Trong bài viết trước về chủ đề Đường sắt, ban biên tập technologyMAG đã chia sẻ bài viết về nguyên lý hoạt động của GNSS, những ưu điểm so với các phương pháp xác định vị trí truyền thống cũng như tiềm năng ứng dụng trong vận hành và giám sát đường sắt. Tuy nhiên, giá trị lớn nhất của GNSS không chỉ nằm ở khả năng xác định vị trí đoàn tàu mà còn ở việc tích hợp với các hệ thống điều khiển và tín hiệu hiện đại. Đây cũng là lý do GNSS được xem là một trong những công nghệ nền tảng của đường sắt số, mở ra khả năng triển khai các mô hình điều hành tiên tiến như ETCS, ERTMS và Moving Block.

Trong phần 2 của bài viết về GNSS lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Railways Explained, nói về GNSS và những tiềm năng ứng dụng của công nghệ này.

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.

GNSS và tương lai của ETCS – ERTMS
Ứng dụng mang tính đột phá nhất của GNSS nằm ở khả năng tích hợp với ETCS và ERTMS. ETCS (European Train Control System) được thiết kế nhằm cung cấp một tiêu chuẩn điều khiển tàu thống nhất trên toàn châu Âu. Đây là một thành phần của ERTMS (European Rail Traffic Management System) hệ thống được phát triển để khắc phục tình trạng phân mảnh do sự khác biệt giữa các hệ thống tín hiệu quốc gia.

Hiện nay, ETCS đã sử dụng thiết bị trên tàu, balise, truyền thông vô tuyến, hệ thống đo quãng đường – Odometry và các thuật toán bảo vệ đoàn tàu để giám sát hoạt động chạy tàu. Trong tương lai, GNSS có thể hỗ trợ ETCS theo hai hướng chính.

 

GNSS như một nguồn định vị bổ sung cho ETCS
Hướng thứ nhất là bổ sung cho hệ thống đo quãng đường (Odometry). Hiện nay, Odometry được sử dụng để ước tính quãng đường đoàn tàu đã di chuyển giữa các điểm tham chiếu đã biết. Tuy nhiên, phương pháp này có thể tích lũy sai số theo khoảng cách, vì vậy balise được sử dụng để hiệu chỉnh hoặc đặt lại vị trí của đoàn tàu.

GNSS có thể cung cấp thêm một nguồn thông tin về vị trí và tốc độ, từ đó nâng cao chất lượng định vị trên tàu. Trong vai trò này, GNSS không thay thế ETCS mà đóng vai trò tăng cường khả năng của hệ thống hiện có.

Vai trò của FRMCS trong đường sắt số
Bên cạnh GNSS, các hệ thống truyền thông đường sắt thế hệ mới cũng giữ vai trò không thể thiếu.

FRMCS (Future Railway Mobile Communication System) được kỳ vọng sẽ cung cấp hạ tầng truyền thông số dựa trên công nghệ 5G phục vụ các ứng dụng đường sắt tiên tiến. GNSS có thể tạo ra dữ liệu định vị, nhưng dữ liệu đó cần được truyền đi một cách an toàn, xử lý nhanh chóng và tích hợp với các hệ thống tín hiệu cũng như điều hành giao thông.

Nếu không có một hệ thống truyền thông đáng tin cậy, định vị vệ tinh sẽ không thể trở thành một phần của mạng lưới đường sắt số hoàn chỉnh.

Balise ảo
Hướng ứng dụng thứ hai là sử dụng balise ảo (Virtual Balise).

Balise vật lý là thiết bị được lắp đặt trên đường ray để truyền thông tin tới đoàn tàu khi đoàn tàu đi qua. Trong khi đó, balise ảo không tồn tại dưới dạng thiết bị vật lý mà là một điểm tham chiếu số được xác định bằng tọa độ địa lý.

Khi hệ thống định vị trên tàu xác nhận rằng đoàn tàu đã đến đúng vị trí này, nó có thể kích hoạt lượng thông tin tương đương với những gì mà một balise vật lý truyền tải.

Lợi ích và thách thức của balise ảo
Ý tưởng này đặc biệt hấp dẫn vì có thể giảm số lượng balise vật lý cần lắp đặt trên tuyến đường, từ đó giảm chi phí đầu tư và bảo trì, đặc biệt đối với các tuyến đường sắt khu vực hoặc các tuyến có mật độ khai thác thấp.

Tuy nhiên, đây cũng chính là ví dụ điển hình cho thấy vì sao GNSS trong đường sắt lại có yêu cầu kỹ thuật rất cao. Một balise ảo chỉ thực sự hữu ích khi hệ thống có thể xác định với độ tin cậy rất cao rằng đoàn tàu đã đi đến đúng vị trí cần thiết.

Trên một tuyến đường đơn giản ngoài trời, điều này có thể tương đối dễ thực hiện. Nhưng tại các khu vực nhà ga phức tạp với nhiều đường ray song song, ghi chuyển hướng, sân ga và các công trình phía trên đường ray, bài toán trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Hệ thống không chỉ cần biết vị trí của đoàn tàu mà còn phải xác định chính xác đoàn tàu đang chạy trên đường ray nào.

Bốn yêu cầu cốt lõi đối với GNSS trong đường sắt
Đó là lý do GNSS trong đường sắt phải đáp ứng bốn yêu cầu cốt lõi gồm độ chính xác (Accuracy), tính sẵn sàng (Availability), tính liên tục (Continuity) và tính toàn vẹn (Integrity).

Độ chính xác thể hiện mức độ gần giữa vị trí được ước tính và vị trí thực của đoàn tàu. Tính sẵn sàng cho biết liệu hệ thống có thể cung cấp dữ liệu định vị khi cần hay không. Tính liên tục phản ánh khả năng duy trì hoạt động mà không bị gián đoạn.

Trong khi đó, tính toàn vẹn có nghĩa là hệ thống phải có khả năng phát hiện khi nào thông tin định vị không còn đáng tin cậy và kịp thời cảnh báo cho hệ thống đường sắt. Đối với các ứng dụng an toàn, tính toàn vẹn có tầm quan trọng không kém gì độ chính xác.

Các dự án nghiên cứu GNSS tại châu Âu
Trong hơn hai thập kỷ qua, nhiều sáng kiến nghiên cứu của châu Âu và ngành công nghiệp vũ trụ đã tập trung đánh giá khả năng ứng dụng GNSS trong đường sắt, đặc biệt là trong mối liên hệ với ERTMS và ETCS.

Các dự án như GATeROS, INTEGRAIL, RUANE, LOC & LOC và LOC PROL đã nghiên cứu nhiều phương pháp khác nhau để triển khai định vị dựa trên GNSS. Mặc dù cách tiếp cận của từng dự án có sự khác biệt, phần lớn đều đi đến một kết luận chung: GNSS có tiềm năng rất lớn nhưng cần được tích hợp vào một hệ thống dư thừa (Redundant System) (1) thay vì hoạt động độc lập.
(1) Hệ thống dư thừa (Redundant System) là một hệ thống được thiết kế với nhiều thành phần hoặc nhiều nguồn thông tin cùng thực hiện một chức năng, nhằm đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động an toàn ngay cả khi một thành phần bị lỗi hoặc cho kết quả không đáng tin cậy.

Thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và ngoài thực địa
Quá trình đánh giá công nghệ bao gồm cả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và thử nghiệm ngoài thực địa.

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho phép kỹ sư mô phỏng điều kiện tín hiệu vệ tinh, đánh giá thiết bị trên tàu và phân tích hoạt động của hệ thống trong môi trường được kiểm soát.

Tuy nhiên, thử nghiệm thực tế vẫn là yếu tố không thể thiếu vì môi trường đường sắt tồn tại rất nhiều điều kiện không thể tái tạo hoàn toàn trong phòng thí nghiệm, bao gồm đường hầm, cầu, nhà ga, thảm thực vật, đường cong, khu vực đồi núi, môi trường đô thị và các nút giao đường sắt phức tạp.

Các tổ chức như ADIF, CEDEX và ENACO đã tham gia nhiều dự án đổi mới của châu Âu nhằm thử nghiệm công nghệ vệ tinh cho ngành đường sắt, bao gồm các khái niệm như định vị tuyệt đối (Absolute Positioning), balise ảo và đánh thức đoàn tàu (Train Awakening) (2).
(2) Train awakening là quá trình khởi tạo lại thông tin vị trí của đoàn tàu khi hệ thống điều khiển trên tàu được khởi động hoặc khôi phục sau khi mất trạng thái vận hành.

Đối với tình trạng triển khai hoặc tiến độ chứng nhận của từng dự án cụ thể, luôn cần tham khảo các nguồn thông tin mới nhất.

Những thách thức lớn nhất của GNSS trong môi trường đường sắt
Thách thức lớn nhất vẫn đến từ chính môi trường khai thác đường sắt.

Đường hầm chặn hoàn toàn tín hiệu GNSS. Núi cao và các đoạn đường đào sâu tạo ra các vùng khuất tín hiệu. Mái che nhà ga, cầu vượt, khu đô thị mật độ cao và các chướng ngại vật tự nhiên đều có thể làm suy giảm hoặc gián đoạn tín hiệu vệ tinh.

Trong môi trường đô thị, tín hiệu còn có thể phản xạ từ các tòa nhà và công trình, tạo ra hiện tượng đa đường truyền, khiến vị trí tính toán bị sai lệch. Đối với giao thông đường bộ, sai số vài mét có thể chỉ gây bất tiện. Nhưng trong đường sắt, sai số vài mét có thể khiến hệ thống xác định đoàn tàu đang nằm trên một đường ray hoàn toàn khác.

Nguy cơ gây nhiễu và giả mạo tín hiệu
Ngoài các yếu tố tự nhiên, GNSS còn phải đối mặt với những mối đe dọa có chủ đích.

Tín hiệu GNSS có thể bị gây nhiễu, tức bị chặn hoặc suy giảm bởi các nguồn nhiễu. Hệ thống cũng có thể bị giả mạo tín hiệu, trong đó các tín hiệu giả được phát ra nhằm đánh lừa bộ thu.

Đối với các ứng dụng dẫn đường thông thường, đây có thể chỉ là một sự bất tiện. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng đường sắt liên quan đến an toàn, những mối đe dọa này có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng.

Vì vậy, các hệ thống GNSS dành cho đường sắt phải được trang bị khả năng phát hiện nhiễu, cơ chế bảo vệ an ninh mạng, các chế độ dự phòng và những nguồn định vị thay thế.

Vai trò của tiêu chuẩn hóa và chứng nhận
Tiêu chuẩn hóa và quy trình chứng nhận cũng có vai trò quan trọng không kém.

Ngành đường sắt luôn thận trọng khi áp dụng các công nghệ mới liên quan đến an toàn và điều này hoàn toàn có cơ sở. Trước khi GNSS có thể được sử dụng trong các chức năng tín hiệu, công nghệ này phải được xây dựng tiêu chuẩn, thử nghiệm, chứng nhận và được các cơ quan quản lý cũng như đơn vị khai thác chấp thuận.

Vai trò thực sự của GNSS trong tương lai
Tuy nhiên, cần có một góc nhìn thực tế. GNSS sẽ không thay thế toàn bộ các thiết bị tín hiệu đường sắt. Công nghệ này cũng không loại bỏ nhu cầu về các hệ thống bảo vệ đoàn tàu, khóa liên động, truyền thông, quy trình vận hành hay sự giám sát của con người. GNSS cũng không thể hoạt động hoàn hảo trong mọi môi trường và không thể được sử dụng an toàn nếu thiếu các cơ chế dự phòng.

Giá trị thực sự của GNSS không nằm ở việc thay thế kiến trúc an toàn hiện có của đường sắt mà ở khả năng tăng cường và hiện đại hóa kiến trúc đó.

Tương lai của GNSS trong ngành đường sắt
Vì vậy, tương lai của GNSS không phải là việc các vệ tinh tự mình điều khiển đoàn tàu. Thay vào đó, mục tiêu là tích hợp định vị vệ tinh vào một hệ sinh thái đường sắt rộng lớn hơn.

Nếu được triển khai đúng cách, GNSS có thể trở thành một trong những công nghệ nền tảng của đường sắt số. Công nghệ này có thể giúp việc triển khai các hệ thống tín hiệu tiên tiến trở nên kinh tế hơn, cải thiện khả năng giám sát và quản lý đoàn tàu, giúp khai thác hạ tầng hiệu quả hơn, đồng thời hỗ trợ các hệ thống tự động hóa và mô hình điều hành Moving Block (3) trong tương lai.
(3) Moving Block là một trong những khái niệm quan trọng nhất của hệ thống tín hiệu đường sắt hiện đại. Nói đơn giản, đây là phương thức điều hành đoàn tàu trong đó khoảng cách an toàn không còn cố định theo từng phân khu đường ray, mà được tính toán động theo vị trí và tốc độ thực tế của đoàn tàu phía trước.

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