OpenTrack Railway - Phần mềm mô phỏng và phân tích hệ thống đường sắt

■ OpenTrack Railway là gì?

OpenTrack là một phần mềm mô phỏng và phân tích hệ thống đường sắt (railway simulation tool) tiên tiến. Nó là một mô hình vi mô (microscopic model) đồng bộ, chi tiết, được phát triển tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ (ETH Zürich) từ giữa những năm 1990.

Phần mềm này được sử dụng rộng rãi bởi các công ty đường sắt, các nhà tư vấn, các nhà cung cấp công nghiệp và các trường đại học trên toàn thế giới.

● Các loại hình hệ thống đường sắt OpenTrack cho phép mô hình hóa:

• Đường sắt cao tốc (High speed rail)
• Đường sắt tải nặng / Đường sắt liên tỉnh (Heavy rail / Intercity rail)
• Hệ thống đường sắt đi lại (Commuter rail systems)
• Vận tải hàng hóa tải nặng (Heavy haul freight)
• Hệ thống đường sắt khai thác mỏ (Mining railway systems)
• Hệ thống tàu điện ngầm (Metro / Subway / Underground systems)
• Đường sắt nhẹ (Light rail - LRT)
• Hệ thống xe điện mặt đất (Tram / Streetcar systems)
• Hệ thống vận chuyển người (People mover systems)
• Đường sắt răng cưa / Đường sắt miền núi (Rack railways / Mountain railways)
• Hệ thống tàu đệm từ (Maglev - magnetic levitation) systems (ví dụ: Transrapid)

● Các nhiệm vụ được OpenTrack hỗ trợ

• Xác định các yêu cầu đối với cơ sở hạ tầng của mạng lưới đường sắt.
• Phân tích năng lực của tuyến và nhà ga.
• Tính toán khoảng cách tối thiểu giữa các tàu (tính toán headway), ví dụ: sử dụng công cụ Headway Calculator của OpenTrack.
• Nghiên cứu về phương tiện giao thông đường sắt (ví dụ: các yêu cầu trong tương lai).
• Tính toán thời gian chạy tàu.
• Xây dựng biểu đồ chạy tàu (timetable); phân tích tính vững chắc của biểu đồ chạy tàu (mô phỏng đơn lẻ hoặc nhiều lần, mô phỏng Monte-Carlo).
• Đánh giá và thiết kế các hệ thống tín hiệu khác nhau, chẳng hạn như hệ thống khối rời rạc (discrete block systems), khối ngắn (short blocks), khối di chuyển (moving blocks), LZB, CBTC (hệ thống điều khiển tàu dựa trên truyền thông), ATP, ATO, ETCS Cấp 1, ETCS Cấp 2, ETCS Phát hiện tàu lai ghép (ETCS Hybrid Train Detection - trước đây là ETCS Cấp 3), PTC (Điều khiển tàu tích cực).
• Phân tích tác động của các sự cố hệ thống (chẳng hạn như hỏng hóc cơ sở hạ tầng hoặc tàu) và sự chậm trễ.
• Tính toán điện năng và năng lượng tiêu thụ của các dịch vụ tàu.
• Mô phỏng các hệ thống cung cấp điện đường sắt (sử dụng OpenPowerNet).

■ Dữ liệu đầu vào của OpenTrack (OpenTrack Data)

► 1. Dữ liệu Mạng lưới (Network Data)

• OpenTrack mô tả một mạng lưới đường sắt trong các biểu đồ đặc biệt được gọi là biểu đồ đỉnh kép (double vertex graphs). Người dùng có thể chỉnh sửa sơ đồ mạng lưới (topology) một cách đồ họa.
• Mọi phần tử của biểu đồ đều chứa các thuộc tính khác nhau. Ví dụ, một cạnh (edge) chứa chiều dài của nó, độ dốc (gradient), tốc độ tối đa cho các loại tàu khác nhau và nhiều thông tin khác.
• Người dùng có thể tạo và quản lý các đối tượng cho cạnh và đỉnh (vertices), cũng như tín hiệu (signals), cần gạt/ghi (switches), nhà ga (stations) và tuyến đường (routes).

Hình minh họa sau đây cho thấy một phần của sơ đồ mạng lưới OpenTrack:

Ví dụ về một nhà ga (Olten, Thụy Sĩ). Đồ họa này cũng có sẵn dưới dạng tài liệu PDF document.

► 2. Dữ liệu Phương tiện Giao thông Đường sắt (Rolling stock data)

• OpenTrack lưu trữ các đặc điểm kỹ thuật của từng đầu máy, bao gồm:
  • Sơ đồ lực kéo/tốc độ (tractive effort/speed diagrams)
  • Tải trọng (load)
  • Chiều dài (length)
  • Hệ số bám dính (adhesion factor)
  • Hệ thống điện năng (power systems)
• Một cơ sở dữ liệu sẽ tổ chức các đầu máy thành các nhóm được gọi là depots (xưởng/trạm đầu máy).
• Một đoàn tàu mô phỏng sử dụng một hoặc nhiều đầu máy từ một trạm cùng với một số toa xe chở khách hoặc toa xe chở hàng (carriages or wagons).
• Các đoàn tàu hoàn chỉnh (trainsets - là các đơn vị tàu cố định, không tách rời) cũng được tổ chức trong một cơ sở dữ liệu riêng.

► 3. Dữ liệu Biểu đồ Chạy tàu (Timetable data)

• Cơ sở dữ liệu biểu đồ chạy tàu lưu trữ thông tin cho mỗi chuyến tàu tại mỗi nhà ga, bao gồm thời gian đến (arrival times) và thời gian khởi hành (departure times).
• Thời gian dừng tối thiểu (minimal stop time).
• Các kết nối (connections) với các chuyến tàu khác.

 
Người dùng có thể chỉnh sửa dữ liệu thời gian biểu ở dạng văn bản (cửa sổ bên trái) hoặc trực tiếp trong biểu đồ tàu bằng cách sử dụng chuột (cửa sổ bên phải) (Xem thêm: phần video tham khảo).

► 4. Giao diện kết nối (Interfaces)

OpenTrack cung cấp các giao diện kết nối với các định dạng dữ liệu chung (general data formats) như ASCII và XML, cùng một số định dạng chuyên biệt của ngành đường sắt (railway-specific formats) bao gồm FBS, Protim, Simu VII. Ngoài ra, OpenTrack cũng hỗ trợ railML - định dạng tiêu chuẩn dựa trên XML để trao đổi dữ liệu đường sắt (Tải xuống railML product sheet PDF).

■ Quá trình mô phỏng vận hành (Simulation)

Các đoàn tàu được xác định trước sẽ chạy theo biểu đồ chạy tàu (timetable) trên một mạng lưới đường sắt. Trong quá trình mô phỏng, OpenTrack tính toán chuyển động của tàu dưới các ràng buộc của hệ thống tín hiệu và biểu đồ chạy tàu bằng các phương trình vi phân về tốc độ và quãng đường.

Sau khi một lần mô phỏng hoàn tất, phần mềm có thể phân tích và hiển thị dữ liệu kết quả dưới dạng các biểu đồ (diagrams), đồ thị tàu (train graphs), biểu đồ chiếm dụng đường ray (occupation diagrams) và các số liệu thống kê (statistics).

OpenTrack xử lý cả các lần chạy mô phỏng đơn lẻ (single simulation runs) cũng như nhiều lần chạy mô phỏng (multiple simulation runs) kết hợp bộ tạo số ngẫu nhiên (Monte-Carlo) để tính toán sai số, độ trễ.

● Hoạt Ảnh Mô Phỏng (Animation of the Simulation)

Ảnh chụp màn hình OpenTrack trong quá trình mô phỏng. Video có thể được tải xuống tham khảo: downloaded.

Các mô-đun của mô phỏng (đồ họa này cũng có sẵn dưới dạng tài liệu PDF): PDF download document

Hệ thống tín hiệu của mạng lưới đường sắt đặt ra các ràng buộc. Các đoạn đường ray bị chiếm dụng (occupied tracks) và các mặt tín hiệu hạn chế (restrictive signal aspects) có thể cản trở tiến trình của tàu. Trong suốt quá trình mô phỏng, mỗi đoàn tàu liên tục lưu trữ các dữ liệu về tốc độ, gia tốc, vị trí, mức tiêu thụ điện năng để đánh giá sau khi hoàn thành.

■ Công cụ Tính toán Khoảng cách Giữa Các Tàu (Headway Calculator)

Dựa trên các thông số đầu vào, công cụ này sẽ tính toán khoảng cách tối thiểu giữa hai đoàn tàu (minimum headway) và xác định đoạn khối giới hạn nguy hiểm (critical block section). Công cụ hoạt động tối ưu cho cả các hệ thống khối cố định (fixed block), khối di chuyển (moving block) và hệ thống điều khiển tàu dựa trên truyền thông CBTC.

Đồ họa này cũng có sẵn dưới dạng file PDF document tham khảo.

■ Dữ liệu Đầu ra của phần mềm (Output Data)

Sau khi mô phỏng, OpenTrack cung cấp các hình thức đánh giá chi tiết theo chuyến tàu, tuyến đường hoặc nhà ga dưới dạng đồ thị trực quan hoặc xuất file văn bản ASCII (nhập dễ dàng vào Microsoft Excel):

• Đối với một chuyến tàu: Biểu đồ gia tốc theo quãng đường, tốc độ theo quãng đường, các chướng ngại vật (obstructions).
• Đối với một tuyến đường: Biểu đồ chuyển động của tàu, sự chiếm dụng tuyến đường, hồ sơ tuyến đường (line profiles).
• Mỗi nhà ga: Tạo ra dữ liệu đầu ra về tất cả các chuyến tàu đã sử dụng nó, bao gồm thời gian đến, thời gian dừng và thời gian khởi hành.

Biểu đồ tàu hỏa (hình ảnh trực tuyến và ngoại tuyến). Tài liệu gốc: PDF document.

Biểu đồ tốc độ/khoảng cách

Biểu đồ khoảng cách/thời gian

Công suất và năng lượng đầu ra (màu đỏ: Công suất đầu vào, màu xanh lam: Công suất cơ khí, màu xanh lá cây: biểu đồ năng lượng/khoảng cách)

Biểu đồ Chiếm Đường ray (Occupation Diagram)

Thống kê Chiếm đường ray. Tài liệu gốc: PDF document.

Thống kê Trễ tàu (Delay Statistics)

Người dùng có thể nhận được mọi đầu ra dưới dạng văn bản ASCII để nhập vào Microsoft Excel.

OpenTimeTable có khả năng trực quan hóa và phân tích các đầu ra từ nhiều lần chạy mô phỏng của OpenTrack

■ Thông tin ứng dụng OpenTrack và Giao diện kết nối API

● Hệ điều hành hỗ trợ và Phiên bản

Ủng dụng OpenTrack tương thích hoàn hảo với các hệ điều hành: Windows 7, Windows 8, Windows 10, Windows 11 (phiên bản 32 và 64 Bit tùy loại) và hệ điều hành macOS (64 Bit).

Phần mềm có sẵn hai phiên bản: Phiên bản đầy đủ (Full version) không giới hạn số lượng tàu chạy và Phiên bản rút gọn (OpenTrack Light) giới hạn tối đa hai chuyến tàu trong mỗi lần mô phỏng.

 
Ví dụ giao diện người dùng đồ họa của OpenTrack trên các nền tảng Windows và MacOSX khác nhau.

● Giao diện kết nối OpenTrack API

OpenTrack cung cấp Giao diện Lập trình Ứng dụng (API) dựa trên các Thông điệp SOAP trao đổi thông qua giao thức HTTP (SOAP over HTTP). Giao diện này giúp kết nối các ứng dụng ngoài để gửi các lệnh tiêu chuẩn hóa (standardized commands) đến OpenTrack và nhận lại các thông báo trạng thái được xác định.

● Các Ứng dụng Tiềm năng (Possible Applications):

• Triển khai các thuật toán điều hành tàu (dispatching algorithms) theo yêu cầu riêng của khách hàng.
• So sánh các chiến lược điều hành tàu mới nhằm tối ưu hiệu suất tuyến đường.
• Phát triển và phân tích các khái niệm mới trong điều khiển tàu (ví dụ: tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng, giảm độ trễ và xung đột hệ thống).
• Đánh giá chuyên sâu về toàn bộ hoạt động khai thác vận tải đường sắt.

Để tìm hiểu sâu hơn về chức năng, bạn có thể tải xuống tài liệu Bài thuyết trình về OpenTrack API PDF (Dung lượng 2.9 MB).