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 [...]... HTĐĐ: Hệ thống tự động điều khiển tàu đơn giản; * HTĐH: Hệ thống tự động điều khiển hiện đại hóa; * HTĐCM: Hệ thống tự động điều khiển theo chương trình mô phỏng; * HTPĐT: Hệ thống phức hợp tự động hóa - điều khiển tàu; * HTPĐC: Hệ thống phức hợp tự động hóa - điều khiển chuyển động tàu; * HĐCT: Hệ thống tự động hóa - điều khiển chuyển động tàu trên tuyến Hình 1: Sơ đồ khối về sự phát triển của hệ thống. .. 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. .. 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. .. triển của hệ thống điều khiển tàu điện Đặc điểm của hệ thống điều khiển tàu thế hệ đầu là: * HTĐĐ và HTĐH là hệ thống tự trị; * Tính toán chương trình chạy tàu trong hệ thống thực hiện trong quá trình chuyển động; * Trên tàu sử dụng thiết bị tính toán dựa trên nền vi xử lý Trong thời kỳ chuyển tiếp, hệ thống điều khiển tàu có đặc điểm nổi bật sau: * HTĐCM, HTPĐT, HTPĐC là những hệ tập trung; * HTĐCM... vi điểu khiển tiên tiến ở 3 mức: ĐKT, TBG, TBT; * Chương trình chạy tàu cài đặt trực tiếp trên tàu (loại bỏ về cơ bản chương trình chạy tàu trên đường ray); * Sử dụng chương trình tính toán sơ bộ tại depot Xu hướng phát triển của hệ thống điều khiển tàu Xu thế phát triển của các hệ thống điều khiển tàu điện ngày nay là thiết lập các kênh thông tin - tín hiệu trên toàn bộ chiều dài tuyến giữa tàu với... 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... 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... Các luật điều khiển tàu được nghiên cứu ở từng mức hệ thống (ĐKT, TBG, TBT) theo từng nhóm chức năng phục thuộc vào yêu cầu bài toán Phát triển các hệ thống điều khiển tàu thời gian thực đòi hỏi giá thành vô cùng lớn Khái niệm về giá thành không chỉ đơn giản là giá trang thiết bị vi điều khiển tốc độ nhanh mà còn chi phí để bảo trì Ngoài ra, xu thế điều khiển tàu không người lái và tạo ra hệ thống ở... với đó là áp dụng các công nghệ tiên tiến hiện đại nhất vào các thiết bị truyền tin, đảm bảo quá trình thông tin - tín hiệu liên tục Khi có sự thất thường về truyền tin với ĐKT, các thiết bị điều khiển trên tàu sẽ hoạt động như hệ tự trị; điểm khác biệt ở đây là có khối nhận thông tin Một hướng phát triển nữa của hệ thống điều khiển tàu điện là nghiên cứu các luật điều khiển tàu để cho phép thực hiện... 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 . 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. 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