS-P rendszer működése

Ha egy vezérlő rendszer tekercseket használ a vonattal való kommunikációra, a vonat nem kap információt, mielőtt elhalad a tekercs mellett/fölött. Ez azt jelenti, hogy ha a következő jelző jelzési képe változik, nagy forgalmú vonalon a rendszer nem teljesíti a kívánt szintű megfelelést (a jármű nem a leghatékonyabb módon halad).
 E probléma megoldására a vasutak folyamatosan vezérlő ATS rendszert alkalmaznak. Ez hangfrekvenciás jelet használ az ATS információ átvitelére a vágányon keresztül, ez biztosítja, hogy a vonat minden pillanatban kap információt. Ez az elrendezés hasonló előnyöket nyújt, mint az ATC (automatic train control) rendszer.




Automatikus vonatvezérlés (Automatic Train Control, ATC) és az Automatikus Train Operation (ATO)

Az ATC rendszert nagy sebességű vonatok közlekedésének vezérlésére fejlesztették, olyanokra, mint a sinkanszen, melyek olyan gyorsan haladnak, hogy a mozdonyvezetőnek szinte nincs ideje felismerni a pálya menti jelzők mutatta képet. Az ATC hangfrekvenciás jelet küld a vonatra, mely információt hordoz arról, hogy mi a sebességhatár azon a pályaszakaszon. Mikor a vonat fedélzeti berendezés ezt a jelzést veszi, a valós sebességet összehasonlítja a kapott információval, és kényszerfékezés következik be, ha a vonat sebessége túl nagy. A fék old, mihelyt a sebesség a megengedett érték alá csökken. A rendszer nagy biztonságot nyújt, megelőzi az ütközést, mely emberi hibából származhatna, ezért nagy forgalmú vonalakon alkalmazzák, mint a Tokyo Yamanote vonal és néhány földalatti vonal.

Bár az ATC fékez, mikor a vonat sebessége túllépi az épp akkor és ott engedélyezett határt, nincs hatása a vontatásra és nem állítja meg a vonatot a megfelelő helyen, mikor az az állomásra jár be. Ezt az Automatic Train Operation (ATO) rendszer tudja, mely vezérli az állomásról indulást, a sebességet az állomások között és a megfelelő helyen megállást az érkezési állomáson. Az ATO-t egyes földalatti vonalakon alkalmazzák.		 Digitális ATC

Az ATC rendszert kiépítették a sinkanszen minden vonalán, amióta csak jár, az elsőt 1964-től, és még sosem történt ütközés. Mégis, az ATC-nek van három hátrányos tulajdonsága:

- a vonat előtt a szükségesnél hosszabb szabad pályát kell tartani,

- fékezés történik a legnagyobb sebesség elérésekor [nem pedig a vontatás lezárása, saját megjegyzésem], és a fékezés csökkenti az utazási kényelmet.

- ha a vasúttársaság gyorsabb vonatokat akar járatni a vonalon, az összes pálya menti és fedélzeti berendezést le kell cserélnie.

A digitális ATC rendszer a sínáramkört használja a vonat érzékelésére, ezután digitális adatot küld a pálya menti egységektől a vonatra, benne a sínáramkor egység száma, a szabad blokkok (sínáramkörök) száma a vonat előtt, és az állomási vágány, melyre a vonat majd érkezik. A vett adatból és a vonat berendezésének memóriájában tárolt adatból az kiszámítja az elöl haladó vonat távolságát. A memória szintén tartalmaz adatot a pálya lejtviszonyaira és a sebességhatárra ívekben és kitérőkön. Ezek az adatok adják az ATC azon döntéseihez az alapot, hogy üzemi fékezést alkalmaz, esetleg megállítja a vonatot.





A vonat sebességgörbéje ATC és digitális ATC esetén
A pillanatnyi adatokból a digitális ATC berendezés olyan fékezési mintát számít, mely biztosítja, hogy a vonat megálljon az elöl haladó vonat elérése előtt. Mikor a vonat megengedett legnagyobb sebessége (a 300 km/h értékből kiinduló vonal) metszi a valóságos sebesség értéket, riasztás szólal meg és fékezés kezdődik, hogy a vonat sebessége térjen vissza az éppen kívánatos értékre. A fékezés először enyhe az utazási kényelem érdekében, majd erősebb, hogy a vonat sebessége a tervezett görbe érték alá kerüljön. Van egy vészfékezési görbe is, az ATC vészfékezést alkalmaz, ha a vonat sebessége átlépné ezt a görbét.


A digitális ATC rendszernek több előnye is van:

- egy lépéses fék vezérlést alkalmaz, ez nagyobb átlagsebességet, így sűrűbb vonatkövetést tesz lehetővé,

- a vonatok mindig optimális sebességgel haladhatnak, nincs szükség korai lassításra, mert a fékgörbét minden vonatfajtára egyedileg lehet kalkulálni. Ez lehetővé teszi, hogy többfajta vonat, mint expressz, személy és teher ugyanazon a pályán mind optimális sebességgel haladhasson,		 - nincs szükség a pálya menti eszközök cseréjére, ha a fejlesztés során nagyobb sebességű vonatok járnak majd a pályán.

A Railway Technical Research Institute (RTRI) kutatást végez, továbbfejleszti az ATC rendszert a Tokyo Jamanote vonalára és sinkanszen vonalakra.




CARAT és ATACS

A sínáramkör használata a vonat érzékelésére a blokkban, és információ küldése a pályáról a vonatra pályamenti berendezéseket igényel. A Computer And Radio Aided Train control system (számítógép és rádió segítette vonatvezérlő rendszer) arra lett kifejlesztve, hogy csökkentse a szükséges berendezések számát, és lehetővé tegye a fedélzeten a vonat helyének érzékelését, sínáramkörök használata nélkül. A CARAT úgy vezérli a vonatforgalmat, hogy kétirányú információt visz át a talaj és a vonat között.
A rendszer abból a szempontból hasonló a digitális ATC-hez, hogy itt is pályamenti berendezések küldenek információt a következő érkező vonat felé, és a fedélzeten fékezési görbe számítás történik. De ezen túl a CARAT információt szerez a vonat pontos helyéről, és a vonatról a talajra küldött információ lehetővé teszi mozgó blokkok képzését.

A CARAT modern, jelen idejű vonat vezérlő rendszer, információt tud átvinni a vonatról az állomási kitérőknek és a szintbeli keresztezéseknek. Az RTRI részt vesz a CARAT tesztelésében, és a JR (Japanese Railways) kísérleti üzemet folytat a Joetsu Shinkansen vonalon.





A CARAT rendszer

(Az ábra feliratai: állomás bejárat szabad, vonat közeledik, vonat szemben ZZ ponton, szintbeli átjáró jelzés indul 7 mp-en belül,   Vezérlő központ
                 a vonat helyzete XX pont,          szintbeli átjáró jelzés indul 7 mp-en belül,   sorompó rendben,
   marker (jelölő),    Földi vezérlő rendszerek )



Ezenközben a JR East működési vizsgálatokat folytat az Advanced Train Administration and Communications System-mel (továbbfejlesztett vonat nyilvántartó és távközlési rendszerrel), az ATACS-szel, mely rádiós távközlést használ. A vizsgálatok egyik célja, hogy bebizonyítsa, a rendszer biztonságos a pálya fenntartó személyzet számára is. E rendszerek fejlesztése folyamatos, erősen hihetjük, hogy hamarosan szolgálatba lépnek.




Vonatforgalom vezérlő rendszerek (Train Traffic Control Systems)

CTC és PRC vonatvezérlő rendszerek

A vonatforgalom vezérlésnél folyamatosan és pontosan tudomással kell bírnunk a vonatok működéséről (helyzetéről, mozgása irányáról és sebességéről). A hagyományos vonatforgalom vezérlésnél telefonos távközlést használtak az állomások között az útvonal felépítéséhez, de ez túl lassú és nem hatékony a mai vonatforgalomban.

A Centralized Traffic Control (központi forgalom irányítás, CTC) ellátja a forgalomirányító központot információval minden vonat helyzetéről minden vonalszakaszon, és lehetővé teszi a központ számára, hogy közvetlenül meghatározza a vonatok mozgását. A rendszer "szíve" monitorok és vezérlő panelek, melyek össze vannak kötve állomásokkal és vonatokkal különböző eszközökkel: rádió berendezésekkel, parancsátvivő telefonokkal, vonat haladás rögzítőkkel, vonatszám kijelző eszközökkel, stb.





Mikor a CTC rendszert először alkalmazták, a vonatok mozgását a központ személyzete közvetlenül irányította. A vonatok számának növekedése azonban túlterhelte a rendszert, és kikényszerítette a számítógépesített Programmed Route Control (programozott útvonal vezérlés, PRC) rendszert.

A CTC 1964-re, az első sinkanszen indulására lett készen, de az útvonal automatizálás csak 1972-re valósult meg. A sinkanszen COMputer aided TRAffic Control system (számítógép segítette forgalomirányító rendszer, COMTRAC) nagyon hatékony forgalom vezérlő rendszer, így használják nem-sinkanszen vonalakon is. A JR és magánvasutak telepítette vagy telepíti, olyan vonalakon, ahol sűrű a vonatforgalom, vagy a vasúti összeköttetés nagy fontosságú.





A CTC rendszer



COSMOS és ATOS

A JR East 1998-ban kifejlesztette a COMTRAC rendszert, mikor a Hokuriku Shinkansen megnyílt. Ez a COSMOS (COmputerized Safety Maintenance and Operation Systems for Shinkansen, számítógépes biztonságfenntartó és működtető rendszer a sinkanszen számára), mely magába foglalja a meglévő COMTRAC funkcióit, mint a forgalom tervezés, forgalom nyilvántartás, karbantartó rendszerek és a gördülőállomány vezérlése. Az útvonal vezérlés nincs a központi vezérlés hatáskörében. Ehelyett az irányítás felelőssége megoszlik az egyes állomások között, így, ha a rendszer nem működik egy vagy több állomásra vagy akár a vezérlő központra, ennek hatása az egész rendszerre nagyon kicsi lesz, és fennmaradhat valamekkora forgalom.


Az Autonomous decentralized Transport Operation System (önálló decentralizált közlekedés működtető rendszer, ATOS) új és nagy teljesítményű forgalom vezérlő rendszer. Tokyo körzetében telepítették, 17 vonalszakaszt, 390 állomást, ebből 140 biztosítottat, és 6200 napi vonatmenetet irányít. A rendszer elsőként 1996-ban a JR East Chuo vonalán lépett üzembe.

Az ATOS és a COSMOS nagyon hasonló rendszerek - az ATOS volt az első, de később a COSMOS-ra helyezték a hangsúlyt, mint a sinkanszen irányító rendszerére. Az ATOS sokkal nagyobb rendszer, mint a COSMOS, így ez utóbbit helyezték előbb üzembe.




Vezeték nélküli távközlési eszközök

Mozdonyrádió keskennyomközű vasutakon

A vonatforgalom sokkal kevésbé lenne biztonságos rádiós távközlés nélkül a vonatszemélyzet és az irányító központ között. A vonatrádió bevezetése előtt a vonatszemélyzetnek a pálya menti telefon csatlakozási helyeket kellett használnia, hogy felhívja a központot, ha baleset történt az állomások kívül. Ma már a vonatszemélyzet azonnal kapcsolatba léphet az irányító központtal, vonat- vagy mozdonyrádió segítségével.

A vasutak duplex, félduplex és szimplex összeköttetést használnak a nem-sinkanszen vonalakon.

(Duplex összeköttetés, mikor egy időben kétirányú közlés folyhat, félduplex, mikor külön csatornán, de egy időben csak az egyik irányba lehet közölni, és szimplex az összeköttetés, mikor ugyanaz a csatorna használatos mind a két irányú távközlésre, ilyenkor egy időben természetesen csak az egyik irányba, saját megjegyzésem.)




A duplex összeköttetést a nagy forgalmú vasútvonalakon, félduplexet a kisebb forgalmú vonalak fontosabb szakaszain és szimplex összeköttetést a többi vonalon. A szimplex összeköttetés a távolsági kiterjesztése annak a korábban is meglévő kommunikációs rendszernek, melyen a mozdony- és az egyéb vonatszemélyzet távközölt egymással.

A japán magánvasutak is használnak rádiós távközlést, melynek fajtája attól függ, melyik vonalrészen alkalmazzák. Magánvasutak alkalmaznak hatósugárban 1 km-re korlátozott rádió rendszert, mely a körzetben minden vevő számára ad. E rendszer célja baleset esetén figyelmeztetés küldése a közeledő vonatok felé, hogy ne legyen egy balesetből egy újabb.



A sinkanszen rádiós távközlése

A sinkanszen vonatok rádiós távközlést használnak a szolgáltatás első indulása, 1964 óta, de Japán hegyes vidékei ezt nehézzé teszik. Másik gond volt a vonatok indulásakor, hogy kevés volt a rendelkezésre álló rádiós csatorna.

A megbízható és kellően széles sávú rádiós összeköttetés eszköze a sugárzó koaxiális kábel (leaky coaxial cable, LCX). 

Ilyet helyeztek el mind a Tohoku, mind a Loetsu Shinkansen vonal teljes hosszában, adat- és üzenetek átvitelére, a parancsátvivő- és pályatelefonoktól és feléjük, valamint a vonaton lévő nyilvános telefonok és az országos telefonhálózat között is. LCX kábelt helyeztek el a Tokaido Shinkansen vonal mentén is. Az ábra mutatja a kábel szerkezetét és az elhelyezését, a zajvédő fal mentén, és a járólapok alatt.



Az LCX-C480 sugárzó kábeles rendszer

Az ábra feliratai:
   tartókábel                    rések
   szigetelő
   belső vezető
   külső vezető     sugárzó koax kábel
keresztmetszet
                             Külső struktúra

                                Belső vezető
Külső vezető
                    szigetelő
                                Belső struktúra


Az LCX elhelyezése a sinkanszen pálya mentén





                     Antennák




Kanji Wako

Kanji Wako a Railway Technical Research Institute (RTRI) kutatási és fejlesztési igazgatója. A Tohoku egyetem mérnöki szakán végzett, és 1961-ben került a JNR-hez.


Tetsuo Takashige

Tetsuo Takashige az RTRI jelzésrendszer csoportjának vezető mérnöke, ahol 1974 óta dolgozik. 1973-ban került a JNR-hez, miután a Kyoto egyetemen mester fokozatot szerzett a villamosmérnöki tudományokból.






Források:

  • Tetsuo Takashige: Signalling Systems for Safe Railway Transport, Japan Railway & Trasport Review 21, 1999 szeptember [1]
  • Eiichi Aoki, Mitsuhide Imashiro, Shinichi Kato és Yasuo Wakuda: A History of Japanese Railways, 1872-1999  [2]
manhattani

  2014 augusztus 11.