Railway signalling

مع ظهور التلغراف عام ١٨٤١، أصبح نظام أكثر تطوراً ممكناً، إذ وفّر وسيلةً لنقل الرسائل قبل وصول القطارات. يسمح التلغراف بنشر أي تغييرات في جداول المواعيد، والمعروفة بأوامر القطارات ، والتي تتيح إلغاء الرحلات أو إعادة جدولتها أو إضافة رحلات جديدة.

كانت الممارسة المتبعة في أمريكا الشمالية تعني أن طواقم القطارات تتلقى أوامرها عادةً في المحطة التالية التي تتوقف عندها، أو تُسلّم أحيانًا إلى قاطرة أثناء سيرها عبر عصا طويلة. وكانت أوامر القطارات تسمح للمشغلين بتحديد مواعيد التقاء القطارات على الخطوط الجانبية، وإجبار قطار على الانتظار في خط جانبي لمرور قطار ذي أولوية، والحفاظ على مسافة لا تقل عن كتلة واحدة بين القطارات المتجهة في نفس الاتجاه.

كان نظام جدولة مواعيد القطارات وترتيبها شائع الاستخدام في خطوط السكك الحديدية الأمريكية حتى ستينيات القرن العشرين، بما في ذلك بعض الخطوط الكبيرة مثل خط سكة حديد واباش وخط سكة حديد نيكل بليت . أما في كندا، فقد استُخدم نظام التحكم في حركة القطارات وترتيبها حتى أواخر ثمانينيات القرن العشرين على خط سكة حديد ألغوما المركزي وبعض فروع خط سكة حديد المحيط الهادئ الكندي.

لم يُستخدم نظام الجدول الزمني وترتيب القطارات على نطاق واسع خارج أمريكا الشمالية، وقد تم الاستغناء عنه تدريجياً لصالح نظام الإرسال اللاسلكي في العديد من الخطوط ذات الحركة المرورية الخفيفة، والإشارات الإلكترونية في الخطوط ذات الحركة المرورية العالية. ترد أدناه تفاصيل إضافية حول أساليب التشغيل في أمريكا الشمالية.

استُخدمت طريقة مشابهة، تُعرف باسم "نظام التلغراف والتقاطع"، على بعض خطوط السكك الحديدية المفردة المزدحمة في المملكة المتحدة خلال القرن التاسع عشر. إلا أن سلسلة من حوادث التصادم المباشر نتجت عن إعطاء تفويض بالمرور بشكل خاطئ أو سوء فهمه من قِبل طاقم القطار، وكان أسوأها حادث التصادم بين نورويتش وبروندال، نورفولك، عام ١٨٧٤. ونتيجةً لذلك، تم التخلي تدريجيًا عن هذا النظام لصالح أنظمة الرموز . وقد قضى هذا على خطر إعطاء تعليمات غامضة أو متضاربة، لأن أنظمة الرموز تعتمد على أشياء مادية لإعطاء التفويض، بدلاً من التعليمات الشفوية أو المكتوبة؛ وبينما يصعب للغاية منع إصدار أوامر متضاربة تمامًا، فإنه من السهل نسبيًا منع توزيع رموز متضاربة.

في خطوط السكك الحديدية ذات المسارين، التي تسمح للقطارات بالسير في اتجاه واحد على كل مسار، كان من الضروري ترك مسافة كافية بين القطارات لضمان عدم تصادمها. في بدايات السكك الحديدية، كان يُوظف رجال (يُطلق عليهم في الأصل اسم "رجال الشرطة"، ومن هنا جاء مصطلح "بوب" أو "بوبي" أو "ضابط" في المملكة المتحدة، عندما يتحدث إليهم طاقم القطار عبر هاتف الإشارة) للوقوف على فترات منتظمة ("كتل") على طول الخط، مزودين بساعة توقيت ، ويستخدمون إشارات يدوية لإبلاغ سائقي القطارات بمرور قطار قبل مدة زمنية محددة. كان هذا يُعرف باسم "العمل بفواصل زمنية". إذا مر قطار مؤخرًا، كان يُتوقع من القطار التالي أن يُبطئ سرعته لإتاحة مساحة أكبر.

لم يكن لدى حراس السكك الحديدية أي وسيلة لمعرفة ما إذا كان القطار قد أخلى الخط أمامهم، لذا إذا توقف قطار سابق لأي سبب، فلن يكون لدى طاقم القطار اللاحق أي وسيلة لمعرفة ذلك إلا إذا كان مرئيًا بوضوح. ونتيجة لذلك، كانت الحوادث شائعة في بدايات السكك الحديدية. مع اختراع التلغراف الكهربائي ، أصبح بإمكان العاملين في المحطة أو غرفة الإشارات إرسال رسالة (عادةً عدد محدد من رنات الجرس ) لتأكيد مرور القطار وأن جزءًا محددًا من الخط خالٍ. وقد سُمي هذا النظام بـ" نظام الإغلاق المطلق ".

بدأت الإشارات الميكانيكية الثابتة تحل محل الإشارات اليدوية منذ ثلاثينيات القرن التاسع عشر. في البداية، كانت هذه الإشارات تُشغَّل محليًا، ولكن أصبح من المعتاد لاحقًا تشغيل جميع الإشارات في منطقة معينة باستخدام أذرع مجمعة في غرفة الإشارات. عندما يمر قطار إلى منطقة معينة، يقوم عامل الإشارات بحماية تلك المنطقة عن طريق ضبط إشارتها على وضع "خطر". وعند تلقي رسالة "الوضع آمن"، يقوم عامل الإشارات بتحريك الإشارة إلى وضع "المرور آمن".

بدأ استخدام نظام الإشارات المطلقة تدريجيًا خلال خمسينيات وستينيات القرن التاسع عشر، وأصبح إلزاميًا في المملكة المتحدة بعد أن أصدر البرلمان تشريعًا في عام ١٨٨٩ عقب سلسلة من الحوادث، أبرزها كارثة قطار أرماغ . وقد استلزم هذا النظام استخدام الإشارات المقطوعة لجميع خطوط سكك حديد الركاب، بالإضافة إلى نظام التعشيق ، وكلاهما يشكل أساس ممارسات الإشارات الحديثة اليوم. وقد أصدرت الولايات المتحدة تشريعًا مماثلًا في نفس الفترة تقريبًا.

لا تُدار جميع المقاطع باستخدام إشارات ثابتة. ففي بعض خطوط السكك الحديدية ذات المسار الواحد في المملكة المتحدة، وخاصة تلك التي تشهد استخدامًا منخفضًا، يشيع استخدام أنظمة الرموز التي تعتمد على حيازة سائق القطار لرمز فريد كإذن له بالبقاء على الخط، وذلك عادةً بالإضافة إلى الإشارات الثابتة.

قبل السماح لقطار بالدخول إلى منطقة محددة، يجب على عامل الإشارات التأكد من خلوها من القطارات الأخرى. عند مغادرة قطار لمنطقة ما، يجب عليه إبلاغ عامل الإشارات المسؤول عن الدخول إليها. حتى في حال تلقي عامل الإشارات إشعارًا بمغادرة القطار السابق، فإنه عادةً ما يُطلب منه الحصول على إذن من غرفة الإشارات التالية للسماح بدخول القطار التالي. عند وصول قطار إلى نهاية قسم من المسار، وقبل أن يُرسل عامل الإشارات رسالة بوصول القطار، يجب أن يكون قادرًا على رؤية علامة نهاية القطار الموجودة في مؤخرة العربة الأخيرة. هذا يضمن عدم انفصال أي جزء من القطار وبقائه داخل القسم. قد تكون علامة نهاية القطار قرصًا ملونًا (عادةً ما يكون أحمر) خلال النهار، أو مصباحًا زيتيًا أو كهربائيًا ملونًا (عادةً ما يكون أحمر أيضًا). إذا دخل قطار إلى القسم التالي قبل أن يلاحظ عامل الإشارات اختفاء القرص أو المصباح، فإنه يطلب من غرفة الإشارات التالية إيقاف القطار والتحقق من الأمر.

بموجب نظام الإشارات المتساهلة، يُسمح للقطارات بتجاوز الإشارات التي تُشير إلى أن الخط أمامها مشغول، ولكن فقط بسرعة تُمكّنها من التوقف بأمان في حال ظهور عائق. يُحسّن هذا النظام الكفاءة في بعض الحالات، ويُستخدم بشكل رئيسي في الولايات المتحدة. في معظم الدول، يقتصر استخدامه على قطارات الشحن فقط، وقد يخضع لقيود أخرى تبعًا لمستوى الرؤية.

يمكن استخدام نظام الإشارات المتقطعة في حالات الطوارئ، إما عندما يتعذر على السائق التواصل مع عامل الإشارات بعد توقفه عند إشارة الخطر لفترة محددة، مع العلم أن هذا مسموح فقط عندما لا تحمي الإشارة أي حركة متعارضة، أو عندما يتعذر على عامل الإشارات التواصل مع غرفة الإشارات التالية للتأكد من مرور القطار السابق، على سبيل المثال في حالة انقطاع أسلاك التلغراف. في هذه الحالات، يجب أن تسير القطارات بسرعة منخفضة جدًا (عادةً 32 كم/ساعة أو أقل) لتتمكن من التوقف قبل الاصطدام بأي عائق. في معظم الحالات، لا يُسمح بذلك في أوقات ضعف الرؤية (مثل الضباب أو تساقط الثلوج).  

حتى مع نظام الإشارات المطلقة، يُسمح لعدة قطارات بدخول منطقة محددة بتصريح. قد يكون ذلك ضروريًا لفصل القطارات أو ربطها، أو لإنقاذ القطارات المعطلة. عند منح التصريح، يتأكد عامل الإشارات أيضًا من أن السائق على دراية تامة بما ينتظره أمامه. يجب على السائق قيادة القطار بأمان مع مراعاة هذه المعلومات. عمومًا، تبقى الإشارة في حالة خطر، ويُمنح السائق تصريحًا شفهيًا، عادةً بواسطة علم أصفر، لتجاوز الإشارة الخطرة، مع توضيح وجود القطار أمامه. في المحطات التي تدخل فيها القطارات بانتظام مناطق مشغولة، مثل محطات الربط، تُستخدم إشارة فرعية، تُعرف أحيانًا بإشارة "الاستدعاء"، لهذه التحركات، وإلا تُنفذ هذه التحركات بأوامر القطارات.

أتاح اختراع أنظمة كشف القطارات، مثل الدوائر الكهربائية على المسارات، استبدال أنظمة الإشارات اليدوية، كالإشارة المطلقة، بأنظمة الإشارات الآلية. في نظام الإشارات الآلية، تُشير الإشارات إلى إمكانية دخول القطار إلى منطقة معينة بناءً على كشف القطارات الآلي الذي يُحدد خلو المنطقة. كما يُمكن التحكم في هذه الإشارات بواسطة عامل الإشارات، بحيث لا تُشير إلى المرور إلا إذا قام العامل بضبط الإشارة وفقًا لذلك وكانت المنطقة خالية.

معظم المقاطع "ثابتة"، أي أنها تشمل الجزء من المسار بين نقطتين ثابتتين. في الأنظمة القائمة على الجداول الزمنية، وترتيب القطارات، والرموز ، تبدأ المقاطع وتنتهي عادةً عند محطات محددة. أما في الأنظمة القائمة على الإشارات، فتبدأ المقاطع وتنتهي عند الإشارات.

صُممت أطوال المقاطع للسماح بتشغيل القطارات بالوتيرة المطلوبة. قد تحتوي الخطوط قليلة الاستخدام على مقاطع تمتد لعدة كيلومترات، بينما قد تحتوي خطوط النقل المزدحمة على مقاطع لا تتجاوز بضع مئات من الأمتار.

لا يُسمح للقطار بدخول منطقة محددة إلا بعد إشارة تسمح له بالمرور، أو بعد توجيهات من مُشغّل الإشارات أو السائق، أو بعد حصول السائق على الرمز المناسب. في معظم الحالات، لا يُسمح للقطار بدخول المنطقة إلا بعد خلوها من القطارات، وبعد وجود مسافة فارغة كافية لإيقاف القطار. في أنظمة الإشارات ذات الإشارات المتقاربة، قد يصل هذا التداخل إلى الإشارة التالية للإشارة في نهاية المنطقة، مما يُفرض فعليًا مسافة بين القطارات تعادل منطقتين.

عند حساب حجم الكتل، وبالتالي المسافة بين الإشارات، يجب مراعاة ما يلي:

• سرعة الخط (أقصى سرعة مسموح بها على امتداد قسم الخط)
• سرعة القطار (السرعة القصوى لأنواع مختلفة من حركة المرور)
• التدرج (للتعويض عن مسافات الكبح الأطول أو الأقصر)
• تختلف خصائص الكبح للقطارات (تختلف أنواع القطارات المختلفة، مثل قطارات الشحن وقطارات الركاب عالية السرعة، في أرقام القصور الذاتي).
• مدى الرؤية (المدى الذي يمكن للسائق أن يرى الإشارة من خلاله)
• زمن رد فعل السائق

تاريخياً، كانت بعض الخطوط تعمل بحيث يتم إعطاء إشارات لبعض القطارات الكبيرة أو عالية السرعة وفقاً لقواعد مختلفة، ولا يتم منحها حق المرور إلا إذا كانت كتلتان أمام القطار خاليتين.

في نظام الإشارات المتحركة، تحسب الحواسيب منطقة أمان حول كل قطار متحرك، لا يُسمح لأي قطار آخر بدخولها. يعتمد النظام على معرفة الموقع الدقيق وسرعة واتجاه كل قطار، والتي تُحدد من خلال مجموعة من أجهزة الاستشعار، مثل تقنية تحديد الهوية بترددات الراديو على طول السكة، وتقنية النطاق العريض للغاية، والرادار، ووحدات القياس بالقصور الذاتي، ومقاييس التسارع، وعدادات السرعة المثبتة على القطار ( لا يمكن الاعتماد على أنظمة GNSS / GPS لأنها لا تعمل في الأنفاق). تتطلب أنظمة الإشارات المتحركة توجيه التعليمات مباشرةً إلى القطار بدلاً من استخدام إشارات جانبية. وهذا يُتيح ميزة زيادة سعة السكة من خلال السماح للقطارات بالسير على مسافات أقرب مع الحفاظ على هوامش الأمان المطلوبة.

الطريقة الأكثر شيوعًا لتحديد ما إذا كان جزء من الخط مشغولًا هي استخدام دائرة كهربائية خاصة بالمسار . يتم عزل القضبان عند طرفي كل جزء كهربائيًا عن الجزء المجاور، ويتم تغذية تيار كهربائي إلى كلا القضيبين عند أحد الطرفين. يتم توصيل مرحل عند الطرف الآخر بكلا القضيبين. عندما يكون الجزء غير مشغول، تُكمل ملفات المرحل الدائرة الكهربائية، ويتم تنشيطها. ولكن، عندما يدخل قطار إلى الجزء، فإنه يُقصر الدائرة الكهربائية في القضبان، ويتم فصل التيار عن المرحل. لا تتطلب هذه الطريقة التحقق صراحةً من مغادرة القطار بالكامل للجزء. إذا بقي جزء من القطار في الجزء، فإن دائرة المسار تكتشف ذلك الجزء.

يكشف هذا النوع من الدوائر عن عدم وجود قطارات، وذلك لضبط إشارة المرور وتوفير وظائف التعشيق المختلفة، كمنع تحريك نقاط التحويل أثناء اقتراب القطار منها. كما تُثبت الدوائر الكهربائية تثبيت نقاط التحويل في موضعها الصحيح قبل إمكانية إزالة إشارة حماية المسار. تحمل القطارات البريطانية والعاملون في مناطق إغلاق دوائر السكك الحديدية مشابك تشغيل دوائر السكك الحديدية (TCOC)، بحيث يمكن، في حال عرقلة أي شيء لخط سير مجاور، إحداث قصر في دائرة السكة. وهذا يُفعّل إشارة حماية ذلك الخط لإيقاف القطار القادم قبل تنبيه مُشغّل الإشارات. ^{[ 2 ]}

تعتمد طريقة بديلة لتحديد حالة إشغال جزء من السكة الحديدية على استخدام أجهزة مثبتة في بدايته ونهايته لحساب عدد المحاور الداخلة والخارجة منه. إذا تساوى عدد المحاور الخارجة مع عدد المحاور الداخلة، يُفترض أن الجزء خالٍ. تؤدي عدادات المحاور وظائف مشابهة لدوائر التتبع، ولكنها تتميز ببعض الخصائص الأخرى. في بيئة رطبة، قد يكون الجزء الذي يُحسب فيه عدد المحاور أطول بكثير من الجزء الذي تُضبط فيه دوائر التتبع. كما أن انخفاض مقاومة الحصى في دوائر التتبع الطويلة جدًا يقلل من حساسيتها. تستطيع دوائر التتبع اكتشاف بعض أنواع عيوب السكة تلقائيًا، مثل السكة المكسورة. في حال عودة التيار الكهربائي بعد انقطاعه، يبقى الجزء الذي يُحسب فيه عدد المحاور في حالة غير محددة حتى يمر قطار عبره. أما الجزء الذي تُضبط فيه دوائر التتبع، فيكتشف وجود قطار فيه فورًا.

كانت الإشارات القديمة تُظهر جوانبها المختلفة من خلال موقعها المادي. تتألف الأنواع الأولى من لوحة إما أن تكون مواجهة للسائق ومرئية له بالكامل، أو مُدارة بحيث تكاد تكون غير مرئية. ورغم أن هذا النوع من الإشارات لا يزال مستخدمًا في بعض الدول (مثل فرنسا وألمانيا)، إلا أن إشارة السيمفور هي الشكل الأكثر شيوعًا للإشارات الميكانيكية في العالم . تتكون هذه الإشارة من ذراع أو شفرة محورية يمكن إمالتها بزوايا مختلفة. ويُعد الذراع الأفقي الإشارة الأكثر تحديدًا (للدلالة على "خطر"، "حذر"، "قف ثم تابع"، أو "قف في مكانك" حسب نوع الإشارة).

لتمكين القطارات من السير ليلاً، تُزوَّد كل إشارة عادةً بضوء واحد أو أكثر. يتألف هذا عادةً من مصباح زيتي مضاء بشكل دائم، مزود بأغطية ملونة متحركة في مقدمته لتغيير لون الضوء. ولذلك، كان على السائق أن يتعلم مجموعة من الإشارات للرؤية نهاراً وأخرى للرؤية ليلاً.

على الرغم من شيوع ربط الضوء الأخضر بحالة الأمان، إلا أن هذا لم يكن الحال تاريخيًا. ففي بدايات أنظمة إشارات السكك الحديدية، كانت الأضواء الملونة الأولى (المرتبطة بالإشارات المقلوبة) تُظهر ضوءًا أبيض للدلالة على "المرور الآمن" وضوءًا أحمر للدلالة على "الخطر". استُخدم اللون الأخضر في الأصل للدلالة على "الحذر"، لكن استخدامه توقف عند إلغاء نظام الفترات الزمنية. لاحقًا، استُبدل الضوء الأبيض باللون الأخضر للدلالة على "المرور الآمن"، وذلك لتجنب تفسير السائقين للضوء الأحمر المكسور على أنه إشارة خاطئة للمرور الآمن. ولم يصبح اللون الأصفر اللون المعتمد للدلالة على "الحذر" إلا بعد أن أتقن علماء شركة كورنينج للزجاج درجة لونية من الأصفر خالية تمامًا من أي مسحة خضراء أو حمراء.

عادة ما يتم تشغيل الإشارات الميكانيكية عن بعد بواسطة سلك من ذراع في صندوق الإشارات، ولكن عادة ما يتم استخدام التشغيل الكهربائي أو الهيدروليكي للإشارات التي تقع على مسافة بعيدة جدًا بحيث لا يمكن تشغيلها يدويًا.

في معظم خطوط السكك الحديدية الحديثة، حلت الإشارات الضوئية الملونة محل الإشارات الميكانيكية إلى حد كبير. تتميز الإشارات الضوئية الملونة بقدرتها على عرض نفس التفاصيل ليلاً ونهاراً، كما أنها تتطلب صيانة أقل من الإشارات الميكانيكية.

على الرغم من أن الإشارات تختلف اختلافاً كبيراً بين البلدان، وحتى بين خطوط السكك الحديدية داخل بلد معين، فإن النظام النموذجي للجوانب سيكون كالتالي:

• أخضر: استمر بالسرعة المحددة. توقع أن تجد الإشارة التالية خضراء أو صفراء.
• اللون الأصفر: استعد للعثور على الإشارة التالية التي تظهر باللون الأحمر.
• الأحمر: توقف.

في بعض خطوط السكك الحديدية، تعرض إشارات الضوء الملونة نفس مجموعة الجوانب التي تعرضها الأضواء الموجودة على الإشارات الميكانيكية أثناء الظلام.

إشارات المسار وإشارات السرعة هما طريقتان مختلفتان لإخطار القطارات بشأن التقاطعات.

في نظام إشارات المسار ، يُبلَّغ السائق بالمسار الذي سيسلكه القطار بعد كل إشارة (إلا إذا كان هناك مسار واحد فقط). ويتم ذلك بواسطة مؤشر مسار مُثبَّت على الإشارة. يستخدم السائق معرفته بالمسار، مدعومةً بعلامات تحديد السرعة المثبتة على جانب السكة، لقيادة القطار بالسرعة المناسبة للمسار المطلوب. لكن لهذه الطريقة عيب يتمثل في أن السائق قد لا يكون على دراية بالسرعة المطلوبة عند عبور تقاطع تم تحويل مساره إليه بسبب حالة طارئة. وقد تسبب هذا وحده في وقوع عدة حوادث. ^{[ 3 ]} لهذا السبب، في المملكة المتحدة، حيث جميع الخطوط مزودة بإشارات المسار، لا يُسمح للسائقين بالقيادة إلا على المسارات التي تدربوا عليها، ويجب عليهم السفر بانتظام على مسارات التحويل الأقل استخدامًا للحفاظ على معرفتهم بالمسار مُحدَّثة.

تستخدم العديد من أنظمة إشارات الطريق نظام التحكم في الاقتراب (انظر أدناه) لإبلاغ السائق بتغيير قادم في المسار.

في نظام إشارات السرعة ، تُعلم الإشارة السائق بالسرعة المسموح بها لعبور التقاطع، ولكن ليس بالضرورة بالمسار الذي سيسلكه القطار. يتطلب نظام إشارات السرعة نطاقًا أوسع بكثير من الإشارات مقارنةً بنظام إشارات المسار، ولكنه يعتمد بشكل أقل على معرفة السائقين بالمسار، مع العلم أن حاجة السائقين لمعرفة المسار لا تُلغى تمامًا، إذ لا تُعلمهم إشارات السرعة عادةً بتغييرات حدود السرعة خارج التقاطعات. عادةً ما تُستخدم لافتات حدود السرعة بالإضافة إلى إشارات السرعة، ويتبع السائق اللافتة التي تُظهر السرعة الأقل.

تستخدم العديد من الأنظمة عناصر من كلا النظامين لتزويد السائقين بأكبر قدر ممكن من المعلومات. وهذا يعني أن أنظمة إشارات السرعة قد تستخدم مؤشرات المسار بالتزامن مع مؤشرات السرعة لإعلام السائقين بشكل أفضل بمسارهم؛ فعلى سبيل المثال، قد تُستخدم مؤشرات المسار في المحطات الرئيسية لإرشاد القطارات القادمة إلى الرصيف الذي ستتجه إليه. وبالمثل، تُشير بعض أنظمة إشارات المسار إلى سرعة الاقتراب باستخدام شاشات عرض حتى يعرف السائقون السرعة التي يجب عليهم السير بها.

• 
  مثال على إشارة من ملبورن، فيكتوريا: تعرض هذه الإشارة جانبًا متعلقًا بتحديد السرعة، بالإضافة إلى مؤشر المسار.

عندما يتم توجيه القطار نحو مسار متفرع يجب أن يتم اتخاذه بسرعة أقل بكثير من سرعة الخط الرئيسي، يجب إعطاء السائق تحذيراً مسبقاً كافياً.

في ظل نظام إشارات المسار ، لا تتوفر الجوانب اللازمة للتحكم في السرعة، لذا يُستخدم غالبًا نظام يُعرف باسم " تحرير الاقتراب" . يتضمن هذا النظام تثبيت إشارة التقاطع عند وضعية تقييد (عادةً وضعية التوقف ) بحيث تُظهر إشارات الاقتراب التسلسل الصحيح لأوضاع التحذير. يقوم السائق بالضغط على المكابح وفقًا لوضعية التحذير، دون أن يكون بالضرورة على دراية بتحديد المسار المتفرع. عندما يقترب القطار من إشارة التقاطع، قد تتغير وضعية الإشارة إلى أي وضعية يسمح بها إشغال المسار الحالي أمامه. عندما تكون سرعة التحويل مساوية، أو قريبة جدًا من، سرعة الخط الرئيسي، يصبح تحرير الاقتراب غير ضروري.

في ظل نظام الإشارات السريعة ، تعرض الإشارات التي تقترب من نقطة التباعد جوانب مناسبة للتحكم في سرعة القطارات، لذلك لا يلزم إصدار إذن بالاقتراب .

يوجد في المملكة المتحدة نظام إشارات صفراء وامضة يسمح للقطارات بالاقتراب من مسار متفرع بسرعة أعلى، مما يُعلم السائق بأن المسار أمامه مُعدّ على خط متفرع. مع ظهور القطارات الحديثة الأسرع والتقاطعات المتطورة، برزت الحاجة إلى نظام أفضل لإرشاد السائقين، فتم تطوير النظام التالي في أوائل ثمانينيات القرن الماضي. وقد خضع هذا النظام لتحسينات على مر السنين، ويُستخدم الآن دوليًا، كما يُستخدم في أنظمة الإشارات ثلاثية الجوانب منخفضة السرعة، حيث تُعدّ الإشارة الصفراء الوامضة الوحيدة أول إشارة يتلقاها السائق.

في نظام الإشارات الرباعي، إذا كان الطريق عبر التقاطع خالياً، ستعرض إشارة التقاطع ضوءاً أصفر ثابتاً واحداً بالإضافة إلى مؤشر تقاطع مضاء يوضح الطريق المحدد. ^{[ 4 ]}

ستُظهر الإشارة السابقة لإشارة التقاطع وميضًا أصفرًا واحدًا ، بينما ستُظهر الإشارة التي تسبقها وميضين أصفرين . تُحدد معرفة السائق بالمسار السرعة المسموح بها عند عبور التقاطع المتفرع، وسيبدأ بتخفيف سرعة القطار عند رؤية الوميضين الأصفرين . تُشير الإشارات الوامضة إلى أن المسار عبر التقاطع مُحدد وخالٍ، ولكن بعد ذلك، تكون الإشارة الأولى على المسار المتفرع حمراء، لذا يجب عليه الاستعداد للتوقف هناك.

عندما يقترب القطار من إشارة التقاطع، قد تتحول الإشارة إلى جانب أقل تقييدًا ( أصفر واحد ، أو أصفران ، أو أخضر ) اعتمادًا على مدى خلو الخط أمامه.

تستخدم بعض الأنظمة أنظمة تحكم ميكانيكية في السرعة بالتزامن مع الإشارات لضمان تحديد سرعة القطار بقيمة معينة، وذلك لضمان سيره بسرعة تمكنه من التوقف قبل أي عائق. تعتمد هذه الأنظمة في الغالب على أجهزة إيقاف القطار الميكانيكية (ذراع صغير يرتفع من القضبان ويضغط على مكابح القطار عند مروره فوقها) لإيقاف القطار الذي يسير بسرعة زائدة. عادةً، عندما يصل القطار إلى نقطة معينة على السكة، يبدأ مؤقت بالتحرك، وعند انتهاء الوقت، ينخفض ​​ذراع الإيقاف، مما يسمح للقطار بالمرور دون انقطاع. صُمم التوقيت بحيث إذا كان القطار يسير بالسرعة المحددة (أو أقل)، فإنه سيتمكن من مواصلة السير دون مشكلة، أما إذا كان يسير بسرعة زائدة، فسيتوقف القطار تلقائيًا. يمكن استخدام هذا النظام لضمان سير القطار بسرعة معينة، مما يسمح للمصممين بالثقة بأن فترات تداخل الإشارات الأقصر ستكون كافية، وبالتالي فإن استخدام هذا النظام يمكن أن يساعد في تحسين سعة خط السكة الحديد بشكل كبير.

يُستخدم هذا النظام غالبًا عند الاقتراب من التقاطعات المسدودة لمنع القطارات من الاصطدام بالمصدات في نهايتها، كما حدث في أماكن مثل مورغيت . كما يُستخدم أيضًا على خطوط السكك الحديدية ذات الحركة المرورية العالية لزيادة السعة، مثل خط سكة حديد سيتي سيركل في سيدني، حيث استُخدم في النصف الغربي منه منذ عام 1932 للسماح بمرور 42 قطارًا في الساعة في كل اتجاه. وكانت كل محطة تحتوي على عدة مصدات للقطارات على طول الأرصفة، تنخفض تدريجيًا لضمان عدم اصطدام القطار القادم بالقطار المغادر، على بُعد أقل من 100 متر. وقد عُدّل هذا النظام في أوائل التسعينيات، بحيث لا يتمكن القطار القادم من دخول الرصيف إلا بعد مغادرة القطار السابق، ومع ذلك، لا تزال هذه الرحلات تُستخدم للتغلب على تداخل الإشارات المطلوب عادةً.

تُستخدم هذه الأنظمة غالبًا بالتزامن مع إشارات السرعة التدريجية (انظر أدناه).

يشير نظام إشارات السرعة التدريجي إلى الأنظمة التي تفرض قيودًا على السرعة بناءً على إشارات التحذير. في الأنظمة التي لا تعتمد هذا النظام، لا تُجبر إشارات التحذير من اقتراب الإشارة الحمراء السائق على اتخاذ أي إجراء، بل يُترك له تقدير متى يبدأ في تخفيف السرعة استعدادًا للتوقف عند الإشارة الحمراء. أما في نظام إشارات السرعة التدريجي، فتفرض كل إشارة تحذير قبل الإشارة الحمراء حدًا أدنى للسرعة على السائق. ^{[ 5 ]} يجب عدم الخلط بينه وبين إشارات السرعة المستخدمة عند التقاطعات؛ إذ يمكن استخدام نظام إشارات السرعة التدريجي بالتزامن مع إشارات المسار.

تُعدّ مسافة الكبح التشغيلية (SBD) عاملاً حاسماً في تصميم تخطيطات إشارات السكك الحديدية. نظراً لانخفاض الاحتكاك بين القضبان والعجلات، وثقل القطارات، قد تصل مسافة كبح القطار إلى عدة كيلومترات. ولضمان التباعد الآمن بين القطارات، يجب استخدام مسافة الكبح التشغيلية في حسابات وضع الإشارات. عند تصميم إشارات خط ما، يجب أن تكون مسافة الكبح التشغيلية المستخدمة لهذا الخط هي مسافة القطار الأقل كفاءة (الأثقل، الأضعف كبحاً، قطارات الشحن، التي تجرها قاطرة). وبمراعاة أسوأ قطار ممكن، ستكون القطارات ذات الكبح الأفضل (القطارات متعددة الوحدات، الخفيفة، ذات الكبح المتقدم، قطارات الركاب) آمنة ومحمية أيضاً. ^{[ 7 ]}

حساب مسافة الكبح: ${\displaystyle \mathrm {SBD} ={\frac {V^{2}}{2r}}}$

حيث V هي سرعة القطار قبل الكبح و r هي معدل الكبح. ^{[ 8 ]} يمكن أن تكون القيمة النموذجية لـ r هي${\displaystyle 0.5\mathrm {\,m/s^{2}} }$[ ^{9 ]​}

مثال على الحساب

${\displaystyle V=160\mathrm {\,km/h} =44.44\mathrm {\,m/s} }$

${\displaystyle r=0.5\mathrm {\,m/s^{2}} }$

${\displaystyle BD={\frac {(44.44\mathrm {\,m/s} )^{2}}{2(0.5\mathrm {\,m/s^{2}} )}=1974.9\mathrm {\,m} }$

مسافة الكبح الخدمية ليست استخدامًا طارئًا للفرامل، بل هي الاستخدام الطبيعي للفرامل من قِبل السائق. ولأسباب تتعلق بالسلامة، لا يمكننا استخدام الحد الأدنى لمسافة الكبح عند استخدام الفرامل بأقصى قوة، بل يجب مراعاة هامش خطأ معين، وهو مسافة الكبح الخدمية.

المسافة الدنيا بين أول إشارة تحذير وإشارة الخطر هي SBD. وهذا يسمح للسائق بالتوقف التام من لحظة رؤية إشارة التحذير وحتى الوصول إلى إشارة الخطر.

توجد أيضًا مسافة قصوى بين الإشارات، عادةً ما تكون 1.5 ضعف المسافة بين الإشارات. ^{[ 10 ]} على الرغم من أن تحديد مسافة قصوى بين الإشارات قد لا يبدو بديهيًا (أي أن وجود مسافة كبيرة بينها يمنح القطار مساحة واسعة للتوقف)، إلا أنه ضروري لضمان وضوح المعلومات التي تقدمها الإشارات. فإذا كانت إشارة بعيدة جدًا عن إشارة التوقف التالية، فقد لا يضغط السائق على الفرامل بشكل كامل ظنًا منه أن لديه متسعًا من الوقت للتوقف، مما قد يؤدي إلى خطأ. ومن خلال تحديد مسافة قصوى بين أول إشارة تحذير وإشارة الخطر التالية، يتم تجنب أي لبس.

يمكن اعتبار مسافة الكبح القياسية للقطارات المتوسطة (في نظام الإشارات في المملكة المتحدة)، التي تسير بسرعة 100 ميل في الساعة (160 كم/ساعة)، 2000 متر. ^{[ 11 ]}  

تتطلب إشارات التوقف على خطوط السكك الحديدية هامش أمان معينًا تحسبًا لخطأ السائق أو عوامل خارجية (كالأحوال الجوية أو تساقط أوراق الشجر). تتخذ هذه الإشارات شكل أقسام كشف إضافية (دائرة المسار أو عدادات المحاور) تمتد بعد الإشارة التي يمكنها عرض إشارة التوقف. في نظام الإشارات البريطاني، يبلغ الحد الأدنى القياسي للتداخل 180  مترًا. أما الإشارات الأقصر من ذلك، فيجب أن تتضمن تدابير حماية إضافية لمنع تجاوز الإشارات الخطرة .

وقت التقارب (HT) هو الحد الأدنى للوقت بين القطارات، أو عدد القطارات التي يمكنها المرور بأمان ودون كبح عبر نقطة معينة لكل وحدة زمنية:

${\displaystyle \mathrm {HT} ={\frac {\mathrm {HD} }{V}}}$

حيث HD = مسافة التباعد بين الصفوف، V = أقصى سرعة مسموح بها للخط.

يمكن حساب مسافة التباعد (HD): ^{[ 12 ]}

${\displaystyle \mathrm {HD} =S+P+O+L}$

أين:

• S هي مسافة الرؤية
• P هي المسافة من جانب التوقف إلى الجانب الأقل تقييدًا (أي: المسافة من إشارة حمراء إلى أقرب إشارة خضراء، مع اقتراب القطار).
• O هي مسافة التداخل
• L هو طول القطار

مسافة المبنى

المسافة بين الكتلتين ( D ) هي المسافة بين إشارتين قادرتين على إظهار اللون الأحمر. وتختلف هذه المسافة بين أنظمة الإشارات ثنائية وثلاثية ورباعية الجوانب. وهي قيمة حاسمة في تصميم تخطيط الإشارات.

تتكون الكتل من أقسام كشف القطارات (غالباً ما تظهر كخط عمودي قصير). يمكن أن تتكون الكتل من قسم كشف واحد أو عدة أقسام.

الإشارة ذات الجانبين

توجد معادلات لتحديد قيمة D المناسبة .

لتحقيق التقدم المطلوب: ${\displaystyle D\leq P-1.5(\mathrm {SBD} )}$^{[ 13 ]}

لتحقيق السلامة والتكلفة: ${\displaystyle P\geq 4(\mathrm {SBD} )}$***

بشكل عام، يتم استخدام الإشارات ثنائية الجوانب عندما تكون قيمة P أكبر بكثير من قيمة SBD.

**إذا كانت قيمة P تساوي أربعة أضعاف أو أقل من قيمة SBD، فلا يُنصح باستخدام نظام الإشارات ثنائي الجوانب. وذلك لأن المسافة بين إشارات التوقف ستكون متقاربة جدًا لدرجة أن الإشارات البعيدة ستبدأ بالتداخل مع إشارة التوقف السابقة، مما يُسبب ارتباكًا للسائق. بالإضافة إلى ذلك، بما أن كل إشارة توقف تحتاج إلى إشارة بعيدة، فعندما تتقارب الإشارات إلى هذا الحد، يصبح من الأوفر استخدام نظام الإشارات ثلاثي الجوانب.${\displaystyle P<4(\mathrm {SBD} )}$يُعد استخدام الإشارات ثلاثية الجوانب أرخص وأكثر أمانًا. ^{[ 14 ]} هذه ليست قاعدة ثابتة، إذ لا يزال من الممكن تقنيًا استخدام جانبين في هذه المرحلة، ولكن لا يُنصح بذلك.

الإشارات ثلاثية الجوانب

لتلبية متطلبات السلامة: ${\displaystyle \mathrm {SBD} \leq D\leq 1.5(\mathrm {SBD} )}$

لتلبية متطلبات التباعد الزمني: ${\displaystyle D\leq {\frac {P}{2}}}$^{[ 15 ]}

يؤدي نظام الإشارات ثلاثي الجوانب إلى زيادة كبيرة في السعة مقارنة بنظام الإشارات ثنائي الجوانب.

الإشارة ذات الجوانب الأربعة

لتلبية متطلبات السلامة: ${\displaystyle 0.5(\mathrm {SBD} )\leq D\leq 0.75(\mathrm {SBD} )}$

لتلبية متطلبات التباعد الزمني: ${\displaystyle D\leq {\frac {P}{3}}}$^{[ 16 ]}

يُضيف نظام الإشارات رباعي الجوانب إشارة تحذير إضافية، غالباً ما تكون صفراء مزدوجة. وهذا يُقسّم خط السكة الحديد بشكل أكبر ويسمح بزيادة السعة.

بعد حساب فترات التباعد بين القطارات، يجب مراعاة البنية التحتية الأخرى (وهذا ما يفسر الحاجة إلى نطاق مرن للمسافة بين أجزاء السكة). تُعدّ تقاطعات السكك الحديدية بنية تحتية متحركة يجب حمايتها بإشارات. فإذا مرّ قطار فوق مفتاح تحويل/نقطة تحويل وكان هذا المفتاح في وضع خاطئ، فقد يتسبب ذلك في تلفه أو خروج القطار عن مساره.

يجب حماية التقاطعات بإشارة قادرة على إظهار وضعية التوقف . تُعلم هذه الإشارة السائق ما إذا كان عبور التقاطع آمنًا. وباستخدام مناطق كشف القطارات، يمكن لنظام الإشارات المتشابكة تحديد ما إذا كان مرور القطار آمنًا.

التقاطعات المتقاربة

بالنسبة للتقاطعات المتقاربة، فإن الحد الأدنى للمسافة اللازمة لوضع إشارة حماية من التقاطع هو مسافة التداخل (في نظام الإشارات البريطاني، تبلغ عادةً 180 مترًا). ويتم قياسها من نقطة التخليص (CP) للتقاطع.

There is not necessarily a maximum specified distance to a converging junction. The train does not need to slow down regardless of the position of the points. Even if a train passes over the switches in the wrong position, the force of the train will force the switches over.

Fouling point and clearance point

The fouling point (FP) is the position where two trains would have a side-on collision when approaching a junction. It is measured perpendicularly away from the rails.

The clearance point (CP) is the position in which a train can stop safely in front of a junction to allow another train to safely pass by. The CP is measured a set distance away from the FP.

Signals protecting the junction must be placed at least the length of the overlap away from the clearance point.

Diverging junctions

For diverging junctions, the minimum distance for a protecting signal away from the junction is the overlap distance (in UK signalling it is usually 180 m). The diagrams use show route signalling as examples.

For diverging junctions, the maximum distance for a protecting signal away from the junction is a specified distance, which is set by the local railway standards (in UK signalling it is 800 m).

Drivers must slow down when taking the diverging route on a set of points (when not going straight through). Therefore a maximum specified distance is required to make sure the instructions to the driver are clear and not forgotten.

So when placing signals that protect diverging junctions, the distance must be between 180 m and 800 m (UK signalling).

The position of signals is initially found by using headway calculations, then taking into account the track layout (points, gradients, speed limits), operational requirements, rolling stock and capacity requirements. However, when it comes to the physical positioning of signals, other factors come into consideration^[17]:

• Line curvature – may impede vision of signals on the track. Sighting distance may be affected.
• Viaducts, bridges and tunnels – Signals should not be placed so that a train will come to a standstill before a red signal, while it is on a structure. This would make evacuating a train difficult in an emergency.
• Excessive artificial lighting – In areas such as stations, buildings, cities; there may be excessive artificial lighting which could confuse the driver.
• ضوء الشمس - قد تتأثر مناطق معينة من خط السكة الحديد، في أوقات معينة من اليوم، بشدة بأشعة الشمس.
• عواقب تجاوز الإشارة الحمراء - يجب وضع الإشارات بحيث إذا تجاوز قطار إشارة حمراء، يكون تأثير ذلك في أدنى حد ممكن.

تم وصف قواعد التشغيل الأرجنتينية في Reglamento interno técnico de Operaciones [RITO] ( كتاب قواعد التشغيل الفني).

يُطلق على تطبيق قواعد العمل في أستراليا اسم "العمل الآمن ". ويُشار إلى أسلوب العمل المتبع في أي منطقة أو موقع محدد باسم "نظام العمل الآمن" لتلك المنطقة. وتختلف قواعد العمل بين الولايات، على الرغم من وجود محاولات لوضع معيار وطني موحد.

في أمريكا الشمالية ، وخاصة في الولايات المتحدة ، تُسمى قواعد التشغيل " طريقة التشغيل" . وهناك خمس مجموعات رئيسية من قواعد التشغيل في أمريكا الشمالية:

• قواعد تشغيل السكك الحديدية الكندية (CROR)، المستخدمة من قبل معظم خطوط السكك الحديدية الكندية، باستثناء عمليات السكك الحديدية الوطنية الكندية في الولايات المتحدة، والتي تستخدم نسخة معدلة وخاصة من GCOR، والمعروفة باسم USOR (قواعد التشغيل في الولايات المتحدة).
• المدونة العامة لقواعد التشغيل (GCOR)، المستخدمة من قبل العديد من خطوط السكك الحديدية من الفئة الأولى ، وخطوط السكك الحديدية من الفئة الثانية ، وخطوط السكك الحديدية القصيرة في الولايات المتحدة
• لجنة قواعد التشغيل الاستشارية في شمال شرق الولايات المتحدة (NORAC)، التي تستخدمها العديد من خطوط السكك الحديدية في شمال شرق الولايات المتحدة
• تستخدم شركة نورفولك ساوثرن، من الفئة الأولى، مجموعة فريدة من قواعد التشغيل.
• تستخدم شركة النقل من الفئة الأولى CSX مجموعة فريدة من قواعد التشغيل.

يُطلق على دليل قواعد التشغيل في المملكة المتحدة اسم "دليل قواعد GE/RT8000" ^{[ 19 ]} ، ويُعرف بين موظفي السكك الحديدية باسم "دليل القواعد". ويخضع هذا الدليل لإشراف مجلس سلامة ومعايير السكك الحديدية (RSSB)، وهو هيئة مستقلة عن شركة "نتورك ريل" أو أي شركة تشغيل قطارات أو شركة شحن أخرى . وتعمل معظم خطوط السكك الحديدية التراثية وفقًا لنسخة مبسطة من دليل قواعد السكك الحديدية البريطانية .

يتألف نظام الإشارات المستخدم في شبكة السكك الحديدية في فنلندا من إشارات ضوئية ملونة وعلامات ثابتة. ويُستخدم هذا النظام بالتزامن مع نظام التحكم الآلي بالقطارات EBICAB 900، المعروف اختصاراً بـ JKV ( بالفنلندية : junakulunvalvonta ).

في إيطاليا ، يتم وصف إشارات السكك الحديدية في تعليمات خاصة تسمى Regolamento Segnali مؤرشفة في 7 ديسمبر 2014، في Wayback Machine ( تنظيم الإشارات ).

تُعدّ قواعد التشغيل الهندية، المسماة "القواعد العامة"، موحدةً لجميع خطوط السكك الحديدية الإقليمية التابعة للسكك الحديدية الهندية ، ولا يجوز تعديلها إلا من قبل مجلس إدارة السكك الحديدية. وتُضاف القواعد الفرعية إلى القواعد العامة من قبل خطوط السكك الحديدية الإقليمية التي لا تتعارض معها. وتُجرى التصحيحات من حين لآخر عبر نماذج التصحيح. ^{[ 20 ]}

استند نظام الإشارات الياباني في البداية إلى نظام الإشارات البريطاني، ولا يزال يعتمد عليه في التقاطعات. ومع ذلك، ومع تطور نظام الإشارات ليُلبي متطلبات النظام، يُستخدم نظام الإشارات التدريجي للسرعة خارج التقاطعات.

نشأت إشارات السكك الحديدية في هونغ كونغ من مبدأ إشارات السكك الحديدية البريطانية، ^{[ 21 ]} ولا تزال تستند إلى المبادئ لتطوير كتيبات القواعد والإجراءات تحت إدارة منظمة التشغيل MTR.