Công nghệ tự động phòng hộ đoàn tầu và phân khu di động TS. Nguyễn Duy Việt Bộ môn Tín hiệu giao thông Khoa Điện - Điện tử Trờng Đại học giao thông Vận tải Tóm tắt: Thông qua một số quan niệm mới về hệ thống điều khiển tín hiệu ứng dụng công nghệ mới, bi báo muốn đề cập đến bản chất v các bớc phát triển có tính tất yếu của các hệ thống ny trong giao thông vận tải đờng sắt. Summary: Through some new conceptions of signal control systems that apply new technology, this article wants to deal with the essence and the indispensable development of these systems in railway transportation. Đặt vấn đề Đòi hỏi của xã hội về an toàn trong vận chuyển, tốc độ đoàn tầu cũng nh năng lực thông qua của tuyến đờng ngày càng cao. Các thông tin về đoàn tầu, về các đối tợng tham gia vào quá trình chạy tầu cần đợc cập nhật nhiều, liên tục, khả năng xử lý thông tin của hệ thống nhanh, an toàn và đa ra các kết luận chính xác là thớc đo chất lợng các hệ thống điều khiển tín hiệu (HĐT). Hiện nay, các HĐT đang phát triển theo những mô hình mới, tích cực hơn mà các hệ thống truyền thống cha có hoặc không thực hiện đợc. CT 2 Công nghệ tự động phòng hộ đoàn tầu và phân khu di động với những mô hình hệ thống tơng ứng sẽ đợc phát triển và phổ biến trong công tác đảm bảo chạy tầu. 1. Nguyên lý truyền tín hiệu phòng hộ đon tầu Hệ thống tín hiệu tự động phòng hộ đoàn tầu (ATP) sử dụng chính các mạch điện đờng ray (MĐĐR) để truyền các mã tín hiệu đến đoàn tầu. Các tín hiệu này thờng đợc phát hiện và thu bởi các anten (thờng là 2 cái) đợc gắn ở mỗi đoàn tầu (hình 1). Dữ liệu sẽ đợc đa đến mạch giải mã và xử lí đảm bảo an toàn chạy tầu. Tốc độ cho phép sẽ đợc dùng kiểm tra để khống chế tốc độ thực tế, nếu tốc độ thực tế vợt quá tốc độ cho phép thì hệ thống hãm sẽ hoạt động. Trong nhiều hệ thống hiện đại, ngoài các thông tin về tốc độ, thông tin về giãn cách giữa các đoàn tầu và một số thông tin khác cũng đợc truyền lên tầu với nhiều phơng thức khác nhau cho phép ngời lái tầu điều khiển đoàn tầu với các cấp tốc độ cho phép khác nhau (trờng hợp điều khiển nhân công). Các thông tin của phân khu phía trớc đợc kiểm tra và đa tới bộ phát mã của mỗi phân khu. Bộ phát mã sẽ phát gửi các mã tơng ứng cho mỗi MĐĐR, các mã đợc các anten thu và đa tới máy tính. Máy tính sẽ kiểm tra tốc độ thực tế của tầu và so sánh với tốc độ cho phép, nếu vợt quá sẽ tác động đến hệ thống hãm để khống chế tốc độ đoàn tầu. Dữ liệu cột hiệu Cảm biến tốc độ Dữ liệu tín hiệu phát Panel điều khiển Tầu Hớng tàu chạy Máy phát mã Cột hiệu Bộ xử lý Mã số liệu (tín hiệu mã) truyền trên đờng ray Khối giao tiếp hãm An ten và Bộ lọc tín hiệu mã Hình 1. Truyền các tín hiệu lên đon tầu Về cấu trúc, hệ thống truyền tín hiệu phòng hộ đoàn tầu tơng tự hệ thống tín hiệu đầu máy và tự động dừng tầu. Điểm khác biệt là hệ thống ATP cập nhật liên tục nhiều thông tin trong quá trình chạy tầu (trong hệ thống tín hiệu đầu máy và tự động dừng tầu chỉ lấy trạng thái của phân khu phía trớc, tốc độ thực tế đoàn tầu), sử dụng máy tính để xử lý và kết luận các thông tin đó. Nh vậy thiết bị của hệ thống ATP cũng nh lợng thông tin sẽ nhiều và việc phát, truyền, nhận và xử lý thông tin sẽ phức tạp hơn. CT 2 Để việc điều khiển qúa trình chạy tầu mềm dẻo, liên tục và chính xác cần có nhiều thông tin, xử lý thông tin liên tục, an toàn và chính xác. Các hệ thống điều khiển tín hiệu đợc phát triển theo các mức độ, trên cơ sở đảm bảo ngày càng tốt hơn mục tiêu này. 2. Truyền tín hiệu báo trớc A nten Dữ liệu về tín hiệu Các điểm phát tín hiệu Cảm biến hiện tốc độ Panel điều khiển Tầu Hệ thống hãm Hớng tầu chạy Bộ xử lý Tủ điều khiển phòng vệ dọc tuyến Hình 2. Truyền các tín hiệu báo trớc Thông tin ATP từ lộ trình đợc truyền liên tục lên tầu thông qua MĐĐR nên hệ thống này còn đợc gọi là hệ thống truyền - phát liên tục. Do truyền liên tục nên các tín hiêụ bị suy hao trên đờng truyền và do đó, để đảm bảo độ tin cậy của các tín hiệu, MĐĐR thờng bị thu ngắn lại (thờng lấy là 350 m), đây cũng chính là nhợc điểm cơ bản của hệ thống. Các thiết bị của hệ thống đắt, dễ bị tác động của môi trờng: nhiệt độ, độ ẩm, nhiễu điện từ v.v, các tác động của con ngời làm phát sinh các trở ngại. Để khắc phục các nhợc điểm này, hệ thống sử dụng phơng pháp truyền các dữ liệu rời rạc với các điểm phát tín hiệu đợc đặt trên các phân khu dọc theo tuyến (không dùng MĐĐR). Với hệ thống đợc coi là tốt hiện nay, cột hiệu báo trớc (tơng tự các cột hiệu thông qua trong hệ thống đóng đờng tự động) thờng sử dụng hai loại biểu thị, một loại biểu thị cho biết vị trí của tầu và một loại biểu thị cho biết trạng thái của phân khu tiếp theo. Quá trình xử lý dữ liệu và các khối chức năng của hệ thống ATP kiểu này tơng tự nh loại hình hệ thống truyền - phát liên tục. 3. Nguyên lý hoạt động của cột hiệu báo trớc CT 2 A 2 Đ iểm dừng Phân khu A1 Phân khu A2 Tầu 2 Tầu 1 Hớng tầu chạy Điểm báo trớc của tín hiệu A3 Điểm báo trớc của tín hiệu A2 A 1 Hình 3. Nguyên tắc hoạt động của cột hiệu báo trớc Sự hoạt động của cột hiệu báo trớc đợc mô tả nh hình 3. Với các đoàn tầu có các vị trí nh hình vẽ, cột báo trớc A2 ở phía trớc cột A1 theo hớng tầu chạy có biểu thị đỏ để báo cho tầu 2 đang đến gần biết đợc vị trí phải dừng lại. Tầu 2 nhận đợc lệnh dừng và do đó nó phải dừng lại trớc khi chạm tới cột tín hiệu báo trớc A2. Khi tầu 2 đã dừng trớc cột hiệu A2 nó phải đợi đến khi tầu 1 giải phóng toàn bộ phân khu A2, lúc đó biểu thị của cột tín hiệu báo trớc A2 chuyển sang mầu lục mới có thể tiếp tục chuyển động. Trong thực tế nó không thể chạy đợc ngay mà phải mất một khoảng thời gian nào đó để bộ truyền động khởi động lại và cho phép tầu bắt đầu chuyển động. Vì lý do này mà ATP thờng đợc sử dụng trong các hệ thống điều khiển chạy tầu nhân công. 4. Điều khiển cập nhật gián đoạn Một bất cập của hệ thống tín hiệu báo trớc là khi tầu đã nhận đợc một chỉ thị giảm tốc độ hoặc dừng lại nó sẽ giữ nguyên chỉ thị đó khi vợt qua cột báo trớc khác để đến cột báo trớc đa ra chỉ thị, giả sử là chỉ thị dừng. Khi đó đoàn tầu sẽ vẫn cứ phải dừng (do nó đã lu lại chỉ thị dừng) dù trong thời gian nó cha đến điểm dừng phân khu phía trớc đã đợc giải phóng và cột hiệu lúc trớc có chỉ thị dừng nay đã chuyển sang chỉ thị cho phép (biểu thị lục). Có thể đặt ra một phơng án khắc phục là sử dụng nút ấn huỷ bỏ trong khi tầu vẫn đang chạy mà phân khu phía trớc đã đợc giải phóng và cột hiệu đa ra chỉ thị dừng (có biểu thị đỏ) đã chuyển sang chỉ thị cho phép (biểu thị lục) thay cho khi tầu phải dừng hẳn, nh thế sẽ tốt hơn cho hệ thống với nút huỷ bỏ này. Tuy vậy phơng án này không đợc áp dụng do hệ thống ATP là hệ thống phòng vệ, đảm bảo an toàn mang tính tuyệt đối nên nó không cho phép có sự can thiệp của con ngời. A 2 Đ iểm dừng Phân khu A1 Phân khu A2 Hớng tầu chạy Điểm báo trớc của tín hiệu A3 Tầu 2 Điểm báo trớc của tín hiệu A2 A 1 Hình 4. Bố trí một cột báo trớc trung gian Để khắc phục tình huống dừng lại không cần thiết nêu trên, một cột hiệu báo trớc trung gian đợc đa vào. Lúc đó cho phép tầu đến gần điểm dừng mà phân khu phía trớc đợc giải phóng thì lệnh dừng đợc huỷ bỏ và tầu có thể đi vào phân khu kế tiếp phía trớc đã đợc giải phóng mà không phải dừng lại nữa (hình 4). CT 2 A 2 Đ iểm dừng Phân khu A1 Phân khu A2 Hớng tầu chạy Điểm báo trớc của tín hiệu A3 Tầu 2 Điểm báo trớc của tín hiệu A2 A 1 Phân khu A1 Điểm báo trớc trung gian của tín hiệu A2 Hình 5. Bố trí hơn một cột báo trớc trung gian Có thể bố trí nhiều hơn một cột báo trớc trung gian nếu cần thiết (hình 5). 5. ý tởng về mô hình phân khu di động Với sự phát triển của công nghệ nói chung và công nghệ cho các hệ thống tự động điều khiển và khống chế từ xa, đã có nhiều giải pháp hiện đại hơn cho các hệ thống điều khiển chạy tầu trong khu gian trên cơ sở các phân khu. Xu hớng chung là cố gắng thoát khỏi các phân khu cố định để có thể thay đổi giãn cách giữa các đoàn tầu dựa trên tốc độ cho phép và tốc độ thực tế. Có thể giải thích ý tởng nh khi bạn đang đi trên đờng cao tốc có các giải phân cách để tách thành các làn đờng có các tốc độ tơng ứng khác nhau. Theo lý thuyết bạn không cần duy trì khoảng cách hãm tối đa với với xe chạy phía trớc bởi xe phía trớc không thể dừng đột ngột. Nếu tốc độ của xe bạn và xe phía trớc cùng tốc độ thi khi xe đó giảm tốc độ hoặc hãm dừng thì bạn cũng có thể làm điều đó với xe của mình và nếu bạn dự phòng một khoảng cách nào đó cho thời gian phản ứng và thao tác hãm thì sẽ không xảy ra sự cố. Tuy nhiên trên thực tế do việc hãm và dừng của xe trớc và khả năng phản ứng kịp thời của xe sau trong suốt thời gian chạy trên đờng là khó có khả năng đảm bảo. Do đặc thù của vận tải đờng sắt, tầu chạy với tốc độ tơng đối cao, quán tính lớn và lợng hành khách, hàng hoá nhiều, do vậy hầu hết các quy trình, quy phạm của ngành đờng sắt, ý tởng trên không đợc áp dụng cho dù hoàn toàn có khả năng mà luôn phải tuân thủ khoảng cách hãm cố định (tính trong điều kiện đảm bảo an toàn nhất). CT 2 Đờng cong vận tốc của tàu 1 Đờng cong vận tốc của tàu 2 Đờng cong vận tốc của tàu 3 Tầu 3 Tầu 2 Tầu 1 Hớng tầu chạy Hình 7. Giãn cách đon tầu v đờng cong tốc độ Với ý tởng đã trình bày, dựa vào đờng cong tốc độ giống nhau của các đoàn tầu, khả năng hãm nh nhau (thực tế là có thể), thì theo lý thuyết chúng có thể chạy đợc đồng hành với giãn cách nhỏ hơn nhiều: giãn cách là 50 m tơng ứng với tốc độ 50 km/h, thay vì luôn đảm bảo khoảng cách hãm an toàn nh vẫn đang đợc áp dụng (hiện nay ở Việt nam là 800 m). Tuy nhiên khả năng của ý tởng có tính lý thuyết sẽ gặp phải những vấn đề thực tế nảy sinh, ví dụ nh cha ai đa ra đợc cơ sở thiết kế cho các phân khu di động, các yếu tố tác động đến quá trình chạy tầu là các hàm ngẫu nhiên, phức tạp và cho đến nay, các nghiên cứu để định lợng chúng còn thiếu. Chính vì thế mà công tác chạy tầu hiện nay vẫn luôn đảm bảo duy trì một khoảng cách hãm an toàn xác định. Nhng dù là mô hình phân khu cố định hay di động cũng đều trên cơ sở lựa chọn hợp lý độ dài và mô hình của phân khu sao cho phù hợp với loại hình và tốc độ đoàn tầu, các yếu tố tác động đến công tác chạy tầu. Theo mô hình phân khu di động, do tính mềm dẻo nên cần sử dụng kỹ thuật truyền phát radio để điều khiển chạy tầu dựa trên kỹ thuật thông tin hay còn đợc gọi là kỹ thuật tín hiệu dựa trên sự truyền - phát. Việc truyền - phát trên cơ sở các MĐĐR có đợc vị trí, tốc độ, hớng và một số tin tức về trạng thái con tầu để đa về hệ thống, từ đó đa ra các chỉ thị cho biết tốc độ cho phép của đoàn tầu. 6. Phân khu di động v kỹ thuật truyền phát radio Các phân khu di động đợc bố trí nh hình 8. Trên một tuyến đờng chia thành các khu đoạn, mỗi khu đoạn đợc đợc điều khiển bằng một máy tính và một hệ thống truyền phát radio cho khu đoạn đó. Mỗi tầu sẽ truyền về máy tính thông qua hệ thống truyền phát radio các tin tức về số hiệu, vị trí, tốc độ, hớng và các tin tức khác liên quan đến trạng thái của đoàn tầu. Máy tính sẽ thực hiện tính toán đa ra đợc giãn cách an toàn cho các đoàn tầu và gửi các tin tức đến các đoàn tầu. Sóng radio thiết lập mối quan hệ giữa máy tính và các đoàn tầu một cách liên tục, vì thế máy tính biết đợc vị trí của tất cả các đoàn tầu thuộc phạm vi của nó và vào bất kỳ thời điểm nào. Tin tức từ máy tính sẽ đợc truyền lên đoàn tầu về vị trí của đoàn tầu phía trớc cũng nh đa ra chỉ thị phải giảm tốc độ khi đi vào đờng cong tốc độ và cho phép dừng tầu trớc khi đâm vào đoàn tầu khác phía trớc đang chạy trong đờng cong đó. Với nguyên tắc hoạt động của hệ thống nh trên, có thể coi đây là hệ thống điều chỉnh giãn cách tự động các đoàn tầu. CT 2 Kết nối giữa 2 khu đoạn Các tầu Các liên kết radio Radio Máy tính Radio Máy tính Khu đoạn 1 Khu đoạn 2 Hình 8. Mô hình phân khu di động sử dụng kỹ thuật truyền phát radio Trong hệ thống này cần lu ý là khoảng cách hãm an toàn có ở phân khu cố định vẫn cần đợc đảm bảo do hoàn toàn có thể có các yếu tố cha kiểm soát đợc tác động. Ví dụ nh vì một lý do nào đó mất nguồn dữ liệu, lúc đó nguồn dữ liệu cuối cùng đợc giữ lại và đợc làm cơ sở để dừng tầu, đảm bảo thời gian để không đâm vào đoàn tầu phía trớc. Nh thế phân khu di động mới thực hiện đợc điều chỉnh giãn cách các đoàn tầu một cách mềm dẻo mà cha thể rút ngắn hẳn giãn cách xuống nh ý tởng ban đầu: giãn cách là 50 m khi tốc độ đoàn tầu là 50 km/h. 7. Xác định vị trí đon tầu trong phân khu di động Nh trên đã nêu, các tầu trong hệ thống phân khu di động liên tục gửi các thông tin liên quan đến chuyển động của nó cho máy tính. Điều đó có nghĩa là tầu luôn nằm trong vùng phủ sóng radio. Mỗi tầu xác định vị trí của nó trên đờng căn cứ vào các cột mốc đợc đặt dọc theo tuyến, thông qua đó vị trí của nó đợc hiệu chuẩn lại bằng cách so sánh vị trí của nó trên đờng với bàn điều khiển và với bản đồ của tuyến đờng đợc lu trữ trong máy tính. Sự dịch chuyển của đoàn tầu từ khu đoạn này sang khu đoạn khác của tuyến đợc kiểm soát, khống chế bằng cách liên kết các sóng radio và sự liên kết giữa các máy tính của các khu đoạn gần kề. Để đảm bảo sự liên tục, khi mà tầu tiến vào ranh giới của hai khu đoạn gần kề thì máy tính của khu đoạn thứ nhất sẽ tác động lên máy tính khu đoạn thứ hai và báo cho nó là tầu đã đi vào khu đoạn mà nó quản lý. Đồng thời máy tính khu đoạn thứ nhất cũng sẽ báo cho tầu để thay đổi mã radio cho phù hợp với khu đoạn mới. Khi khu đoạn mới xác định đợc số hiệu của tầu, nó sẽ trả lời máy tính của khu đoạn tầu vừa rời khỏi và công việc liên lạc đợc hoàn thành. CT 2 Các điểm tín hiệu Kết nối giữa 2 khu đoạn Khu đoạn 1 Vùng chuyển tiếp Các tầu Các liên kết radio Radio Máy tính Radio Máy tính Khu đoạn 2 Hình 9. Bố trí thiết bị xác định vị trí tầu cho hệ thống có mô hình phân khu di động sử dụng kỹ thuật truyền phát radio Có một ý tởng khác cho hệ thống phân khu di động là đặt các máy tính lên các đoàn tầu. Khi đó mỗi tầu sẽ thông tin cho nhau về vị trí, trạng thái của bản thân nó cũng nh của tất cả các tầu khác và tự động thiết lập tốc độ chạy tầu đảm bảo an toàn cho các đoàn tầu. Hệ thống kiểu này cho phép giảm các thiết bị trên đờng nhng khôí lợng thông tin cần xử lý và truyền phát sẽ lớn hơn nhiều. 8. Sơ lợc về các hệ thống phân khu di động đầu tiên Một hệ thống đã đợc công nhận mang nét đặc trng của hệ thống phân khu di động đầu tiên đợc giới thiệu dới cái tên "Seltrak" đợc cung cấp bởi hãng " Alcatel", đợc sử dụng bởi tại Canađa và trên tuyến đờng sắt nhẹ Dockland ở Luânđôn - Anh. Nó bao gồm các bộ phận hợp thành của hệ thống thông tin di động nhng môi trờng truyền dẫn của nó lại là các mạch cảm ứng vòng đợc đặt trên đờng ray, ở giữa các ray, cách nhau 25 m cho phép tầu xác định đợc vị trí của nó. Thông tin đợc truyền giữa máy tính lắp đặt trên tầu (VOBC - Vehicle on board computer) và trung tâm điều khiển chạy tầu (VCC - Vehicle Control Centre). VCC điều khiển tốc độ của tầu sau thông qua kiểm tra vị trí của tầu trớc và tính toán khoảng cách hãm an toàn giữa chúng. Hệ thống Seltrack không đòi hỏi có tài xế, nó là hệ thống điều khiển chạy tầu tự động hoàn toàn. Trong trờng tầu gặp trở ngại lúc đó mới phải điều khiển bằng nhân công, nó có bộ đếm trục để kiểm tra vị trí tầu không bị ràng buộc bởi mạch vòng. Các hạn chế lớn nhất của hệ thống là việc duy trì thông tin liên tục, giá thành lắp đặt cao và các trở ngại xuất hiện nhiều trong quá trình duy trì mạch đờng ray. Sự khác biệt cơ bản về nguyên lý của hệ thống Seltrack và các hệ thống hiện đại ngày nay là hệ thống sử dụng sóng điện từ để truyền tín hiệu thông qua môi trờng truyền dẫn là các thanh ray, trong khi các hệ thống sử dụng sóng radio lại sử dụng môi trờng truyền dẫn là môi trờng trên không. Đây cũng là hớng phát triển và bản thân hệ thống Seltrack cũng đang đợc cải tiến các thiết kế để sử dụng hệ thống truyền dẫn bằng sóng radio. Kết luận CT 2 Phân tích công nghệ tự động phòng hộ đoàn tầu và phân khu di động có thể thấy một số điểm về xu hớng phát triển các hệ thống điều khiển chạy tầu: - Cập nhật càng nhiều số liệu về quá trình chạy tầu càng tốt cho việc kiểm soát, điều khiển đợc quá trình này; - Cấu trúc và quá trình điều khiển của hệ thống cần đảm bảo tính hợp lý, tăng tính chặt chẽ, nhanh chóng, chính xác, làm chủ các yếu tố tác động để quá trình này dần thoát khỏi yếu tố con ngời, đảm bảo an toàn chạy tầu, nâng cao đợc tốc độ đoàn tầu, năng lực thông qua của tuyến đờng, có hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật; - Các HĐT của Việt nam còn ở mức độ lạc hậu, để đáp ứng với đòi hỏi phát triển xã hội, các HĐT sẽ góp phần không thể thiếu vào công tác vận chuyển của đờng sắt. Làm chủ đợc các công nghệ, cần có sự đầu t đi trớc, cụ thể và lâu dài, thích hợp cho ngành điều khiển tín hiệu để có những công nghệ phù hợp với điều kiện Việt nam. Tài liệu tham khảo [1] Tài liệu của hãng "Alcatel" 2005. [2] Railway Technical Web - 2003. [3] Dự án đờng sắt nhẹ Hà Nội Hà Đông (phần Hệ thống Tín hiệu) Nguyễn Duy Việt. 2004Ă . 2 Công nghệ tự động phòng hộ đoàn tầu và phân khu di động với những mô hình hệ thống tơng ứng sẽ đợc phát triển và phổ biến trong công tác đảm bảo chạy tầu. 1. Nguyên lý truyền tín hiệu phòng hộ. dẫn bằng sóng radio. Kết luận CT 2 Phân tích công nghệ tự động phòng hộ đoàn tầu và phân khu di động có thể thấy một số điểm về xu hớng phát triển các hệ thống điều khiển chạy tầu: - Cập nhật. và một số tin tức về trạng thái con tầu để đa về hệ thống, từ đó đa ra các chỉ thị cho biết tốc độ cho phép của đoàn tầu. 6. Phân khu di động v kỹ thuật truyền phát radio Các phân khu di động