Trong loạt bài viết vừa qua về chủ đề đường sắt, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ những bài viết về chủ đề hệ thống đường sắt, đường sắt tốc độ cao và các loại tàu tốc độ cao tại một số quốc gia phát triển, cung cấp thông tin về lĩnh vực đường sắt tại các quốc gia này. Trong loạt bài mới về chủ đề công nghệ đường sắt lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của Railway Explained, nói về một hoạt động rất cần thiết trong quá trình vận hành mạng lưới đường sắt, đảm bảo các đoàn tàu luôn được tối ưu tần suất hoạt động mà vẫn đảm bảo được tính an toàn: Công tác lập biểu đồ chạy tàu.

Giới thiệu về công tác lập biểu đồ chạy tàu
Công tác lập biểu đồ chạy tàu (railway timetabling) là một trong những chức năng quan trọng nhất trong vận hành đường sắt hiện đại và từ lâu đã đóng vai trò trung tâm trong quá trình hình thành thời gian tiêu chuẩn.

Biểu đồ chạy tàu là tài liệu cốt lõi dùng để lập kế hoạch đoàn tàu, phân bổ đường chạy, cũng như điều phối công tác bảo trì và thi công hạ tầng. Về bản chất, lập biểu đồ bao gồm việc xác định thời điểm tàu đến và rời khỏi từng ga, đồng thời xét đến nhiều yêu cầu vận hành và hạn chế năng lực hạ tầng như loại tín hiệu, số lượng đường ray, thời gian giãn cách tối thiểu, thời gian chạy và dừng tàu, mô hình chờ, đặc tính đoàn tàu và cam kết chất lượng dịch vụ. Mục tiêu chung là tận dụng hiệu quả nhất năng lực hạ tầng hiện có.

Bởi vì yêu cầu trong việc vận hành mạng lưới đường sắt, trong đó có sự ra đời của công tác lập biểu đồ chạy tàu, đóng một vài trò quan trọng trong việc tiêu chuẩn hóa thời gian trên toàn thế giới, trước hết cần tìm hiểu về thời gian đường sắt (railway time) (1).
(1) Railway time là hệ thống giờ chuẩn do ngành đường sắt thiết lập nhằm thống nhất thời gian giữa các địa phương. Trước thế kỷ 19, mỗi thành phố thường sử dụng giờ mặt trời địa phương, dẫn đến sai lệch lớn và gây khó khăn cho việc lập lịch trình tàu. Khi mạng lưới đường sắt mở rộng, các công ty buộc phải áp dụng một chuẩn thời gian thống nhất để đảm bảo tàu chạy đúng giờ và an toàn. Chính “giờ đường sắt” đã đặt nền móng cho việc hình thành các múi giờ hiện đại sau này.

Sự ra đời của giờ đường sắt
Cho đến cuối thế kỷ 18, thời gian địa phương tại nhiều thị trấn chủ yếu dựa vào đồng hồ mặt trời, vốn thiếu chính xác và thay đổi theo mùa cũng như quỹ đạo Trái Đất. Sau đó, thời gian trung bình địa phương ra đời, tính toán theo kinh độ từng vị trí và giúp tăng độ chính xác. Tuy nhiên, thời gian giữa các địa phương vẫn không đồng nhất: ở Anh, sự chênh lệch giữa một số thành phố với London có thể lên đến 20 phút, còn ở Ấn Độ hay Bắc Mỹ có thể vượt quá một giờ.

Khi đường sắt phát triển và vận tốc vận chuyển giữa các thành phố tăng mạnh, những khác biệt này gây nhiều khó khăn cho công tác lập lịch trình, dễ dẫn tới nhầm lẫn, gián đoạn dịch vụ hoặc tai nạn. Vì vậy, nhu cầu thống nhất thời gian trở nên cấp thiết.

Tháng 11 năm 1840, tuyến Great Western Railway tại Anh lần đầu tiên áp dụng thời gian tiêu chuẩn cho toàn mạng lưới của mình, đồng bộ hóa các múi giờ địa phương và sử dụng một mốc thời gian chung nhằm giảm thiểu tai nạn. Trong vòng bảy năm sau đó, tất cả các công ty đường sắt Anh đều áp dụng thời gian Greenwich (GMT) trên biểu đồ chạy tàu và đồng hồ nhà ga. Đến năm 1880, Đạo luật Định nghĩa Thời gian (Definition of Time Act) chính thức hóa thời gian tiêu chuẩn cho toàn Vương quốc Anh.

Tại Hoa Kỳ, một vụ tai nạn nghiêm trọng tại New England năm 1853, do hai nhân viên điều hành tàu sử dụng đồng hồ lệch thời gian, đã khiến 14 người thiệt mạng và thúc đẩy việc điều phối thời gian trên mạng lưới đường sắt khu vực. Nhiều vụ va chạm khác dẫn đến sự ra đời của Ủy ban Thời gian Chung (General Time Convention), quy tụ các công ty đường sắt nhằm thống nhất lịch trình.

Năm 1870, hiệu trưởng Charles Dowd đề xuất hệ thống 5 múi giờ quốc gia cho ngành đường sắt, thay thế hơn 50 mốc thời gian khác nhau. Dù ban đầu bị phản đối, nhưng ý tưởng này dần nhận được sự ủng hộ của các nhà quản lý đường sắt, các thành phố lớn và các đài quan sát uy tín. Đến trưa ngày 18 tháng 11 năm 1883, giờ đường sắt (railway time) tiêu chuẩn được áp dụng trên toàn nước Mỹ và được pháp điển hóa (2) năm 1918. Bốn múi giờ chính của Hoa Kỳ ngày nay vẫn dựa trên hệ thống đó.
(2) Pháp điển hóa (codified) là quá trình hệ thống hóa, chuẩn hóa và đưa các quy định, nguyên tắc hoặc luật lệ vào một văn bản chính thức, để chúng trở thành quy tắc có hiệu lực pháp lý hoặc quy chuẩn thống nhất.

Như vậy, sự mở rộng của mạng lưới đường sắt đã đóng vai trò chủ đạo trong việc hình thành các hệ thống thời gian tiêu chuẩn, phản ánh sự giao thoa giữa địa lý, công nghiệp và quản trị.

Quá trình xây dựng biểu đồ chạy tàu
Xây dựng biểu đồ chạy tàu là công việc đòi hỏi sự phối hợp chặt chẽ giữa đơn vị quản lý hạ tầng và các công ty vận hành tàu. Một quy trình lập kế hoạch minh bạch và hiệu quả là điều kiện cần để đảm bảo sử dụng tối ưu năng lực tuyến, duy trì độ đúng giờ cao và cung cấp dịch vụ chất lượng.

Trong khi hành khách chủ yếu quan tâm đến giờ khởi hành, thời gian hành trình và số lần chuyển tàu, những người lập biểu đồ phải xem xét nhiều yếu tố như bố trí hạ tầng, mật độ và cơ cấu luồng tàu, số lượng đường ray, khả năng tránh – vượt, giới hạn tốc độ, đặc tính đoàn tàu, thời gian dừng tối thiểu, giãn cách tín hiệu, thời gian chờ tại ga để kết nối giữa các tuyến, cũng như các cửa sổ dành cho bảo trì.

Sự đa dạng tín hiệu dọc tuyến có thể khiến định nghĩa khoảng cách an toàn thay đổi giữa từng đoạn. Việc phối hợp giữa tàu nhanh, tàu dừng và tàu hàng làm giảm năng lực tuyến. Đồng thời, công tác bảo trì phải được lồng ghép hợp lý để đảm bảo độ tin cậy của mạng lưới.

Đặc thù lập biểu đồ tại châu Âu
Tại châu Âu, quá trình lập biểu đồ càng phức tạp hơn do sự phân mảnh của hệ thống đường sắt giữa các quốc gia. Dù Liên minh châu Âu cố gắng hình thành thị trường đường sắt thống nhất, mức độ hài hòa hóa vẫn chưa hoàn chỉnh, khiến việc phối hợp quốc tế gặp nhiều khó khăn.

Mỗi nước tự xây dựng biểu đồ của mình, nhưng do số lượng lớn tàu quốc tế, công tác lập lịch bắt đầu từ tháng 1 bằng các hội nghị điều phối. Các doanh nghiệp vận tải sau đó nộp yêu cầu xin cấp đường chạy. Dự thảo phân bổ năng lực cho tàu quốc tế thường hoàn thành trước thời điểm biểu đồ mới có hiệu lực khoảng 11 tháng, còn với tàu nội địa là khoảng 6 tháng.

Sau đó, đơn vị quản lý hạ tầng xây dựng biểu đồ quốc gia hoàn chỉnh, giải quyết xung đột giữa các nhà khai thác và kiểm tra tính an toàn. Bản dự thảo được công bố để lấy ý kiến và điều chỉnh qua các cơ chế tham vấn, hòa giải và xử lý nghẽn năng lực. Khi được phê duyệt, biểu đồ chính thức có hiệu lực và có thể được điều chỉnh 1 hoặc 2 lần trong năm nhằm đáp ứng nhu cầu tăng chuyến, thi công khẩn cấp hoặc điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Biểu đồ thời gian – khoảng cách
Công cụ chính được sử dụng để lập biểu đồ chạy tàu là biểu đồ thời gian – khoảng cách (time – space diagram). Đây là là công cụ trung tâm trong quá trình lập lịch trình tàu. Trục đứng thể hiện dòng thời gian, còn trục ngang mô tả toàn bộ tuyến đường sắt với các ga được sắp theo đúng thứ tự và khoảng cách thực tế. Khi đưa dữ liệu vào biểu đồ, mỗi đoàn tàu được biểu diễn bằng một đường chạy nối các điểm đến – đi giữa các ga. Độ dốc của đường chạy phản ánh tốc độ di chuyển của tàu: đường càng dốc đứng thì tàu chạy càng chậm, còn đường càng thoải thì tàu chạy càng nhanh. Tại vị trí ga, nếu xuất hiện một đoạn thẳng đứng, đó là thời gian tàu dừng hoặc chờ tránh vì thời gian tiếp tục tăng trong khi khoảng cách không đổi. Nhờ cách biểu diễn này, người lập biểu đồ có thể trực quan theo dõi mức độ chiếm dụng năng lực hạ tầng của từng đoàn tàu trong suốt hành trình.

Ở mức đơn giản, biểu đồ cho thấy cách hai đoàn tàu tránh nhau trên đường đơn: nếu hai đường chạy có xu hướng cắt nhau giữa hai ga, điều đó báo hiệu xung đột, và đoàn tàu phải được điều chỉnh để giao cắt tại một ga có đường tránh. Tương tự, việc tàu đi nhanh vượt tàu đi chậm hơn tại một ga có đường nhánh được thể hiện rõ bằng đường chạy của tàu chậm hơn kéo dài trong ga, trong khi tàu còn lại đi qua trước. Tuy nhiên, khi mở rộng quy mô lên mạng lưới thực tế – nơi có hàng trăm đoàn tàu mỗi ngày, nhiều loại hình dịch vụ, các mức tín hiệu khác nhau, luồng tàu hàng nặng, cửa sổ bảo trì định kỳ và mô hình vận hành giờ cao điểm khiến số lượng đường chạy và ràng buộc tăng lên theo cấp số nhân. Khi đó, biểu đồ thời gian – khoảng cách trở thành một bức tranh dày đặc, cho thấy độ phức tạp lớn của quá trình điều hòa năng lực và tối ưu vận hành trên toàn mạng lưới.

Tại Thụy Sĩ, nơi mỗi ngày có hơn 11.000 đoàn tàu vận hành, quá trình này phải lặp lại cho từng tuyến và từng dịch vụ. Dù phần mềm hỗ trợ đã phát triển mạnh, nhiều quốc gia châu Âu vẫn phụ thuộc đáng kể vào lập biểu đồ thủ công.

Hệ thống biểu đồ chạy tàu tại Thụy Sĩ
Thụy Sĩ sở hữu cách tiếp cận độc đáo trong việc lập biểu đồ. Thay vì tập trung xây dựng mạng lưới đường sắt tốc độ cao chuyên dụng, nước này triển khai chương trình Rail 2000 (3), ưu tiên tần suất cao và kết nối đồng bộ giữa tàu hỏa, xe buýt, tàu thủy trên hồ và cả cáp treo.
(3) Rail 2000 là chương trình hiện đại hóa đường sắt quy mô quốc gia của Thụy Sĩ, nhằm xây dựng một mạng lưới vận tải nhanh hơn, tần suất cao hơn và kết nối hiệu quả hơn giữa các đô thị. Thay vì tập trung vào tốc độ tối đa, Rail 2000 ưu tiên nâng cấp hạ tầng, mở rộng năng lực tuyến và tổ chức biểu đồ chạy tàu theo nhịp cố định, giúp các chuyến tàu đến và đi đồng bộ tại các ga trung tâm

Hệ thống dựa trên nguyên tắc “nhịp” – từ tiếng Đức là Taktfahrplan, nghĩa là biểu đồ chạy tàu tích hợp theo chu kỳ. Dịch vụ vận hành theo nhịp 15, 30 hoặc 60 phút, trong đó nâng cấp hạ tầng không nhằm đạt tốc độ cao tuyệt đối mà để bảo đảm đoàn tàu có thể đến và rời ga vào cùng thời điểm mỗi giờ hoặc nửa giờ.

Kế hoạch Rail 2000 được thông qua bằng trưng cầu dân ý năm 1987 với 57% phiếu thuận. Để đảm bảo tính ổn định của biểu đồ, sự đúng giờ phải được đặt ở mức ưu tiên cao nhất, điều này đòi hỏi hạ tầng chất lượng cao, năng lực đủ lớn, bảo trì được lập kế hoạch tốt và sự phối hợp chặt chẽ ở cấp chiến lược, chiến thuật và vận hành.

Một hệ thống vé thống nhất giúp hành trình thuận tiện hơn và tăng hệ số sử dụng chỗ. Chính sự kết hợp của các yếu tố này khiến Thụy Sĩ được đánh giá là một trong những hệ thống đường sắt tốt nhất thế giới.

Kết luận
Công tác lập biểu đồ chạy tàu là một lĩnh vực phức tạp, định hình cả lịch sử chuẩn hóa thời gian và hiệu quả vận hành giao thông ngày nay. Hiểu rõ những nguyên tắc này sẽ cho thấy khối lượng công việc khổng lồ cần thiết để đảm bảo đoàn tàu và toàn bộ mạng lưới giao thông công cộng vận hành trơn tru.

Để xem các tin bài khác về “Biểu đồ chạy tàu”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained