Trong loạt bài viết trước về chủ đề đường sắt, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ các bài viết về hệ thống đường sắt tại một số quốc gia phát triển như Pháp, Đức, Thụy Sĩ… Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của Railways Explained, giới thiệu về hệ thống giúp kết nối mạng lưới đường sắt rộng lớn tại châu Âu: hệ thống Quản lý Giao thông Đường sắt châu Âu (ERTMS)

Sự phân mảnh của hệ thống đường sắt châu Âu
Trong lịch sử, các hệ thống đường sắt tại các quốc gia châu Âu phát triển một cách độc lập, dẫn đến sự khác biệt lớn về khổ đường ray, tiêu chuẩn điện khí hóa, quy trình an toàn, phương thức tín hiệu và hệ thống bảo vệ tàu. Mỗi quốc gia xây dựng các giải pháp riêng theo nhu cầu quốc gia, điều này về sau trở thành rào cản lớn đối với vận hành xuyên biên giới. 

Trong đó, hệ thống bảo vệ tàu tự động (ATP) (1) là một thách thức đặc biệt, khi nhiều đầu máy phải trang bị nhiều hệ thống ATP khác nhau để có thể hoạt động tại các quốc gia khác nhau. Đến nay, vẫn còn hơn ba mươi hệ thống ATP quốc gia đang hoạt động, thậm chí một số nước sử dụng nhiều hệ thống song song. Sự phân mảnh này làm giảm tính cạnh tranh của đường sắt so với vận tải đường bộ và hàng không, vốn ít chịu rào cản vận hành hơn.
(1) ATP (Automatic Train Protection) hay Hệ thống bảo vệ tàu tự động là một hệ thống an toàn chủ động được sử dụng trong vận hành đường sắt nhằm giám sát và can thiệp tự động nếu tàu không tuân thủ đúng các mệnh lệnh an toàn như tốc độ giới hạn hoặc tín hiệu dừng.

Tính tương thích và nhu cầu tiêu chuẩn hóa
Để giải quyết tình trạng phân mảnh, Liên minh châu Âu đưa ra khái niệm tính tương thích (interoperability) – khả năng các hệ thống đường sắt khác nhau có thể vận hành hài hòa với nhau. Một ví dụ điển hình là hành trình từ Warsaw đến Madrid, đoàn tàu phải đi qua bốn quốc gia có các hệ thống điện khác nhau: Ba Lan (3 kV DC), Đức (15 kV AC), Pháp và Tây Ban Nha (25 kV AC), nhiều hệ thống ATP và thậm chí hai khổ đường ray. 

Từ thực tế này, EU bắt đầu xây dựng các tiêu chuẩn chung nhằm áp dụng dần trong lĩnh vực vận hành, quy định, phương tiện và hạ tầng. Các tiêu chuẩn này được hệ thống hóa thành Bộ thông số kỹ thuật về tính tương thích (Technical Specifications for Interoperability), hướng đến mục tiêu cuối cùng là tạo ra khả năng vận hành xuyên biên giới thông suốt trên toàn châu Âu.

Sự ra đời của ERTMS
Nỗ lực loại bỏ các rào cản kỹ thuật trong hệ thống ATP bắt đầu từ cuối thập niên 1980. Sau quyết định của các Bộ trưởng Giao thông châu Âu vào tháng 12 năm 1989, EU khởi động dự án phân tích các vấn đề về tín hiệu và điều khiển tàu. Đến cuối năm 1990, Viện Nghiên cứu Đường sắt châu Âu bắt đầu phát triển một hệ thống ATP chung có khả năng tương tác, tạo tiền đề cho hệ thống Quản lý Giao thông Đường sắt châu Âu (European Railway Traffic Management System – ERTMS). 

Để thúc đẩy dự án, EU thành lập Nhóm ERTMS với sự tham gia ban đầu của chuyên gia từ Đức, Ý và Pháp, sau đó có thêm nhiều công ty đường sắt châu Âu khác. Nhiệm vụ của nhóm là xây dựng Thông số Kỹ thuật về Tính tương thích cho phân hệ Điều khiển, Chỉ huy và Tín hiệu (Control, Command and Signaling). Song song với đó, các nhà sản xuất tín hiệu lớn như Alcatel, Alstom, Ansaldo Signal, Bombardier, Invensys Rail và Siemens thành lập Liên minh Công nghiệp Tín hiệu vào năm 1998 để hoàn thiện đặc tính kỹ thuật phục vụ triển khai ERTMS trên toàn ngành.

Nguyên lý và chức năng của ERTMS
Để hiểu ERTMS, cần xem xét các nguyên lý, thành phần, cấp độ và baseline (2) của hệ thống. ERTMS dựa trên khái niệm Quyền chạy tàu (Movement Authority – MA), quy định tốc độ tối đa và khoảng cách đoàn tàu được phép chạy. Trước đây, quyền hạn này được truyền bằng tín hiệu tay, sau đó bằng tín hiệu cơ khí và tín hiệu đèn. Khi đường sắt tốc độ cao khiến việc quan sát tín hiệu bên ngoài trở nên khó khăn, tín hiệu trong cabin bắt đầu được áp dụng.
(2) Baseline là thuật ngữ dùng để chỉ phiên bản chuẩn kỹ thuật chính thức được Liên minh châu Âu ban hành nhằm đảm bảo tính tương thích và vận hành đồng bộ giữa các quốc gia. Mỗi baseline xác định một tập hợp tiêu chuẩn kỹ thuật thống nhất cho phần mềm, thiết bị và giao thức truyền thông giữa tàu và hạ tầng.

ERTMS duy trì nguyên lý này bằng cách truyền MA từ mặt đất lên tàu, cho phép hiển thị thông tin trực tiếp cho lái tàu và giám sát chuyển động dựa trên đặc tính đoàn tàu và điều kiện hạ tầng. Vì vậy, ERTMS cần trang bị cả trên hạ tầng và trên phương tiện. Phần đường sắt tạo ra và truyền MA, trong khi phần trên tàu xử lý thông tin, hiển thị cho lái tàu, áp dụng phanh khẩn cấp khi vượt tốc hoặc vượt giới hạn, đồng thời xác định vị trí của đoàn tàu.

Thành phần chính của hệ thống ERTMS
ERTMS gồm hai thành phần cốt lõi: 
– Hệ thống Kiểm soát Tàu châu Âu (European Train Control System – ETCS): chịu trách nhiệm giám sát tốc độ và khoảng cách an toàn.
– GSM-R: hệ thống thông tin vô tuyến chuyên dụng cho việc gọi thoại và trao đổi dữ liệu.

Sự kết hợp này cho phép truyền đạt thông tin an toàn và hiệu quả giữa đường sắt và đoàn tàu.

Các cấp độ ERTMS
ERTMS có nhiều cấu hình triển khai gọi là cấp độ: Level 0, Level NTC, Level 1 và Level 2. Các cấp độ này thể hiện sự khác nhau trong cách truyền quyền hạn chuyển động và cách phân chia chức năng giữa thiết bị đường sắt và thiết bị trên tàu. 

Ở Level 1, ERTMS bổ trợ cho hệ thống tín hiệu hiện có bằng Eurobalise (3) đặt gần các tín hiệu để truyền dữ liệu cho ETCS. Điều này nâng cao an toàn mà không cần thay thế toàn bộ hạ tầng.
(3) Eurobalise là một thiết bị điện tử được lắp đặt giữa hoặc bên cạnh đường ray, có chức năng truyền dữ liệu từ mặt đất lên đoàn tàu trong hệ thống tín hiệu điều khiển tàu tự động ETCS. Khi tàu chạy qua, Eurobalise sẽ gửi thông tin như vị trí, tốc độ giới hạn và lệnh vận hành, giúp hệ thống trên tàu xử lý và điều chỉnh hành trình theo thời gian thực. Đây là thành phần quan trọng đảm bảo độ chính xác, an toàn và khả năng vận hành xuyên biên giới trong mạng lưới đường sắt hiện đại của châu Âu.

Ở Level 2, quyền hạn chuyển động được truyền trực tiếp vào cabin qua GSM-R từ Trung tâm Khối vô tuyến (RBC), giúp loại bỏ tín hiệu bên đường. Tàu kết hợp dữ liệu Eurobalise và tín hiệu vô tuyến để xác định vị trí và tốc độ an toàn theo thời gian thực. Level 2 duy trì mức an toàn của Level 1 nhưng giảm chi phí hạ tầng, tăng hiệu quả vận hành và nâng năng lực thông qua. 

Level 3, vốn từng là cấp riêng biệt, nay đã được hợp nhất vào Level 2 theo tiêu chuẩn năm 2023. Các cấp độ còn lại như Level 0 được áp dụng khi tàu có ETCS chạy trên tuyến không có ERTMS, còn Level NTC cho phép tàu dùng ETCS vận hành trên tuyến sử dụng hệ thống quốc gia.

Các baseline của ERTMS
Baseline thể hiện các phiên bản của Bộ Đặc tính Yêu cầu Hệ thống. Baseline 1, hoàn thiện năm 1998 và công bố năm 1999, đặt nền móng nhưng chưa đủ trưởng thành để triển khai rộng rãi. 

Baseline 2 mang lại các cải tiến lớn như chuyển giao quyền điều khiển giữa các RBC và hồ sơ đường chi tiết. EU yêu cầu áp dụng Baseline 2 cho đường sắt tốc độ cao năm 2002 và cho đường sắt thông thường năm 2004. Tuy nhiên, một số phần tùy chọn gây khó khăn cho tính tương thích, dẫn đến việc tinh chỉnh thành SRS 2.3.0 năm 2007 và SRS 2.3.0d năm 2008. 

Những hạn chế còn lại thúc đẩy việc phát triển Baseline 3, bổ sung chức năng rộng hơn và chế độ Limited Supervision, một phương án giám sát chi phí thấp hơn so với giám sát toàn phần (Full Supervision), phù hợp với các quốc gia đã có hệ thống tín hiệu truyền thống phát triển. Baseline 3, được thông qua năm 2012, được hoàn thiện thêm với SRS 3.4.0 năm 2015 và có tính tương thích ngược với Baseline 2. 

Baseline 4, công bố năm 2023, tích hợp khả năng tương thích với vận hành tàu tự động và hệ thống thông tin FRMCS sử dụng 5G.

Tình trạng phân mảnh và ảnh hưởng của thị trường
Dù mục tiêu ban đầu là thống nhất hệ thống đường sắt châu Âu, việc các quốc gia lựa chọn các cấp độ và baseline khác nhau, triển khai trong các giai đoạn khác nhau đã tiếp tục tạo ra sự phân mảnh. Thị trường cũng góp phần làm phức tạp vấn đề, khi quá trình sáp nhập trong thập kỷ qua khiến chỉ còn vài nhà cung cấp chủ đạo như Siemens, Alstom và Thales. Các biến thể mang tính đặc thù của từng nhà cung cấp dẫn đến tình trạng “vendor lock-in”, khiến các nhà vận hành phụ thuộc chặt chẽ vào một số nhà sản xuất nhất định, làm suy yếu mục tiêu tiêu chuẩn hóa. Mặc dù về mặt lý thuyết, các hệ thống này có thể tương thích với nhau, nhưng trên thực tế, việc đạt được khả năng tương thích hoàn toàn thường đòi hỏi phải tùy biến rất nhiều.

Để giải quyết vấn đề này, Liên minh châu Âu đã triển khai quy trình phê duyệt bên đường (trackside approval) vào năm 2019. Theo đó, các đơn vị quản lý hạ tầng phải xin phê duyệt trước khi mở thầu, nhằm đảm bảo các gói thầu tuân thủ tiêu chuẩn liên thông. Tuy mục tiêu là để tăng cường hài hòa hóa, quy trình này cũng làm tăng thêm mức độ phức tạp về mặt hành chính.

Chi phí triển khai ERTMS
Chi phí triển khai ERTMS là rất lớn. Đơn vị quản lý hạ tầng phải lắp đặt ERTMS trong khi vẫn duy trì các hệ thống tín hiệu cũ trong giai đoạn chuyển tiếp. Chi phí lắp đặt dao động từ 100.000 đến 350.000 euro/km, bao gồm nghiên cứu tương thích và điều chỉnh vận hành. Đối với doanh nghiệp vận tải, chi phí cũng rất đáng kể: trang bị ETCS cho đầu máy mới khoảng 300.000 euro, còn cải tạo đầu máy cũ từ 75.000 đến 550.000 euro. Việc nâng cấp lên baseline mới làm chi phí tăng thêm, như 420.000-970.000 euro cho Baseline 2.3.0d hoặc khoảng 270.000 euro cho Baseline 3.

Việc ERTMS lan rộng trên toàn cầu
Dù chi phí cao, ERTMS đã được triển khai rộng rãi trên thế giới nhờ lợi ích rõ ràng và sự hiện diện toàn cầu của các nhà cung cấp. Thổ Nhĩ Kỳ, Ả Rập Xê Út, Australia, Ethiopia, Angola, Chile và Senegal là những ví dụ tiêu biểu. Đến năm 2023, khoảng 104.000 km đường sắt và hơn 26.000 phương tiện đã được trang bị ERTMS. Châu Âu chiếm tỷ trọng lớn nhất, nhưng việc triển khai ở các khu vực khác chứng minh ERTMS đã trở thành tiêu chuẩn toàn cầu. Bỉ dẫn đầu tại châu Âu, tiếp theo là Pháp và Tây Ban Nha. Đức gây bất ngờ khi chỉ có 1.587 km được trang bị, dù Siemens là nhà sản xuất trong nước, có thể do chiến lược triển khai thận trọng.

Các hệ thống khác ngoài ERTMS
Trung Quốc đã tái thiết kế ERTMS để phát triển Hệ thống Kiểm soát Tàu Trung Quốc, hiện được áp dụng rộng rãi. Hàn Quốc cũng phát triển Hệ thống Kiểm soát Tàu Hàn Quốc, thay thế GSM-R bằng công nghệ LTE 4G. Một sáng kiến đáng chú ý khác là việc kết hợp ERTMS với hệ thống định vị vệ tinh Galileo (4), giúp tăng độ chính xác định vị và cải thiện độ tin cậy cũng như hiệu quả vận hành.
(4) Hệ thống định vị vệ tinh Galileo là hệ thống định vị toàn cầu (GNSS) do Liên minh châu Âu xây dựng và vận hành, nhằm cung cấp dịch vụ định vị, dẫn đường và đồng bộ thời gian độc lập với các hệ thống của Hoa Kỳ (GPS), Nga (GLONASS) và Trung Quốc (BeiDou).

Kết luận
Mặc dù hành trình triển khai ERTMS tại châu Âu trải qua nhiều thách thức về kỹ thuật, chi phí và mức độ phân mảnh giữa các quốc gia, hệ thống này vẫn thể hiện rõ vai trò trung tâm trong nỗ lực hiện đại hóa và hài hòa hóa mạng lưới đường sắt khu vực. Những cải tiến liên tục qua các cấp độ và baseline, cùng với việc mở rộng sang nhiều quốc gia ngoài châu Âu, đã biến ERTMS trở thành chuẩn mực toàn cầu trong lĩnh vực điều khiển – tín hiệu đường sắt. Trong bối cảnh nhu cầu vận tải bền vững ngày càng tăng, ERTMS tiếp tục giữ vị trí then chốt trong việc nâng cao an toàn, năng lực thông qua và tính tương tác, góp phần định hình tương lai của hệ thống đường sắt hiện đại.

Để xem các tin bài khác về “Hệ thống tín hiệu/ Điều khiển”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained