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

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

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

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

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

* 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;
* 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.


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 tính toán theo thời gian thực. 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 dạng module cũng đang rất
được quan tâm tại nhiều quốc gia trên thế giới. Thực tế,
người lái tàu không thể loại bỏ hoàn toàn khỏi quá trình điều
khiển chạy tàu, bởi vì các tình huống sự cố là hoàn toàn ngẫu
nhiên và chúng ta không thể thống kê hết được. Nhưng cho
dù phát triển theo xu hướng nào thì tất cả các hệ thống điều
khiển tàu phải đảm bảo hiệu quả kinh tế - kỹ thuật, và đáp
ứng các chỉ tiêu sau:
* Nâng cao độ chính xác khi thực hiện biểu đồ chạy tàu;
* Nâng cao độ chính xác thời gian chạy trên khu gian, ≤5
giây;
* Tăng năng lực vận chuyển hành khách trên tuyến;
* Giảm tiêu thụ năng lượng điện của tàu;
* Đơn giản hóa cho lái tàu;
* Tăng tính an toàn chạy tàu;
* Tăng năng suất lao động;
* Nâng cao mức độ linh hoạt và trao đổi thông tin điều khiển.