TỰ ĐỘNG HÓA TRONG HỆ THỐNG
ĐIỀU KHIỂN TÀU ĐIỆN
Công nghệ tự động hóa (TĐH) được áp dụng ngày càng sâu rộng trong
hệ thống điều khiển tàu điện chạy trên đường ray. 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 điện
Sự 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 bao hiêu 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).
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.