Ứng dụng công nghệ nâng cao an toàn đường sắt

Giảm sức người

Tác giả của hệ thống cảnh báo vật cản đường sắt sử dụng công nghệ không dây là ThS Phan Hữu Thanh Tú và ThS Nguyễn Mai Minh Tú - giảng viên chuyên ngành Cơ điện tử và hệ thống cảm biến, Trường Đại học Việt Đức (TPHCM), dưới sự hướng dẫn của TS Đỗ Xuân Phú (cùng ngành và trường). Sản phẩm nghiên cứu trong hơn 1 năm, được kỳ vọng giúp ngành đường sắt nâng cao an toàn trong chạy tàu, giảm nguy cơ tai nạn nhờ ứng dụng công nghệ với chi phí thấp.

Theo thống kê của ngành đường sắt, cả nước hiện có hơn 5.500 nút giao cắt, trong đó có khoảng 1.500 đường ngang đảm bảo an toàn và hơn 400 vị trí giao cắt có người canh gác, còn lại là đường ngang dân sinh chỉ có còi và tín hiệu đèn cảnh báo. Do đó, nguy cơ tiềm ẩn tai nạn tại các đường ngang, đặc biệt đường ngang dân sinh không có người canh gác.

Để phát hiện vật cản và kiểm tra an toàn, ngành đường sắt phải bố trí các bốt gác chắn tại nơi giao cắt với đường bộ và cử người đi tuần theo ca kíp. Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này phụ thuộc vào con người, khả năng kiểm soát không cao và ảnh hưởng sức khỏe của nhân viên tuần tra. Từ thực tế nhóm đánh giá, nhân viên tuần tra phải đi bộ, quãng đường đi dài mất nhiều thời gian, nhưng hiệu quả không cao khi có tình huống bất thường xảy ra.

Theo ThS Phan Hữu Thanh Tú, để đảm bảo an toàn các khu vực gác chắn, ngành đường sắt đang sử dụng camera giám sát ở khu vực bốt gác có người trông coi. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống camera là quan sát ở một vị trí cố định, không bao quát khu vực rộng lớn và tính linh hoạt không cao. Từ đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển hệ thống cảnh báo vật cản trên đường sắt giúp tăng khả năng giám sát và giảm bớt nhân lực.

Sau thời gian khảo sát, đánh giá và thử nghiệm các công nghệ, nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống cảnh báo vật cản đường sắt sử dụng cảm biến vật cản radar, cảm biến siêu âm và cảm biến chuyển động. Các loại cảm biến này được đặt trong hộp và gắn ở khoảng cách tối thiểu 2,5m so với đường ray tàu hỏa. Cụ thể, cảm biến vật cản radar có khả năng nhận dạng vật thể đi vào vùng quan sát. Cảm biến chuyển động PIR giúp nhận dạng đó là người hay vật.

Cơ chế hoạt động của cảm biến chuyển động PIR chuyên dùng để phát hiện sự thay đổi bức xạ hồng ngoại (nhiệt) từ các vật thể trong trường nhìn của nó. Cụ thể, cảm biến chuyển động PIR có khả năng phát hiện sự thay đổi nhiệt độ do sự di chuyển của người hoặc động vật. Cuối cùng là cảm biến siêu âm giúp xác định chiều cao phục vụ đánh giá vật thể là người, động vật, người đi xe…

Dữ liệu từ cảm biến được truyền thông qua mạng 3G, 4G đến bộ phận thu nhận tín hiệu, phân tích và hiển thị lên màn hình LCD giúp lái tàu hay người quản lý nhận biết có vật cản phía trước. Khi có tình huống xuất hiện người, động vật xâm nhập khu vực hành lang an toàn đường sắt, hệ thống sẽ phát cảnh báo để nhân viên gác chắn và người lái tàu có thể xử lý phanh khẩn cấp hoặc phối hợp xử lý tùy theo tình huống và mức độ nguy hiểm.

Mỗi hộp cảm biến có tầm hoạt động khoảng 10m, thời gian cập nhật dữ liệu theo thời gian thực với tần suất 1 lần/phút. Việc cập nhật dữ liệu thường xuyên giúp cảnh báo kịp thời cho nhân viên đường sắt khi có vật thể lạ xâm nhập vào hành lang bảo vệ đường sắt. Hệ thống hoạt động sử dụng nguồn điện độc lập khi dùng pin lithium 12V kết hợp pin mặt trời giúp có nguồn điện dự trữ.

Do hộp chứa cảm biến là thiết bị hoạt động ngoài trời, thường chịu ảnh hưởng bởi các điều kiện thời tiết khắc nghiệt như mưa gió, nắng nóng… nên nhóm nghiên cứu đã thiết kế hộp cảm biến sử dụng các vật liệu có khả năng chống nước và chịu nhiệt cao, đảm bảo tiêu chuẩn IP67 cho các thiết bị hoạt động ngoài trời.

Ngoài ra, nhóm cũng đã tính toán đến việc xây dựng mái che bằng tôn để che chắn cho hộp cảm biến, đảm bảo quá trình hoạt động được hiệu quả và chống chọi được thời tiết khắc nghiệt. Giá thành mỗi hộp cảm biến khoảng 2 triệu đồng, có thể cạnh tranh với các hệ thống ngoại nhập hay sản phẩm tương tự. Tuy nhiên, theo nhóm nghiên cứu, sản phẩm có thể giảm còn 1 triệu đồng nếu sản xuất ở quy mô công nghiệp, số lượng lớn nên rất khả thi nếu ứng dụng thực tế.

Sản phẩm sử dụng pin mặt trời cung cấp năng lượng khi hoạt động ngoài trời. Ảnh: VGU

Độ chính xác cao

Để đánh giá tính hiệu quả và khả năng ứng dụng thực tế, dựa trên việc phân tích dữ liệu, nhóm sử dụng thuật toán xác định vị trí có nhiều nguy cơ mất an toàn như khu vực nhiều động vật qua lại, khu dân cư, khu nhiều đường giao cắt… để đặt hệ thống theo các thứ tự ưu tiên.

Theo ThS Phan Hữu Thanh Tú, nhóm sử dụng dữ liệu có 11.000 mẫu đã được gán nhãn và quá trình thực hiện thuật toán quét toàn khối dữ liệu là 150 lần, kết quả nhận dạng chính xác là 98,14%. “Đây là kết quả dựa trên lý thuyết và cần lắp đặt hệ thống thực tế tại các đường ray để đánh giá tính chính xác”, ThS Tú nói.

Nghiên cứu hệ thống giám sát vật cản trên đường ray tàu hỏa dùng công nghệ không dây của nhóm tác giả Trường Đại học Việt Đức được đăng tải trên nhiều tạp chí quốc tế uy tín thuộc danh mục ISI, Scopus và một số tạp chí chuyên ngành trong nước. Ngoài ra, nghiên cứu này được đăng tải tại một số hội nghị quốc tế và xuất hiện trong 1 chương sách quốc tế.

Nhóm cho biết, trong khuôn khổ một nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm nên chưa thể thực hiện thực tế tại khu vực đường sắt để đánh giá tính hiệu quả. Thời gian tới, nhóm mong muốn nhận được sự quan tâm của các cơ quan chức năng, đặc biệt ngành đường sắt phối hợp thử nghiệm hệ thống tại một số vị trí gác chắn.

Đây là quá trình quan trọng để nhóm có cơ sở thực tiễn cho việc ứng dụng hệ thống vào thực tế và chỉnh sửa các thiết kế, công năng của hệ thống phù hợp với điều kiện thực tế của ngành đường sắt.

Đánh giá về nghiên cứu, TS Đỗ Xuân Phú - giảng viên chuyên ngành Cơ điện tử và hệ thống cảm biến, Trường Đại học Việt Đức, cho biết, các nước phát triển, hệ thống đường sắt được ví như xương sống của nền kinh tế, đóng vai trò quan trọng trong cả lĩnh vực quốc phòng.
Nhóm đã ứng dụng khoa học kỹ thuật cho ngành đường sắt hoạt động an toàn, hiệu quả với nghiên cứu có tính ứng dụng cao là rất thiết thực. “Để hệ thống hoàn thiện hơn giúp tăng khả năng thương mại hóa cần đồng bộ hóa các phụ kiện trong hộp để giảm độ nhiễu. Nhóm cần phát triển các thuật toán phát hiện vị trí bất thường để tránh mất cắp và kịp thời thay thế”, TS Phú nói.

Hộp chứa cảm biến có chức năng cảnh báo vật cản đường sắt tại phòng lab của Trường Đại học Việt Đức. Ảnh: NVCC

Giảm sức người

Độ chính xác cao

Đánh giá về nghiên cứu, TS Đỗ Xuân Phú - giảng viên chuyên ngành Cơ điện tử và hệ thống cảm biến, Trường Đại học Việt Đức, cho biết, các nước phát triển, hệ thống đường sắt được ví như xương sống của nền kinh tế, đóng vai trò quan trọng trong cả lĩnh vực quốc phòng.
Nhóm đã ứng dụng khoa học kỹ thuật cho ngành đường sắt hoạt động an toàn, hiệu quả với nghiên cứu có tính ứng dụng cao là rất thiết thực. “Để hệ thống hoàn thiện hơn giúp tăng khả năng thương mại hóa cần đồng bộ hóa các phụ kiện trong hộp để giảm độ nhiễu. Nhóm cần phát triển các thuật toán phát hiện vị trí bất thường để tránh mất cắp và kịp thời thay thế”, TS Phú nói.