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 cơ sở hạ tầng giúp đảm bảo an toàn trong việc vận hành các đoàn tàu ở tốc độ cao: Hệ thống tín hiệu đường sắt.

Tín hiệu đường sắt và nguyên tắc vận hành cơ bản
Tín hiệu đường sắt đã trải qua quá trình phát triển liên tục kể từ những ngày đầu của giao thông đường sắt, trở thành một trong những hệ thống cốt lõi giúp đảm bảo năng lực, tốc độ và sự an toàn khi vận hành. Đường sắt bao gồm nhiều công nghệ và phân hệ liên kết với nhau, trong đó tín hiệu là một thành phần quan trọng.

Trước khi tìm hiểu quá trình phát triển lịch sử của hệ thống tín hiệu, cần hiểu một nguyên tắc vận hành cơ bản: Vì lý do an toàn, chỉ một đoàn tàu được phép chiếm dụng một đoạn hạ tầng đường sắt tại cùng một thời điểm (For safety reasons, only one train may occupy a given segment of rail infrastructure at any time). Khi đường sắt còn rất ngắn và thường chỉ nối điểm A với điểm B, điều này đồng nghĩa toàn bộ tuyến chỉ có thể có một đoàn tàu. Tuy nhiên, khi nhu cầu tăng lên và đường sắt cần vận hành nhiều đoàn tàu hơn, các quy tắc vận hành mới và các hệ thống kỹ thuật phải được phát triển. Dẫu vậy, nguyên tắc cốt lõi vẫn không thay đổi từ thế kỷ 19 đến thế kỷ 21: tàu sẽ không va chạm nếu không được phép đi vào cùng một đoạn tuyến cùng lúc.

Hệ thống khối và tín hiệu thời gian trong giai đoạn sơ khai
Để cho phép nhiều đoàn tàu hoạt động trên cùng một tuyến, đường sắt bắt đầu chia tuyến thành các đoạn gọi là block. Trong giai đoạn đầu, các block này được duy trì bởi con người – những người được gọi là “policemen” – đứng cách nhau một khoảng nhất định dọc tuyến.

Họ sử dụng đồng hồ bấm giờ và tín hiệu tay để báo cho lái tàu biết thời gian trôi qua kể từ khi đoàn tàu trước đó đi qua vị trí của họ. Các cờ đỏ, vàng và xanh thể hiện các mức thời gian khác nhau: đỏ nếu tàu trước vừa đi trong vòng chưa đến 5 phút, vàng nếu từ 5 đến 10 phút, và xanh chỉ khi đã hơn 10 phút. Hệ thống này được gọi là tín hiệu theo khoảng thời gian.

Tuy nhiên, hệ thống này có nhiều nhược điểm nghiêm trọng. Những người cảnh giới không thể biết đoàn tàu phía trước đã hoàn toàn rời khỏi block kế tiếp hay chỉ dừng lại ở nơi khuất tầm nhìn. Điều này khiến lái tàu đôi khi tin rằng họ có khoảng cách 10 phút an toàn, nhưng thực tế đoạn tuyến trước vẫn bị chiếm dụng. Trong khi đó, tàu hỏa cần quãng đường phanh rất dài – thường không dưới 700 mét và có thể lên đến 1.500 mét hoặc hơn. Do đó, tai nạn có thể xảy ra.

Về mặt năng lực khai thác, khoảng cách 10 phút cũng hạn chế nghiêm trọng số đoàn tàu có thể chạy trên một tuyến. Khi kỹ sư cố gắng giảm khoảng cách để tăng năng lực, số lượng tai nạn lại tăng. Điều này cho thấy cần một giải pháp hoàn toàn khác.

Sự ra đời của tín hiệu cố định và các tiến bộ của thế kỷ 19
Đến giữa thế kỷ 19, nhiều công ty đường sắt bắt đầu áp dụng tín hiệu cố định đặt dọc tuyến (fixed trackside signals) nhằm thay thế tín hiệu bằng tay và tăng năng lực vận hành. Sự xuất hiện của điện báo và sau đó là điện thoại cho phép nhân viên ở mỗi block xác nhận với block kế tiếp rằng đoàn tàu đã hoàn toàn rời khỏi đoạn tuyến của họ.

Tín hiệu cơ khí xuất hiện tại Anh vào năm 1841, và đến năm 1860, cabin tín hiệu với hệ thống cần gạt điều khiển ghi (1) và tín hiệu từ xa đã được đưa vào sử dụng. Người trực tín hiệu theo dõi đoàn tàu bằng mắt thường, và khi tàu rời khỏi block của mình, họ thông báo cho cabin phía trước thông qua các tín hiệu chuông.
(1) Ghi (switches/ points) là bộ phận cho phép tàu chuyển từ một đường ray sang đường ray khác.

Theo thời gian, tín hiệu được phân thành hai nhóm: tín hiệu gần (home) và tín hiệu xa (distant). Tín hiệu xa đưa ra cảnh báo sớm về trạng thái của tín hiệu tiếp theo, cho lái tàu thêm khoảng cách quan sát và phanh, từ đó cho phép tăng tốc độ vận hành. Màu vàng được quy định cho tín hiệu xa, còn đỏ và xanh tương ứng với dừng và chạy.

Mặc dù tín hiệu cơ khí vẫn còn tồn tại ở một số nước, bước tiến tiếp theo là tín hiệu đèn màu. Hệ thống này hiển thị rõ ràng cả ngày lẫn đêm và yêu cầu bảo trì ít hơn. Các ý nghĩa cơ bản gồm: 
– Xanh: chạy theo tốc độ tuyến
– Vàng: chuẩn bị dừng ở tín hiệu tiếp theo
– Đỏ: dừng lại.

Tín hiệu block tự động và hai phương pháp phát hiện chiếm dụng
Hệ thống tín hiệu phát triển xa hơn với cơ chế block tự động, trong đó tuyến được chia thành các đoạn có chiều dài tối thiểu bằng quãng đường phanh của đoàn tàu nhanh nhất trên tuyến. Hai phương pháp phát hiện đoàn tàu được sử dụng: mạch đường ray và bộ đếm trục.

Mạch đường ray hoạt động bằng cách cách điện hai đầu mỗi block và duy trì dòng điện qua đường ray. Khi block trống, rơ-le được cấp điện; khi tàu chiếm dụng, bánh tàu làm ngắn mạch và rơ-le mất điện. Hệ thống này còn có thể phát hiện gãy ray.

Bộ đếm trục sử dụng thiết bị tại đầu vào và đầu ra block để đếm số lượng trục (axle). Khi đoàn tàu đi qua cảm biến đầu vào, mỗi trục bánh xe được ghi nhận và hệ thống tăng số đếm. Khi đoàn tàu rời block và đi qua cảm biến đầu ra, số trục được trừ tương ứng. Nếu số trục đi vào bằng số trục đi ra, hệ thống kết luận block đã trống. Dựa trên hệ thống này, các công nghệ liên khóa tiên tiến và các hệ thống bảo vệ tàu tự động (Automatic Train Protection – ATP) được phát triển nhằm nâng cao an toàn.

Hệ thống bảo vệ tàu tự động và mô hình phanh
ATP theo dõi tốc độ của đoàn tàu một cách liên tục. Ban đầu, ATP cung cấp cảnh báo âm thanh và chỉ dẫn tốc độ, đồng thời tự động phanh nếu lái tàu không phản hồi khi vượt tốc hoặc vượt tín hiệu đỏ. Một nguyên lý quan trọng của ATP là mô hình phanh, cho phép dự đoán tốc độ tối đa an toàn theo thời gian thực để tàu có thể dừng trước điểm nguy hiểm.

Khi đã xác định được đường cong phanh, hệ thống có thể tính toán tốc độ tối đa cho phép tại mọi thời điểm.

Khối di động và khả năng tăng tối đa năng lực tuyến
Một bước phát triển quan trọng hơn là hệ thống khối di động. Tại đây, máy tính xác định một “vùng an toàn” di động quanh từng đoàn tàu, dựa trên vị trí và tốc độ chính xác thu được thông qua các cảm biến trên tàu và các mốc trên đường.

Trong hệ thống này, tín hiệu bên đường không còn cần thiết, và thông tin được truyền trực tiếp vào buồng lái. Điều này cho phép các đoàn tàu chạy sát nhau ở đúng khoảng cách phanh an toàn, đạt năng lực lý thuyết tối đa của tuyến.

Tín hiệu trong thời đại tốc độ cao và công nghệ truyền thông
Với sự gia tăng tốc độ chạy tàu, lái tàu không còn có thể quan sát rõ tín hiệu bên đường, khiến việc loại bỏ tín hiệu truyền thống trở thành yêu cầu bắt buộc. Ở châu Âu, tín hiệu bên đường không được sử dụng ở tốc độ trên 160 km/h.

Các hệ thống hiện đại dựa trên truyền thông vô tuyến giữa hạ tầng và đoàn tàu. Tại Hàn Quốc, các dự án thử nghiệm sử dụng công nghệ LTE 4G trong tín hiệu đường sắt đã được triển khai.

Tổng kết quá trình phát triển của tín hiệu đường sắt
Trong suốt hai thế kỷ, tín hiệu đường sắt luôn tiến hóa để đáp ứng sự phát triển của công nghệ và nhu cầu thị trường. Nguyên tắc chiếm dụng độc quyền một đoạn tuyến vẫn giữ nguyên, nhưng chiều dài của đoạn này đã giảm dần để tăng năng lực. Đồng thời, phương thức truyền đạt tín hiệu đã chuyển từ cờ tay, tín hiệu cơ khí, tín hiệu đèn màu, đến các hệ thống không cần tín hiệu bên đường và giao tiếp trực tiếp theo thời gian thực giữa hạ tầng và buồng lái.

Phát triển này đã nâng cao mức độ an toàn, hiệu quả và hiệu suất vận hành của đường sắt trên toàn thế giới.

Để xem các tin bài khác về “Hệ thống tín hiệu”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Railway Explained