Железнодорожный транспорт России иногда называют государством в государстве. Тем самым не только подчеркивают важность его для грузовых и пассажирских перевозок, но и отдают должное сложным техническим системам, которые созданы на железной дороге для обеспечения безопасности движения поездов. Судите сами: у нашей страны действуют семнадцать железных дорог. Они протянулись от Калининграда, где в условиях анклава работает самая западная магистраль, до Тихого океана, ставшего в последнее время зоной особого притяжения. Транспортно-логистические коридоры между странам Юго-Восточной Азии и Западной Европы благодаря уникальной территории России являются самыми короткими и безопасными. Эксплуатационная длина главных путей общего и необщего назначения превышает 120 тысяч километров, на них расположены десятки крупнейших станций, сотни вокзалов обеспечивают надежную перевозку грузов и пассажиров.

Десятки машиностроительных предприятий, входящие в два крупнейших холдинга – «Трансмашхолдинг» и «Синара-Транспортные Машины», производят всю необходимую технику, работающую на железной дороге. Электровозы и тепловозы, пригородные электропоезда, путевая и диагностическая техника – весь этот перечень составляет номенклатуру производства заводов, расположенных по всей стране. Многие локомотивы и другая техника поставляется на экспорт, поскольку в мире высоко ценится надежность, экономичность и ремонтопригодность российских машин.

У РЖД имеется и собственная ремонтная база, на которой проводится обслуживание, плановые и внеплановые ремонты подвижного состава. Это позволяет поддерживать технику в рабочем состоянии на протяжении всего жизненного цикла.

Ну и конечно, у отрасли имеются кузницы инженерных и рабочих кадров. Подготовкой специалистов для железных дорог занимаются семь высших учебных заведений, у которых имеются филиалы в нескольких городах, а также в университетские комплексы входят колледжи, которые готовят представителей рабочих специальностей.

Не забыта и отраслевая наука. Традиционно проблематикой железных дорог, созданием новой техники и технологий занимаются научно-исследовательские и проектно-конструкторские институты. В подмосковной Щербинке действует уникальное Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ, на котором проходят апробацию вся новая техника. Кольцо позволяет испытывать новые образцы с имитацией любых условий эксплуатации, а окончательную проверку локомотивы и вспомогательная техника проходит на выделенных участках реальных магистралей. Такая практика позволяет в полной мере оценить качество конструкторской разработки, выявить скрытые проблемы, определить рабочий ресурс машин. Благодаря работе ученых и конструкторских коллективов, сегодня Российские железные дороги являются одними из лучших в мире по безопасности движения поездов. А многие инновационные разработки находятся на уровне лучших мировых образцов или формируют этот уровень. Это касается, прежде всего, систем управления движением поездов, автоматизированных комплексов управления производством, уникальных систем, повышающих уровень использования возможностей инфраструктуры. Чуть ниже мы обязательно расскажем о некоторых из таких систем, которые не имеют аналогов в мире.

Давайте попробуем с вами отправить в поездку обычный поезд. Если бы у нас была игрушечная железная дорога, мы бы выбрали локомотив – тепловоз или электровоз – и поставили его на рельсы. Узнали бы о количестве и назначении вагонов, из которых сформировали состав. В локомотивном депо получили бы маршрутный лист со станцией отправления и назначения. Прицепили бы локомотив к вагонам, соединили воздушную тормозную магистраль с локомотивом для управления тормозами. И, получив разрешение в виде зеленого огня светофора, начали движение.

Весь путь от пункта А до пункта Б разбит на своеобразные участки. Они называются блок-участками, и их назначение напрямую связано с управление движением поездов. Длина каждого блок-участка определяется несколькими факторами. Прежде всего, он должен обеспечить безопасное торможение и остановку при следовании с максимально разрешенной скоростью. Каждый такой блок-участок ограничивается светофором.

Сигнальные огни указывают машинисту состояние впереди лежащего пути. Если горит зеленый, значит, впереди свободны от двух и более блок-участков. Желтый свет предупреждает, что впереди участок свободен, а дальше занят другим поездом. И машинист обязан снизить скорость и быть в готовности остановить состав. Устройства безопасности на локомотиве реагируют на такие команды и в случае необходимости автоматически включают экстренное торможение.

В условиях плохой видимости или кривых поворотов железнодорожного пути машинист руководствуется показаниями локомотивного светофора, который дублирует показания напольных устройств.

Будем считать, что мы благополучно проехали весь маршрут на зеленый свет, поблагодарили поездного диспетчера за «зеленую волну» и въехали на станцию назначения. Здесь с нашим поездом могут быть или простая стоянка, или расформирование. Если мы следуем дальше, и у локомотивной бригады не превышено рабочее время, мы снова отправляемся в путь. А если составу предстоит переформирование, то мы отцепляемся от переднего вагона и следуем в депо. Наш поезд маневровый локомотив повезет на сортировочную горку, на которой и произойдет составление новых поездов.

Горочный комплекс – особое хозяйство. Это, как правило, несколько путей, на которые по стрелочным переводам могут с горки скатываться вагоны. Они движутся самостоятельно, замедляются особыми устройствами, чтобы не в стоящий вагон. Автосцепка может не выдержать такого удара. При ручном труде вагоны с горки останавливали специально обученные работники – башмачники. Они на ходу подставляли под колесную пару тормозной башмак – устройство, на которое колесо заезжало и своим весом прижимало к рельсу. Вагон останавливался. Сегодняшние горочные комплексы полностью автоматизированы. Участки торможения обеспечивают плавное движение вагонов, а маневровые локомотивы управляются без машиниста с единого диспетчерского пункта.

То, что мы сейчас проделали с нашим поездом, это вчерашний день стальных магистралей. Учитывая масштаб Российских железных дорог, большое количество разнообразной техники, работающей на них, руководство ОАО «РЖД» в 2010 году приняло решение о создании уникальной, единственной в своем роде Единой корпоративной Системы управления на железнодорожном транспорте (ЕК ИСУЖТ). Ее разработка была поручена Научно-исследовательскому и проектно-конструкторскому институту информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (НИИАС). Предстояло охватить цифровыми технологиями весь железнодорожный комплекс. Концептуальная идея была взята из опыта строительства сетецентрической системы управления Вооруженными Силами РФ. Сетецентризм предполагает, что каждый объект (вооружение, разведданные, личный состав, материальные ресурсы, связь) объединен защищенной системой высокопроизводительной связи. Его элементы дают точную картину на поле боя и помогают, а иногда и выполняют это в автономном режиме, в выработке командного решения.

Вот такая система и была предложена руководству РЖД. У железнодорожного транспорта уже существовала система вычислительных комплексов, связанных волоконно-оптическими линиями связи, также была внутренняя сеть интранет, которая была надежно закрыта от несанкционированного доступа. Все производственные подразделения были соединены в единую информационную среду и имелись прикладные программы по управлению всеми рабочими процессами: подготовкой маршрутов, подвязкой локомотивов и локомотивных бригад, планированием планово-предупредительных ремонтов. Более того, были созданы на основе интернета вещей «умный локомотив», «умная станция», «умный вокзал». А ряд промышленных предприятий машиностроительного комплекса уже перешел на технологию «цифровых двойников». Оставалось создать единую систему, которая была бы в состоянии агрегировать все эти данные и выдать их на табло коллективного пользования.

Элементы ИСУЖТ стали тестировать на пригородных поездах Московского центрального кольца и на Восточном полигоне, где были задействованы многие инновационные технологии, часть из которых мы увидели в предыдущих главах. Компьютеру оказалось по силам не просто выделять ту или иную бригаду для поездки, но и управлять графиком движения поездов. В Центре управления движением создан громадный экран, на который выводится вся актуальная информация по сети железных дорог. На нем показаны абсолютно все поезда, двигающиеся на громадном пространстве семнадцати железных дорог. Диспетчеры одним кликом могут раскрыть информацию о каждом поезде, узнать состояние груза, спрогнозировать работу сортировочных станций или станций переформирования составов. Как было написано в одном из отраслевых технических журналов: с такой системой можно управлять государством.

В НИИАС, где мне довелось работать более десяти лет, в одном из залов смонтирован громадный экран, на который дублируется поездная обстановка на МЦК. Каждая «Ласточка» обозначена своим знаком, а проходные сигналы светофоров показывают занятость участков. Что-то подобное можно увидеть на смартфоне в приложении, если кликнуть по кнопке «Транспорт». Но железнодорожники при этом могут и оперативно управлять движением поездов, потому что это инструмент управления, а не симулятор.

И еще об одной уникальной разработке хотелось бы рассказать. Называется она сокращенно КСПД ИЖТ, а расшифровывается как «Корпоративная система пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта». Как она работает, мы сейчас и узнаем. Несколько десятилетий назад в Советском Союзе в интересах народного хозяйства была создана спутниковая группировка, с помощью которой собиралась информация о посевных площадях страны, лесных угодьях. Ее основа была использована также для составления кадастра всех регионов Российской Федерации. Для железнодорожного транспорта такая цифровая основа была чрезвычайно важна. Она позволила составить карту со всеми объектами железных дорог: пути, станции, полосы отвода, инженерные сооружения. Рельеф местности, состав грунтов, наличие рек, водоемов и многое другое входило в перечень данных. Значение такой цифровой карты трудно переоценить. И вот почему.

При строительстве любого объекта, и не только на транспорте, первыми по новому маршруту отправляются изыскательские партии. Они ногами проходят по всему будущему пути, делают топографическую съемку, помечая холмы и впадины, естественные преграды. Геологи исследуют почву, чтобы понять, как поведет себя балластная насыпь, на которой будут уложены шпалы и рельсы. Что происходит весной при таянии снегов или разливе рек. Ведь шалая вода легко размоет насыпь, и возможно проседание, а то полное разрушение пути.

Тут и пригодилась детальная космическая съемка местности, выполненная спутниками дистанционного зондирования Земли (ДДЗ). На спутниковым снимках наглядно видны и рельеф местности, и ее состояние в любое время года. А самое главное, что каждая точка имеет четкую пространственную привязку – точные географические координаты. Раньше при составлении подробных топографических карт в качестве опорных точек использовались так называемые тригонометрические (триго) пункты. От их реального положения отсчитывались все расстояния, делалась привязка к местности. Теперь же при проектировании новой магистрали инженеру достаточно лишь наметить оптимальный маршрут, а система сама выполнит все необходимые расчеты. Их данные вводятся, к примеру, в память путевой машины строительно-монтажного поезда, и громадная машина сама будет двигаться, корректируя по спутниковой навигации свой путь на местности. Более того, рельсовый поезд уложит рельсо-шпальную решетку точно в проектное положение. Будет учтено и наличие кривых, и строительство мостов и тоннелей, и даже превышение наружного рельса для четкого вписывания поезда в кривую. Эти же данные затем будут введены в бортовые компьютеры путевой техники, которая будет обслуживать участок, выполнять необходимый ремонт пути, очистку щебня, подбивку балласта. И все это в полностью автоматизированном режиме. КСПД ИЖТ используется и при сооружении новых объектов вблизи железной дороги. Это необходимо для точного соблюдения всех требуемых габаритных ограничений.

Мы вкратце затронули вопросы обеспечения железной дороги тягой. Три традиционных вида тяги обеспечивали весь комплекс магистральных и местных перевозок, маневровую и вывозную работу, дальние и пригородные пассажирские перевозки. Вторым обязательным элементом является путь. Рельсы необходимы поездам и к качестве направляющих для каждого маршрута, и, собственно, для принятия той громадной нагрузки, с которой вагонные колеса давят на путь. Если задаться вопросом: «что нам стоит путь построить?», то даже простое перечисление элементов, из которых формируется железнодорожный путь, можно насчитать больше десятка. Прежде всего, это балластная призма. Она является тем фундаментом, на который затем укладывается рельсо-шпальная решетка. Форма расширенной внизу призмы была выбрана не случайно.

Такая насыпь меньше оседает, а значит, путь будет более устойчивым. Состоит балластная призма из земли, песка, щебня, которые плотно утрамбовываются. И уже на эту основу монтируется путь. На заре железнодорожного строительства путь строили вручную. И это был очень тяжелый труд. Он описан во многих литературных произведениях, взять хотя бы стихотворение Николая Некрасова «Железная дорога».

Шпалы, которые подкладывают под рельсы, воспринимают на себя усилие от колесной пары. За счет большей ширины, они не позволяют рельсам утопать в балласте. Как правило, для изготовления шпал используют древесину хвойных пород, которые более устойчивы к гниению. Для большей защиты дерево пропитывают специальными растворами, подобно пинотексу. Лучшим материалом для таких шпал считается, и не без основания, сибирская лиственница, древесина которой при нахождении в воде становится еще прочнее. Два века назад именно сибирские деревья спасли прекрасную Венецию от погружения в пучину вод. Сотни тысяч свай, изготовленных из лиственницы, были забиты в грунт, и на этом фундаменте стоят современные и старинные дома, мимо которых на гондолах проплывают жители города и его многочисленные гости…

Чтобы рельс не разрушил древесину, под него подкладывают специальную металлическую подложку. В деревянные шпалы забивали особые громадные гвозди – костыли, которые проходили сквозь подложку и крепко удерживали подошву рельса. Сегодня уже почти не встретишь на магистральных линиях деревянные шпалы. Их заметили железобетонные. Во-первых, это прочно и долговечно, во‐вторых, технология скрепления при помощи болтов или пружинных скреплений намного упрощают замену вышедшей из строя шпалы. Технология изготовления железобетона учитывает даже условия, в которых будет работать путь. Для Северного широтного хода, построенного в условиях Крайнего Севера и резко континентального климата, разработаны особые «северные» шпалы, которые переносят температурные колебания и не разрушаются от погодных аномалий.

Итак, мы насыпали балластную призму, утрамбовали щебень, уложили рельсошпальную решетку. Теперь можно соединить между собою рельсы при помощи накладок и на путь можно выпускать поезд.

Кому-то может повезти увидеть современный способ строительства железнодорожного пути. Или хотя бы посмотреть сюжет по телевизору о прокладке новых магистралей. Вы увидите длинную машину, в которой собраны сразу несколько механизированных агрегатов. Одни как экскаватор формируют земляную насыпь, вторые засыпают песок и щебень разных фракций, третьи при помощи вибраторов трамбуют будущую призму, а монтажный поезд подает при помощи крана собранные рельсошпальные решетки длиной в пятьдесят метров. Рабочим-путейцам остается только пневматическим инструментом завернуть гайки – и путь построен.

Осталось построить станцию, на которой поезд может сделать остановку или произойти переформирование состава. Станции – это особые хозяйства в большом железнодорожном «государстве». Длина их путей должна быть достаточной для размещения самого длинного состава. Переход с основного пути на станционные производится по стрелочным переводам, хорошо известным каждому из нас. Благодаря нескольким расположенным друг за дружкой переводам поезд может с главного пути попасть на самый дальний путь отстоя. Рядом с крупными сортировочными станциями строят и сортировочные горки, о которых вы уже узнали.

Таковы основные элементы железной дороги – подвижной состав (локомотивы и вагоны) и путь. Но в предыдущих главах было рассказано о первых крушениях на железной дороге. Значит, нельзя забывать об управлении движением и вообще о безопасности работы транспорта.

На железной дороге разработаны детальные Правила технической эксплуатации. В них кратко изложены требования и нормативы, по которым живет и работает железная дорога. Часть этих правил, как и воинские уставы, действительно, написана кровью, тем обязательнее они для исполнения.

Как известно, весь многокилометровый путь каждой магистрали разбит на участки. Во времена парового движения это делалось для сооружения водоразборных колонок, через которые тендер заполнялся водой. Здесь же были устройства для подачи угля на паровоз. Чтобы точно знать местонахождения поезда каждый участок делился в свою очередь на более мелкие участки, которые нумеровались пикетными столбиками. Для организации безаварийного движения необходимо обеспечить свободное пространство перед идущим поездом. Оно должно быть не меньше тормозного пути поезда, идущего по участку с установленной скоростью. Каждый такой отрезок пути называется блок-участком и ограничивается особыми сигналами, на которые ориентируется машинист поезда. С изобретением телеграфа на каждой железнодорожной станции был аппарат Морзе или буквопечатающие устройства. Через них делались запросы на движение и занятие перегона. Когда был создан телефон, начальник станции связывался с соседями и разрешал или запрещал движение поезда. Сегодня уже практические невозможно увидеть семафоры – рукастые указатели, которые то поднимают руку вверх, разрешая проезд, то опускают ее параллельно земле, и тогда машинист понимает, что путь закрыт, и начинает торможение. Ушла в прошлое и электрожезловая система, которая исправно служила пропуском на участок. Вместо семафоров на современной железной дороге устанавливаются светофоры, которые горят днем и ночью. Сигнальные огни передают достаточно много информации. Например, зеленый свет означает, что путь свободен, и поезд может следовать вперед с разрешенной скоростью. Желтый огонь предупреждает машиниста о необходимости остановки. А красный запрещает всякое движение.

Эти три классических цвета дополняются другими огнями. Например, желтым мигающим, зеленой или желтой полосой. Они расширяют командный язык светофоров и позволяют обозначать обстановку более точно.

Вдоль железнодорожного полотна можно увидеть и другие сигналы. Это низкие напольные маневровые светофоры, которые горят синим или белым светом. Они помогают локомотивной бригаде маневровых тепловозов двигаться в пределах вокзалов или грузовой станции, сортировочной горки.

Современные железные дороги используют самые последние достижения техники для обеспечения движения поездов. Большим подспорьем машинисту в шестидесятые годы прошлого столетия стали поездные радиостанции. При помощи радио диспетчеры могли передавать на локомотив необходимую информацию, а машинист мог информировать о состоянии пути или локомотива. Ведь на участке могло произойти все что угодно. Иногда нарушался рельсовый путь. Во время дождей балластную призму могло размыть потоками воды, и тогда рельсошпальная решетка теряла опору и могла зависнуть над поверхностью. Это угрожало поломкой рельса и крушением поезда. Радио в таком случае становится необходимым источником достоверных сведений, передаваемых локомотивной бригадой диспетчерам.

Совершенствуя систему связи, на железных дорогах активно применяется сотовая связь. По мобильным каналам помимо голосовых сообщений на подвижной состав передаются управляющие команды, особенно это важно при движении в условиях ограниченной видимости или при технологии вождения по системе многих единиц. Частотный диапазон системы GSM-R позволяет использовать все возможности мобильной связи – от голосовых сообщений до документооборота.

В последние годы эффективно используются и спутниковые технологии. Благодаря орбитальной группировке ГЛОНАСС локомотивы получили надежную навигационную систему с точной привязкой к местоположению. Спутниковая антенна, установленная на тепловозе или электровозе, ловит сигналы и по ним определяет координаты локомотива с точностью до десятков сантиметров. Такая технология позволила создать систему интервального регулирования движения поездов (СИРДП). Суть ее заключается в том, что спутниковая навигация не только отслеживает местоположение поезда, но и дает его точную скорость движения. И если такая же система смонтирована и на следом идущем поезде, то два состава могут двигаться так же синхронно, как движутся автомобили в сплошном потоке на городских улицах.

В этом случае наличие свободных участков, находящихся впереди состава, не играет особой роли, потому что два машиниста точно выдерживают скорость и дистанцию друг от друга. Система СИДРП позволила на наиболее грузонапряженных участках перейти на бессветофорную сигнализацию. Она успешно опробована на нескольких участках Восточного полигона и обеспечила увеличение пропускной способности магистрали до 20 %! Это значит, что каждый пятый поезд может быть высвобожден из рейса. А за этим стоит и пробег локомотива, и работа локомотивной бригады, и снижение затрат на обслуживание и ремонт техники, которая меньше расходует моторесурс.

Спутниковая связь помогает и еще в одном важном деле. Оползни стали настоящим бедствием для одного из участков Северо-Кавказской железной дороги. На полигоне от Туапсе к Сочи железнодорожная линия проходит буквально у самой кромки моря. С другой стороны высятся каменистые склоны. По своим геологическим свойствам это остатки старых гор, некогда поднявшихся из морской пучины. Скальный грунт очень рыхлый, из-за чего здесь бывает сильная эрозия после каждого дождя. Грязевые потоки устремляются вниз, к морю, а там лежит железнодорожный путь…

Благодаря спутникам специалисты РЖД регулярно следит посредством технологий дистанционного зондирования Земли за состоянием склонов. В случае возникновения опасного схода селевых потоков или обвалов оперативно принимаются меры по предупреждению аварий или восстановлению движения поездов.

В последние годы все активнее стали использовать беспилотную авиацию для контроля за состоянием инфраструктуры. Установленная на БПЛА оптическая и измерительная аппаратура позволяет визуально осматривать не только железнодорожный путь, но и состояние контактной сети, строения, примыкающие к зоне отчуждения или выполняющие технические функции, например, электросетевое оборудование, подстанции, релейные шкафы и напольные устройства. Температурные датчики фиксируют рабочий режим оборудования, и все это без активного вмешательства человека.

На линию иногда выходит специальная техника, которая проводит диагностику пути, рельсосмазыватели покрывают поверхность рельса специальной смазкой, которая уменьшает износ гребня колесной пары, особенно в кривых. Это тот самый случай, когда смазка помогает делу.

Некоторые компании производят вагоны-лаборатории, оснащенные самым современным диагностическим оборудованием, которое проверяет состояние рельсового пути на большой скорости и передает данные в службу пути. Там инженеры знакомятся с результатами исследований и принимают управленческие решения по обслуживанию того или иного участка. Все данные от больших диагностических комплексов до переносных устройств оцифровываются и поступают в единое хранилище данных, где агрегируются и хранятся длительное время. Поддержание инфраструктуры железных дорог в рабочем состоянии – задача весьма сложная. Даже для самой совершенной техники имеются технологические регламенты, позволяющие на протяжении жизненного цикла поддерживать ее в исправном состоянии. В настоящее время в инфраструктуре ОАО «РЖД» стоимость содержания основных фондов достигает 30 % от суммы всех расходов железнодорожного транспорта. Следовательно, оптимизация расходов на содержание инфраструктуры является одной из ключевых задач. В ОАО «РЖД» создана Единая корпоративная автоматизированная система управления инфраструктурой (ЕК АСУИ) – человеко-машинная система, обеспечивающая эффективное функционирование объекта, в которой сбор и обработка информации осуществляется с применением средств автоматизации и вычислительной техники. ЕК АСУИ является единои информационнои моделью для всех инфраструктурных хозяйств, в том числе и хозяйства пути и сооружений.

Благодаря высокоточным и производительным устройствам неразрушающего контроля эксплуатационникам удается заблаговременно выявлять возникающие дефекты, оценивать возможное развитие неблагоприятных факторов, локализовать точки «SOS» и передавать данные в обслуживающие подразделения для последующего устранения. Современное диагностическое оборудование обладает целым рядом технических возможностей, которые обеспечивают точную локализацию дефекта, выявляют скрытые факторы, способные вывести из строя железнодорожную технику, фиксируют, обрабатывают и передают результаты измерений.

И коль речь зашла об информационных технологиях, самое время рассказать о цифровизации железнодорожной отрасли, без которой невозможно движение в завтрашний день.