Привет, на связи Андрей Шведов, руководитель проектов ГРАН Груп.

Мы производим печатные платы — основу для сложной электроники метрополитена. На базе изготовленных нами плат работают системы управления, контроллеры для стрелок и переводов, датчики безопасности и телемеханика.

Вот и я сегодня добирался до работы на метро.

Турникет на входе мгновенно считал проездной с моего смартфона. На табло высветилось точное время прибытия следующего поезда — 1 минута 40 секунд. 

Прибывающий состав плавно затормозил точно у меток. Двери открылись, я вошел в просторный вагон с цифровыми экранами. Поезд тронулся так мягко, что я даже не почувствовал начала движения. Тут же я подзарядил свой смартфон и вышел в интернет почитать Хабр!

А ведь когда-то первые пассажиры лондонского метро задыхались от дыма паровозов и молились, чтобы поезда не столкнулись в темноте. За полтора века метро изменилось полностью. И электроника сыграла в этом большую роль.

В этой статье вы узнаете, как развивались технологии подземки от первых дымных туннелей до современных автоматических систем.

Дисклеймер: мы упростили описания, чтобы статья была интересна широкой аудитории.

1. Как решали первые технологические вызовы

Лондонское метро строили методом "cut-and-cover" — вскрывали улицы траншеями, укладывали рельсы и перекрывали сводами. Для этого приходилось закрывать дороги и сносить дома. Горожане страдали от шума и пыли. 

В викторианскую эпоху не было стандартов безопасности труда. Смертность рабочих на стройке была высокой. Однажды двое рабочих погибли от взрыва котла паровой машины, которая убирала грунт. Случались обрушения и затопления туннелей.

Инженер Джеймс Грейтхед создал гигантский металлический цилиндр с режущими кромками, который одновременно прорезал грунт и укреплял стенки туннеля чугунными кольцами. Рабочие находились внутри защищенной камеры и постепенно продвигали щит вперед, собирая за собой готовый туннель. Это позволило строить на большой глубине без нарушения поверхности города.

Поездки под землей были испытанием для пассажиров. 

Представьте: деревянные вагоны с газовым освещением тянут паровые локомотивы, которые выбрасывают клубы дыма прямо в туннель. Воздух был тяжелым, некоторые пассажиры жаловались на "подземную болезнь" — смесь клаустрофобии и удушья.

Люди боялись спускаться под землю, это казалось чем-то противоестественным. Газеты называли пассажиров "подземными путешественниками". Тем не менее, уже в первый день работы лондонское метро перевезло около 40 тысяч человек.

Инженеры стали искать решение для проблемы дыма. Сначала прорезали вентиляционные шахты через каждые несколько сотен метров. Этого было мало — в туннелях все равно скапливались удушливые газы.

В Нью-Йорке попробовали иной подход: построили экспериментальную пневматическую дорогу, где вагоны двигались за счет воздушного давления. Но эти меры не решали проблему полностью.

Прорыв случился с появлением электрической тяги. Дымные паровозы сменились электровозами. Никакого дыма, никакой копоти — только энергия электричества. К началу XX века все новые метрополитены мира строили уже электрическими.

Метро помогло городам расти вширь — люди селились в пригородах и быстро добирались до центра. В Лондоне метро связало удалённые районы с центром, и люди начали жить там, где жильё было дешевле.

Электрификация решила проблему дыма в туннелях и сделала поездки под землей комфортными. Так появился современный формат мегаполиса с маятниковой миграцией.

Появилась новая профессия — машинист электропоезда. Люди гордились своей работой: управлять "поездом будущего" считалось престижным. Но с ростом скорости и частоты движения от них требовалась невероятная внимательность — одна ошибка могла стоить жизни десяткам пассажиров.

2. Как научились не сталкиваться в темноте

В первые годы машинисты полагались на зрительные сигналы и расписание. Но в тесных туннелях не всегда видно, свободен ли путь впереди. Простая человеческая ошибка могла привести к катастрофе.

Первым шагом к решению этой проблемы стала электрическая блокировка. Система автоматически определяет, занят участок пути или нет.

Но что, если машинист проигнорирует сигнал? На этот случай изобрели механический стопор. При красном сигнале на рельсе поднимается специальный рычаг. Если поезд пытается проехать на запрещающий сигнал, этот рычаг ударяет по клапану под вагоном и принудительно включает тормоза.

Принцип "fail-safe" — безопасность при любом сбое. 

Если провода обрываются или отключается питание, сигнал автоматически становится красным.

Технические решения не всегда предотвращали трагедии. Катастрофа на лондонской станции Moorgate в 1975 году стала переломным моментом. Поезд на полной скорости врезался в тупиковую стену, погибли 43 человека. Расследование показало: машинист по неизвестной причине не затормозил. 

К 1978 году внедрили систему Trains Entering Terminal Stations (TETS), неофициально ее называют "Moorgate Protection". Эта система автоматически активирует экстренное торможение, если поезд приближается к тупиковой платформе на скорости более 20 км/ч. В тяговую систему поездов добавили резисторы, которые ограничивают ускорение при въезде на платформу.

Метро стало безопаснее и это изменило общественное восприятие. Если в начале XX века поездка под землей для многих была связана со страхом, то сегодня метро считается одним из самых безопасных видов транспорта.

3. Как сократили интервалы движения

Когда базовую безопасность обеспечили, встал новый вопрос: как увеличить пропускную способность? Города росли, пассажиров становилось все больше, а интервалы между поездами оставались большими.

Первым шагом в этом направлении стала система многовагонного управления. Она позволила машинисту из головного вагона контролировать тяговые двигатели всех вагонов. До этого длина поезда ограничивалась мощностью одного локомотива, это примерно 4 вагона. Теперь каждый вагон получил собственный двигатель, и машинист управлял ими синхронно из кабины.

Революция в сокращении интервалов началась с экспериментов по автоматизации. Первый прототип автоматического метро тестировали в Париже в 50-х годах.

Пассажирам даже позволяли нажимать кнопку старта на станции. Представьте, что обычный человек запускает многотонный состав нажатием одной кнопки. Это был смелый эксперимент, который повысил доверие людей к машинам.

Для безопасности испытания проводили на коротком изолированном участке пути. На борту находился обученный персонал, готовый в любой момент вмешаться в процесс.

Затем появилась первая полноценная автоматическая система в Барселоне. Однако технология того времени была несовершенной. Система использовала фотоэлектрические датчики для управления движением. Датчики были чувствительны к внешним условиям (пыль, плохое освещение), это вызывало сбои автоматики. Спустя десятилетие линию демонтировали.

Компьютеры оптимизируют движение лучше людей. Они точнее контролируют скорость, плавнее тормозят и разгоняются, строго выдерживают интервалы. С появлением компьютерного моделирования графиков движения стало возможно просчитать оптимальное расписание.

4. Как научились ездить без машинистов

Если компьютер лучше справляется с управлением поездом, нужен ли машинист вообще? Этот вопрос встал перед инженерами в 1970-х годах.

Беспилотные системы сокращают расходы на эксплуатацию. Экономия позволяет снижать тарифы или увеличивать частоту движения без роста цен для пассажиров.

Первое полностью беспилотное метро запустили в японском городе Кобе. Оно работало без машинистов, а на станциях стояли защитные платформенные ворота. Платформенные двери — это стена, которая отделяет пассажиров от путей. Двери открываются только когда поезд прибыл на станцию.

Пассажиры боялись садиться в "поезда-призраки". Местные СМИ месяцами освещали каждую поездку, доказывали безопасность. Операторы дежурили на каждой станции, успокаивая пассажиров. Потребовалось два года, чтобы люди привыкли доверять роботам свою жизнь.

Сегодня беспилотные линии метро есть в Париже, Лионе, Эр-Рияде, Ванкувере. В Москве в этом году начнут испытания беспилотных вагонов.

Эффективное метро влияет на весь город. Например, в Копенгагене автоматическое круглосуточное метро изменило ритм жизни города. Ночная экономика расцвела, появились новые возможности для работы и досуга.

Следующий этап — превратить весь метрополитен в единую систему, где каждый элемент обменивается данными с другими.

5. Как метро стало "умным"

К 1980-м годам метро столкнулось с новой проблемой: классические системы сигнализации достигли предела эффективности. В час пик поезда стояли в «пробках» под землей — старые рельсовые цепи не позволяли пускать составы чаще, чем раз в 2-3 минуты.

Цифровая революция в метро началась с применения технологии CBTC (Communications-Based Train Control) — системы управления на основе радиосвязи между поездами и диспетчерским центром.

Технология увеличила пропускную способность линий на 20-30% без прокладки новых путей. Например, в Сингапуре после внедрения CBTC станции стали принимать 36 поездов в час вместо 30. Время ожидания снизилось со 120 до 100 секунд.

Современное метро напичкано датчиками. Они контролируют состояние рельсов, колес, туннелей, эскалаторов. Искусственный интеллект анализирует данные и предсказывает возможные поломки до того, как они произойдут. Такое предиктивное обслуживание позволяет ремонтировать оборудование до аварии, а не после.

Цифровизация метро имеет и экологический эффект. В городах с развитой системой метро выбросы углекислого газа примерно на 50% ниже, чем без неё. В Токио метрополитен ежегодно уменьшает выбросы CO₂ примерно на 1,77 миллиона тонн — это около 3% от общегородских выбросов.

6. Что нас ждет в будущем

Метро продолжает эволюционировать.

В Саудовской Аравии строят футуристический город The Line со сверхскоростной подземной линией. Поезда на магнитной подвеске будут развивать скорость около 490 км/ч, преодолевая всю длину города всего за 20 минут.

При скорости до 75 км/ч они потребляют всего 0,05 кВт·ч на километр. Секрет в малом весе капсул — не более 200 кг. Для сравнения: один вагон метро весит 30-40 тонн. Кроме того, капсулы движутся по кольцевому маршруту без промежуточных станций и не тратят дополнительную энергию на разгон и торможение.

Туннели метро можно использовать эффективнее. В ночное время, когда пассажирское движение прекращается, по ним могут курсировать грузовые платформы, доставляя товары в магазины. Это разгрузит городские улицы от грузовиков.

Сейчас эта идея сталкивается с препятствиями: ночью метро обслуживают, а грузовая инфраструктура требует специальных погрузочных терминалов. 

Экологические инновации сделают метро полностью "зеленым". Рекуперативное торможение и перехват тепла позволят метрополитенам работать с нулевым углеродным следом.

Метро будущего окажет влияние на социальную структуру городов. Исследования показывают, что доступность метро повышает стоимость недвижимости. В крупнейших городах России квартиры в 10 минутах ходьбы от метро стоят в среднем на 28% дороже, чем в отдаленных районах.

Принципы, заложенные инженерами 150 лет назад, продолжают работать и сегодня, обрастая новыми технологиями. Новые разработки в электронике – это локомотив, который разгоняет развитие отрасли.

Спасибо, что прочитали!

У нас есть канал о печатных платах. Разбираем сложные технические вопросы, делимся экспертизой в производстве и проектировании. Выкладываем полезные материалы и руководства. Отвечаем на вопросы в комментариях. Некоторые темы, которые уже обсуждали:

• классы IPC, их отличия и схожесть с ГОСТ;

• концепция DFM при проектировании плат;

• проектирование HDI-плат и их особенности;

• финишные покрытия;

• возможности производств в целом.

Подписывайтесь, будет интересно.