Trong hoạt động vận chuyển đường sắt, nhiều đoàn tàu có thể cùng khai thác trên một tuyến, trong khi khả năng thay đổi hướng di chuyển của tàu bị giới hạn bởi đường ray và khoảng cách để phanh tàu trước khi dừng lại hoàn toàn là khá đáng kể. Vì vậy, việc duy trì khoảng cách an toàn giữa các đoàn tàu là một trong những nhiệm vụ cơ bản của hệ thống tín hiệu đường sắt.

Một phương pháp quan trọng để thực hiện việc này là chia tuyến đường sắt thành các phân khu xác định, thường được gọi là Block section (phân khu đóng đường). Trạng thái chiếm dụng (occupied) (1)  của từng phân khu được giám sát liên tục, qua đó cung cấp thông tin cần thiết để hệ thống tín hiệu kiểm soát hoạt động chạy tàu.
(1) Trong ngữ cảnh đường sắt, “chiếm dụng” là trạng thái của một đoạn đường ray hoặc phân khu khi có tàu đang chạy trên đường ray.

Đằng sau nguyên lý tưởng chừng đơn giản này là một hệ thống gồm nhiều công nghệ khác nhau, từ mạch điện đường ray, bộ đếm trục đến interlocking và các hệ thống bảo vệ đoàn tàu. Đồng thời, cách phân chia block cũng ảnh hưởng trực tiếp đến năng lực khai thác của tuyến đường sắt.

Block section là gì?

Trong hệ thống tín hiệu đường sắt, block section có thể hiểu là một phân khu đường sắt có ranh giới xác định, được sử dụng trong hệ thống block để kiểm soát và bảo đảm khoảng cách an toàn giữa các đoàn tàu.

Theo nguyên lý cơ bản của hệ thống này, một tuyến đường được chia thành nhiều phân khu liên tiếp. Hệ thống cần xác định trạng thái của các phân khu này để biết liệu chúng có đang bị đoàn tàu nào chiếm dụng hay không.

Hai trạng thái cơ bản thường được quan tâm là clear (trống), tức phân khu được xác nhận không bị đoàn tàu chiếm dụng, và occupied (chiếm dụng), khi phân khu đang có sự xuất hiện của một đoàn tàu khác hoặc chưa đủ điều kiện để được xác nhận là trống.

Chẳng hạn, khi một đoàn tàu đi vào một phân khu, hệ thống sẽ phát hiện đoàn tàu và xác định phân khu đó đang bị chiếm dụng. Thông tin đó được đưa tới hệ thống tín hiệu và các hệ thống điều khiển liên quan. Đoàn tàu chạy phía sau chỉ được phép tiếp tục di chuyển khi hệ thống xác định điều kiện đó là an toàn.

Nhờ đó, thay vì phải xác định chính xác vị trí của mọi đoàn tàu trên toàn bộ tuyến liên tục, các hệ thống tín hiệu truyền thống có thể quản lý hoạt động chạy tàu dựa trên trạng thái của các phân khu đã được xác định trước.

Tuy nhiên, để nguyên lý này hoạt động, hệ thống phải giải quyết một vấn đề quan trọng: làm thế nào để xác định một phân khu đang có tàu hay đã được giải phóng?

Để xác định trạng thái chiếm dụng đường ray, hệ thống tín hiệu cần sử dụng các công nghệ để phát hiện đoàn tàu. Hai phương pháp phổ biến là mạch điện đường ray (track circuit) và bộ đếm trục (axle counter).

Mạch điện đường ray

Mạch điện đường ray là một trong những công nghệ giám sát đoàn tàu được sử dụng rộng rãi trong hệ thống tín hiệu đường sắt. Nguyên lý cơ bản của công nghệ này là sử dụng hai thanh ray như một phần của mạch điện.

Trong một cấu hình cơ bản, tín hiệu điện được cấp vào đường ray và một thiết bị thu hoặc relay (rơ-le) (2) giám sát trạng thái của mạch. Khi phân khu không có tàu, mạch duy trì trạng thái điện tương ứng với điều kiện đường ray được xác nhận là không bị chiếm dụng.
(2) Relay là một công tắc điện được điều khiển bằng tín hiệu điện. Trong mạch điện đường ray, nó dùng để nhận biết trạng thái của mạch điện trên đường ray.

Khi đoàn tàu đi vào phân khu, bánh xe và trục kim loại tạo kết nối điện giữa hai thanh ray, làm thay đổi trạng thái của mạch điện. Nhờ đó, hệ thống có thể phát hiện sự hiện diện của đoàn tàu và xác định phân khu đang bị chiếm dụng.

Một đặc điểm quan trọng trong thiết kế hệ thống tín hiệu đường sắt là nguyên tắc fail-safe (tạm dịch là “nguyên tắc an toàn khi xảy ra sự cố). Khi xuất hiện một số dạng sự cố như mất nguồn hoặc lỗi mạch, hệ thống phải hướng tới trạng thái an toàn thay vì mặc nhiên coi phân khu là không có tàu. Vì vậy, trong nhiều trường hợp lỗi, phân khu không thể được xác nhận là clear và hoạt động chạy tàu sẽ bị hạn chế tương ứng.

Ngoài chức năng phát hiện đoàn tàu, một số loại mạch điện đường ray còn có khả năng hỗ trợ phát hiện một số tình trạng ảnh hưởng đến tính liên tục điện của đường ray. Đây là một trong những điểm khác biệt đáng chú ý giữa mạch điện đường ray và một số công nghệ giám sát đoàn tàu khác.

Bộ đếm trục

Bộ đếm trục là phương pháp giám sát đoàn tàu sử dụng nguyên lý khác với mạch điện trên đường ray. Thay vì dựa vào đặc tính điện của toàn bộ đoạn ray, hệ thống xác định trạng thái phân khu thông qua việc đếm số trục của đoàn tàu đi vào và đi ra khỏi khu vực được giám sát.

Các thiết bị đếm được bố trí tại ranh giới của phân khu. Khi đoàn tàu đi qua điểm đầu tiên, hệ thống ghi nhận các trục đi vào. Khi đoàn tàu rời khỏi phân khu và đi qua điểm đến tiếp theo, số trục đi ra được ghi nhận.

Nếu hệ thống xác nhận số trục đi vào và đi ra bằng nhau, phân khu có thể được xác định là trống. Ngược lại, nếu một đoàn tàu đã đi vào nhưng chưa được xác nhận là đã rời khỏi hoàn toàn, phân khu vẫn được coi là bị chiếm dụng.

Do không cần sử dụng toàn bộ chiều dài của hai thanh ray như một phần của mạch phát hiện, bộ đếm trục có những ưu điểm trong nhiều điều kiện hạ tầng. Tuy nhiên, hệ thống cũng đòi hỏi các quy trình và cơ chế an toàn nghiêm ngặt để xử lý trường hợp mất hoặc sai lệch thông tin đếm, cũng như khi cần reset trạng thái của phân khu.

Dù sử dụng hai nguyên lý khác nhau, cả hai phương pháp đều phục vụ một yêu cầu quan trọng: cung cấp thông tin đáng tin cậy về trạng thái chiếm dụng của đường ray cho hệ thống tín hiệu.

Từ trạng thái đến khoảng cách an toàn giữa các đoàn tàu

Thông tin về trạng thái của phân khu không chỉ cho biết khu vực nào đang có tàu. Quan trọng hơn, đây là một trong những dữ liệu được sử dụng để kiểm soát hoạt động của các đoàn tàu khác trên tuyến.

Ví dụ, một đoàn tàu đang di chuyển trong một phân khu. Hệ thống phát hiện đoàn tàu xác định phân khu này đang bị chiếm dụng và chuyển thông tin đó tới hệ thống tín hiệu. Tùy thuộc vào cấu hình tuyến và công nghệ được sử dụng, tín hiệu hoặc quyền di chuyển dành cho đoàn tàu phía sau sẽ được thiết lập sao cho đoàn tàu không tiến vào khu vực chưa đủ điều kiện an toàn.

Trong các hệ thống tín hiệu bên đường, điều này có thể được thể hiện thông qua các trạng thái tín hiệu khác nhau. Tín hiệu không chỉ yêu cầu đoàn tàu dừng lại mà còn có thể cảnh báo trước để lái tàu giảm tốc, bảo đảm đoàn tàu có đủ khoảng cách hãm trước khu vực cần được bảo vệ.

Do đó, hệ thống phân khu không nên được hiểu đơn giản theo nguyên tắc “một phân khu chỉ được có một đoàn tàu”. Trong thực tế, việc xác định khoảng cách an toàn còn phụ thuộc vào cấu hình tín hiệu, khoảng cách hãm, tốc độ khai thác và nhiều yêu cầu an toàn khác.

Block section là một mắt xích trong chuỗi chức năng rộng hơn: phát hiện đoàn tàu, xác định trạng thái đường ray, xử lý logic tín hiệu, kiểm soát quyền di chuyển và duy trì khoảng cách an toàn giữa các đoàn tàu.

Chiều dài phân khu ảnh hưởng đến năng lực tuyến như thế nào?

Cách phân chia phân khu không chỉ ảnh hưởng đến an toàn mà còn có mối quan hệ chặt chẽ với năng lực thông qua của tuyến đường sắt.

Trong hệ thống Fixed Block (phân khu cố định) (3), khi một đoàn tàu đang chiếm dụng một phân khu, phân khu đó chưa thể được xác nhận là trống để phục vụ hoạt động chạy tàu tiếp theo. Nếu các phân khu có chiều dài lớn, khoảng cách giữa các đoàn tàu có thể bị giới hạn bởi cách phân chia tuyến và logic tín hiệu, ngay cả khi khoảng cách vật lý thực tế giữa hai đoàn tàu lớn hơn khoảng cách an toàn cần thiết vào một số thời điểm.
(3) Fixed Block là phương thức trong đó tuyến đường sắt được chia thành các phân khu có ranh giới xác định và không thay đổi.

Việc sử dụng các phân khu ngắn hơn có thể nâng cao tính linh hoạt của hệ thống, giúp xác định trạng thái chiếm dụng của tuyến. Trong những điều kiện phù hợp, điều này cho phép giảm headway (khoảng thời gian giữa các đoàn tàu liên tiếp) và qua đó tăng số lượng đoàn tàu có thể khai thác trên tuyến trong một khoảng thời gian nhất định.

Tuy nhiên, không thể liên tục rút ngắn chiều dài phân khu để tăng năng lực tuyến. Việc thiết kế và bố trí phân khu phải xem xét tốc độ khai thác, đặc tính hãm của phương tiện, độ dốc, vị trí tín hiệu, loại hình vận hành và các yêu cầu của hệ thống tín hiệu.

Việc tăng số lượng phân khu vật lý cũng đồng nghĩa với yêu cầu lớn hơn đối với thiết bị phát hiện đoàn tàu, kết nối, hệ thống điều khiển và công tác bảo trì. Thiết kế phân khu là bài toán cân bằng giữa an toàn, năng lực thông qua, hiệu quả vận hành và chi phí đầu tư hạ tầng.

Fixed Block – khi tuyến đường được chia thành các phân khu cố định

Trong hệ thống Fixed Block, tuyến đường sắt được chia thành các phân khu có ranh giới cố định. Các phân khu này được xác định trong thiết kế hệ thống tín hiệu, và trạng thái chiếm dụng của chúng được giám sát bằng các công nghệ như mạch điện đường ray hoặc bộ đếm trục.

Khi một đoàn tàu đi vào một phân khu, phân khu đó được xác định là đang bị chiếm dụng. Khi đoàn tàu tiếp tục di chuyển và toàn bộ đoàn tàu đã rời khỏi phân khu, hệ thống phát hiện mới có thể xác nhận phân khu đã trống, với điều kiện các yêu cầu an toàn liên quan đều được đáp ứng.

Điều này tạo ra một giới hạn nhất định về vị trí. Hệ thống có thể biết đoàn tàu đang chiếm dụng một phân khu cụ thể, nhưng không nhất thiết phải sử dụng vị trí chính xác của đoàn tàu bên trong phân khu đó. Một phân khu có thể dài đáng kể trong khi đoàn tàu tại một thời điểm chỉ chiếm một phần chiều dài của nó, nhưng toàn bộ phân khu vẫn chưa thể được coi là trống.

Đây là một trong những lý do thúc đẩy sự phát triển của các phương pháp kiểm soát đoàn tàu có hiệu quả cao hơn.

Từ Fixed Block đến Moving Block

Sự phát triển của công nghệ xác định vị trí, thông tin liên lạc và điều khiển đoàn tàu đã tạo điều kiện để hệ thống tín hiệu giảm dần sự phụ thuộc vào các ranh giới phân khu cố định.

Trong Moving Block (phân khu di động), việc kiểm soát khoảng cách giữa các đoàn tàu không còn chủ yếu dựa trên việc đoàn tàu đang nằm trong phân khu cố định nào. Thay vào đó, hệ thống sử dụng thông tin về vị trí và trạng thái của đoàn tàu để xác định giới hạn di chuyển an toàn phù hợp với điều kiện vận hành.

Khi đoàn tàu phía trước tiếp tục di chuyển, thông tin vị trí được cập nhật và giới hạn cho phép đối với đoàn tàu phía sau cũng có thể được tính toán lại. Nhờ đó, không gian giữa các đoàn tàu có thể được sử dụng hiệu quả hơn so với trường hợp phải chờ toàn bộ một phân khu cố định được xác định là trống.

Tuy nhiên, Moving Block không đơn giản là “cho hai đoàn tàu chạy sát nhau hơn”. Để triển khai phương pháp này, hệ thống phải có khả năng xác định vị trí đoàn tàu với độ tin cậy cần thiết, bảo đảm tính toàn vẹn của đoàn tàu, trao đổi dữ liệu giữa đoàn tàu và hệ thống điều khiển, đồng thời tính toán giới hạn di chuyển dựa trên các yêu cầu an toàn.

Block section – thành phần nền tảng của hệ thống tín hiệu đường sắt

Block section bắt nguồn từ một nguyên lý tương đối đơn giản: chỉ có một đoàn tàu được chiếm dụng một phân khu tại một thời điểm. Tuy nhiên, để nguyên lý đó hoạt động hiệu quả, cần có những công nghệ phù hợp đi kèm.

Dù phương thức phát hiện và điều khiển đoàn tàu tiếp tục thay đổi, yêu cầu đối với nền tảng vẫn giữ nguyên: hệ thống phải xác định được khu vực nào đang được đoàn tàu chiếm dụng và kiểm soát đoàn tàu phía sau để duy trì khoảng cách an toàn trong mọi điều kiện vận hành.

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 bài viết khác về “Block section”, hãy nhấn vào đây.