Nghiên cứu xây dựng hệ thống hỗ trợ điều khiển tốc độ đoàn tàu nhằm tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu và đảm bảo an toàn chạy tàu trên đường sắt Việt Nam

PGS. TS. NGUYỄN THANH HẢI PGS. TS. ĐỖ VIỆT DŨNG ThS. NGUYỄN VĂN HẢI ThS. CỒ NHƯ VĂN Trường Đại học Giao thông vận tải

TÓM TẮT: Bài báo đưa ra phương pháp xây dựng hệ thống hỗ trợ điều khiển lái tàu, đảm bảo công suất kéo tối ưu tương ứng với công lệnh tốc độ cho phép và trọng lượng đoàn tàu theo lý trình đã định để chỉ dẫn tài xế điều khiển công suất kéo của đầu máy tối ưu theo từng cung đoạn trên toàn tuyến nhằm tiết kiệm nhiên liệu chạy tàu mà vẫn đảm bảo được yêu cầu về an toàn. Hệ thống gồm các thiết bị gắn trên đầu máy như: Thiết bị đo tốc độ từ trục bánh xe, hệ thống GPS dùng để xác định vị trí và tốc độ đoàn tàu, máy tính công nghiệp và màn hình hiển thị thông tin cung cấp đến lái tàu.

TỪ KHÓA: Hỗ trợ lái tàu, công suất kéo tối ưu, tiết kiệm nhiên liệu.

Abstract: This paper provides methodology for the construction of a system to support train control, which ensures optimum towing capacity corresponding to the permissible speed command and the weight of the train according to the specified chainage to instruct the driver to control optimum towing capacity of the locomotives is optimized for each segment on the whole route to save fuel on the train while maintaining the safety requirements. The system consists of the device mounted on the engine such as the speedometer from the wheel, GPS system used to determine the position and speed of the train, industrial computers and information display provided to the driver.

Keywords: Support to the driver, optimum towing capacity, save fuel.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, các đầu máy khai thác trên đường sắt Việt Nam chủ yếu là các đầu máy diesel truyền động thủy lực (D10H, D5H) và các đầu máy diesel truyền động điện (D8E, D12E, D13E, D14E, D18E, D19E, D20E). Trong các loại đầu máy trên chỉ có các đầu máy D8E, D14E, D19E và D20E là những loại hiện đại, có trang bị các bộ điều tốc điện tử có khả năng giúp giảm chi phí nhiên liệu trong quá trình vận dụng. Tuy nhiên, chi phí cho nhiên liệu đối với vận tải đường sắt ở nước ta hiện nay chiếm tới khoảng hơn 60% chi phí cho vận doanh của xí nghiệp đầu máy. Đặc biệt trong tình hình giá nhiên liệu, xăng dầu ngày một tăng cao hiện nay, nó càng chiếm một tỷ trọng chi phí lớn hơn, ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả khai thác của đường sắt. Vì vậy, các nghiên cứu nhằm giảm chi phí nhiên liệu cho đầu máy là công việc cần được tiến hành thường xuyên theo sự thay đổi của điều kiện khai thác và sự phát triển không ngừng của khoa học, công nghệ.

Trong quá trình quản lý, vận dụng đầu máy có rất nhiều yếu tố gây ảnh hưởng đến chi phí nhiên liệu. Có thể kể đến một số yếu tố có tầm ảnh hưởng lớn đến chi phí nhiên liệu, đó là:

- Các điều kiện khai thác, điều độ chạy tàu, cơ sở hạ tầng đường sắt... có ảnh hưởng rất lớn đến chi phí nhiên liệu;

- Ảnh hưởng của phương pháp điều khiển đầu máy đến chi phí nhiên liệu;

- Động cơ diesel, hệ truyền động (chủng loại, chất lượng và phương pháp vận dụng); ảnh hưởng của hệ thống phụ trợ và thiết bị phụ đến chi phí nhiên liệu;

- Ảnh hưởng của quá trình bảo dưỡng và sửa chữa phương tiện đường sắt đến chi phí nhiên liệu.

Mỗi yếu tố trên đều có ảnh hưởng rất lớn đến chi phí nhiên liệu cho đầu máy và cần có những nghiên cứu riêng nhằm tiết giảm chi phí nhiên liệu. Với mục tiêu “Nghiên cứu xây dựng hệ thống hỗ trợ điều khiển tốc độ nhằm tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu và bảo đảm an toàn chạy tàu đường sắt”, ở đây nhóm tác giả tập trung nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng của phương pháp vận dụng đầu máy đến chi phí nhiên liệu, từ đó đưa ra mô hình hệ thống cụ thể nhằm hỗ trợ trực tiếp cho người vận hành phương thức điều khiển mức phát huy công suất - sức kéo nhằm vận hành đoàn tàu chạy với mức chi phí nhiên liệu thấp nhất và đảm bảo an toàn.

Trong thực tế, hợp lý hóa điều khiển chuyển động của đoàn tàu trên tuyến vận tải cho thấy khả năng tiết kiệm nhiên liệu khá lớn. Việc hợp lý hóa chuyển động của đoàn tàu trên tuyến phụ thuộc trạng thái kỹ thuật hiện có và trình độ tổ chức khai thác của các cơ quan đường sắt. Các hoạt động tiết kiệm nhiên liệu trong lĩnh vực này ở các cơ quan quản lý đường sắt có thể giảm được 10% chi phí nhiên liệu, trong khi không đòi hỏi kinh phí lớn.

Điều khiển đoàn tàu hợp lý thông qua lái máy có ảnh hưởng đến chi phí nhiên liệu (kg/104T.km) và phụ thuộc chủ yếu vào:

- Sự khéo léo mang tính chất nghề nghiệp của lái tàu;

- Kinh nghiệm tích lũy được trong quá trình lái máy;

- Trình độ chuyên môn nghiệp vụ của lái tàu;

- Trạng thái tinh thần khi điều khiển đoàn tàu.

Các yếu tố trên tác động chủ yếu vào:

- Điều khiển đoàn tàu ở các vị trí tối ưu của tay máy (biểu thị công suất khai thác của động cơ diesel), đưa đến giảm chi phí nhiên liệu vận dụng của đầu máy đến 10%;

- Lợi dụng triệt để động năng của đoàn tàu khi xuống dốc và lên dốc với tốc độ ổn định có thể được và phải đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tàu vận hành;

- Lợi dụng hợp lý động năng của đoàn tàu khi chạy đà.

Phân tích ảnh hưởng của thao tác lái tàu đến chi phí nhiên liệu trong quá trình điều khiển đoàn tàu chạy trên tuyến ta có thể thấy:

Việc tiết kiệm nhiên liệu vận hành phụ thuộc rất nhiều vào lái tàu. Tuy nhiên, nếu lái tàu chưa có kinh nghiệm, không khéo léo hoặc trạng thái tinh thần không tốt thì cần có thiết bị trợ giúp để khuyến cáo cho tài xế lái tàu (sử dụng vị trí tối ưu của tay máy - công suất) nhằm tiết kiệm nhiên liệu và an toàn vận hành. Với cùng mục đích, ở nước ngoài, thiết bị Freightmiser hỗ trợ lái tàu đã được nghiên cứu thiết kế, lập trình cho từng tuyến cụ thể. Tuy nhiên, hệ thống này muốn nhập vào Việt Nam thì lại cần phải tính toán thiết kế và lập trình lại theo các điều kiện vận dụng của đường sắt Việt Nam. Ở nước ta, cho tới nay hoàn toàn chưa có mô hình như vậy. Việc lái tàu chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, do vậy mà thời gian đào tạo rất lâu (ở trường học từ 02 đến 3 năm, sau đó phải phụ lái từ 5 đến 7 năm mới trở thành tài xế). Hơn nữa, mỗi tài xế chính thức cũng chỉ có kinh nghiệm lái tàu trên một số tuyến đường nhất định, với một loại đầu máy nhất định. Khi phải lái tàu trên tuyến đường khác và loại đầu máy khác lại trở nên thiếu kinh nghiệm và không tiết kiệm được nhiên liệu. Do vậy, nếu có hệ thống trợ giúp điều khiển tốc độ và giám sát đầu máy sẽ thuận lợi hơn rất nhiều cho tài xế trong những trường hợp như vậy. Mặt khác, không đòi hỏi tài xế phải có rất nhiều kinh nghiệm (do trong thiết bị đã tính toán tối ưu về nhiên liệu nhưng vẫn đảm bảo an toàn vận hành, chạy đúng tốc độ cầu đường cho phép), rút ngắn được thời gian đào tạo tài xế.

2. MÔ HÌNH TỔNG QUAN CỦA HỆ THỐNG TRỢ GIÚP LÁI TÀU

Mô tả các khối chức năng:

- Mô-đun GPS: Thu nhận tín hiệu từ các vệ tinh định vị (hệ thống GPS) xác định được vị trí (tọa độ) của đoàn tàu.

- Mô-đun đo tốc độ: Lấy tín hiệu tốc độ từ bánh tàu.

Hình 2.1: Sơ đồ khối của hệ thống trợ giúp lái tàuhinh21

- Mô-đun công lệnh tốc độ: Lưu trữ công lệnh tốc độ của Tổng công ty Đường sắt Việt Nam theo từng mác tàu.

- Mô-đun công suất đầu máy: Lấy tín hiệu dòng, áp động cơ điện kéo để tính được công suất kéo hiện tại của đầu máy.

- Mô-đun màn hình, bàn phím: Hiển thị các thống số (tốc độ hiện tại, vị trí hiện tại, công lệnh tốc độ, cảnh báo vượt tốc, đặc tuyến chuyển động của đoàn tàu và thông tin về thời điểm chuyển tay máy, số).

- Mô-đun lưu trữ: Cho phép lưu trữ trắc dọc của toàn tuyến (độ dốc lên, dốc xuống và bán kính cong của từng tuyến đường), phục vụ công tác xác định công suất đầu máy tương ứng với mỗi vị trí theo công lệnh tốc độ.

- Mô-đun thông số đoàn tàu: Cập nhật và lưu trữ thông số về mác tàu, trọng lượng đoàn tàu, số lượng toa xe, loại toa xe vận dụng giúp quá trình tính toán công suất cho đầu máy tại mỗi vị trí.

- Mô-đun vi xử lý: Tính toán, điều khiển các chức năng của toàn bộ hệ thống theo thuật toán và chương trình.

3. NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRỢ GIÚP LÁI TÀU

Hình 3.1: Sơ đồ công nghệ của hệ thống

3.1. Xây dựng cơ sở dữ liệu của hệ thống

* Xây dựng cơ sở dữ liệu đầu vào gồm:

- Dữ liệu về tốc độ theo lý trình thực tế;

- Bản đồ số;

- Dữ liệu về dòng điện kéo, điện áp và công suất máy phát điện chính;

- Dữ liệu về mác tàu và tải trọng đoàn tàu;

- Công lệnh tốc độ;

- Trắc ngang, trắc dọc của tuyến;

- Đặc tính của đầu máy;

- Các thông số về lực cản cơ bản của đoàn tàu.

* Xây dựng cơ sở dữ liệu đầu ra gồm:

- Đặc tuyến về công suất;

- Đặc tuyến điều khiển tối ưu;

- Đặc tuyến sức kéo (vị trí tay máy) theo đặc tuyến điều khiển tối ưu;

- Các tín hiệu cảnh báo.

3.2. Thiết kế hệ thống

* Khối định vị vệ tinh và truyền nhận dữ liệu trên đầu máy:

Từ kết quả nghiên cứu [9], ta có mô hình hệ thống GPS trên đầu máy như sau:

Hình 3.2: Mô hình hệ thống GPS trên đầu máy

Trong mô hình:

- Tín hiệu định vị từ các vệ tinh GPS được thu nhận thông qua anten siêu cao tần và được đưa đến bộ thu tín hiệu GPS.

- Tại bộ thu tín hiệu GPS, thực hiện xác định chính xác vị trí của phương tiện. Các thông số thiết bị (tọa độ vị trí, độ chính xác, cường độ tín hiệu...) được truyền cho VXL thông qua cổng truyền thông RS232.

- Bộ VXL sẽ thu thập các dữ liệu tọa độ vị trí, tốc độ phương tiện theo GPS, mức cường độ tín hiệu để đưa ra hiển thị, đưa vào bộ lưu trữ dữ liệu và tính toán đưa ra tín hiệu cảnh báo khi cần thiết bằng loa, đèn báo.

- Các dữ liệu tọa độ các vị trí (điểm) chạy dọc theo tuyến đường sắt thu thập được khi khảo sát bằng thiết bị lắp đặt trên đầu máy vận dụng trên các tuyến đường đó được lưu trữ dưới dạng bản đồ số.

Việc thiết kế chi tiết thực hiện theo [9].

* Khối nhập và lưu dữ liệu:

- Các dữ liệu: Mác tàu, công lệnh tốc độ, được nhập trên phần mềm Locomotive Speed Supervisor (LSS.EXE) [9].

- Các dữ liệu: Trắc ngang, trắc dọc của các tuyến, đặc tính đầu máy, các thông số về lực cản cơ bản các mác tàu được lưu trữ trong bộ nhớ của hệ thống và chọn trực tiếp trên các nút chức năng của màn hình hiển thị, trọng lượng đoàn tàu được nhập từ bàn phím.

Hình 3.3: Giao diện phần mềm LSS.EXE

 * Khối đo tốc độ đoàn tàu, điện áp và dòng điện máy phát

- Việc thiết kế lắp đặt các cảm biến đo, bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự số của các tín hiệu đo, được thực hiện theo [9]. Dưới đây là một số hình ảnh lắp đặt thiết bị:

Hình 3.4: Vị trí lắp đặt cảm biến dòng điện

Hình 3.5: Vị trí lắp đặt cảm biến điện áp

Hình 3.6: Vị trí lắp đặt cảm biến tốc độ

Hình 3.7: Màn hình hiển thị lắp đặt tap lo điều khiển đầu máy

3.3. Nghiên cứu thử nghiệm và đánh giá hệ thống

Hiện tại, thiết bị đo, ghi tốc độ - sản phẩm của [9] đã và đang được áp dụng trên một số loại đầu máy D10H, D12E, D14E, D19E vận dụng trên đường sắt Việt Nam. Trên cơ sở các tín hiệu đo, ghi được (tốc độ theo lý trình; vị trí đoàn tàu trên tuyến; điện áp, dòng diện kéo; công suất của máy phát) từ hệ thống ta đưa về bộ vi xử lý; cùng với các tham số khác nhập từ phần mềm (trắc ngang, trắc dọc của tuyến; mác tàu, trọng lượng đoàn tàu, công lệnh tốc độ, đặc tính của đầu máy) dùng để tính toán lực kéo đoàn tàu của đầu máy theo từng độ dốc quy đổi trên toàn tuyến [11]. Trên cơ sở thuật toán điều khiển tối ưu được nghiên cứu ở [4,10], ta sẽ đưa ra màn hình hiển thị được đường đặc tuyến tối ưu điều khiển chạy tàu và chỉ dẫn lái tàu điều khiển lực kéo của đầu máy (tay máy) theo độ dốc quy đổi tại từng vị trí trên toàn tuyến để phát huy tối đa công suất của từng vị trí tay máy trong quá trình vận hành nhằm giảm chi phí nhiên liệu.

Hình 3.8: Minh họa dạng đặc tuyến điều khiển tối ưu đầu máy

4. KẾT LUẬN

Qua kết quả mô phỏng thử nghiệm xây dựng đường đặc tuyến điều khiển tối ưu theo thuật toán được nghiên cứu bởi [4,10] với bộ số liệu từ bộ đo, ghi [9] và các số liệu thực tế nhập từ phần mềm LSS.EXE rồi đem so sánh với đường đặc tuyến điều khiển thực tế theo kinh nghiệm của lái máy thu thập được từ phần mềm LSS.EXE trên các loại đầu máy, mác tàu và tuyến đường khác nhau cho thấy việc nghiên cứu xây dựng hệ thống trợ giúp lái tàu có thể tiết kiệm được từ 6 - 10% chi phí nhiên liệu. Tuy nhiên, nghiên cứu này cần tiếp tục được lắp đặt thử nghiệm, hiệu chỉnh và có đánh giá cụ thể cho từng loại mác tàu và tuyến đường khác nhau.

Nghiên cứu này được áp dụng sẽ mang lại các hiệu quả sau:

- Tiết kiệm chi phí nhiên liệu chạy tàu;

- Đảm bảo an toàn chạy tàu;

- Rút ngắn chi phí và thời gian đào tạo tài xế.

Tài liệu tham khảo

[1]. Nguyễn Văn Chuyên (2001), Sức kéo đoàn tàu, NXB. Đại học GTVT.

[2]. Nguyễn Văn Chuyên, Trương Duy Phúc (2003), Sức kéo đầu máy điện, tập 1,2, NXB. Đại học GTVT.

[3]. Lê Hùng Lân (2000), Lý thuyết điều khiển tự động, tập 1,2, NXB. Đại học GTVT.

[4]. Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Thanh Hải (2012), Xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu đoàn tàu theo mục tiêu tiết giảm năng lượng trên đường sắt Việt Nam, Tạp chí Khoa học GTVT, số 39, tháng 9.

[5]. Đỗ Việt Dũng, Lại Ngọc Đường, Trương Duy Phúc (1996), Truyền động Đầu máy diesel, NXB. Đại học GTVT.

[6]. Công ty Tư vấn Đường sắt (2007), Dự án: “Đề xuất và ứng dụng các giải pháp tiến bộ khoa học công nghệ nhằm tiết kiệm nhiên liệu cho các phương tiện vận tải sắt”, Hà Nội.

[7]. Brian R. Hunt, Ronald L. Lipsman, Jonathan M. Rosenberg (2002), A Guide to MATLAB for Beginners and Experienced users, CamBridge University Press.

[8]. Nguyễn Phùng Quang (2005), Matlab & Simulink, NXB. Khoa học Kỹ thuật.

[9]. Đỗ Việt Dũng, Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị đo, ghi tốc độ và một số tham số vận hành cho đầu máy xe lửa, Đề tài cấp Bộ Giáo dục và Đào tạo, B2011-04-4.

[10]. Nguyễn Thanh Hải (May 2010), Evalution of Effeect Pomtryagin’s Maxmun Principle for Optimal Control Train by Criteria of Energy Save, 3CA 2010 International Symposium on Computer, Communication, Control and Automation.IEEE Publisher. pp. 363-365, Tainan, Taiwan.

[11]. Nguyễn Văn Hải (2015), Phương pháp xác định khối lượng kéo động cho đoàn tàu dựa trên công suất đầu máy và tốc độ vận hành, Tạp chí Khoa học GTVT, Trường Đại học GTVT, số 48, tháng 10.