Hệ đóng đường (block system) chia đường sắt thành từng đoạn gọi là khu gian, và giữ nguyên tắc mỗi khu gian chỉ có một đoàn tàu tại một thời điểm. Tàu sau chỉ được vào khu gian khi tàu trước đã ra khỏi đó trọn vẹn. Đây là lý do chính khiến tàu chạy cùng chiều trên một đường ray không đâm vào đuôi nhau, dù lái tàu không thể dừng kịp khi nhìn thấy chướng ngại.
Vì sao không thể để lái tàu tự nhìn mà tránh
Một đoàn tàu khách chạy 100 km/h cần quãng hãm thường từ vài trăm mét đến hơn một km, tàu hàng nặng còn dài hơn nhiều. Trong khi đó tầm nhìn của lái tàu bị giới hạn bởi đường cong, đồi, hầm, sương mù và bóng tối. Nếu chỉ dựa vào mắt, tàu sẽ phải chạy chậm tới mức đường sắt mất hết lợi thế.
Lời giải là tách khoảng cách an toàn khỏi tầm nhìn của người lái. Thay vì "thấy tàu trước thì dừng", nguyên tắc trở thành "chưa được báo đoạn phía trước trống thì không vào". Cả lịch sử tín hiệu đường sắt là lịch sử của câu hỏi: làm sao biết chắc đoạn phía trước đang trống.
Thời kỳ giãn cách theo thời gian
Những tuyến đường sắt đầu tiên ở Anh thập niên 1830 dùng cách đơn giản nhất: giãn cách theo thời gian. Một đoàn tàu rời ga, người gác chờ một số phút quy định rồi mới cho tàu tiếp theo đi. Những người gác này đứng dọc đường, dùng tay, cờ và đèn để ra hiệu. Họ ban đầu được gọi là cảnh sát đường sắt, và biệt danh "bobby" cho người gác tín hiệu ở Anh có gốc từ đây.
Vấn đề của giãn cách thời gian là nó giả định tàu trước vẫn chạy đều. Nếu tàu trước hỏng giữa đường, chạy chậm vì dốc, hoặc dừng đột ngột, tàu sau vẫn được phép đi sau đúng số phút quy định và lao vào đúng chỗ tàu trước đang đứng. Nhiều tai nạn thế kỷ 19 diễn ra theo đúng kịch bản này. Bài về tai nạn Armagh năm 1889 trong danh mục này là một ví dụ nặng nề.
Điện báo và giãn cách theo không gian
Khi điện báo xuất hiện, đường sắt nhanh chóng nhận ra đây là công cụ để biết đoàn tàu đang ở đâu. Từ giữa thế kỷ 19, các tuyến ở Anh bắt đầu thử nguyên tắc mới: chia đường thành khu gian, mỗi đầu khu gian có một trạm gác (signal box). Người gác ở đầu khu gian chỉ cho tàu vào khi người gác ở cuối khu gian báo bằng điện rằng tàu trước đã đi qua.
Các nhà sáng chế làm ra những thiết bị đóng đường riêng, có kim chỉ ba trạng thái quen thuộc: đường đóng (line blocked), đường đã cho phép (line clear) và tàu đang trong khu gian (train on line). Các trạm gác hai đầu giao tiếp bằng những mã chuông, mỗi kiểu gõ chuông có một nghĩa: hỏi đường, đồng ý, tàu đã vào, tàu đã ra.
Cách làm này được gọi là đóng đường tuyệt đối (absolute block). Ở Anh, nó trở thành bắt buộc trên các tuyến chở khách sau Đạo luật Quy định Đường sắt năm 1889, ra đời ngay sau tai nạn Armagh.
Mốc phát triển của hệ đóng đường
- Thập niên 1830: giãn cách theo thời gian, người gác dùng tay và cờ.
- Từ thập niên 1840 – 1850: điện báo được dùng để báo tàu giữa các trạm, xuất hiện thiết bị đóng đường riêng.
- 1872: William Robinson ở Mỹ được cấp bằng sáng chế mạch điện đường ray kiểu mạch kín, nền tảng của đóng đường tự động.
- 1889: Anh bắt buộc đóng đường tuyệt đối, liên khoá và hãm tự động liên tục cho tàu khách.
- Thế kỷ 20: đóng đường tự động bằng mạch điện đường ray lan rộng trên các tuyến đông.
- Gần đây: các hệ thống dựa trên liên lạc vô tuyến cho phép "khu gian di động" trên metro và một số tuyến chính.
Mạch điện đường ray: để chính đoàn tàu tự báo
Bước tiến lớn nhất là khi người ta không cần người gác báo nữa, mà để đoàn tàu tự báo vị trí của nó. Mạch điện đường ray (track circuit) làm việc đó bằng một ý rất gọn: cho một dòng điện nhỏ chạy dọc hai thanh ray của khu gian, qua một rơ-le ở đầu kia. Khi không có tàu, dòng điện giữ rơ-le hút, tín hiệu được phép mở. Khi có tàu, các trục bánh xe bằng thép nối tắt hai thanh ray, dòng điện không tới rơ-le nữa, rơ-le nhả, tín hiệu chuyển về đỏ.
Điểm tài tình nằm ở chữ "mạch kín". Nếu dây đứt, mất điện, hay một mối nối hỏng, rơ-le cũng nhả, giống hệt như khi có tàu. Nghĩa là mọi hỏng hóc đều đẩy hệ thống về trạng thái an toàn: tín hiệu đỏ, tàu dừng. Nguyên tắc này gọi là "hỏng về phía an toàn" (fail-safe), và nó trở thành triết lý thiết kế của toàn ngành tín hiệu đường sắt.
Mạch điện đường ray cũng có điểm yếu. Ray gỉ, lá cây ướt, cát có thể làm bánh xe không nối tắt tốt, khiến một đoàn tàu nhẹ "biến mất" khỏi hệ thống. Vì thế nhiều nơi dùng thêm bộ đếm trục: thiết bị đếm số trục bánh đi vào và đi ra khỏi khu gian, số vào bằng số ra mới coi là trống.
Đóng đường tự động, bán tự động và khu gian di động
| Kiểu | Cách biết khu gian trống | Thường gặp ở |
|---|---|---|
| Đóng đường bằng điện thoại, điện báo | Trực ban hai ga báo cho nhau, ghi sổ | Tuyến ít tàu; dùng dự phòng khi thiết bị hỏng |
| Đóng đường bán tự động | Thiết bị ở hai ga khoá nhau, người thao tác xin và trả đường | Tuyến đơn, giữa các ga |
| Đóng đường tự động | Mạch điện đường ray hoặc đếm trục, tín hiệu tự đổi | Tuyến đông, đường đôi, gần đô thị |
| Khu gian di động | Tàu liên tục báo vị trí qua vô tuyến, khoảng an toàn tính theo quãng hãm | Metro hiện đại, một số tuyến chính mới |
Trên một tuyến đông, đóng đường tự động chia đường thành nhiều khu gian ngắn, mỗi khu gian có một tín hiệu. Tàu sau có thể bám sát tàu trước ở khoảng cách hai, ba khu gian, nhờ vậy nhiều tàu hơn chạy được trên cùng đường ray.
Khu gian di động đi xa hơn: không còn đoạn chia cố định, mà khoảng an toàn "đi theo" đuôi tàu trước, dài ngắn tuỳ tốc độ. Các hệ thống điều khiển tàu dựa trên liên lạc (thường gọi là CBTC) ở metro dùng cách này để cho tàu chạy cách nhau chỉ khoảng hai phút hoặc ít hơn trong giờ cao điểm.
Ngành đường sắt Việt Nam dùng nhiều phương pháp đóng đường khác nhau tuỳ khu đoạn, trong đó đóng đường bán tự động phổ biến trên tuyến đơn, còn phương pháp bằng điện thoại được dùng khi thiết bị hỏng hoặc trong tình huống đặc biệt. Tên gọi chi tiết và điều kiện áp dụng nằm trong quy trình chạy tàu của ngành.
Bài học về thiết kế từ hệ đóng đường
Hệ đóng đường là một trong những ví dụ sớm nhất về việc thiết kế hệ thống an toàn không dựa vào sự chú ý liên tục của con người. Ba ý tưởng của nó được các ngành khác học theo:
- Chia nhỏ để kiểm soát: không quản lý cả tuyến một lúc, mà quản lý từng đoạn với một luật đơn giản.
- Mặc định là dừng: chưa có xác nhận thì coi như không an toàn.
- Hỏng thì về an toàn: thiết bị hỏng phải dẫn tới trạng thái ít nguy hiểm nhất.
Thang máy, cửa tự động, hệ thống phanh của tàu lượn trong công viên giải trí đều có những nguyên lý tương tự. Tàu lượn hiện đại cũng chia đường chạy thành từng khối, mỗi khối chỉ một xe, chính là ý tưởng của hệ đóng đường đường sắt.
Góc nhìn hôm nay: nhìn thấy hệ đóng đường ở đâu
Khi đi tàu, hãy để ý những cột tín hiệu đèn dọc đường và những hộp thiết bị nhỏ đặt sát ray. Trên tuyến có đóng đường tự động, tín hiệu xuất hiện đều đặn sau mỗi khoảng vài km. Khi tàu bất ngờ chạy chậm lại giữa đường, đôi khi đó là vì tín hiệu phía trước đang vàng: tàu trước còn ở gần.
Người sống gần đường sắt nên biết rằng đặt vật kim loại ngang qua hai thanh ray không phải chuyện đùa vô hại. Nó có thể làm mạch điện đường ray báo sai, gây dừng tàu, chậm cả tuyến, và là hành vi bị pháp luật xử lý. Nhiều bảo tàng đường sắt ở châu Âu, như Bảo tàng Đường sắt Quốc gia ở York, có trạm gác tín hiệu được dựng lại với thiết bị đóng đường và chuông thật, cho khách tận mắt xem quy trình hỏi đường giữa hai trạm.
Câu hỏi thường gặp
Hệ đóng đường là gì?
Hệ đóng đường là phương pháp chia đường sắt thành các khu gian và chỉ cho một đoàn tàu ở trong mỗi khu gian tại một thời điểm. Tàu sau chỉ được vào khi khu gian phía trước đã được xác nhận trống.
Mạch điện đường ray hoạt động thế nào?
Một dòng điện nhỏ chạy qua hai thanh ray giữ một rơ-le hút. Khi có tàu, bánh xe nối tắt hai ray, rơ-le nhả và tín hiệu chuyển đỏ. Dây đứt hay mất điện cũng làm rơ-le nhả, nên hỏng hóc luôn dẫn tới trạng thái an toàn.
Đóng đường tự động khác bán tự động thế nào?
Đóng đường tự động dùng mạch điện đường ray hoặc bộ đếm trục để tự phát hiện tàu và đổi tín hiệu. Đóng đường bán tự động vẫn cần người ở hai ga thao tác xin đường và trả đường, thiết bị chỉ khoá để không cấp trùng.
Khu gian di động (moving block) là gì?
Là cách tính khoảng an toàn theo vị trí thật của tàu trước, thông qua liên lạc vô tuyến liên tục, thay vì các đoạn chia cố định. Nhờ vậy tàu chạy sát nhau hơn mà vẫn an toàn, thường dùng ở metro hiện đại.
Vì sao người gác tín hiệu ở Anh được gọi là "bobby"?
Vì những người gác đường sắt đầu tiên thuộc lực lượng cảnh sát của hãng đường sắt, và "bobby" là biệt danh của cảnh sát Anh. Tên gọi được giữ lại cho người gác tín hiệu dù nghề đã tách khỏi cảnh sát từ lâu.
