Ferrovia Digitale

Nessuno aveva intenzione di fare la storia della ferrovia il 5 maggio 1998. È solo che c'era una carenza di locomotive a Phippsburg, CO. Invece delle solite cinque locomotive, solo quattro erano disponibili per tirare un treno a carbone da 108 vagoni su Union Pacific Il ripido grado Toponas della ferrovia sul versante occidentale delle Montagne Rocciose. Quello che seguì è, tra i costruttori di locomotive, leggendario.

Le locomotive erano nuovissime colossi della General Electric con una svolta: i loro motori di trazione funzionavano a corrente alternata anziché a corrente continua. Quel giorno, salendo il grado Toponas, i treni rallentarono fino a sei metri al minuto appena percettibili. Nessun ingegnere che si rispetti avrebbe tentato un trucco così avventato con i convenzionali motori a corrente continua: le ruote sarebbero scivolate, il treno si sarebbe fermato e i motori stessi sarebbero stati fritti come un uovo. Ma nessuna di queste cose è successa. In effetti, indagini successive hanno mostrato che le locomotive avevano prodotto più potenza di trazione di quanto si ritenesse possibile a quella velocità. Questa impresa di forza ha avviato una trasformazione radicale della ferrovia, una rivoluzione che deriva direttamente dai progressi della tecnologia dell'informazione.

Questa storia faceva parte del nostro numero di marzo 2002

• Vedi il resto del problema
• sottoscrivi

Tecnologicamente parlando, è difficile trovare qualcosa nella ferrovia che non sia cambiato nell'ultimo decennio. Dozzine di microprocessori nelle locomotive diesel odierne gestiscono quasi tutti i loro sistemi, dall'alimentazione del carburante all'aria condizionata in cabina. Le linee polari che un tempo passavano davanti ai finestrini dei treni passeggeri in corsa stanno scomparendo a favore delle comunicazioni a microonde o in fibra ottica. Nuovi sistemi sperimentali di controllo e dispacciamento potrebbero presto dire agli ingegneri se stanno utilizzando le impostazioni dell'acceleratore più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante.

Dicono treni alla maggior parte delle persone e pensano alla varietà dei passeggeri. Ma negli Stati Uniti le ferrovie con il maggior impatto economico sono quelle che trasportano merci. Le ferrovie trasportano il 25% delle merci statunitensi. Sono facilmente il modo più efficiente per spostare carbone, cereali e prodotti chimici sfusi. Ma le compagnie ferroviarie hanno da tempo una sorta di rapporto di amore-odio con la tecnologia all'avanguardia. Abbandonarono solo le locomotive a vapore alimentate a carbone, ad esempio, quando la General Motors sviluppò il motore diesel-elettrico e diede dimostrazioni alle ferrovie di tutto il paese negli anni '40. E anche allora, molte ferrovie sono rimaste bloccate per anni.

Tuttavia, nell'ultimo decennio, le ferrovie sono state impegnate nella loro versione di una rivoluzione dell'informazione. La combinazione di computer e sistemi wireless offre alle ferrovie una maggiore capacità di servizio ai clienti e un migliore controllo delle spedizioni e dei costi, nonché l'eliminazione di eserciti di impiegati. Charles Dettmann, vicepresidente esecutivo per operazioni, ricerca e tecnologia presso l'Associazione delle ferrovie americane con sede a Washington, DC, sostiene che la competitività delle ferrovie, forse anche la loro esistenza, dipende dal loro uso delle tecnologie dell'informazione.

Le compagnie ferroviarie sono molto difficili da vendere. Di solito sono nella posizione di spingerli più lontano di quanto vogliano, afferma Carl D. Martland, ricercatore associato presso il Center for Transportation Studies del MIT e consulente per l'industria ferroviaria. Insistono nel sapere che ci sarà un vantaggio in termini di produttività e andranno solo fino a quando quel beneficio li porterà. Hanno fatto un ottimo lavoro nel dire: Questa tecnologia mi serve a qualcosa?'

Modellismo ferroviario

Solo due decenni fa, il bacino del fiume Powder, nel Wyoming orientale, era un entroterra arido e senza alberi, con poche persone e nessuna industria. Ma la regione aveva qualcosa di cui all'inizio degli anni '90 gli Stati Uniti avevano improvvisamente bisogno: molto carbone a basso contenuto di zolfo e relativamente pulito. In effetti, sotto il terzo orientale del Wyoming si estende uno spesso filone di carbone. E l'unico modo pratico per spostare così tanto carbone fuori dal remoto bacino del fiume Powder è il treno.

Le due ferrovie che servono l'area, Union Pacific e Burlington Northern Santa Fe, hanno speso più di 5 miliardi di dollari per costruire il più grande e moderno sistema ferroviario industriale del paese. Spinta dall'inasprimento delle normative sull'inquinamento atmosferico, la domanda di carbone a basso contenuto di zolfo sta ora esplodendo oltre i sogni più sfrenati di chiunque; una sezione della linea è diventata il primo tratto di ferrovia della storia a sostenere più di un miliardo di chilogrammi al giorno.

E poiché la ferrovia e le miniere sono nuove, l'operazione di Powder River fornisce una lavagna pulita per la creazione dell'operazione più efficiente possibile, senza il peso delle vecchie infrastrutture e della tecnologia obsoleta che le ferrovie hanno spesso mantenuto in funzione. Da nessuna parte si vedono gli operai che una volta faticosamente copiavano tutti i numeri delle auto e li inviavano via fax al quartier generale. Quando ogni treno vuoto entra nella miniera e ogni treno carico parte, gli scanner leggono i tag di identificazione automatica, registrando ogni numero di auto e riportando i dati all'Harriman Dispatching Center di Union Pacific a Omaha, NE.

L'Harriman Center è il cuore di uno sforzo ambizioso per dirigere un intero sistema ferroviario da una posizione centrale, per inviare i treni utilizzando un programma per computer che sceglie i punti in cui si incontrano o passano. Il sistema Harriman controlla il traffico su oltre 27.000 chilometri di binari dell'Union Pacific in 23 stati - anche se gli spedizionieri umani possono intervenire in qualsiasi momento se non sono d'accordo con le scelte del computer - e consente il coordinamento, giorni prima del tempo, dei movimenti sul intera ferrovia piuttosto che su una singola linea o divisione.

I treni vuoti entrano nel silo contenente carbone del bacino del fiume Powder sotto l'equivalente ferroviario del cruise control. I treni si insinuano a circa 1,5 chilometri all'ora, velocità che solo l'ingegnere più abile potrebbe eguagliare a mano. Scivoli di carico computerizzati riempiono ogni auto con il peso previsto di carbone-100.000 chilogrammi, con una precisione di circa lo 0,2 percento. Un treno può essere riempito di carbone in 45 minuti, ovvero circa il doppio della velocità che i precedenti caricatori automatici potevano gestire.

Mentre i treni a carbone partono dai campi di Powder River, le locomotive parlano costantemente con il quartier generale della Union Pacific a Omaha. Il flusso di dati fornisce una narrazione in corso delle condizioni del treno, come riportato da una serie di sensori che monitorano, ad esempio, la pressione dell'olio, la temperatura di esercizio, la potenza erogata e il tasso di consumo di carburante. Ai vecchi tempi (diciamo, all'inizio degli anni '90), gli ingegneri sapevano che qualcosa non andava in una locomotiva solo quando era già in seri problemi. In quel momento suonavano i campanelli d'allarme, o il motore si spegneva improvvisamente o iniziava a fumare. Union Pacific sta dotando la sua intera flotta di computer di bordo che tracciano costantemente la posizione e lo stato di salute delle locomotive, quindi segnalano queste informazioni a un banco di manutenzione presso la sede centrale.

Una volta equipaggiata la flotta, una determinata locomotiva segnalerà al centro di Omaha che ha un problema molto prima che lo comunichi all'ingegnere. I sensori di solito dovrebbero rilevare i problemi per centinaia o migliaia di chilometri prima che diventino abbastanza gravi da consentire all'ingegnere di occuparsene. L'informazione che un motore utilizza il 15% in più di carburante rispetto al normale, ad esempio, è di scarsa importanza per l'ingegnere ma di grande interesse per i tecnici di manutenzione che controllano la locomotiva.

Installare computer sulle locomotive non è esattamente come metterle nell'ambiente controllato di un ufficio. Sporcizia, vibrazioni ed estremi di caldo e freddo fanno parte delle operazioni ferroviarie quotidiane. La Union Pacific ha sperimentato per mesi vari tipi di supporti antiurto e materiale per il controllo delle vibrazioni. Secondo il chief technology officer Lyden Tennison, le lezioni sono state tratte da un'altra impresa che sa un paio di cose sull'adattamento di apparecchiature high-tech a condizioni inospitali. Abbiamo imparato molto dai militari, dice. I tecnici delle locomotive all'inizio furono divertiti, ad esempio, nell'apprendere che i militari mantenevano i processori collegati alle loro prese sotto costante vibrazione legandoli con il filo interdentale. Divertito, ma impressionato: Union Pacific ha adottato questa soluzione.

AC/DC

Per tutta l'era del diesel, le locomotive hanno funzionato secondo un semplice principio: un motore diesel azionava un generatore che produceva corrente elettrica alternata, che veniva poi convertita in corrente continua per azionare i motori di trazione che azionavano gli assi. Il balzo in avanti che ha reso possibile il raggiungimento del grado Toponas è dipeso da un cambiamento fondamentale nella tecnologia durante gli anni '90 dai motori CC ai motori CA. Questo cambiamento è stato reso possibile dalla disponibilità di microprocessori veloci ed economici.

L'energia sia per una locomotiva DC che per una locomotiva AC inizia il suo percorso verso le ruote allo stesso modo. In entrambi i tipi, un motore diesel fa girare un generatore che produce corrente alternata, che viene poi convertita in corrente continua. (La corrente alternata iniziale, a 60 cicli costanti al secondo, potrebbe far funzionare la locomotiva a una sola velocità.) Qui, tuttavia, le tecnologie divergono. In una locomotiva DC, la potenza DC va direttamente ai motori che fanno girare le ruote. In un motore a corrente alternata, la corrente continua passa attraverso una serie di componenti controllati da computer chiamati inverter, che tagliano la corrente continua in corrente alternata. Questa AC è a sua volta alimentata ai motori.

I chip per computer rendono pratici i motori a corrente alternata regolando il flusso di potenza con una precisione impossibile con qualsiasi altro mezzo. I chip monitorano e controllano la corrente continua che entra negli inverter e si assicurano che forniscano la giusta quantità di corrente alternata ai motori di trazione. Non è un'impresa da poco: ogni inverter può richiedere fino a 500 comandi on-off al secondo per regolare il flusso di corrente alternata. E mentre 500 comandi al secondo possono sembrare insignificanti in un giorno di chip gigahertz, il confronto corretto non è con altri computer ma con esseri umani. Immagina un macchinista che prova a fare 500 cambi nella posizione dell'acceleratore ogni secondo.

I motori AC sono più robusti dei loro cugini DC. Sono stati sottoposti a test brutali che hanno richiesto la massima produzione di energia possibile, a volte per giorni e giorni. Questi test sono andati ben oltre qualsiasi cosa il peggior ambiente ferroviario possa produrre e i motori non si sono mai avvicinati al surriscaldamento, secondo Michael E. Iden, direttore generale dell'ingegneria automobilistica e delle locomotive di Union Pacific. Finché l'apparecchiatura funziona correttamente, i motori a corrente alternata non dovrebbero mai bruciarsi, afferma Iden. Molte ferrovie utilizzano persino l'energia della locomotiva a corrente alternata, anziché i freni ad aria compressa, per mantenere fermi i treni su pendenze pesanti, afferma Iden. Questa tecnica, che evita il lungo processo di pompaggio dei freni ad aria compressa, friggerebbe un motore CC in pochi minuti.

Oltre alla loro capacità di trainare carichi più pesanti, i motori CA migliorano l'efficienza complessiva. Ogni ruota della locomotiva entra in contatto con un'area di rotaia non più grande di un nichelino. La percentuale di peso su quella ruota che viene convertita in forza di trazione è chiamata aderenza. Mentre i migliori motori a corrente continua possono raccogliere un'adesione di circa il 30 percento, le locomotive a corrente alternata sfruttano il controllo preciso del computer dei motori di trazione per ottenere un'adesione media dal 34 al 38 percento; ogni punto percentuale di guadagno in aderenza fornisce la forza di trazione per cinque ulteriori carri a carbone a pieno carico.

Fare tracce

I treni devono circolare sui binari, ovviamente. E una volta posati, il binario e le traversine devono essere mantenuti e ispezionati. La tecnologia dell'informazione sta svolgendo un ruolo di trasformazione in questo affare tradizionalmente ad alta intensità di lavoro. Gli ultimi due o tre anni, ad esempio, hanno visto l'avvento di sistemi di allineamento ferroviario che utilizzano i laser per misurare la distanza e la direzione. I computer quindi calcolano la curvatura e l'angolo di elevazione corretti di un binario e inviano le informazioni alle macchine che mettono in posizione il binario e le traversine. La cosa importante è la capacità di misurare rapidamente la geometria dei binari, senza dipendere dalla vista umana, afferma Louis Cerny, un consulente ferroviario indipendente a Gaithersburg, MD.

Anche un lavoro di manutenzione ferroviaria che richiede molto tempo, ovvero la distribuzione della massicciata di roccia tra i binari, sta ottenendo una scarica di adrenalina. A giugno, Herzog Contracting, una società di costruzioni ferroviarie con sede a St. Joseph, MO, ha consegnato un nuovo treno di zavorra alla Union Pacific. Lo scarico di 60 auto di zavorra richiede normalmente almeno due giorni; Il treno di Herzog fa il lavoro in 30 minuti. Mentre il treno avanza, i computer guidati dai satelliti del sistema di posizionamento globale decidono quali portiere aprire e quanta zavorra pompare fuori (anche interrompendo il flusso agli incroci stradali).

Progressi simili stanno aiutando l'ispezione dei binari. Questo lavoro era una volta il dominio di un solitario trackwalker, che trasportava alcuni attrezzi pesanti, che camminava lungo il binario per vedere se si stava spostando, o se i chiodi si stavano staccando o i giunti dei binari si flettevano troppo. Il massimo dell'ispezione automatizzata dei binari è un sistema consegnato nel 1999 alla Federal Railroad Administration da Plasser American, un produttore di carrozze di ispezione, e Ensco, un produttore di hardware e software per l'ispezione delle ferrovie. Questa massa semovente di sensori e computer, che viaggia fino a 145 chilometri all'ora, genera letture delle condizioni del binario e invia gli equipaggi alle posizioni di eventuali problemi. La maggior parte delle principali ferrovie merci degli Stati Uniti utilizza questi vagoni ora o li ha ordinati.

Ensco ha anche sviluppato sistemi di monitoraggio remoto che possono essere montati su qualsiasi vagone ferroviario o locomotiva. I sistemi, ora in servizio per Amtrak e diverse ferrovie per pendolari, valutano continuamente le anomalie dei binari, la qualità della corsa e la salute meccanica di una locomotiva. Quando si verifica un problema, i monitor inviano un allarme tramite collegamento wireless satellitare o terrestre. È quindi possibile accedere a informazioni dettagliate sul problema e sulla sua posizione esatta tramite Internet. Altre nuove apparecchiature di ispezione utilizzano la visione computerizzata per cercare i difetti nei tubi dei freni ad aria compressa tra le auto. I laser pulsanti, che si aprono a ventaglio a forma di fetta di torta, possono produrre con precisione un'immagine della ruota mentre rotola, registrando i difetti superficiali meglio di quanto possa fare un ispettore esperto quando la ruota è ferma. Tutti questi rilevatori sono progettati per segnalare i punti problematici al personale del treno o allo spedizioniere prima che un piccolo problema cresca e causi un relitto.

Giù la linea

Con il costo della tecnologia in costante calo, le ferrovie potrebbero essere pronte per un altro ciclo di automazione. Il primo candidato è un'idea che le ferrovie hanno finora evitato chiamata controllo positivo dei treni. I computer che controllano l'acceleratore e il freno di una locomotiva sarebbero dotati di ricevitori del sistema di posizionamento globale che diranno loro esattamente dove si trovano e quanto velocemente stanno andando. La modifica è stata originariamente proposta come un miglioramento della sicurezza, per prevenire le collisioni: se un ingegnere superava un segnale di arresto, il sistema segnalava al computer di rallentare o fermare il treno. Tuttavia, quell'applicazione non è riuscita a conquistare le ferrovie. Sarebbe costato un sacco di soldi per un miglioramento minimo della sicurezza e quindi non era conveniente, spiega Martland del MIT.

Ma molti funzionari delle ferrovie stanno iniziando a comprendere il business case per un controllo positivo dei treni: la stessa tecnologia fornisce aggiornamenti continui sulla posizione di ogni locomotiva sulla ferrovia. La tecnologia avanzata di monitoraggio e controllo è già in uso sui treni passeggeri ad alta velocità come quelli sulla linea Boston-Washington. La tecnologia è anche in fase di sviluppo presso una serie di aziende, in particolare Union Switch e Signal, con sede a Pittsburgh.

La combinazione di satelliti e computer per controllare la velocità di un treno è solo un passo verso il funzionamento completamente automatizzato al computer. Le metropolitane funzionano regolarmente in questo modo; l'autista va avanti per il viaggio. Ma un treno merci non è semplice come una metropolitana. Ad esempio, un lungo treno può salire di un grado e discenderne un altro allo stesso tempo. E ogni treno merci ha le sue caratteristiche di frenata, che un ingegnere deve padroneggiare rapidamente; la cattiva gestione di un treno può causare gravi danni, come accoppiamenti strappati e forse anche deragliamenti. Alcune ferrovie, tuttavia, stanno sperimentando computer in grado di apprendere le caratteristiche di un treno alla velocità di un ingegnere. Ad esempio, i computer hanno preso il controllo di pesanti treni di minerali nel Minnesota, operando in modo efficiente e fermandosi senza problemi ai segnali rossi.

Il prossimo passo logico è il funzionamento completamente automatico, con un ingegnere a bordo solo come monitor. Sebbene la tecnologia per implementarlo esista in gran parte, altri fattori rappresentano ostacoli. Gli ingenti costi iniziali, ad esempio, scoraggiano le ferrovie dall'installare nuovi sistemi che non forniscono un evidente vantaggio economico. La sicurezza è un'altra preoccupazione; i sistemi di controllo automatizzati devono essere dimostrati estremamente affidabili prima che possano essere considerati affidabili per sostituire gli operatori umani, e solo fino a quando tale sostituzione non sarà possibile che la tecnologia avrà un notevole ritorno economico.

L'informatizzazione ha già permesso alle ferrovie di operare con meno persone. Gli ultimi sviluppi rappresentano un assalto ai lavori delle due persone più importanti che gestiscono un treno: l'ingegnere e il conduttore. E l'implementazione richiede la rinegoziazione dei contratti con i sindacati che rappresentano i lavoratori che i nuovi sistemi potrebbero sostituire.

Sembra che la lunga salita del grado di Toponas sia solo l'inizio di un viaggio accelerato verso un futuro automatizzato al computer. Dice Iden di Union Pacific, Stiamo appena iniziando a sfruttare i vantaggi della tecnologia.

nascondere