ما هو هوائي السكك الحديدية؟ الدليل الكامل

مع التقدم التكنولوجي وأنماط الحياة العصرية السريعة، أصبحت صناعة السكك الحديدية أيضًا أكثر تقدمًا وتتجه نحو أنظمة السكك الحديدية الذكية. وقد أصبحت هوائيات السكك الحديدية ضرورة في أنظمة السكك الحديدية اليوم من أجل الاتصال المشترك الفعال والموثوق به. تقدم هذه المقالة نظرة عامة شاملة على هوائيات السكك الحديدية التي تناقش تصميمها ووظائفها وتطبيقاتها وفوائدها وتأثيرها على صناعة السكك الحديدية مع النظر أيضًا في بعض دراسات الحالة الواقعية.

مقدمة في هوائيات السكك الحديدية

يعد الاتصال المشترك الموثوق والفعال communication ضرورة مطلقة للتشغيل السلس والمستقر لمعظم أنظمة السكك الحديدية الحديثة. فمع العدد الكبير من المكونات المترابطة في نظام السكك الحديدية مثل أنظمة الإشارات وأنظمة الإنذار وإصدار التذاكر والمراقبة بالفيديو وإدارة حركة المرور وما إلى ذلك، من الضروري تنفيذ حل قوي للاتصال المشترك Communication. يمكن أن يؤدي عدم وجود اتصال مترابط مناسب في نظام السكك الحديدية إلى العديد من المشكلات، بما في ذلك المخاطر في العمليات والسلامة والجوانب الأمنية.

تلعب هوائيات السكك الحديدية دورًا حاسمًا في جميع أنظمة الاتصال بالسكك الحديدية communication. إنها المكونات الأساسية لأنظمة الاتصالات communication ويمكن أن يعتمد أداء الإعداد بأكمله بشكل كبير على أداء الهوائي. صُممت هوائيات السكك الحديدية خصيصًا لمختلف تطبيقات الاتصال المشترك للسكك الحديدية communication، مثل الهوائيات متعددة الاتجاهات على السطح للاتصال المشترك بين القطارات المتحركة ومراكز التشغيل والمحطات، بالإضافة إلى الهوائيات الداخلية لشبكة WiFi داخل العربات والهوائيات متعددة الأقطاب. في أنظمة السكك الحديدية، تُستخدم الهوائيات بشكل أساسي في مؤشرات السكك الحديدية والمراقبة والملاحة وأنظمة الاتصال المشترك لاستخدام الركاب.

التعريف الأساسي لهوائيات السكك الحديدية

هوائيات السكك الحديدية هي الأجهزة التي تستخدمها صناعة السكك الحديدية لتحقيق بيئة متصلة سواء للركاب أو للمهام التشغيلية. إن أكثر أنواع هوائيات السكك الحديدية المطلوبة من هوائيات السكك الحديدية هو الهوائي المثبت على السطح، وهو عنصر بالغ الأهمية في القطارات. وهو ضروري للاتصال مع القطارات الأخرى الجارية ومحطات السكك الحديدية وكذلك مع مراكز التشغيل، وتوجيه وتوفير الإشارات المطلوبة لسائقي القطارات والركاب.

تعمل هوائيات السكك الحديدية بشكل مشابه لأي هوائي آخر. يشع هوائي السكة الحديدية المرسل موجة كهرومغناطيسية، والتي يمكن أن تستحث تياراً كهربائياً في موصل قريب. في هوائي سكة الاستقبال، يتم توزيع المجال الكهرومغناطيسي المطبق على كامل طول الهوائي لاستقبال الإشارة. عادةً ما توضع هوائيات السكك الحديدية على أعلى ارتفاع ممكن لتقليل العائق من أي إشارات أخرى.

التصميم والهيكل

عند تصميم هوائي السكك الحديدية، يجب مراعاة قيود الحجم المادي لسطح القطار. فالمسافة بين الأبعاد الخارجية للقطار والحد الأقصى المسموح به مقيدة. وبالتالي، عند تصميم هوائي السكك الحديدية، يجب أن يكون صغيراً قدر الإمكان، دون المساس بأداء الهوائي أو وظيفته. بشكل عام، يبلغ ارتفاع هوائيات السكك الحديدية حوالي 40mm إلى 80mm، وهي مصممة للعمل مع أنظمة الاتصالات المختلفة مثل GSM-R، وUMTS، وLTE، وLTE MIMO، وWiFi 2.4/5GHz، إلخ.

عادةً ما تكون الهوائيات متعددة الاتجاهات مصممة للاستخدام في القطارات حيث يمكن أن تكون محطات القطار ومراكز التشغيل والقطارات المتحركة الأخرى في أي اتجاه وتحتاج إلى الاتصال بكفاءة. من الناحية المثالية يجب أن يكون المستوى الأرضي لهوائي السكة الحديدية عبارة عن صفيحة معدنية أفقية كبيرة ومسطحة وأفقية تقع فوق ارتفاع أي جسم آخر أعلى القطار. يجب أن توضع هوائيات السكك الحديدية بعيداً قدر الإمكان عن العوائق الموجودة على أسطح القطارات، مثل تركيبات تكييف الهواء، حيث يمكن أن تؤدي إلى تدهور أداء الهوائي بشكل كبير. من المتطلبات الرئيسية الأخرى عند تصميم هوائيات السكك الحديدية ضمان مقاومتها حتى للظروف الجوية القاسية، حيث أنها ستتعرض بانتظام للرياح القوية ودرجات الحرارة المرتفعة والكثير من البلى والتلف، إلخ.

أنواع هوائيات السكك الحديدية

عند التفكير في هوائيات السكك الحديدية، تتوفر أنواع مختلفة من الهوائيات. واستناداً إلى حالة الاستخدام، يمكن تقسيمها بشكل أساسي إلى ثلاث فئات: الهوائيات المركبة على أسطح القطارات، والهوائيات داخل القطارات، والهوائيات في محطات القطارات.

عادة ما تكون الهوائيات المركبة على أسطح القطارات متعددة الاتجاهات أو ثنائية الاتجاه. تشع هوائيات السكك الحديدية متعددة الاتجاهات الإشارات بشكل موحد في جميع الاتجاهات. وهي توفر تغطية شاملة حول القطار. ومن ثم، فهي حل مفيد ومتعدد الاستخدامات لجميع المتطلبات العامة للاتصالات في القطارات مثل توفير تفاصيل الموقع في الوقت الحقيقي، ونقل واستقبال المعلومات التشغيلية، والتتبع، والمراقبة، وما إلى ذلك. وتوفر هوائيات السكك الحديدية ثنائية الاتجاه تغطية من الأمام إلى الخلف أو من الجانب إلى الجانب.

وعادةً ما تجمع هوائيات السكك الحديدية هذه عادةً بين عدة تقنيات اتصال مشتركة1TP15 لتلبية المتطلبات الفريدة لأنظمة السكك الحديدية. ومن ثم، عند النظر في أنواع هوائيات السكك الحديدية، هناك هوائيات شبكة الواي فاي والشبكة الخلوية، هوائيات GPS، هوائيات متعددة الأقطاب، هوائيات MIMO، إلخ, والهوائيات المتوافقة مع العديد من هذه التقنيات في وقت واحد.

يمكن أن تكون الهوائيات المستخدمة في محطات السكك الحديدية إما هوائيات اتجاهية أو متعددة الاتجاهات. تشع الهوائيات الاتجاهية الإشارات في اتجاه واحد. يمكن أن تكون مفيدة لتوفير كسب أعلى لمناطق تغطية محددة. وهي مثالية للاتصال المشترك على جانب المسار لإرسال واستقبال الإشارات ومعلومات التتبع وما إلى ذلك بكفاءة. توفر الهوائيات متعددة الاتجاهات القائمة على محطات السكك الحديدية تغطية أوسع، وبالتالي فهي مثالية للاتصالات المشتركة للتحكم في القطارات وأنظمة معلومات الركاب وأنشطة تبادل البيانات من محطة إلى أخرى. تُستخدم هوائيات السكك الحديدية الداخلية بشكل عام لإنشاء شبكة لاسلكية لتوفير الاتصال بالإنترنت للركاب والموظفين على متن القطار.

المواصفات الفنية

يجب أن تعمل هوائيات السكك الحديدية بشكل موثوق أثناء تنقل القطار عبر بيئات شبكات متنوعة. وبالتالي، صُممت هوائيات السكك الحديدية لتكون متوافقة مع تقنيات متعددة مثل شبكات الجيل الرابع 4G والشبكات الخلوية الأخرى ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وشبكة WiFi وغيرها. تدعم هوائيات السكك الحديدية اليوم بشكل عام شبكات خلوية متعددة بما في ذلك شبكات الجيل الخامس والجيل الرابع والجيل الرابع والجيل الرابع LTE، وتعمل في كل من أطياف الترددات المرخصة وغير المرخصة. تعمل هوائيات السكك الحديدية التي تدعم شبكة WiFi، وعادةً ما تعمل هوائيات القطارات الداخلية في كل من نطاقي التردد 2.4 جيجا هرتز و51 تي بي 10 تي.

تستخدم هذه الهوائيات تقنيات حديثة مثل MIMO ومفاهيم تشكيل الحزمة. ويرجع السبب الرئيسي لاستخدام مفهوم MIMO في هوائيات السكك الحديدية إلى الطبيعة المتغيرة للإشارة وتوهينها اعتمادًا على الموقع الجغرافي وبيئة التشغيل. ستؤدي التقلبات المتكررة في معلمات الإشارة اعتمادًا على العوامل البيئية إلى تغييرات في نسب الإشارة إلى الضوضاء وتؤثر على معدل خطأ البيانات الإجمالي. باستخدام تقنية MIMO في هوائيات السكك الحديدية، تقوم هوائيات متعددة بإرسال البيانات واستقبالها في وقت واحد، مما يحسّن موثوقية الإشارة ويقلل من التداخل. وبالتالي، سيتم تقليل معدل خطأ البيانات إلى الحد الأدنى وسيكون التأثير على الأداء الكلي ضئيلاً بسبب الاختلافات في بيئات التشغيل. تشكيل الشعاع هي تقنية أخرى شائعة لمعالجة الإشارات تُستخدم في هوائيات السكك الحديدية. في تشكيل الحزم، تخضع الإشارات في زوايا معينة لتداخل بنَّاء بينما تخضع إشارات أخرى لتداخل هدَّام من خلال الجمع بين عناصر الهوائي في مصفوفة مرحلية مرتبة في نمط معين. يُستخدم تشكيل الحزمة في كل من طرفي الإرسال والاستقبال لوصلات الاتصالات المشتركة في أنظمة السكك الحديدية لتحسين المدى والسعة والأداء العام.

يمكن استخدام تقنيات حديثة أخرى مثل الاتصال الضوئي في الفضاء الحر، وطرق ترميز القنوات، وطرق الإرسال التكيفي في هوائيات السكك الحديدية. تُستخدم كل هذه التقنيات في هوائيات السكك الحديدية لتحسين أدائها. تدعم هوائيات السكك الحديدية نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتمكين التتبع الدقيق للموقع. ونظراً لأن هذه الهوائيات تحتاج إلى توفير إشارات دقيقة مع الحد الأدنى من أخطاء البيانات أثناء الحركة عالية السرعة، يتم استخدام الهوائيات ذات الكسب العالي والمضخمات المدمجة في هوائيات السكك الحديدية. تعمل هوائيات السكك الحديدية المدعومة بنظام GPS على الترددات L1 (1575.42 MHz) وL2 (1227.60 MHz). هوائيات السكك الحديدية مصممة فقط لتتوافق مع وحدات التحكم الإيجابي في القطارات (PTC) التي تعمل على تردد 220 MHz المخصص للاتصالات المشتركة الحرجة للسلامة. وهي تستخدم مغذيات هوائيات متعددة ووصلات محورية لدعم الترددات المتزامنة وللتكرار.

التطبيقات في أنظمة السكك الحديدية

يعد الاتصال المشترك Communication أمرًا حيويًا في أنظمة السكك الحديدية. وتلعب الهوائيات دورًا رئيسيًا في الحفاظ على اتصال مشترك مستقر وموثوق به بين جميع أصحاب المصلحة مثل الركاب ومشغلي القطارات والمهندسين وموظفي محطة القطار، إلخ. تُستخدم هوائيات السكك الحديدية لأغراض عديدة في أنظمة السكك الحديدية. تُستخدم هوائيات السكك الحديدية لمراقبة القطارات في الوقت الفعلي. وبفضل دعم نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والاتصال السريع بالجيل الرابع أو الجيل الخامس في هوائيات السكك الحديدية الحديثة، يمكن نقل البيانات ذهاباً وإياباً بين مراكز التشغيل والقطارات بأقل زمن انتقال وبدقة عالية.

كما أن هوائيات السكك الحديدية مفيدة للغاية للاتصال المشترك بين طاقم القطار. التطبيق الرئيسي الآخر لهوائيات السكك الحديدية هو الأمن والمراقبة. يتم نقل البيانات في الوقت الحقيقي التي يتم التقاطها من كاميرات أو أجهزة المراقبة إلى مراكز العمليات في الوقت الفعلي لأغراض المراقبة. هوائيات السكك الحديدية مهمة هنا لاستقبال البيانات بكفاءة ودقة عالية. من خلال رصد البيانات المتعلقة بالسرعة ووعي المشغل وأداء المكابح والمحرك ونقلها في الوقت الفعلي إلى مراكز التشغيل، يمكن أن تساعد هوائيات السكك الحديدية في منع حوادث السكك الحديدية. وهذا أمر مهم لضمان سلامة الركاب. تُستخدم هوائيات السكك الحديدية الداخلية التي يتم تثبيتها داخل القطارات لإنشاء شبكة لاسلكية للركاب على متن القطارات. تعتبر هوائيات السكك الحديدية الداخلية هذه مهمة لتوزيع شبكة الواي فاي للركاب وأنظمة الاتصال الداخلية وأنظمة الترفيه على متن القطارات.

فوائد هوائيات السكك الحديدية

هوائيات السكك الحديدية مفيدة للغاية في العديد من جوانب صناعة السكك الحديدية. فهي تلعب دورًا حاسمًا في ضمان الاتصال السليم بين القطارات ومراكز التشغيل ومحطات القطار وطاقم القطار والركاب على متن القطارات. يعتمد الأداء السلس لنظام السكك الحديدية بأكمله بشكل كبير على أداء هوائيات السكك الحديدية. هوائيات السكك الحديدية مفيدة أيضًا من حيث الأمن وحماية الركاب. سيساعد وجود أنظمة كاميرات المراقبة في الوقت الحقيقي في المراقبة المناسبة وتقليل أنشطة الاحتيال والسرقات وما إلى ذلك. كما أن هوائيات السكك الحديدية مفيدة أيضًا في إنشاء شبكات لاسلكية داخل القطارات ليبقى الركاب على متن القطارات على اتصال.

دراسات الحالة

تم استخدام هوائيات السكك الحديدية في تطبيقات مختلفة. نناقش أدناه بعض السيناريوهات الواقعية وحالات استخدام هوائيات السكك الحديدية.

يوضح مشروع Ferrovie del Gargano استخدام شبكة لاسلكية مخصصة على جانب المسار لتوفير شبكة WiFi على متن القطار في المناطق ذات التغطية اللاسلكية المحدودة أو المنعدمة لشبكة LTE اللاسلكية المتنقلة. في هذا المشروع، تم إنشاء شبكة الواي فاي على متن القطار باستخدام جهازي راديو FM4200 MOBI من Fluidmesh FM4200 لكل قطار متصلين بهوائيات سقفية عالية الكسب 2×2 MIMO. تم وضع 5 محطات قاعدية GHz للواي فاي GHz على مسافات 5 كم على طول جانب القطار لتوفر تغطية بنسبة 100 بالمائة. كان هذا الإعداد قادراً على توفير 1 غيغابايت من النطاق الترددي القابل للاستخدام للقطارات التي تسير بسرعة تصل إلى 250 ميلاً في الساعة.

كما تمت مناقشته، فإن هوائيات السكك الحديدية مفيدة للغاية في ضمان سلامة الركاب والتحقيق في الحوادث. وقد شهد نظام ريجينا ترانزيت للسكك الحديدية انخفاضاً في الاعتداءات والجرائم منذ تركيب العديد من كاميرات الفيديو وأنظمة المراقبة كجزء من برنامج تجريبي في عام 2012. كما أن هذه المراقبة بالفيديو والمراقبة في الوقت الحقيقي مفيدة أيضًا في تقليل دعاوى الإصابات الكاذبة وتوفر الحماية من التقاضي. كانت هناك أيضًا حالات وقعت فيها حوادث وحوادث أمنية بسبب عدم وجود هوائيات للسكك الحديدية. كان من الممكن منع وقوع الحادث الذي وقع في 12 مايو 2015 في فيلادلفيا، وهو الحادث الذي وقع في فيلادلفيا والذي أودى بحياة 8 ركاب وأفراد طاقم القطار لو كان نظام مراقبة حركة القطارات (PTC) مناسبًا مع وجود هوائيات موثوقة للسكك الحديدية. فقد خرج القطار الذي كان يسير بسرعة 102 ميل في الساعة في منطقة 50 ميل في الساعة من المسارات المنحنية عن القضبان. كان من الممكن أن يتيح التتبع الفعال في الوقت الحقيقي للسرعة والموقع التحكم الآلي في القطار والحد من سرعة قطار أمتراك قبل وصوله إلى المنحنى.

قامت شركة Chelton بتصميم وتصنيع هوائيات لصالح شركة Thales لاستخدامها في القسم 2 من مشروع وصلة نفق القناة للسكك الحديدية (CTRL)، بين تقاطع فوكهام في كنت ومحطة لندن سانت بانكراس الدولية. تضمن هذا القسم جسوراً وأنفاقاً وهياكل على طول الطريق. ونظراً لأن 25% من الطريق يمر داخل الأنفاق، ومع مرور القطارات بسرعة تصل إلى 150 ميلاً في الساعة، كان لا بد من استخدام هوائيات السكك الحديدية المناسبة في المشروع. كان على الهوائيات المستخدمة أن تتحمل وتمتص الاهتزازات الناجمة عن سرعة رياح القطارات في الأنفاق. لذلك كان يجب أن تكون الهوائيات قوية وموثوقة وذات تحميل منخفض للرياح وتفي بمتطلبات الترددات اللاسلكية. كما كان يجب أن تكون الهوائيات المستخدمة غير ظاهرة في المظهر من أجل الاندماج في الخلفية حتى لا تقلل من المظهر الجمالي. كان يجب أن تكون الهوائيات بمستويات طاقة تغطي ترددات GSM-R، وراديو الكابينة الآمنة، وخدمات فرقة إطفاء لندن. تم تصميم هوائي خاص بلوحة رفيعة لدعم نظام خدمات الطوارئ في نفق لندن وطرق الإخلاء في حالات الطوارئ.

التأثير على صناعة السكك الحديدية

مع تزايد التركيز على تحديث السكك الحديدية وأنظمة النقل الذكية، سيكون لهوائيات السكك الحديدية تأثير كبير على صناعة السكك الحديدية. أيضًا مع الحاجة المتزايدة لشبكات السكك الحديدية عالية السرعة، فإن الحاجة إلى أنظمة تتبع ومراقبة دقيقة للقطارات تسير جنبًا إلى جنب. ولتسهيل الاتصال المشترك الموثوق به والسلامة وتحسين احتياجات التشغيل، ستكون هوائيات السكك الحديدية عنصراً حاسماً. سيكون لهوائيات السكك الحديدية تأثير كبير في صناعة السكك الحديدية في جميع الجوانب بما في ذلك الاتصال اللاسلكي المشترك بين القطارات المتحركة ومراكز التشغيل والمحطات، وضمان اتصالات البيانات اللاسلكية الآمنة، وتنفيذ أنظمة المراقبة والملاحة المناسبة، وتركيب مؤشرات ثابتة للسكك الحديدية، وتنفيذ أنظمة الشبكات اللاسلكية للاستخدام الداخلي للركاب. مع تقدم تقنيات مثل الجيل الخامس والملاحة عبر الأقمار الصناعية وأجهزة إنترنت الأشياء والاتجاه المتزايد لرقمنة قطاع النقل، سيزداد تأثير هوائيات السكك الحديدية على صناعة السكك الحديدية. كما سيتوسع سوق هوائيات السكك الحديدية في المستقبل مع التأثير الهائل المتوقع لهوائيات السكك الحديدية على صناعة السكك الحديدية.

الخاتمة

هوائيات السكك الحديدية عنصر حاسم في أنظمة السكك الحديدية الحديثة. تُستخدم هوائيات السكك الحديدية في مختلف جوانب صناعة السكك الحديدية. ويشمل ذلك التتبع والمراقبة في الوقت الفعلي، والملاحة الدقيقة والتحكم في السرعة، والمراقبة بالفيديو، وضمان سلامة الركاب، وأنظمة الاتصال بطاقم القطار، وشبكة الواي فاي للركاب على متن القطارات، وما إلى ذلك. مع تقدم التقنيات الحديثة مثل 5G وإنترنت الأشياء والتركيز المتزايد على بناء أنظمة النقل الذكية، سيكون تأثير هوائيات السكك الحديدية أكبر في المستقبل.