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 công nghệ rất tiên tiến trong lĩnh vực đường sắt: Tàu tự hành.

Công nghệ điều khiển tàu tự động
Những đổi mới trong lĩnh vực vận tải đường sắt đang phát triển nhanh chóng, và một trong những bước tiến quan trọng nhất hiện nay chính là công nghệ điều khiển tàu tự động (Automatic Train Operation – ATO). Trước đây, các giải pháp như tàu chạy bằng hydro, drone phục vụ bảo trì hạ tầng hay việc ứng dụng công nghệ 5G đã tạo nền tảng quan trọng cho sự phát triển. Tuy nhiên, ATO đánh dấu bước tiến lớn hướng đến khả năng vận hành tàu tự động hoàn toàn. Công nghệ này đặt ra một số câu hỏi quan trọng như ATO là gì, liệu nó có thể giúp tàu không người lái trở thành hiện thực hay không, và nếu có thì cơ chế hoạt động của nó như thế nào?

Khái niệm tàu tự hành và nền tảng công nghệ của ATO
Tàu tự hành (Autonomous Train) được định nghĩa là tàu có thể vận hành mà không cần người lái tàu hoặc chỉ có lái tàu đóng vai trò giám sát hệ thống. Những đoàn tàu này sử dụng tổ hợp cảm biến, camera, radar, lidar và các công nghệ tiên tiến khác để phát hiện chướng ngại vật và thu thập đầy đủ thông tin về môi trường xung quanh. Dữ liệu này sau đó được xử lý bởi máy tính và thuật toán tích hợp trên tàu, cho phép điều khiển chuyển động mà không cần sự can thiệp của con người. Đây không phải là công nghệ mang tính lý thuyết mà đã xuất hiện trong thực tế.

Công nghệ ATO có mối liên hệ chặt chẽ với hệ thống điều khiển tàu tự động ATC (Automatic Train Control) và bảo vệ tàu tự động ATP (Automatic Train Protection). ATC và ATP quản lý các chức năng tín hiệu cơ bản như thiết lập hành trình và điều tiết tàu, trong khi ATO phối hợp với các hệ thống này để đảm bảo tàu chạy đúng biểu đồ và điều chỉnh các tham số khai thác như lực kéo, chạy trớn hay thời gian dừng tàu.

Các cấp độ tự động hóa theo tiêu chuẩn quốc tế
Hiệp hội vận tải công cộng quốc tế (International Association of Public Transport) đưa ra năm cấp độ tự động hóa GoA (Grade of Automation), phản ánh mức độ chuyển giao trách nhiệm từ con người sang công nghệ. 

GoA0 là cấp độ không có tự động hóa, lái tàu chịu trách nhiệm hoàn toàn. GoA1 bổ sung các hệ thống ATP như ETCS cấp 1, nhưng lái tàu vẫn kiểm soát việc khởi động, dừng tàu và xử lý tình huống khẩn cấp.

GoA2 tự động hóa công tác điều độ và một số chức năng vận hành nhờ các hệ thống bảo vệ tiên tiến như ETCS cấp 2 hoặc 3, tuy nhiên lái tàu vẫn chịu trách nhiệm đóng mở cửa, phát hiện chướng ngại vật và xử lý sự cố. 

GoA3 cho phép tàu vận hành hoàn toàn tự động nhưng vẫn yêu cầu nhân viên trên tàu để can thiệp khi có sự cố. Cuối cùng, GoA4 là mức tự động hóa hoàn toàn, không cần nhân viên trên tàu để đảm bảo an toàn, dù vẫn có thể có nhân viên phục vụ hành khách nếu cần. Hệ thống CBTC (1) được xem là công nghệ nền tảng quan trọng để đạt GoA4.
(1) CBTC là viết tắt của Communication-Based Train Control, là hệ thống điều khiển tàu dựa trên truyền thông dữ liệu liên tục giữa tàu và trung tâm điều khiển. Khác với các hệ thống tín hiệu truyền thống dựa vào block cố định, CBTC sử dụng công nghệ định vị chính xác và liên lạc không dây để xác định vị trí thực tế của từng đoàn tàu trong thời gian thực. Nhờ đó, khoảng cách an toàn giữa các tàu được rút ngắn đáng kể, tăng mật độ khai thác mà vẫn duy trì mức độ an toàn cao. CBTC cũng là nền tảng cho các cấp độ tự động hóa cao như GoA3 và GoA4, cho phép tàu vận hành bán tự động hoặc hoàn toàn không người lái trong các hệ thống metro hiện đại.

Ứng dụng GoA4 trong hệ thống metro và các ví dụ quốc tế
GoA4 hiện chủ yếu được triển khai trong các hệ thống metro và phương tiện dẫn hướng tự động, nơi điều kiện vận hành dễ kiểm soát hơn. Paris là một trong những nơi tiên phong khi nguyên mẫu MP 51 sử dụng ATO cấp 2 đã vận hành tuyến shuttle (2) từ năm 1952 đến 1956. Hiện nay, Metro Paris hiện đã vận hành GoA4 trên tuyến 14 và tuyến 1 với hệ thống CBTC hiện đại. Nhiều thành phố trên thế giới cũng áp dụng công nghệ tương tự, chủ yếu trên mạng lưới metro. Tuy nhiên, câu hỏi quan trọng hơn là mức độ áp dụng trong đường sắt truyền thống.
(2) Tuyến shuttle (Shuttle service) là hình thức vận chuyển tuyến ngắn, thường được tổ chức với tần suất cao và hành trình lặp lại giữa hai điểm cố định. Dịch vụ này chủ yếu phục vụ nhu cầu di chuyển liên tục trong một hành lang cụ thể, chẳng hạn như kết nối giữa sân bay và trung tâm thành phố, giữa các ga lớn, hoặc giữa hai khu công nghiệp. Trong lĩnh vực đường sắt, shuttle service thường sử dụng đoàn tàu chuyên dụng chạy khứ hồi trên một đoạn tuyến ngắn, giúp giảm thời gian chờ, đảm bảo tính đều đặn của luồng hành khách và tăng hiệu quả khai thác hạ tầng.

Thử nghiệm và triển khai ATO tại Đức
Tại Đức, Deutsche Bahn triển khai chương trình Digital Rail Germany với mục tiêu ứng dụng ATO trên mạng lưới đường sắt. Năm 2018, một dự án thí điểm bắt đầu tại Hamburg trên mạng S-Bahn, với tổng vốn đầu tư 60 triệu euro từ DB, Siemens và thành phố Hamburg. Đến năm 2021, vận hành tự động được triển khai trên đoạn đường dài 23 km của các tuyến S2 và S21 giữa Berliner Tor và Aumühle. Dự án kết hợp ETCS và ATO, mang lại lợi ích nổi bật như tăng hiệu quả mạng lưới nhờ giảm headway (khoảng thời gian tối thiểu giữa hai đoàn tàu liên tiếp chạy trên cùng một tuyến hoặc cùng một chiều). Dữ liệu giao thông được truyền liên tục qua radio, giúp tàu tối ưu tốc độ, giảm phanh, tăng độ đúng giờ và rút ngắn thời gian dừng ga.

AutoHaul tại Úc – Ví dụ tiêu biểu về tàu hàng tự động
Tại Úc, tập đoàn Rio Tinto vận hành hệ thống tàu hàng tự động AutoHaul tại vùng Pilbara từ năm 2018. Hệ thống quản lý 1.700 km đường sắt và khoảng 200 đầu máy, được mô tả là hệ thống lớn nhất thế giới khi có khả năng vận hành đồng thời lên đến 50 đoàn tàu không người lái. Mỗi đoàn tàu dài 2,4 km với khoảng 240 toa, sử dụng 2 đến 3 đầu máy để kéo 28.000 tấn quặng sắt từ 16 mỏ đến các cảng Dampier và Cape Lambert. Hành trình trung bình 800 km được hoàn thành trong khoảng 26-40 giờ. Nhân viên chỉ tham gia vận hành vào giai đoạn cuối ở gần cảng, trong khi toàn bộ quá trình xếp dỡ đều tự động.

Thử nghiệm của Alstom tại châu Âu
Năm 2022, Alstom ra mắt thành công đầu máy dồn dịch (3) đạt mức tự động hóa tương đương GoA4 trong thử nghiệm. Đầu máy có khả năng tự động khởi động, tăng giảm tốc, dừng lại và phản ứng với các tình huống bất ngờ mà không cần nhân viên trên tàu. Dự án, hợp tác cùng ProRail và Lineas, trang bị đầu máy diesel-thủy lực công nghệ ATO của Alstom và hệ thống nhận diện chướng ngại vật của NIART by Elta. Trong thử nghiệm, đầu máy xử lý chính xác các chướng ngại gồm người, ô tô, toa xe và ghi sai vị trí, trong nhiều điều kiện thời tiết, với khoảng cách phát hiện lên đến 500 m. Đây là bước tiến quan trọng, và những nâng cấp tiếp theo có thể bao gồm hệ thống ghép nối – tách nối toa xe tự động.
(3) Đầu máy dồn dịch là loại đầu máy chuyên dùng để di chuyển, sắp xếp và ghép – tách các toa xe trong phạm vi ga, bãi hàng hoặc depot. Khác với đầu máy kéo tàu chính tuyến, đầu máy dồn dịch hoạt động ở tốc độ thấp, ưu tiên lực kéo lớn và khả năng vận hành chính xác, đóng vai trò then chốt trong quá trình lập đoàn tàu, đặc biệt đối với vận tải hàng hóa.

Kết luận
Những ví dụ trên cho thấy ATO đang định hình lại hoạt động đường sắt, nâng cao an toàn, hiệu quả và độ tin cậy trên cả lĩnh vực vận tải hành khách lẫn hàng hóa. Khi nghiên cứu và triển khai tiếp tục mở rộng, các công nghệ như dồn dịch tự động, metro không người lái và ghép nối kỹ thuật số hứa hẹn mang đến những thay đổi sâu rộng hơn nữa. Sự phát triển của ATO vẫn đang tiếp diễn, và việc ứng dụng ngày càng rộng rãi chứng minh rằng tương lai của tàu tự động đang đến rất gần.

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

 

Nguồn: Railway Explained