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

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

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

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;

* HTPĐT, HTPĐC hoạt động trên tổ hợp thiết bị tính toán - điều khiển tại ĐKT; xây
dựng các hệ thiết bị chuyên biệt tại nhà ga và trên tàu; sử dụng chương trình tính toán sơ
bộ tại depot; áp dụng chương trình chạy tàu trên đường ray;
Hệ thống điều khiển tàu ngày nay thể hiện đặc tính ưu việt ở các điểm sau:
* HĐCT đơn giản hay hiện đại/cải tiến là hệ tập trung;
* Thực hiện chức năng - nhiệm vụ trên thiết bị 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 ĐKT, cùng 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 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;