Digitale Spoorweg

Niemand was van plan om op 5 mei 1998 spoorweggeschiedenis te schrijven. Alleen was er een tekort aan locomotieven in Phippsburg, Colorado. In plaats van de gebruikelijke vijf locomotieven waren er slechts vier beschikbaar om een ​​kolentrein van 108 wagons door Union Pacific te trekken De steile helling van Toponas van de spoorweg op de westelijke helling van de Rocky Mountains. Wat volgde is onder de locomotiefbouwers legendarisch.

De locomotieven waren gloednieuwe General Electric-giganten met een twist: hun tractiemotoren werkten op wisselstroom in plaats van op gelijkstroom. Toen ze die dag de top van Toponas beklommen, vertraagden de treinen tot een nauwelijks waarneembare zes meter per minuut. Geen zichzelf respecterende ingenieur zou zo'n roekeloze truc hebben geprobeerd met conventionele gelijkstroommotoren: wielen zouden zijn uitgegleden, de trein zou zijn stilgevallen en de motoren zelf zouden zijn gebakken als een ei. Maar geen van die dingen gebeurde. Uit later onderzoek bleek inderdaad dat de locomotieven meer trekkracht hadden geproduceerd dan bij die snelheid voor mogelijk werd gehouden. Dit staaltje van kracht leidde tot een radicale transformatie van de spoorwegen - een revolutie die rechtstreeks voortvloeit uit de vooruitgang in de informatietechnologie.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van maart 2002

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Technologisch gezien is het moeilijk om iets in de spoorwegen te vinden dat de afgelopen tien jaar niet is veranderd. Tientallen microprocessors in de huidige diesellocomotieven besturen bijna al hun systemen, van brandstoftoevoer tot airconditioning in de cabine. Poollijnen die ooit langs de ramen van snel rijdende passagierstreinen flitsten, verdwijnen ten gunste van microgolf- of glasvezelcommunicatie. Experimentele nieuwe dispatching- en controlesystemen kunnen ingenieurs binnenkort vertellen of ze de meest brandstofefficiënte gasklepinstellingen gebruiken.

Zeg treinen tegen de meeste mensen en ze denken aan de passagiersvariant. Maar in de Verenigde Staten zijn de spoorwegen met de grootste economische impact die welke vracht vervoeren. Spoorwegen vervoeren 25 procent van de Amerikaanse vracht. Ze zijn gemakkelijk de meest efficiënte manier om kolen, graan en bulkchemicaliën te vervoeren. Maar de spoorwegmaatschappijen hebben lang een soort haat-liefdeverhouding gehad met de allernieuwste technologie. Ze lieten bijvoorbeeld alleen kolengestookte stoomlocomotieven in de steek toen General Motors in de jaren veertig de diesel-elektrische motor ontwikkelde en demonstraties gaf aan spoorwegen in het hele land. En zelfs dan zaten veel spoorwegen jarenlang vast met stoom.

In het afgelopen decennium zijn de spoorwegen echter verwikkeld in hun eigen versie van een informatierevolutie. De combinatie van computers en draadloze systemen geeft spoorwegen een grotere capaciteit voor klantenservice en betere verzending en kostenbeheersing, evenals het afzien van legers van klerken. Charles Dettmann, uitvoerend vice-president voor operaties, onderzoek en technologie bij de in Washington, DC gevestigde Association of American Railroads, stelt dat het concurrentievermogen van spoorwegen - misschien zelfs hun bestaan ​​- afhangt van hun gebruik van informatietechnologieën.

Spoorwegmaatschappijen zijn een zeer moeilijk te verkopen. Ik ben meestal in de positie om ze verder te duwen dan ze willen, zegt Carl D. Martland, senior onderzoeksmedewerker bij MIT's Centre for Transportation Studies en een adviseur voor de spoorwegindustrie. Ze staan ​​erop te weten dat er een productiviteitsvoordeel zal zijn en zullen alleen zo ver gaan als dat voordeel hen brengt. Ze hebben heel goed werk geleverd door te zeggen: doet deze technologie me iets?'

modelbaan

Slechts twee decennia geleden was het stroomgebied van de Powder River in het oosten van Wyoming een dor, boomloos binnenland met weinig mensen en geen industrie. Maar de regio had iets dat de Verenigde Staten vanaf het begin van de jaren negentig plotseling nodig hadden: veel laagzwavelige, relatief schoon brandende steenkool. In feite strekt een dikke laag steenkool zich uit onder het oostelijke derde deel van Wyoming. En de enige praktische manier om zoveel steenkool uit het afgelegen stroomgebied van de Powder River te vervoeren, is per spoor.

De twee spoorwegen die het gebied bedienen - Union Pacific en Burlington Northern Santa Fe - hebben meer dan $ 5 miljard uitgegeven om het grootste, modernste industriële spoorwegsysteem van het land te bouwen. Gedreven door aanscherping van de regels voor luchtvervuiling, groeit de vraag naar laagzwavelige steenkool nu verder dan ieders stoutste dromen; een deel van de lijn is het eerste stuk spoor in de geschiedenis geworden dat meer dan een miljard kilogram per dag ondersteunt.

En omdat de spoorlijn en de mijnen nieuw zijn, biedt de Powder River-operatie een schone lei voor het creëren van de meest efficiënte operatie die mogelijk is - zonder de last van oudere infrastructuur en de verouderde technologie die spoorwegen vaak hebben laten draaien. Nergens te bekennen zijn de arbeiders die ooit moeizaam alle autonummers hebben gekopieerd en naar het hoofdkantoor hebben gefaxt. Terwijl elke lege trein de mijn binnenkomt en elke geladen trein vertrekt, lezen scanners automatische identificatielabels, registreren ze elk wagennummer en rapporteren ze de gegevens aan het Harriman Dispatching Center van Union Pacific in Omaha, NE.

Het Harriman Center vormt het hart van een ambitieuze inspanning om een ​​volledig spoorwegsysteem van een centrale locatie naar treinen te sturen met behulp van een computerprogramma dat de punten kiest waar ze elkaar ontmoeten of passeren. Het Harriman-systeem regelt het verkeer op meer dan 27.000 kilometer Union Pacific-spoor in 23 staten - hoewel menselijke coördinatoren op elk moment kunnen ingrijpen als ze het niet eens zijn met de keuzes van de computer - en het zorgt voor de coördinatie, dagen van tevoren, van bewegingen over de hele spoorlijn in plaats van op een enkele lijn of afdeling.

Lege treinen komen de kolenhoudende silo van het Powder River-bekken binnen onder het spoorwegequivalent van cruisecontrol. Treinen sluipen binnen met ongeveer 1,5 kilometer per uur, snelheden die alleen de meest bekwame ingenieur met de hand kan evenaren. Geautomatiseerde laadkokers vullen elke auto met het geplande gewicht van 100.000 kilogram steenkool, nauwkeurig tot op ongeveer 0,2 procent. Een trein kan in 45 minuten met kolen worden gevuld, of ongeveer twee keer zo snel als eerdere automatische laders aankunnen.

Terwijl kolentreinen uit de Powder River-velden trekken, praten de locomotieven voortdurend met het hoofdkwartier van Union Pacific in Omaha. De gegevensstroom geeft een doorlopend verhaal over de toestand van de trein, zoals gerapporteerd door een reeks sensoren die bijvoorbeeld de oliedruk, bedrijfstemperatuur, vermogen en het brandstofverbruik bewaken. Vroeger (zeg, begin jaren negentig) wisten ingenieurs dat er iets mis was met een locomotief toen deze al in ernstige problemen verkeerde. Dan zouden er alarmbellen gaan rinkelen, of de motor stopte plotseling of begon te roken. Union Pacific rust zijn hele vloot uit met boordcomputers die constant de locatie en gezondheid van de locomotieven volgen en deze informatie vervolgens rapporteren aan een onderhoudsbalie op het hoofdkantoor.

Zodra de vloot is uitgerust, zal een bepaalde locomotief het Omaha-centrum signaleren dat het een probleem heeft, lang voordat het de machinist vertelt. De sensoren zouden problemen meestal honderden of duizenden kilometers moeten opvangen voordat ze ernstig genoeg worden voor de technicus. Informatie dat een motor bijvoorbeeld 15 procent meer brandstof verbruikt dan normaal, is voor de machinist van weinig belang, maar van groot belang voor de onderhoudstechnici die de locomotief in de gaten houden.

Het installeren van computers op locomotieven is niet hetzelfde als ze in de gecontroleerde omgeving van een kantoor te plaatsen. Vuil, trillingen en extreme hitte en koude maken deel uit van de dagelijkse spoorwegactiviteiten. Union Pacific heeft maandenlang geëxperimenteerd met verschillende soorten schokdempers en trillingsdempend materiaal. Volgens chief technology officer Lyden Tennison zijn er lessen getrokken uit een andere onderneming die het een en ander weet over het aanpassen van hightechapparatuur aan onherbergzame omstandigheden. We hebben veel geleerd van het leger, zegt hij. Locomotieftechnici waren bijvoorbeeld aanvankelijk geamuseerd toen ze hoorden dat het leger processors onder constante trillingen in hun stopcontacten hield door ze vast te binden met tandzijde. Geamuseerd, maar onder de indruk: Union Pacific nam deze oplossing over.

AC/DC

Gedurende het dieseltijdperk werkten locomotieven volgens een eenvoudig principe: een dieselmotor draaide een generator aan die wisselstroom produceerde, die vervolgens werd omgezet in gelijkstroom om de tractiemotoren aan te drijven die de assen aandreven. De sprong voorwaarts die het mogelijk maakte om de Toponas-klasse te verhogen, hing af van een fundamentele verschuiving in technologie in de jaren negentig van gelijkstroommotoren naar wisselstroommotoren. Deze verandering is mogelijk gemaakt door de beschikbaarheid van snelle, goedkope microprocessors.

Stroom voor zowel een gelijkstroomlocomotief als een wisselstroomlocomotief begint zijn weg naar de wielen op dezelfde manier. Bij beide typen draait een dieselmotor een generator die wisselstroom produceert, die vervolgens wordt omgezet in gelijkstroom. (Het startende wisselstroomvermogen, met een constante 60 cycli per seconde, zou de locomotief slechts met één snelheid kunnen laten rijden.) Hier lopen de technologieën echter uiteen. In een gelijkstroomlocomotief gaat de gelijkstroom rechtstreeks naar motoren die de wielen laten draaien. In een wisselstroommotor gaat de gelijkstroom door een reeks computergestuurde componenten, omvormers genaamd, die de gelijkstroom in wisselstroom hakken. Deze AC wordt op zijn beurt naar de motoren gevoerd.

Computerchips maken AC-motoren praktisch door de stroom van kracht te regelen met een precisie die op geen enkele andere manier onmogelijk is. De chips bewaken en regelen de gelijkstroom die de omvormers binnenkomt en zorgen ervoor dat ze de juiste hoeveelheid wisselstroom leveren aan de tractiemotoren. Dit is geen geringe prestatie: elke omvormer kan tot 500 aan-uit-commando's per seconde nodig hebben om de AC-stroom te regelen. En hoewel 500 commando's per seconde misschien niet indrukwekkend lijken in een dag met gigahertz-chips, is de juiste vergelijking niet met andere computers, maar met mensen. Stel je voor dat een machinist elke seconde 500 veranderingen in de gasklepstand probeert aan te brengen.

AC-motoren zijn robuuster dan hun gelijkstroom-neven. Ze hebben meedogenloze tests ondergaan die een maximaal mogelijke stroomproductie eisten, soms dagenlang. Die tests gingen veel verder dan wat de slechtste spoorwegomgeving zou kunnen produceren, en de motoren kwamen nooit in de buurt van oververhitting, volgens Michael E. Iden, algemeen directeur auto- en locomotieftechniek van Union Pacific. Zolang de apparatuur goed werkt, mogen AC-motoren nooit doorbranden, zegt Iden. Veel spoorwegen gebruiken zelfs AC-locomotiefkracht in plaats van luchtremmen om treinen op zware hellingen stil te houden, zegt Iden. Deze techniek, die het tijdrovende proces van het wegpompen van luchtremmen vermijdt, zou een gelijkstroommotor in minuten doen frituren.

Naast hun vermogen om zwaardere lasten te trekken, verbeteren AC-motoren de algehele efficiëntie. Elk locomotiefwiel maakt contact met een spooroppervlak dat niet groter is dan een nikkel. Het percentage van het gewicht op dat wiel dat wordt omgezet in trekkracht wordt adhesie genoemd. Terwijl de beste gelijkstroommotoren een adhesie van ongeveer 30 procent kunnen opbrengen, profiteren AC-locomotieven van nauwkeurige computerbesturing van de tractiemotoren om een ​​adhesie te bereiken van gemiddeld 34 tot 38 procent; elke procentpunt winst in adhesie levert de trekkracht voor vijf extra volgeladen kolenwagens.

Nummers maken

Treinen moeten natuurlijk op sporen rijden. En eenmaal gelegd, moeten de rail en de banden worden onderhouden en geïnspecteerd. Informatietechnologie speelt een transformerende rol in deze van oudsher arbeidsintensieve aangelegenheid. In de afgelopen twee of drie jaar zijn er bijvoorbeeld railuitlijningssystemen opgekomen die lasers gebruiken om afstand en richting te meten. Computers bepalen vervolgens de juiste kromming en elevatiehoek van een spoor en geven de informatie door aan machines die het spoor en de banden op hun plaats zetten. Het belangrijkste is de mogelijkheid om spoorgeometrie snel te meten, zonder afhankelijk te zijn van menselijk zicht, zegt Louis Cerny, een onafhankelijke spoorwegconsulent in Gaithersburg, MD.

Een bijzonder tijdrovende baan voor spooronderhoud - het verspreiden van rotsballast tussen sporen - is ook een adrenalinestoot krijgen. In juni leverde Herzog Contracting, een spoorwegconstructiebedrijf gevestigd in St. Joseph, MO, een nieuwe ballasttrein aan Union Pacific. Het lossen van 60 auto's ballast duurt normaal gesproken minimaal twee dagen; De trein van Herzog doet het werk in 30 minuten. Terwijl de trein voortstuwt, beslissen computers die worden aangestuurd door satellieten van het wereldwijde plaatsbepalingssysteem welke autodeuren moeten worden geopend en hoeveel ballast moet worden weggepompt (zelfs de stroom onderbrekend bij wegkruisingen).

Vergelijkbare vorderingen helpen de spoorinspectie. Deze baan was ooit het domein van een eenzame trackwalker, die een paar zware gereedschappen droeg, die langs de baan liep om te zien of het verschuift, of dat er spikes naar buiten trokken of railverbindingen te veel doorbuigen. Het ultieme in geautomatiseerde spoorinspectie is een systeem dat in 1999 werd geleverd aan de Federal Railroad Administration door Plasser American, een fabrikant van inspectiewagens, en Ensco, een fabrikant van hardware en software voor spoorweginspectie. Deze zelfrijdende massa sensoren en computers, die met een snelheid tot 145 kilometer per uur voortrolt, genereert uitlezingen van de toestand van het spoor en stuurt bemanningen naar de locaties van eventuele problemen. De meeste grote goederenspoorwegen in de Verenigde Staten gebruiken dergelijke auto's nu of hebben ze besteld.

Ensco heeft ook bewakingssystemen op afstand ontwikkeld die op elke treinwagon of locomotief kunnen worden gemonteerd. De systemen, die nu in gebruik zijn voor Amtrak en verschillende forenzenspoorwegen, beoordelen continu spoorafwijkingen, rijkwaliteit en de mechanische gezondheid van een locomotief. Wanneer zich een probleem voordoet, sturen de monitoren een alarm via satelliet of terrestrische draadloze verbinding. Gedetailleerde informatie over het probleem en de exacte locatie is dan toegankelijk via internet. Andere nieuwe inspectieapparatuur gebruikt geautomatiseerde visie om defecten in luchtremslangen tussen auto's op te sporen. Pulserende lasers, die uitwaaieren in een taartvorm, kunnen een nauwkeurig beeld van het wiel produceren terwijl het rolt - en registreren oppervlaktedefecten beter dan een ervaren inspecteur kan wanneer het wiel stilstaat. Al deze detectoren zijn ontworpen om probleemplekken aan het treinpersoneel of de coördinator te melden voordat een klein probleem groeit en een wrak veroorzaakt.

Langs de lijn

Nu de kosten van technologie voortdurend dalen, kunnen spoorwegen klaar zijn voor een nieuwe ronde van automatisering. De eerste kandidaat is een idee dat de spoorwegen tot nu toe hebben gemeden, genaamd positieve treincontrole. De computers die het gas en de rem van een locomotief besturen, zouden worden uitgerust met ontvangers van het wereldwijde positioneringssysteem die hen precies vertellen waar ze zijn en hoe snel ze gaan. De wijziging werd oorspronkelijk voorgesteld als een veiligheidsverbetering om botsingen te voorkomen: als een machinist voorbij een stopsignaal snelde, zou het systeem de computer een signaal geven om de trein te vertragen of te stoppen. Die toepassing slaagde er echter niet in de spoorwegen te winnen. Het zou veel geld hebben gekost voor een minimale verbetering van de veiligheid en was dus niet kosteneffectief, legt Martland van MIT uit.

Maar veel spoorwegambtenaren beginnen de businesscase voor positieve treincontrole te begrijpen: dezelfde technologie zorgt voor voortdurende updates over de locatie van elke locomotief op de spoorweg. Geavanceerde volg- en controletechnologie is al aanwezig in hogesnelheidstreinen voor passagiers, zoals die op de lijn Boston naar Washington. De technologie is ook in ontwikkeling bij een aantal bedrijven, met name Union Switch en Signal uit Pittsburgh.

Het combineren van satellieten met computers om de snelheid van een trein te regelen, is slechts één stap in de richting van volledig computergestuurde bediening. Metro's werken routinematig op deze manier; de chauffeur gaat mee voor de rit. Maar een goederentrein is niet zo eenvoudig als een metro. Een lange trein kan bijvoorbeeld tegelijkertijd de ene helling oprijden en de andere afdalen. En elke goederentrein heeft zijn eigen remkarakteristieken, die een machinist snel onder de knie moet krijgen; verkeerd omgaan met een trein kan ernstige schade veroorzaken, zoals gescheurde koppelingen en misschien zelfs ontsporingen. Sommige spoorwegen experimenteren echter met computers die de kenmerken van een trein net zo snel kunnen leren als een machinist. Computers hebben bijvoorbeeld de controle over zware ertstreinen in Minnesota, die efficiënt werken en soepel stoppen bij rode seinen.

De volgende logische stap is een volautomatische bediening, met alleen een monteur aan boord als monitor. Hoewel de technologie om dit te implementeren grotendeels bestaat, vormen andere factoren een barrière. De hoge initiële kosten ontmoedigen bijvoorbeeld spoorwegen om nieuwe systemen te installeren die geen duidelijk voordeel opleveren. Veiligheid is een andere zorg; geautomatiseerde controlesystemen moeten uiterst betrouwbaar zijn voordat ze kunnen worden vertrouwd om menselijke operators te vervangen, en pas als een dergelijke vervanging mogelijk is, heeft de technologie een grote economische terugverdientijd.

De automatisering heeft het al mogelijk gemaakt dat de spoorwegen met minder mensen werken. De nieuwste ontwikkelingen zijn een aanslag op de banen van de twee belangrijkste mensen die een trein besturen: de machinist en de conducteur. En voor implementatie moet er opnieuw worden onderhandeld over contracten met vakbonden die werknemers vertegenwoordigen die door nieuwe systemen kunnen worden vervangen.

Het ziet ernaar uit dat de lange klim naar Toponas nog maar het begin is van een steeds snellere reis naar een computergestuurde toekomst. Iden van Union Pacific zegt dat we net beginnen te profiteren van de voordelen van technologie.

zich verstoppen