ระบบอาณัติสัญญาณ (signalling) ของรถไฟ ... อธิบายง่ายๆ แบบให้เด็กประถมเข้าใจ

　ที่ผ่านมาได้แนะนำความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับรถไฟสองเรื่อง คือ ระบบขับเคลื่อนของรถไฟ (รู้จัก Locomotive / Multiple Unit) และ ระบบจ่ายไฟฟ้าของรถโดยสาร (รู้จัก รถไฟฟ้ากำลัง) ซึ่งพยายามอธิบายให้ท่านที่ไม่มีพื้นฐานด้านรถไฟมาก่อนเข้าใจได้ครับ

　วันนี้ก็จะขออธิบายอีกเรื่องหนึ่งคือเรื่องระบบอาณัติสัญญาณ (signalling) พูดง่ายๆ คือไฟจราจรสำหรับรถไฟโดยเฉพาะนั่นเอง ซึ่งจะขอเล่าเรื่องไปตามวิวัฒนาการของรถไฟด้วย เพื่อให้เราทำความเข้าใจในความเป็นมาและการพัฒนาของระบบ signalling ครับ

ทางรถไฟ ทางเดี่ยว ทางคู่

　ในการก่อสร้างทางรถไฟ ถ้าทำทางรถไฟสองเส้นคือขาไปกับขากลับได้ก็จะเป็นการสะดวก แต่ในการก่อสร้างทางรถไฟก็ต้องใช้พื้นที่และทรัพยากร บางทีก็ผ่านหุบเขาไม่มีที่กว้างพอสำหรับสองราง สมัยก่อนจึงมักทำแค่ทางเดี่ยว (single track) แล้วให้รถไฟสวนกันที่สถานีระหว่างทาง (ซึ่งก็เพียงพอเพราะรถไฟหนึ่งขบวนก็เทียบได้กับรถเป็นสิบๆ คันเลย)

　ระหว่างสถานี A กับ B เป็นทางรถไฟแบบทางเดี่ยว โดยแต่ละสถานีมีทางหลีก (side track) มีรถไฟ 2 ขบวนกำลังจะวิ่งจาก A ➔ B และตรงข้ามกัน B ➔ A เพราะรถไฟสวนกันกลางทางไม่ได้ ฉะนั้นขบวนหนึ่งจะต้องรอให้อีกขบวนหนึ่งไปก่อน สมมติว่าให้ขบวน B ➔ A วิ่งมาถึง A ก่อน จากนั้นอีกขบวนที่จอดรอจึงจะมุ่งหน้าไปยัง B ได้

　ในกรณีนี้เราจะรู้ได้อย่างไรว่าระหว่าง A กับ B มีรถไฟอยู่ระหว่างทางหรือไม่ ก็คงจะต้องมีการส่งสัญญาณระหว่างกันและกัน ซึ่งสมัยที่ยังไม่มีโทรศัพท์หรือวิทยุแบบปัจจุบันจะใช้สัญญาณกายภาพ คือ "ตราทางสะดวก" (token) โดยรถไฟต้องรับ token จากสถานีหนึ่งแล้วไปส่งที่สถานีถัดไป

　ลักษณะคล้ายกับการวิ่งผลัด แต่จะเป็นการส่งไม่กลับไปกลับมา ระหว่างสถานีก็จะมีไม้ผลัดเพียงอันเดียว ถ้าไม่มีไม้ผลัดอยู่ที่สถานี แสดงว่ามีรถไฟวิ่งอยู่ระหว่างสถานี ก็ต้องรอจนกว่ารถไฟขบวนนั้นจะเอานำ ไม้ผลัดนั้นมาส่งจึงจะมั่นใจได้ว่าระหว่างทางไม่มีรถไฟแล้ว รถไฟที่รอหลีกอยู่จึงออกจากสถานี A เพื่อเดินทางไปยัง B ได้อย่างปลอดภัย

　เราอาจจะเคยได้ยินคำว่า "ห่วงทางสะดวก" เพราะ token นี้มีหน้าตาเป็นห่วงเพื่อให้คนขับรถไฟหยิบจับหรือโยนคล้องกับเสาได้ง่าย แต่สาระสำคัญจริงๆ จะเป็น tag หรือลูกโลหะที่อยู่ที่ปลายห่วงซึ่งจะมีการสลักข้อมูลสำคัญของช่วงเส้นทางนั้นไว้ครับ

รถไฟทางคู่... ที่เป็นได้มากกว่าแค่รถวิ่งสวนทางกัน

　เมื่อมีความต้องการทางรถไฟมากขึ้น ก็ได้เวลาทำให้เป็นทางรถไฟทางคู่ (double track) คราวนี้รถไฟก็ไม่ต้องรอหลีกทางกันที่สถานีอีกต่อไป

　รถไฟไม่ต้องรอทางกันแล้ว ฉะนั้นก็ไม่ต้องมีตราทางสะดวกสำหรับรถไฟทางคู่แล้วใช่หรือไม่? แต่ลองคิดอีกที ถ้าสมมติว่ารถไฟสองขบวนกำลังวิ่งตามกันไปในทิศทางเดียวกัน เราจะมั่นใจได้อย่างไรว่ารถไฟจะไม่ไปชนท้ายรถไฟคันหน้า หรือถ้ารถไฟคันหลังอยากจะวิ่งแซงรถไฟคันหน้าสามารถทำได้หรือไม่... ระบบอาณัติสัญญาณก็ต้องอัพเกรดไปอีกขั้น

case 1 : รถไฟสองขบวนวิ่งตามกัน (บนรางเดียวกัน)

　ยิ่งรถไฟมีน้ำหนักมากและใช้ระยะทางในการเบรกมาก ถ้ารถไฟคันหน้าจอดเสียกลางทางและไม่มีการเตือนคันหลังล่วงหน้า กว่าจะรู้ตัวอีกทีคันหลังอาจเบรกไม่ทันได้ จึงมีการติดตั้งสัญญาณไฟสีเป็นระยะ ระยะระหว่างสัญญาณไฟสีสองต้นเรียกว่า block ภายในหนึ่ง block อนุญาตให้มีรถไฟได้เพียงขบวนเดียวเท่านั้น

　รูปแบบของสัญญาณไฟสีจะมีหลากหลาย ง่ายที่สุดคือมีแค่ไฟเขียวกับแดง บางทีมีไฟเหลืองเข้ามาด้วยเช่นญี่ปุ่น ซึ่งไฟเหลืองจะหมายถึงไปต่อได้แต่ให้ชะลอความเร็ว

รถติด... ในทางรถไฟ

　ในที่นี้จะรู้ได้อย่างไรว่าใน block นั้นมีรถไฟอยู่ ถ้าย้อนไปเมื่อสมัยก่อน จะมีคนสังเกตการณ์ประจำ block และคอยให้สัญญาณไฟเขียวแดง (หรืออาจเป็นธง) และติดต่อกันระหว่าง block ว่าตอนนี้รถได้ผ่าน block นั้นไปแล้ว ส่วนเทคโนโลยีปัจจุบันจะนำอุปกรณ์เช่นเครื่องนับเพลา (axle counter) หรือวงจรไฟตอน (track circuit) มาใช้ตรวจจับรถไฟ แต่ในที่นี้ไม่ใช่การรับสัญญาณต่างๆ จากรถไฟ แต่ใช้การตรวจจับทางกายภาพของรถไฟต่างหาก คือล้อรถไฟเหยียบเครื่องนับเพลา หรือล้อรถไฟอยู่บนรางแล้วทำให้วงจรไฟฟ้าทำงาน

case 2 : รถไฟวิ่งแซงกัน

　โดยพื้นฐานแล้วรถไฟทางคู่จะกำหนดชัดเจนว่าทางไหนเป็นขาไปหรือขากลับ แต่จริงๆ แล้วเราสามารถทำให้มันเป็นได้ทั้งสองทิศในทั้งสองรางก็ได้ กรณีนี้มีประโยชน์มากเช่นในหากทางใดทางหนึ่งมีความจำเป็นต้องปิดลง ก็ใช้อีกทางหนึ่งเป็นทางสำรองแล้วเดินรถแบบทางเดี่ยวได้ หรือจะสามารถเปิดให้เป็นทิศทางเดียวกันทั้งสองทางได้ เพื่อให้รถไฟขบวนที่เร็วกว่าวิ่งแซงรถไฟขบวนที่ช้ากว่า โดยขบวนช้าไม่ต้องจอดรอหลีกทางที่สถานีด้วย

　เช่น รถไฟสินค้าวิ่งได้แค่ 60-70 แต่รถไฟด่วนพิเศษวิ่งได้ 120 เพื่อไม่ให้เสียเวลากันและกัน รถด่วนพิเศษวิ่งในทางที่สองเพื่อแซงรถสินค้า ทั้งนี้จะทำให้รถไฟไม่สามารถสวนกันได้ในช่วงนั้น แต่ถ้าจัดแผนหรือตารางการเดินรถไว้แล้วก็สามารถทำได้โดยไม่มีใครเสียเวลารอหลีกเลย ทั้งนี้ขึ้นกับการออกแบบทางด้วยว่าจะต้องมีรางแยกในช่วงสถานีไหนบ้าง

　หรือถ้าหากต้องการให้รถไฟสามขบวนวิ่งสวนกันและแซงกันได้อย่างอิสระ อาจทำเป็นทางรถไฟสามทางหรือมากกว่านั้น ซึ่งประเทศไทยก็มีทางรถไฟบางช่วงที่มีสามทางขนานกันและรถด่วนสามารถเร่งสปีดได้เต็มที่

รางแยกที่ให้เรามาเจอกัน และบังคับสัมพันธ์

　หลายคนคงเคยได้ยินว่ารถไฟเลี้ยวเองไม่ได้เหมือนรถยนต์ ต้องไปตามรางบังคับ โดยมีประแจ (turnout) เพื่อให้รถไฟสับเปลี่ยนไปที่รางอื่นได้ ซึ่งประแจไม่ได้ถูกควบคุมด้วยคนขับรถไฟ แต่จะเป็นคนควบคุมการเดินรถ เช่น นายสถานี หรือเจ้าหน้าที่ที่อยู่ที่ศูนย์ควบคุมกลางจากระยะไกล (CTC) 

　ว่าแต่แต่สับไปสับมารถไฟจะสับกันเองมั๊ย เช่นกรณีตัวอย่างที่เราให้รถไฟอีกขบวนวิ่งอีกเส้นทางแล้วไปแซงอีกคัน ในระบบประแจจะมีกลไกป้องกันที่ต่อกันไปเป็นทอดๆ ระบบนี้เรียกว่าบังคับสัมพันธ์ หรือ interlocking เช่น ป้องกันไม่ให้ประแจขยับในขณะที่รถไฟกำลังวิ่งผ่าน หรือสัญญาณไฟเขียวแดงเปลี่ยนไปตามเส้นทางที่ประแจสั่งให้ไป ซึ่งถ้าขัดกันจะทำให้เกิดอุบัติเหตุได้

รางแยกในสถานี Meinohama ของ Fukuoka City Subway

รถไฟหลายๆ ขบวนมากๆ วิ่งตามกัน = MASS TRANSIT

　ระบบรถไฟขนส่งมวลชนในเมือง (Mass Transit หรือ Metro) ต้องการความถี่ในการเดินรถมากเพื่อรองรับมวลชนมหาศาล ฉะนั้นถ้าเราซอยระยะห่างสัญญาณไฟให้ถี่ขึ้น ก็จะเพิ่มจำนวน block และความปริมาณรถบนเส้นทางได้ แต่นั่นทำให้ระยะห่างระหว่าง block ลดลง ความเร็วปลอดภัยของรถก็น้อยลง ทำให้รถวิ่งได้ช้าลง

　ถ้างั้น... เราให้ระยะ block เปลี่ยนไปตามความเร็วของรถไฟแต่ละขบวน ณ เวลานั้นได้มั๊ย? รถไฟเร็วก็จะมีระยะ block กว้างเพื่อรักษาระยะเบรกปลอดภัย รถไฟช้าก็ลดขนาด block ลง จึงเกิดแนวคิดของ block ที่วิ่งไปตามตัวรถคือ Moving block

(ส่วน block ที่ผูกระยะตายตัวไว้กับเสาสัญญาณนั้นเราจะเรียกว่า Fixed block)

Moving Block ที่ขนาดของ Block แปรผันไปตามความเร็วของรถแต่ละขบวน

เพราะรถความเร็วไม่เท่ากันใช้ระยะเบรกที่ต่างกัน โดยยึดตาม Braking Curve (ที่มารูป)

　ข้อสังเกตอย่างหนึ่งของ Moving block คือ ระบบอาณัติสัญญาณรับรู้ความเร็วรถไฟได้อย่างไร และถ้า block เคลื่อนไปตามรถไฟแล้วสัญญาณไฟสีข้างทางก็ไม่มีประโยชน์แล้วใช่ไหม

　คำตอบคือใช่ ในระบบ moving block (หรือสูงกว่า) สัญญาณไฟสีข้างทางก็ไม่มีความจำเป็น ยกเว้นที่สถานีหรือทางแยกซึ่งสัญญาณไฟสีเป็นส่วนหนึ่งของ interlocking และในระบบ moving block รถไฟกับเส้นทางจะมีการรับส่งสัญญาณกันตลอดเวลา ส่วนใหญ่จะเป็นการใช้คลื่นวิทยุระหว่างรถกับเส้นทาง จึงมีการเรียกระบบอาณัติสัญญาณแบบนี้ว่า Communications-based Train Control หรือ CBTC

รถไฟฟ้าสายสีเขียว (บีทีเอส) ปัจจุบันใช้สัญญาณแบบ moving block

มีเสารับส่งสัญญาณติดตั้งเป็นระยะ

การจัดประเภทของอาณัติสัญญาณสมัยใหม่ (modern signalling classification)

　นอกจาก fixed block และ moving block ที่ได้นำเสนอไปแล้ว อาณัติสัญญาณสมัยใหม่มีการจัดประเภทได้หลายแบบ ทั้งระดับการขับเคลื่อนอัตโนมัติ หรือการจัดตามมาตรฐานยุโรปที่เรียกว่า ETCS

　การจัดตามการขับเคลื่อนอัตโนมัติ (Grade of Automation: GoA) ตามมาตรฐาน IEC 62667 จะแบ่งเป็นระดับ 0 ถึง 4
　　🚆GoA 0 คือคนขับขับด้วยตัวเองทั้งหมด
　　🚊GoA 1 จะมีระบบเพิ่มเติมคือระบบปกป้องตัวรถอัตโนมัติ หรือ Automatic Train Protection (ATP) ซึ่งจะทำการเตือนหรือสั่งการเบรกเมื่อรถวิ่งเร็วเกินกำหนด
　　🚊GoA 2 จะเริ่มเป็นกึ่งอัตโนมัติ คือคนขับเพียงแค่กดปุ่มให้รถเริ่มเคลื่อนตัวออกจากสถานี แล้วรถจะวิ่งตามโปรแกรมความเร็วที่ถูกตั้งค่าไว้
　　🚊จากนั้น GoA 3 คือระบบอัตโนมัติที่ไม่ต้องใช้คนขับ แต่อาจมีพนักงานควบคุมเปิด-ปิด ประตูบ้าง
　　🤖และ GoA 4 คืออัตโนมัติเต็มรูปแบบ

　ส่วนมาตรฐานอาณัติสัญญาณยุโรปที่เรียกว่า ETCS เป็นการจัดอาณัติสัญญาณให้อยู่ในเกณฑ์เดียวกันในกลุ่มประเทศยุโรปเพื่อรองรับการเดินรถระหว่างประเทศ จะมีตั้งแต่ Level 0 ถึง 4 เช่นกัน แต่จะต่างกันที่วิธีการที่รถรับหรือส่งสัญญาณกับอาณัติสัญญาณ Level 1 จะมีแค่ตัวรถรับสัญญาณจากข้างทางเท่านั้น และ Level 2 ขึ้นไปจะมีทั้งการรับและส่งสัญญาณไปกลับ ส่วน Level 4 จะเป็นระดับที่ใช้การรับส่งสัญญาณไร้สายเต็มรูปแบบเหมือนโทรศัพท์ ส่งข้อมูลตำแหน่ง/ความเร็วรถแบบ real-time เหมือน GPS ซึ่งระบบนี้ยังเป็นเพียงความฝันอยู่ เพราะต้องการความแม่นยำที่สูงมากๆ 

　ตรงนี้หลายๆ ท่านจะเริ่มสับสนว่า GoA 0 ถึง 4 ตรงกับ ETCS Lvl 0 ถึง 4 หรือไม่ คำตอบคือไม่ และในขณะเดียวกันมีเส้นแบ่งชัดเจนระหว่าง Fixed block กับ Moving block หรือไม่ คำตอบคือไม่เช่นกัน เพราะ GoA 4 ที่เป็นขับอัตโนมัติล้วนก็อาจเป็น Fixed block ได้เหมือนกัน (อาจจะเป็นระบบอัตโนมัติที่เก่าหน่อย)

　รถไฟต่างจากรถยนต์เพราะรถไฟอยู่บนรางตลอด ไม่มีสี่แยกเหมือนรถยนต์แต่ก็มีทางแยกเพื่อเปลี่ยนรางซึ่งบางทีก็ซับซ้อนมากทีเดียว เพราะความเป็นเอกลักษณ์ที่ไม่เหมือนใครของรถไฟจึงทำให้มีสัญญาณไฟจราจรเฉพาะที่ไม่เหมือนใคร ซึ่งก็พัฒนามาจากเทคโนโลยีง่ายๆ เช่นตราทางสะดวกที่เหมือนไม้วิ่งผลัดระหว่างสถานี ไปจนถึงระบบไฟฟ้าเพื่อให้สัญญาณไฟทำงานสัมพันธ์กับรถไฟและการสับราง ในอนาคตกำลังมีการพัฒนาเทคโนโลยีสื่อสารไร้สาย หรือจะมีอะไรน่าตื่นเต้นอีกก็ต้องคอยติดตามกันต่อไป แต่จุดประสงค์ของอาณัติสัญญาณของรถไฟจะยังคงไม่เปลี่ยนแปลงคือเพื่อให้เกิดความปลอดภัยสูงสุดในการเดินรถนั่นเอง