3.1.1. Yêu cầu đối với Trung tâm điều hành vận tải tƣơng lai [1],[3],[4]
Trung tâm điều hành vận tải đường sắt - OCC, với tư cách là cốt lõi hoạt động của mạng lưới Đường sắt Việt Nam, sau khi nhận yêu cầu về các tàu khách và tàu hàng sẽ chịu trách nhiệm lên kế hoạch chi tiết cho các nguồn lực cần thiết để vận hành chạy tàu. Để hoạt động điều hành vận tải của trung tâm đạt hiệu quả cao thì các vấn đề quan trọng sau đây cần phải đạt được:
3.1.1.1. Độ tin cậy trong việc xác định vị trí đoàn tàu
Do hiện tại các thiết bị truyền dẫn và hệ thống thông tin, tín hiệu hiện đại chưa được lắp đặt trên toàn mạng lưới của Đường sắt Việt Nam (nơi sẽ cung cấp thông tin về vị trí của đoàn tàu và các đặc tính của nó), nên các bộ định vị toàn cầu đặt trên các đầu máy sẽ cung cấp các thông tin này thông qua mạng thông tiin di động GSM và độ tin, cậy chính xác cũng phụ thuộc công nghệ này. Công nghệ định vị đoàn tàu sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS của Bộ quốc phòng Mỹ, hệ thống này đảm bảo đủ độ chính xác và tin cậy nhưng có thể bị khoá kênh cung cấp cho dân sự trong trường hợp xảy ra xung đột (do đó trong tương lai cần phải phát triển thêm các hệ thống định vị khác để dự phòng). Bộ định vị đoàn tàu GPS đặt trên đầu máy sẽ xác định vị trí của đoàn tàu, số hiệu nhận dạng của đoàn tàu và gửi các dữ liệu này qua đường truyền vô tuyến của mạng thông tin di động mặt đất GSM tới trung tâm điều hành vận tải để đánh giá.
Do chiều dài đường trong ga ngắn, các đoàn tàu dồn đôi khi chiếm dụng đường của khu gian. Khi thiết bị tín hiệu giám sát việc chiếm dụng đường bị mất, đoàn tàu dồn có thể gây nguy hiểm cho các đoàn tàu thông thường. Để thông báo cho người gửi đón đường về các hoạt động dồn dịch và số liệu về các đoàn tàu dồn hiện có trong khu vực nhà ga, đoàn tàu cũng sẽ được trang bị thêm các thiết bị định vị toa xe riêng biệt để xác định vị trí khi nằm trong nhà ga.
3.1.1.2. Lập biểu đồ chạy tàu bằng máy tính
Lập biểu đồ chạy tàu bằng máy vi tính sẽ tính toán thời gian chạy tàu và quãng đường đi được một cách chính xác nhất theo công lệnh về tốc độ chạy tàu, các biểu đồ này cũng sẽ được cập nhật liên tục và hiển thị on-line, các lái tàu chỉ việc dựa vào đó để điều chỉnh tốc độ của đoàn tàu.
Hơn nữa, bảng thời gian chạy tàu trên đường dành cho tài xế sẽ được phân tích. Chương trình sẽ sử dụng các dữ liệu về đường (bán kính cong, độ dốc, độ nhấp nhô, chiều dài đường tránh trong ga và chiều dài các khu gian) và các dữ liệu về đoàn tàu (lực kéo, lực hãm, trọng lượng đoàn tàu) để tính toán biểu đồ. Đòi hỏi các thiết bị có khả năng điều chỉnh biểu đồ thời gian.
3.1.1.3. Kiểm soát chạy tàu và đánh giá khả năng vận hành
Thông tin về vị trí đoàn tàu và thời gian sẽ được sử dụng cho việc so sánh vị trí của đoàn tàu theo kế hoạch và thực tế. Tình trạng xung đột sẽ được dự báo trước, các cảnh báo hiện tượng vượt tàu, chạy quá tốc độ sẽ được đưa ra kịp thời. Trong trường hợp không giải quyết được tình trạng xung đột, hệ thống sẽ kích hoạt hệ thống báo động trên bàn của giám sát viên và điều độ viên. Các dữ liệu về chạy tàu sẽ được ghi lại và đánh giá; các báo cáo định kỳ sẽ thông báo cho lãnh đạo Đường sắt Việt Nam về chất lượng và tình hình hoạt động và vận hành của toàn bộ hệ thống.
3.1.1.4. Tối ƣu hoá việc sử dụng đầu máy toa xe và nhân viên phục vụ
Mô đun “Quản lý con người và đầu máy toa xe” sẽ ghi lại các dữ liệu về vị trí, tính sẵn sàng và hoạt động của đầu máy, toa xe khách, toa xe hàng trên toàn bộ mạng lưới đường sắt. Dữ liệu về con người sẽ được xử lý cùng với kế hoạch đầu máy, toa xe. Việc kết hợp dữ liệu kế hoạch thời gian, con người, vị trí đầu máy toa xe và tính sẵn sàng sẽ tạo ra hiệu quả cao trong việc lập kế hoạch phân công công việc có tính đến việc xem xét thời gian nghỉ của nhân viên và xí nghiệp sửa chữa, bảo dưỡng của đầu máy, toa xe.
3.1.1.5. Cải thiện thông tin và dịch vụ cho trực ban hoá vận
Mô đun này sẽ cải thiện chất lượng dịch vụ cho khách hàng và người chuyển hàng bằng cách đưa ra thông tin về: ví dụ: “hệ thống thông tin hậu cần” sẽ cung cấp cho các khách hàng đã đăng ký và những người điều hành có thẩm quyền các dữ liệu về thời gian thực tế, độ tin cậy và tiện ích như kế hoạch chạy tàu hàng, tính sẵn sàng và loại toa xe, mã hàng, chi phí vận chuyển, vị trí của thiết bị vận chuyển và hàng hoá. Hệ thống còn cải thiện công tác quản lý hàng ngày, việc đưa ra các quyết định, kiểm soát sự lưu thông hàng hoá của khách hàng và dự báo thời gian, địa điểm đến. Hệ thống cũng sẽ cung cấp tiểu sử của hàng hoá.
“Trực ban hoá vận” sẽ thu thập số liệu về chủng loại toa xe, vị trí, điều kiện và thành phần đoàn tàu ở các ga giao nhận hàng hoá, bãi tập kết hàng và các xưởng sửa chữa. Thông tin sẽ được truyền qua thiết bị vô tuyến nhập số liệu cầm tay đến trực ban thống kê của nhà ga để thu thập những dữ liệu này truyền đến cơ sở dữ liệu của “trung tâm điều hành vận tải”.
Dựa trên quan điểm về công nghệ mới, trung tâm điều hành vận tải tương lai sẽ bao gồm một Trung tâm ĐHVT (OCC) chịu tránh nhiệm chính và hai OCC trực thuộc (hay còn gọi là Trung tâm ĐHVT khu vực - RCC).
Hình 3.1. Các trung tâm điều hành vận tải đề xuất
Một Trung tâm ĐHVT khu vực - RCC đặt tại Hà Nội nằm cạnh trung tâm OCC chính chịu trách nhiệm điều hành tuyến đường sắt phía Bắc, và một đặt tại tại Sài Gòn quản lý tuyến đường sắt phía nam, xem hình 3.1.
Trung tâm điều hành vận tải tương lai sẽ có các chức năng chủ yếu sau: Xác định chính xác vị trí của đoàn tàu kể cả tàu dồn dịch và tàu công
vụ,
Lập biểu đồ chạy tàu bằng máy tính,
Kiểm soát chạy tàu, đánh giá công việc chạy tàu,
Tối ưu hoá việc sử dụng đầu máy, toa xe và các nhân viên được phân công,
Cải thiện thông tin và dịch vụ cho người điều hành hàng hoá,
Các chức năng khác như điều khiển từ xa các thiết bị đường dây và nhà
OCC gồm RCC
ga sẽ được bổ sung sau. Theo các tiêu chí trên thì tiêu chí xác định được chính xác vị trí và tốc độ của đoàn tàu trên tuyến là cực kỳ quan trọng và đóng vai trò then chốt cho sự hoạt động hiệu quả của một trung tâm điều hành vận tải. Trong khuôn khổ bài luận văn này chỉ nghiên cứu và lựa chọn công nghệ cho việc định vị đoàn tàu và toa xe trên toàn tuyến đường sắt.
3.1.2. Lựa chọn công nghệ [1],[4]
3.1.2.1. Các nguyên tắc của hệ thống định vị
Hiện tại, Đường Sắt Việt Nam đang ghi nhận vị trí các đoàn tàu, toa xe, hay đầu máy hoàn tòan bằng quá trình xử lý thủ công. Khi tàu rời khỏi ga, nhân viên điều độ nhà ga ghi chép lại thời gian xuất phát và mã hiệu của đoàn tàu và thông báo cho nhân viên điều độ của nhà ga kế tiếp bằng điện thoại. Khi tàu nằm ở trong ga thì nhân viên nhà ga tiến hành ghi chép lại các thông số liên quan như mã hiệu tàu, mã hiệu đường ray đang chiếm dụng … và báo về trung tâm OCC về các vị trí mới (các toa xe trong khu vực tập trung, đầu máy trong Depot, các đoàn tàu khi chúng được lập mới / tháo dỡ và khi đến hay rời ga) bằng điện thoại.
Điều này có nghĩa:
Thông tin sẵn sàng cho các nhà ga, bãi, depot nhưng không có thông tin trên tuyến giữa các ga. Các đoàn tàu được các nhân viên trung tâm OCC định vị theo thứ tự lôgíc giữa các ga liền kề vì không thể thực hiện tại tất cả các ga trên toàn tuyến;
Độ tin cậy của thông tin phụ thuộc phần lớn vào một chuỗi thông tin bởi con người. Nếu một mắt xích bị khuyết thì thông tin bị mất hay không chính xác.
Hệ thống định vị mới về lý thuyết có thể và sẽ được thiết kế và bố trí để đáp ứng mọi mức yêu cầu khả thi về thông tin chi tiết và tin cậy v.v. Tuy nhiên, vì chi phí là một yếu tố, nó cần được xem xét để quyết định một hệ thống định vị cung cấp thông tin ít nhất cũng đạt mức yêu cầu như hiện nay (vì toàn bộ hoạt động của Đường Sắt Việt Nam đang dựa vào nó) nhưng với mức độ chính xác và tin cậy cao hơn và tiện lợi. Để đạt được yêu cầu này, thì một hệ thống định vị tự động với đòi hỏi tối thiểu sự hỗ trợ bằng thủ công là cần thiết.
3.1.2.2. Lựa chọn công nghệ định vị
Hiện nay trên thế giới có sử dụng 3 phương pháp để xác định vị trí toa xe & đoàn tàu, bao gồm:
2. Định vị đoàn tàu & toa xe thông qua thẻ dữ liệu 3. Định vị đoàn tàu & toa xe thông qua sóng vô tuyến. Định vị đoàn tàu dựa vào liên khoá
Thông thường các thông tin định vị được thu thập từ các hệ thống phát hiện đoạn ray thanh thoát (không chiếm dụng) dựa vào liên khoá trên đường ray với sự chuyển tiếp dữ liệu mức logic (sự chiếm dụng đoạn ray được phát hiện qua mạch điện đường ray hay qua bộ đếm trục).
Giải pháp này làm việc khá tốt khi mà các liên khóa hiện đại (ít nhất liên khóa rơle hay hệ thống liên khóa điện tử) được triển khai trên tòan bộ hệ thống và thiết bị được bảo dưỡng tốt.
Giải pháp này không phải là giải pháp khả thi cho dự án trung tâm OCC của VNR vì những hệ thống này hầu như chưa triển khai áp dụng trong mạng lưới của VNR. Nhiều đoạn ray không có kết nối với liên khóa và hệ thống liên khóa thì hầu hết là cũ kỹ/không phải thiết bị mới. Hơn nữa, các đường truyền thông tin dữ liệu về OCC chỉ có cho 2 đoạn trên tuyến Hà Nội – Tp.HCM. Nếu trong tương lai hệ thống liên khóa hiện đại được triển khai áp dụng thì chúng có thể được sử dụng để cung cấp dữ liệu đầu vào “tự động” bổ sung ở các khu vực mà VNR có thể vẫn còn dựa vào dữ liệu đầu vào thủ công.
Định vị toa xe & đoàn tàu bằng thẻ dữ liệu RFID
Đối với giải pháp kỹ thuật này, tuyến đường ray được trang bị các đầu đọc RFID tại mọi chỗ giao nối và tại các vị trí mà tàu và toa xe có thể thay đổi vị trí, thêm vào hay tách khỏi đoàn tàu (tại nhà ga hay các bến tránh nhau). Các đầu đọc này sẽ gửi các thông tin cuả chúng đến máy chủ trung tâm qua mạng truyền dữ liệu tốc độ cao.
Hệ thống dựa vào thẻ dữ liệu này hoạt động tuyệt vời về phương diện độ chính xác vì sự can thiệp thủ công là rất ít. Tuy nhiên, hệ thống này đòi hỏi có một mạng thông tin dữ liệu phức hợp và các hệ thống đầu đọc rộng lớn trên toàn mạng lưới của VNR và đòi hỏi công việc bảo trì tốt để giữ độ tin cậy của hệ thống cao.
Toàn bộ hệ thống này hoạt động dựa vào hệ thống đầu đọc thẻ trên các tuyến đường ray và tại mỗi toa xe khách, toa xe hàng và mỗi đầu máy đều được trang bị một thẻ dữ liệu.
Các tuyến ray được trang bị các đầu đọc tại mọi chỗ giao nối và cắt ngang (trên toàn quốc) & ở những vị trí mà các đoàn tàu và toa xe có thể thay đổi vị trí.
Những đầu đọc này sẽ chuyển dữ liệu thông tin của chúng về máy chủ trung tâm thông qua một mạng truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao trên toàn quốc.
Sự di chuyển các toa xe và đầu máy qua các đầu đọc thẻ dữ liệu sẽ được ghi nhận và các số hiệu thẻ, số hiệu đầu đọc cũng như dấu thời gian sẽ được truyền đi với tốc độ gần bằng thời gian thực đến cơ sở dữ liệu trung tâm nơi mà một hình ảnh thực tế của các vị trí toa xe & đầu máy trên toàn quốc sẽ được lưu giữ.
Sự hoạt động và độ tin cậy của hệ thống thẻ dữ liệu này là khá, chính xác và ít cần đến sự can thiệp thủ công nếu như hệ thống này được xây dựng thỏa đáng và đầy đủ trên toàn tuyến.
Tuy nhiên, các hệ thống dựa vào thẻ dữ liệu này là có chi phí tương đối cao vì cần có một số lượng lớn các đầu đọc (chi phí mua các đầu đọc cũng như của hệ thống thông tin) và giải pháp định vị và xác định tốc độ các đoàn tàu khi đang di chuyển trên khu gian theo thời gian thực là không khả thi. Vì thế, đề xuất chỉ sử dụng phương pháp này tại các ga lập hàng và các ga lớn, có nhiều đường ray để thuận tiện trong việc xác định vị trí của đoàn tàu khi đang nằm trong nhà ga.
Định vị đoàn tàu nhờ sóng vô tuyến
Một phương án định vị khá phổ biến trên thế giới hiện nay đó là sử dụng sóng vô tuyến giống như các hệ thống định vị đối với các phương tiện đường bộ là dựa vào hệ thống định vị toàn cầu GPS, phương pháp này có ưu điểm là dễ sử dụng và hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực. Có một số dự án tham khảo đã triển khai trong môi trường đường sắt nơi mà các bộ thiết bị GPS được gắn trên các đầu máy nhằm cung cấp các thông tin định vị độc lập hoặc là cho chính ngành đường sắt hay là cho một bên thứ ba nào khác. Các thông tin định vị toàn cầu GPS thường được truyền về cơ sở dữ liệu trung tâm bằng sóng vô tuyến GSM sử dụng dịch vụ SMS (bản tin ngắn).
Với phương thức truyền dẫn thông tin vô tuyến này thì có một vài lựa chọn (thông tin vệ tinh, thông tin di động công cộng - GSM, mạng lưới vô tuyến của riêng Đường Sắt Việt Nam), tuy nhiên do thực tế là mạng lưới thông tin vô tuyến của riêng đường sắt Việt Nam hiện nay chưa được triển khai và các mạng lưới GSM công cộng đang được sử dụng ngày một rộng rãi và có chi phí sử dụng ngày càng rẻ hơn, do đó nên sử dụng mạng lưới GSM công cộng cho thông tin giữa tàu và trung tâm OCC. Hiện nay, các mạng lưới GSM tại Việt Nam đã có tầm phủ sóng rộng khắp và thậm chí đến những vùng sâu vùng xa, ít nhất là đến các xã, do vậy đảm bảo được việc phủ sóng đến tất cả các ga trên tuyến.
Vì vậy, trường hợp xấu nhất là ở một số khu vực của Đường sắt Việt Nam không phủ sóng GSM thì Ngành Đường sắt cần phải thương thảo với các nhà cung cấp dịch vụ di động GSM để bổ sung thêm các trạm BTS phục vụ cho mục đích này.
Với khả năng định vị và xác định tốc độ các đoàn tàu khi đang di chuyển trên khu gian theo thời gian thực của hệ thống GPS, kiến nghị sử dụng công nghệ GPS cho phương án định vị đoàn tàu trên khu gian kết hợp với công nghệ nhận dạng vô tuyến RFID cho phương án định vị đoàn tàu và toa xe trong khu vực ga thành một hệ thống định vị hoàn chỉnh cho toàn bộ mạng lưới của Đường sắt Việt Nam.
Hệ thống gắn trên tàu phục vụ cho hệ thống định vị dựa vào GPS gồm có các