بهينه سازي مصرف انرژي در برق مترو

فصل اول
اصول كنترل اتوماتيك قطار
(Automatic Train Control Principles)

۱-۱- سيستم علامت دهي (Signalling)
مهمترين ركن و هدف سيستم راه آهن شهري هدايت قطار و كنترل آن به طور ايمن و صحيح است.سيستمي كه اين وظيفه را بر عهده دارد به سيستم علامت دهي موسوم است.
سيستم علامت دهي كلاً در خدمت سيستم كنترل خودكار و قطار براي مسيرهاي رفت و برگشت در جهت هر مسير مي باشد بنحوي كه تمامي احتياطهاي لازم از نظر مسائل ايمني به طور كامل در بر گرفته شود و انتقال مسافرين با سهولت و آسايش همراه باشد.سيستم خودكار قطار

بايستي به طريقي عمل نمايد تا حداكثر سرعت مورد نظر را مثلاً ۱۶۰ كيلومتر در ساعت بتواند به طور مطلوب ممكن ساخته و رعايت فواصل ايمني لازم بين قطارهاي موجود در خط را در حالات مختلف تأمين نمايد.جهت طرح ريزي كلي سيستم علامت دهي رعايت اصول ذيل الزامي است.
۱- تأمين موارد ايمني حركت به ميزان صد در صد با بهره گيري از پديده اتوماسيون بمنظور تضعيف احتمال بروز خطاي انساني
۲- در نظر گرفتن نقاط ضعف و بهينه كردن سيستم و چگونگي بهره برداري از خط
۳- ميزان انعطاف پذيري و انطباق در هنگام بروز اغتشاش
۴- امكان گسترش و امتداد خط

البته ورود عواملي نظير سرعت بالاي حركت،حجم نسبتاً چشم گير جابجايي مسافر در طول مسير و نيز امكان استفاده از دو نوع قطار در سرويس روزانه (قطار عادي و اكسپرس)،سيستم علامت دهي و هدايت را بيش از پيش بسوي اتوماسيون متمايل مي نمايد.در هر حال سيستمهاي كنوني دنيا در جهت هر چه كمتر نمودن دخالتهاي انساني در برنامه هاي عادي بوده و اين وظايف عمدتاً به عهده كامپيوتر گذاشته مي شوند.در بعضي از اين سيستمها حتي در هنگام بروز اغتشاش نيز كامپيوتر راه حلهاي مناسب را انتخاب و بكار مي گيرد و دخالت اپراتور مركز به عنوان مثال محدود به تصميم گيريهاي بسيار خاص و غير قابل پيش بيني مي گردد.لذا با عنايت به مطالب فوق وظايف سيستم علامت دهي و هدايت را مي توان به سه بخش زير تقسيم بندي نمود :

۱- عملكرد خودكار قطار (Automatic Train Operation , ATO)
2- نظارت خودكار قطار (Automatic Train Supervision , ATS)
3- حفاظت خودكار قطار (Automatic Train Protecion , ATP)

در زير نظري اجمالي به اين سه گروه انداخته و در ادامه به تفصيل، آن را مورد بررسي قرار خواهيم داد :
عملكرد خودكار قطار (ATO) :
وظايف تجهيزات عملكرد خودكار قطار اجمالاً عبارتند از :
– دريافت و ارزشيابي تلگرامهاي ارسالي از تجهيزات كنار خط
– پذيرش اطلاعات مربوط به سيستم حفاظت خودكار
– شروع عملكرد خودكار از هر ايستگاه به ايستگاه بعدي
– كنترل نيروي رانش و ترمز و همچنين ترمز در نقطه هدف
– تشخيص نقطه شروع هر بلوك و يا كابل القايي
– ارسال اطلاعات عملكرد خودكار به تجهيزات نمايش علائم داخل كابين
نظارت خودكار قطار (ATS) :
وظايف تجهيزات نظارت خودكار قطار عبارتند از :

– ارسال اطلاعات قطار به مركز كنترل ترافيك
– تقليل وظايف مركز كنترل ترافيك بواسطه بهره گيري از تجهيزات محلي
– ضبط اطلاعات مربوط به عمليات
حفاظت خودكار قطار (ATP) :
وظايف عمده سيستم حفاظت خودكار قطار عبارتند از :
– نظارت و نمايش سرعت مجاز و نيز تغييرات سرعت

– اعمال ترمز اضطراري در صورت ازدياد سرعت
– صدور اجازه آغاز عمليات حركت
– رعايت فاصله زماني ايمني بين دو قطار
سيستم كنترل خودكار قطار (ATC) به طور كلي شامل وسايل و دستگاههايي است كه بخشي از آنها در داخل كابين هدايت قطار قرار گرفته و بخشي ديگر در مركز كنترل،ايستگاهها و نيز در محلهائي مشخص در طول مسير واقع مي باشند كه با خط مرتبط هستند.

۱-۲- حفاظت خودكار قطار (ATP)
اصل اساسي در سيستمهاي هدايت قطار اطمينان از ايمني حركت و مسافرين مي باشد.اين اصل در هدايت خودكار يا دستي نظارت شده رعايت مي شود.به عبارت ديگر كليه سيستمهاي هدايت حمل و نقل شهري مجهز به زير سيستم ATP مي باشند.اين زير سيستم در شرايط نرمال حركتي عمل نمي نمايد يعني عمليات هدايت بصورت خودكار يا توسط راننده انجام شده و ضرورتي براي صدور فرمانهاي ATP وجود ندارد.وظايف اين زير سيستم برقراري حفاظت در مقابل برخورد قطارهاي متوالي،برخورد قطار د ر انشعابات و حفاظت قطار در برابر افزايش سرعت است.فرمانهاي ATP روي ترمز اضطراري عمل كرده و قطار را كاملاً متوقف مي نمايد.اين زير سيستم به انضمام كليه تجهيزات آن مي بايد ايمن از خطا ( fail – safe) باشد.

۱-۲-۱- ايمني در برابر برخورد قطارهاي متوالي

در سيستمهاي بلوك ثابت از تقسيم خط به بلوكهاي معين استفاده مي شود.در سيستمهاي بلوك متحرك محل قطار جلوئي به قطار عقبي ارسال ميشود. روشهاي مختلفي براي برقراري ايمني وجود دارد.
۱- روش قديم تر و معمول تر آنست كه وقتي قطاري در يك بلوك واقع شود به بلوكهاي قبل فرمان توقف داده مي شود و قطارهاي بعدي طوري متوقف مي شوند كه فاصله حفاظتي با بلوك اشغال شده حفظ گردد. فاصله حفاظتي با در نظر گرفتن خطاهاي مجاز سيستم كنترل محاسبه ميگردد.در صورتي كه قطاري وارد اين منطقه شود به وسيله AT P متوقف خواهد شد.فاصله حفاظتي در واقع تكميل كننده سيستم هدايت بوده و ايمني حركت را بطور كامل حفظ مي نمايد.در اين روش فرمانها به صورت فركانسهاي معين در محدوده فركانسهاي صوتي از طريق ريل و به صورت القا به قطار منتقل مي شود.
۲- روش ديگر ارسال محل قطار جلوئي يا بلوك اشغال شده بوسيله تلگرام به قطار بعدي است.در اين حالت پردازشگر داخل قطار با كمك گرفتن از مشخصات شيب خط،طول و ساير اطلاعات لازم محاسبات مربوط به فاصله ترمزي را انجام داده و در صورتي كه قطار به فاصله حفاظتي وارد شود ،ATP با ترمز اضطراري ،قطار را متوقف خواهد نمود.
فاصله حفاظتي فاصله بين نقطه توقف قطار تا بلوك اشغال شده ( يا محل قطار) مي باشد.با اين روش فرمانها از طريق ريل و با فركانس حامل صوتي و يا از طريق كابل مجزا و با فركانس حامل حوالي ۳۰ تا ۷۰ كيلو هرتز به قطار ارسال مي شود.

 

۱-۲-۲- ايمني حركت در انشعابات
انتخاب مسير در انشعابات به عهده سيستم اينترلاكينگ مي باشد.وقتي مسيري برقرار شد علائم مناسب براي اجازه يا ممنوعيت عبور توسط سيستم اينترلاكينگ مشخص مي شود.اين علائم مانند آنچه در قسمت الف ذكر شد از طريق بلوكها و بصورت فركانسهاي خاص و يا از طريق تلگرامهايي به قطار مخابره مي شود.در اين حالت نيز مشابه حالت قبل ورود قطار به منطقه حفاظت شده عملكرد ترمز اضطراري را به دنبال خواهد داشت.

۱-۲-۳- ايمني در برابر افزايش سرعت
سرعت مجاز حركت قطار در هر منطقه و محل معين بوده و توسط تجهيزات كنار خط به قطار داده مي شود.با كمك گرفتن از تجهيزاتي كه براي اند ازه گيري سرعت در قطار وجود دارد سرعت حقيقي مشخص شده و با سرعت مجاز مقايسه مي گردد.در صورتي كه اين سرعت به مقدار معيني از سرعت مجاز افزايش يابد سيستم حفاظتي قطار را با ترمز اضطراري متوقف خواهد ساخت.اندازه گيري سرعت عموماً با استفاده از تعداد دور چرخ انجام مي گيرد.
در ارسال سرعت محاز به قطار از روشهاي زير استفاده مي گردد.

۱- ارسال يك سرعت مجاز براي هر بلوك توسط تجهيزات كناره راه
۲- ارسال سر عت مجاز در هر نقطه بوسيله كابل كهم در طو ل خط نصب شده است.(بيشتر در بلوك متحرك استفاده مي شود)
۳- محاسبه سرعت لحظه اي در پردازشگر داخل قطار بر مبناي تلگرافهاي دريافت شده.

حفاظت خودكار قطار (ATP) بوسيله تجهيزاتي كه به منظور حفاظت محدوده يك يا چند ايستگاه نصب مي شود انجام مي گيرد.وضعيتهاي خطرناك كه بوسيله مدارات راه ، تجهيزات اينترلاكينگ و برنامه حركت تعيين مي گردد به تجهيزات ATP فرمان مي دهد .تجهيزات حفاظت خودكار داراي دو بخش ميباشد : بخش اول، تجهيزات نصب شده در خط كه از اطلاعات مدارات راه و تجهيزات اينترلاكينگ استفاده نموده و به كمك پردازشگر مربوطه اطلاعات مورد نياز قطار (يا فرمانهاي لازم به قطار)را تعيين و از طريق فرستنده هاي مربوطه به قطار ارسال مي نمايد.بخش دوم ،تجهيزات داخل قطار مي باشد كه شامل گيرنده هاي اطلاعات،آشكار كننده و پردازشگر اطلاعات خواهد بود.

۱-۳ عملكرد خودكار قطار (ATO)
استفاده از ATO به منظور كاهش كارهاي تكراري راننده،حذف نقش كليدي وي در هدايت و تطابق بيشتر حركت قطار با موارد طراحي شده مي باشد.عدم استفاده از ATO نه ايمني حركت را دچار مخاطره خواهد نمود و نه در مقدار هدوي ( headway) تأثير مي گذارد.ولي به عنوان يك اصل پذيرفته شده و به منظور تطابق بيشتر تئوري با عمل در اكثر متروها از ATO استفاده مي گردد.عملكرد خودكار قطار مي تواند شامل موارد زير باشد :
۱- باز و بسته كردن دربهاي قطار
۲- عزيمت از ايستگاه
۳- هدايت در طول خط مطابق سرعتهاي ارسال شده
۴- توقف دقيق در ايستگاه بعدي
۵- ترمز به منظور حفظ فاصله حفاظتي از قطار جلوئي

۶- مانور قطار در انشعابات خط و ترمينالها
۷- كنترل هدايت در حالت اغتشاش به منظور رسيدن به نظم عادي
۸- كنترل هدايت به منظور صرفه جوئي در انرژي مصرفي
۹- انتخاب دربهاي سرويس در قطار

با توجه به ضرورت حضور راننده در قطار به منظور انجام وظيفه در مواقع اضطراري و به علاوه اجتناب از انتقال تصوير سكوها به مركز كنترل،بستن دربها و عزيمت از ايستگاه در اختيار راننده قرار خواهد گرفت كه پس از دريافت فرمان عزيمت از مركز كنترل انجام گيرد.به علاوه انتخاب دربهاي سرويس با توجه به شكل خط و ايستگاهها كار مداومي نبوده و ضرورتي به خودكار كردن آن نيست.
عملكرد خودكار قطار نياز به تجهيزات مناسب در خط و قطار دارد.تجهيزات لازم جهت عملكرد خودكار (ATO) در اساس مشابه تجهيزات مربوط به حفاظت خودكار (ATP) مي باشند و فرمانهاي مورد نياز به صورت فركانسهاي مختلف يا تلگرامهاي F S K به قطار ارسال مي شود.منتها اين تجهيزات خطا ناپذير نيستند.فرمانهاي مورد نياز مي تواند از طريق ريلهاي حركتي،كابلهاي مجزاي نصب شده در طول خط با حلقه هاي كوتاه نصب شده در نقاط مورد نظر ارسال گردد.ريلهاي حركتي از ايمني بيشتري برخوردار هستند در حاليكه كابلهاي نصب شده در طول خط قابليت انتقال اطلاعات بيشتري را دارند.حلقه هاي كوتاه به طور معمول از هزينه كمتري برخوردار بوده و معمولاً به عنوان مكمل سيستم انتقال مورد استفاده قرار مي گيرند.
تجهيزات خط ATO با توجه به اطلاعات دريافت شده از سيستم ATP و برنامه حركت (توقف در ايستگاه ،عزيمت از ايستگاه ،صرفه جويي در مصرف انرژي ،حذف تأخيرات و باز شدن دربهاي قطار)از طريق منطق مخصوص خود اطلاعات و يا فرمانهاي مناسب را تهيه و به قطار ارسال مي نمايد.تجهيزات داخل قطار اين اطلاعات را دريافت نموده و پس از آشكار سازي با توجه به اطلاعات دريافت شده از ATP فرمانهاي لازم را به ترمز سرويس ،موتور ،درب و كابين راننده ارسال مي نمايد.
شكلهاي ۱-۱ و ۱-۲ بلوك دياگرام تجهيزات كنار خط و قطار را نشان مي دهند.

 

۱-۴ طرق مختلف هدايت قطار
روش معمول هدايت قطار در خط بصورت خودكار ( ATO) است و دلايل آن توضيح داده شد و لي اين روش هدايت به تنهايي براي حالات مختلف بهره برداري كافي نيست.در اغلب متروها يك روش هدايت دستي با نظارت علائم وجود دارد.بطور كلي هدايت قطار به سه صورت ۱- تمام اتوماتيك (ATO) 2- نيمه اتوماتيك يا هدايت از كابين به كمك علائم كنترلي ( cab signalling)
4- كاملاً دستي انجام مي گيرد.