Ferrocarril digital

Nadie había tenido la intención de hacer historia en los ferrocarriles el 5 de mayo de 1998. Es solo que había escasez de locomotoras en Phippsburg, CO. En lugar de las cinco locomotoras habituales, solo cuatro estaban disponibles para tirar de un tren de carbón de 108 vagones hasta Union Pacific Pendiente empinada de Toponas del ferrocarril en la ladera occidental de las Montañas Rocosas. Lo que siguió es, entre los constructores de locomotoras, legendario.

Las locomotoras eran gigantes de General Electric con un toque diferente: sus motores de tracción funcionaban con corriente alterna en lugar de con corriente continua. Al subir la pendiente de Toponas ese día, los trenes redujeron la velocidad a apenas perceptibles seis metros por minuto. Ningún ingeniero que se precie hubiera intentado un truco tan imprudente con los motores convencionales de corriente continua: las ruedas se habrían deslizado, el tren se habría parado y los propios motores se habrían frito como un huevo. Pero ninguna de esas cosas sucedió. De hecho, una investigación posterior mostró que las locomotoras habían estado produciendo más fuerza de tracción de la que se creía posible a esa velocidad. Esta hazaña de fuerza inició una transformación radical de los ferrocarriles, una revolución que se deriva directamente de los avances en la tecnología de la información.

Esta historia fue parte de nuestro número de marzo de 2002

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Tecnológicamente hablando, es difícil encontrar algo en el ferrocarril que no haya cambiado en la última década. Decenas de microprocesadores en las locomotoras diésel actuales hacen funcionar casi todos sus sistemas, desde la alimentación de combustible hasta el aire acondicionado de la cabina. Las líneas de postes que alguna vez pasaron por las ventanas de los trenes de pasajeros a alta velocidad están desapareciendo a favor de las comunicaciones por microondas o fibra óptica. Los nuevos sistemas experimentales de control y despacho pronto podrán informar a los ingenieros si están usando los ajustes de aceleración más eficientes en combustible.

Dígale trenes a la mayoría de la gente y ellos piensan en la variedad de pasajeros. Pero en Estados Unidos, los ferrocarriles de mayor impacto económico son los que transportan carga. Los ferrocarriles transportan el 25 por ciento de la carga estadounidense. Son sin duda la forma más eficaz de mover carbón, cereales y productos químicos a granel. Pero las compañías ferroviarias han tenido durante mucho tiempo una especie de relación de amor y odio con la tecnología de punta. Solo abandonaron las locomotoras de vapor de carbón, por ejemplo, cuando General Motors desarrolló el motor diesel-eléctrico y dio demostraciones en los ferrocarriles de todo el país en la década de 1940. E incluso entonces, muchos ferrocarriles se estancaron durante años.

Sin embargo, durante la última década, los ferrocarriles se han involucrado en su propia versión de una revolución de la información. La combinación de computadoras y sistemas inalámbricos brinda a los ferrocarriles una mayor capacidad de servicio al cliente y mejores controles de despacho y costos, además de prescindir de ejércitos de empleados. Charles Dettmann, vicepresidente ejecutivo de operaciones, investigación y tecnología de la Asociación de Ferrocarriles Estadounidenses con sede en Washington, DC, sostiene que la competitividad de los ferrocarriles, tal vez incluso su existencia, depende del uso que hagan de las tecnologías de la información.

Las compañías ferroviarias son muy difíciles de vender. Por lo general, estoy en la posición de empujarlos más lejos de lo que quieren, dice Carl D. Martland, investigador asociado senior del Centro de Estudios de Transporte del MIT y consultor de la industria ferroviaria. Insisten en saber que habrá un beneficio de productividad y solo llegarán hasta donde los lleve ese beneficio. Han hecho un muy buen trabajo al decir: '¿Esta tecnología me hace algún bien?'

Modelo de ferrocarril

Hace solo dos décadas, la cuenca del río Powder en el este de Wyoming era un desierto árido, sin árboles, con poca gente y sin industria. Pero la región tenía algo que, a principios de la década de 1990, Estados Unidos necesitaba de repente: mucho carbón con bajo contenido de azufre y de combustión relativamente limpia. De hecho, una gruesa veta de carbón se extiende bajo el tercio este de Wyoming. Y la única forma práctica de sacar tanto carbón de la remota cuenca del río Powder es por ferrocarril.

Los dos ferrocarriles que sirven al área, Union Pacific y Burlington Northern Santa Fe, han gastado más de $ 5 mil millones para construir el sistema ferroviario industrial más grande y moderno del país. Impulsada por el endurecimiento de las regulaciones sobre contaminación del aire, la demanda de carbón con bajo contenido de azufre ahora está creciendo más allá de los sueños más locos de cualquiera; un tramo de la línea se ha convertido en el primer tramo de ferrocarril de la historia que soporta más de mil millones de kilogramos al día.

Y debido a que el ferrocarril y las minas son nuevos, la operación de Powder River proporciona una pizarra limpia para la creación de la operación más eficiente posible, sin la carga de la infraestructura antigua y la tecnología obsoleta que los ferrocarriles a menudo han mantenido en funcionamiento. En ninguna parte se ven los trabajadores que una vez copiaron laboriosamente todos los números de automóviles y los enviaron por fax a la sede. A medida que cada tren vacío entra en la mina y sale cada tren cargado, los escáneres leen etiquetas de identificación automática, registran el número de cada vagón e informan los datos al Centro de Despacho Harriman de Union Pacific en Omaha, NE.

El Centro Harriman es el corazón de un ambicioso esfuerzo para dirigir todo un sistema ferroviario desde una ubicación central, para enviar trenes usando un programa de computadora que elige los puntos en los que se encuentran o pasan. El sistema Harriman controla el tráfico en más de 27.000 kilómetros de vías de Union Pacific en 23 estados, aunque los despachadores humanos pueden intervenir en cualquier momento si no están de acuerdo con las opciones de la computadora, y permite la coordinación, con días de anticipación, de los movimientos en el área. ferrocarril entero en lugar de en una sola línea o división.

Los trenes vacíos entran en el silo que contiene carbón de la cuenca del río Powder bajo el equivalente ferroviario del control de crucero. Los trenes llegan a 1,5 kilómetros por hora, velocidades que solo el ingeniero más hábil podría igualar a mano. Los conductos de carga computarizados llenan cada vagón con el peso planificado de carbón: 100.000 kilogramos, con una precisión de aproximadamente el 0,2 por ciento. Un tren se puede llenar con carbón en 45 minutos, o aproximadamente el doble de rápido que los cargadores automáticos anteriores.

Mientras los trenes de carbón salen de los campos de Powder River, las locomotoras hablan constantemente con la sede de Union Pacific en Omaha. El flujo de datos brinda una descripción de funcionamiento del estado del tren, según lo informado por una serie de sensores que monitorean, por ejemplo, la presión del aceite, la temperatura de operación, la potencia de salida y la tasa de uso de combustible. En los viejos tiempos (digamos, principios de la década de 1990), los ingenieros sabían que algo andaba mal con una locomotora solo cuando ya estaba en serios problemas. Ahí es cuando sonaban las campanas de alarma o el motor se apagaba repentinamente o comenzaba a fumar. Union Pacific está equipando toda su flota con computadoras a bordo que constantemente rastrean la ubicación y el estado de las locomotoras, y luego reportan esta información a un escritorio de mantenimiento en la sede.

Una vez que la flota está equipada, una locomotora determinada le indicará al centro de Omaha que tiene un problema mucho antes de que se lo diga al ingeniero. Los sensores generalmente deben detectar problemas cientos o miles de kilómetros antes de que se vuelvan lo suficientemente graves como para que el ingeniero los atienda. La información de que un motor está usando un 15 por ciento más de combustible de lo normal, por ejemplo, es de poca importancia para el ingeniero pero de gran interés para los técnicos de mantenimiento que monitorean la locomotora.

Instalar computadoras en locomotoras no es exactamente como colocarlas en el ambiente controlado de una oficina. La suciedad, las vibraciones y las temperaturas extremas de frío y calor son parte de la operación diaria de los ferrocarriles. Union Pacific experimentó durante meses con varios tipos de amortiguadores y material de control de vibraciones. Según el director de tecnología Lyden Tennison, se extrajeron lecciones de otra empresa que sabe un par de cosas sobre la adaptación de equipos de alta tecnología para condiciones inhóspitas. Aprendimos mucho de los militares, dice. Los técnicos de locomotoras se divirtieron al principio, por ejemplo, al saber que los militares mantenían los procesadores enchufados en sus enchufes bajo vibración constante atándolos con hilo dental. Divertido, pero impresionado: Union Pacific adoptó esta solución.

AC/DC

A lo largo de la era del diesel, las locomotoras funcionaban de acuerdo con un principio simple: un motor diesel hacía girar un generador que producía corriente eléctrica alterna, que luego se convertía en corriente continua para hacer funcionar los motores de tracción que impulsaban los ejes. El salto adelante que hizo posible que se elevara el grado de Toponas dependió de un cambio fundamental en la tecnología durante la década de 1990 de los motores de CC a los motores de CA. Este cambio ha sido posible gracias a la disponibilidad de microprocesadores rápidos y económicos.

La potencia tanto para una locomotora de CC como para una locomotora de CA comienza su camino hacia las ruedas de la misma manera. En ambos tipos, un motor diesel enciende un generador que produce energía CA, que luego se convierte en CC. (La potencia de CA de arranque, a una velocidad constante de 60 ciclos por segundo, podría hacer funcionar la locomotora a una sola velocidad). Aquí, sin embargo, las tecnologías divergen. En una locomotora de CC, la potencia de CC va directamente a los motores que hacen girar las ruedas. En un motor de CA, la corriente continua pasa a través de una serie de componentes controlados por computadora llamados inversores, que transforman la energía de CC en energía de CA. Esta CA, a su vez, se alimenta a los motores.

Los chips de computadora hacen que los motores de CA sean prácticos al regular el flujo de energía con una precisión imposible por cualquier otro medio. Los chips monitorean y controlan la CC que ingresa a los inversores y se aseguran de que entreguen la cantidad adecuada de CA a los motores de tracción. Esto no es poca cosa: cada inversor puede requerir hasta 500 comandos de encendido y apagado por segundo para regular el flujo de CA. Y aunque 500 comandos por segundo pueden parecer poco impresionantes en un día de chips de gigahercios, la comparación adecuada no es con otras computadoras, sino con seres humanos. Imagine a un ingeniero de trenes que intenta realizar 500 cambios en la posición del acelerador por segundo.

Los motores de CA son más robustos que sus primos de CC. Han sido sometidos a pruebas brutales que exigían la máxima producción de energía posible, a veces durante días y días. Esas pruebas fueron mucho más allá de lo que podría producir el peor entorno ferroviario, y los motores nunca estuvieron cerca de sobrecalentarse, según Michael E. Iden, director general de ingeniería de automóviles y locomotoras de Union Pacific. Siempre que el equipo funcione correctamente, los motores de CA nunca deberían quemarse, dice Iden. Muchos ferrocarriles incluso utilizan potencia de locomotora de CA, en lugar de frenos de aire, para mantener estacionarios los trenes en pendientes pesadas, dice Iden. Esta técnica, que evita el lento proceso de bombear los frenos de aire, freiría un motor de CC en minutos.

Más allá de su capacidad para tirar de cargas más pesadas, los motores de CA mejoran la eficiencia general. Cada rueda de la locomotora hace contacto con un área del riel no mayor que una moneda de cinco centavos. El porcentaje de peso en esa rueda que se convierte en fuerza de tracción se llama adherencia. Mientras que los mejores motores de CC pueden lograr una adhesión de aproximadamente el 30 por ciento, las locomotoras de CA aprovechan el control preciso por computadora de los motores de tracción para lograr una adhesión promedio del 34 al 38 por ciento; cada punto porcentual de aumento de adherencia proporciona la potencia de tracción para cinco carros de carbón adicionales completamente cargados.

Hacer pistas

Los trenes deben circular por vías, por supuesto. Y una vez colocados, el riel y las traviesas deben mantenerse e inspeccionarse. La tecnología de la información está desempeñando un papel transformador en este asunto tradicionalmente intensivo en mano de obra. Los últimos dos o tres años, por ejemplo, han visto el advenimiento de los sistemas de alineación de rieles que utilizan láseres para medir la distancia y la dirección. Luego, las computadoras calculan la curvatura y el ángulo de elevación correctos de una pista y envían la información a las máquinas que colocan el riel y las traviesas en su lugar. Lo importante es la capacidad de medir la geometría de las vías rápidamente, sin depender de la vista humana, dice Louis Cerny, consultor ferroviario independiente en Gaithersburg, MD.

Un trabajo de mantenimiento de rieles que requiere mucho tiempo, esparcir lastre de roca entre las vías, también está recibiendo una inyección de adrenalina. En junio, Herzog Contracting, una empresa de construcción de ferrocarriles con sede en St. Joseph, MO, entregó un nuevo tren de lastre a Union Pacific. La descarga de lastre de 60 vagones suele tardar al menos dos días; El tren de Herzog hace el trabajo en 30 minutos. A medida que el tren avanza, las computadoras guiadas por satélites del sistema de posicionamiento global deciden qué puertas de los vagones abrir y cuánto lastre bombear (incluso interrumpiendo el flujo en los cruces de carreteras).

Avances similares están ayudando a la inspección de vías. Este trabajo fue una vez el dominio de un caminante de vías solitario, que llevaba algunas herramientas pesadas, que caminaba a lo largo de la vía para ver si se estaba moviendo, o si las púas se estaban saliendo o las juntas de los rieles se flexionaban demasiado. Lo último en inspección automatizada de vías es un sistema entregado en 1999 a la Administración Federal de Ferrocarriles por Plasser American, un fabricante de carros de inspección, y Ensco, un fabricante de hardware y software de inspección de ferrocarriles. Esta masa autopropulsada de sensores y computadoras, que avanza a una velocidad de hasta 145 kilómetros por hora, genera lecturas del estado de la vía y envía tripulaciones a las ubicaciones de cualquier problema. La mayoría de los principales ferrocarriles de carga de los Estados Unidos están utilizando estos vagones ahora o los han pedido.

Ensco también ha desarrollado sistemas de monitorización remota que se pueden instalar en cualquier vagón o locomotora. Los sistemas, ahora en servicio para Amtrak y varios ferrocarriles de cercanías, evalúan continuamente las anomalías de las vías, la calidad del viaje y la salud mecánica de una locomotora. Cuando aparece un problema, los monitores envían una alarma vía satélite o enlace inalámbrico terrestre. A continuación, se puede acceder a la información detallada sobre el problema y su ubicación exacta a través de Internet. Otro equipo de inspección nuevo utiliza visión computarizada para buscar defectos en las mangueras de los frenos de aire entre los automóviles. Los láseres pulsantes, que se despliegan en forma de tarta, pueden producir con precisión una imagen de la rueda mientras rueda, registrando defectos de la superficie mejor que un inspector experimentado cuando la rueda está parada. Todos estos detectores están diseñados para informar puntos problemáticos a la tripulación del tren o al despachador antes de que un pequeño problema crezca y provoque un accidente.

Abajo de la línea

Con el costo de la tecnología en constante caída, los ferrocarriles pueden estar preparados para otra ronda de automatización. El primer candidato es una idea que los ferrocarriles han rechazado hasta ahora denominada control positivo de trenes. Las computadoras que controlan el acelerador y el freno de una locomotora estarían equipadas con receptores de sistema de posicionamiento global que les dicen exactamente dónde están y qué tan rápido van. La modificación se propuso originalmente como una mejora de la seguridad, para evitar colisiones: si un ingeniero pasaba a toda velocidad una señal de parada, el sistema indicaría a la computadora que redujera la velocidad o detuviera el tren. Sin embargo, esa aplicación no logró convencer a los ferrocarriles. Hubiera costado mucho dinero una mejora mínima de seguridad y, por lo tanto, no fue rentable, explica Martland del MIT.

Pero muchos funcionarios ferroviarios están comenzando a comprender el caso comercial del control positivo de trenes: la misma tecnología proporciona actualizaciones continuas sobre la ubicación de cada locomotora en el ferrocarril. La tecnología avanzada de seguimiento y control ya está instalada en los trenes de pasajeros de alta velocidad, como los de la línea de Boston a Washington. La tecnología también está en desarrollo en varias empresas, principalmente Union Switch and Signal con sede en Pittsburgh.

Combinar satélites con computadoras para controlar la velocidad de un tren es solo un paso hacia una operación completamente automatizada por computadora. Los subterráneos operan habitualmente de esta manera; el conductor va a dar el paseo. Pero un tren de carga no es tan simple como un metro. Un tren largo puede estar subiendo un grado y descendiendo otro al mismo tiempo, por ejemplo. Y cada tren de mercancías tiene sus propias características de frenado, que un ingeniero debe dominar rápidamente; el mal manejo de un tren puede causar daños graves, como acoplamientos rotos e incluso descarrilamientos. Sin embargo, algunos ferrocarriles están experimentando con computadoras que pueden aprender las características de un tren tan rápido como un ingeniero. Por ejemplo, las computadoras han tomado el control de trenes de minerales pesados ​​en Minnesota, operando de manera eficiente y deteniéndose sin problemas en las señales rojas.

El siguiente paso lógico es el funcionamiento completamente automático, con un ingeniero a bordo solo como monitor. Si bien la tecnología para implementar esto existe en gran medida, otros factores se erigen como barreras. Los elevados costos iniciales, por ejemplo, desalientan a los ferrocarriles de instalar nuevos sistemas que no brindan un beneficio final obvio. La seguridad es otra preocupación; Los sistemas de control automatizados deben demostrar que son extremadamente confiables antes de que se pueda confiar en ellos para reemplazar a los operadores humanos, y no es hasta que tal sustitución sea posible que la tecnología tenga una gran recuperación económica.

La informatización ya ha hecho posible que los ferrocarriles funcionen con menos personas. Los desarrollos más recientes representan un asalto a los trabajos de las dos personas más importantes que manejan un tren: el maquinista y el conductor. Y el despliegue requiere renegociar los contratos con los sindicatos que representan a los trabajadores a quienes los nuevos sistemas podrían desplazar.

Parece que el largo ascenso por la pendiente de Toponas es solo el comienzo de un viaje acelerado hacia un futuro automatizado por computadora. Dice Iden de Union Pacific: Estamos empezando a aprovechar los beneficios de la tecnología.

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