Điều gì sẽ xảy ra nếu một trong những đổi mới quan trọng nhất của ngành đường sắt trong tương lai không đến từ những đoàn tàu, mà lại đến từ không gian?

Trong hơn một thế kỷ, an toàn đường sắt luôn phụ thuộc vào một câu hỏi cốt lõi: đoàn tàu đang ở đâu? Mọi tín hiệu, biểu đồ chạy tàu, quyền cấp phép chạy tàu, quyết định của trung tâm điều hành và các hệ thống an toàn cuối cùng đều dựa trên khả năng xác định chính xác vị trí của đoàn tàu. Khi biết được đoàn tàu đang ở đâu, di chuyển với tốc độ bao nhiêu và đang chiếm dụng tuyến đường nào, hoạt động vận hành có thể được tổ chức an toàn và hiệu quả. Ngược lại, nếu thông tin này không chính xác hoặc thiếu độ tin cậy, toàn bộ hệ thống đường sắt cũng sẽ trở nên không chắc chắn.

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Railways Explained, nói về công nghệ tiềm năng trong lĩnh vực tín hiệu đường sắt: Định vị vệ tinh.

Phần 1 của bài viết sẽ nói về nền tảng của định vị vệ tinh trong ngành đường sắt

Để xem và hiểu một cách đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] tại góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F.

Phương pháp xác định vị trí tàu truyền thống
Trong suốt nhiều thập kỷ, các hệ thống đường sắt đã giải quyết bài toán này bằng những thiết bị được lắp đặt trên hoặc dọc theo tuyến đường. Mạch điện đường ray (Track Circuit), bộ đếm trục (Axle Counter), balise, tín hiệu, khóa liên động (Interlocking) và hệ thống đo quãng đường trên tàu (Onboard Odometry) đã tạo thành nền tảng của hệ thống tín hiệu và điều khiển đoàn tàu.

Đây đều là những công nghệ đã được kiểm chứng qua thực tế khai thác. Tuy nhiên, chúng cũng có nhược điểm là chi phí cao, phụ thuộc nhiều vào hạ tầng và khó hiện đại hóa trên các mạng lưới đường sắt quy mô lớn. Mỗi km đường sắt đều cần một lượng lớn thiết bị phải được lắp đặt, cấp nguồn, kiểm tra, thử nghiệm, bảo trì và cuối cùng là thay thế khi hết vòng đời.

GNSS – Định vị vệ tinh cho ngành đường sắt
GNSS (Global Navigation Satellite Systems hay Hệ thống vệ tinh dẫn đường toàn cầu) là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống vệ tinh cung cấp thông tin về định vị, dẫn đường và đồng bộ thời gian. Hệ thống nổi tiếng nhất là GPS do Hoa Kỳ phát triển, nhưng đây chỉ là một thành viên trong hệ sinh thái GNSS toàn cầu. Châu Âu có Galileo, Nga có GLONASS và Trung Quốc có BeiDou. Khi kết hợp với nhau, các hệ thống này cho phép xác định vị trí, tốc độ, hướng di chuyển và thời gian tại hầu hết mọi nơi trên Trái Đất.

Vì sao GNSS trong đường sắt phức tạp hơn GPS thông thường?
Trong cuộc sống hằng ngày, GNSS đã trở nên phổ biến đến mức chúng ta gần như không còn để ý đến sự hiện diện của nó. Công nghệ này hỗ trợ dẫn đường cho ô tô, bản đồ trên điện thoại thông minh, theo dõi hàng hóa, giám sát tàu biển, dẫn đường cho máy bay và đồng bộ các mạng lưới số.

Tuy nhiên, trong lĩnh vực đường sắt, yêu cầu đối với định vị vệ tinh khắt khe hơn rất nhiều. Một đoàn tàu không chỉ cần một vị trí gần đúng trên bản đồ. Hoạt động vận hành đường sắt đòi hỏi thông tin định vị phải chính xác, liên tục, đáng tin cậy và có thể xác minh được. Đối với các ứng dụng liên quan đến an toàn, hệ thống không chỉ phải biết đoàn tàu đang ở đâu mà còn phải nhận biết được khi nào thông tin định vị có khả năng bị sai lệch.

Đó là lý do GNSS trong đường sắt không đơn thuần là việc đưa hệ thống định vị lên đoàn tàu. Đây là một bước chuyển đổi sâu rộng trong cách ngành đường sắt có thể giám sát, quản lý và trong tương lai là điều khiển toàn bộ hệ thống vận hành.

GNSS hoạt động như thế nào trên đoàn tàu?
Về nguyên lý, ý tưởng này tương đối đơn giản. Đoàn tàu được trang bị các bộ thu và anten GNSS để tiếp nhận tín hiệu từ các vệ tinh. Các tín hiệu này được thiết bị trên tàu xử lý nhằm ước tính vị trí, tốc độ và hướng di chuyển của đoàn tàu.

Thông tin thu được sau đó có thể được kết hợp với các hệ thống khác trên tàu như hệ thống đo quãng đường (Odometry), cảm biến quán tính, bản đồ số và thiết bị điều khiển tàu. Đồng thời, dữ liệu cũng có thể được truyền tới hệ thống xử lý trung tâm hoặc trung tâm điều hành, nơi chúng được phân tích và sử dụng để cập nhật bức tranh thời gian thực của toàn bộ mạng lưới đường sắt.

Vai trò của các trạm tham chiếu GNSS
Trong các kiến trúc tiên tiến hơn, các trạm thu GNSS tham chiếu đặt cố định trên mặt đất cũng có thể được triển khai. Những trạm này giúp hiệu chỉnh các sai số của tín hiệu vệ tinh và nâng cao chất lượng định vị.

Điều này đặc biệt quan trọng bởi tín hiệu GNSS thô luôn chịu ảnh hưởng của điều kiện khí quyển, hiện tượng phản xạ tín hiệu, đặc điểm địa hình và nhiễu. Bằng cách kết hợp dữ liệu vệ tinh trên tàu với các trạm tham chiếu, hệ thống đo quãng đường, hệ thống quán tính và bản đồ đường ray số, mạng lưới đường sắt có thể thu được những dữ liệu đáng tin cậy hơn về vị trí của đoàn tàu.

So sánh GNSS với phương pháp xác định vị trí truyền thống
Để hiểu vì sao GNSS được đánh giá có tiềm năng lớn, cần so sánh công nghệ này với các phương pháp xác định vị trí tàu truyền thống. Trong nhiều hệ thống tín hiệu thông thường, chính hạ tầng sẽ đảm nhiệm việc phát hiện đoàn tàu.

Mạch điện đường ray (Track Circuit) sử dụng chính hai thanh ray như một phần của mạch điện để xác định xem một đoạn đường có đang bị chiếm dụng hay không. Bộ đếm trục (Axle Counter) sẽ đếm số bánh xe đi vào và đi ra khỏi từng phân khu đường ray, trong khi balise cung cấp các điểm tham chiếu cố định cho đoàn tàu, đặc biệt trong các hệ thống như ETCS.

Giữa các điểm tham chiếu này, hệ thống đo quãng đường trên tàu sẽ ước tính quãng đường đoàn tàu đã di chuyển bằng cách sử dụng cảm biến bánh xe, máy đo tốc độ (Tachometer), radar Doppler, hệ thống quán tính hoặc các thiết bị tương tự.

Những hạn chế của hệ thống truyền thống
Sự kết hợp giữa các công nghệ trên đã chứng minh được hiệu quả trong thực tế, nhưng vẫn tồn tại nhiều hạn chế. Các hệ thống này yêu cầu một lượng lớn thiết bị vật lý và những thiết bị này luôn phải đối mặt với tác động của thời tiết, rung động, nguy cơ trộm cắp, sự cố cáp tín hiệu, vấn đề cấp điện cũng như các yêu cầu bảo trì thường xuyên.

Trên các tuyến đường sắt chính có lưu lượng lớn, khoản đầu tư này có thể hoàn toàn hợp lý. Tuy nhiên, đối với các tuyến khu vực, tuyến nông thôn, hành lang đường sắt thứ cấp hoặc các tuyến có mật độ khai thác thấp, chi phí hiện đại hóa hệ thống tín hiệu có thể trở thành một rào cản rất lớn.

GNSS có thể thay đổi điều gì?
GNSS có thể thay đổi một phần logic vận hành này. Nếu các đoàn tàu có thể tự xác định vị trí của mình chính xác hơn bằng tín hiệu vệ tinh kết hợp với các hệ thống trên tàu, một phần chức năng định vị có thể được chuyển từ hạ tầng sang chính phương tiện.

Điều này không có nghĩa toàn bộ thiết bị vật lý sẽ biến mất – điều đó là không thực tế. Tuy nhiên, GNSS có thể giúp giảm sự phụ thuộc vào một số thiết bị như vậy, bổ sung cho các hệ thống hiện có và giúp việc triển khai các hệ thống tín hiệu tiên tiến trở nên hiệu quả về kinh tế hơn trên những tuyến đường mà việc nâng cấp theo phương pháp truyền thống quá tốn kém.

Lợi ích của định vị đoàn tàu theo thời gian thực
Một trong những ứng dụng trực tiếp nhất của GNSS là xác định vị trí đoàn tàu theo thời gian thực. Nếu đơn vị khai thác hoặc đơn vị quản lý hạ tầng biết được vị trí, tốc độ và hướng di chuyển của các đoàn tàu theo thời gian thực, hoạt động điều hành giao thông sẽ trở nên chính xác hơn.

Đối với hành khách, điều này đồng nghĩa với việc có thể cung cấp thông tin chính xác hơn về thời gian đến, chậm tàu và các chuyến nối. Đối với nhân viên điều độ, GNSS giúp đưa ra các quyết định hiệu quả hơn khi xảy ra sự cố. Đối với doanh nghiệp vận tải hàng hóa, công nghệ này giúp theo dõi đoàn tàu, toa xe và dòng vận chuyển logistics hiệu quả hơn. Trong khi đó, đối với đơn vị quản lý hạ tầng, GNSS hỗ trợ khai thác năng lực mạng lưới hiệu quả hơn và phối hợp các khoảng thời gian bảo trì một cách tối ưu.

Tối ưu hóa năng lực khai thác mạng lưới đường sắt
Điều này đặc biệt quan trọng bởi năng lực của mạng lưới đường sắt không chỉ phụ thuộc vào số lượng đường ray hiện có mà còn phụ thuộc vào mức độ thông minh trong cách khai thác chúng. Nếu trung tâm điều hành có được dữ liệu rõ ràng và liên tục hơn về chuyển động của các đoàn tàu, họ có thể phát hiện xung đột sớm hơn, điều chỉnh lộ trình chạy tàu hiệu quả hơn và giảm thời gian chờ không cần thiết.

Đối với các mạng lưới đang quá tải, ngay cả những cải thiện nhỏ trong công tác điều hành giao thông cũng có thể mang lại giá trị vận hành đáng kể.

Tiềm năng đối với vận tải hàng hóa bằng đường sắt 
Tiềm năng của GNSS đặc biệt lớn đối với vận tải hàng hóa bằng đường sắt. Các đoàn tàu hàng thường di chuyển trên quãng đường rất dài, đi qua các bãi tàu, ga hàng hóa, cảng biển, đường nhánh công nghiệp và các cửa khẩu biên giới. Mặc dù hoạt động của chúng ít được công chúng chú ý hơn so với tàu khách, nhưng đây lại là mắt xích không thể thiếu trong chuỗi logistics.

Việc theo dõi bằng GNSS giúp tăng khả năng quan sát khi cho biết vị trí của đoàn tàu và toa xe, cách chúng đang di chuyển cũng như khả năng phát sinh chậm trễ. Nhờ đó, các cảng và ga hàng hóa có thể chuẩn bị tốt hơn cho việc tiếp nhận đoàn tàu, khách hàng có thể lập kế hoạch bốc xếp hiệu quả hơn và các đơn vị khai thác có thể phối hợp các hành lang vận tải hàng hóa quốc tế một cách hiệu quả hơn.

Hỗ trợ giám sát an toàn vận hành
Một ứng dụng quan trọng khác của GNSS là giám sát an toàn. GNSS có thể hỗ trợ theo dõi xem đoàn tàu có đang ở đúng vị trí cần thiết hay không, có đang di chuyển đúng hướng hay không và tốc độ có tuân thủ các giới hạn khai thác hay không.

Khi được kết hợp với bản đồ số và các hệ thống điều khiển tàu, GNSS có thể hỗ trợ các chức năng như hàng rào địa lý (Geofencing) (1), giám sát chuyển động và bảo vệ khu vực thi công. Ví dụ, hệ thống có thể phát hiện khi một đoàn tàu đang tiến gần khu vực hạn chế hoặc di chuyển theo cách bất thường. Mặc dù các chức năng này chưa thể thay thế hệ thống tín hiệu truyền thống, chúng có thể góp phần nâng cao khả năng nhận biết tình huống và tăng cường mức độ an toàn trong vận hành.
(1) Geofencing là một công nghệ sử dụng vị trí địa lý để tạo ra một ranh giới ảo trên bản đồ. Khi một phương tiện, thiết bị hoặc người dùng đi vào, đi ra hoặc di chuyển bên trong khu vực này, hệ thống sẽ tự động thực hiện một hành động hoặc phát cảnh báo.

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 “GNSS”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railways Explained