Ứng dụng công nghệ GPS và các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất trong quản lý, vận hành giao thông đường sắt Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
******




BÙI XUÂN LIỆU








ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ GPS VÀ CÁC HỆ THỐNG
THÔNG TIN VÔ TUYẾN MẶT ĐẤT TRONG QUẢN LÝ,
VẬN HÀNH GIAO THÔNG ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM








LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – 2009

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan ngoài những phần tham khảo từ các tài liệu liên quan
như đã được chú thích trong các trang của luận văn, nội dung luận văn này là kết
quả nghiên cứu của bản thân tôi, không sao chép từ bất kỳ một luận văn nào
khác.

Hà Nội, ngày tháng 12 năm 2009
Ngƣời cam đoan




Học viên: Bùi Xuân Liệu

2
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN 1
MỤC LỤC 2
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 6
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƢƠNG I: HIỆN TRẠNG MẠNG THÔNG TIN ĐƢỜNG SẮT VÀ MỤC
TIÊU NGHIÊN CỨU 10
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM 10
1.1.1. Giới thiệu chung [1],[4] 10
1.1.2. Hiện trạng hệ thống Thông tin tín hiệu Đường sắt 12
1.1.3. Trung tâm điều hành vận tải đường sắt hiện nay [1],[4] 17
1.1.4. Hiện trạng thị phần vận tải Đường sắt [1],[4] 18
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 22
1.2.1. Ứng dụng công nghệ GPS và các kỹ thuật nhận biết tự động khác trong vận
hành giao thông đường sắt trên thế giới [7],[11] 22
1.2.2. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể [1],[4] 25
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN VỀ GPS VÀ CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN MẶT
ĐẤT 27
2.1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 27
2.1.1. Hệ thống GPS [5],[6],[10] 27
2.1.1.1. Khái niệm 27
2.1.1.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống GPS 28
2.1.1.3. Các thành phần của GPS 28
2.1.1.4. Quỹ đạo của vệ tinh 29
2.1.1.5. Tín hiệu GPS 31
2.1.1.6. Cấp chính xác của hệ thống GPS 32
2.1.1.7. Nguồn lỗi của tín hiệu GPS 32
2.1.2. GPS vi phân (Differential GPS) [6],[8],[10] 33

2.1.3. Các hệ thống GPS trên thế giới hiện nay [10],[11] 34
2.1.3.1. Hệ thống định vị toàn cầu của Hoa Kỳ - GPS 34
2.1.3.2. Hệ thống GLONASS của Nga 34
2.1.3.3. Hệ thống Galileo của Châu Âu: 36

3
2.1.3.4. Các hệ thống khác 36
2.1.4. Một số hệ toạ độ sử dụng trong GPS. 37
2.1.4.1. Hệ toạ độ địa lý 37
2.1.4.2. Hệ toạ độ chuẩn địa tâm: 38
2.1.4.3. Hệ toạ độ GPS. 39
2.1.4.4. Hệ toạ độ địa lý cục bộ. 40
2.1.5. Phương pháp tính toán trong GPS 41
2.1.6. Các ứng dụng của GPS [10],[11] 46
2.1.7. Kiến nghị ứng dụng trong định vị đoàn tàu ở ĐSVN 48
2.2. CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN MẶT ĐẤT 48
2.2.1. Hệ thống thông tin di động GSM [2],[9],[11] 48
2.2.1.1. Tổng quan về mạng GSM 48
2.2.1.2. Lịch sử mạng GSM 48
2.2.1.3. Giao tiếp Radio 49
2.2.1.4. Cấu trúc mạng GSM 50
2.2.1.5. Các thành phần chính của hệ thống GSM 51
2.2.1.6. Cấu trúc địa lý của mạng 54
2.2.1.7. Các đặc trưng của GSM 55
2.2.1.8. Kiến nghị ứng dụng trong định vị đoàn tàu ở ĐSVN 58
2.2.2. Hệ thống nhận dạng bằng sóng vô tuyến RFID [3],[7],[11] 59
2.2.2.1. Khái niệm 59
2.2.2.2. Cấu trúc hệ thống và các loại thẻ 59
2.2.2.3. Thẻ thụ động (passsive) 60
2.2.2.4. Thẻ chủ động (active) 60

2.2.2.5. Các phương thức truyền thông của công nghệ RFID 61
2.2.2.6. Những ưu điểm của công nghệ RFID 61
2.2.2.7. Phạm vi ứng dụng của công nghệ RFID 62
2.2.2.8. Kiến nghị ứng dụng trong định vị đoàn tàu ở ĐSVN 63
CHƢƠNG III: LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ, GIẢI PHÁP KỸ THUẬT 64
3.1. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ 64
3.1.1. Yêu cầu đối với Trung tâm điều hành vận tải tương lai [1],[3],[4] 64
3.1.1.1. Độ tin cậy trong việc xác định vị trí đoàn tàu 64
3.1.1.2. Lập biểu đồ chạy tàu bằng máy tính 64
3.1.1.3. Kiểm soát chạy tàu và đánh giá khả năng vận hành 65
3.1.1.4. Tối ưu hoá việc sử dụng đầu máy toa xe và nhân viên phục vụ 65
3.1.1.5. Cải thiện thông tin và dịch vụ cho trực ban hoá vận 65
3.1.2. Lựa chọn công nghệ [1],[4] 67
3.1.2.1. Các nguyên tắc của hệ thống định vị 67

4
3.1.2.2. Lựa chọn công nghệ định vị 67
3.2. GIẢI PHÁP KỸ THUẬT 71
3.2.1. Sơ đồ khối hệ thống [1],[4] 71
3.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống [1],[4] 73
3.2.2.1. Định vị đoàn tàu trên khu gian 73
3.2.2.2. Định vị đoàn tàu trong ga [1],[4],[7] 75
3.2.3. GPS trong các hầm [1],[4] 79
3.2.4. Các yêu cầu GSM 79
CHƢƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 81
4.1. KẾT LUẬN 81
4.2. NHỮNG LỢI ÍCH ĐẠT ĐƢỢC CỦA HỆ THỐNG MỚI [1],[4] 81
4.2.1. Đảm bảo an toàn chạy tàu 81
4.2.2. Doanh thu 81
4.2.3. Tiết kiệm chi phí nhân sự 83

4.2.4. Các lợi ích khác không thể định lượng 83
4.3. CÁC KHUYẾN NGHỊ 83
LỜI CẢM ƠN 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86


5
CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ADSL
Asynchronous Digital Subscriber Line
Đường thuê bao số cận đồng bộ
BSC
Base Station Controller
Bộ điều khiển trạm cơ sở
BTS
Base Transfer Station
Trạm gốc trung chuyển
GPS
Global Positioning System
Hệ thống định vị toàn cầu
GPRS
General Package Radio Service
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
GSM
Global System for Mobile Telecom
Hệ thống thông tin di động toàn cầu
HLR
Home Location Register
Bộ ghi định vị thường trú

ISDN
Integrated Service Digital Network
Mạng số đa dịch vụ tích hợp
LAN
Local Area Network
Mạng cục bộ
MC
Multipoint Controller
Bộ điều khiển đa điểm
MS
Mobile Subscriber
Thuê bao di động
OCC
Operation Control Center
Trung tâm điều hành vận tải
OCS
Operation Control System
Hệ thống điều hành vận tải
PoP
Point of Presence
Điểm hiện diện
PPS
Precise Positioning Service
Dịch vụ định vị chính xác
PSDN
Public Switching Data Network
Mạng dữ liệu chuyển mạch công cộng
PSTN
Public Swiching Telephone Network
Mạng ĐT chuyển mạch công cộng

QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
RCC
Resident Control Center
Trung tâm điều hành khu vực
RFID
Radio Frequency Identification
Nhận dạng bằng sóng vô tuyến
SA
Selective availability
Rào chắn
SIM
Subscriber Identification Modul
Khối nhận dạng thuê bao
SPS
Standard Positioning Service
Dịch vụ định vị tiêu chuẩn
TDM
Time division multiplexing
Đa truy nhập phân chia theo thời gian
VLR
Visitor Location Register
Bộ ghi định vị tạm trú
VNR
Vietnam Railways
Đường sắt Việt Nam
VNPT
Vietnam Post and Telecom
Tập đoàn BCVT Việt nam

WLAN
Wireless Local Area Network
Mạng không dây nội hạt

6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mạng lưới giao thông vận tải Việt Nam 10
Hình 1.2. Mạng lưới Đường sắt Việt Nam 11
Hình 1.3. Thiết bị tải ba dùng cho truyền dẫn đường trục 13
Hình 1.4. Thiết bị thông tin liên lạc cũ kỹ và lạc hậu 14
Hình 1.5. Đài khống chế hệ thống liên lạc khóa rơle kiểu cũ 14
Hình 1.6. Hiện trạng mạng cáp quang đường sắt 16
Hình 1.7. Số hành khách-km theo phương thức vận tải 19
Hình 1.8. Khối lượng hàng hóa tấn-km theo phương thức vận tải 19
Hình 1.9. Số hành khách theo phương thức vận tải 20
Hình 1.10. Khối lượng hàng hóa tấn theo phương thức vận tải 20
Hình 1.11. Đầu tư của nhà nước đối với lĩnh vực vận tải trong 21
các năm qua 21
Hình 1.12. Tàu cao tốc Shinkansen của Nhật Bản 22
Hình 1.13. Tàu cao tốc TGV của Pháp 23
Hình 2.1. Hệ thống vệ tinh GPS 27
Hình 2.2. Cấu trúc của một hệ thống GPS 28
Hình 2.3. Vị trí của trung tâm điều khiển 29
Hình 2.4. Quỹ đạo vệ tinh GPS 30
Hình 2.5. Nguyên tắc hoạt động của DGPS. 33
Hình 2.6. Hệ toạ độ địa lý. 37
Hình 2.7. Hệ toạ độ chuẩn địa tâm. 38
Hình 2.8. Hệ toạ độ GPS. 39
Hình 2.9. Góc nghiêng của quỹ đạo GPS 39
Hình 2.10. Cơ sở của định vị trong GPS 41

Hình 2.11. Định vị với 2 đường tròn trong mặt phẳng 42
Hình 2.12. Định vị với 3 đường tròn trong mặt phẳng 42
Hình 2.13. Định vị với 3 mặt cầu trong không gian 43
Hình 2.14. Khoảng cách và tọa độ của các vệ tinh trong không gian 43
Hình 2.15. Cấu trúc tổng thể mạng GSM 50
Hình 2.16. Thẻ RFID 59
Hình 2.17. Mô hình kỹ thuật của hệ thống ứng dụng công nghệ RFID 60
Hình 3.1. Các trung tâm điều hành vận tải đề xuất 66
Hình 3.2. Sơ đồ khối bố trí thiết bị trên đầu máy 71
Hình 3.3. Trung tâm điều hành vận tải tương lai 72
Hình 3.4. Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống trên khu gian 73
Hình 3.5. Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống định vị trong ga 75
Hình 3.6. Dạng bên ngoài của một thẻ RFID gắn trên tàu 75
Hình 3.7. Dạng bên ngoài của một đầu đọc thẻ 77

7
Hình 3.8. Bên trong thiết bị đọc thẻ 77
Hình 3.9. Nhân viên nhà ga dùng máy cầm tay để đọc thẻ nhận dạng gắn trên toa xe
78
Hình 3.10. Đầu đọc thẻ RFID cầm tay 78

8
LỜI NÓI ĐẦU
Đường sắt Việt Nam - một trong những ngành công nghiệp lâu đời nhất
của Việt Nam, lịch sử của ngành đã mở ra trang đầu tiên từ năm 1881 với việc
khởi công xây dựng tuyến Đường sắt đầu tiên Sài Gòn - Mỹ Tho và chuyến tàu
đầu tiên bắt đầu khởi hành từ Sài Gòn đi Mỹ Tho vào ngày 20/7/1885.
Trong giai đoạn giữa năm 1882 và 1936 các tuyến đường chính đã được
xây dựng theo công nghệ của Pháp và đến nay Tổng Công ty Đường sắt Việt
Nam (VNR) đang vận dụng 3160 km đường sắt nối liền tất cả các trung tâm

quan trọng và các vùng phụ cận của đất nước bao gồm 6 tuyến đường chính với
hầu hết là loại đường đơn khổ rộng 1000mm. Sau hơn 70 năm vận hành và khai
thác, tuy nhiên, do tính đặc thù của ngành cần phải đầu tư với số vốn lớn và
đồng bộ nên việc đầu tư, nâng cấp và hiện đại hóa ngành Đường sắt vẫn chưa
được chú trọng do đó việc khai thác và vận hành chưa hiệu quả.
Đến nay, Đường sắt Việt Nam đã và đang bắt tay vào chương trình khôi
phục và hiện đại hoá Đường sắt để ngành Đường sắt trở thành một ngành vận tải
hàng đầu của Việt Nam, đóng góp tích cực vào sự tăng truởng kinh tế của đất
nước và hoà nhập với Đường sắt trong khu vực và trên thế giới.
Một trong những hạng mục quan trọng góp phần vào sự thành công trong
công tác điều hành vận tải Đường sắt đó là việc xác định chính xác vị trí và tốc
độ của đoàn tàu khi đang di chuyển trên đường, hạng mục này thuộc chuyên
ngành Thông tin tín hiệu đường sắt, là một ngành thuộc lĩnh vực công nghệ Điện
tử - Viễn thông phục vụ cho các tác nghiệp vận tải hành khách và hàng hoá. Tuy
nhiên, do không được đầu tư một cách đồng bộ nên lĩnh vực này của đường sắt
Việt Nam hiện nay đã tụt hậu xa so với sự phát triển mạch mẽ của ngành Điện tử
- Viễn thông ở trong nước và trên thế giới.
Việc hiện đại hóa lĩnh vực Thông tin tín hiệu Đường sắt nói chung và
công nghệ định vị đoàn tàu nói riêng là một việc làm hết sức cần thiết trong
công cuộc xây dựng ngành Đường sắt tiến lên chính quy, hiện đại.

Trong khuôn khổ bài luận văn này, em xin giới thiệu đề tài “Ứng dụng
công nghệ GPS và các hệ thống thông tin vô tuyến mặt đất trong quản lý vận
hành giao thông Đường sắt việt nam” phục vụ công tác khai thác, điều hành vận
tải Đường sắt. Nội dung bài luận văn của em bao gồm 4 chương, với các nội
dung cụ thể như sau:
Chƣơng 1: Hiện trạng mạng Thông tin tín hiệu đƣờng sắt và mục tiêu
nghiên cứu.

9

Chương này giới thiệu một cách tổng quan về ngành Đường sắt nói chung
và hiện trạng về lĩnh vực Thông tin tín hiệu Đường sắt nói riêng, bao gồm những
hạn chế và bất cập cũng như các ưu điểm và nhược điểm của hệ thống điều hành
vận tải Đường sắt hiện tại.
Chƣơng 2: Tổng quan về Hệ thống GPS và các hệ thống thông tin vô
tuyến mặt đất.
Chương này giới thiệu về công nghệ GPS các hệ thống thông tin vô tuyến
mặt đất, bao gồm các thành phần chính, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng
trong thực tế và trong ngành Đường sắt trên thế giới.
Chƣơng 3: Lựa chọn công nghệ và giải pháp kỹ thuật
Chương này mô tả chi tiết cấu trúc và nguyên lý hoạt động của hệ thống
định vị đoàn tàu dựa trên công nghệ GPS kết hợp với các hệ thống thông tin vô
tuyến mặt đất.
Chƣơng 4: Kết luận và đánh giá
Chương này đưa ra các đánh giá, các phân tích về tính hiệu quả của hệ
thống mới so với hệ thống cũ và khả năng nâng cấp để thích ứng với tiến trình
hiện đại hóa của ngành Đường sắt.

10
CHƢƠNG I
HIỆN TRẠNG MẠNG THÔNG TIN ĐƢỜNG SẮT
VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
1.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐƢỜNG SẮT VIỆT NAM
1.1.1. Giới thiệu chung [1],[4]
Ngành giao thông vận tải của Việt Nam bao gồm toàn bộ các hình thức
giao thông chủ yếu như đường bộ, đường sắt, đường biển, đường thuỷ nội địa và
hàng không. Do địa hình địa lý đặc thù, các hành lang giao thông chính là các
tuyến đường nối các thành phố lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh và giữa
Miền Bắc với Miền Nam nói chung. Các hành lang giao thông quan trọng khác
là các tuyến đường nối với Hải Phòng, Đồng Đăng và Lào Cai.

Tổng Công ty
Đường sắt Việt
Nam (VNR)
đang vận dụng
3160 km đường
sắt nối liền tất cả
các trung tâm
quan trọng và
các vùng phụ
cận của đất nước
bao gồm 7 tuyến
đường chính với
hầu hết là loại
đường đơn khổ
rộng 1000mm.
Có khoảng
1.800 cây cầu
(57.044m) và 39
hầm (11.513 m)
và 281 nhà ga và
khoảng 350 đầu
máy. Tuyến
đường quan
Hình 1.1. Mạng lƣới giao thông vận tải Việt Nam


11
trọng nhất là tuyến đường đơn từ Hà Nội đi T.Phố HCM với chiều dài 1726 km.
Một tuyến quan trọng khác nữa là tuyến nối Lào Cai đến Cảng Hải Phòng.

Do cơ sở hạ tầng kỹ thuật đã được khai thác từ lâu nên có nhiều trở ngại
đang gây vướng mắc cho hoạt động của ĐSVN như:
Hướng tuyến với đường cong bé, độ dốc tới 1,7%, khổ đường hẹp 1 mét,
ray nhẹ (cho phép tải trọng trục 14 tấn), các hầm nhỏ, hẹp, ghi mòn, đường dẫn
cầu làm hạn chế đáng kể tốc độ đường và tải trọng đoàn tàu.
Hơn nữa, các đường tránh trong ga ngắn, chiều dài các khu gian đóng
đường khác nhau nhiều và hệ thống tín hiệu đóng đường bán tự động làm giảm
năng lực thông qua của tuyến. Các thiết bị quản lý và lập kế hoạch chạy tàu đã
lạc hậu và tốn nhiều thời gian. Một phần đầu máy, toa xe không đủ công suất và
lạc hậu, vì thế tốc độ lữ hành trung bình lớn nhất giữa Hà Nội và TP HCM đạt
được là 50 km/h và những mác tàu ít quan trọng hơn chỉ đạt được 35 km/h.


Hình 1.2. Mạng lƣới Đƣờng sắt Việt Nam
Tuyến đường sắt Hà Nội – TP Hồ Chí Minh xây dựng vào thập niên 1880 trong
thời kỳ Pháp thuộc - là tuyến đường “xương sống” của Hệ thống đường sắt Việt
Khổ đƣờng
Thị phần trong mạng VNR
Thị phần trong mạng VNR

Đường trục & nhánh
Các vòng & tránh

12
Nam nối Thủ đô ở phía Bắc với các trung tâm kinh tế ở miền Nam. Các tuyến
đường chính khác gồm: Hà Nội – Hải Phòng nối Hà Nội với thành phố Cảng
Hải Phòng, và 2 tuyến đường nối Việt Nam với Trung Quốc: Hà Nội – Lào Cai
và Hà Nội - Đồng Đăng.
Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam (VNR) được thành lập năm 2003 quản lý
hoạt động vận tải đường sắt và trả phí 10% tổng doanh thu cho việc sử dụng hạ

tầng đường sắt. Theo tiến trình tập đoàn hoá, hoạt động kinh doanh nội bộ của
VNR đã được tái cơ cấu thành 4 doanh nghiệp chính: 2 công ty hoạt động vận
chuyển hành khách tại Hà Nội và TP HCM, 1 công ty vận chuyển hàng hoá trụ
sở đặt tại Hà Nội và 1 nhóm các cơ quan quản lý hạ tầng kỹ thuật khu vực.
1.1.2. Hiện trạng hệ thống Thông tin tín hiệu Đƣờng sắt
Hệ thống Thông tin tín hiệu Đường sắt là một ngành thuộc lĩnh vực công
nghệ điện tử viễn thông có tính chất đặc thù nhằm mục đích phục vụ cho các tác
nghiệp vận tải hành khách và hàng hoá. Hiện nay, ở các nước có hệ thống đường
sắt phát triển cùng với hệ thống điện khí hoá như Pháp, Nhật, Mỹ … thì hệ
thống Thông tin tín hiệu đường sắt chiếm một tỷ lệ vốn đầu tư tương đối lớn,
khoảng 30-40% tổng mức đầu tư cho dự án vì đây là một lĩnh vực chuyên môn
rất quan trọng, có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng điều hành chạy tàu và hiệu
quả sản xuất kinh doanh của ngành.
Tuy vậy, trước năm 2000, hệ thống TTTH của đường sắt Việt Nam không
được đầu tư đáng kể, chỉ bằng khoảng 5% tổng số vốn Xây dựng cơ bản hàng
năm, có một số dự án được thực hiện dựa vào nguồn vốn trong nước: như dự án
cáp quang Nha Trang – Sài Gòn, công trình các ga đèn màu ĐSTN … nhưng do
không đủ vốn nên dự án kéo dài, chắp vá nên mặc dù lĩnh vực điện tử viễn thông
trên thế giới cũng như trong nước phát triển rất mạnh mẽ nhưng trong ngành
đường sắt Việt Nam thì vẫn sử dụng dây trần và các thiết bị đầu cuối là thiết bị
tải ba, công nghệ truyễn dẫn analoge để truyền dẫn thông tin tín hiệu đường trục,
công nghệ của các thiết bị cơ bản này là của những năm 60 đến 70 của thế kỷ
trước, thậm chí một số ga tín hiệu còn sử dụng thiết bị đóng đường của thế kỷ
19. Chỉ các trung tâm thông tin trên các tuyến hiện đã được lắp đặt tổng đài điện
tử kỹ thuật số nhưng do hạn chế về đường truyền nên các tổng đài này không kết
nối thành hệ thống theo công nghệ hiện đại được. Cho đến nay, tại các nơi chưa
thực hiện dự án, vẫn đang dùng các thiết bị cũ và lạc hậu.

13



Hình 1.3. Thiết bị tải ba dùng cho truyền dẫn đƣờng trục

Thông tin hiện nay trong mạng lưới ĐSVN hòan tòan dựa vào điện thoại. Tất
cả các hoạt động liên quan đến thông tin giữa các Trung tâm điều hành vận tải
(sau đây được gọi là trung tâm OCC- Operation control center) tại Hà Nội, Đà
Nẵng và Sài Gòn và các ga trong khu vực điều khiển liên quan chỉ có thể thực
hiện bằng điện thoại. Ngoài ra còn có các đường điện thoại giữa các ga và các
đường ngang được bảo vệ trong khu vực liên quan.
Các hệ thống dây trần chủ yếu được dùng cho việc truyền dẫn đường dài với
các thiết bị đầu cuối là các máy tải ba. Đôi dây cáp đồng được sử dụng cho
thông tin & tín hiệu cục bộ. Các dây cáp đồng (4 dây) dùng cho việc truyền dẫn
âm tần trong một số khu gian.


14

Hình 1.4. Thiết bị thông tin liên lạc cũ kỹ và lạc hậu


Hình 1.5. Đài khống chế hệ thống liên lạc khóa rơle kiểu cũ

15
Vì hiện nay không có thông tin giữa các tàu và Trung tâm OCC hay các nhà
ga, nên nhân viên chạy tàu phải tự giải quyết các tai nạn (nếu có) – hoặc là đi bộ
để gọi trợ giúp hay đưa nạn nhân lên tàu đi đến ga kế tiếp hay 1 hoặc 2 nhân
viên chạy tàu ở lại với nạn nhân tại hiện trường cho đến khi tàu đến ga kế và gọi
được trợ giúp; vì vậy loại tai nạn này có ảnh hưởng lớn hoạt động, vì thời gian
phản hồi sự cố bị kéo dài do thiếu thông tin. Do vậy, thông tin giữa các tàu và
trung tâm OCC sẽ là một trong những chú trọng của thiết kế cho trung tâm OCC
mới.
Từ năm 1998, trên tuyến Hà Nội – Tp.HCM, ĐSVN đã áp dụng hệ thống
điện thoại truyền hình hội nghị sử dụng công nghệ Microband ATM và phương
thức truyền dẫn đa kênh với tốc độ 64 kbps thuê qua Tổng Công ty Bưu chính
Viễn thông Việt Nam.
Từ năm 2000 đến nay, sau khi Chính phủ ban hành "Chiến lượt phát triển
Giao thông vận tải Việt nam (Quy hoạch tổng thể) đến năm 2020" do Bộ Giao
Thông Vận Tải ban hành năm 2002, các mục tiêu đầy tham vọng cho lĩnh vực
vận tải cần phải đạt được đến các năm 2005, 2010 và 2020 đã ấn định. Các mục
tiêu chủ yếu cho lĩnh vực đường sắt bao gồm việc nâng cấp các tuyến hiện có để
đạt tiêu chuẩn đường sắt quốc gia và khu vực, phát triển thêm các tuyến mới,
phục hồi & phát triển các tuyến đường sắt lồng, điện khí hóa và tiến hành xây
dựng các tuyến đường sắt cao tốc Bắc – Nam… Lĩnh vực Thông tin tín hiệu
đường sắt cũng đã từng bước được cải thiện và nguồn vốn đầu tư ngày càng
được được chú trọng hơn trong lĩnh vực này, với mục tiêu chính là thay thế hệ
thống TTTH cũ, công nghệ truyễn dẫn analoge sang hệ thống thông tin cáp
quang, sử dụng kỹ thuật số, nâng cấp hệ thống kết cấu hạ tầng kỹ thuật đường
sắt, nâng cao tốc độ, rút ngắn hành trình chạy tàu, bảo đảm an toàn, cải thiện
điều kiện lao động, nâng cao tính cạnh tranh của vận tải đường sắt.
Kết hợp với các dự án khác từng bước hiện đại hoá ngành đường sắt, đi bước
đầu tiên của ngành TTTH đường sắt trong việc hiện đại hoá theo công nghệ mới.
Nâng cao trình độ cán bộ công nhân viên ĐS trong việc tiếp cận công nghệ mới.

Với mục tiêu: Đường cáp quang như là “đường trục chính” truyền dẫn tòan
bộ thông tin giọng nói và số liệu là mục tiêu trong tương lai của tất cả các tuyến.
Hiện trạng việc lắp đặt các tuyến cáp quang đang được thực hiện ở các dự án
như sau:
 Đọan Hà Nội– Vinh: việc xây dựng/lắp đặt đã được hoàn tất, với nguồn
vốn viện trợ ODA của Cộng hòa Pháp.
 Đọan Nha Trang – Sài Gòn: việc xây dựng đã hòan tất, với nguồn vốn
trong nước.

16
 Đoạn Vinh - Nha Trang: dự án đang được triển khai thi công, với nguồn
vốn vay ưu đãi của Chính phủ Trung quốc.
 Các khu vực Hà Nội – Lào Cai; Hà Nội – Thái Nguyên; Hà Nội – Đồng
Đăng và khu vực đầu mối Hà Nội: dự án đang được triển khai bước thiết kế
thi công, với nguồn vốn vay ưu đãi của Chính phủ Trung quốc.
 Hà Nội – Hải Phòng: Bước nghiên cứu khả thi đang được chuẩn bị
Hiện trạng mạng cáp quang đường sắt được thể hiện ở hình sau:


Hình 1.6. Hiện trạng mạng cáp quang đƣờng sắt
Hệ thống đường trục chính và hệ thống thông tin đường sắt giữ một vai
trò cực kỳ quan trọng trong việc hiện đại hóa và nâng cao năng lực vận tải trong
ngành Đường sắt. Hiện nay nỗ lực của ngành Đường sắt là từng bước hoàn thiện
Bản đồ mạng lƣới đƣờng sắt Việt Nam
Tổng quan về hệ thống thông tin
Hệ thống thông tin

Cáp quang

Khác

Địa điểm

Các cơ sở duy tu bảo dưỡng
thông tin-tín hiệu

Thị phần của các hệ thống TT


17
mạng lưới truyền dẫn đường trục cáp quang sử dụng công nghệ SDH và mạng
tổng đài điện tử số.
1.1.3. Trung tâm điều hành vận tải đƣờng sắt hiện nay [1],[4]
Trung tâm điều hành vận tải được xem như là trái tim của một hệ thống
vận tải, nếu như điều hành vận tải một cách hợp lý và có hiệu quả thì sẽ đem lại
lợi ích rất lớn và tiết kiệm chi phí.
Hiện nay có ba trung tâm điều hành vận tải khu vực đặt tại Hà Nội, Đà
Nẵng và TP HCM đang giám sát và gửi đón tàu hoạt động với các qui định của
mình. Một trung tâm điều hành vận tải quốc gia tại Hà Nội đang kiểm soát biểu
đồ chạy tàu và phối hợp điều hành chạy tàu.
Bộ phận kiểm sóat tuyến đường của Trung tâm điều hành vận tải đường sắt
(OCC) Hà Nội gồm 8 phòng điều độ riêng biệt, các nhân viên làm việc tại đây
có nhiệm vụ giám sát hoạt động chạy tàu thực tế và chịu trách nhiệm quản lý
mạng lưới đường sắt có tổng chiều dài xấp xỉ 1.400 km.
 Mỗi phòng điều độ rộng khoảng 16 m
2
.
 Trung tâm ĐHVT tại Đà Nẵng có vai trò như một trung tâm ĐHVT khu
vực và là đơn vị trực thuộc của Trung tâm OCC Hà Nội;
o Trung tâm ĐHVT tại Đà Nẵng kiểm sóat 600 km tuyến đường sắt

Bắc-Nam từ thủ đô Hà Nội đến thành phố Hồ Chí Minh (đọan miền
trung, chạy qua 6 tỉnh thành);
o Khu vực miền Trung của tuyến đường sắt Bắc-Nam gặp phải điều
kiện địa hình rất khó khăn. Tuyến đường này chạy giữa các đồi núi
và bờ biển, thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai (bão, lụt);
 Các phòng điều khiển phục vụ chức năng giám sát chạy tàu và điều độ
trên hai đoạn tuyến với 57 ga. Diện tích mỗi phòng từ 16 đến 18 m
2
;
 Trung tâm điều hành vận tải đường sắt tại thành phố Hồ Chí Minh cũng là
đơn vị trực thuộc của trung tâm OCC tại Hà Nội, chịu trách nhiệm điều
hành tuyến đường sắt dài 640 km và 54 ga; có 2 phòng điều khiển quản lý
đoạn tuyến này chịu sự chỉ đạo của OCC Hà Nội, mỗi phòng rộng khoảng
18 m2.
Các dụng cụ được sử dụng là điện thoại dây, đồng hồ, bút chì và biểu đồ kẻ
trên giấy, sách ghi chép và máy tính bỏ túi. Việc bố trí nhân viên và đầu máy toa
xe hàng ngày tạo ra khó khăn và làm giảm tính linh hoạt trong việc quản lý đoàn
tàu. Việc có yêu cầu tàu hàng, toa xe hàng là đáng chú ý, công việc bốc dỡ hàng
hầu hết giành cho nhân viên của ga.

18

Phương pháp định vị đoàn tàu hiện tại: 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. Nhân viên nhà ga thông báo cho nhân viên của 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 các
ga trên 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.
Mặc dầu các đơn vị hiện có thực hiện các chức năng cơ bản của vận tải đường
sắt do hiểu biết và kinh nghiệm chuyên môn của mình, hệ thống hiện tại thiếu
mất tính linh hoạt, hiệu quả và công việc; tính đúng giờ của các chuyến tàu thấp;
các thiết bị và cơ sở dữ liệu không đưa ra được các thông tin cần thiết để lập kế
hoạch, bố trí, sắp xếp và kiểm soát vận tải đường sắt có tính cạnh tranh.
1.1.4. Hiện trạng thị phần vận tải Đƣờng sắt [1],[4]
Do việc đầu tư cho lĩnh vực thông tin tín hiệu chưa được chú trọng một
cách thích đáng, thiết bị và công nghệ lạc hậu nên dẫn đến hiệu quả khai thác
vận tải trong ngành đường sắt rất thấp và luôn bị các phương thức vận tải khác
chiếm lĩnh thị phần.
Trước đây khi các lĩnh vực vận tải khác như đường bộ, đường không và
đường thủy chưa được cải thiện thì vận tải đường sắt đã tăng trưởng 6% mỗi
năm về vận tải hành khách (hành khách-km) và 9% mỗi năm về vận tải hàng hoá
(tấn-km) đó là do tỷ lệ tăng trưởng kinh tế trung bình là 8,4% mỗi năm. Tuy
nhiên, trong thời gian gàn đây, thị phần của đường sắt đã giảm từ 10% xuống
còn 8% về vận tải hành khách và bảo vệ thị phần vận tải hàng hoá của mình ở
mức thấp là 4%. Hiện nay đường bộ chiếm 69% về vận tải hành khách và 73%
về vận tải hàng hoá. Trong những năm gần đây, lĩnh vực đường bộ nhận được
87% lượng đầu tư do chính sách của các nhà tài trợ đa phương. Vận tải đường
sắt sẽ dần đánh mất thị phần của mình nếu như các khoản đầu tư cần thiết nhằm
cải thiện cho việc hoạt động của hệ thống bị hạn chế.

19
Đường sắt Việt Nam (ĐSVN) đã chịu mất thị phần vận tải trong vòng

nhiều năm qua, đầu tiên có thể nhìn thấy từ phân đọan thị trường vận tải hành
khách và sau đến phân đọan thị trường vận tải hàng hóa. Sự mất mát này đi kèm
với việc tăng mức độ kinh doanh không có lãi – chỉ xét trên tuyến Hà Nội –
Tp.HCM thì cũng chỉ có lĩnh vực vận tải hành khách là có lãi. Thêm vào đó,
Nhà nước chỉ có những khỏan đầu tư nhỏ vào mạng lưới đường sắt mà hiện
trạng khai thác không như mong đợi.
69%
4%
8%
19%
Đường bộ Thủy nội địa
Đường sắt Đường không

Hình 1.7. Số hành khách-km theo phƣơng thức vận tải

14%
9%
73%
4%
Đường bộ
Thủy nội địa
Đường sắt
Hàng hải

Hình 1.8. Khối lƣợng hàng hóa tấn-km theo phƣơng thức vận tải
Về mặt tuyệt đối, thị phần vận tải đường sắt thậm chí còn nhỏ hơn, chỉ có 1%
trong toàn bộ hành khách và chỉ có 3% trong tổng số tấn hành hóa vận chuyển.

20
9%
89%
1%
1%
Đường bộ Thủy nội địa
Đường sắt Hàng không

Hình 1.9. Số hành khách theo phƣơng thức vận tải

63%
24%
10%
3%
Đường bộ Thủy nội địa
Đường sắt Hàng hải

Hình 1.10. Khối lƣợng hàng hóa tấn theo phƣơng thức vận tải

Vì nhu cầu vận tải tăng lên trong khi không có việc mở rộng mạng lưới
đường sắt nên việc sử dụng mạng lưới (mật độ lưu thông) đã tăng liên tục, đạt
mức 2,36 triệu đơn vị lưu thông (Traffic Unit - TU)/tuyến-km. Nhìn vào sự phân
bổ các khỏan đầu tư của nhà nước cho thấy vị thế không được thuận lợi về
lượng đầu tư vào đường sắt.



21
87.1%
4.6%

8.4%
Đường bộ Đường sắt
Các loại khác

Hình 1.11. Đầu tƣ của nhà nƣớc đối với lĩnh vực vận tải trong
các năm qua
Tình hình tài chính và kinh tế phản ánh hoạt động khai thác kém. Thậm
chí khối lượng vận tải nhỏ như hiện nay trên mạng lưới của ngành cũng khó mà
tăng lên do hiện trạng của cơ sở hạ tầng, cơ cấu tổ chức và quá trình lập kế
hoạch khai thác.
Dù có những khiếm khuyết nêu trên nhưng ĐSVN cũng đang nhắm đến
việc hiện đại hóa, phát triển thị phần. Tuy nhiên những mục tiêu đầy tham vọng
này chỉ có thể đạt được nếu những cải thiện cơ bản được thực hiện ở công nghệ
khai thác vận tải, thì mới có thể đương đầu với những thử thách về kinh tế và tài
chính.
Việc nâng cao, cải thiện họat động khai thác yêu cầu việc tổ chức điều độ
tốt hơn về đầu máy, toa xe và nhân sự, các thông tin và phản hồi thời gian thực
và tổ chức tốt hơn các xí nghiệp đầu máy cũng như các đơn vị kinh doanh vận
tải hành khách và hàng hóa. Các công tác cải thiện này phải được hỗ trợ bởi các
biện pháp phụ trợ như là các khỏan đầu tư cơ bản vào hạ tầng của mạng lưới
đường và đoàn xe.
Giải pháp để có thể đạt được các tiến bộ quan trọng trong việc cải thiện
hoạt động khai thác đó là thiết kế và triển khai xây dựng một Trung tâm Điều
hành Vận tải (OCC) phù hợp các yêu cầu của ĐSVN, có “tính mở” cả về hệ
thống và công nghệ.
Trung tâm OCC trong tương lai sẽ được đặt tại Hà Nội cùng với một Trung tâm
ĐHVT khu vực điều hành họat động vận tải phần phía Bắc của mạng lưới
ĐSVN. Một Trung tâm ĐHVT khu vực thứ hai sẽ được đặt tại Tp.HCM chịu
trách nhiệm điều hành họat động vận tải phần phía Nam của mạng lưới. Trung
tâm OCC sẽ giúp lập kế hoạch tập trung tự động, điều chỉnh biểu đồ chạy tàu

“động” trong suốt quá trình điều hành vận tải, tối ưu hóa hoạt động trong trường
hợp xảy ra chậm trễ và thông tin trực tiếp giữa lái tàu và các nhân viên trung tâm

22
OCC. Trung tâm OCC cũng sẽ đưa ra các thông tin liên quan đến quá trình khai
thác tạo điều kiện cải thiện hoạt động trong tương lai.
1.2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1. Ứng dụng công nghệ GPS và các kỹ thuật nhận biết tự động khác
trong vận hành giao thông đƣờng sắt trên thế giới [7],[11]


Hình 1.12. Tàu cao tốc Shinkansen của Nhật Bản

Việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu (GPS) trong vận hành giao thông
đường sắt đã được ứng dụng ở rất nhiều vùng trên thế giới, nó được sử dụng kết
hợp với các cảm biến, máy vi tính, và các hệ thống thông tin liên lạc để cải thiện
tính an toàn, an ninh, và sự hoạt động hiệu quả của đường sắt. Các công nghệ
này giúp giảm thiểu tai nạn, sự chậm trễ và chi phí vận hành, trong khi làm tăng
khả năng theo dõi, sự hài lòng của khách hàng, và tiết kiệm chi phí một cách
hiệu quả nhất. Tính đến hiệu quả hoạt động của một hệ thống đường sắt là
những yêu cầu về tính chính xác, thông tin về vị trí thời gian thực của các đầu
máy.
Bảo đảm mức độ an toàn cao, nâng cao hiệu quả của hoạt động kinh
doanh đường sắt, và khả năng mở rộng hệ thống đang có là tất cả các mục tiêu
chính của ngành công nghiệp đường sắt ngày nay. Không giống như hầu hết các
lĩnh vực khác của giao thông vận tải, việc quản lý giao thông đường sắt ít có sự
linh hoạt do có tính đặc thù cao. Hầu hết các hệ thống đường ray bao gồm nhiều
đoạn ray kết nối với nhau. Tuyến đường sắt được nối bởi rất nhiều ga với nhau,
đồng thời phải chia sẻ việc sử dụng duy nhất một tuyến đường.

23


Hình 1.13. Tàu cao tốc TGV của Pháp

Biết được vị trí chính xác của đầu máy là điều kiện cần thiết để ngăn chặn
các xung đột, duy trì lưu lượng giao thông thông suốt và giảm thiểu chi phí do
phải chờ đợi để giải phóng đường chạy. Nhờ có các kỹ năng của các nhân viên
điều độ, tính chính xác và linh hoạt về mặt thời gian, việc bố trí chính xác tiêu
chí "đáp ứng và vượt qua" trên một khu gian cho phép các điều độ viên đường
sắt hướng dẫn tàu của họ thông qua một cách an toàn. Do đó, việc xác định được
chính xác vị trí của đoàn tàu là cực kỳ quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và
hiệu quả khi vận hành toàn bộ hệ thống.
GPS cũng góp phần vào việc lập biểu đồ chạy tàu một cách đáng tin cậy
thông qua việc xác định chính xác vị trí của các đoàn tàu trên khu gian, tăng
cường khả năng kết nối với các phương thức giao thông vận tải khác như các
nhà ga đường sắt đến sân bay trung chuyển.
Một khái niệm tăng cường cho tín hiệu GPS cơ bản đó là Differential GPS
(DGPS), nhằm cải thiện độ chính xác và an toàn trong phạm vi theo dõi của nó.
Các thông tin vị trí được tăng cường cho phép các điều độ viên để xác định được
chính xác vị trí của đoàn tàu đang nằm ở đường nào trong hai đường song song
với nhau. Khi đoàn tàu đi vào các vị trí khuất tầm nhìn của GPS như trong hầm,
đằng sau ngọn đồi và các chướng ngại vật thì DGPS có thể cung cấp cho trung

24
tâm quản lý hệ thống một vị trí đáng tin cậy và chính xác nhờ khả năng tìm và
phán đoán vị trí một cách chính xác.
DGPS là một thành phần quan trọng của khái niệm kiểm soát vị trí đoàn
tàu (Positive train control - PTC) đang được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới.
Khái niệm này bao gồm việc cung cấp các thông tin vị trí đoàn tàu một cách

chính xác để trung tâm quản lý đưa ra được kế hoạch chạy tàu chính xác và hợp
lý nhất bao gồm tốc độ chạy tàu, tái định tuyến giao thông, đảm bảo an toàn
trong quá trình vận hành.
Một hệ thống PTC có thể theo dõi các vị trí và tốc độ đoàn tàu một cách
chính xác để các nhân viên điều độ đường sắt có thể thực hiện việc điều chỉnh
tốc độ chạy tàu một cách hợp lý và phù hợp với giới hạn cho phép. Bằng cách
cung cấp một cách tốt nhất trong việc theo dõi vị trí và tốc độ của đoàn tàu, PTC
làm tăng hiệu quả hoạt động, cho phép theo dõi với năng lực cao hơn, tăng
cường tính chính xác và an toàn hơn.

Cuối cùng, với sự hiện đại hóa của GPS, có thể vận hành đường sắt mong
muốn được tiếp tục cung cấp các dịch vụ tốt hơn. Ngoài những dịch vụ hiện tại
của hệ thống GPS với mục đích dân dụng, Hoa Kỳ cam kết sẽ thực hiện thêm
hai hệ thống GPS với mục đích dân dụng nữa. Việc truy nhập và sử dụng hệ
thống tín hiệu định vị toàn cầu sẽ gia tăng độ chính xác, tính khả dụng hơn, và
tích hợp tốt hơn cho tất cả người dùng
Các thành phần chủ yếu được sử dụng trong việc định vị đoàn tàu bằng
công nghệ GPS đó là các bộ cảm biến, máy tính và hệ thống thông tin kỹ thuật
số để lựa chọn, xử lý và sử dụng các thông tin nhằm mục đích an toàn tiết kiệm
và đạt hiệu quả khai thác cao. Hiện nay hệ thống giao thông thông minh (ITS) sử
dụng cho đường sắt cao tốc và vận chuyển với khối lượng lớn chủ yếu dựa trên
các cơ sở công nghệ này như là các hệ thống điều khiển giao thông hàng không
và hàng hải. Các dịch vụ quân sự, vận chuyển hàng hóa, các nhà khai thác
đường ống dẫn, cảnh sát, cứu hỏa, cứu thương và trong lĩnh vực xây dựng đều
sử dụng các công nghệ này.
Hiệp hội đường sắt thế giới hiện nay đang từng bước phát triển hệ thống
đường sắt thông minh (Intelligent Railroad Systems – IRS) nhằm nâng cao tính
chính xác, an toàn và hiệu quả trong quản lý và vận hành giao thông đường sắt.
Hệ thống đường sắt thông minh thế hệ mới sẽ là chìa khóa thành công trong điều
hành vận tải hàng hóa và vận tải hành khách liên tỉnh cũng như đường dài với

mục đích an toàn hơn, tiết kiệm hơn, chính xác hơn và có hiệu suất khai thác cao
hơn, thỏa mãn các yêu cầu và làm hài lòng khách hàng hơn. Các hệ thống này có
thể được phát triển như là một hệ thống độc lập hoặc là một hệ thống tích hợp
tùy thuộc vào các điều kiện về tài chính của đường sắt mỗi quốc gia.