Hệ thống tín hiệu đường sắt là gì?
Cũng giống như đèn giao thông ở các thành phố nhằm duy trì trật tự và an toàn giao thông cho các phương tiện đường bộ, hệ thống tín hiệu đường sắt là một hệ thống thiết yếu giúp điều hành đoàn tàu an toàn và hiệu quả. Tuy nhiên, tín hiệu giao thông đường bộ và tín hiệu đường sắt hoàn toàn khác nhau.
Khác với hệ thống tín hiệu giao thông đường bộ nơi nhiều phương tiện chia sẻ cùng một làn đường, tín hiệu đường sắt được thiết kế sao cho chỉ có một đoàn tàu duy nhất hoạt động trong một đoạn phân khu (block section). Ngoài ra, tín hiệu đường bộ phụ thuộc nhiều vào phán đoán của người lái xe, trong khi tín hiệu đường sắt dựa trên hệ thống an toàn tự động, bao gồm: đèn tín hiệu, hệ ghi chuyển tuyến, cảm biến đếm trục, mạch điện đường ray, …
Khi tốc độ tàu ngày càng tăng, hệ thống tín hiệu cũng phải phát triển, chuyển từ tín hiệu trực quan bên đường sang hệ thống tín hiệu tự động truyền thông tin không dây giữa các trạm và tàu, giúp nâng cao an toàn và độ chính xác.
Tầm quan trọng của hệ thống tín hiệu đường sắt
Hệ thống tín hiệu đường sắt giữ vai trò trung tâm trong vận hành đoàn tàu. Nó:
- Kiểm soát tốc độ tàu để ngăn ngừa va chạm hoặc trật bánh.
- Chuyển hướng tuyến đường di chuyển của tàu.
- Liên kết các hệ thống như: đèn tín hiệu, ghi chuyển hướng, cảm biến, thiết bị an toàn, … thành một khối thống nhất.
Khi tàu chạy nhanh, việc dựa vào mắt thường để quan sát tín hiệu không còn an toàn. Vì vậy, hệ thống tín hiệu phải truyền thông tin trực tiếp đến tàu đang chạy.
Một sự cố trong hệ thống tín hiệu có thể gây ra tai nạn nghiêm trọng, như:
- Tai nạn đâm tàu ở ga Sangwangsimni năm 2014.
- Tàu KTX trật bánh trên tuyến Gangneung năm 2018.
Ngoài yếu tố an toàn, một hệ thống tín hiệu tiên tiến còn giúp tăng năng lực vận chuyển mà không cần mở rộng thêm đường chạy hay mua thêm tàu mới – đặc biệt quan trọng với các tuyến đường sắt đô thị đang quá tải.
Cấu trúc hệ thống tín hiệu đường sắt
Hệ thống tín hiệu đường sắt gồm hai phần chính:
- Hệ thống tín hiệu bên đường (Wayside System)
- Control: Giám sát và điều khiển đoàn tàu từ xa, thông qua trao đổi dữ liệu với hệ thống liên khóa (interlocking) và điều khiển tự động.
- Interlocking: Điều khiển an toàn tuyến đường tàu dựa vào tín hiệu, công tắc chuyển hướng, và cảm biến mạch đường ray.
- Automatic Train Control (ATC): Chia thành hai phương thức điều khiển:
- Speed Step (theo cấp tốc độ): gồm ATS và ATC.
- Distance-to-Go (theo khoảng cách): gồm ATP, D-ATC, CBTC.
- Hệ thống tín hiệu trên tàu (On-board System)
- Tương tác với hệ thống bên đường để điều khiển tàu theo thời gian thực.
Các loại hệ thống điều khiển tàu tự động
| Hệ thống | Mô tả |
| ATS (Automatic Train Stop) | Tự động cảnh báo hoặc dừng tàu bằng thiết bị đặt giữa hai ray. |
| ATC (Automatic Train Control) | Nhận tín hiệu giới hạn tốc độ từ ray và điều khiển tàu không vượt quá giới hạn. Có hai loại: S-ATC (Speed Step), D-ATC (Distance-to-go). |
| ATP (Automatic Train Protection) | Điều khiển tốc độ tàu dựa trên vị trí, khoảng cách tới tàu trước, điều kiện tuyến. |
| ATO (Automatic Train Operation) | Hệ thống lái tàu tự động hoàn toàn dựa trên nền ATP: tự điều khiển tàu chạy và mở cửa tại ga. |
| CBTC (Communication-Based Train Control) | Tàu và trung tâm điều khiển trao đổi dữ liệu hai chiều bằng sóng vô tuyến (Wi-Fi hoặc LTE-R), cho phép vận hành chính xác và linh hoạt. |
Xu hướng phát triển hệ thống tín hiệu đường sắt
Gần đây, các quốc gia có hệ thống đường sắt phát triển đang nỗ lực chuyển đổi tác nhân điều khiển tín hiệu tàu từ thiết bị bên đường sang hệ thống đặt trên tàu thông qua công nghệ dựa trên giao tiếp tàu với tàu (T2T – Train to Train). Đây là hệ thống cho phép các đoàn tàu trao đổi thông tin trực tiếp với nhau, giúp tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng vận hành, đồng thời rút ngắn khoảng cách giữa các đoàn tàu nhờ sự phối hợp thông minh mà không cần sự can thiệp của trung tâm điều hành (OCC) và người lái tàu.
Dự án đổi mới ngành đường sắt của Liên minh châu Âu mang tên ‘Shift2Rail’ đang nghiên cứu công nghệ kết nối ảo (virtual connectors) cho phép các đoàn tàu giao tiếp trực tiếp với nhau, từ đó tăng đáng kể năng lực vận tải đường sắt. Công nghệ kết nối ảo cho phép hai hoặc nhiều đoàn tàu di chuyển đồng thời trong khoảng cách rất gần mà không cần kết nối vật lý (coupling).
Tổ chức đường sắt Anh RSSB (Rail Safety and Standards Board) cũng triển khai dự án ‘Closer Running’ từ năm 2017 với mục tiêu gia tăng năng lực vận tải. Dự án tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ điều khiển giao tiếp giữa các phương tiện, công nghệ tự động thông minh, kỹ thuật tách ghép đoàn tàu trong khi vận hành, công nghệ phanh dự báo, và công nghệ chuyển đổi đường ray nhanh, tin cậy nhằm loại bỏ thiết bị bên đường.
Trung Quốc đang thúc đẩy nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển tàu tập trung dựa trên giao tiếp giữa các đoàn tàu trước và sau nhằm kiểm soát khoảng cách chạy tàu và phân nhánh tuyến đường. Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc cùng Đại học Giao thông Bắc Kinh đang phát triển nguyên mẫu kiểm soát khoảng cách dựa trên giao tiếp, tương thích với hệ thống ETCS (European Train Control System), nhằm nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển tàu.
Trong khi đó, Nhật Bản đang phát triển tàu có khả năng điều chỉnh lịch vận hành động theo dự báo trễ tàu và kiểm soát khoảng cách với đoàn tàu phía trước, góp phần tối ưu hóa vận hành và an toàn.
Xu hướng phát triển hệ thống tín hiệu đường sắt tại Hàn Quốc – Hệ thống KTCS
Hệ thống tín hiệu đường sắt tại Hàn Quốc: Phát triển nội địa hóa và công nghệ tiên tiến
Hệ thống tín hiệu đường sắt của Hàn Quốc đang tập trung mạnh mẽ vào việc phát triển các công nghệ hiện đại đồng thời đẩy mạnh nội địa hóa các hệ thống tín hiệu nhằm giảm sự phụ thuộc vào các nhà cung cấp nước ngoài và tăng tính phù hợp với đặc thù vận hành trong nước. Hyundai Rotem, một trong những tập đoàn công nghiệp lớn của Hàn Quốc, đang dẫn đầu trong lĩnh vực phát triển hệ thống tín hiệu đường sắt với mục tiêu thiết kế các giải pháp tín hiệu đa dạng phù hợp với nhiều loại tàu khác nhau, từ tàu cao tốc (KTX), tàu điện đô thị cho đến tàu tram, đồng thời tính toán kỹ lưỡng các yếu tố môi trường truyền thông đặc thù tại Hàn Quốc như mật độ dân cư cao, nhiều khu vực đô thị phức tạp và yêu cầu kết nối liên tục, ổn định.
Hệ thống tín hiệu đô thị KTCS-M
Một trong những sản phẩm nổi bật của Hyundai Rotem là hệ thống tín hiệu đô thị ‘KTCS-M’ được thiết kế đặc biệt cho các tuyến đường sắt đô thị. Hệ thống này hoạt động dựa trên nguyên lý truyền dữ liệu hai chiều liên tục giữa thiết bị đặt trên tàu và các thiết bị bên đường. Việc truyền thông được thực hiện bằng công nghệ không dây hiện đại như Wi-Fi trong dải tần ISM hoặc công nghệ truyền thông không dây chuyên dụng cho đường sắt LTE-R (Long-Term Evolution for Railways). Với khả năng truyền dữ liệu ổn định và tốc độ cao, KTCS-M hỗ trợ vận hành tàu tự động ở tất cả các cấp độ, trong đó có cả hình thức vận hành tàu không người lái hoàn toàn (UTO – Unattended Train Operation). Nhờ đó, hệ thống giúp nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng tính an toàn cho các tuyến đường sắt đô thị vốn có mật độ chạy tàu dày đặc và tần suất cao.
Hệ thống tín hiệu dành cho tàu phổ thông và tàu tốc độ cao KTCS-2
Bên cạnh hệ thống dành cho đường sắt đô thị, Hyundai Rotem cũng đã phát triển hệ thống tín hiệu đặt trên tàu KTCS-2, hướng đến các tuyến đường sắt phổ thông và đường sắt tốc độ cao. KTCS-2 được xây dựng theo tiêu chuẩn hệ thống điều khiển tàu dựa trên công nghệ truyền thông LTE-R được chuẩn hóa tại Hàn Quốc, giúp đồng bộ hóa công nghệ tín hiệu giữa các tuyến khác nhau trên toàn quốc. Sự ra đời của KTCS-2 đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong việc chuẩn hóa hệ thống tín hiệu đường sắt Hàn Quốc, tạo điều kiện vận hành liền mạch cho nhiều loại tàu trên cùng một mạng lưới.
Hệ thống này không chỉ đảm bảo vận hành an toàn và ổn định với độ tin cậy cao mà còn được thiết kế để tương thích với các tiêu chuẩn quốc tế như ETCS (European Train Control System) Level 1 và Level 2. Điều này tạo tiền đề thuận lợi cho việc liên vận với các tuyến đường sắt quốc tế hoặc các công nghệ được áp dụng rộng rãi ở châu Âu và các khu vực khác. Hyundai Rotem đã tiến hành vận hành thử nghiệm thành công hệ thống KTCS-2 trên đoạn tuyến dài khoảng 180 km từ Iksan đến Yeosu Expo (thuộc tuyến đường sắt Jeolla), sau đó thúc đẩy sản xuất hàng loạt để ứng dụng rộng rãi trên toàn quốc.
Hệ thống tín hiệu mới nhất theo tiêu chuẩn ETCS Level 3 – KTCS-3
Tiếp nối thành công của các hệ thống tín hiệu trước, Hyundai Rotem đang đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển hệ thống tín hiệu thế hệ mới KTCS-3, dựa trên tiêu chuẩn ETCS Level 3. Đây là hệ thống tín hiệu tích hợp ATP (Automatic Train Protection) và ATO (Automatic Train Operation) đặt trên tàu, mang tính đột phá trong công nghệ điều khiển và quản lý tàu chạy.
Điểm nổi bật của KTCS-3 là khả năng điều khiển đoàn tàu chỉ thông qua liên lạc vô tuyến LTE-R mà không cần sử dụng mạch điện trên đường ray (track circuits), giúp loại bỏ nhiều hạn chế về cơ sở hạ tầng tín hiệu truyền thống, rất phù hợp với điều kiện vận hành đường sắt tốc độ cao lên đến 350 km/h. Hệ thống hỗ trợ vận hành tự động với mức độ GoA2 (Grade of Automation 2 – tự động hóa có người giám sát), tăng cường hiệu quả vận tải và năng lực vận hành tuyến nhờ việc theo dõi vị trí tàu theo thời gian thực và áp dụng cơ chế khoảng cách động (Moving Block) giữa các đoàn tàu thay vì khoảng cách cố định truyền thống.
Bên cạnh đó, KTCS-3 được thiết kế nhằm nâng cao khả năng tương thích liên vận với các hệ thống tín hiệu hiện có như ATP ETCS Level 1 và KTCS-2 dựa trên LTE-R, giúp giảm thiểu số lượng thiết bị cần thiết bên đường ray, từ đó tối ưu chi phí đầu tư xây dựng cũng như chi phí bảo trì, vận hành lâu dài. Hệ thống được Hyundai Rotem phối hợp với Tổng công ty Đường sắt Quốc gia Hàn Quốc (KNR) phát triển trong khuôn khổ dự án nghiên cứu và phát triển quốc gia. Giai đoạn phát triển chính đã hoàn thành vào năm 2020 và hiện đang trong quá trình kiểm định công nghệ, đánh giá hiệu suất. Dự kiến KTCS-3 sẽ được hoàn thiện và triển khai chính thức trong tương lai gần.
Với mục tiêu nội địa hóa hệ thống tín hiệu đường sắt, Hyundai Rotem đang dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển tại Hàn Quốc. Không chỉ ứng dụng các công nghệ đã phát triển, công ty còn chủ động giới thiệu những công nghệ tiên tiến theo xu hướng toàn cầu, đồng thời phát triển công nghệ bản quyền để mở rộng xuất khẩu. Hyundai Rotem sẽ mở rộng vị thế trên thị trường đường sắt toàn cầu bằng cách tích cực ứng dụng các công nghệ mới như tự động hóa và trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực đường sắt và đảm bảo sở hữu công nghệ cốt lõi.
