Trong hệ thống tín hiệu đường sắt, việc xác định một phân khu đường ray đang trống hay có tàu chiếm dụng là thông tin cơ bản để hệ thống liên khóa (interlocking) (1) kiểm soát tín hiệu, ghi và thiết lập hành trình an toàn cho đoàn tàu. Bên cạnh mạch điện đường ray (track circuit), bộ đếm trục (axle counter) là một trong những công nghệ được sử dụng phổ biến để thực hiện chức năng này.
(1) Hệ thống liên khóa (Interlocking) là hệ thống an toàn trong tín hiệu đường sắt, có nhiệm vụ kiểm tra và kiểm soát các điều kiện liên quan đến tín hiệu, ghi và hành trình chạy tàu, nhằm ngăn các thao tác hoặc hành trình xung đột có thể gây mất an toàn.

Khác với mạch điện đường ray sử dụng các đặc tính điện của đường ray để phát hiện sự hiện diện của đoàn tàu, bộ đếm trục dựa trên một nguyên lý tương đối trực quan: đếm số trục bánh xe đi vào và đi ra khỏi một phân khu. Khi số trục đi ra tương ứng với số trục đã đi vào, hệ thống có thể xác nhận đoàn tàu đã rời khỏi phân khu và trả phân khu về trạng thái trống.

Ngày nay, bộ đếm trục được ứng dụng trên nhiều loại hình đường sắt, từ đường sắt chính tuyến, đường sắt tốc độ cao đến metro và các hệ thống tín hiệu hiện đại.

Bộ đếm trục là gì?
Bộ đếm trục là một hệ thống phát hiện tàu được sử dụng để xác định trạng thái chiếm dụng của một phân khu đường ray. Thay vì liên tục phát hiện sự hiện diện của đoàn tàu trên toàn bộ chiều dài phân khu, hệ thống giám sát các trục bánh xe khi chúng đi qua những điểm đếm trục được bố trí tại ranh giới phân khu.

Về nguyên tắc, một phân khu được giới hạn bởi các điểm đếm trục ở hai đầu. Khi tàu đi vào, hệ thống ghi nhận số trục đi qua điểm đếm trục đầu vào và chuyển trạng thái phân khu từ trống (clear) sang chiếm dụng (occupied). Khi tàu rời khỏi phân khu đó, các trục tiếp tục được ghi nhận tại điểm đếm trục đầu ra.

Chỉ khi hệ thống xác định số trục đi ra tương ứng với số trục đã đi vào, phân khu mới có thể được xác nhận trở lại trạng thái trống.

Như vậy, bộ đếm trục không cần xác định chính xác đoàn tàu đang đứng ở vị trí nào bên trong phân khu. Chức năng cốt lõi của nó là cung cấp thông tin rằng phân khu có đang bị phương tiện đường sắt chiếm dụng hay không.

Cấu tạo cơ bản của hệ thống bộ đếm trục
Một hệ thống bộ đếm trục có thể có nhiều cấu hình khác nhau tùy theo nhà sản xuất và yêu cầu của hệ thống tín hiệu, nhưng về cơ bản gồm thiết bị phát hiện được lắp tại đường ray và thiết bị xử lý kết quả đếm.

Thành phần trực tiếp phát hiện phương tiện thường được gọi là cảm biến bánh xe (wheel sensor) hoặc đầu đếm trục (axle counter head), được lắp tại những vị trí xác định trên đường ray. Khi bánh xe bằng kim loại đi qua, cảm biến phát hiện sự thay đổi của trường điện từ và tạo ra tín hiệu tương ứng. Việc sử dụng các phần tử cảm biến thích hợp cũng cho phép hệ thống xác định hướng chuyển động của bánh xe.

Một hoặc nhiều cảm biến tạo thành điểm đếm trục (counting point). Các điểm này được bố trí tại ranh giới của phân khu cần giám sát, chẳng hạn ở hai đầu một phân khu đường ray.

Tín hiệu từ các điểm đếm trục được truyền đến bộ xử lý/ bộ đánh giá (Evaluator). Thiết bị này xử lý dữ liệu, so sánh số trục đi vào và đi ra, sau đó xác định trạng thái của phân khu. Thông tin về trạng thái trống hoặc chiếm dụng tiếp tục được cung cấp cho hệ thống liên khóa và các hệ thống tín hiệu liên quan.

Bộ đếm trục hoạt động như thế nào?
Có thể hình dung nguyên lý của bộ đếm trục thông qua một đoàn tàu đi qua phân khu được giới hạn bởi hai điểm đếm trục A và B.

Ban đầu, khi không có tàu trong phân khu, hệ thống xác định phân khu ở trạng thái trống.

Khi đoàn tàu đi qua điểm A, mỗi trục bánh xe lần lượt được cảm biến ghi nhận. Ngay khi hệ thống ghi nhận đoàn tàu bắt đầu đi vào, phân khu được chuyển sang trạng thái chiếm dụng và được coi là đang bị chiếm dụng.

Giả sử một đoàn tàu có tổng cộng 20 trục đi qua điểm A. Hệ thống ghi nhận 20 trục đã đi vào phân khu. Khi đoàn tàu tiếp tục di chuyển và đi qua điểm B, hệ thống bắt đầu đếm số trục rời khỏi phân khu.

Nếu điểm B lần lượt ghi nhận đủ 20 trục, kết quả có thể được hiểu là:
20 trục đi vào – 20 trục đi ra = 0 trục còn lại trong phân khu

Khi các điều kiện an toàn liên quan được đáp ứng, hệ thống có thể xác nhận toàn bộ đoàn tàu đã rời khỏi phân khu và chuyển trạng thái trở lại trống.

Ngược lại, nếu hệ thống ghi nhận 20 trục đi vào nhưng chỉ có 18 trục đi ra, nó không thể chứng minh rằng phân khu đã hoàn toàn trống. Trong trường hợp này, phân khu không được tự động xác nhận là trống.

Đây chính là điểm quan trọng trong nguyên lý hoạt động của bộ đếm trục: hệ thống không cần trực tiếp “nhìn thấy” đoàn tàu trên toàn bộ phân khu mà xác định trạng thái chiếm dụng thông qua việc kiểm soát những gì đi vào và đi ra tại các ranh giới.

Làm thế nào để xác định hướng chạy của tàu?
Chỉ đếm số lần bánh xe đi qua là chưa đủ. Bộ đếm trục còn phải xác định bánh xe đang di chuyển theo hướng nào để phân biệt trục đi vào và trục đi ra khỏi phân khu. Để thực hiện chức năng này, một điểm đếm trục thường sử dụng cấu hình cảm biến cho phép xác định thứ tự bánh xe tác động lên hệ thống.

Ví dụ, nếu hai phần tử cảm biến được bố trí liên tiếp theo chiều dọc đường ray, bánh xe chạy theo một hướng sẽ tác động lên cảm biến thứ nhất trước rồi đến cảm biến thứ hai. Khi tàu chạy theo hướng ngược lại, thứ tự này sẽ đảo ngược.

Từ trình tự tín hiệu, hệ thống có thể xác định hướng chuyển động của trục. Đây là cơ sở để thực hiện chính xác phép đếm tăng hoặc giảm tại ranh giới của phân khu.

Điều gì xảy ra khi kết quả đếm không khớp?
Đường sắt là lĩnh vực yêu cầu mức độ an toàn rất cao, do đó hệ thống phát hiện tàu không thể mặc định đường ray đang trống khi thông tin nhận được không đầy đủ hoặc không đáng tin cậy.

Nếu số trục đi vào và đi ra không tương ứng, hoặc hệ thống gặp một số lỗi làm mất tính xác thực của kết quả đếm, phân khu có thể tiếp tục được duy trì ở trạng thái chiếm dụng hoặc trạng thái hạn chế an toàn thay vì tự động chuyển sang trống.

Đây là một biểu hiện của nguyên tắc fail-safe – an toàn khi xảy ra lỗi: khi không thể chứng minh một điều kiện an toàn, hệ thống phải chuyển hoặc duy trì trạng thái hạn chế thay vì giả định điều kiện an toàn đang tồn tại.

Trong một số tình huống, hệ thống cần thực hiện Axle Counter Reset – đặt lại bộ đếm trục. Tuy nhiên, đặt lại không đơn giản là xóa kết quả đếm và tuyên bố phân khu đã trống. Các tiêu chuẩn và quy trình vận hành quy định những điều kiện cần thiết trước khi trạng thái phân khu có thể được thiết lập lại.

Ưu điểm và hạn chế của bộ đếm trục
Một ưu điểm quan trọng của bộ đếm trục là hệ thống không sử dụng toàn bộ hai thanh ray như một phần của mạch điện phát hiện tàu. Vì vậy, việc phát hiện ít phụ thuộc hơn vào các đặc tính điện của đường ray, điện trở ballast và một số điều kiện có thể ảnh hưởng đến hoạt động của mạch điện đường ray.

Các điểm đếm trục cũng tạo điều kiện thiết lập những phân khu phát hiện tàu tương đối dài mà không phải triển khai thiết bị theo cùng nguyên lý như mạch điện đường ray. Công nghệ này có thể được ứng dụng tại ga, khu vực ghi, cầu, hầm và nhiều môi trường đường sắt khác.

Tuy nhiên, bộ đếm trục cũng có những hạn chế. Quan trọng nhất là hệ thống xác định trạng thái phân khu bằng việc đếm số lượng trục qua các ranh giới, thay vì liên tục sử dụng đường ray làm thành phần của hệ thống phát hiện tàu. Vì vậy, nó không cung cấp khả năng giám sát tính liên tục của thanh ray theo cách mà một số cấu hình mạch điện đường ray có thể thực hiện.

Ngoài ra, khi mất tính toàn vẹn của thông tin đếm do sự cố hoặc một số hoạt động kỹ thuật, hệ thống có thể cần quy trình khôi phục hoặc reset phù hợp trước khi phân khu được xác nhận trở lại trạng thái trống.

Sự khác nhau giữa bộ đếm trục và mạch điện đường ray
Bộ đếm trục và mạch điện đường ray đều có thể cung cấp thông tin về trạng thái chiếm dụng đường ray, nhưng cách tiếp cận hoàn toàn khác nhau.

Mạch điện đường ray biến một phân khu đường ray thành một phần của mạch điện. Sự xuất hiện của bộ bánh xe và trục kim loại của đoàn tàu làm thay đổi trạng thái điện của mạch, qua đó cho phép hệ thống xác định phân khu đang bị chiếm dụng.

Trong khi đó, bộ đếm trục không cần phát hiện đoàn tàu liên tục trên toàn bộ chiều dài phân khu. Hệ thống tập trung vào các ranh giới và đếm số trục vượt qua những điểm này.

Có thể hiểu đơn giản rằng mạch điện đường ray đặt câu hỏi “Có tàu trên phân khu này hay không?” dựa trên trạng thái điện của đường ray, trong khi bộ đếm trục giải quyết bài toán theo hướng “Có bao nhiêu trục đã đi vào và bao nhiêu trục đã đi ra?”

Hai công nghệ vì vậy không nên được đánh giá đơn giản theo hướng công nghệ nào tốt hơn. Việc lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu an toàn, kiến trúc hệ thống tín hiệu, đặc điểm tuyến, điều kiện điện khí hóa, yêu cầu bảo trì và nhiều yếu tố kỹ thuật khác. Trong thực tế, chúng cũng có thể được sử dụng đồng thời.

Ứng dụng trong hệ thống đường sắt hiện đại
Bộ đếm trục hiện được sử dụng trong nhiều hệ thống đường sắt chính tuyến, đường sắt tốc độ cao, đường sắt đô thị và các dự án hiện đại hóa tín hiệu. Công nghệ này đặc biệt hữu ích tại những vị trí mà việc triển khai hoặc duy trì mạch điện đường ray gặp nhiều hạn chế về điều kiện kỹ thuật và môi trường.

Bộ đếm trục cũng có thể được tích hợp trong các kiến trúc tín hiệu hiện đại như ERTMS/ETCS, cùng với balise, hệ thống liên khóa và các thiết bị phát hiện, điều khiển khác.

Điều cần lưu ý là bộ đếm trục không phải một hệ thống điều khiển chạy tàu hoàn chỉnh. Nó là một thành phần của hệ thống phát hiện tàu, cung cấp thông tin về trạng thái chiếm dụng của phân khu cho hệ thống liên khóa và các hệ thống điều khiển, bảo vệ chạy tàu ở cấp cao hơn.

Kết luận
Nguyên lý của bộ đếm trục tương đối đơn giản: đếm số trục đi vào, đếm số trục đi ra và chỉ xác nhận phân khu trống khi kết quả đáp ứng các điều kiện an toàn. Tuy nhiên, phía sau nguyên lý đơn giản đó là hệ thống cảm biến, xử lý và logic an toàn được thiết kế với độ tin cậy cao để đáp ứng những yêu cầu nghiêm ngặt của ngành đường sắt.

Cùng với mạch điện đường ray, bộ đếm trục đã trở thành một trong những công nghệ quan trọng để xác định trạng thái chiếm dụng đường ray. Việc hiểu nguyên lý của hai công nghệ này cũng tạo nền tảng để tiếp tục tìm hiểu những thành phần ở cấp cao hơn của hệ thống tín hiệu, đặc biệt là hệ thống liên khóa và các công nghệ kiểm soát, bảo vệ chạy tàu hiện đại.

Tiếp tục khám phá chuyên đề Đường sắt, Hạ tầng và Dự án trên trang technologyMAG

Bài viết này là một phần trong chuỗi nội dung chuyên sâu về ngành đường sắt, hạ tầng giao thông và các dự án phát triển quy mô lớn đang được triển khai tại Việt Nam cũng như trên thế giới. Cùng với xu hướng đầu tư mạnh mẽ vào đường sắt tốc độ cao, metro đô thị, logistics, cảng biển, sân bay và các công trình hạ tầng chiến lược, lĩnh vực này đang đóng vai trò ngày càng quan trọng đối với năng lực cạnh tranh và sự phát triển bền vững của nền kinh tế.

Để giúp độc giả thuận tiện theo dõi toàn bộ các nội dung liên quan, Ban biên tập technologyMAG đã xây dựng trang tổng hợp Chuyên đề Đường sắt, Hạ tầng và Dự án, bao gồm các nhóm bài viết về quá trình hình thành hệ thống đường sắt và đường sắt tốc độ cao, công nghệ đường sắt, phương tiện và thiết bị, tín hiệu và điều khiển, phát triển hạ tầng giao thông, các dự án trọng điểm trong nước và quốc tế, cùng những xu hướng mới đang định hình tương lai của ngành.

Tìm hiểu thêm về chuyên đề Đường sắt, Hạ tầng và Dự án tại: https://www.technologymag.net/technologymag-gioi-thieu-loat-tin-bai-chu-de-duong-sat/

Để xem các tin bài khác về “Bộ đếm trục”, hãy nhấn vào đây.