So sánh hệ thống CBTC và các hệ thống phát hiện tàu trong loại hình đường sắt

1

BÁO CÁO
SO SÁNH CÔNG NGHỆ CBTC VÀ CÁC HỆ THỐNG PHÁT
HIỆN ĐOÀN TÀU TRONG CÁC LOẠI HÌNH ĐƯỜNG SẮT



BỘ ĐẾM TRỤC;
MẠCH ĐIỆN ĐƯỜNG RAY;
HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU;
HỆ THỐNG CBTC;

1.

TỔNG QUAN VỀ BỘ ĐẾM TRỤC





Bộ đếm trục là một thiết bị dùng để phát hiện đoàn tàu chạy qua trên một
phân khu. Một đầu bộ đếm được lắp đặt ở mỗi đầu cuối của phân khu. Khi mỗi trục
bánh tàu đi qua đoạn bắt đầu của phân khu thì bộ đếm gia tăng. Mỗi đầu bộ đếm có
hai phần tử nhạy, có thể phát hiện được hướng đoàn tàu. Khi đoàn tàu đi qua hai
đầu bộ đếm giống nhau tại mỗi đầu phân khu, thì bộ đếm trục giảm xuống. Nếu sự
tính toán của bộ đếm cân bằng giá trị 0, thì phân khu được xem như đã thực hiện
và chuẩn bị đếm trục cho đoàn tàu tiếp theo.
Việc phát hiện đoàn tàu được thực hiện bởi máy điện toán đánh giá độ an
toàn gọi là “bộ ước lượng”, với những bộ phát hiện đặt ở mỗi đầu phân khu. Bộ
đếm nối với “bộ ước lượng” thông qua dây cáp đồng hoặc hệ thống truyền tải

thông tin. Điều này cho phép lắp đặt các bộ đếm cách xa “bộ ước lượng”.
Nguyên lý hoạt động của bộ đếm trục
Hệ thống đếm trục bao gồm: Cảm biến đếm trục và Máy đếm trục. Bộ cảm
biến đếm trục bao gồm cuộn cảm phát và cuộn cảm thu tín hiệu. Nó được lắp đặt ở
phía trong và ngoài của Ray.Từ trường được sinh ra bởi dòng điện trong cuộn phát
và các đường sức từ sinh ra dòng điện trong cuộn thu. Khi cặp bánh tàu đi đến cảm
biến nó làm phát sinh từ trường và triệt tiêu từ trường phát sinh từ cuộn cảm phát
tín hiệu. Như vậy cặp trục bánh tàu được phát hiện.
Hai cảm biến đếm trục được lắp đặt ở khu đoạn phát hiện đoàn tàu dùng để
phát hiện hướng tàu chạy. Khi cảm biến ở mỗi phía phát được cặp bánh tàu đi vào


2

thì phân khu sẽ bị chiếm dụng. Số cặp bánh tàu đi vào và đi ra khỏi phân khu mà
bằng nhau thì khi đó phân khu thanh thoát.

Hình 1.1 – Nguyên lý làm việc của bộ đếm trục

Hình 1.2 – Một bộ đếm trục FeildTrac 6315Az LM tàu điện ở Anh


3

ĐÁNH GIÁ
Hệ thống này được sử dụng trên 35 quốc gia trên thế giới, chủ yếu ở Châu âu.
Có một số ít sử dụng ở Nhật Bản. Thay thế cho hệ thống đóng đường trong trường
hợp ATP bi hư hỏng thuộc tuyến Shinkasen.
Thống kê các tuyến đường và quốc gia sử dụng bộ đếm trục
• DB AG

• VR
• Network Rail
• SBB
• IR
• ÖBB
• PKP
• Spoornet
• DSB
• IR

Đức
Phần Lan
Anh
Thụy Sĩ
Ấn Độ
Áo
Ba Lan
Nam Phi
Đan Mạch
Ailen



Ưu điểm:

•

Hệ thống này không yêu cầu thiết bị cách điện đường ray. Điều này có thể
tránh làm gãy các mối hàn ray và chèn thêm các thiết bị cách điện.

•

Bộ đếm trục đòi hỏi ít mối nối và cáp so với mạch điện đường ray, vì vậy
giảm chi phí lắp đặt và bảo dưỡng.

•

Bộ đếm trục có thể lắp đặt ở khu vực hầm ẩm ướt, ray tà vẹt có thanh rằng
bằng kim loại không cách ly, nơi mà không nên sử dụng mạch điện đường
ray.

Theo kinh nghiệm sử dụng bộ đếm trục ở Châu Âu thì độ tin cậy chung của bộ
đếm trục gấp 5 lần độ tin cậy của mạch điện đường ray đối với những tính năng
giống nhau.


Nhược điểm:
Bộ đếm trục có thể “quên” có bao nhiêu trục trong một phân khu đối với
những nguyên nhân như mất nguồn.


4

•

Tính an toàn: Bộ đếm trục chỉ cung cấp những tín hiệu gián đoạn vị trí của
đoàn tàu khi đoàn tàu đi qua một khu vực cố định. Nếu một bộ đếm trục bị
lỗi hoặc mất nguồn thì đoàn tàu sẽ không được phát hiện. Điều này có nghĩa
là đoàn tàu phải được xác nhận lại bằng phương tiện khác và đó là yêu cầu
cần thiết trước khi hệ thống được phục hồi khi có sự cố về nguồn điện.

•

Sự cố ray: Không phát hiện được sự cố ray.

•

Đường tránh và dồn tàu: Bộ đếm trục không phát hiện chính xác đoàn tàu
trong khu bảo dưỡng khi vị trí bánh tàu dừng thẳng hướng với thiết bị đếm
cũng như việc tránh, dồn và quay đầu đoàn tàu trên chính tuyến không được
phát hiện chính xác.

•

Phát hiện nhầm các vật liệu bằng kim loại không phải trục bánh tàu.

Điều này có nghĩa là có chức năng về sự điều chỉnh xác lập lại hệ thống là yêu
cầu cần thiết.
•

Tác động đến việc lắp đặt ở vị trí sử dụng Tà vẹt thanh rằng ngang bằng kim
loại.

•

Bộ cảm biến đếm trục gây cản trở cho việc duy tu bảo dưỡng nền Ba lát khi
sử dụng búa chèn Ba lát.

2.

ĐỀ XUẤT:

Trong các kĩ thuật phát hiện đoàn tàu thông dụng hiện nay, ngoài bộ đếm
trục trên thế giới còn sử dụng kĩ thuật phát hiện đoàn tàu bằng mạch điện đường
ray, hệ thống định vị toàn cầu (GPS) và hệ thống tự động phát hiện (công nghệ
CBTC – Communication Based Train Control). Để đánh giá chính xác về tính
năng, hiệu suất làm việc cũng như chi phí xây dựng lắp đặt thì nên xem xét các
tính năng hoạt động và ưu nhược điểm của các hệ thống phát hiện đoàn tàu này.
2.1 MẠCH ĐIỆN ĐƯỜNG RAY TẦN SỐ ÂM THANH AF


5

Tới Ga

Bộ truyền tần số âm thanh (AF)
(Tx)

Bộ thu tần số âm thanh (AF)
(Rx)


6

Dòng sức kéo một chiều
Dòng AF
Hình 2.1 – Nguyên lý mạch điện đường ray tần số âm thanh

Đặc trưng của phương thức này là sử dụng chính 2 thanh ray để làm để làm
mạch điện. Một đầu của phân khu được lắp máy phát tần số âm thanh và đầu còn

lại lắp đặt một máy thu tần số âm thanh. Khi khu gian không có tàu chiếm dụng tín
hiệu sóng AF sẽ truyền từ đầu phát đến đầu thu. Tuy nhiên khi có tàu chiếm dụng
khu gian thì cặp trục bánh tàu sẽ làm ngắn mạch và khi đó tín hiệu AF từ đầu phát
ko truyền được đến thu và tàu sẽ bị phát hiện. Loại này gọi là mạch điện đường ray
khép kín. Khi mạch điện đường ray gặp sự cố khi đó cũng xem như là có tàu chiếm
dụng và tín hiệu dừng tầu ngay lập tức được truyền từ ATC lên đầu máy.
Mạch điện đường ray nói chung cần sử dụng mối nối cách điện cho hai phía
của phân khu.

×


7

Mốc xung đột

Phát hiện khóa khu đoạn
Mối nối cách điện ray(IRJ)
Hình 2.2 – Nguyên lý mạch điện đường ray tần số âm thanh

Vị trí chính xác của đoàn tàu trong ga có Ghi là rất cần thiết. Ranh giới của
MĐĐR không có mối nối cách điện là không rõ ràng, sai lệch về vị trí phát hiện
đoàn tàu thường vào khoảng 5m.
Để ngăn chặn các sự cố va chạm giữa các đoàn tàu trong phân khu thì phải
đặt đường phân giới của mạch điện đường ray (MĐĐR) ở ngoài mốc tránh va
chạm. Trong khi đoàn tàu thông qua khu vực Ghi thì ghi đã phải được khóa lại.
Nhưng đối với đoàn tàu theo sau khi mà nó tiến qua khu vực phát hiện khóa khu
đoạn (detector lock section) thì Ghi phải được nhả ra (mở khóa) ngay khi có thể.
Thứ tự nhả ghi trên MĐĐR có mối nối cách điện là yêu cầu cần thiết trong khu vực
ghi.

Đặc điểm của mạch điện đường ray:
•

Hệ thống đặt dưới mặt đất

•

Được áp dụng lâu đời



Ưu điểm:

•

Độ tin cậy cao

•

Độ nhạy ngắn mạch tương đối tốt

•

Phát hiện đoàn tàu chính xác, dễ dàng trên đường dồn dịch, đường chứa tàu.

•

Phân khu rõ ràng bằng việc sử dụng mối nối cách điện

8

•

Có thể phát hiện sự cố ray

•

Phát hiện liên tục



Nhược điểm:

•

Cần phải lắp đặt ở mặt đất

•

Việc đảm bảo chắc chắn MĐĐR bị ngắn mạch bởi cặp trục bánh tàu là một
thách thức đối với hệ thống này.

2.2 TỰ ĐỘNG PHÁT HIỆN ĐOÀN TÀU (CÔNG NGHỆ CBTC)
Hệ thống phát hiện đoàn tàu được lắp đặt trên chính tuyến, khu vực từ chính
tuyến vào Đề-pô và khu Đề-pô (trừ khu vực bảo dưỡng). Tất cả các đoàn tàu trên
toàn tuyến và các phương tiện (trừ các toa xe bảo dưỡng) sẽ được phát hiện bất cứ
khi nào di chuyển hoặc dừng đều thuộc các chệ độ vận hành.

Bộ xử lý

9

Anten thu phát trên tàu
Tốc kế


10

Hệ thống phát hiện đoàn tàu đặt dưới mặt đất
Bộ thu-phát tín hiệu để điều chính khoảng cách
Bộ xử lý
Anten Vô tuyến chuyên dụng

Hình 2.3 – Nguyên lý của bộ tự phát hiện đoàn tàu

Vị trí của đoàn tàu được tính toán bởi số vòng quay của cặp trục bánh tàu đo
được từ tốc kế. Các máy thu phát cần thiết đối với vị trí đầu tiên của đoàn tàu và
điều chỉnh vị trí. Máy thu phát truyền dữ liệu về vị trí tới đoàn tàu. Ở đây, sự cố
đường ray được phát hiện trên toàn khu gian.
Việc tính toán vị trí đoàn tàu với thiết bị tự phát hiện là truyền thông tin tới
các trạm vô tuyến mặt đất bằng sóng vô tuyến chuyên dụng (công nghệ CBTC).
Trạm vô tuyến mặt đất truyền thông tin về vị trí đoàn tàu phía trước cho đoàn tàu
phía sau và thiết bị ATP trên từng đoàn tàu sẽ tự điều khiển tốc độ để giữ cự ly an
toàn đối với các đoàn tàu khác.
Công nghệ CBTC không thể phân biệt được các vị trí chiếm dụng của đoàn
tàu tại các đường trong ga có ghi, vì vậy ở những ga có ghi này và khu vực Đề-pô
sử dụng hệ thống phát hiện đoàn tàu bằng mạch điện đường ray tần số âm thanh.
Việc phát hiện đoàn tàu với công nghệ CBTC được tuyền tới hệ thống liên

khóa IL, hệ thống IL này thực hiện điều khiển và khóa đường chạy. Bên cạnh đó vị
trí đoàn tàu được truyền tới trung tâm OCC và được thể hiện trên bảng hiển thị,
bàn điều khiển và tại đây sẽ sử dụng các thông tin điều khiển bởi hệ thống tự động
giám sát đoàn tàu ATS.
Đặc điểm của hệ thống tự động phát hiện đoàn tàu:


Ưu điểm:

•

Hệ thống ở mặt đất đơn giản và chi phí thấp hơn.


11

Chủ yếu là các trạm vô tuyến dọc đường sắt và bộ thu phát trong khổ đường
sắt

•

Nhược điểm:
Điều chỉnh vị trí là yêu cầu cần thiết

Việc phát hiện về vị trí với sự không chính xác về số vòng quay của cặp trục
bánh tàu bởi vì cặp trục bánh tàu có thể chạy trên không hoặc trượt trên ray. Bởi
vậy việc điều chỉnh về vị trí là yêu cầu cần thiết với bộ thu-phát.
•

Phát hiện đối tượng của đoàn tàu

Điều này có nghĩa là việc truyền thông tin về về vị trí của đoàn tàu là cần
thiết. Bên cạnh đó khi nguồn điện trên tàu bị hỏng thì nó không thể phát hiện
đoàn tàu

•

Vị trí tàu ở khu vực mạch vòng trong ga thì không thể tự phát hiện.

•

Điều này có nghĩa là không thể phát hiện vị trí tàu, nơi mà đường ray bị
chiếm dụng, đường ray chính hoặc đường thông qua. Bởi vậy cần có hệ
thống phát hiện khác.

•

Không phát hiện được sự cố đường ray. Cần lắp đặt mạch điện đường ray để
dự phòng.

2.3 THIẾT BỊ ĐỊNH VỊ VỆ TINH GPS
•

Hệ thống này sử dụng GPS để xác định vị trí đoàn tàu và đưa ra tín hiệu

•

Hệ thống này ít được áp dụng trên thế giới

Ở Nhật Bản không áp dụng và hiện nay đang nghiên cứu. Ở Mỹ đã lắp đặt
một hệ thống về xác định vị trí đoàn tàu sử dụng trên tuyến chuyên chở hàng hóa

(Tuyến Chicago).


12

Hình 2.4 – Sơ đồ minh họa hệ thống phát hiện đoàn tàu bằng GPS


Ưu điểm:

•

Hệ thống này không cần lắp đặt trên mặt đất



Nhược điểm:

•

Sự chính xác về vị trí thì thấp hơn so với mạch điện đường ray hoặc thiết bị
đếm trục.

•

Với đường đôi, đường dồn dịch hoặc các đường chứa toa xe cần có hệ thống
phát hiện khác.

•

Không có tác dụng trong khu vực đường hầm

•

GPS không kiểm soát được người lái tàu đối với các vấn đề về bảo vệ an
toàn.

2.4 CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CỤ THỂ
Mục

Hệ số

Tự phát hiện Thiết bị định Bộ đếm trục Mạch điện
tàu
vị vệ tinh
đường ray
-GPS
(CBTC)


13

(CBTC)
Tính liên tục

3

3→9

3→9

1→3

4→12

Phát hiện sự cố
mạch ray

1

0

0

0

4→4

Độ chính xác về vị
trí(Khu vực Ga)

2

0

0

4→8

4→8

Áp dụng thực tế

5
5
3
5

2→10
4→20
1→3
4→20
62

1→5
4→20
1→3
4→20
57

3→15
2→10
3→9
3→15
60

4→20
3→15
3→9
2→10

78

Giãn cách
Nhiễu sóng
Chi phí
Đánh giá tổng hợp

KẾT LUẬN
Hệ thống định vị toàn cầu GPS mới, ít được áp dụng trên thế giới, chưa có
nhiều kinh nghiệm khai thác thực tế. Mạch điện đường ray tần số âm thanh là công
nghệ truyền thống được sử dụng rộng rãi với công nghệ kĩ thuật số có thể thực hiện
một cách hiệu quả. Song với nhu cầu đi lại của hành khách gia tăng trong tương
lai, cần thiết phải giảm thiểu khoảng cách chạy tàu thì hệ thống phát hiện đoàn tàu
tự động với công nghệ CBTC là thích hợp. Công nghệ CBTC này đang ngày càng
được sử dụng khai thác rộng rãi vì những tính năng ưu việt như:
-

CBTC sử dụng hệ thống điều khiển đặt trên tàu với công nghệ tự phát
hiện vị trí và đóng đường di động.
Vị trí được phát hiện bởi chính đoàn tàu. Thông tin về vị trí được truyền
bằng sóng vô tuyến.
Cần ít thiết bị máy móc và duy tu bảo dưỡng.

Thông tin về một số tuyến tàu điện ngầm trên thế giới áp dụng công nghệ CBTC
với hệ thống tự động phát hiện đoàn tàu:
Thành phố
hoặc đất
nước

Tên tuyến

IL/RF

Hồ sơ
(mức độ phát

Nhà sản
xuất

Loại đường
sắt


14

triển)
New York

New York Transit

RF

Đang cải tiến

Siemens

Đs đô thị

New York

JFK-Airport

IL

Đang sử dụng

Alcatel

Đs nhẹ

New York

Long Island Railroad

?

Chờ phê duyệt

?

Đs đô thị

San Francisco

SF Muni

IL

Đang phụ vụ

Alcatel

Đs nhẹ

San Francisco

SF BART*

RF

Đang cải tiến

GE

Đs đô thị

San Francisco

SFO Airport

RF

Đang sử dụng

Bombardier

UART/Lốp
cao su

Washington

Dulled People Mover

RF

Đang nghiên cứu

Alcatel

UART/Lốp
cao su

Seattle

Tacoma Airport

RF

Đang nghiên cứu

Bombardier

Đ.ray đơn

Las Vegas

Monorail, Nevada

RF

Đang sử dụng

Alcatel

Đ.ray đơn

Detroit

APM

IL

Đang sử dụng

Alcatel

UART/Lốp
cao su

Philadelphia

SEPTA

RF

Sắp cải tiến

?

Đs nhẹ

West Virginia

Morgantown

IL

Đang sử dụng

?

Lốp cao su

Vancouver

Sky Train Line

IL

Đang sử dụng

Bombardier

Đs nhẹ

Trung Quốc

Wuhan

IL

Đang sử dụng

Alcatel

Đs nhẹ

Trung Quốc

Guanghou

?

Mới sử dụng

Alcatel

Đs đô thị

Hồng Công

West Rail

IL

Đang sử dụng

Alcatel

Đs đô thị

Hồng Công

Penny’s Bay Line

RF

Sắp sử dụng

Alcatel?

Đs đô thị

Hồng Công

Ma On Shan

IL

Đang sử dụng

Alcatel

Đs đô thị

Đài Loan

Taipei Neihu Line

RF

Đã chấp nhận

Bombardier

Đs đô thị
/Lốp cao su

Singapore

North East Line

RF

Đang sử dụng

Alstom

Đs đô thị

Thổ Nhĩ Kỳ

Ankara Rapid Transit

IL

Đang sử dụng

Alcatel

Đs nhẹ

Kuala Lumpur

Putra Light Rail

?

Đang sử dụng

Alcatel

Đs nhẹ

Hàn Quốc

Seoul Bundang Line

RF

Đang cải tiến

Alcatel

Đs liên vận

Pháp

Lyon Line D

?

Đang sử dụng

Siemens

Đs đô thị
/Lốp cao su

Pháp

Lausanne Metro

?

Sắp sử dụng

Alstom

Lốp cao su


15

Pháp

Paris Line 13

RF

Đang cải tiến

Alcatel

Đs đô thị

Pháp

Paris Line 14

IL

Đang sử dụng

Siemens

Đs đô thị

Pháp

Paris Line 4

?

?

Siemens

Đs đô thị
/Lốp cao su

Tây Ban Nha

Barcelona

RF

Mới sử dụng

Siemens

Đs đô thị

Tây Ban Nha

Madrid

RF

Mới sử dụng

Bombardier

Đs đô thị

London

Jubilee & Northern L

IL

Đang nghiên cứu

Alcatel

Đs đô thị

London

DLR Dockland LR

IL

Đang sử dụng

London

Heathrow Airport

IL

Đang sử dụng

Đs nhẹ
Bombardier

Đs đô thị