کتاب نگاهی جامع به صنایع ریلی جهان

فصل دوم: بازارها و فناوری راه آهن

۲.۱ مقدمه

فصل ۲ سنگ بناهای اساسی راه آهن و چگونگی سازماندهی برای خدمت به بازار حمل و نقل را توضیح می دهد. بعد ازبحث در مورد بازار راه آهن، برای اولین بار به فن آوری مورد استفاده در خطوط راه آهن که برای خدمت به این بازارها هستند، پرداخته شده است.

بازار حمل و نقل ریلی را می توان به دو بخش عمده مسافر و بار تقسیم کرد. زیرساخت هر بخش مشابه و یا حتی یکسان هستند، اما نوع حمل و نقل، تجهیزات، و جزئیات زیرساختها اغلب متفاوت می باشند.

بخش های بازار معمولی مسافر، از جمله مترو، ترموا و سیستم های لایت ریل، رفت و آمد و یا مترو شهری و حومه هستند که شامل قطار معمولی و با سرعت بالا می باشند.

مترو شهری به طور کلی برای مرکز شهرستان و جاهای نزدیک به محدوده بخش مرکزی است، مترو معمولا زیرزمینی است. ظرفیت حدود ۱۰۰ مسافر نشسته، و یا بار در حدود ۱۶۰ است. اکثر مترو ها می توانند با سرعت تا ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت سفر کنند و برق VDC ۷۵۰ یا VDC ۱۵۰۰ نیاز دارند؛ قطارهای مترو با چهار یا شش اتومبیل برابری می کنند. مترو برای حرکت حجم بالای مسافران و برای توزیع در مسیرهای کوتاه بهترین گزینه است. مثالها عبارتند از مترو لندن و مترو پاریس.

تراموا، نوع دیگری از سیستم راه آهن شهری است. تراموا اغلب با ترافیک خیابان مخلوط است اما ریل خاص خود را دارند، آنها حدودا برای ۸۰ مسافر در هر واگن جا دارند و باری در حدود ۱۲۰ را می توانند حمل کنند. اکثر ترامواها برق ۷۵۰ VDC دارند؛ اگرچه سرعت ۸۰ کیلومتر بر ساعت می توانند داشته باشند اما معمولا سرعت متوسط شان پایین تر است.
ترامواها معمولا یک یا دو واگن دارند که در هر کدام یک راننده هست. بسیاری از شهرهای اروپا، سیستم تراموا دارند و ملبورن استرالیا یکی از بزرگترین خدمات تراموا در جهان را داراست.

سیستم های لایت ریل اغلب از تراموا غیر قابل تشخیص هستند، اما در لایت ریل از سیستم های مدرن راه آهن استفاده شده است و معمولا یک مسیر مستقیم دارند و مسیرهای خاص خدماتی مانند فرودگاه ها و یا مراکز کنوانسیون دارند. صندلی واگن های لایت ریل شبیه به تراموا است. لایت ریل معمولا دو یا چهار واگن دارد که در دو انتهایش دو راننده و برق ۷۵۰ VDC دارد. خدمات لایت ریل نسبتا جدید هستند. ظرفیت پایین تری از یک مترو و قیمت پایین تری هم دارند. با این حال، سیستم های لایت ریل ظرفیت بالاتری از تراموا دارند و این به دلیل اندازه قطار، شتاب، و راه راستِ اختصاصی شان است.

سیستم های حومه ای معمولا ارائه فاصله طولانی تری را می روند و سرعت پایین تری دارند، برای سفر طولانی تر مناسب هستند. اغلب واگن های دو سطحی برای افزایش ظرفیت مسافر و راحتی در نظر گرفته می شود. سیستم های مسافربری ریلی حومه معمولا برقی هستند و لوکوموتیو برقی- دیزل برده دارند و برق kVAC ۲۵ نیاز دارند.
استانداردهای تجهیزات مدرن، مرزهای بین لایت ریل و خدمات حومه ای را محو کرده است هر دو اغلب تجهیزات مشابه دارند. اگر خدمات حومه ای، زیرساخت مشترکی با خدمات حمل و نقل بار داشته باشند، تجهیزات ضد تصادف واگن های مسافر بری بالا هستند.
خدمات مسافران بین شهری معمولا شامل لوکوموتیو است که از برق kVAC ۲۵ استفاده می کند، یا لوکوموتیو برقی دیزلی است. خدمات مسافربری بین شهری اغلب راه راست دارند و توسط یک لوکوموتیو کشیده می شوند.حداکثر سرعت ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت است. برخی از خدمات قطار بین شهری کلاس های متعدد و واگن هایی با جای خواب دارند. صندلی برای حدود ۸۰ مسافر است، در فرست کلاس تعداد مسافران کمتر است و دارای کابین اختصاصی و جای خواب است.
خدمات راه آهن با سرعت بالا (HSR) سرعتی حدود ۲۵۰ کیلومتر بر ساعت یا بیشتر استفاده می کند. قطار HSR به طور کلی در مجموعه هشت واگن دارد. بعضی از آنها لوکوموتیو یکپارچه دارند بعضی هم موتور را در بخشهای مختلف بطور پرداکنده دارند که در قسمتهای مسافر بری است اما بخشی از لوکوموتیو حساب می شود. برخی از قطارهای HSR واگنهای دوبل برای مسافران دارند. قطار HSR در مسیر اختصاصی حرکت می کند و تکرار توقفها زیاد است حداکثر فاصله معمولی توقف ها هر ساعت یکبار است. قطار HSR گاهی با سرعت معمولی می رود، یعنی مثلا شهرستانهایی که ایستگاه اختصاصی ندارند. قطار ها همیشه برقی هستند و برق kVAC ۲۵ استفاده می کنند.
قطارهای مسافری که موتور کششی در سراسر قطار دارند، واحدهای چندگانه دارند؛ قطار برقی EMU نامیده می شود در حالی که قطار دیزلی اغلب به نام DMU معروف است. چنین قطارهایی معمولا یک لوکوموتیو جداگانه ندارند، هر چند ممکن است یک واگن ساده در دو انتها با رانندگانی در ایستگاهها داشته باشند. با استفاده از این طبقه بندی، مترو، تراموا، راه لایت ریل، و بسیاری از قطارهای پر سرعت EMU می باشند. همه EMU ها و DMU ها موتور برقی و تعداد زیادی چرخ دارند. مثل قطارهای معمولی و لوکوموتیودار نیستند که فقط لوکوموتیو چرخ داشته باشد و همین لوکوموتیو بقیه را بکشد(هل بدهند یا بکشند).
تعداد مسافران بین هر مبدا و مقصد.
محاسبه درآمد مسافری اغلب پیچیده است. هزنیه خدمات مسافربری به نوع خدمات استفاده شده برای جمع آوری کرایه، و مقدار سوبسید مربوط است. به عنوان مثال، بسیاری از سیستم های مترو بلیط ماهانه دارند که می تواند برای تعداد نامحدودی سفر و یا بخش هایی از سفر استفاده شود.. تخفیف هایی هم برای دانش آموزها، غیر فعالان، واجدین برای بلیط ماهانه و بازنشسته ها وجود دارد. دیگر سیستم های مترو بر اساس هزینه جزئی و استفاده از شارژ ذخیره شده، کارت های های قابل شارژ برای هر سفر کار می کنند. مقدار شارژ در کارت می تواند بسته به مقصدها و همراه با تخفیف موقع فروش، تخفیف دانش آموز ی و مسافر غیر فعال، و یا بازنشسته باشد. برای خطوط خاص لایت ریل، مانند خدمات فرودگاه، هزینه هر سفر نرمال است.
معمولا، هزینه خدمات حومه به فاصله و زمان بستگی دارد، ممکن است در طول دوره اوج سفر اضافه هزینه ای اعمال شود. اگر خدمات حومه و شهر متمرکز و یکجا باشند، همان بلیط را می توان برای هر دو بخش استفاده کرد و درآمد معمولا بین خدمات بطور عادلانه تقسیم می شود و هزینه مثلا بر اساس مسافر بر کیلومتر اختصاص داده می شود.
کرایه خدمات بین شهری معمولا به کلاس خدمات و فاصله بستگی دارد. با این حال، بسیاری از سیستم های HSR نوع قیمت گذاری شان مانند هواپیما است و به پیش فروش بلیط، کلاس خدمات، زمان و فاصله بستگی دارد. در بسیاری از کشورهایی که HSR گسترده و خدمات استانی معمولی دارند، بلیط یکپارچه ای برای هر نوع خدمات در نظر گرفته می شود. به اشتراک گذاری درآمد بین خدمات شهری و مترو نادر اتفاق می افتد، اما در بعضی از نقاط وجود دارد.
معمولا، خدمات شهری به عنوان خدمات عمومی به حساب می آیند و یارانه های دولتی به آنها اختصاص می یابد. برخی از سیستم های شهری، مانند MTR هنگ کنگ و مترو لندن، حتی در زمان استراحت هم برای هزینه های عملیاتی کار می کنند. به ندرت انتظار می رود که هزینه های سرمایه ای را پوشش دهند.
حمل و نقل مسافر با راه آهن به ویژه برای حرکت سریع و حجم زیاد جمعیت خوب است، در نتیجه راه آهن شهری در برنامه ریزی شهری یک عنصر ضروری است. سیستم های راه آهن شهری، مراکز جمعیت را تعریف می کند و به طور چشمگیری الگوهای توسعه شهری را تحت تاثیر قرار می دهد. مشابها، رفت و آمد و خدمات مسافری حومه راهی موثر و نسبتا ارزان برای پیوند جوامع حومه با مرکز شهرستان و برعکس است. سیستم های راه آهن شهری و حومه می توانند منافع عمومی قابل توجهی داشته باشند، از جمله صرفه جویی قابل توجه که به تمام سطوح دولتی و خصوصی تسری می یابد و باعث کاهش آلودگی، حوادث کمتر و بهبود برنامه ریزی فضایی می گردد. علاوه بر این، سیستم های راه آهن شهری و حومه، از طریق افزایش ارزش املاک و کیفیت بالاتر الگوهای باعث تولید منافع مالی می شود. برخی از سیستم های راه آهن شهری و حومه، به ویژه در ژاپن، ارزش اموال را افزایش می دهند و موفقیت لازم را برای تامین مالی سیستم های راه آهن ایجاد می نمایند و همچنین تمام مزایای عمومی فوق الذکر را تولید می کنند.
درآمد خدمات مسافری بین شهری اغلب هزینه های عملیاتی را پوشش می دهند، اما انتظار می رود تعداد کمی از آنها هزینه های سرمایه ای شان را پوشش دهند. بسیاری از خدمات TGV SNCF با سود عمل می کنند، که شامل هزینه های تجهیزات هم می شود، اما خدمات استانی یا معمولی به ندرت چنین می کنند. بنابراین، بیشتر هزینه های خدمات مسافری زیرساخت های یارانه ای دارند؛ گاهی اوقات دولت قطارها را فراهم می کند.
خدمات راه آهن مسافری در مورد زمان سریع سفر، کاهش تراکم جاده ای، کاهش انتشار گازهای گلخانه ای و CO2 و کاهش تلفات ناشی از حوادث، مزایای قابل توجهی عمومی دارد. اگر تقاضای مسافر برای خدمات قطار بین شهری بالا باشد، دولت می تواند از هزینه های ساخت و ساز بزرگراه اضافی که باعث افزایش بازده کلی انرژی می شود اجتناب کنند. گاهی اوقات حمل و نقل ریلی تنها وسیله جابجا کردن جمعیت ها به مناطق دور است. حال، اگر کمتر از ۱۰۰۰ مسافر در روز حمل و نقل شوند، خدمات اتوبوس برای فاصله طولانی معمولا ارزان تر است و بهره وری انرژی مشابه و یا بهتری دارد و این به تعداد قطار ها و بار بستگی دارد.
خدمات مسافربری راه آهن دارای سوابق ایمنی بسیار عالی است. تعداد تصادفات مسافر بر کیلومتر پایین تر از وسایل دیگر حمل و نقل مسافر است. حوادثی که اتفاق می افتند اغلب مربوط به تقاطع جاده / راه آهن می شوند.

در بسیاری از کشورها و مناطق، خدمات راه آهن برای حمل و نقل بار برای رشد اقتصادی مهم هستند. همانطور که در بالا بیان شد، خدمات حمل و نقل ریلی کارآمد هستند، و می توانند حجم گسترده ای از بار را در مسافت های طولانی، به طور موثر و با قیمت مناسب جابجا کنند. خدمات راه آهن برای حمل و نقل کالا هایی است که اغلب زغال سنگ فله، سنگ آهن، فسفات، حبوبات و غلات، چوب، شن، ماسه، و دیگر مصالح ساختمان سازی هستند.
مخلوط کالای راه آهن روسیه، در نمودار میله ای بالا نشان داده شده است، که به نوعی می توان گفت مربوط به بسیاری از شبکه های راه آهن بزرگ است. داده های مشابه برای راه آهن چین در نمودار پایین نشان داده شده است. در هر دو مورد، زغال سنگ، محصولات معدنی، محصولات کشاورزی و مواد ساختمانی، ترکیبی از بارهای حمل شده در این شبکه های بزرگ هستند.

شکل ۲.۳ راه آهن چین- کالا به تُن

اگر آبراه های داخلی کشتیرانی در دسترس نباشند، حمل و نقل ریلی تنها ابزار موثر برای جابجایی حجم بالایی از کالاهای فله است. اغلب، کالاهای فله در قطار به طور کامل از یک کالا، از مبدا به مقصد مشابه یعنی مثلا از یک معدن به یک نیروگاه یا کارخانه فولاد، و یا از یک سیلو به بندر است. قطار بسیار کارآمد است زیرا واسطه ای در کار نیست. با این حال، اغلب واگن ها خالی برمی گردند.

حمل و نقل ریلی یک ابزار موثر برای حمل و نقل بارهای فله، ماشین و اشیاء سنگین است. بسیاری از این بارها باید صورت برداری و طبقه بندی گردند و بعد در قطار بارگیری شوند. اگر چه مرتب سازی واگن های باری زمان می برد اما باز هم حمل و نقل ریلی برای حمل و نقل کالاهای مخلوط کارآمد است زیرا می تواند از ۵۰ تا ۱۵۰ واگن، بسته به زیرساخت ها، جابجا کند.
حمل و نقل با راه آهن در حال گسترش است. از آنجا که حمل و نقل با بسته بندی در ۱۹۵۹ شروع شد، حمل و نقل کالا، از جمله کالاهای مایع و دانه ای با کشتی، به ویژه واردات و صادرات از طریق اقیانوس مهم شد.

تا ۱۹۷۶ صنعت حمل و نقل می تواند قبل از بسته بندی، بار را ۰.۶ تن به ازای هر نفر / ساعت خالی و بارگیری کند؛ این رقم به ۴۲۳۵ تن برای هر فرد / ساعت رسید. اکنون به بیش از ۸۰۰۰ تن به ازای هر نفر / ساعت در یک بندر معمولی رسیده است. معمولا، یک کشتی با بارهای دسته بندی شده، با بشکه ها و کیسه هایی از کالاهای متفاوت، چند هفته در بندر می ماند، و در سال ۱۹۵۹، یک کشیتی با محموله تجاری می توانست۱۰۰۰۰ تن را با سرعت ۱۶ گره (۲۹ کیلومتر بر ساعت) حمل کند. در سال ۲۰۰۹، کشتی ها می توانستند ۷۷۰۰۰ تن در ۲۵ گره (۴۶ کیلومتر بر ساعت) را حمل کنند و تنها ۱۶ ساعت برای خالی کردن و بار کردن در بندر می ماندند. برخی از این کارایی مشابها برای حمل و نقل ریلیِ عمومی اعمال می شود. واگن ها می توانند بار بیشتری از کانتینرها حمل کنند و برای بسیاری از کالاها مفید هستند، اما می توان آنها را فقط با شرکتهایی برد که به نزدیک بنادر بروند. دیگر شرکت های باربری باید کالا را بسته بندی و به کانتینر بار کنند و از طریق جاده آن را به کشتی یا قطار برای حمل و نقل در مسافت های طولانی تر انتقال دهند. در بسیاری از بازارها، برای محموله های کانتینری، حمل و نقل ریلی رقابت شدیدی با حمل و نقل جاده ای دارد؛از نظر زمانی مقرون به صرفه ترین وسیله حمل و نقل جاده ای از مبدا تا مقصد است. با این حال، حمل و نقل ریلی کانتینری به طور فزاینده ای به حمل بار از طریق بنادر و مراکز تدارکات داخلی از راه دور ترجیح دارد.

حمل و نقل بار در هر حالت به تن و تن - کیلومتر اندازه گیری می شود. تن- کیلومتر = وزن بار حمل شده ضربدر فاصله حمل و نقل. و بر اساس خالص تن- کیلومتر (NTK) هم گزارش می شود. از جمله دیگر سنجش ها، گزارش درآمد با تن- کیلومتر است که اشاره به درآمدزایی توسط تن بار دارد و بارهای غیر درآمدزا را مستثنی می کند مثل ریل، شن و ماسه و سایر مصالحی که برای استفاده راه آهن جابجا می شوند. برای راه آهن یکی از معیارهای مهم، تن-کیلومتر ناخالص است، این معیار شامل وزن واگن خالی برای حرکت با واگن های پر یا خالی است. تن کیلومتر ناخالص "تن پیشرو" و یا تن کلِ بار حمل شده نیز نامیده می شود. گاهی اوقات تن کیلومتر ناخالص شامل وزن لوکوموتیو استفاده شده باری کشیدن قطار می شود.
مصرف انرژی و سوخت در راه آهن، تقریبا به تن کیلومتر ناخالص بستگی دارد زیرا این اندازه گیری مستقیم کار انجام شده است. جغرافیا نقش مهمی در مصرف انرژی ایفا می کند. اینکه ریل قطار در رشته کوه باشد و یا دارای سراشیبی باشد، اثر مستقیمی در استفاده از انرژی در راه آهن دارد. اما، با توجه به جغرافیا، مصرف انرژی معمولا مربوط به تن-کیلومتر ناخالص است.

راه آهن برای حمل و نقل حجم زیادی از مسافران و بار در مسافت های مختلف، به خصوص بین مبدا و مقصد دور و حجم زیاد، کارآمد و مقرون به صرفه تر است. وقتی هزینه حمل و نقل ریلی بالا می رود که حجم و فاصله افزایش یابد. هنگامی که حجم مسافر و بار کمتر و نقاط توزیع بیشتر باشد حمل و نقل جاده ای معمولا کارآمد تر و مقرون به صرفه تر است.
برای حجم های بالا، راه آهن باعث صرفه جویی در هزینه می شود، و دارای مزایایی برای محیط زیست، انرژی، استفاده از زمین می باشد و مزایای اجتماعی بهتر دیگری هم نسبت به حمل و نقل جاده ای دارد، هر چند در برخی موارد، راه آهن آهسته تر عمل می کند. حمل و نقل آبی می تواند از نظر انرژی کارآمد باشد و هزینه ها را بیش از حمل و نقل ریلی کاهش دهد اما این به مدار آبراه و در دسترس بودن در همه جا بستگی دارد، اما معمولا، حمل و نقل آبی بسیار آهسته است. حمل و نقل مسافر و بار از طریق راه آهن برای برخی از فواصل، قابل رقابت با حمل و نقل جاده ای و هوایی است.
به طور کلی حمل و نقل ریلی موثر ترین حالت حمل و نقل ِ موجود، برای حجم بیشتر و مسافت های طولانی تر است، به عنوان مثال، برای حمل و نقل زغال سنگ و یا مواد معدنی از یک مرکز معدن و یا تولیدات در داخل یک کشور به کشور های دور تر مناسب می باشد. زیرساخت های راه آهن نیاز نسبتا کمی به زمین دارند، چیزی در حدود یک نوار ۱۰۰ متری از زمین برای راه آهن بسیار مقداری سخاوتمندانه است و حتی ریل آهن گاهی تا بیش از ۱۰ متر عرض را هم نمی گیرد. با این حال، برای حمل و نقل بار، ریل باید دارای شیب و منحنی های نسبتا ملایمی باشد، به ویژه برای حمل و نقل مواد معدنی این شیبها نباید از % ۲.۰ تجاوز کند. در مقابل، جاده های با ظرفیت بالا می توانیند شیبی تا% ۵.۰ یا بیشتر داشته باشند. بنابراین، خطوط راه آهن بین دو نقطه می توانند غیر مستقیم تر از جاده ها باشند.

موقع کار برای اصلاحات صنعت راه آهن و یا پروژه های سرمایه گذاری، بهتر است اصطلاحات مخصوص راه آهن را بشناسید و با فن آوری صنعت راه آهن، استانداردهای فنی و شیوه های رایج آن آشنا باشید. این بخش شامل اصول اولیه راه آهن است.

زیرساخت های راه آهن معمولاً شامل امکانات فیزیکی ثابت از جمله مولفه های اصلی زیر است.

زیرساخت های کلی راه آهن شامل بسترسازی، شن ریزی زیرین، شن ریزی، تراورس، ریل و بسترهای مسیر است که ریل را در موقعیت نسبی بسترش نگه می دارد. این سیستم پایه و اساس زیرساخت های ریلها است که باید برای اهداف خاص آهن طراحی شود. ریل برای حمل بارهای سنگین نیاز به یک بسترسازی محکم و بدون مشکلهایی از قبیل خاک نرم باتلاقی وجود دارد و روساخت و شن ریزی زیرین باید دقیق باشند و از سنگهای تیز استفاده نشود و معمولا باید سنگ گرانیت استفاده گردد، سنگ باید سخت و محکم باشد و عمق باید طوری باشد که شن ریزی زیرین توان تحمل بار را داشته باشد و اندازه سنگها باید طوری باشد که آب خیلی سریع در مسیر زهکشی هایی جریان یابد که در شانه های ریل در روساخت شنی ایجاد می گردند.

برای چرخیدن چرخ های فولادی روی ریل آهنی انرژی کمی لازم است اما، به دلیل اصطکاک کمی که بین چرخ های فولادی و ریل وجود دارد، راه آهن باید کم شیب ملایم داشته باشد. همانطور که قبلا ذکر شد، راه آهن باید طوری مهندسی شود که شیب% ۱.۰ تا% ۲.۰ (۱۰-۲۰ متر در هر کیلومتر) داشته باشد. طراحان راه آهن با استفاده از تکنیک های مختلف، شیب های عمودی را به حداقل می رسانند؛ برخی از آنها که در نمودار نشان داده شده ا ند. طراحان با استفاده از پل و تونل سعی می کنند از شیبهای عمودی اجتناب ورزند، به همین طریق از تپه ها عبور می کنند و نقاط خالی را رد می کنند تا شیب سطح را رعایت کنند. آنها زهکشی هم تعبیه می کنند یا لوله ها یا ساختارهای جعبه مانندی را در نظر می گیرند تا آبها و خندقهای احتمالی را هدایت کنند.

اجزای زیر ساخت

سایر اصطلاحاتی که معمولا در پروژه های راه آهن استفاده می شوند در زیر بر اساس طرح کلی از یک خط راه آهن کوتاه ارائه داده شده اند:
این طرح شامل زیرساخت های سازه است- انبار نگهداری، سوئیچ ها (دوراهی هم نامیده می شوند) و تقاطع ها، که به قطار اجازه تغییر مسیر می دهد، و محوطه های نگهداری و ذخیره، که در آن واگن های بار و مسافر در جای مناسب خود قرار می گیرند. دستگاهی به نام " Wye " برای دور زدن لوکوموتیو و حتی کل قطار استفاده می شود.

بسیاری از ریلها، یک خطی هستند. قطار یک ایستگاه و یا یک محوطه را با مسیرهای متعدد ترک می کند و به ایستگاه بعدی یا محوطه ای با یک مسیر می رود. در هر مسیر در یک زمان فقط یک قطار می تواند حرکت کند. خطوط تک مسیری اغلب دو راه هایی در نقاط مختلف مسیر دارند(کنار گذر) که می توانند به آن وسیله مسیر خود را تغییر دهند و با یکدیگر برخورد نداشته باشند. ظرفیت یک خط راه آهن با طولانی ترین زمانی که قطار برای حرکت در بین کنارگذرها نیاز دارد تعیین می شود. به عنوان یک قاعده کلی، مهندسین راه آهن ظرفیت قطار در روز را با استفاده از " فرمول اسکات" (شکل ۲.۴)تخمین می زنند که می گوید:

که در آن
N = تعداد قطار / روز
E = کارایی سیستم علامت دهی (معمولا بین ۰.۷ و ۰.۹)
T = طولانی ترین سفر و مدت زمان توقف بین کنارگذرها در یک خط به دقیقه

شکل ۴-۲فرمول اسکات برای ظرفیت قطار

قطارها معمولا سنگین هستند و همان چیزی که انرژی را برایشان کارآمد می کند - اصطکاک کم – توقف را هم برایشان سخت می کند. هر واگن باربری یا مسافربری برای هر چرخ ترمز دارد اما باز هم زمان زیادی برای توقف قطار لازم است و مسیری بین یک کیلومتر یا بیشتر را بعد از ترمز طی می کند. هرچه قطار سرعت و وزن بیشتری داشته باشد زمان توقف هم بیشتر است. مشابها، انتقال قطار سنگین، از کنار گذر به مسیر سرعت، زمان و فاصله زیادی می برد. این عوامل برای محاسبه مقدار "T" در معادله فوق مورد توجه قرار می گیرد. برای خطوط تک مسیری با سرعت مسیر حدود ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت، با یک سیستم سیگنال پیشرفته و استفاده از کنار گذر (کنار گذر می تواند یک قطار معمولی را نگه دارد)، خط تک مسیری تنها می تواند حداکثر ۳۰ قطار در روز را مدیریت کند (با فرض اینکه نصف شان در یک جهت باشند). هرچه تعداد قطارها افزایش یابد، تداخل بین قطار ها و تاخیر در تمام خطور قطار افزایش می یابد. مهندسین راه آهن کارهای زیادی برای افزایش ظرفیت - افزایش سرعت قطار (این T در معادله را کاهش می دهد)، ایجاد کنارگذر بیشتر (کاهش T)، مدرن سازی سیستم سیگنال (افزایش E) انجام داده اند.
هرچه تعداد قطارها بیشتر می شود، ریلهای کنارگذر به هم می پیوندند تا مسیر دوتایی پدید آید و این اجازه می دهد تا قطارها بدون توقف یا انحراف به راه خود ادامه دهند و در وقت صرفه جویی می گردد. در نهایت، برای ایجاد ظرفیت بیشتر، کل خط دو تایی خواهد شد. ظرفیت هم می تواند باعث ایجاد مسیرهای دوتایی شود. قطار ها می توانند پشت سر هم حرکت کنند اما فاصله شان باید بیشتر از زمانی باشد که قطارها برای ایسادن کامل نیاز دارند. در حمل بار مخلوط، برخی از قطار ها ممکن است آهسته حرکت کنند - یا در بسیاری از ایستگاه های کوچک توقف کنند و یا بسیار سنگین باشند، قطار دیگر ممکن است سریع باشد. سرعت های بالا و تفاوتهای بین قطارها معمولا ظرفیت خطها را حتی در مسیرهای دوتایی محدود می کند، برای همین قطارهای باید به مسیرهای دیگر هدایت شوند. برخی از سیستم های راه آهن شهری حتی با دارا بودن شش خط باز هم نیاز به اجازه های مکرر برای عبور قطار در مناطق متراکم شهری دارند.

شلوغترین خطوط راه آهن علامتهایی برای کنترل حرکت قطارها نصب کرد اند. این علائم شبیه به چراغ های ترافیکی جاده ها هستند و اجازه می دهند تا قطار در هر دو جهت ریل یا در مسیر تکی یا چند تایی حرکت کنند. در یک مسیر واحد، سیستم های الکترونیکی علامت دهی ممکن است تنها در کنار گذرها یا ایستگاه ها باشند. سیستم های الکترونیکی علامت دهی مدرن توان تشخیص حضور قطار را دارند و نشانه های خود با موقعیت های سوئیچ قفل برای جلوگیری از برخورد دو قطار در حال حرکت از روی یک مسیر نشان می دهند. "سیرگاه خودکار" یک اصطلاح رایج علامت دهی است که با کنار گذر و جلو و عقب در ارتباط است تا مانع برخورد قطارها شود.
سیستم های الکترونیکی علامت دهی پیشرفته، هنوز هم بر سیستمهای متمرکز مرکزی برای هدایت و کنترل تکیه دارند. کنترل کننده های کامپیوتر ی پیشرفته تری هم هستند که به فرستنده در گرفتن تصمیمات پیچیده برای اینکه کدام قطار حرکت کند و کدام توقف کند کمک می کند.

مرکز کنترل قطار

سیستم های الکترونیکی علامت دهی مدرن بطور کامپیوتری قطارهایی را که نیاز به کمک در زمینه فن آوری ارتباطات دیجیتال پیچیده دارند، هدایت می کنند.
این سیستم ها می توانند شاخص های کنترل را اداره کنند و قطار را در زمانی که شرایط را ناامن تشخیص می دهند بطور خودکار متوقف نمایند. تصویر موجود، بخشی از یک سیستم مدرن کنترل قطار است.

خط آهنهایی با سرعت بالا و یا بسیار شلوغ، برقی شده اند؛ آنها از لوکوموتیوهای برقی و انرژی الکتریکی استفاده می کنند، معمولا از سیستمهای توزیع برق سربار استفاده می کنند، اما گاهی اوقات، در راه آهن شهری، از یک سیستم ریلی سوم در سطح زمین استفاده می کنند. نمودار زیر اجزای سازنده سیستم توزیع برق و سیگنال های کناری را نشان می دهد. اجزای عمده سیستم سیگنالدهی شامل جعبه سیگنال، سیستم های نمایش (در برخی از خطوط راه آهن، صفحه نمایش سیگنال در داخل لوکوموتیو و نه در امتداد ایستگاه فرعی است) و سیگنال و کابلهای ارتباطاتی مورد نیاز برای کنترل این سیستم ها می باشند. اجزای سیستم برقی کردن شامل دکل ها یا تیربرق ها و یک سیستم زنجیره ای است که جریان الکتریکی را به لوکوموتیو می رسانند. در سیستم های سربار، همانطور که زیر نشان داده شده، لکوموتیو ها در بالایشان یک پانتوگراف برای جمع آوری جریان الکتریکی دارند. پانتوگراف در بالای لوکوموتیو در امتداد زنجیره می لغزد و قطار زیر آن است. چندین استاندارد برقی کردن برای ریلهای برقی استفاده می شود. امروزه، kVAC ۲۵ برای خطوط راه آهن اصلی محبوب ترین است اما بسیاری هم سیستمهای kVDC ۳، برخی از سیستم kVDC ۱۵ و چندتا هم از سیستم kVDC ۱.۵ استفاده می کنند.

بسیاری از راه آهنهای شهری از برق kVDC ۱.۵ استفاده می کنند اما خیلی ها هم حالا از VDC ۷۵۰ استفاده می کنند. بیشتر سیستمهای برقی شده از توزیع برق سربار که در نمودار نشان داده شده است استفاده می کنند، اما برخی هم از سیستم های ریل سوم استفاده می کنند که جمع و جور تر هستند، فضاهای کوچکتر شهری دارند، و از تونل های کوچکتر استفاده می کنند و بیشتر شان VDC ۶۰۰-۷۵۰ استفاده می کنند.
برای خطوط اصلی مسافری، برقی کردن به نسبت برق به وزن است-برق زیادی (کیلووات یا اسب بخار) برای یک لوکوموتیو نسبتا سبک در دسترس است چون لوکوموتیو موتور دیزلی و ژنراتور نیاز ندارد. این در صورتی بسیار مفید است که قطار نیاز به حرکت سریع داشته باشد (سریع تر از ۱۵۰ کیلومتر در ساعت، و در صورتی که میزان شتاب بالا برای ایستادن در ایستگاه و حرکت کردن نیاز باشد. برق می تواند در خطوط حمل و نقل بار هم مناسب باشد به ویژه برای بارهای حجم بالا (حداقل ۴۰ میلیون تن ناخالص در سال) و قیمت سوخت دیزلی با قیمت برق رابطه نسبی دارد.
برقی کردن راه آهن گران است ۳.۰-۵.۰ میلیون دلار / کیلومتر هزینه می برد و این شامل ایستگاه های فرعی هم می شود. برقی کردن ممکن است نیاز به اصلاح قابل توجه سیستم های موجود سیگنال دهی راه آهن، پل ها و تونل ها دارد تا مجوزهای بیشتری برای سیستم های زنجیره ای سربار داشته باشد. هزینه های اولیه بالا و هزینه های بالای نگهداری، راه آهن های تجاری را تشویق می کند تا در برقی کردن سیستم ها دقت داشته باشند. با وجود این، بر اساس برخی گزارش ها،حدود ۲۵ % از خطوط راه آهن جهانی برقی هستند و بیش از ۵۰ % تمام حمل و نقل ریلی برقی می باشند.
راه آهن برقی می تواند اثرات زیست محیطی حمل و نقل ریلی را کاهش دهد، و این به منبع برق بستگی دارد، مانند نیروگاه با تشعشع پایین، و فاصله تا راه آهن، چون تا% ۳۰ تولید نیروگاه در انتقال از دست می رود.

مهندسین راه آهن اغلب در مورد"قواره بارگیری" صحبت می کنند که به طور کلی به عنوان ترکیبی از قواره مسیر، پوشش مجاز فیزیکی و ظرفیت بار محوری تعریف شده است.
قواره ریل، یعنی فاصله بین سطوح داخلی ریل که در شکل نشان داده شده است. در سراسر جهان قواره های مختلف ریل وجود دارد، و غالب ترین قواره در شکل ۲.۵ نشان داده شده است.

شکل ۲.۵ قواره های ریل

*درجه بندی ۱۵۲۰ mm همچنین معمولاً درکشورهای CIS و فنلاند استفاده می شود.

بسیاری از کشورها قواره های متنوعی از ریل دارند. چرا بعضی ها تعداد قواره های بیشتری از دیگری انتخاب می کنند؟ دو دلیل اصلی میراث دیگران و هزینه است. بسیاری از خطوط راه آهن توسط مهندسین خارجی ساخته می شود که قواره ریل کشور خود را به کار می برند. دلیل دوم این است که هزینه قواره باریک ارزان تر از یک قواره پهن است چون برش و پر کردنش کم هزینه تر می شود، زمین کمتر و یا انفجار کمتری مورد نیاز است، تونل می تواند کوچکتر باشد، و شن ریزی کمتری دارد و تراوری های کوچکتر و ارزان تری هم می برد. سرمایه گذاران اغلب ریلهای با قواره کوچکتر می سازند چون هزینه های سرمایه گذاری در طول روزهای اولیه ساخت ریل و بهره برداری از منابع طبیعی ارزان تر می شود. برای مثال، برخی خطوط راه آهن آمریکای لاتین برای حمل موز ساخته شده اند که تنها ۵۶۰ میلی متر بوده اند، اندازه ای که می تواند به سرعت و ارزان و به راحتی ساخته شود.
مزایای استفاده از قواره های متفاوت ریل چیست؟ ریل پهن تر برای خطوط راه آهنی است که برای تخلیه تناژ سنگین برنامه ریزی شده اند. ریل پهن تر ثبات بیشتر، تنش مسیرکمتر، و طول عمر طولانی تر ی دارد. در اواسط دهه ۱۹۸۰، واله (CVRD) ۱۰۰۰ کیلومتر خط آهن جدید در آمازون ساخت تا مقدار عظیمی از مواد معدنی را جابجا کند. با این حال، قواره ریل کمتر می تواند برای حمل و نقل بار سنگین هم موثر باشد. واله راه آهن دیگری در برزیل ساخت، یک ریل ظریف در دماغه (EFVM) که بیش از ۱۲۰ میلیون تن کنسانتره سنگ آهن را از کوه در ایالت بلو هوریزونته به بندر آتلانتیک می کشید. این راه آهن در خدمت مسافران و مشتریان حمل و نقل عمومی هم هست. این قواره ریل دماغه ای در آفریقای جنوبی میلیون ها تن زغال سنگ را انتقال می دهد.
بیشتر خطوط راه آهن سنگین قواره های استاندارد دارند، احتمالا این موضوع به دلیل پایه های بزرگ گردونه های ریل دار و تامین کنندگان قطعات قواره استاندارد، سیستم ها، و تجهیزات مرتبط است. به نظر می رسد قواره استاندارد توافق خوبی بین ساخت قواره ارزان تر و باریک تر و ساخت قواره استاندارد گران قیمت و پهن تر است. قواره ممکن است در تصمیم گیری برای طراحی مهم باشد (به علت هزینه های ساخت و ساز)، اما برای عملیات راه آهنی که قبلا ساخته شده چندان اهمیتی ندارد.
یک خط راه آهن جدید که با سایر خطوط ملی مرتبط است، باید با مشخصات قواره غالب در منطقه مطابقت داشته باشد. حال، اگر یک خط جدید مستقل از سایر خطوط راه آهن وجود داشته باشد و دارای یک هدف خاص باشد، انتخاب قواره بستگی به سایر ملاحظات طراحی دارد. در حالی که خدمات مسافربری با سرعت بالا از قواره های مختلف استفاده می کنند، یک خط جدید راه آهن برای خدمات مسافربری با سرعت بالا به احتمال زیاد با قواره استاندارد ساخته می شود چرا که بسیاری از گردونه های ریل دار برای قواره استاندارد قبلا ساخته شده اند (و در اصل برای همانها طراحی می شوند). به عنوان مثال، راه آهن ملی اسپانیا ایبری قواره ۱۶۶۸ میلی متری دارد، اما اسپانیا وقتی که خطوط راه آهن با سرعت بالا را ساخت تا قطار بتواند به خطوط فرانسه و اروپا وصل شود از قواره استاندارد استفاده کرد.
از آنجا که بسیاری از خطوط راه آهن در جهان قواره استاندارد دارند، گردونه های ریل دار، ماشین آلات ساخت تعمیر و نگهداری مسیر، بیشتر عرضه می شوند. به طور کلی، خطوط جدید باید با قواره استاندارد ساخته شوند مگر این که خط جدید به یک شبکه ملی با قواره ای مختلف متصل شود و یا اگر دلیل قانع کننده ای برای انتخاب قواره های مختلف وجود داشته باشد.

"قواره بارگیری" به پوشش مجاز فیزیکی اشاره دارد(در نمودار زیر نشان داده شده است). پوشش مجاز فیزیکی هم اندازه باز کردن تونل و پلها و فاصله از مرکز مسیر تا ایستگاه، علائم، چراغهای علامت دهی و سایر دستگاه های کنار مسیر را تعیین می کند. راه آهن با برق سربار نیاز به مجوز عمودی بیشتر دارد اما باز هم گردونه های ریل دار تعیین کننده قواره بارگیری هستند.

به طور کلی، پوشش مجاز فیزیکی، منحنی های تیز و واگن های طولانی را در نظر می گیرد و طوری است که اجازه نوسان یا تکان گردونه های ریل دار را می دهد. پوشش مجاز فیزیکی وقتی مهم است که می خواهند اندازه ای غیر معمولی را برای گردونه های ریل دار معرفی کنند مثل واگن های مسافربری دو طبقه یا تجهیزات کانتینری دو طبقه ای که ممکن است پوشش مجاز فیزیکی را گسترش دهند.

بارهای محوری- وزن کلیِ مجاز ِ بار شده در واگنها یا یک لوکوموتیو که بر روی چند محورِ قرار گرفته بر روی گردونه های ریل دار تقسیم شده است- اندازه مهمی برای ظرفیت و قدرت فیزیکی زیرساخت ها است. بار محوری یک عنصر مهم برای قواره بارگذاری ریل است و بار محوری مجاز و وزن واگن خالی، عوامل مهمی در بهره وری و نگهداری هستند.
استاندارد بسیاری از خطوط راه آهن قدیمی از ۱۶ تا ۱۸ تن / محور است. هند، روسیه و چین ۲۲.۵-۲۳.۵ تن برای محدوده طراحی استفاده می کنند. راه آهن سنگین ۳۲.۵ تن / محور است (استاندارد در شمال امریکا با برخی خطوط عامل ۳۶ تن / محور)؛ و یک راه آهن سنگین جدید برای مسافت های خاص در استرالیا برای ۴۰ تن / محور طراحی شده است.
وزن واگن باری خالی می تواند بهره وری ریل را به طور قابل توجهی تحت تاثیر قرار دهد. طراحی گردونه های ریل دار اولیه خیلی دقیق نبود و با فولاد بود و کیفیت ریخته گری هم خوب نبود و همین ها موجب ساخت واگنهای باری سنگین تر می شد. با این حال، مهندسی و طراحی سیستم های مدرن و فولاد آلیاژی با مقاومت بالا و قطعات آلومینیومی باعث ساخت واگن های باری بسیار سبک با ظرفیت های بالاتر شده اند.

جدول ۲.۶. بار محوری

جدول بالا بهترین نسبت GTK به NTK را نشان می دهد که در این شرایط به دست می آید. در عمل، راه آهن چنین متوسط نسبت بالا یی ندارد و این به دلیل حرکت "براونی" دارایی های راه آهن است - در جهت اشتباه حرکت می کنند، و یا دوباره جهت دهی می شوند، قبل از بار بعدی تمیز می شوند، و برای تعمیر و بازرسی امکانات حرکت می کنند. ناخالص نمونه به نسبت خالص برای خطوط راه آهن حمل و نقل بار، به طور متوسط در محدوده ۱.۸-۱.۹ است. راه آهن با محدودیت بار محوری (به عنوان مثال، ۱۷.۵ تن در یکی از نمونه ها) معمولا دارای نسبت GTK به NTK بالای ۲.۰ است. در مقابل، انواع کارآمد تر حمل و نقل بار، کشیدن بارهای سنگین و کانتینرهای دو پشته است. برای کشیدن بار های سنگین، واگن های باری با بیشترین مقدار بار محوری طراحی شده اند. دو پشته ها نسبت GTK به NTK کمی دارند و دلیلش بار محوری بالا، وزن واگن خالی پایین، کلی بودنِ کانتینرها و نیاز به بازگشت کانتینرهای خالی است. مقدار کلی بار محوری از ۲۲.۵ تن / محور و ۳۰ % نسبت مایل خالی است که مثالهایش روسیه، چین، و هند هستند ه متوسط عمل شان حدود ۲.۰ می باشد. با این معیار، حمل و نقل جاده سبک، شاید برای تحویل محلی بهتر باشد، اما در موارد خاص موثر نیست. اما حمل و نقل سنگین جاده ای می تواند بهره وری خوبی داشته باشد.

معمولا، قدرت زیرساخت با مدول خط -میزان سفتی و یا مقاومت در برابر تغییر شکل عمودی تحت بارها - اندازه گیری می شود. مقدار مدول خط بالاتر به معنی سفتی بیشتر، ظرفیت بار محور ی بالاتر و نرخ سایش زیرساخت پایین تر است. مدول خط با بسیاری از عوامل مثل قواره، وزن ریل، نوع و تراکم شن، و کیفیت ساختار زمین تعیین می شود. مقدایر نمونه در شکل زیر نشان داده شده اند. مقادیر بالاتر نشانگر سختی بیشتر خط و شرایط زیرساخت با ثبات تر است.

شکل ۲.۷ مدولهای خط

اصلاحات راه آهن و سرمایه گذاری برای آن، افزایش بار محوری، به کار بردن آلیاژهای سبک مدرن و بهبود آلیاژها و عملیات، و تقویت زیرساخت ها را تشویق می کنند که همگی در بهبود بازده و پایداری خطوط راه آهن موثر هستند.