Tổng quan về một giải pháp điều khiển cho hệ thống chuyển động tàu điện cao tốc Hà Nội

Tổng quan về một giải pháp điều khiển cho hệ thống chuyển động tàu điện cao tốc Hà Nội Tóm tắt: Bài báo trình bày tổng quát về quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội (MetroHN) và đặc trưng của nó. Mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội có 5 tuyến. Giai đoạn đầu tiên xây dựng 77,05km tuyến đường sắt đôi, khổ 1,435m đi trên cao, mặt đất và dưới ngầm. Mạng lưới đường sắt đô thị Hà Nội là hệ thống vận tải hiện đại có mức độ tự động hoá cao. Đoàn tàu có 4-6 toa, buồng lái hai đầu. Toa kéo được trang bị động cơ điện dị bộ, điều khiển theo nguyên lý VVVF, vận hành dưới lưới điện 750V DC. Hình 1: Sơ đồ mạng lưới đường sắt đô thị của thành phố Hà Nội Phát triển loại hình vận tải hành khách công cộng (VTHKCC) một cách tiện lợi, an toàn và chạy theo đúng lịch trình là hướng đi đúng đắn ở các thành phố lớn. Song song với việc này, chúng ta cần có các biện pháp để hình thành thói quen cho người dân sử dụng phương tiện VTHKCC. Khi thị phần sử dụng phương tiện VTHKCC của người dân tăng cao, tức khắc sẽ kéo theo giảm ùn tắc và tai nạn giao thông, giảm ô nhiễm môi trường, nhất là tại các nút giao thông “trung tâm” hay vào giờ cao điểm. Và một trong những loại hình VTHKCC có hiệu quả cao, tiện lợi nhất đó là hệ thống chuyên chở METRO [1]. Ở Việt Nam, Chính phủ rất chú trọng đến việc xây dựng và phát triển loại hình VTHKCC bằng đường sắt. Nhiều dự án đường sắt đô thị đã được nghiên cứu ở các thành phố lớn như Đà Nẵng, Tp.Hồ Chí Minh và Hà Nội. Ngày 01/8/2008, Thủ đô Hà Nội chính thức được mở rộng địa giới hành chính lên gần 3345 km2. Việc mở rộng lần thứ ba này đã khẳng định sự quan tâm đặc biệt của Đảng và Nhà nước đến sự phát triển của Thủ đô. Cùng với sự kiện này, một đề án quy hoạch mạng lưới đường sắt đô thị của Thủ đô đã được lập nên. Bản quy hoạch này đảm bảo tính kế thừa, hiện đại và khả năng mở rộng trong tương lai. MetroHN sẽ đóng vai trò chính trong VTHKCC với tốc độ cao và năng lực vận chuyển lớn. MetroHN bao gồm các trục chính và trục nhánh. Đối với các trục chính, sử dụng loại hình vận chuyển đường sắt nhẹ LRT (Light Rail Transit), tàu điện ngầm (Metro). Tại các trục nhánh, tùy theo đặc điểm của khu vực sẽ áp dụng phương thức vận chuyển khác nhau như mạng lưới xe buýt nhanh BRT (Bus Rapid Transit), xe buýt thường (Bus), xe điện bánh hơi (Tranlaybus), xe điện bánh sắt (Tramvai). Để khai thác tối ưu hiệu quả sử dụng, các tuyến đường sắt đô thị phải gắn kết với các khu đô thị, các trung tâm thương mại - dịch vụ - du lịch, trung tâm công nghiệp, trường học. Đồng thời, các tuyến đường sắt đô thị cũng gắn kết với nhau, hình thành nên một mạng lưới vận tải liên thông, bao quát tất cả các khu vực ngoại thị và đô thị quan trọng của thành phố. Quy hoạch tổng thể MetroHN xác định có năm tuyến metro được xây dựng và phương cách tích hợp các tuyến này với kết cấu hạ tầng giao thông hiện có. Quy hoạch tổng thể đặt ra mục tiêu đến năm 2020 mong muốn tăng thị phần người dân tham gia phương tiện giao thông công cộng đến 35-45% và giảm thị phần xe máy tham gia giao thông xuống dưới 30%. Bảng 1. Các tuyến Metro Hà Nội Mạng lưới đường sắt đô thị của Hà Nội đến năm 2020 [2] bao gồm các tuyến được đưa ra trong bảng 1 (*) Thiết kế - đang trong giai đoạn tư vấn thiết kế chi tiết các hạng mục (^) Thi công - đang thi công, xây dựng và lặp đặt các hạng mục trên tuyến (#) Kế hoạch - dự kiến sẽ thiết kế chi tiết và xây dựng trong tương lai Tuyến số 1 phục vụ các khu vực ngoại thành phía Đông Bắc và phía Nam Hà Nội đi qua khu vực trung tâm thành phố; Tuyến số 2 là xương sống cho khu vực đô thị hiện tại và tương lai. Tuyến số 2 nối sân bay Nội Bài và khu đô thị mới Đông Anh, Từ Liêm, khu phố cổ, khu phố kiến trúc Pháp, đi dọc hành lang quốc lộ 6 và tới Thượng Đình. Trong đó đoạn tuyến phía Bắc sông Hồng sẽ đi dọc hành lang của trục chính đô thị Nhật Tân - Vĩnh Ngọc - Nội Bài. Trong tuyến số 2 có đoạn đường sắt đô thị Hà Nội - Hà Đông (2A) dài 13,05km, hiện nay đang xây dựng, bắt đầu tại khu vực Cát Linh (giao với tuyến số 3), đi theo hành trình Cát Linh - Hào Nam - La Thành - Thái Hà - đường Láng - Ngã Tư Sở - quốc lộ 6 - Thượng Đình - Hà Đông - Ba La; Tuyến số 3 nối khu vực phía Tây với trung tâm và khu vực phía Nam thành phố. Trong đó đoạn tuyến từ Nhổn đến ga Hà Nội hiện đang xây dựng; Tuyến số 4 có dạng vòng tròn, kết nối với các tuyến còn lại và gắn kết với các dự án phát triển đô thị. Trước mắt xây dựng tuyến số 4 là tuyến xe buýt nhanh, trong tương lai sẽ phát triển thành tuyến đường sắt đô thị hoàn chỉnh; Tuyến số 5 có chức năng kết nối trung tâm thành phố Hà Nội với các khu đô thị dọc theo hành lang Láng - Hòa Lạc. Tuyến này trong tương lai sẽ kết nối với Trung tâm công nghệ cao Hoà Lạc và các khu đô thị phía Tây thành phố. Trước tiên, xây dựng ba tuyến metro có mật độ lưu thông lớn, đó là tuyến số 1, tuyến số 2 và tuyến số 3. Các tuyến này được xây dựng cùng nhau theo từng phân đoạn. Mỗi tuyến có depot và trung tâm điều hành riêng. Sau khi hoàn thành, các tuyến sẽ liên kết với nhau tạo thành một mạng lưới hoàn chỉnh. Các tuyến vận hành dưới sự điều phối của trung tâm quản lý và điều hành đường sắt đô thị Thủ đô. Các tuyến metro được xây dựng dựa trên công nghệ tiên tiến, hiện đại và có mức độ tự động hoá cao. Chính vì vậy, việc chọn lựa và đưa ra giải pháp cho hệ thống điều khiển chuyển động tàu điện cao tốc tại Thủ đô Hà Nội là công việc rất quan trọng. Kinh nghiệm ở các nước phát triển cho thấy, hệ thống điều khiển tàu điện cao tốc sẽ phải cập nhật mới sau 3-5năm, do sự gia tăng của mật độ hành khách, sự phát triển của công nghệ mới, … để mang lại sự chuyển động êm ái, an toàn, nhanh chóng và tiện lợi nhất cho hành khách. Hình 2: Cấu trúc hệ thống điều khiển chuyển động tàu điện cao tốc Qua nghiên cứu các hệ thống metro trên thế giới [3-6], tác giả đưa ra cấu trúc của hệ thống điều khiển chuyển động tàu điện cao tốc Hà Nội (HĐCT) như trình bày trong hình 2 HĐCT đảm bảo quá trình tự động vận chuyển hành khách một cách an toàn tuyệt đối và “êm ái” nhất. Một quá trình tự động vận chuyển bao gồm các giai đoạn: khởi động, chạy đà, chọn lựa chế độ lái tàu trên khu gian - là khoảng cách giữa hai nhà ga, hãm khi có giới hạn tốc độ, hãm dừng tại sân ga, đóng - mở cửa tàu, thu thập và xử lý thông tin về quá trình chạy tàu. Nhiệm vụ cơ bản của HĐCT là điều khiển các đoàn tàu chạy đúng theo bảng thời gian đã quy định với độ chính xác cho trước khi được bù nhiễu. Trong trường hợp không được bù nhiễu, HĐCT sẽ thực hiện điều chỉnh lại bảng thời gian, sau đó thực hiện điều khiển chuyển động các đoàn tàu chạy theo bảng thời gian đã hiệu chỉnh. Cho dù có hay không được bù nhiễu, HĐCT cũng phải đảm bảo năng lực chuyên chở trên toàn tuyến, và tiêu hao điện năng ít nhất. HĐCT bao gồm ba hệ thống con, đó là hệ thống điều khiển tự động tàu điện (HĐTT), hệ thống đảm bảo an toàn chạy tàu (HACT) và hệ thống điều độ tàu (HĐĐT). HĐTT thực hiện điều khiển tất cả các tàu chạy trên tuyến đường sắt mà không cần người lái, có người lái (để xử lý trong trường hợp khẩn cấp) nhưng hoàn toàn chạy tự động hoặc tự động một phần. Hầu hết các hệ thống điều khiển tự động tàu điện đều duy trì người lái để giảm thiểu rủi ro liên quan đến sự thực hiện thất bại của thiết bị hoặc trong lúc khẩn cấp. Hình 3: Các thành phần cơ bản của HĐCT HACT đảm bảo an toàn trong quá trình chạy tàu. HACT thực hiện giãn cách tự động giữa các đoàn tàu và thay đổi vận tốc trong khu vực bị hạn chế. HACN liên hệ chặt chẽ tới phân hệ đóng đường tự động (PHĐT), phân hệ tự động tín hiệu đầu máy (PTHĐ) và phân hệ điều chỉnh tự động tốc độ (PĐTT) HĐĐT điều phối các tàu chạy trên các tuyến theo bảng thời gian quy định. HĐĐT tính toán thời gian dừng tại sân ga, thời gian chạy của tất cả các tàu trên các tuyến. Thông tin đầu vào của HĐĐT là chương trình lập bảng thời gian chạy tàu, trị số đo về thời gian khởi hành và thời gian đến của các tàu từ các sân ga. Khi phân cấp về chức năng điều khiển, HĐCT gồm mạch vòng điều khiển phía trên và vòng điều khiển phía dưới. Chức năng điều khiển phía trên là thực hiện tính toán và đưa ra thời gian dừng tàu tại sân ga, thời gian chạy tàu giữa các ga khi tiếp nhận thông tin từ cấp điều khiển phía dưới, đó là thời gian khởi hành, thời gian đến sân ga của các đoàn tàu. Vòng điều khiển này thường được gọi là vòng điều khiển tàu trên tuyến. Cấp điều khiển phía dưới đảm bảo sự thực hiện theo yêu cầu về thời gian dừng, và thời gian chạy của các tàu, ngoài ra có thể bổ sung tính năng hãm khi tàu chạy vào khu vực bị hạn chế tốc độ, hãm dừng tàu tại sân ga. Theo sự lắp đặt và bố trí các thiết bị, HĐCT chứa đựng các thành phần sau: trạm điều khiển trung tâm (ĐKT), phân hệ truyền thông tin giữa ĐKT và nhà ga, thiết bị nhà ga (TBG), phân hệ truyền tin giữa nhà ga và đoàn tàu (TTT), thiết bị điều khiển trên tàu (TĐT). Để đảm bảo hoàn tất khối lượng công việc trên, người ta sử dụng các thiết bị kỹ thuật tiên tiến nhất - nòng cốt là các vi xử lý có tốc độ cao - cho HĐCT. Sự sắp đặt các thiết bị trong HĐCT có thể khái quát như hình 4 Hình 4: Bố trí các thiết bị trong HĐCT Việc chọn lựa và bố trí các thành phần trong hệ thống điều khiển chuyển động tàu điện cao tốc Hà Nội dựa trên kinh nghiệm xây dựng hệ thống metro ở các nước phát triển như Nga, Đức, Nhật, … Nó phải đảm bảo các điều kiện cần thiết sau: n Phân vùng hệ thống thành các module chức năng, cho phép phát triển song song và dần dần giới thiệu các cấp độ khác nhau của hệ thống tự động hóa; n Thực hiện thiết kế kiểu module của hệ thống con [5]; n Sử dụng các module điều khiển trên tàu thông dụng nhưng vẫn đảm bảo an toàn chạy tàu, ví dụ, những cốt mốc tín hiệu đo đường và ngắm hãm trước ga, … [5]; n Loại bỏ một số điểm khiển trong chương trình tăng tốc và hãm dừng sẽ giảm bớt đáng kể khi vận hành chạy tàu; n Sử dụng điểm/cột mốc đánh dấu trên đường ray để phát hiện tàu đi qua trên cơ sở phản xạ góc và thu phát hồng ngoại lắp trên tàu [4]; n Chọn phương thức điều khiển tàu theo thời gian thực dựa trên thiết bị lắp đặt trên tàu để thực hiện thời gian chạy theo lịch trình và đảm bảo năng lượng tiêu thụ tối thiểu ở chế độ lực kéo; n Sử dụng thuật toán điều khiển thích nghi khác nhau với các điều kiện thực tế của MetroHN.