Làm đường sắt tốc độ cao Bắc - Nam thế nào hiệu quả? - Kỳ 3: Công nghệ nào phù hợp?

GS. TS. Đỗ Đức Tuấn: Nên lựa chọn phương tiện động lực phân tán 

Nói một cách tổng quát, phương tiện giao thông ĐSTĐC được chia thành hai loại: Phương tiện giao thông ĐSTĐC có bánh sắt và phương tiện giao thông ĐSTĐC không có bánh sắt (phương tiện chạy trên đệm không khí, trên đệm từ trường, Hyperloop...). Mặc dù không tồn tại hệ ray - bánh sắt nhưng người ta vẫn quen gọi đây là phương tiện giao thông ĐSTĐC.

Phương tiện giao thông ĐSTĐC có bánh sắt luôn gắn với đường sắt điện khí hóa. Hiện nay, trong dự án đường sắt tốc độ cao trên hành lang Bắc - Nam chỉ đề cập tới hệ thống đường sắt điện khí hóa có bánh sắt.

Nếu chỉ xét riêng về mặt phương tiện thì thế giới hiện đang sử dụng hai loại phương tiện chủ yếu cho ĐSTĐC có bánh sắt, đó là phương tiện động lực tập trung và phương tiện động lực phân tán.

Phương tiện (đoàn tàu) động lực tập trung là đoàn tàu gồm các đầu máy riêng biệt ở hai đầu đoàn tàu và các toa xe thông dụng ở giữa hai đầu máy. Phương tiện (đoàn tàu) động lực phân tán là đoàn tàu không có đầu máy riêng biệt mà bao gồm các toa xe động lực và các toa xe kéo theo. Toa xe động lực là toa xe có động cơ điện kéo, thường được ký hiệu là M (Motor car). Toa xe kéo theo là toa xe không có động cơ điện kéo, thường được ký hiệu là T (Trailer car).

Các toa xe ở hai đầu của đoàn tàu là các toa xe có buồng lái, nó có thể là toa xe động lực hoặc toa xe kéo theo. Toa xe động lực có buồng lái được ký hiệu là MC hoặc Mc (Motor car with cabin), còn toa xe kéo theo có buồng lái được ký hiệu là TC hoặc Tc (Trailer car with cabin).

Cấu hình đoàn tàu ĐSTĐC thường được thiết lập dưới dạng các mô-đun khác nhau, chẳng hạn 6 toa, 8 toa hoặc bội số của các mô-đun nói trên, tùy theo tiêu chuẩn của mỗi nước (về chiều dài của một toa xe và chiều dài của một đoàn tàu).

Mỗi loại phương tiện nêu trên đều có những ưu điểm, nhược điểm đặc trưng của nó. Mỗi nước khi xây dựng ĐSTĐC đều lựa chọn phương tiện phù hợp với truyền thống, quy mô nền kinh tế, trình độ công nghệ và các yếu tố đặc thù khác của quốc gia mình.

Ở một số quốc gia, khi cải tạo, nâng cấp hệ thống đường sắt cũ tốc độ thấp thành ĐSTĐC, người ta có thể kết hợp chạy chung cả tàu khách và tàu hàng. Trong đó, đối với tàu khách, phương tiện được sử dụng chủ yếu là động lực tập trung (điển hình như Pháp: TGV, Đức: ICE, Hàn Quốc: TCX...).

Tuy nhiên, ở một số quốc gia khác, khi xây dựng mới các tuyến ĐSTĐC, người ta có xu hướng chỉ vận chuyển hành khách, khi đó phương tiện được lựa chọn sử dụng là động lực phân tán (điển hình như Nhật Bản (Shinkansen), Trung Quốc, Hàn Quốc...).

Chẳng hạn, Trung Quốc là quốc gia đi sau nhiều nước khác trong xây dựng ĐSTĐC, ở đó các tuyến đường sắt đều được xây dựng mới với tốc độ thiết kế là 350 km/h và chỉ chạy riêng tàu khách. Phương tiện trên ĐSTĐC được lựa chọn hoàn toàn tương tự như của Nhật Bản, tức là phương tiện động lực phân tán.

Như vậy, so với nhiều nước trên thế giới có hệ thống đường sắt cao tốc ở châu Á như Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc..., ở châu Âu như Pháp, Đức, Tây Ban Nha... thì Việt Nam là nước đi sau với nhiều khác biệt về quy mô dân số, diện tích, nền kinh tế và đặc biệt là tổng chiều dài của hệ thống đường sắt. Vì vậy, Việt Nam đứng trước nhiều lựa chọn về mặt công nghệ, bao gồm kết cấu hạ tầng (tốc độ thiết kế tuyến đường sắt, liên quan đến đường ray, cầu hầm; các vấn đề về nhà ga, thông tin tín hiệu, hệ thống cung cấp điện...); các vấn đề liên quan đến công tác tổ chức vận tải (chỉ chạy riêng tàu khách hay chạy chung cả tàu khách và tàu hàng) và các vấn liên quan đến phương tiện (đoàn tàu, đầu máy, toa xe)...

Hiện nay, mục tiêu của dự án ĐSTĐC trên hành lang Bắc - Nam là xây dựng tuyến đường sắt mới, tiếp cận với công nghệ hiện đại và phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới. Cho đến nay, các thông số cơ bản đã được định hình, đó là tốc độ thiết kế 350 km/h, chạy tàu khách là chủ yếu, chạy tàu hàng khi có nhu cầu. Trên cơ sở đó, đối với vận tải hành khách trên ĐSTĐC hành lang Bắc - Nam thì phương tiện nên được lựa chọn là phương tiện động lực phân tán.

PGS. TS. Nguyễn Duy Việt: Thiết lập kiến trúc tiêu chuẩn kỹ thuật cho hệ thống điều khiển chạy tàu đường sắt tốc độ cao

Với đường sắt nói chung và ĐSTĐC nói riêng, hệ thống điều khiển chạy tàu (ĐKCT) (hệ thống thông tin, tín hiệu) là giải pháp hữu hiệu cho việc nâng cao năng lực và an toàn trong vận hành, khai thác cho tuyến đường sắt.

Từ khi ĐSTĐC xuất hiện (năm 1903 tại Đức), đến nay tốc độ đoàn tàu ngày càng tăng lên và hệ thống ĐKCT luôn được phát triển để đảm bảo tốc độ, an toàn cho các đoàn tàu vận hành.

Những năm gần đây, hệ thống ĐKCT đã có sự thay đổi quan trọng, sử dụng kỹ thuật số làm nền tảng hoạt động. Kiểm soát nhiều yếu tố, điều khiển ở phạm vi rộng lớn hơn, nhiều đối tượng hơn, trong thời gian thực và tin cậy hơn là những ưu điểm nổi trội của các hệ thống ĐKCT ngày nay, đặc biệt ở ĐSTĐC.

* Những điểm đặc biệt của ĐSTĐC ảnh hưởng tới an toàn đòi hỏi cách tiếp cận đặc biệt đối với các giải pháp của hệ thống ĐKCT:

Đặc điểm của hệ thống ĐSTĐC là đoàn tàu chuyển động hệ số ma sát thấp, đoàn tàu có khối lượng lớn, tốc độ cao nên quãng đường hãm dài; lái tàu sẽ giảm khả năng nhận biết các chỉ thị ở dưới đường khi tốc độ của đoàn tàu lớn; thời gian phản ứng đối với các tình huống nguy hiểm bị hạn chế.

Đoàn tàu sẽ chạy có hướng ở trên đường ray nên có thể bị trật bánh ra khỏi đường ray nếu không kiểm soát được tốc độ vận hành. Ngoài ra, hệ thống ĐKCT ở ĐSTĐC cần kiểm soát nhiều hơn các yếu tố ở trên loại hình đường khác, đó là: Các hệ thống, thiết bị tín hiệu, mạng viễn thông, các công trình nhân tạo, hệ thống cấp điện...

Sự nguy hiểm xảy ra trên đường sắt chính là sự va chạm của đoàn tàu với phương tiện đường bộ; va chạm với các vật thể của môi trường xung quanh; va chạm với các thành phần chuyển động khác của đường sắt.

Với những đặc điểm như vậy, để đảm bảo an toàn, hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC cần phải liên tục trao đổi thông tin giữa đoàn tàu với tình trạng của hạ tầng, cần các hệ thống thành phần và sự phối hợp của chúng để luôn kiểm tra tốc độ; điều khiển và hãm tự động đoàn tàu trong các trường hợp cần thiết. Để có được kết nối giữa các hệ thống thành phần thì hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC sẽ cần có hệ thống thông tin đường trục, kênh thông tin để truyền các dữ liệu giữa mặt đất và đoàn tàu và các hệ thống hỗ trợ khác.

Với kết cấu phần trên của ĐSTĐC là đường ray không mối nối, đế bê tông (không có đá ballast), cầu vượt... nên các thiết bị của hệ thống ĐKCT cần có sự thích ứng đối với hạ tầng.

Các thiết bị chuyển ghi cho ĐSTĐC là một hệ thống phức tạp đặc biệt; tác động nhiễu điện từ tới thiết bị ĐKCT; trở ngại nguy hiểm của thiết bị, khủng bố, tội phạm, phá hoại, các hiện tượng tự nhiên, yếu tố con người là những tác động đến an toàn trong mọi thời điểm của ĐSTĐC. Để đảm bảo an toàn trước những yếu tố này, hệ thống ĐKCT cần có "khả năng chống, chịu được lỗi" ở tất cả các giai đoạn của vòng đời.

* Xu thế phát triển:

Hiện nay, các hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC được phát triển ở châu Âu, Nhật Bản, Trung Quốc và một số quốc gia khác. Đó là các hệ thống kiểm soát tàu châu Âu (ETCS), hệ thống điều khiển tàu cao tốc Shinkansen của Nhật Bản, hệ thống kiểm soát tàu hỏa Trung Quốc (CTCS) là những hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC đã được phát triển và khai thác tin cậy... Chúng có thể có khác nhau chi tiết và thiết bị nhưng về nguyên tắc thì không khác nhau nhiều. Trên thế giới, các hệ thống ĐKCT này được các hãng như: Bombardier, Hitachi, Siemens, ABB, Toshiba, Alstom, Tập đoàn Mitsubishi Electric, Tập đoàn Thales, Knorr-Bremse, Tập đoàn EKEĐ phát triển.

Hiện nay, hệ thống kiểm soát tàu hỏa Trung Quốc CTCS-3 tương đương với ETCS-2 của hệ thống kiểm soát tàu châu Âu được sử dụng cho tất cả các tuyến có tốc độ 200 - 250 km/h, cho dù về lý thuyết, ETCS-2 - điều khiển tàu qua kênh vô tuyến GSM-R lên tới 350 km/h. Một cách tương đối, ở các tuyến tốc độ trên 350 km/h sẽ sử dụng các hệ thống ở cấp độ cao hơn, tương đương với ETCS-3 của hệ thống kiểm soát tàu châu Âu, ATACS - Hệ thống điều khiển tàu tự động của Nhật Bản. Ở mức độ công bố đã có hệ thống ĐKCT lên tới tốc độ 500 - 600 km/h. Các hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC ở cấp độ khác nhau sẽ có những khác biệt về công nghệ ĐKCT, cấu hình thiết bị dưới đường, trên cabin và hệ thống truyền dẫn.

Tiến bộ của kỹ thuật số và công nghệ truyền thông tốc độ cao sẽ là cốt lõi của sự phát triển các hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC. Vận hành tàu tự động (ATO) là tương lai của mạng lưới ĐSTĐC. ATO có thể tăng công suất, giảm tiêu thụ điện năng và khối lượng công việc cho lái tàu.

Đã có những nghiên cứu hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC dựa trên AI, ở đó có một số chức năng bao gồm điều độ thông minh, điều khiển phối hợp thông minh và chẩn đoán lỗi thông minh. Hệ thống tối ưu hóa việc điều độ tàu trên toàn mạng lưới, cải thiện khả năng ra quyết định và ứng phó trong trường hợp khẩn cấp, đồng thời cải thiện hiệu quả vận hành và sự hài lòng của hành khách.

* Những công việc cần chuẩn bị để trang bị cho hệ thống ĐKCT ĐSTĐC:

Hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC là hệ thống công nghệ cao, vì vậy cần có những nghiên cứu sớm nhằm mục đích nâng cao khả năng làm chủ, tiếp nhận công nghệ ngay khi bắt đầu và phát triển được công nghệ trong tương lai.

Cần nghiên cứu, thử nghiệm để thiết lập kiến trúc tiêu chuẩn kỹ thuật cho hệ thống ĐKCT cho ĐSTĐC. Các thông số kỹ thuật liên quan bao gồm các yêu cầu về thiết bị, giao diện, kiểm tra và xác minh, vận hành và bảo trì, tiêu chuẩn chất lượng và đánh giá an toàn.

TS. Trần Anh Dũng: Sự ổn định và khả năng liên kết đường ray cao của kết cấu đường ray không đá ballast

Cùng với sự phát triển của công nghệ đường sắt, cơ sở hạ tầng ĐSTĐC cũng có những bước phát triển mạnh mẽ. Từ kết cấu đường ray có đá ballast đã chuyển dịch dần sang kết cấu đường ray không đá ballast (ĐRKĐBL).

Kết cấu ĐRKĐBL khắc phục nhược điểm đường ray có đá ballast như tích lũy biến dạng dư nhanh và phân bố biến dạng dư không đều trên chiều dọc đường dẫn đến đường cao thấp, không phẳng thuận, xóc lắc, hành khách không thoải mái và khối lượng bảo dưỡng đường tăng. Nó phát huy các ưu điểm như kết cấu đường ray đủ cường độ, ổn định, đàn hồi, biến dạng dư tích lũy nhỏ, chiều cao kết cấu giảm, giảm thiểu duy tu và độ thích nghi của hành khách đi tàu tốt.

Kết cấu ĐRKĐBL đã được sử dụng ở các nước có hệ thống ĐSTĐC phát triển trên thế giới. Đường sắt Anh đã phát triển hệ thống ĐRKĐBL kiểu PACT (Paved Concrete Track) vào năm 1967 để đặt trong đường hầm giữa Pháp và Anh. Đường sắt Quốc gia Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu kết cấu ĐRKĐBL kiểu bản bê tông RA (RA-slab) vào năm 1965 sử dụng trên tuyến đường sắt Tokaido-Sanyo Shinkansen. Đường sắt Thụy Sĩ sử dụng kết cấu ĐRKĐBL kiểu tà vẹt hai khối đúc sẵn ở đường hầm Bözberg từ năm 1966. Ở Đức nghiên cứu chuyên sâu về ĐRKĐBL bắt đầu vào năm 1971 và dẫn đến sự phát triển của loại kết cấu ĐRKĐBL kiểu Rheda được lắp đặt tại ga Rheda/Wiedenbrück trên tuyến Bielefeld-Hamm vào năm 1972.

Từ năm 2002 đến năm 2006, một số nước châu Âu như Hà Lan, Tây Ban Nha đã sử dụng kết cấu ĐRKĐBL kiểu Rheda 2000 trên các tuyến ĐSTĐC rộng khắp của họ. Ở các nước châu Á, ĐRKĐBL đã đạt được nhiều thành công trong thập kỷ qua. Từ năm 2004, Trung Quốc đã bắt đầu chương trình xây dựng hệ thống ĐSTĐC cho tàu khách với kết cấu ĐRKĐBL chủ yếu kiểu Bögl và Rheda 2000. Hàn Quốc cũng đã bắt đầu giới thiệu ĐRKĐBL kiểu tà vẹt hai khối đúc sẵn và cho ĐSTĐC cho các đoạn đường riêng lẻ giữa Seoul và Daegu từ năm 1992. ĐSTĐC ở Đài Loan (Trung Quốc) được xây dựng từ năm 2000 và ĐSTĐC Ấn Độ đang triển khai xây dựng sử dụng kết cấu ĐRKĐBL tương tự hệ thống ĐRKĐBL Shinkansen (Nhật Bản).

Trong quá trình sử dụng, các hệ thống ĐRKĐBL đã chứng tỏ được sự ổn định và khả năng liên kết đường ray cao. Kết cấu ĐRKĐBL đáp ứng các yêu cầu về giao thông đường sắt trong tương lai với tốc độ cao và tải trọng ngày càng tăng. Theo báo cáo nghiên cứu tiền khả thi dự án ĐSTĐC trên trục Bắc - Nam, kết cấu cầu khoảng 60% chiều dài tuyến và kết cấu hầm khoảng 10% chiều dài tuyến. Do vậy, kết cấu ĐRKĐBL hoàn toàn phù hợp cho việc xây dựng cơ sở hạ tầng ĐSTĐC ở Việt Nam.