3.2.2.1. Định vị đoàn tàu trên khu gian
Hiện nay, vị trí đoàn tàu và toa xe nhận được từ nhân viên nhà ga truyền tới nhân viên OCC thông qua điện thoại. Những thông tin vị trí có độ chính xác nhất định đối với nhà ga. Tuy nhiên phương pháp này nhược điểm độ tin cậy thấp do lỗi tiềm ẩn của con người cũng như thời gian trễ từ lúc toa xe di chuyển đến lúc vị trí được xác định bằng nhân công
Nhằm trang bị một hệ thống xác định vị trí đoàn tàu và toa xe hoạt động cung cấp vị trí của đoàn tàu tự động và vị trí của toa xe được hỗ trợ kỹ thuật với độ chính xác và tin cậy hợp lý. Hệ thống định vị xác định vị trí ban đầu sẽ có độ chính xác ít nhất là bằng với hệ thống hiện tại tuy nhiên độ tin cậy cao hơn nhờ các phương tiện kỹ thuật hơn là sự phản hồi thông tin nhân công. Nguyên lý hoạt động của việc xác định vị trí đoàn tàu và toa xe như sau
Định vị đoàn tàu
Hình 3.4. Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống trên khu gian
Thiết bị GPS trên tàu Tung tâm ĐHVT Nhà ga trung gian GSM/GPRS ADSL GSM GSM/GPRS
Xác định vị trí đoàn tàu thực tế là dựa trên việc xác định vị trí của đầu máy. Mỗi đầu máy sẽ được trang bị hệ thống định vị gắn trên nó, hệ thống này sẽ xác định vị trí đoàn tàu thường xuyên và tự động nhờ hệ thống định vị vệ tinh GPS và nó sẽ truyền thông tin vị trí này tới OCC thông qua GSM hoặc thông qua hệ thống truyền dẫn của nhà ga (ADSL). Độ sẵn sàng và chính xác của việc xác định vị trí này sẽ cho phép hệ thống OCC xác định vị trí đoàn tàu tối thiểu “trong khu gian”, nó sẽ bằng (thậm chí tin cậy và hiệu quả hơn) việc xác định vị trí bằng giấy và nhân công hiện nay. Các nhân viên điều hành vận tải sẽ quan sát một cách trực quan đoàn tàu đang vận hành trên khu gian với độ liên tục phụ thuộc vào tần suất gửi các bản tin của đầu máy tới OCC thông qua mạng GSM
Để đạt được điều đó, thiết bị trên tàu cần phải truyền vị trí và vận tốc của nó tới OCC ít nhất khi tàu ra khỏi ga, tàu vào ga và tất cả các vị trí trọng yếu trên khu gian, bao gồm tại các vị trí cần hạn chế tốc độ, các vị trí có bán kính cong nhỏ…, tất cả các vị trí này sẽ được lập trình cụ thể trên bản đồ số theo công lệnh chạy tàu hằng năm của ngành Đường sắt. Phụ thuộc vào sự sẵn sàng của GPS và GSM tàu có thể được xác định vị trí dọc theo tuyến giữa các nhà ga để cung cấp cho hệ thống OCC xác định biểu đồ thời gian chính xác cho hành trình giữa các ga.
Tuy nhiên nếu vùng phủ sóng của GPS và GSM không đủ giữa các ga khi đó OCC sẽ có vị trí và giữ vững biểu đồ thời gian theo logic. Vị trí trong các ga sẽ đủ chính xác để biết một tàu được đưa ra là trong ga xyz. Vị trí trên các đường ray trong ga cụ thể (ví dụ 1 hoặc 2 hoặc 3) sẽ nhận được như là kết quả của thông tin GPS cộng với kế hoạch chạy tàu. Có nghĩa là nếu kế hoạch chạy tầu biết trước đường ray trong ga chính xác cho tàu này sau đó nó sẽ được chỉ ra ở đó liệu thông tin định vị GPS có phủ đường ray đó trong phạm vi chính xác hay không.
Định vị toa xe
Các toa xe được định vị như các toa xe đơn lẻ trong các khu vực bãi hay như các toa xe trong một đoàn tàu. Các toa xe trong đoàn tàu khi đang ở trên khu gian được định vị cùng với các đầu máy kéo nó bằng thiết bị GPS. Các toa xe đơn trong các khu vực bãi thì được xác định bằng nhân công thông qua việc đọc thông tin trên thẻ RFID gắn trên toa tàu bằng đầu đọc cầm tay.
Mỗi ga ở đó các toa xe đỗ thông thường sẽ được trang bị một đầu cuối (PC) nó sẽ được liên kết tới OCC thông qua mạng thông tin của VNR (kết nối modem). Các đầu cuối này cung cấp một cơ sở dữ liệu (dạng bảng) ở đó nhân viên nhà ga phải đưa vào các vị trí của các toa xe trên các đường ray trong ga và bãi.
3.2.2.2. Định vị đoàn tàu trong ga [1],[4],[7]
Hình 3.5. Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống định vị trong ga
Hình 3.5 mô tả nguyên tắc hoạt động của hệ thống định vị đoàn tàu khi đoàn tàu đã nằm trong ga sử dụng công nghệ nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID, cụ thể như sau:
- Trên mỗi đầu máy và các toa xe đều được gắn các thẻ RFID (mỗi phía một cái để xác định vị trí cả khi đoàn tàu vào ga và ra ga), thẻ được gắn ở bên thành xe tại độ cao 123 mm so với đỉnh ray và có thể hoạt động liên tục trong vòng 10 năm. Nó làm việc như một bộ phát đáp vô tuyến để truyền những thông tin về đầu máy, toa xe tới máy đọc thẻ đặt bên đường khi tàu chạy qua. Mỗi thẻ chứa thông tin về xe gắn nó, ví dụ: kiểu xe, chủ xe, số xe... và các thông tin được lập trình khác.
Hình 3.6. Dạng bên ngoài của một thẻ RFID gắn trên tàu
Thẻ RFID gắn trên tàu Tung tâm ĐHVT Hệ thống xử lý trung tâm ở nhà ga ADSL GSM/GPRS ADSL
Đầu đọc RFID tại các đường ray trong ga
Thẻ bao gồm các mạch điều chế, nguồn, tạo mã, đồng hồ, bộ nhớ và antenna. Mạch đồng hồ điều khiển hoạt động của tất cả các mạch khác của thẻ sao cho thông tin được chứa trong bộ nhớ được chuyển đến hệ thống đọc thẻ trong khoảng thời gian chính xác. Thông tin chứa trong bộ nhớ là cố định và là một mã duy nhất được chủ xe chỉ ra khi gắn thẻ vào thiết bị chuyển động (toa xe hoặc đầu máy...).
Mạch tạo mã sẽ mã hoá thông tin được lưu trong mạch nhớ. Mạch điều chế thu thập thông tin được mã hoá từ mạch tạo mã và điều khiển mạch antenna sao cho thông tin mã hoá được phản xạ về lại hệ thống đọc thẻ.
Thẻ được chia thành 2 loại chính là thẻ không pin và thẻ dùng pin. Thẻ không pin cần được đặt gần antenna của hệ thống đọc để thu được đủ năng lượng vô tuyến cấp nguồn cho các mạch điện tử của thẻ hoạt động. Thẻ dùng pin không cần đặt gần antenna của hệ thống thu vì pin cấp nguồn liên tục để mạch điện tử của thẻ hoạt động. ưu điểm của thẻ dùng pin là có cự ly hoạt động lớn hơn và giảm công suất vô tuyến yêu cầu từ hệ thống đọc thẻ. Ưu điểm của thẻ không pin là tuổi thọ dài hơn. Bất luận thuộc loại nào thì thẻ cũng không phát ra năng lượng vô tuyến. Nó chỉ phản xạ năng lượng được truyền tới bởi hệ thống đọc thẻ. Thẻ không pin, có cự ly hoạt động cách antenna của hệ thống đọc thẻ tối đa khoảng 6 mét, còn đối với thẻ dùng pin cự ly này có thể đạt đến 60 mét
Để giảm bớt việc duy tu, các thẻ này không dùng pin mà dùng chính năng lượng của chùm sóng vô tuyến phát ra từ thus của máy đọc thẻ. Máy đọc thẻ đặt bên đường thu phát ra một chùm sóng vô tuyến tần số 900 MHz về phía xe gắn thẻ. Thẻ RFID dùng năng lượng được cung cấp từ chính chùm sóng này để hoạt động. Nó sẽ điều chế chùm sóng bằng thông tin chứa trong thẻ và phản xạ ngược về phía máy đọc thẻ. Thông tin thu thập được từ máy đọc thẻ có thể được cung cấp cho máy tính tại trung tâm điều độ hoặc trung tâm chăm sóc khách hàng.
- Tại 2 đầu mỗi đường ray trong ga được trang bị hệ thống đọc thẻ: bao gồm antenna, khối cao cần và khối đọc thẻ. Hệ thống đọc thẻ thường được đặt tại các điểm then chốt bên đường sắt gần khu vực ghi để ghi lại thông tin về các thiết bị chuyển động thông qua.
Khi bộ phát hiện thiết bị chuyển động phát hiện được sự có mặt của đoàn tàu, khối cao tần phát đi một tín hiệu đơn tần trong băng tần 900 MHz chưa điều chế về phía thẻ được gắn trên thiết bị chuyển động. Thẻ phản xạ tín hiệu đã được điều chế ngược lại về phía khối cao tần. Khối cao tần khi nhận được tín hiệu phản xạ này sẽ chuyển đến bộ đọc thẻ để giải mã thông tin chứa trong thẻ và chuyển thông tin đó đến máy tính chủ để dùng cho mục đích nhận dạng, theo dõi và lập hành trình cho thiết bị chuyển động được gắn thẻ.
Đáng chú ý là thẻ không phải là một máy phát vô tuyến. Nó hoạt động như các thiết bị gây nhiễu trường điện từ, thay đổi nhẹ và phản xạ tín hiệu được hệ thống đọc thẻ phát đến. Phương pháp thông tin này được gọi là phân tán ngược có điều chế.
Hình 3.7. Dạng bên ngoài của một đầu đọc thẻ
Hình 3.8. Bên trong thiết bị đọc thẻ
- Khối cao cần chứa một máy phát cao tần, bộ xử lý cao tần, bộ thu và bộ tiền khuyếch đại. Khối cao tần có nhiệm vụ phát và thu năng lượng vô tuyến. Năng lượng vô tuyến được tạo ra bởi bộ giao động và được khuyếch đại bởi bộ xử lý vô tuyến và được phát ra ngoài không gian qua antenna. Năng lượng vô tuyến được phản xạ lại từ thẻ được cũng được thu bởi cùng antenna này. Cả tín hiệu được khối cao tần phát ra và thu về đều là tín hiệu vô tuyến đơn tần và cùng
một tần số thuộc băng tần 900 MHz. Công xuất phát tại máy phát thường là 2 W.
- Khối đọc thẻ giải mã tín hiệu mã hoá do bộ thu truyền tới thành thông tin nhị phân tương ứng 128 bit thông tin chứa trong thẻ. Khối đọc gồm có bộ khuyếch đại, mạch giải mã và mạch kiểm tra lỗi, bộ vi xử lý, đồng hồ thời gian thực và khối nguồn.
Những đầu vào này được cung cấp thông qua đầu đọc thẻ RFID xách tay hoặc bằng nhân công thông qua bàn phím khi kiểm tra vị trí của toa xe trong khu vực bãi và đồng bộ với một đầu cuối thông qua một thiết bị kết nối. Cơ sở dữ liệu cục bộ này là đồng bộ với cơ sở dữ liệu trung tâm trong OCC sau khi chỉnh sửa nhân công để đảm bảo rằng cơ sở dữ liệu trung tâm liên tục được cập nhật hàng ngày. Cơ sở dữ liệu trung tâm cung cấp đầu vào để hiện thị vị trí của toa xe trên các bức tranh tổng thể OCC.
Hình 3.9. Nhân viên nhà ga dùng máy cầm tay để đọc thẻ nhận dạng gắn trên toa xe
3.2.3. GPS trong các hầm [1],[4]
Định vị GPS chỉ làm việc với các vệ tinh trong tầm phủ sóng. Tuy nhiên khi tàu di chuyển qua các vùng không có tầm nhìn của vệ tinh (các hầm, đường qua rừng, nơi bị che và các toà nhà cao) thì định vị theo logic phải được thiết kế để khắc phục các trường hợp này.
Trước tiên, các vấn đề này xuất hiện trong khu gian nhiều hơn trong ga. Dựa vào nguyên lý các đoàn tàu được giám sát tối thiểu tại các ga hoặc trong các khu gian, nhược điểm mất sóng vệ tinh GPS trên các khu gian dọc theo tuyến không phải là vấn đề đáng quan tâm.
Tại các ga, luôn luôn có các khu vực với vùng phủ sóng GPS mà cho phép định vị tối thiểu “trong ga” hoặc “trong khu gian”. Có thể hiểu được là người ta mong muốn độ chính xác của định vị thực tế sẽ tốt hơn chỉ “trong ga”.
Về mặt lý thuyết định vị GPS có thể được hỗ trợ bới thiết bị đo quãng đường của đầu máy để giải quyết các khu vực không có sóng vệ tinh. Tuy nhiên việc đầu tư cho thiết bị này không phải do yêu cầu về độ chính xác. Đặc biệt do yêú tố giới hạn đối với việc thu nhận thông tin định vị giữa các ga sẽ không phải là do thiếu dữ liệu GPS mà do thiếu vùng phủ sóng GSM. Khi tàu đi qua hầm hoặc các vị trí không có sóng GPS nên tập trung vào định vị theo logic để có được vị trí chính xác hợp lý trong toàn hệ thống hơn là đạt được vị trí tốt nhất tại bất kỳ điểm nào dọc tuyến.
3.2.4. Các yêu cầu GSM
Nguyên lý xác định vị trí đoàn tàu là ở mức tối thiểu dựa trên yêu cầu xác định đoàn tàu đang ở trong ga hay đang ở trong khu gian, để đạt được điều này, thông tin giữa đầu máy và OCC là mức tối thiểu và chỉ cần sử dụng các tin nhắn ngắn có chứa các thông tin cần thiết của đoàn tàu, với điều kiện việc nhắn tin không bị ngắt quãng, đạt được độ tin cậy và sẵn sàng.
Việc truyền dữ liệu dựa trên GSM là phương tiện đơn giản nhất. Vì hệ thống định vị tổng thể sẽ được thiết kế sao cho chỉ các tin nhắn ngắn với độ mềm dẻo cao nhất được yêu cầu có xem xét đến thời gian và vị trí truyền, có thể mong đợi rằng vùng phủ sóng sẽ đủ sẵn sàng trên hầu hết các khu gian, trong các ga mà ở đó phạm vi bao phủ của GSM đủ để thực hiện.
Khi xem xét nguyên lý “tầu giữa các ga”, mong muốn đạt được vị trí của tàu ở mức chính xác ở mức cao hơn giữa các ga để cung cấp một hệ thống giám sát tai nạn tiềm ẩn và điều khiển biểu đồ chạy tàu thời gian thực chính xác thì việc tăng tần suất gửi tin nhắn sẽ được xem xét và nâng cao. Hiện tại chỉ cần đáp ứng việc gửi và nhận tin tại các vị trí trên tuyến cần phải giám sát theo yêu cầu
của Trung tâm điều hành vận tải (các điểm cần phải hạn chế tốc độ, các khu vực có đường cong nguy hiểm, khu vực đông dân cư…). Nếu tăng tần suất gửi tin nhắn lên thì việc quan sát biểu đồ chạy tàu theo thời gian thực sẽ được trực quan hơn.
Do đó hệ thống trên tàu sẽ được lập trình để biết vùng phủ sóng GSM và để truyền thông tin vị trí tới OCC khi qua các điểm cố định khi tàu đi giữa các ga. Tuy nhiên nếu độ phủ sóng không sẵn sàng khi đó thiết bị trên tàu sẽ truyền vị trí của nó ngay khi có sóng bao phủ.
VNR có thể thậm chí xem xét việc tăng vùng phủ sóng GSM bởi các bộ khuếch đại và anten để lấy các vùng phủ sóng ở khu vực khác và cung cấp nó cho các vùng chưa được phủ sóng. Phương pháp phủ sóng này có thể được cung cấp cho chức năng định vị cũng như cho hành khách và nhân viên của VNR sử dụng điện thoại di động.
CHƢƠNG IV
KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ
4.1. KẾT LUẬN
Nội dung của Luận văn đã nêu ra được những hạn chế còn tồn tại của Ngành Đường sắt Việt Nam nói chung và của việc điều hành khai thác chạy tàu nói riêng, trong đó công nghệ định vị đoàn tàu và toa xe chiếm một vị trí hết sức quan trọng. Việc đưa công nghệ định vị đoàn tàu và toa xe sử dụng GPS và các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất đã đem lại những lợi ích to lớn trong việc điều hành, khai thác chạy tàu của ngành Đường sắt Việt Nam, trước hết công nghệ này sẽ loại bỏ được những nhược điểm của hệ thống cũ, lạc hậu kém hiệu quả, đem lại khả năng cạnh tranh trong lĩnh vực vận tải và mở ra một trang mới trong công cuộc cải tổ ngành Đường sắt Việt Nam.
4.2. NHỮNG LỢI ÍCH ĐẠT ĐƢỢC CỦA HỆ THỐNG MỚI [1],[4]
4.2.1. Đảm bảo an toàn chạy tàu
Lợi ích trước mắt và quan trọng nhất mà hệ thống điều hành vận tải mới đạt được đó là đảm bảo an toàn chạy tàu, trước đây, với công nghệ cũ và lạc hậu thì việc điều hành chạy tàu chủ yếu phụ thuộc vào yếu tố con người nên mức độ an