Kedves Olvasók,

örömmel mutatom be azt a LEGO-s projektem, amin körülbelül egy éve dolgozom. A terepasztalom állomási területét már régóta fejlesztem (1. ábra), viszont mindig is zavart, hogy az állomás fényjelzői sötétek, semmilyen jelzést nem adnak a vonatoknak. Így elkezdtem azon gondolkodni, hogy mivel és hogyan tudnám megvilágítani őket - és ekkor adta magát a gondolat, hogy ne kézzel, egyesével legyenek kapcsolva, hanem többé-kevésbé automatizáltan.

1. ábra: A vasútállomásom és a csatlakozó tárolóvágányok alaprajza a BlueBrick programban.

1. Miért, mit és minek?

A terepasztalom egy átlagos fővonali vasútállomást mutat be - nem egy konkrét magyar állomást, csak egy olyat, amely hangulatában hozza a kétvágányos fővonalakhoz tartozó, felújított állomást. Egy modern vasútállomáson fényjelzők vannak, amelyek fények nélkül már régóta megvannak. Az állomásom legelső, 2011-es verziójához is voltak már jelzők építve, 2013-ban pedig Power Functions ledeket is tettem kettő négyfényű jelzőbe (2. ábra). Ezek jelzésképeit jelzőnként 2 darab polaritásváltóval tudtam kapcsolni (a ledeket Kovács Viktor Péter szerelte át polaritásérzékenyre, amelyről a RailBricks magazin 9-es számában ír bővebben). A jelzők kézi kezelése sok hibához vezethetett, ha nem kapcsolta senki tilosra őket a vonat elhaladása után, akkor bizony szabad állásban maradtak, és a jelzők utáni váltók állásával sem volt függésben, azaz egy szabad a maximális sebességgel jelzés után jöhetett kitérő irányba eltérítő váltó. Az állomásom jelenlegi formájához 5 darab bejárati, 11 darab kijárati és egyetlen darab tolatásjelzőre volt szükség, ilyen jelzőmennyiség mellett a kézi állítás rendkívül időigényes. Fontos még leszögeznem, hogy a későbbiekben bemutatott rendszer nem a terepasztal automatizálását jelenti (nem fogja vezetni a különböző meghajtású vonatokat), hanem egy, eddig nem létező játékélmény-elemet kíván bevinni a klubunk kiállításaira - az állomásfőnök posztját, illetve a vonatvezetők a megjelenő jelzésképek szerint vezethetnek.

2. ábra: A régi, kézi állítású fényjelzőim. Külön érdekesség, hogy ezek a jelzők mind a mai napig megvannak, csak már más megvilágítással.

2. Példa a valóságból

Mielőtt továbbmennénk, egy pár szót szánnék a magyar jelzésrendszerre és a mögöttes logikára is - vasutas szemmel ez nyilván nem lesz teljes és szakmai, de a cél az érthetőség. A fontosabb magyar fővonalak többségén úgynevezett térközbiztosítású rendszer van kiépítve - azaz két szomszédos állomás bejárati jelzői között a vágány az állomások távolságától függően fel van osztva néhány szakaszra, amelyeket térközjelzők választanak el egymástól. Ha egy térközben vonat tartózkodik, akkor a térközbe "beengedő" jelző tilos (vörös) jelzést mutat, az eggyel korábbi pedig egy sárga fényt. Ha egy vonat áthalad (egyenes irányban, nem kitérőzve) egy állomáson, akkor az állomásra beengedő (bejárati) jelző és az onnan az első térközbe kiengedő (kijárati) jelző is a térközjelző sorozatába illik. Ha egy jelzőn egy zöld fényt látunk, az nemcsak azt jelenti, hogy szabad, hanem azt is, hogy a jelző utáni térköz és az azutáni térköz is szabad. A jelzők jelzésképei lehetnek:

• Egy vörös fény: A jelző előtt a vonattal meg kell állni, a jelző nem ad előjelzést a következő érintett jelző jelzésképét illetően.
• Két sárga fény: A jelző mellett 40 km/h sebességgel lehet elhaladni, a következő érintett jelzőn egy vörös fény (megállás) várható.
• Egy sárga folytonos, egy sárga villogó fény: A jelző mellett 40 km/h sebességgel lehet elhaladni, a következő jelzőn olyan jelzés várható, amely 40 km/h-val való továbbhaladást engedélyez.
• Egy sárga és egy zöld fény: A jelző mellett 40 km/h sebességgel lehet elhaladni, a következő jelzőn a vonatnál alkalmazható legnagyobb sebességgel való továbbhaladást engedélyező jelzés várható.
• Egy sárga fény: A jelző mellett a vonatnál alkalmazható legnagyobb sebességgel lehet elhaladni, a következő jelzőn egy vörös fény (megállás) várható.
• Egy villogó sárga fény: A jelző mellett a vonatnál alkalmazható legnagyobb sebességgel lehet elhaladni, a következő jelzőn olyan jelzés várható, amely 40 km/h sebességgel való továbbhaladást engedélyez.
• Egy zöld fény: A jelző mellett a vonatnál alkalmazható legnagyobb sebességgel lehet elhaladni, a következő jelzőn olyan jelzés várható, amely a vonatnál alkalmazható legnagyobb sebességgel való továbbhaladást engedélyezi.

A fenti meghatározásokból látható, hogy a vörös fényjelzést kivéve minden más jelzéskép nemcsak arról tájékoztat, hogy az adott jelző mellett hogyan lehet elhaladni, hanem arról is, hogy a következő jelzőn mi várható! Ha megnézitek a 3. ábrán lévő vágányhálózatot, hamar látható, hogy a fent felsorolt jelzésképek mindegyikére szükségem van.

3. ábra: A terepasztalom sematikus vágányrajza, jelzőkkel.

3. A biztosítóberendezés elemei

Ahhoz, hogy értelmesen működjön a berendezés, nemcsak az állomási vágányok forgalmának szabályozása szükséges, hanem az állomással szomszédos 1-1 térköz felügyelete is. De miért is? Leginkább azért, mert egy adott, az állomásról kivezető vágányra csak akkor engedhetünk rá egy vonatot, ha tudjuk, hogy az legalább egy szakaszban szabad (ekkor egyenes irányban egy sárgával, kitérőzve két sárgával hatalmazhatjuk fel a vonatot az indulásra). A szakasz foglaltságát akkor tudjuk ellenőrizni, ha az első térköz végén lévő jelzőknél megtörténik a vonatok érzékelése is.

Érzékelésre és vezérlésre az SBrick bluetooth-alapú rendszerét használtam fel, amely LEGO-perifériákat (ledek, motorok, távolságmérők) tud kezelni. A fényjelzők vezérlését az SBrick Light Hub végzik, melyről darabonként 8×3 csatornán, összesen 24 független fény vezérelhető. Az SBrick Light egy "hármas" csatornán tud RGB-ledeket is kezelni, ekkor bármilyen szín elővarázsolható, de mivel a magyar jelzőkben az eltérő színek független foglalatokban vannak, így nekem erre nem volt szükségem. Az SBrick+ kockák pedig 4 porttal rendelkeznek, ezekkel Power Functions motorokat, ledeket lehet hajtani, és a WeDo 1.0 érzékelőit (távolság- és dőlésmérő) lehet kezelni. Szerencsétlen dolog, hogy a WeDo 1.0 elemeit csak iskolák és egyéb, oktatást végző szervezetek vásárolhatták meg, használt példány ezekből a Bricklinken is kevés volt.

A fényeket vezérlő SBrick Light-ok, a távolságmérőket kezelő SBrick+-ok és a váltóállító motorokat kezelő SBrick okoskockák a számítógépemen futtatott programban találkoznak és kommunikálnak egymással. A futtatáshoz szükséges kódot az SBrick Pro felületén (pro.sbrick.com) lehet elkészíteni, böngészőből és asztali alkalmazásból is lehet futtatni. A számítógéphez Bluetooth-on keresztül kapcsolódnak. A programozás része számomra teljesen új volt, én korábban ilyesmivel nem foglalkoztam, a felület blokkokból (Scratch-jellegű) enged építkezni, de elég sok dolog megoldható benne. Különböző vezérlők (váltóállítás SBrick kimenet kapcsolással) működtetéséhez, a távolságmérők által mért értékek változásához, a jelzők állásához különböző események programozhatóak, így gyakorlatilag bármilyen esemény, amit a vonatok vagy az állomáskezelő okoznak az asztalon, lekezelhető. A felület alkamas arra, hogy hibaüzenetekben tájékoztasson, változók értékeit írja ki a pultra, így a kezelőnek mindig aktuális információja van a váltók állásáról, a vágányok foglaltságáról, a jelzők jelzésképéről vagy épp arról, hogy hol haladta meg egy vonat a továbbhaladást tiltó jelzést.

Programozási tapasztalat híján és főállású munka mellett összesen körülbelül egy év volt megírni a biztosítóberendezés kódját, időt igényelt a rendszerelemek beszerzése (pénz, és pár ritkább PF-komponens begyűjtése). Tesztelni teljes valójában csak kiállításokon tudtam, hiszen a több, mint 11 méter hosszú terepasztalt máshol nem volt lehetőségem összerakni. Az első négy alkalommal elég sok hiba, bug és fals érzékelés volt, de az utolsó alkalomra, az éves martonvásári kiállításunkra már összeállt a rendszer és nagyjából hibamentesen üzemelt (4. ábra).

4. ábra: Az állomás vezérlésére szolgáló felület az SBrick Proban.

A felhasznált fizikai komponensek:

• 4 db SBrick+ hub + 2 db WeDo 1.0 távolságmérő szenzorral mindegyiken (vonatérzékeléshez)
• 2 db SBrick hub + 5 db PF M-motorral (váltóállításhoz)
• 6 db SBrick Light hub + 88 db SBrick led (fényjelzőkhöz)
• néhány PF hosszabbítókábel
• 3 db 9V vonatos trafó az SBrick+ and SBrick hubok gazdaságos folyamatos áramellátásához.

4. Hogyan működik?

a) Vágányút beállítása

Vágányutat a nagy, fémszínű gombok megnyomásával lehet felépíteni. Legalább és legfeljebb egy állomási vágány, legalább egy, de legfeljebb kettő szomszédos nyíltvonali vágány választandó, a beállított vágányút irányát pedig úgy lehet megadni, hogy a bal felső vagy a jobb felső gombbal rögzítjük a kiválasztást. A vágányút elemeinek kiválasztása is tartalmaz ellenőrzéseket, és az irányválasztó gomb megnyomása után is elveti a vágányutat a program, ha a kiválasztott út konfliktusban lenne egy másik, meglévővel, vagy olyan vágányra vezetne, amelyen vonat tartózkodik. Ha az ellenőrzés nem talál hibát, akkor a program:

• Beállítja a vágányútnak megfelelő állásba a váltókat, az SBrick kockák kimenetén lévő M-motorokkal,
• Virtuálisan lezárja a vágányútban érintett váltókat (kézi, egyéni váltókezelést letiltja),
• A lezárás után pedig szabadra állítja a vágányútnak és irányának megfelelő jelzőket,
• A vágányút elemeinek nyomógombja piros marad, a vágányút a tárolt vágányutak között kijelzésre kerül.

Vágányút törléséhez (ha mégsem ezt állítanánk be, vagy a vonat már végigjárta) a tárolt vágányút melletti világoskék nyomógombot kell kezelni. A vágányút törlése nem lehet véletlen kezelés, az mindenképpen két kezet igényel az állomásfőnöktől. Sikeres törlés után a vágányútban érintett, még szabad állású jelzők vörös jelzésre esnek vissza, azonban a vágányút által érintett váltók és a vágányút elemei csak egy biztonsági időzítő letelte után válnak szabaddá.

b) Mozgásérzékelők / távolságmérők

A vonatok mozgásának észleléséhez a WeDo 1.0 távolságmérőit használom, amelyek tudják érzékelni, ha egy tárgy legfeljebb 15-20 cm-re van tőlük. A legnagyobb (nincs érzékelés) távolsághoz 10, a legkisebbhez 0 érték tartozik, ezek között körülbelül lineáris az átmenet. Mivel a szélesebb vonatok miatt a vágánytól távolabb vannak (a gőzösrudazatoknak útban lennének), ezért a vonatérzékelés küszöbértéke 3-ra van állítva, ha ez alá megy a mért érték, akkor a program feltételezi, hogy vonat halad el a szenzor előtt.

Vonatérzékeléskor a kód elsőként ellenőrzi, hogy a biztosítóberendezés szerint szabad-e vonatnak tartózkonia az érzékelő előtt. Mivel a szenzorok nem tudják érzékelni, melyik irányból került eléjük egy vonat, így a program a különböző logikai változók értékeiből, valamint a többi érzékelő korábbi működése alapján számítja ki, hogy melyik irányból érkezett a vonat, és a vonat szabályosan közlekedve ezt megtehette-e. Ha egy adott szenzorhoz vezető pályaszakaszokról minden jelző tilos jelzést mutat, nyilvánvaló, hogy nem lehet ott a vonat. Amennyiben érzékeléskor kiderül, hogy a vonat szenzor előtt megléte nem megengedett, a berendezés éles hanggal figyelmeztetést ad, és a szenzorhoz vezető valamennyi lehetséges vágányút esetlegesen szabadon álló jelzőit tilosra állítja (így egy szabálytalanul elinduló vonat által foglalttá vált vágányszakaszra nem engedi már rá az oda amúgy szabályosan érkező vonatot). Ha a vonat érzékelése a beállított jelzésképeknek, menetiránynak és vágányútnak megfelelt, akkor érzékeléskor a vágányútban érintett szabad jelzést mutató jelző automatikusan visszaáll vörösre, a vonat elhaladása után, egy biztonsági kiürítési idő után a szenzor foglaltsága eltűnik, és a vonat által elhagyott szakasz foglaltsága feloldódik. Ekkor már a vonat által elhagyott szakaszra további vonat fogadható.

Amennyiben az állomás átmenő vágányútjai automata üzemre vannak állítva, egy egyszer beállított vágányút tetszőleges számban felhasználható, lehetővé téve a vonatok folyamatos áthaladását. Ekkor egy-egy szakasz felszabadulásakor a szakaszt fedező jelző automatikusan szabadra áll.

5. Tapasztalatok a rendszerrel

a) Problémák

A berendezést öt rendezvényen használtam 2022-ben, április óta. Az első négy alkalommal túl sok hamis hibára futott a kód - egyértelműen problémák voltak az érzékeléskor történő hibaellenőrzés kódjában. Mivel nem sikerült megtalálnom, mi okozza a gondot, így minden egyes hibára futás lehetőségnél (vörösmeghaladás, az adott szenzor nem érintett lezárt vágányútban, az adott szenzor szomszédai nem érzékelte vonatot) beépítettem egy plusz sort, ami kiírja a felületen a hiba okát. Így már könnyebb volt azonosítani, melyik kódrészletnél van a gond, de a hibakiírós funkciót végül megtartottam a javítás után is - így egyértelműen megállapítható egy-egy jelzőmeghaladásnál, hogy hol és melyik vonat volt a ludas.

Problémát jelentett a szenzorok megfelelő elhelyezése a pálya mentén és a mintavételezési idő beállítása is. A terepasztalomon 12 kocka széles gőzösök és 6 kocka széles, gyári alapokra épült vonatok is járhatnak, előbbiek leverték a szenzort, utóbbiak meg túl messze kerültek, így nem történt esetükben érzékelés. A mintavételezési idő túl sűrűre állítása memóriagondokhoz vezetett, míg a túl ritka mintavételezés esetén a rövid és gyorsan közlekedő vonatok el tudtak suhanni úgy a szenzorok előtt, hogy nem kerültek érzékelésre.

A mintavételezési időt sikerült jól beállítani, de a szenzor távolságát a pályától nem igazán - amíg a klubunk 8-10 széles vonatai járnak, addig jól megy, de más klubokkal való közös rendezvényeken ez valószínű hibaforrás marad.

b) Játékélmény

Tényleg nagyon szuper a vonatforgalmat kezelői oldalról lebonyolítani! Mikor az idei ötödik rendezvényen végre minden megfelelően összeállt, szuper volt, hogy automata módban folyamatosan szabályozta az egymás mögött közlekedő vonatokat (korábban ezek "látra" mentek), de kiváló játékélményt nyújt a vonatok előztetése, vagy egyes járatok helyből indítása vagy végállomásoztatása is. Bár még voltak működési gondok, de az idei legjobb ilyen tapasztalat a lipcsei kiállítás volt, ahol a résztvevő kifejezetten szerették, hogy működő fényjelzők jelzésképei alapján kell vezetni a vonataikat.

Arra az esetre, hogy egyedül kiállítanék csak, készítettem egy körpálya üzemmódot is (5. ábra) - ilyenkor az állomás utáni térközjelző-csoportok (mindkét irányban), egymással is szomszédosak, egymás között egy harmadik nyíltvonali szakaszt létrehozva. Körpálya üzemmódban mindkét vágány 3-3 nyíltvonali és 1-1 állomási szakaszból áll, két vonat folyamatos körözését lehetővé téve (tudna 3 is, de akkor mindig megállni, újraindulni kellene).

5. ábra: Stadler KISS motorvonatom a külső körön, két térközjelző-csoport között, körpálya üzemmódban. A belső körpálya (jobbra) közelebbi térközjelzője egy zöld fénnyel világít, jelezve, hogy nemcsak a következő, hanem az azutáni is szabad, és a következő jelzőhöz is maximális sebességgel érkezhet a vonat (az árbóc azért piros-fehér-piros teli fehér helyett, mert a berendezés jelenleg nem kezeli a vmax=15 km/h-val történő jelzőmeghaladást vörös térköz esetén). Megfigyelhető az SBrick Light hub és SBrick+ egység a két vágány között, valamint a szenzorok sziluettjei a jelzők között.

c) Rendszerelemek működése

A legnagyobb korlát a Bluetooth-alapú kommunikáció - ebben a rendszerben a számítógépemnek 12 BT-alapú eszközt kell kezelnie folyamatosan. A kezelés talán még nem is probléma, a csatlakozás azonban igen, elég bosszantó és nehézkes mind a 12 SBrick hubhoz egyszerre csatlakozni. Szinte sosem ment fel elsőre, aztán kézzel kellett próbálkozni, ki-be kapcsolva a huboka - végül az SBrick Pro felületén megtaláltam egy "Varázsló" opciót, amiben párosítani kellett volna az eszközöket a virtuális hubokkal, ez nem sikerült, viszont a "Varázsló" módból kilépve váratlanul minden felment elsőre, így ennek felfedezése után eltűnt végre a csatlakozásokon való stresszelés.

Ebben a rendszerben a legújabb termék az SBrick Light hub és ledek - szerintem ez egy szuper új kiegészítő, néhány gyerekbetegséggel. A hub 24 csatornát (vagy 8 RGB-csatornát) tud kezelni, teljesen mértékben programozható, kérhető saját elemdobozos és hálózati csatlakozóról üzemeltethető formában (az elemdobozost is lehet hálózatról üzemeltetni). A ledek és kábelük apró, és a led paneljét több különböző méretű, formájú és csatlakozású alkatrészbe lehet becsúsztatni (1×1×2/3 kocka felül studdal vagy anélkül és technic pinbe pattintható henger). A gyermekbetegség a led panel és a foglalatok méretezésénél van - a led panel picit szorul a foglalatokban, így becsúsztatni még be lehet, de kiszedni elég nehéz. A toldásokhoz és az RGB-csatornák bontásához használható "Replicator" és "Splitter" panelek pedig 1×5 stud alapterületűek, és brick magasságon belül csatlakozó kábelekkel elrejthetőek - a LEGO-méretekkel való effajta kompatibilitás óriási előny beépítéskor. Az SBrick és SBrick+ okoskockák régi, jól bevált termékek - kát, hogy a LEGO már leállt a Power Functions termékvonallal, így idővel nem lesz mit csatlakoztatni a PF-kimenettel ellátott okoskockákra.

Ha szeretnéd megnézni működés közben a berendezést, itt találsz egy videót róla. 

...és őszinte büszkeséggel és örömmel töltött el, hogy Michael Gale, a FXBricks alapítója és Enrico Lussi, holland építő az idei lipcsei kiállításról szóló cikkeikben külön megemlítették a berendezésemet:

Michael Gale cikke a BrickNerd-en

Enrico cikke a BrickModelRailroader portálon

6. Fejlesztési tervek

A rendszer programozási oldalról elkészült, most már csak a fizikai oldalon kell építkeznem. Amint elérhetőek lesznek a 9V-rendszerrel kompatibilis, 104 stud sugarú váltók, átépítem az állomásomat, és ekkor az állomás összes váltója kap majd váltóvezérlést további SBrick-ek és M-motorok segítségével. A jelenegi és leendő állomásomat a 6. ábra mutatja be. A végleges állomási vágánykép kialakításakor pedig a berendezés kábelei is megkapják a végleges kábelcsatornákat.

6. ábra: Mostani (alul) állomásom R40 váltókkal és a jövőbeni állomás (felül) R104 váltókkal.