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

Lợi ích khi tự động hóa (TĐH) điều khiển tàu điện 

Hệ thống tự động điều khiển tàu điện UTO mang lại lợi ích cho nhiều nhóm người liên quan: khách hàng, người lái/ vận hành, các nhân viên làm việc trực tiếp/ gián tiếp và cơ quan quản lý. Việc thực hiện hệ thống UTO cho phép các nhà quản lý khai thác được tối đa thời gian vận hành chạy tàu, tăng tốc độ trung bình chạy tàu, rút ngắn thời gian chạy trên khu gian và giảm thời gian dừng tại nhà ga. Một số ích lợi khi tự động hóa điều khiển tàu điện, đó là:

Linh hoạt hơn trong vận hành: việc không sử dụng người lái và nhân viên vận hành trên tàu trong điều khiển chuyển động tàu cho phép khai thác và sử dụng hiệu quả hơn các trang thiết bị trong toàn hệ thống. Hệ thống điều khiển UTO cung cấp các dịch vụ chạy tàu hiệu quả: nó đưa ra phương pháp điều khiển phù hợp khi năng lực vận chuyển của tàu thấp (dư thừa năng lực vào giờ thấp điểm), nhưng vẫn có khả năng đáp ứng được nhu cầu vận chuyển lớn khi nhu cầu đột ngột tăng cao như khi có sự kiện lớn (lễ, tết, hội …).

Mang lại sự an toàn ấn tượng: hệ thống điều khiển UTO cho phép các tàu hoạt động an toàn hơn bằng cách giảm yếu tố tác động từ con người. Hệ thống UTO đã được chứng minh là đáng tin cậy hơn các hệ thống điều khiển thông thường và đã lập kỷ lục về độ an toàn thực sự ấn tượng sau khi thử nghiệm. Nó loại trừ được các tai nạn ở nhà ga và trên đường ray.

Tăng chất lượng dịch vụ: hành khách dễ dàng cảm nhận được chất lượng dịch vụ tốt lên, nhờ vào độ tin cậy nâng cao của quá trình chạy tàu và thời gian chờ tàu tại nhà ga đượt rút ngắn. Việc triển khai các nhân viên tại nhà ga cũng sẽ làm tăng mức độ an toàn và đảm bảo an ninh cho hành khách tại nhà ga.

Đầu tư tài chính hợp lý: đối với tuyến mới, chi phí cho việc TĐH chỉ chiếm tỷ trọng thấp trong ngân sách đầu tư tổng thể. Yếu tố chi phí chính liên quan đến đầu máy – toa xe, hệ thống điều khiển và thông tin, hệ thống bảo vệ tại nhà ga và trên tuyến đường ray.

– Đầu máy, toa xe: tăng tốc độ chuyển động trung bình trên tuyến, giảm thời gian giãn cách giữa các tàu và tối ưu việc phân phối cặp tàu dự trữ trên tuyến. Nhờ độ tin cậy được nâng cao, nó cho phép đạt được năng lực vận chuyển với kích cỡ đoàn tàu giữ nguyên hoặc thậm chí bị giảm, độ dự trữ kỹ thuật (dự phòng tàu) có thể cũng được cắt giảm.

– Hệ thống điều khiển và thông tin: chi phí thực hiện UTO cao hơn so với ATP truyền thống. Tuy nhiên xu thế ngày nay là lắp đặt hệ thông tin CBTC trên tuyến mới (ngay cả khi mới chỉ đầu tư ở mức độ TĐH 2) và chi phí tăng lên có thể tiệm cận với giới hạn đầu tư cho điều này.

– Hệ thống bảo vệ tại nhà ga và trên tuyến: cần thiết phải thay thế vai trò của người lái trong việc ngăn chặn các sự cố tại nhà ga và trên tuyến, dẫn đến tăng chi phí xây dựng thêm hạng mục công trình kỹ thuật.

Đối với trường hợp tự động hóa tuyến đường sắt hiện có: các tuyến chuyển đổi cần phải giải quyết được bài toán kinh tế rất phức tạp, nó cần thiết phải xác định được hệ số chi phí phụ trội do những khó khăn về yếu tố kỹ thuật. Đó là việc kết nối với các thay đổi của hệ thống điều khiển/ tín hiệu và sự cần thiết phải thay thế hệ thống điều khiển/tín hiệu hoặc trang bị thêm cho đầu máy-toa xe đã có, cũng như làm tăng thêm chi phí và độ phức tạp trong việc cài đặt hệ thống bảo vệ tại nhà ga/ trên tuyến. Thông thường các dự án chuyển đổi này thường khởi động vào cuối vòng đời thiết bị hiện có (khoảng 10 năm).

Chi phí vận hành hiệu quả hơn: các chi phí vận hành với UTO được xác định rõ ràng hơn và có hiệu quả rõ rệt về mức tiêu hao năng lượng khi áp dụng thuật toán điều khiển tiết kiệm năng lượng điện trên tàu. Một số nghiên cứu cho thấy vận hành tàu với UTO cho phép giảm đến một nửa chi phí hoạt động. Chi phí nhân viên/người lái được giảm đáng kể nhờ việc bãi bỏ không cần người lái và vận hành trên tàu, do đó cũng không mất chi phí đào tạo lại hay tập huấn các kỹ năng vận hành. Quỹ đạo chuyển động (tăng tốc và giảm tốc) của tàu có thể được xây dựng/ điều chỉnh để giảm mức tiêu thụ năng lượng và tối đa hóa thu hồi năng lượng khi hãm tàu, do đó làm giảm đáng kể chi phí năng lượng. Trong khi chi phí bảo trì tăng nhẹ do việc áp dụng hệ thống bảo vệ tại nhà ga và trên tuyến, nhưng chi phí tổng thể mang lại của hệ thống điều khiển UTO là thực sự hiệu quả do tiết giảm được chi phí nhận công và chi phí năng lượng.

Hiệu quả toàn diện và cơ hội tốt để cải tổ: sự thực hiện của UTO (dù tuyến mới hay nâng cấp một tuyến cũ) là một bước tiến quan trọng trong chu kỳ hoạt động của đơn vị quản lý khai thác-thiết kế thi công tuyến đường sắt (gọi chung là đơn vị). Sự ra đời của một hệ thống máy tính chuyên dụng và trung tâm kiểm soát hoạt động (OCC) là một cơ hội để có thể xem xét hầu hết các quá trình/quy trình hoạt động và đánh giá được chúng như thế nào. Để mà từ đó cải thiện và bổ sung thêm vào hệ thống những gì nhằm tối đa lợi ích và mang lại hiệu quả tốt hơn với chi phí tối ưu. Các lĩnh vực quản lý chính có bị tác động đó là: hoạch định nguồn lực hoạt động, đào tạo nhân viên, quản lý đầu máy – toa xe, quản lý bảo trì, quản lý chất lượng.

Hệ thống hiện đại, con người văn minh: sự ra đời của UTO đòi hỏi một số thay đổi đáng kể đến năng lực của nhân viên. Công việc lái tàu thường xuyên biến mất và nhân viên không còn phải ngồi bên trong một cabin nữa, nhưng được bố trí triển khai dọc theo tuyến đường ray và tiếp xúc với khách hàng. Nhân viên tiền tuyến cần được trang bị một số kỹ năng tiếp xúc với khách hàng theo định hướng (để phục vụ, cung cấp dịch vụ, để ứng cứu…) và một số kiến thức kỹ thuật để có thể thiết lập lại các thiết bị bị lỗi (ví dụ như thang cuốn) hoặc lái xe trong trường hợp khẩn cấp. Nhân viên vận hành trung tâm OCC đòi hỏi trình độ chuyên môn và kỹ năng máy tính để có thể thực hiện thao tác khẩn cấp mà không cần sự hỗ trợ của nhân viên trên tàu. Nói chung, nhân viên trong một hệ thống điều khiển UTO cần đạt được các kiến thức sâu sắc hơn về tất cả các hệ thống quan trọng, cũng như một cái nhìn tổng quan toàn diện về sự tương tác giữa các chức năng đó, để có thể thực hiện một cách chuyên nghiệp hơn trong hệ thống điều khiển không người lái. Trong các tuyến tự động, nhiệm vụ của nhân viên vận hành cũng phát triển theo hướng làm bảo trì nhưng với mức độ toàn diện hơn và được trang bị các kiến thức kỹ thuật đa dạng hơn, phát triển ở tầm cao hơn. Kết quả là, UTO làm tăng tính hấp dẫn với công việc của mọi người và bản thân đơn vị liên quan được nâng lên một tầm mới. Trong những hệ thống mà có thể so sánh với các tuyến đường sắt thông thường, các chỉ số cho thấy nhân viên trong hệ thống điều khiển UTO hài lòng hơn với công việc của họ.

Một số giải pháp để TĐH trên tuyến đường sắt

Giải pháp cần làm cho việc TĐH một tuyến đường sắt (xây tuyến mới hay chuyển đổi tuyến cũ) để trở thành tuyến với hệ thống điều khiển không người lái/người vận hành, đó là:

Xác định thiết bị cho việc bảo vệ tại nhà ga và trên tuyến: bên cạnh cơ sở hạ tầng thường được sử dụng cho các nhà ga tàu điện như thang máy, thang cuốn, thiết bị dập lửa, bình chữa cháy, cảm biến báo cháy, cột mốc dấu báo hiệu tại nhà ga, cột phát sóng, đèn chiếu sáng khẩn cấp, lối thoát hiểm khẩn cấp… còn có các thiết bị bố trị dọc theo tuyến đường tàu nhằm đảm bảo an toàn khi chuyển động, bao gồm:

– Phân hệ giám sát từng đoạn ray tại nhà ga trên tuyến và đưa ra báo động nếu một người hay một vật thể đủ lớn rơi vào khu vực theo dõi. Tùy thuộc vào khoảng cách tàu xa/ gần mà đưa ra tín hiệu điều khiển phanh khẩn cấp ngay lập tức hoặc tàu tiếp tục vào nhà ga và rồi mới dừng lại. Khi đó tàu ở trạm liền kề trước cũng được ngăn cản khởi hành. Một tin nhắn được gửi song song đến trung tâm vận hành OCC và thông báo đến hành khách tại bảng tin nhà ga.

– Các cửa lên/xuống tàu tại nhà ga nhằm đảm bảo an toàn chuyển động tàu. Đoàn tàu bị ngăn cản khởi hành nếu một người nào đó đi vào khu vực theo dõi không báo trước. Nếu một vật thể nào đó vào đường hầm, phân hệ giám sát xâm nhập có hiệu lực và dừng chạy tàu ngay lập tức hoặc cản trở tàu khởi hành.

– Giám sát từ xa theo từng đoạn ray trên tuyến cho phép can thiệp điều hành kịp thời các sự cố phát sinh. Hình ảnh của khu vực theo dõi tự động xuất hiện trên trung tâm điều khiển, cho phép các nhân viên có thể thực hiện các biện pháp phù hợp. Đánh giá tốt hơn về một sự việc nhờ chuỗi hình ảnh video được lưu trữ liên tục tại trung tâm vận hành.

– Bố trí đủ số lượng nhân viên phục vụ sẵn sàng trên nhà ga và dọc tuyến để thực hiện tốt việc đảm bảo an toàn chuyển động tàu và nâng cao chất lượng dịch vụ phục vụ hành khách, như giải đáp các thông tin theo yêu cầu của khách hàng, …. đảm bảo an ninh, an toàn cho hành khách hay trợ giúp hành khách khi gặp việc bất trắc (sức khỏe xấu dẫn đến ngất xỉu, …). Trong trường hợp khẩn cấp, sự cố các nhân viên đường sắt sẵn sàng kiểm soát các phương tiện bằng tay để khéo léo xử lý tốt các tình huống phát sinh.

Xác định thiết bị trang bị cho tàu điện: ngoài các thiết bị trên tàu thông thường cần bổ sung thêm các thiết bị chỉ dẫn, giám sát, kiểm soát an toàn khác (chẳng hạn như phanh khẩn cấp, bình chữa cháy, đèn chiếu sáng khẩn cấp, tín hiệu âm thanh và giám sát cửa …) là thực sự cần thiết cho quá trình tự động điều khiển tàu không người lái.

– Tàu điện không người lái cũng được trang bị tính năng phát hiện chướng ngại vật và nó bắt đầu phanh ngay sau khi một chướng ngại vật được phát hiện.– Tàu không người lái cũng có dò trật bánh, và nếu cần phải dừng vì an toàn nó sẽ báo cáo sự việc đến một trung tâm điều khiển và thực hiện lập tức khi có lệnh.– Hơn nữa, không còn bất kỳ khoảng cách nào giữa nhà ga và tàu (do không cần tầm quan sát như người lái yêu cầu). Điều này thể hiện ở việc sử dụng các cửa tại nhà ga ngăn cách tuyến với khu vực hành khách đợi tàu tại nhà ga. Các cửa nhà ga cũng ngăn chặn hành khách rơi vào tuyến đường sắt.– Giám sát cửa nhà ga, đó là khả năng phát hiện ngay cả đối tượng dẹt và linh hoạt, góp phần theo hướng tăng cường an toàn. Tàu không thể bắt đầu cho đến khi tất cả các cửa nhà ga đều đóng một cách chính xác.– Phát lệnh khẩn cấp cửa bị khóa ngay sau khi tàu bắt đầu di chuyển. Nếu tàu dừng trong đường hầm do sự gián đoạn, cửa ra vào vẫn bị khóa cho đến khi trung tâm kiểm soát OCC can thiệp đảm bảo các biện pháp an toàn, chẳng hạn như ngăn chặn tàu khác đang tới hay sự cố mất điện trên tàu thì ánh sáng đường hầm được bật tự động ngay sau khi tàu ngừng cấp điện.– Tất cả các tàu phải được trang bị các công nghệ phát hiện và báo cháy tiến tiến nhất. Một cuộc gọi và một nút nhấn khẩn cấp cho phép kết nối trực tiếp bằng giọng nói đến người lái (nếu có) và đồng thời truyền về trung tâm vận hành OCC. Do vậy, nó cho phép xử lý rất kịp thời sự cố phát sinh theo thời gian thực.

Xác định các thiết bị để thay thế người lái/vận hành tàu: tàu được trang bị hệ thống camera, sao chép lại hoạt động thực tế trên tàu và truyền tải hình ảnh đến trung tâm vận hành OCC bằng đường truyền radio-LAN, điều này cho phép những va chạm, phát sinh (nếu có) được  đánh giá sơ bộ để đưa ra biện pháp ứng phó kịp thời. Nếu một đám cháy/khói bùng phát trên tàu thì cảm biến khói, cảm biến nhiệt tích cực sẽ phát hiện ra vùng nguy hiểm đó và báo động về trung tâm vận hành, đồng thời đưa tín hiệu dừng tàu tự động tại nhà ga kế tiếp để tiếp nhận sự ứng cứu kịp thời trong việc dập tắt lửa. Ngoài ra, hệ thống thông tin/thông báo về tình trạng chạy tàu tại nhà ga … cũng được trang bị, kèm theo đó là những thông tin chỉ dẫn cho khách hành khi gặp sự cố hay cho phép kết nối thư thoại thẳng đến trung tâm OCC. Để đảm bảo an toàn cho hành khách khi đóng/mở cửa lên/xuống tàu tại nhà ga thì ta cần phải trang bị loa thông báo và nháy đèn báo hiệu. Khoảng cách chạy tàu cần được đo chính xác vì nó là đầu vào cơ bản của ATP trên tàu giúp tính toán, đưa ra ra một loạt các thông số khác (giãn cách tàu, khoảng cách dừng, vị trí tàu hiện tại …) rất hữu hiệu cho việc điều khiển tự động chuyển động tàu.

Kết luận

Chính vì những lợi ích rõ ràng của việc vận hành hệ thống UTO nên rất nhiều tuyến đường sắt ở nhiều quốc gia trên thế giới đã chọn đầu tư mới theo UTO hay nâng cấp hệ thống hiện tại thành UTO. Theo số liệu của UITP [6] hiện có hơn 600km tuyến đường sắt được vận hành tự động không người lái ở hơn 25 thành phố (Barcelona, Busan, Dubai, Kobe, Paris, Sigapore, Tokyo, Taipei, …) với tốc độ tăng bình quân hàng năm đạt khoảng 40%.

Ngày nay, các khu vực mới nổi như Dubai, Sigapore … cũng đã thực sự nhận thức được điều này và đã cải tổ, đi theo hướng xây dựng mới tuyến đường sắt UTO. Đó là giải pháp tốt nhất để vận chuyển hành khách khối lượng lớn trong thành thị: an toàn, hiệu quả và linh hoạt.

Việc TĐH hệ thống điều khiển tàu điện có mức độ phức tạp cao hơn các hệ thống điều khiển tàu điện truyền thống, do cần phải tích hợp rất nhiều phân hệ/hệ thống thông tin lại với nhau. Nói cách khác, cần phải cân nhắc kỹ lưỡng tất cả các yếu tố không chỉ về chi phí đầu tư mà đặc biệt là về yêu cầu kỹ thuật, đòi hỏi về cơ sở hạ tầng cho việc xây dựng tuyến đường sắt không người lái tại những nước đang phát triển như Việt Nam. Chỉ có vậy, chúng ta mới khai thác được tốt nhất các điểm mạnh của hệ thống UTO phù hợp với điều kiện đặc thù nước nhà.