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 sự phát triển của các công nghệ quan trọng và cần thiết trong việc vận hành đường sắt.

Bài viết ngày hôm nay sẽ gồm 2 phần: Phần I nói về hệ thống công nghệ thông tin, phần II nói về công nghệ đổi khổ đường ray.

I. Hệ thống công nghệ thông tin trong vận hành đường sắt
Sự phát triển của công nghệ thông tin trong hệ thống vận hành đường sắt
Hệ thống quản lý giao thông đường sắt châu Âu (ERTMS) là sự kết hợp của hai thành phần gồm GSM-R (Hệ thống Thông tin Di động Toàn cầu cho Đường sắt) dùng cho liên lạc thoại và dữ liệu giữa tàu và nhân viên mặt đất, cùng ETCS (Hệ thống Điều khiển Tàu Châu Âu), một hệ thống bảo vệ tàu tự động hướng tới việc thay thế các hệ thống bảo vệ quốc gia trong Liên minh Châu Âu.

GSM-R dựa trên công nghệ 2G, cung cấp liên lạc an toàn cho đội ngũ vận hành gồm lái tàu, điều độ, nhân viên dồn tàu, kỹ sư và nhân viên nhà ga, đồng thời đảm bảo duy trì liên lạc ổn định ngay cả khi tàu chạy ở tốc độ lên đến 500 km/h. Hệ thống này hỗ trợ các chức năng như gọi nhóm, phát thanh thoại, kết nối theo vị trí, ưu tiên cuộc gọi khẩn cấp, cùng nhiều ứng dụng như theo dõi hàng hóa, giám sát video và cung cấp thông tin hành khách.

Hiện nay, hơn 100.000 km đường sắt tại châu Âu sử dụng GSM-R hàng ngày và nhiều mạng lưới ngoài châu Âu đang khai thác hệ thống này. Tuy nhiên, do GSM-R đang tiến tới cuối vòng đời công nghệ (chủ yếu do công nghệ 2G đã lỗi thời) và sẽ được thay thế dần bởi FRMCS, việc mở rộng mạng lưới mới không còn là xu hướng chủ đạo; thay vào đó, các dự án hiện nay chủ yếu tập trung vào duy trì, tối ưu và chuẩn bị chuyển đổi sang hệ thống liên lạc thế hệ tiếp theo.

Hướng tiếp cận của Hàn Quốc và sự chuyển đổi sang công nghệ LTE-R
Bên cạnh châu Âu, Hàn Quốc cũng là quốc gia sở hữu hệ thống quản lý giao thông đường sắt nổi bật, nơi cơ quan đường sắt quốc gia đã phát triển hệ thống KTCS (Korean Train Control System) và đang tìm cách thay thế hệ thống GSM-R bằng công nghệ 4G LTE. Tiến trình này dẫn đến sự ra đời của LTE-R, một nền tảng truyền thông thế hệ mới dành cho hệ thống tàu và metro thông minh, cho phép truyền thoại, dữ liệu và video tốc độ cao trong tàu, giữa tàu với nhau và giữa tàu với mặt đất. LTE-R hỗ trợ liên lạc cho các nhiệm vụ quan trọng, bao gồm cả gọi nhóm giữa nhân viên tàu và trung tâm điều khiển, với khả năng truyền tải dữ liệu lớn hơn nhiều so với công nghệ 2G.

Hyundai Rotem đã được giao nhiệm vụ kiểm chứng độ ổn định và khả năng tương thích của LTE-R với KTCS trong phiên bản nâng cấp KTCS 2 LTE-R, dự kiến trở thành hệ thống tín hiệu tiêu chuẩn của Hàn Quốc và hiện đang trong giai đoạn triển khai từng bước. Giai đoạn thử nghiệm đã được triển khai trên đoạn Iksan – Yeosu dài 180 km thuộc tuyến Jeolla. KTCS 2 hướng tới cung cấp giải pháp thay thế chi phí thấp hơn so với các hệ thống tín hiệu quốc tế, cải thiện hiệu quả vận hành và tăng tốc độ phản ứng trong tình huống khẩn cấp.

Sự kết thúc của GSM-R và bước chuẩn bị cho FRMCS dựa trên 5G
GSM-R dự kiến kết thúc vòng đời vào khoảng năm 2030, trong khi một số đơn vị quản lý hạ tầng vẫn vận hành các phiên bản cũ hơn, dẫn đến nhu cầu thay thế sớm hơn. Do đó, việc phát triển hệ thống kế nhiệm là hết sức quan trọng. Kể từ năm 2014, dự án FRMCS (Future Railway Mobile Communication System) (1) của Liên minh Đường sắt Quốc tế đã tập trung xây dựng hệ thống truyền thông dựa trên công nghệ 5G, cho phép ngành đường sắt vượt qua hai thế hệ công nghệ cùng lúc. Việc chuyển đổi từ GSM-R sang FRMCS dự kiến bắt đầu khoảng năm 2025 và kéo dài đến 2035 hoặc 2040, với những thử nghiệm đầu tiên ở cấp quốc gia bắt đầu vào năm 2024.
(1) FRMCS là hệ thống thông tin di động thế hệ mới dành cho ngành đường sắt. FRMCS sử dụng kiến trúc 4G/5G hiện đại, cung cấp băng thông lớn hơn, độ trễ thấp hơn và khả năng truyền dữ liệu an toàn – ổn định cho các ứng dụng điều khiển chạy tàu, giám sát hạ tầng, liên lạc khẩn cấp và vận hành tự động. Nhờ thiết kế linh hoạt và khả năng mở rộng, FRMCS cho phép ngành đường sắt đáp ứng nhu cầu số hóa ngày càng tăng, hỗ trợ các hệ thống tín hiệu tiên tiến như ERTMS/ETCS, đồng thời tạo nền tảng cho các dịch vụ thời gian thực và các mô hình vận hành thông minh trong tương lai.

II. Công nghệ đổi khổ đường ray
Vấn đề khổ đường ray và nỗ lực giảm thiểu gián đoạn vận tải quốc tế
Khổ đường ray là khoảng cách giữa hai thanh ray, với khổ tiêu chuẩn được quy định là 1435 mm. Tuy nhiên, sự phát triển phân mảnh của các hệ thống đường sắt quốc gia tại châu Âu đã tạo nên một số sự khác biệt trong khổ đường ray. Có quốc gia sử dụng khổ rộng hoặc hẹp hơn, chẳng hạn như khổ 1520 mm của Nga hay khổ Iberia 1668 mm của Tây Ban Nha.

Khi hai đường ray khác khổ tiếp giáp, chúng không thể nối liền trực tiếp vì đoàn tàu của khổ này sẽ không thể chạy sang khổ kia do khoảng cách bánh xe không khớp với khoảng cách hai thanh ray. Tại các điểm chuyển khổ như vậy, hành khách buộc phải xuống tàu và lên một đoàn tàu khác có khổ phù hợp, trong khi hàng hóa phải được dỡ xuống và bốc lên toa tàu thuộc hệ khổ đường còn lại. Quy trình này vừa tốn thời gian, vừa phát sinh chi phí nhân công, kho bãi và thiết bị bốc xếp. Đối với vận tải quốc tế, đặc biệt là vận tải hàng hóa khối lượng lớn, sự gián đoạn này làm giảm đáng kể hiệu quả khai thác và hạn chế tính liên thông của mạng lưới đường sắt giữa các quốc gia.

Để giảm tác động này, quy trình thay đổi bogie được áp dụng, cho phép toa xe chuyển đổi sang khổ khác bằng cách thay thế bogie. Khi toa xe đến trạm chuyển khổ, toàn bộ toa được nâng lên bằng cầu nâng thủy lực, sau đó bogie cũ – với khoảng cách bánh xe thuộc khổ đường trước đó được tháo ra và thay bằng bogie mới có khổ phù hợp với tuyến tiếp theo. Quy trình này giúp toa xe tiếp tục hành trình mà không cần sang tải hàng hóa sang phương tiện khác, giảm đáng kể thời gian dừng và chi phí vận hành. Phương pháp thay bogie đặc biệt phổ biến trên các tuyến vận tải hàng hóa Á – Âu, nơi sự khác biệt giữa khổ tiêu chuẩn 1435 mm và khổ rộng 1520 mm. Trên các tuyến giữa Trung Quốc và châu Âu, các trạm chuyển khổ quan trọng gồm Zabaikalsk (giữa Nga và Trung Quốc) và Brest (giữa Belarus và Ba Lan).

Hệ thống chỉnh khổ tự động dành cho tàu khách
Đối với tàu khách, một số giải pháp tiên tiến đã được phát triển, đặc biệt tại Tây Ban Nha, nơi tồn tại bốn loại khổ đường ray. Tây Ban Nha xây dựng mạng lưới tốc độ cao trên khổ tiêu chuẩn, trong khi các tuyến truyền thống sử dụng khổ Iberia rộng hơn. Để tránh giới hạn hoạt động trên một loại khổ duy nhất, hệ thống chỉnh khổ tự động đã ra đời, bao gồm bogie điều chỉnh khổ và cơ sở chuyển đổi khổ ray.

Khi đi qua thiết bị chuyển khổ, các bánh được mở khóa, thu hẹp hoặc mở rộng và khóa lại ở vị trí mới. Công nghệ này giúp tiết kiệm nhiều thời gian và được sử dụng cả trong nội địa lẫn trên các tuyến quốc tế như giữa Tây Ban Nha – Pháp, Thụy Điển – Phần Lan, Ba Lan – Lithuania và Ba Lan – Ukraine.

Sự phát triển của tàu chỉnh khổ tốc độ cao tại Trung Quốc
Dù công nghệ chỉnh khổ không phải là mới, Trung Quốc đã phát triển được một mẫu tàu chỉnh khổ tốc độ cao tiên tiến. Mẫu tàu tốc độ cao này có thể điều chỉnh bánh xe để hoạt động trên nhiều loại khổ ray, được thiết kế với tốc độ 400 km/h. Trước đó, chỉ có CAF và Talgo sản xuất tàu tốc độ cao dùng bogie chỉnh khổ nhưng tốc độ giới hạn khoảng 250 km/h.

Mẫu tàu Trung Quốc do CRRC phát triển, được hỗ trợ bởi khoản đầu tư nghiên cứu trị giá 5,2 tỷ USD từ chính phủ. Tàu có thể vận hành trong điều kiện nhiệt độ từ -58 đến +50°C, tương thích với nhiều hệ thống cung cấp điện kéo và đáp ứng tiêu chuẩn đường sắt của nhiều quốc gia. Nhờ đó, các hành trình xuyên lục địa như từ Bắc Kinh đến Madrid mà không cần đổi tàu có thể trở thành hiện thực trong tương lai.

Kết luận
Nhìn chung, những đổi mới trong hệ thống thông tin và công nghệ phương tiện đang mở ra những bước chuyển quan trọng cho ngành đường sắt toàn cầu. Từ việc chuyển đổi sang các nền tảng truyền thông thế hệ mới như LTE-R và FRMCS, cho đến sự phát triển của các đoàn tàu có khả năng thay đổi khổ đường ray, mỗi giải pháp đều hướng đến mục tiêu chung là tăng tính linh hoạt, giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả kết nối quốc tế. Những tiến bộ này không chỉ giúp rút ngắn thời gian hành trình, cải thiện an toàn và độ tin cậy, mà còn tạo tiền đề cho một mạng lưới đường sắt hiện đại, thống nhất và phù hợp hơn với nhu cầu vận tải của thế kỷ 21.

Để xem các tin bài khác về “Đường sắt”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained