Sự phát triển của hệ thống điều khiển tàu điện

Chia sẻ: Nguyen Ngoc Lan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:25

Thêm vào BST

Báo xấu

126
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hệ thống vận chuyển hành khách bằng tàu điện là xu hướng phát triển tất yếu tại các thành phố lớn trên thế giới. Tại Hà Nội và Tp. Hồ Chí Minh đang triển khai xây dựng các hệ thống này với công nghệ tự động điều khiển tiên tiến. Bài báo giúp độc giả có cái nhìn tổng thể về quá trình hình thành và phát triển, cũng như xu hướng phát triển của các hệ thống điều khiển tàu điện - bộ phận không thể thiếu trong hệ thống metro....

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sự phát triển của hệ thống điều khiển tàu điện

Sự phát triển của hệ thống điều khiển tàu điện
Tóm tắt Hệ thống vận chuyển hành khách bằng tàu điện là xu hướng phát triển tất yếu tại các thành phố lớn trên thế giới. Tại Hà Nội và Tp. Hồ Chí Minh đang triển khai xây dựng các hệ thống này với công nghệ tự động điều khiển tiên tiến. Bài báo giúp độc giả có cái nhìn tổng thể về quá trình hình thành và phát triển, cũng như xu hướng phát triển của các hệ thống điều khiển tàu điện - bộ phận không thể thiếu trong hệ thống metro. Mở đầu
Vận tải hành khách bằng tàu điện chạy trên đường ray là phương thức vận chuyển có hiệu quả nhất và đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều thành phố lớn (Tokyo, London, Moscow, …) tại nhiều quốc gia (Nhật Bản, Anh, Nga, …). Ưu điểm của vận chuyển bằng tàu điện là năng lực chuyên chở lớn (đoàn tàu moscow 8 toa có sức chuyển chở 2.160 hành khách), tần số hoạt động của đoàn tàu cao (với metro moscow cho phép vận hành 42-45 cặp tàu trong 1 giờ trên 2 đường ray độc lập theo 2 hướng [5]) và điều chỉnh được vận tốc của đoàn tàu (vận tốc trung bình của metro moscow là 40km/h, nhưng vận tốc tối đa - 80km/h [5]). Hệ thống bao gồm các thành phần chính: nhà ga, thiết bị thang cuốn - thang bộ, đường hầm, tuyến ray chính, tuyến ray nhánh, tuyến ray quay vòng, tàu điện, nhà bảo dưỡng, trạm cấp điện, quạt gió - thông khí, cấp - thoát nước, được gọi là hệ thống metro, tên đầy đủ của nó tại Pháp - métropoliain, tại Nga, Nhật và nhiều nước SNG - metropaliten; nó cũng có tên
gọi khác như tại Anh - underground, tại Mỹ - Subway, tại Đức - Untergrundbahn/U - Bahn, … Các tuyến đường ray không chỉ xây dựng trên mặt đất mà có thể được xây dựng ở trên cao hay ngầm dưới đất, nhờ đó tiết kiệm được diện tích lớn để xây dựng khu chung cư, trung tâm thương mại, nhà văn hóa, khu giải trí - thể thao, … và do đó tạo ra mạng lưới giao thông liên kết giữa các khu vực này lại với nhau trên toàn thành phố. Các tuyến ray ngầm thường được lựa chọn để xây dựng nhiều nhất, vì nó không phá hủy kiến trúc quy hoạch trước đó của thành phố, không hạn chế chuyển động của các phương tiện vận tải trên mặt đất cũng như người đi bộ, mà góp phần giảm tiếng ồn, giảm rung chấn của các tòa nhà gây ra do chuyển động của tàu. Các tuyến đường ray ngầm được xây dựng dưới lòng đất ở độ sâu 10- 50m nhưng phổ biến nhất là ở độ sâu 10-15m vì việc xây dựng sẽ dễ dàng hơn, chi phí xây dựng, cũng như chi phí vận hành rẻ hơn. Hơn nữa hành khách sẽ mất ít thời gian ra/vào
nhà ga để lên/xuống tàu. Các tuyến ray trên mặt đất thường được bố trí xây dựng ở những khu vực thành phố có mật độ các công trình xây dựng thấp và cần phải xây dựng các hàng rào xung quanh đường ray để đảm bảo an toàn chuyển động khi vận hành tàu. Các tuyến ray trên cao thường được xây dựng ở những đoạn liên quan đến địa hình, đặc biệt khi băng qua đường bộ, đường sắt hiện có, qua sông - kênh … các chướng ngại vật. Năm 1890, tại London - nước Anh bắt đầu xây dựng hệ thống metro đầu tiên với sức kéo điện của đầu máy chạy bằng điện (trước đó, năm 1860 đã xây dựng tuyến ray ngầm, đoàn tàu sử dụng sức kéo hơi nước). Còn tại New York - Mỹ, năm 1890 các tuyến đường sắt cũng được chuyển đổi sang sức kéo điện. (năm 1868 cũng đã xây dựng những đoạn đường sắt trên cao với sức kéo thô sơ bằng dây cáp và thay thế bằng sức kéo đầu máy hơi nước vào năm 1871). Châu Âu đi đầu trong việc xây dựng hệ thống metro: Budapest - Hungary xây
dựng năm 1896; Paris- Pháp xây dựng năm 1900, đây cũng là năm mở cửa triển lãm công nghiệp trên thế giới; Sau đó một loạt các thành phố khác đã đưa vào khai thác hệ thống metro: Madrid - Tây Ban Nha vận hành vào năm 1919; Barcelona - Tây Ban Nha vận hành vào năm 1924; Athens - Hy Lạp điện khí hóa năm 1904 và nâng cấp hệ thống vào năm 2000; Tokyo - Nhật Bản vận hành vào năm 1927, Osla - Na Uy vận hành tuyến dường sắt ngầm đầu tiên tại Bắc Âu năm 1928 và nâng cấp hệ thống vào năm 1966, Stockhom - Thụy điển vận hành vào năm 1950, Moscow - Nga vận hành năm 1935, Saint-Persburg vận hành năm 1955, Kiev - Ukraina vận hành năm 1960, Tbilisi - Georgia năm 1966, Baku - Azerbaiijani năm 1967 … Sự phát triển của khoa học công nghệ nhanh chóng được áp dụng vào ngành đường sắt để giảm sức lao động của con người thông qua việc tạo ra và sử dụng các máy móc, thiết bị, các hệ thống tự động nhằm điều khiển và kiểm soát quá trình
chuyển động của các tàu trên tuyến đường ray. Trong thời kỳ đầu, khoảng trước những năm 1900, người ta chủ yếu tập trung vào nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển chạy tàu để trợ giúp/hoặc thay thế người lái. Hệ thống điều khiển chạy tàu (HĐTT) là thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển chuyển động các đoàn tàu trên tuyến (HĐCT). Nó được thiết kế để tự động hóa các quá trình sau: * Xác định thời gian dừng tàu tại sân/ke ga; * Xác định thời gian chạy tàu trên khu gian (giữa hai sân ga); * Mở và đóng cửa hành khách ra/vào vào trên tàu; * Khởi hành chạy tàu từ sân ga; * Lựa chọn các chế độ điều khiển để thực hiện chạy tàu theo thời gian quy định;
* Thực hiện hãm để giảm tốc độ của tàu, đáp ứng giới hạn vận tốc trên tuyến; * Hãm dừng tàu tại sân ga; * Thông báo cho người lái về chế độ, trạng thái của HĐTT; * Cung cấp thông tin cần thiết cho hành khách (ga khởi hành, ga tiếp theo, …); * Cung cấp tình trạng hiện tại của tàu cho trung tâm điều độ tàu (HĐĐT). HĐTT liên hệ trực tiếp với hệ thống an toàn chạy tàu (HACT). Các lệnh điều khiển của HACT luôn có mức ưu tiên cao nhất, nên cần phải lưu ý khi xây dựng HĐTT sao cho không thực hiện dư thừa lệnh điều khiển. HĐTT cũng liên kết với thiết bị trên tàu, đó là thiết bị tự động khởi động, cơ cấu chấp hành, bộ điều chỉnh vận tốc, cơ cấu hãm, thiết bị chống trượt và chống bó phanh, vì vậy chúng sẽ liên quan mật thiết đến cấu trúc và thuật toán cài đặt trong HĐTT.
Sau này, khoảng sau năm 1965, khi mà công nghê bán dẫn, vi xử lý phát triển mạnh mẽ, đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc áp dụng các thiết bị tính toán chuyên dụng vào ngành đường sắt. Cùng với việc hiện đại hóa các trang thiết bị đồng thời ở 3 khu vực: trên tàu, tại nhà ga và trạm điều độ tàu, hàng loạt các nghiên cứu về tích hợp hệ thống thông tin-tín hiệu-điều khiển được thực hiện. Song song với đó là sự ra đời của các thuật toán điều khiển không chỉ trên tàu (hiện đại hóa, nâng cấp, hoàn chỉnh thuật toán đã có), mà các thuật toán điều độ- điều khiển tàu trên tuyến (tại trạm điều độ, nhà ga) cũng lần lượt được áp dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển tự động chuyển động tàu. Các hệ thống điều khiển tàu điện tập trung hiện đại được xây dựng thành công có thể kể tới đó là hệ thống metro do Nga xây dựng tại Kharcov-Ukraina năm 1975, Tashkent-Uzbekistan năm 1977, Yerevan-Armenia vào 1981, Minsk-Belarus năm 1984, tại Gorki, Novosibirsk, Samara, Yekaterinburg - Nga lần lượt vào năm 1984, 1985, 1987, 1991; tại Vienna-Áo (năm 1976) do Đức xây dựng, tại
Frankfurt, Munich-Đức vào năm 1968, 1971; tại Sofia- Bungari (năm 1998), tại Atlanta-Mỹ (năm 1979), tại Fukuoka-Nhật Bản (năm 1981) … Các hệ thống điều khiển tàu điện ngày càng được hiện đại hóa. Mức độ phát triển của hệ thống điều khiển tàu điện phụ thuộc vào loại tàu được sử dụng và mức độ phát triển của kỹ thuật vi xử lý, cũng như các thuật toán điều khiển hay các chỉ tiêu kỹ thuật điều khiển đề ra. Quá trình hình thành hệ thống điều khiển tàu điện Hệ thống điều khiển tàu điện được phân chia phù hợp theo cấu trúc hệ thống, theo thuật toán điều khiển, theo chức năng nhiệm vụ của thiết bị, đó là: mức độ tập trung, phương pháp tính toán chương trình chạy tàu, vị trí cài đặt chương trình chạy tàu, số vòng điều khiển, khả năng tính toán của thiết bị, mức độ tự động hóa. Ngày nay, hệ thống điều khiển tàu tập trung (centralization) thu hút được nhiều độc giả nghiên cứu hơn hệ thống điều khiển tàu tự trị (autonom) vì nó cho phép
tạo ra hệ thống tự động điều khiển tiên tiến với nhiều ưu điểm vượt trội và hạn chế được các thiếu sót của hệ thống trước đó. Hệ thống điều khiển tàu tập trung được thiết kế theo thứ bậc và thực hiện theo 3 mức: trạm điều khiển trung tâm (ĐKT), nhà ga - thiết bị nhà ga (TBG), thiết bị điều khiển trên tàu (TĐT). Hệ thống điều khiển tàu tập trung nhận thông tin về tình trạng chuyển động của tất cả các tàu đang chuyển động trên tuyến và chọn lựa lệnh điều khiển cho tàu đang kiểm soát tương ứng với thông tin nhận được và yêu cầu của chương trình chạy tàu. Việc sắp đặt chức năng điều khiển giữa 3 cấp bậc này phụ thuộc vào yêu cầu về mức độ điều khiển tập trung, độ chính xác thực hiện biều đồ chạy tàu, mức độ phát triển của công nghệ thiết bị, thuật toán điều khiển, đòi hỏi về chất lượng điều khiển. Hệ thống điều khiển tàu tự trị chỉ đưa ra lệnh điều khiển cho duy nhất tàu đang bị kiểm soát thông qua chương trình chạy tàu. Đồng thời, tương tác giữa các tàu được xác định hoàn
toàn bằng hệ thống khác - phân hệ điều chỉnh dãn cách tàu. Sai lệch về khoảng cách giữa các tàu (làm cho chuyển động của tàu không an toàn) được bù bằng phân hệ tự động điều khiển của mỗi tàu mà không hề liên quan đến vị trí các tàu còn lại trên tuyến. Sự bù sai lệch về khoảng cách giữa các tàu được xác định bằng thuật toán phù hợp, khi tính toán đến mức độ dữ trữ khoảng cách và các giới hạn khác từ HACT. Hệ thống điều khiển tàu tập trung có rất nhiều tính năng vượt trội. Vì biết được vị trí của tất cả các tàu đang chạy trên tuyến nên cho phép linh hoạt bù sai lệch về khoảng cách có nguy cơ mất an toàn giữa các tàu. Hơn nữa, trong hệ thống điều khiển tập trung còn có các kênh truyền/nhận thông tin - tín hiệu giữa 3 mức, nên cho phép thực hiện các quá trình kỹ thuật phức tạp hơn về sau, như phân hệ trợ giúp thông tin hành khách, phận hệ camera giám sát, ... Hiện nay đã có những hệ thống điều khiển tàu điện được thực hiện hoàn toàn tự động, tức là có thể không cần sự tham gia
của người lái trong quá trình chuyển động tàu trên tuyến (hệ thống metro tại Lille - Pháp, ...). Mức độ tự động hóa phụ thuộc vào loại tàu, mức độ lắp đặt thiết bị tự động trên tàu để thực hiện hãm, đảm bảo yêu cầu điều khiển đặt ra. Đặc thù của hệ thống metro là phục vụ con người với cường độ chuyên chở lớn nên chức năng điều khiển phải hướng đến sự tiện ích và đảm bảo an toàn cho hành khách, như quá trình đóng/mở cửa tàu cần thiết phải thông tin đến người lái để đảm bảo tất cả hành khành đã lên/xuống hết mới được rời sân ga. Hay như việc dừng tàu tại sân ga, đây là vấn đề hết sức căng thẳng với lái tàu nếu không được tự động hóa, ngoài ra còn có quá trình hãm giảm tốc theo vận tốc giới hạn chuyển động của tàu trên tuyến, ... Hơn thế nữa, việc tự động hóa điều khiển quá trình chuyển động tàu điện cho phép đưa ra các luật điều khiển phù hợp theo các chỉ tiêu kỹ thuật đặt ra như tối thiểu hóa chi phí năng lượng điện, thời gian chạy ngắn nhất, ...
Trong hệ thống điều khiển tàu điện, ngoài các trang thiết bị, các máy tính toán chuyên dụng dựa trên nền vi xử lý, vi điều khiển, một yếu tố then chốt làm nên thành công đó là các luật điều khiển, các thuật toán điều khiển (gọi chung là chương trình) cài đặt trong hệ thống. Chương trình chạy tàu không ngừng phát triển để hỗ trợ hoặc thay thế hoàn toàn người lái tàu trong quá trình chuyển động tàu trên tuyến. Theo thời gian, cùng với sự cải tiến của chương trình chạy tàu (cài đặt trên tàu), các thuật toán, chương trình điều phối các tàu trên tuyến (tại ĐKT) được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi, giúp nâng cao năng lực vận chuyển và đảm bảo an toàn ở mức cao nhất cho hành khách. Nếu thời kỳ đầu, chương trình chạy tàu đơn giản được thiết kế trên nền vi xử lý lắp đặt trên tàu, sau đó được cải tiến để lắp đặt cả trên tàu và đường ray (nhờ sự trợ giúp của cảm biến, mạch điện - đường ray, kênh thu - phát radio, kênh thông tin tần số cao, kênh sóng viba, thiết bị hồng ngoại), thì ngày nay loại bỏ cơ bản nhiều module chương trình lắp đặt trên đường ray (vì chương trình thiết kế
trên đường ray làm tăng chi phí của hệ thống, gây khó khăn trong bảo dưỡng - vận hành). Chương trình chạy tàu ngày càng được hoàn thiện cùng với mức độ hiện đại của các thiết bị tính toán trên tàu để nâng cao độ chính xác thực hiện, giảm thời gian tính toán,.... Điểm nổi bật nữa trong chương trình điều khiển tàu ngày nay là việc kết hợp giữa chương trình tính toán sơ bộ để xác định trước hành trình chạy tàu (theo chỉ tiêu tối ưu năng lượng) tại depot và chương trình điều khiển trên tàu để tạo ra mô hình điều khiển dự báo, cho phép đưa ra kết quả tính toán ở chế độ thời gian thực. Quá trình tính toán trên tàu đưa ra bản đồ chế độ chạy tàu (chế độ lái và vị trị chuyển đổi chế độ) nhờ sự trợ giúp của các thông tin về hành trình, giới hạn tốc độ đã lưu sẵn trong thẻ nhớ của thiết bị trên tàu. Bằng việc đưa vào áp dụng các thuật toán điều khiển tàu trên tuyến tại ĐKT, đã mở ra thời kỳ phát triển mới của hệ thống điều khiển tàu điện tập trung. Thuật toán điều khiển các tàu chạy trên tuyến đã triển khai thành công tại
ĐKT có thể kể đến là thuật toán biểu đồ, thuật toán khoảng cách, thuật toán biểu đồ - khoảng cách. Thuật toán biểu đồ tạo ra tác động điều khiển tùy theo sai lệch thời gian giữa khi đến và đi của các tàu tương ứng với bảng kế hoạch chạy tàu. Quá trình điều khiển được thực hiện bằng cách tạo ra lệnh khởi hành tàu (tương đương với việc điều chỉnh thời gian dừng tàu tại sân ga, hoặc sử dụng độ dữ trữ về thời gian chạy tàu trên khu gian) và lựa chọn thời gian chạy tàu phù hợp trên khu gian. Phương án xây dựng thuật toán biểu đồ luôn là sử dụng độ dữ trữ thời gian dừng tàu tại sân ga, chỉ khi thực sự cấp bách (không thể thay đổi thời gian dừng tàu tại sân ga) mới dùng đến độ dữ trữ thời gian chạy tàu trên khu gian. Ưu điểm của thuật toán biểu đồ là tổ chức chạy tàu đúng theo kế hoạch đặt ra, dựa vào đấy xây dựng các kế hoạch dịch vụ khác nhau trong hệ thống metro. Đây là phương pháp điều khiển tàu truyền thống nên có tính phổ biến rộng rãi. Nhược điểm của nó là rất khó thực hiện khi
xuất hiện hỏng hóc trên tuyến (nhiễu ngẫu nhiên, không xác định), lúc này kế hoạch chạy tàu không thể thực hiện vì phải cần một độ trễ thời gian khá lớn để giải quyết sự cố. Khi xuất hiện nhiễu không biết trước thì giải pháp ưu thế hơn sẽ là thuật toán khoảng cách. Thuật toán khoảng cách đưa ra tác động điều khiển dựa vào thông tin sai lệch về khoảng cách chạy tàu thực tế với khoảng cách an toàn cho trước. Các phương án để xây dựng thuật toán khoảng cách có thể liệt kê ra đó là: * Rút ngắn thời gian dự trữ dừng tàu trên sân ga và sau đó là rút ngắn thời gian dự trữ chạy tàu trên khu gian; * Khi cấp bách thì sử dụng thời gian dự trữ chạy tàu trên khu gian, sau đó rút ngắn thời gian dừng tàu khi mà việc giảm thời gian chạy không bù được nhiễu; * Bù sai lệch khoảng cách chuyển động trên đường ray bằng chương trình giảm thời gian chạy trên khu gian khi không thể thay đổi thời gian dừng tàu trên sân ga.
Nhược điểm của thuật toán khoảng cách là không có ràng buộc chặt chẽ với biểu đồ chạy tàu tại thời điểm quan sát, do đó gây khó khăn cho việc lập kế hoạch các dịch vụ phục vụ chuyển động tàu. Xuất phát từ thiếu sót này, thuật toán biểu đồ - khoảng cách đã được nghiên cứu và trở thành hướng phát triển đến ngày nay. Thuật toán biểu đồ - khoảng cách thực hiện theo thuật toán biểu đồ khi các sai lệch điều khiển không vượt quá đại lượng đặt nào đó Td. Nếu sai lệch lớn hơn Td thì thực hiện chuyển sang thuật toán khoảng cách. Sự kết hợp giữa hai thuật toán này cho phép tạo ra giải pháp đủ nhanh để tiến hành các nhiệm vụ đối với biểu đồ chạy tàu khi bù nhiễu. Thuật toán biểu đồ - khoảng cách còn cho phép tăng thời gian chạy tàu trên khu gian và thời gian dừng tàu tại sân ga, làm tăng năng lực vận chuyển hành khách trên tuyến. Ngày nay, các thuật toán tại ĐKT hướng vào nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng trên tuyến để phân tích và chọn lựa
luật điều khiển tại trung tâm. Mô hình mô phỏng trên tuyến cho phép mô phỏng lại sự hoạt động của phân hệ trên tuyến, liên quan tới chuyển động của các tàu: sự tương tác giữa các tàu, hành vi của người thao tác, cũng như đáp ứng của thiết bị khi tiếp nhận mệnh lệnh từ trung tâm điều độ. Mô hình tuyến đưa ra mô tả đầy đủ nhất về hoạt động của tất cả các phân hệ trên tuyến, ngoài ra nó còn cho phép mô phỏng các tình huống bất thường hay trục trặc xảy ra trong hệ thống. Mô hình của từng đối tượng trên tuyến (tàu điện, đèn tín hiệu, mạch điện - đường ray, ...) bao gồm một số thành phần sau: * Thuật toán hoạt động của đối tượng khi không có sự cố; * Mô tả về những hỏng hóc có thể xuất hiện trong quá trình hoạt động của đối tượng; * Mô tả về các ảnh hưởng lên đối tượng khi xuất hiện hỏng hóc. Mô hình tuyến tiên nghiệm thực hiện trên thiết bị tập luyện của điều độ tàu. Khi phân tích tình trạng trên tuyến, trước
hết, điều độ viên sử dụng thông tin được chuyển đến từ đối tượng điều khiển thông qua kênh truyền dẫn điện tín. Thông tin này thể hiện ở dạng bảng số liệu kỹ thuật và có thể hiển thị lại trên màn hình ở các điểm (vị trí) làm việc tự động (ĐLT) khác của thiết bị tập luyện. Dựa vào thông tin nhận được và theo kế hoạch chạy tàu của điều độ viên đã huấn luyện tại ĐLT sẽ hình thành sách lược điều khiển tàu trên tuyến và truyền đạt mệnh lệnh cho bộ phận vận hành, hướng dẫn. ĐLT cần có 3 màn hình để đảm bảo hiển thị lại toàn bộ sơ đồ tuyến. Với ĐLT cũng cho phép điều khiển trực tiếp các ghi trên đường ray và các tín hiệu khác trong mô hình tuyến. Như vậy, hệ thống điều khiển tàu điện có thể được trình bày ở dạng sơ đồ khối rút gọn như hình 1. Các ký hiệu viết tắt trong sơ đồ khối được chú thích như sau: * HTĐĐ: Hệ thống tự động điều khiển tàu đơn giản; * HTĐH: Hệ thống tự động điều khiển hiện đại hóa;