Digital järnväg

Ingen hade tänkt göra järnvägshistoria den 5 maj 1998. Det är bara det att det var ont om lok i Phippsburg, CO. Istället för de vanliga fem lokomotiven fanns bara fyra tillgängliga för att dra ett koltåg med 108 vagnar uppför Union Pacific Järnvägens branta Toponas-grad på den västra sluttningen av Klippiga bergen. Det som följde är bland lokbyggarna legendariskt.

Loken var helt nya General Electric-giganter med en twist: deras dragmotorer körde på växelström snarare än likström. När tågen klättrade upp för Toponas den dagen, saktade tågen ner till knappt märkbara sex meter per minut. Ingen ingenjör med självrespekt skulle ha provat ett så dumdristigt trick med konventionella likströmsmotorer: hjul skulle ha slirat, tåget skulle ha stannat och själva motorerna skulle ha stekts som ett ägg. Men ingen av dessa saker hände. Senare undersökning visade faktiskt att loken hade producerat mer dragkraft än vad man trodde var möjligt vid den hastigheten. Denna kraftprestation initierade en radikal omvandling av järnvägstrafiken - en revolution som härrör direkt från framstegen inom informationsteknologin.

Den här historien var en del av vårt marsnummer 2002

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Tekniskt sett är det svårt att hitta något inom järnvägen som inte har förändrats under det senaste decenniet. Dussintals mikroprocessorer i dagens diesellokomotiv kör nästan alla sina system, från bränslematning till luftkonditionering i hytten. Pollinjer som en gång blinkade förbi fönstren på fortkörande passagerartåg försvinner till förmån för mikrovågs- ​​eller fiberoptisk kommunikation. Experimentella nya sändnings- och kontrollsystem kan snart berätta för ingenjörer om de använder de mest bränsleeffektiva gasinställningarna.

Säg tåg till de flesta och de tänker på passagerarvariationen. Men i USA är de järnvägar som har störst ekonomisk påverkan de som transporterar gods. Järnvägar transporterar 25 procent av USA:s gods. De är lätt det mest effektiva sättet att flytta kol, spannmål och bulkemikalier. Men järnvägsbolagen har länge haft ett slags hat-kärleksförhållande med spjutspetsteknologi. De övergav bara koleldade ånglok, till exempel när General Motors utvecklade den dieselelektriska motorn och gav demonstrationer för järnvägar runt om i landet på 1940-talet. Och även då har många järnvägar fastnat för ånga i flera år.

Men under det senaste decenniet har järnvägar varit engagerade i sin egen version av en informationsrevolution. Kombinationen av datorer och trådlösa system ger järnvägarna större kundtjänstkapacitet och bättre utskick och kostnadskontroller - samt att avstå från arméer av tjänstemän. Charles Dettmann, vice vd för drift, forskning och teknik vid Washington, DC-baserade Association of American Railroads, hävdar att järnvägarnas konkurrenskraft - kanske till och med deras existens - beror på deras användning av informationsteknologi.

Järnvägsföretag är mycket svåra att sälja. Jag är vanligtvis i positionen att driva dem längre än de vill gå, säger Carl D. Martland, senior forskarassistent vid MIT:s Center for Transportation Studies och konsult till järnvägsindustrin. De insisterar på att veta att det kommer att finnas en produktivitetsfördel och kommer bara att gå så långt som den fördelen tar dem. De har gjort ett mycket bra jobb med att säga, gör den här tekniken mig något bra?

Modelljärnväg

För bara två decennier sedan var östra Wyomings Powder River-bassäng en karg, trädlös vildmark med få människor och ingen industri. Men regionen hade något som USA plötsligt behövde i början av 1990-talet: massor av lågsvavligt, relativt rent brinnande kol. Faktum är att en tjock kolsöm sträcker sig under den östra tredjedelen av Wyoming. Och det enda praktiska sättet att flytta ut så mycket kol från den avlägsna Powder River-bassängen är med järnväg.

De två järnvägarna som servar området - Union Pacific och Burlington Northern Santa Fe - har spenderat mer än 5 miljarder dollar för att bygga det största, modernaste industriella järnvägssystemet i landet. Driven av skärpta luftföroreningsbestämmelser blomstrar efterfrågan på lågsvavligt kol nu bortom någons vildaste drömmar; en sektion av linjen har blivit den första järnvägssträckan i historien som klarar mer än en miljard kilo om dagen.

Och eftersom järnvägen och gruvorna är nya, ger Powder River-verksamheten en ren skiva för att skapa en så effektiv drift som möjligt - utan bördan av äldre infrastruktur och den föråldrade teknik som järnvägar ofta har hållit igång. Ingenstans att se arbetarna som en gång mödosamt kopierade ner alla bilnummer och faxade dem till huvudkontoret. När varje tomt tåg går in i gruvan och när varje lastat tåg går, läser skannrar automatiska identifieringsetiketter, registrerar varje bilnummer och rapporterar data till Union Pacifics Harriman Dispatching Center i Omaha, NE.

Harriman Center är hjärtat i ett ambitiöst försök att styra ett helt järnvägssystem från en central plats till att skicka tåg med hjälp av ett datorprogram som väljer de punkter där de möts eller passerar. Harriman-systemet kontrollerar trafiken på mer än 27 000 kilometer av Union Pacific-banan i 23 stater – även om mänskliga trafikledare kan ingripa när som helst om de inte håller med om datorns val – och det möjliggör koordinering, dagar i förväg, av rörelser över hela järnvägen snarare än på en enda linje eller division.

Tomma tåg kommer in i Powder River-bassängens kolhaltiga silo under järnvägsmotsvarigheten till farthållare. Tågen smyger sig in i cirka 1,5 kilometer i timmen, hastigheter som bara den skickligaste ingenjören kunde matcha för hand. Datoriserade lastrännor fyller varje bil med den planerade vikten av kol-100 000 kilogram, exakt till inom cirka 0,2 procent. Ett tåg kan fyllas med kol på 45 minuter, eller ungefär dubbelt så snabbt som tidigare automatiska lastare klarade av.

När koltåg drar ut från Powder River-fälten pratar loken ständigt med Union Pacifics högkvarter i Omaha. Dataströmmen ger en löpande berättelse om tågets tillstånd, som rapporterats av en rad sensorer som till exempel övervakar oljetrycket, driftstemperaturen, hästkrafter och bränsleförbrukningen. Förr i tiden (säg början av 1990-talet) visste ingenjörer att något var fel med ett lokomotiv först när det redan var i allvarliga problem. Det var då varningsklockorna ringde, eller så stängdes motorn plötsligt av eller började röka. Union Pacific utrustar hela sin flotta med datorer ombord som ständigt spårar lokens plats och hälsa, och sedan rapporterar denna information till en underhållsdisk på huvudkontoret.

När flottan väl är utrustad kommer ett givet lok att signalera Omaha-centret att det har ett problem långt innan det berättar för ingenjören. Sensorerna ska vanligtvis fånga problem hundratals eller tusentals kilometer innan de blir tillräckligt allvarliga för att ingenjören ska bry sig. Information om att en motor använder 15 procent mer bränsle än normalt är till exempel av liten oro för ingenjören men av stort intresse för de underhållstekniker som övervakar loket.

Att installera datorer på lok är inte precis som att placera dem i den kontrollerade miljön på ett kontor. Smuts, vibrationer och extrem värme och kyla är en del av den dagliga järnvägsdriften. Union Pacific experimenterade i månader med olika typer av stötfästen och vibrationskontrollerande material. Enligt teknikchef Lyden Tennison drogs lärdomar från ett annat företag som kan ett och annat om att anpassa högteknologisk utrustning för ogästvänliga förhållanden. Vi lärde oss mycket av militären, säger han. Loktekniker var till en början roade av att till exempel lära sig att militären höll processorer inkopplade i sina uttag under konstant vibration genom att binda fast dem med tandtråd. Road, men imponerad: Union Pacific antog denna lösning.

AC/DC

Under hela dieselåldern fungerade loken enligt en enkel princip: en dieselmotor vände en generator som producerade elektrisk växelström, som sedan omvandlades till likström för att driva dragmotorerna som drev axlarna. Språnget framåt som gjorde det möjligt att dra upp Toponas-klassen berodde på ett grundläggande teknologiskifte under 1990-talet från DC-motorer till AC-motorer. Denna förändring har möjliggjorts av tillgången till snabba, billiga mikroprocessorer.

Kraft för både ett DC-lok och ett AC-lok startar sin väg till hjulen på samma sätt. I båda typerna vänder en dieselmotor en generator som producerar växelström, som sedan omvandlas till DC. (Startväxelströmmen, med konstanta 60 cykler per sekund, kunde köra loket med endast en hastighet.) Här skiljer sig teknologierna dock. I ett likströmslok går likströmmen direkt till motorer som vrider på hjulen. I en växelströmsmotor går likströmmen genom en serie datorstyrda komponenter som kallas växelriktare, som kapar likström till växelström. Denna AC matas i sin tur till motorerna.

Datorchips gör AC-motorer praktiska genom att reglera strömflödet med en precision som är omöjlig på något annat sätt. Chipsen övervakar och kontrollerar likströmmen som kommer in i växelriktarna och ser till att de levererar rätt mängd AC till traktionsmotorerna. Detta är ingen liten bedrift: varje växelriktare kan kräva så många som 500 på/av-kommandon per sekund för att reglera AC-flödet. Och även om 500 kommandon per sekund kan verka föga imponerande på en dag med gigahertz-chips, är den korrekta jämförelsen inte med andra datorer utan med människor. Föreställ dig en tågingenjör som försöker göra 500 ändringar av gasreglaget varje sekund.

AC-motorer är mer robusta än sina DC-kusiner. De har genomgått brutala tester som krävde maximal kraftproduktion, ibland flera dagar i sträck. Dessa tester gick långt utöver allt som den värsta järnvägsmiljön kunde producera, och motorerna kom aldrig i närheten av överhettning, enligt Michael E. Iden, Union Pacifics generaldirektör för bil- och lokteknik. Så länge utrustningen fungerar korrekt, bör AC-motorer verkligen aldrig brinna ut, säger Iden. Många järnvägar använder till och med AC-lokkraft - istället för luftbromsar - för att hålla tåg stilla på tunga grader, säger Iden. Denna teknik, som undviker den tidskrävande processen att pumpa av luftbromsar, skulle steka en DC-motor på några minuter.

Utöver deras förmåga att dra tyngre laster, förbättrar AC-motorer den totala effektiviteten. Varje lokomotiv har kontakt med en rälsyta som inte är större än ett nickel. Den procentandel av vikten på det hjulet som omvandlas till dragkraft kallas vidhäftning. Medan de bästa likströmsmotorerna kan få en vidhäftning på cirka 30 procent, drar AC-lok fördel av exakt datorstyrning av dragmotorerna för att uppnå en vidhäftning på i genomsnitt 34 till 38 procent; varje procentenhetsökning i vidhäftning ger dragkraften för ytterligare fem fullastade kolbilar.

Göra spår

Tåg ska gå på spår såklart. Och när de väl lagts måste skenan och banden underhållas och inspekteras. Informationsteknologi spelar en förvandlande roll i denna traditionellt arbetsintensiva affär. De senaste två eller tre åren har till exempel uppkomsten av järnvägsuppriktningssystem som använder lasrar för att mäta avstånd och riktning. Datorer räknar sedan ut ett spårs korrekta krökning och höjdvinkel och matar informationen till maskiner som sätter skenan och banden på plats. Det viktiga är förmågan att mäta spårets geometri snabbt, utan att vara beroende av mänsklig syn, säger Louis Cerny, en oberoende järnvägskonsult i Gaithersburg, MD.

En särskilt tidskrävande rälsunderhållsjobb som sprider stenballast mellan spåren är också att få en spruta adrenalin. I juni levererade Herzog Contracting - ett järnvägsbyggande företag baserat i St. Joseph, MO, ett nytt barlasttåg till Union Pacific. Att lossa 60 bilar med ballast tar normalt minst två dagar; Herzogs tåg gör jobbet på 30 minuter. När tåget tjatar fram bestämmer datorer som styrs av satelliter för globala positioneringssystem vilka bildörrar som ska öppnas och hur mycket ballast som ska pumpas ut (även avbryter flödet vid vägkorsningar).

Liknande framsteg underlättar spårinspektionen. Det här jobbet var en gång området för en ensam spårvandrare, som bar några tunga verktyg, som gick längs banan för att se om det växlade, eller om spikar drogs ut eller rälsförband böjde sig för mycket. Det ultimata inom automatisk spårinspektion är ett system som levererades 1999 till Federal Railroad Administration av Plasser American, en tillverkare av inspektionsbilar, och Ensco, en tillverkare av hårdvara och mjukvara för järnvägsinspektion. Denna självgående massa av sensorer och datorer, som rullar fram i upp till 145 kilometer i timmen, genererar avläsningar av spårets skick och skickar besättningar till platsen för eventuella problem. De flesta av de stora godsjärnvägarna i USA använder antingen sådana bilar nu eller har beställt dem.

Ensco har även utvecklat fjärrövervakningssystem som kan monteras på alla rälsvagnar eller lokomotiv. Systemen, som nu används för Amtrak och flera pendeltågvägar, utvärderar kontinuerligt spåravvikelser, åkkvalitet och ett loks mekaniska hälsa. När ett problem uppstår skickar monitorerna ett larm via satellit eller markbunden trådlös länk. Detaljerad information om problemet och dess exakta plats kan sedan nås via Internet. Annan ny inspektionsutrustning använder datoriserad vision för att leta efter defekter i luftbromsslangar mellan bilar. Pulserande lasrar, som fläktar ut i en paj-skiva form, kan exakt producera en bild av hjulet eftersom det rullar-registrerar ytdefekter bättre än en erfaren inspektör kan när hjulet står stilla. Alla dessa detektorer är utformade för att rapportera problemställen till tågpersonalen eller trafikledaren innan ett litet problem växer och orsakar ett vrak.

Nedåt linjen

Med kostnaden för teknik ständigt sjunkande, kan järnvägar vara redo för ytterligare en omgång av automatisering. Den första kandidaten är en idé som järnvägar hittills har undvikit kallas positiv tågkontroll. Datorerna som styr ett loks gas och broms skulle vara utrustade med mottagare för globala positioneringssystem som talar om för dem exakt var de är och hur snabbt de kör. Modifieringen föreslogs ursprungligen som en säkerhetsförbättring, för att förhindra kollisioner: om en ingenjör rusade förbi en stoppsignal skulle systemet signalera till datorn att sakta ner eller stoppa tåget. Den applikationen lyckades dock inte vinna över järnvägarna. Det skulle ha kostat mycket pengar för en minimal säkerhetsförbättring och det var därför inte kostnadseffektivt, förklarar MIT:s Martland.

Men många järnvägstjänstemän börjar förstå affärsmotivet för positiv tågkontroll: samma teknik ger kontinuerliga uppdateringar om platsen för varje lok på järnvägen. Avancerad spårnings- och kontrollteknik finns redan på höghastighetståg för passagerare som de på linjen Boston till Washington. Tekniken är också under utveckling hos ett antal företag, främst Pittsburgh-baserade Union Switch and Signal.

Att kombinera satelliter med datorer för att styra ett tågs hastighet är bara ett steg mot helt datorautomatiserad drift. Tunnelbanor fungerar rutinmässigt på detta sätt; föraren följer med på åkturen. Men ett godståg är inte så enkelt som en tunnelbana. Ett långt tåg kan till exempel klättra en stigning och gå ner för en annan samtidigt. Och varje godståg har sina egna bromsegenskaper, som en ingenjör snabbt måste bemästra; felaktig hantering av ett tåg kan orsaka allvarliga skador, som trasiga kopplingar och kanske till och med urspårningar. Vissa järnvägar experimenterar dock med datorer som kan lära sig ett tågs egenskaper så snabbt som en ingenjör kan. Datorer har till exempel tagit kontroll över tunga malmtåg i Minnesota, fungerar effektivt och stannar smidigt vid röda signaler.

Nästa logiska steg är helautomatisk drift, med en ingenjör ombord endast som monitor. Medan tekniken för att implementera detta till stor del finns, står andra faktorer som hinder. De höga initialkostnaderna avskräcker till exempel järnvägar från att installera nya system som inte ger en uppenbar resultatfördel. Säkerhet är en annan fråga; automatiserade styrsystem måste bevisas vara extremt tillförlitliga innan de kan litas på att ersätta mänskliga operatörer, och det är inte förrän en sådan ersättning är möjlig som tekniken har mycket av en ekonomisk återbetalning.

Datoriseringen har redan gjort det möjligt för järnvägar att fungera med färre personer. Den senaste utvecklingen representerar ett angrepp på jobben för de två viktigaste personerna som kör ett tåg: ingenjören och konduktören. Och implementeringen kräver omförhandling av kontrakt med fackföreningar som representerar arbetare som nya system kan komma att ersätta.

Det ser ut som om den långa klättringen uppför Toponas-graden bara är början på en accelererande resa in i en datorautomatiserad framtid. Säger Union Pacifics Iden, Vi har precis börjat utnyttja fördelarna med teknik.

Dölj