Xu hướng tự động hóa trong hệ thống điều khiển tàu điện (phần 1)

TĐH điều khiển chạy tàu là một quá trình đảm bảo các hoạt động chạy tàu tự động thông qua các thiết bị điều khiển giống như khi tàu được vận hành bởi người lái. Việc TĐH trong điều khiển chạy tàu trên tuyến đường sắt cho phép vận hành tàu hiệu quả hơn với mức tiêu thụ điện năng thấp hơn, đảm bảo đúng lịch trình chạy tàu và tự động tối ưu các dịch vụ hành khách theo thời gian thực [1-5].

Có bốn mức độ TĐH trong hệ thống điều khiển tàu điện, chúng được phân chia theo những chức năng cơ bản của việc vận hành tàu mà nhân viên lái phải đảm nhận và các thiết bị trong hệ thống điều khiển chạy tàu có khả năng thực hiện. Như đối với mức độ TĐH 0 thì tương ứng với trường hợp hệ thống cần đưa ra được tầm nhìn chạy tàu để hỗ trợ người lái giống như người điều khiển xe buýt cần phải quan sát đường khi chạy trên đường phố. Mức độ TĐH 4 sẽ tham chiếu đến một hệ thống điều khiển hỗ trợ chuyển động tàu hoàn toàn tự động trên đường ray mà không có người lái/ nhân viên phục vụ trên tàu. Đặc điểm của từng mức độ TĐH trong hệ thống điều khiển tàu được thể hiện như trên hình 1 [1].

Mức độ TĐH này được xây dựng với các chức năng hỗ trợ người lái tàu trong việc vận hành điều khiển chuyển động tàu trên khu gian, đó là việc thiết lập thông số chạy tàu, điều khiển tốc độ chuyển động của tàu trên khu gian (Setting train in motion), điều khiển dừng chính xác tàu tại nhà ga (Stopping train), điều khiển đóng/ mở cửa tàu, đưa tàu ra/ vào depot (Door closure), điều khiển tàu khi phát sinh sự cố (Disruption). Theo cấp độ TĐH và sự phát triển của hệ thống điều khiển tàu điện, lúc ban đầu TĐH chỉ là hỗ trợ người lái về tầm nhìn trên đường ray, sau đó một loạt các chức năng hỗ trợ khác được phát triển và cho phép điều khiển tàu từ xa, vận hành tàu hoàn toàn tự động mà không cần người lái/nhân viên trên tàu.

– Chế độ điều khiển người lái: tàu điện vận hành mà không có hệ thống điều khiển trợ giúp. Người lái quan sát/ ngắm đường ray để vận hành chạy tàu với các tín hiệu báo hiệu được vận hành tại địa điểm cố định trên đường ray.

– Chế độ TĐH một phần (Suppervision and control train operation): người lái vẫn thực hiện vận hành chạy tàu và hãm tàu bằng tay. Ở đây có đưa thêm vào hệ thống bảo vệ chạy tàu, nó liên tục giám sát tốc độ chạy tàu để đảm bảo tàu chuyển động được an toàn. Ngoài ra, các thông tin hỗ trợ như vị trí hiện tại của tàu cũng được hiển thị và thông tin đến lái tàu.

– Chế độ bán tự động (Semi-automated train operation): người lái chỉ khởi động chạy tàu từ nhà ga, còn việc kiểm soát tốc độ chuyển động tàu trên tuyến được thực hiện tự động, cũng như quá trình dừng tàu chính xác tại nhà ga và mở/đóng cửa tàu cũng được thực hiện tự động.

– Chế độ không người lái (Driverless train operation): việc chạy tàu được điều khiển và giám sát tự động mà không có sự trợ giúp của người lái. Con người chỉ can thiệp vào trong trường hợp khẩn cấp. Hệ thống lái tàu tự động kiểm soát toàn bộ quá trình chuyển động của tàu trên khu gian: khởi hành, chuyển động trên khu gian, dừng chính xác tàu tại nhà ga, mở/đóng cửa tàu. Nếu cần thiết, cửa tàu sẽ tự động mở thêm lần nữa. Khi lượng hành khách cao, tàu bổ sung sẽ được tự động đưa vào hoạt động trực tiếp từ depot với chỉ một nút nhấn lệnh.

– Chế độ không người phục vụ (Unattended train operation): sự hoạt động của tàu được điều khiển và giám sát hoàn toàn tự động. Ở chế độ này sẽ không có người lái và cũng không có bất kỳ người phục vụ nào đi cùng trên tàu. Ngoài ra còn bổ sung thêm một số chức năng tự động khác ví dụ như: tự động ghép/tách các tàu, tự động làm vệ sinh tàu, điều khiển mở rộng từ xa và chọn chức năng sửa chữa từ xa.

Khả năng thực hiện việc TĐH điều khiền tàu điệnSự phát triển của khoa học kỹ thuật đã làm cho hệ thống điều khiển tàu có khả năng giám sát, vận hành và kiểm soát toàn bộ quá trình hoạt động của tàu. Các thành phần chính trong hệ thống điều khiển chạy tàu đảm nhận chức năng thực hiện tự động quá trình chuyển động của tàu đó là:

– Bảo vệ tàu tự động (ATP) là hệ thống điều khiển các thiết bị nhằm đảm bảo sự an toàn cho quá trình chuyển động của tàu điện. ATP giúp các tàu tránh va chạm với nhau, đưa ra cảnh bảo tín hiệu chạy tàu quá tốc độ và vượt quá giới hạn vận tốc bằng cách áp dụng hệ thống phanh tự động. Tuyến đường sắt được trang bị ATP sẽ tương ứng với mức độ TĐH 1 (GoA1).

– Vận hành tàu tự động (ATO) đảm bảo tự động một phần hoặc hoàn toàn điều khiển chạy tàu tự động không người lái. Hệ thống ATO thực hiện tất cả các chức năng của trình điều khiển chạy tàu, ngoại trừ việc đóng cửa tàu. Người lái chỉ cần ra lệnh đóng cửa tàu, và nếu điều này hoàn thành thì tàu sẽ tự động được điều khiển chuyển động để đến nhà ga tiếp theo. Hệ thống điều khiển tàu được trang bị ATO sẽ tương ứng với mức TĐH 2 (GoA2). Nhiều hệ thống mới hơn sẽ được  kiểm soát hoàn toàn bằng máy tính, nhưng hầu hết các hệ thống vẫn lựa chọn duy trì một người lái tàu, hoặc một nhân viên vận hành trên tàu để giảm thiểu rủi ro liên quan đến những phát sinh do lỗi thiết bị xảy ra hoặc trong trường hợp khẩn cấp. Hệ thống điều khiển tàu khi này tương ứng với mức TĐH 3 (GoA3).

– Điều khiển tàu tự động (ATC) cho phép thực hiện tự động các hoạt động của người báo hiệu thông thường như bố trí tàu và thiết lập tuyến đường. ATO và ATC hoạt động kết hợp cùng với nhau để đảm bảo sai lệch thời gian chuyển động của tàu được duy trì trong giới hạn quy định của bảng thời gian chạy tàu. Hệ thống kết hợp ATO+ATC sẽ điều chỉnh linh hoạt các thông số hoạt động như hệ số sức kéo điện, thời gian dừng tại nhà ga,… để đưa thời gian chạy tàu trở lại đúng với kế hoạch của bảng thời gian chạy tàu. Trong hệ thống điều khiển này sẽ không có người lái và cũng không có nhân viên vận hành đi cùng tàu, tương ứng với mức độ TĐH 4 (GoA4) – hệ thống điều khiển tàu điện UTO (unattended train operation).

Mô hình phân cấp trong hệ thống điều khiển tàu điện

Ở mức độ TĐH 4, ATC làm việc trong một hệ thống thông tin, tín hiệu tổng thể với phân hệ tín hiệu khóa liên động, phân hệ giám sát tàu tự động, phân hệ nhận diện vị trí tàu và phân hệ thông tin liên lạc trong toàn hệ thống. Theo mô hình phân cấp, hệ thống điều khiển chuyển động tàu điện trên khu gian của tuyến đường sắt được trình bày như hình 2. Cấp trên cùng được thực hiện bởi hệ thống ATS (Automatic train supervision) đặt tại trung tâm kiểm soát vận hành OCC (Operation control center) có chức năng chính là giám sát quá trình chuyển động của tất cả các tàu trên tuyến. Cấp dưới cùng là các thiết bị đặt trên tàu được đảm nhiệm bởi một phần hệ thống ATO, ATP trên tàu (kết hợp với ATO, ATP trên đường ray-nhà ga) điều khiển tốc độ chạy tàu theo đúng lịch trình một cách an toàn và chính xác. Cấp giữa là các thiết bị nhà ga được thực hiện bởi hệ thống ATC, một phần hệ thống ATO, ATP lắp đặt tại nhà ga và dọc tuyến đường ray. Trong hình 2 cũng chỉ rõ cấp truyền thông đặc thù của hệ thống điều khiển tàu điện, đó là sự kết hợp đa dạng của nhiều kiểu truyền thông khác nhau: truyền dẫn cáp hoặc mạch vòng, mạch điện từ, sóng radio GSM-R …

Trong hệ thống điều khiển tàu điện các thông tin, tín hiệu và dữ liệu về quá trình chạy tàu, lệnh điều khiển, tình trạng thiết bị… được trao đổi, giao tiếp từ phân hệ này đến phân hệ khác, từ thiết bị này đến thiết bị khác thông qua hệ thống truyền tin CBTC (Communication  based train control). CBTC đảm bảo quá trình truyền tin trong toàn hệ thống điều khiển tàu điện với độ tin cậy cao, thể hiện trong một số ứng dụng tiêu biểu sau:– Một máy tính đặt bên đường ray theo dõi tất cả các chuyến tàu trong đoạn ray xác định và tính toán một cách thích hợp quyền chuyển động cho mỗi tàu. Kết quả là, tàu chuyển động liên tục và sau đó có thể chạy ở khoảng cách giãn tàu ngắn hơn so với khi vận hành tàu bằng tay.– Ở chế độ hoàn toàn tự động, tàu điện được điều khiển tự động bởi sự kiểm của ATC, kết hợp điều khiển và bảo vệ tuyến đường bằng phân hệ khóa liên động. Để làm được điều này, máy tính đặt bên đường ray liên tục trao đổi dữ liệu với các máy tính của của phân hệ cấp cao hơn trên trung tâm điều khiển và các máy tính trên tàu qua sóng radio.– Trên tàu, ATO thay thế người lái và kiểm soát tốc độ chạy tàu, giao tiếp với thiết bị trên đường ray, tại nhà ga để nhận các thông tin dữ liệu cần thiết về quá trình chuyển động của tàu.– Các máy tính ATO theo dõi và kiểm soát hoạt động chạy tàu và nếu cần thiết nó có thể được hiệu chỉnh (nhận lệnh) từ hệ thống ATP để đảm bảo an toàn chuyển động của tàu.