鉄道踏切の仕組み

鉄道の踏切はどのように機能するか

（注：この記事は上記の動画のトランスクリプトです。）

自転車や自動車、あるいは地球上のほぼあらゆる乗り物に乗ったことがあるなら、おそらく当然のこととして受け入れている事実があります。それは、停止するのにかかる時間よりも遠くまで見通せるということです。静止した危険を認識してから衝突するまでの間に、それを認識し、ブレーキをかけ、衝突を避けるために停止するのに十分な時間があります。視距離は停止距離よりも長いのです。これはほとんどばかげているように聞こえるかもしれませんが、人間が操作するほとんどすべての機械にとって、これは重要な要件です。しかし、列車にとってはそうではありません。

機関士は私たちと同じくらい遠くまで見ることができますが、満載の貨物列車の停止距離は1マイル（約1.6km）を超えることがあります。つまり、機関士が前方の線路上に何かを見つけたとしても、それはしばしば手遅れなのです。そのため、列車はこの欠点を補うために多くの安全インフラを必要とします。その一つとして、列車は道路や高速道路と交差する場合、ほとんどの場合、同じレベル（平面交差）で優先権を持ちます。自動車は待たなければなりません。そして、その優先権を強制し、衝突を防ぐために、平面交差には数多くの警告装置が使用されています。ほとんどの場合、これらの装置は列車の接近を検知し、運転手に線路をクリアするか停止するのに十分な時間を与える必要があります。これは単純に聞こえますが、それを可能にする工学は、非常に興味深いと私は思います。もちろん、説明を助けるためにいくつかのデモンストレーションも作成しました。このビデオは私の鉄道シリーズの一部ですので、もっと知りたい場合は後でチェックしてください！私はグレイディ、これはPractical Engineeringです。今日は、平面交差がどのように機能するかを探求します。

道路が鉄道線路と交差することは避けられず、すべてのケースで橋を建設することは現実的ではありません。米国だけでも、自動車と列車が同じ空間を共有しなければならない平面交差が20万カ所以上あります。貨物列車にとっての自動車は、自動車にとってのアルミ缶のようなものです。つまり、重量にはかなりの差があります。そのため、私たちは、曲がったり危険を回避したりできない列車から、運転手、自転車利用者、歩行者を安全に守る方法について多くのことを考えてきました。踏切で列車のために停止したことがあるかもしれませんが、安全機能すべてを意識的に合計したことはないかもしれません。

もちろん、列車の先頭にある機関車自体にも、ベル、明るいヘッドライト、小型の点滅するディッチライト、そして最も目立つのはけたたましいホーンなど、警告装置が備わっています。踏切での標準的なパターンは、長音2回、短音1回、長音1回です。しかし、踏切にも警告があります。パッシブ（受動的）警告装置は、接近する列車によって変化しません。これには、一時停止または譲る標識、鉄道踏切の国際的なシンボルであるクロスバック、そして線路がいくつあるかを示すプレートが含まれることもあり、1本の列車を探すべきか、それとも複数かを知ることができます。また、何が迫っているかを確実に知るために、舗装のマーキングとして別のクロスバックが含まれていることがよくあります。交通量の少ない多くの踏切には、パッシブ安全機能しかなく、運転手は列車に注意し、安全な場合に進行する必要があります。しかし、多くの踏切では、許容誤差が少なくなります。その場合にアクティブ（能動的）警告装置が設置されます。

典型的な平面交差には、列車が接近していることを示す視覚的および聴覚的な警告信号の両方があります。赤色灯が点滅し、機械的または電子的なベルが鳴り、通常はゲートが対向車線を遮断します。これは非常に単純に思えますが、タスクにはかなりの複雑さが伴い、何かがうまくいかなかった場合の結果は致命的です。そして最初の部分は、列車が来ていることを知ることです。

列車の検知は、平面信号にとって重要です（他の列車について列車に信号を送るためにも重要ですが、それは別のビデオのトピックです）。これはさまざまな方法で処理できますが、最も簡単な方法は、鋼鉄のレールと車輪自体の電気伝導性を利用することです。基本的なトラック回路は、一方のレールに電流を流し、後で説明するリレーと呼ばれるデバイスを通過させ、もう一方のレールに流します。列車が重い鋼鉄の車輪と車軸を持って現れると、トラック回路の電流に対して優先的な経路である短絡が発生します。これによりリレーが非通電状態になり、接続されているすべての警告装置または信号がトリガーされます。しかし、普通の古い図を使うのではなく、モデルのタンク車とeBayで手に入れた古い鉄道リレーがあればどうでしょうか？実際のデモンストレーションで仕組みを見てみましょう。

左側では、電源を線路に接続し、2つのレールの間に電圧をかけています。右側にはリレーを取り付けました。内部を見て、それが何をするか見てみましょう。このようなものをいじるのは大好きです。最も単純な形では、リレーは単なる電気機械式スイッチです。電気信号で何かをオンまたはオフにする方法です。コイル（下部）に電力を供給すると、電磁石として機能し、レバーを引き寄せます。レバーの反対側では、その動きがいくつかの電気接点と相互作用しているのがわかります。ここでは少し見にくいですが、これらの接点は、二次回路を制御できるスイッチのようなものです。リレーに電力が供給されるとオンになるものと、オフになるものがあります。リレーに電力が供給されるか非通電状態になると、基本的にこれらの回路のスイッチが切り替わり、ライト、ベル、ゲートアームなどのさまざまなデバイスをアクティブまたは非アクティブにすることができます。私の場合は、線路上で列車が検知されているかどうかを示すための単純なバッテリーとLEDがあります。

列車がない場合、電流は一方のレールからもう一方のレールへリレーを通過し、コイルに電力を供給してスイッチを開いたままにし、LEDは暗いままです。線路にレールカーを置くと、回路が変わります。車輪と車軸が短絡（またはシャント）を形成し、電流が流れるための低抵抗経路となり、実質的にリレーをバイパスします。リレーのコイルは非通電状態になり、スイッチを閉じ、LEDを点灯させて、近くの小さなドライバーに線路上に列車が存在することを警告します。すべては、列車が優先的な電流経路を提供することにかかっています。これは、レールに葉っぱや錆がある場合に問題となる可能性があります。頻繁に使用されている線路がいかに光沢があり、きれいかを見ることができます。1日以上列車が通っていない線路は、途中のトラック回路に影響を与える可能性のある錆を考慮して、最初の列車に速度制限を課すことがよくあります。

この単純なトラック回路が列車の存在を検知するだけで、少し複雑に見えるかもしれませんが、それはこの単純なトラック回路が問題が発生した場合にどのように機能するかによるものです。例えば、トラック回路の電源が失われたらどうなるでしょうか？リレーは非通電状態になり、最も安全な状態に戻ります。つまり、列車が線路を占有していると仮定します。レールがひび割れたり壊れたりした場合も同じです。リレーは非通電状態になり、ライトが点灯します。これはフェイルセーフ操作と呼ばれます。あるいは、エンジニアが好んで呼ぶように、「既知の状態へのフェイル」です。何かがうまくいかなくなった場合、列車が接近している可能性があるため、列車が接近しているとデフォルトで仮定したいのです。フェイルセーフ操作はトラック回路だけでなく、警告装置にも及びます。ゲートは動力ブレーキで積極的に保持されています。電源が失われると、重力だけで落下します。そして、ベルやライトは通常、数時間または数日間持続できるバッテリーバンクによって電力が供給されています。ほとんどの最新の列車検知システムはより洗練された機器に移行しましたが、リレーはその信頼性から世界中で依然として使用されています。実際、これは非常に故障しにくい多くの機能があるため、「重要な」リレーと呼ばれています。それがゆっくりと動作するため、列車が線路をシャントする際の必然的にノイズの多い信号が、それを繰り返しオンオフできないようになっています。アームチュアは、スプリングが壊れた場合でも非通電状態を想定します。接点は、溶接されないように特殊な素材を使用しています。そして、数十年持続するように、非常に堅牢で頑丈です。

列車が接近していると仮定することが問題管理において最も安全な方法であるとしても、それ自体に課題がないわけではありません。警告装置は信頼に依存しており、それは運転手に求めるには非常に頼りない自信です。私たちは自動化された機器に対して自然に疑いを持っています。平面交差が作動しても列車が来ないたびに、その信頼は損なわれ、運転手はゲートを迂回する可能性が高まります。したがって、フェイルセーフだけでは不十分です。失敗がまれであることを確認する必要があります。水、植物の成長、または破片を通して線路間で漏れる電流は、警告装置を誤ってトリガーする可能性があります。そのため、鉄道会社は線路を清潔に保ち、線路の下の粗い砂利（バラストと呼ばれる）が自由に排水されて水が溜まらないようにするために多くの時間を費やしています。さらに、保守作業員は線路に電流をシャントすることで手動で装置をトリガーできますが、これは道路交通への影響を避けるためにまれに行われます。

しかし、この単純なトラック回路の欠点に気づいたかもしれません。もし気づかなければ、私が指摘しましょう。それはすべて境界線の設定に関係しています。回路がどちらかの側の踏切に近い場合、警告時間はありません。列車が検知されるまでに、運転手は交差点をクリアしたり、停止したりすることができなくなります。しかし、回路が踏切のかなり先まで伸びていて十分な警告時間を与える場合、運転手は列車が通過した後も、線路回路から外れて警告装置がオフになるまで、しばらく待たなければなりません。そのため、単一のトラック回路ではなく、ほとんどの踏切は3つを使用します。2つのアプローチと1つのアイランドです。デモンストレーションで仕組みを見てみましょう。

今、私は3つのトラック回路をセットアップし、それぞれに電力を供給しています。回路間の意図しない接続を避けるために、レールは小さなギャップで分離されています。実際の鉄道では、トラック回路を分離するために使用される絶縁ジョイントをよく見かけることがあります。絶縁材がレールの形状と一致している場合、区別が難しいことがありますが、見つけやすいように塗装されていることがよくあります。3回路構成では、警告装置をいつオンにし、いつオフにするかを決定するために、ある程度のロジックが必要です。そのため、土木技術者のコーディングスキルを持っているにもかかわらず、Arduinoマイクロコントローラーを使用してこのデモンストレーションをまとめました。鉄道模型愛好家はきっと頭を振っているでしょう。列車を線路上に転がすと、どの回路が列車の存在を検知しているかを示すLEDが見えます。アプローチからアイランド、そしてもう一方のアプローチまで。そして、ロジックの仕組みは次のとおりです。

どちらかのアプローチ回路で列車が検知されると、すぐに警告装置が作動します。ライトが点滅し、ベルが鳴り、ゲートが下がります。列車が踏切に向かって進み続けると、アイランド回路でも検知されます。回路は実質的に警告装置の制御を引き継ぎます。列車がアイランド回路を占有している限り、それらはオンのままになります。しかし、アイランドが空き次第、警告装置はオフになります（アプローチ回路のいずれかがまだ列車を検知していても）。少しのロジックで、列車が交差点に到着する前に運転手に警告時間を与えることができ、列車が通過した後もゲートの後ろに閉じ込められるのを防ぐことができることがわかります。しかし、警告時間はどれくらいあれば十分でしょうか？

米国では、最低要件は警告装置の作動と列車の到着の間で20秒ですが、通常は30秒または45秒が見られます。警告時間が長いほど良いと思うかもしれませんが、それはバランスです。警告時間が長すぎると、運転手が我慢できなくなってゲートを迂回する可能性があるため、時間が長いほど踏切は安全でなくなる可能性があります。デモンストレーションの3回路の例では、警告時間を制御できるのはアプローチ回路を開始する場所だけです。踏切から遠く離れた場所から始まると、警告時間が長くなります。しかし、正確な時間は列車の速度に依存します。アプローチは所定の位置に固定されているため、遅い列車は多くの警告時間を提供し、速い列車はより少ない時間を提供します。そして、アプローチ回路で踏切に到達する前に停止した列車は、ゲートを無期限に保持します。したがって、平面交差の複雑さの次のステップは、速度を考慮することです。

Arduinoに小さな音響距離センサーを取り付け、接近してくる列車の速度を推定しようとしています。大きな厚紙の切り抜きは、センサーが列車をよりよく「見る」のに役立ちます。Arduinoは時間をかけて距離を測定し、それを近似速度に変換し、列車が踏切に到着するのにかかる時間を推測します。予想される到着時間がプログラムした警告時間よりも長い場合、何も起こりません。しかし、警告時間内に到着が予想される場合、装置が作動します。

私が交差点にゆっくり近づくと、ゲートは私が踏切に比較的近いまで作動しません。そして、私がスピードを上げると、ゲートは私が遠くにいるときに作動し、列車の速い到着を予測します。理論的には、この種の洗練さは、列車の速度に関係なく、踏切での警告時間は常に同じであることを意味します。しかし、それはその問題だけを解決するわけではありません。アプローチ回路で停止した列車が踏切で待っている間に、その引き起こす不満を知っているでしょう。平面交差予測装置は、その問題を回避します。列車を交差点に向かって動かすと、列車が交差すると仮定して装置が作動するのがわかります。しかし、私が手前で停止すると、予測される到着時間は事実上無限大になり、コントローラーはゲートを再び開きます。

もちろん、実際の踏切はソナーを使用して列車の速度を予測するわけではありません。ほとんどの場合、交流（AC）トラック回路を使用します。列車は、レールに沿って移動する際に回路の周波数と相互作用し、センサーに存在と速度を検知するのに十分な情報を提供します。それらはしばしば可聴範囲にあるため、これらの周波数を耳にすることができる場合もあります。ACトラック回路は、列車を駆動するためにレールで使用される牽引電流からの干渉を受けにくいため、電気鉄道システムでも使用されます。

平面交差におけるもう一つの課題は、信号機付きの交差点が鉄道の近くにある都市部で発生します。赤信号は、線路を横切って渋滞する車両の列を形成します。反対側がクリアであることを確認するまで、鉄道を運転してはいけません。しかし、注意を払っていないと、利用可能なスペースを誤って判断し、意図せず線路の上に停止してしまうことがあります。平面交差の近くの交通信号は、通常、自動警告装置と連携しています。列車が接近している場合、信号は線路を塞いでいるキューをクリアするために青になります。

最も基本的なトラック回路から最も洗練されたものまで、リレー、マイクロコントローラー、バックアップバッテリーなどを含む機器は、通常、見つけやすい近くのバンガローまたはキャビンに収容されています。米国では、すべての平面交差に固有の識別子があり、何かが正しく機能していない場合に呼び出すための電話番号がすべて記載されています。鉄道会社は報告を真剣に受け止めるので、何かおかしいと思ったら電話してください。これらの平面交差システムの多くが実際に機能しているのを見たい場合は、私の友人ダニーのチャンネル、Distant Signalをチェックしてみてください。そこには最高の鉄道ファンのビデオがあります。私たちは多くのことのために列車に依存しており、多くの人が言うように、私たちの生活にはもう少し列車があっても良いかもしれません。それらがもたらす危険にもかかわらず、列車は他の交通手段と共存しなければなりません。次にクロスバックに近づいたら、平面交差が私たちを安全に保つ、時にはシンプルで、時にはハイテクで、しかし常に非常に信頼性の高い方法に感謝する時間を取りましょう。