Går det att bygga avancerade och säkra signalsystem utan datorer? Inga datorer? Det är inte att rynka på näsan åt. Det är systemtänket som räknas, inte exakt med vilken maskinvara man genomför det. Fram till för några år sedan kördes alla svenska kärnkraftverk på rackar med reläer, inte datorer. Man vågade helt enkelt inte lämna över en så viktig styruppgift till något som kunde krascha. Den enda dator som fanns var den sk blockdatorn som samlade in mätdata och andra fakta från verket, så man kunde studera till exempel ett snabbstopp i efterhand. Jämför gärna med TIS-datorn i det här systemet.


Ett relärum, en levande algoritm. Man går in mitt i härligheten och kan stå där och blunda och höra hur tågen löper fram och tillbaka. ”Schwock” slår ett spårledningsrelä till, och ticke-ticke-tick så reagerar andra delar av logiken.

Vi gav oss in i det allra heligaste i Stockholms tunnelbanas Blå linje: relärummen. Vi kom in inuti en levande, aktiv algoritm. Man ser den leva genom att reläerna rör sig i rackarna och hör dem klicka och rassla. Algoritmen är uppbyggd av ett antal delalgoritmer som man också kan se och känna på, som samverkar genom hårda ledningar som man kan se och följa. Artikeln beskriver logiken för Västra Skogens station, eller rättare ”relärumsområde” som omfattar spåren halva vägen till nästa station/relärumsområde. Dessutom är logiken otroligt vacker. (Vadå, jag nörd?)

Att automatiskt framföra tåg säkert



Så här kommunicerar styrlogiken för en tunnelbanestation med sina periferienheter, nämligen med en ledning till varje. Algoritmen finns i stationslogiken och kan egentligen gå av sig själv. Kommunikationsdelen ser också ut som en rad reläer, som slavar ut signaler från algoritmen till de som behöver dem, som stationerna runt omkring. Samtidigt kommer det in signaler (ex. lagda tågvägar) från stationerna runt omkring, som slavas in i algoritmen. Vid just den här stationen befinner sig också trafikledningscentralen, som får ett hundratal kablar med signaler. Några datorer finns faktiskt, till exempel Trafikinformationssystemet TIS, som i princip bara snokar på reläerna, vars tillstånd ligger till grund för beräkningar mot tidtabellen om förseningar och liknande. Den operatör som ägnar sig åt eldrift intresserar sig för larm i systemet SNOK från traktionsspänningssystemet och funderar på vad som ska ske om spänningen plötsligt faller i från. Andra arbetsstationer kan hantera olika larm från stationerna, LIS, som trasiga hissar, rulltrappor mm, som föranleder ingrepp av en reparatör.

När ett tåg ska fram på en bana finns det ett bakomliggande styrsystem som ser till att det är möjligt utan fara. Säkerhetssystemet är en state machine, något som utförs lika bra med reläer, OCH- och ELLER-grindar eller ett datorprogram, som bildar ett logiskt komplex som ger en viss uppsättning utsignaler för en viss uppsättning insignaler. Ändrar man någon av insignalerna ändras utsignalerna enligt den uppsatta algoritmen. Notera att tåget är en del av algoritmen.

Systemet undersöker korsande banor för att se att de är fria och låser tågvägen (den önskade vägen framåt) genom att sätta upp röda signaler för all annan trafik, signaler som samtidigt utgör kommandon till andra delalgoritmer. Samtidigt kontrollerar systemet med vilken fart tåget kan framföras på den låsta tågvägen med tanke på kurvor, lutningar, samt övriga tidsbestämmelser, säkerhetsavstånd mm.


Spårledningsreläet är grundstommen i all tågstyrning. Detta relä blir strömlöst och faller när tåget kortsluter mellan rälerna. Reläet är en av insignalerna i algoritmen. Det fungerar med virvelströmseffekt och vrider en liten aluminiumskiva precis som den snurrande skivan i elmätaren, eftersom spårledningen indikeras med 75 Hz växelspänning. Skivan manövrerar ett antal kontakter. Det innebär att reläet bara fungerar med 75 Hz växelspänning vilket är en grundläggande åtgärd för att eliminera störningar från spänningsspikar, likspänning och 50 Hz.

Banan undersöks genom sk spårledning. Systemet lägger ut en skillnadsspänning (spårfas) mellan rälerna och undersöker hela tiden om spänningen finns eller om ett tåg kortsluter mellan rälerna. Båda rälerna är genomsågade var 200:e meter och bildar isolerade sektioner som kan detektera tåg. Hastighetsbesked ges genom spåret och gäller alltså i intervall om 200 meter.



Spårledningsprincip: Det här är affärslogiken, mycket robust uttryckt. Vad gör algoritmen egentligen? Den undersöker om det finns faror runt omkring den tågväg den hanterar, i form av låsta tågvägar, som det kan komma andra tåg på. Om det inte finns det signalerar den full fart (180-kod). Finns det en röd signal i slutet av tågvägen, för att ett framförvarande tåg just lämnat denna blocksträcka, signalerar den mellanfart (75-kod via signalreläet). Finns det låsta tågvägar runt omkring signalerar den lågfart (spårledningsreläer 1-2-3). Att tåget kortsluter mellan rälerna spelar ingen roll. Innevarande spårledningsrelä faller, men signaleringsströmmen tar vägen genom första hjulaxeln istället och kan ändå detekteras av antennerna.


Här ser du en delalgoritm, en logisk funktion, nämligen de reläer som på ett säkert sätt styr och drar en växelmotor. Man kan inte bara flytta på växeln, utan algoritmen måste kontrollera att det är tillåtet. På samma sätt får man inte släppa växeln bara för att tåget passerat. Tidreläet (pilen) väntar en minut, för att man ska vara säker på att tåget passerat.


Det här ser väl ut som vilken bättre datorhall som helst?

Genom att se på signaler och hastighetstavlor ska föraren inse begränsningarna själv, men skulle han brista i uppmärksamhet finns det en andra algoritm ovanpå den första som skickar ut hastighetsbesked till tåget så att det inte kan överskrida tillåten hastighet. I annat fall bromsar tåget automatiskt med färdbromsen. Det är inte ens tekniskt möjligt att bryta mot den andra algoritmen och utsätta tåget för fara.

Systemet har tre hastighetsbesked, nämligen 80, 50 och 15 km/t. Notera att systemet inte kan bromsa ned tåget till noll, med mindre än att den vanliga färdbromsen inte fungerar. Då nödbromsas tåget. Systemet känner inte till tågets hastighet utan ger bara absoluta besked som inte får söverskridas.


Ställverkstavlan visar alla uppsatta tågvägar med vita lampor och alla upptagna dito med röda lampor. På så sätt kan man se tågens framfart genom Stockholms undre värld. Eftersom logiken en våning ned är uppkopplad med en standardtågväg för hur varje tåg bör röra sig, ställer logiken själv upp tågvägar och låser dessa. Operatören behöver inte göra särskilt mycket, utom under ombyggnasarbeten och annat som inte är inlagt i algoritmerna. Då måste växlar mm läggas om för hand, med alla de härliga, blanka omkopplarna på panelen. Vi talar trots allt om en state machine från 1950-talet. Alla programändringar får företas med lödkolv.

Om föraren bara sköter sig och efterlever signalsystemets order, behöver säkerhetssystemet aldrig ingripa. Det är en önskedröm. Om du suttit i tunnelbanan och känt de plötsliga, våldsamma inbromsningarna, har du redan märkt av den saken.

Signaler kan bara begränsa ett tågs framfart. Det finns ingen signal som tvingar iväg ett tåg från en station, utan föraren kör efter tidtabell. Skulle han inte köra får man ta den saken per radio.

Tågskydd fungerar genom att man samlar in en mängd enkla upplysningar om var tåget finns, var andra tåg finns, olika växlars lägen, och sammanställer dessa i ett antal i sig själva mycket enkla algoritmer, som när de samverkar resulterar i en säker tågväg och en säker hastighet.


Styrpanelen i ett modernt C20-tåg. Säkerhetssystemet visas bara som tre flaggor i hastighetsmätaren (pilen) som fälls in på order av hastighetsbeskedet som fångas upp från banan. Flaggorna visar högsta tillåtna hastighet, nämligen 15, 50 och 80 km/t. Närmar sig hastigheten en flagga på skalan får föraren en varning och skulle farten redan vara för hög, bromsas tåget. Det finns ingen flagga för noll. Systemet kan inte ge besked om stopp, utan det anförtros föraren att göra själv. 15 km/t anses tillräckligt lågt för att inte orsaka fara. När min guide startar tåget blinkar Windows startskärm för ett ögonblick förbi. Jag ryser till, men beslutar att inte visa detta för de inblandade.

Det fina med kontinuerligt signalbesked

Tunnelbanans säkerhetssystem är av en annan typ än Banverkets. Tunneltågen får signal hela tiden från spåret, medan loken på järnvägen bara får punktformiga besked, vid baliserna. Ett av de svåraste problemen med punktformiga system är att om balisen indikerat röd signal och tåget börjat bromsa, kan signalen ha blivit grön när tåget hunnit fram till denna. Då har man förlorat tid. Med tunnelbanans kontinuerliga system kan tågen därför packas tätare.



Hastighetsbeskeden består av 3 volt 75 Hz mellan rälerna. Så länge inget tåg finns som kortsluter lägger systemet ut 75 Hz kontinuerligt. När ett tåg detekteras, läggs hastighetsbeskedet ut i form av olika typer av sönderhackad spänning. Den här typen av signalering är mycket svår att störa och ta fel på. 75 Hz-en skapas av en roterande omformare, en ordentlig järnklump som inte går sönder i första taget.


Det sitter en antenn på varje sida om tåget framför framhjulen. Avsikten är att plocka upp signalspänningen innan den kortsluts genom första hjulaxeln.

Idén med ett säkerhetssystem är naturligtvis att det ska vara säkert. ”Säkert” i det här fallet innebär att systemet aldrig stannar och att det aldrig förlorar kontakten med tågen, och om det gör det ska det bli stopp i trafiken omedelbart

Varje station har därför reservkraft. Normalt matas reläerna med 220 volt, och varje station har både inkommande kraft från två håll, och en dieselgenerator som driver logiken och viss nödbelysning osv.

Traktionskraft

Traktionsspänningen är 700 volt och matas ut från ett antal likriktarstationer längs med banan. Primnärspäningen på 33 kV leds också lä’ngs banna och tappas av på lämpliga ställen. Spänningen likriktas och matas ut genom ett antal linjebrytare, så man kan stänga av vissa sektioner för service och ändå ha spänning på, på andra ställen. Skulle en sektion råka bli strömlös av en annan anledning finns frånskiljare till nästa sektion, så man kan ta kraft därifrån. Eftersom spårledningsfunktionen kräver 3 volts spänning mellan spåren, tas traktionsströmmens retur ut på mittuttaget på en stor induktans, som 75 Hz-en inte kan passera. Likspänningsmässigt kopplar man ihop flera itusågade spårsektioner via induktanser på samma sätt. Ett tåg drar 1 MW vid acceleration, så det kan bli avsevärda strömmar.

Framtiden

Undertecknad är övertygad om att hela Blå linjen utan vidare skulle kunna köras på en enda PC. Ett beslut om att sätta upp en tågväg kan inte bli mer än ett par-tre programrader. PC:n skulle ha en kapacitet som vida överstiger alla relärum i hela tunnelbanan. Men det behövs inte. Det fungerar så bra med reläer från 50-talet. Det har aldrig uppstått en enda olycka, om man bortser från problemet med obehöriga i tunnlarna, vilket maskiner tyvärr aldrig kan klara av.

Trots att systemet är så gammalt att det snart inte finns några reservdelar kvar, så fungerar det alldeles utmärkt. Det är en algoritm som ständigt finns där och aldrig kan krascha. Det viktiga är inte hur algoritmen är realiserad, utan att den är tillräckligt driftsäker. Beklagligtvis ska Blå linjen i en kommande upphandling datoriseras, bland annat för att medge förarlösa tåg. Vi kan bara beklaga att så vacker teknik går i graven.

Säkerhetssystemets fem fördelar

>> Systemet ser till att hålla tågen på säkert avstånd från varandra och begränsar hastigheterna till säkra värden på banans alla delar.
>> Logiken kan själv ställa upp säkra tågvägar och förhindra att andra tåg kommer in på dessa.
>> Systemets order kan inte förbigås på något enkelt sätt.
>> Ett system med kontinuerligt signalbesked medger att tågen kan packas tätare än Banverkets ATC-system med punktformig information (baliser).
>> Reläsystem är absolut EMI/EMC/EMP-säkra.

Så går du vidare

SL hittar du på www.sl.se
Banverkets ATC-system skildras i artikeln: http://techworld.idg.se/2.2524/1.160472