Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Xác định nhu cầu sức kéo cho đường sắt quốc gia Việt Nam giai đoạn năm 2021 đến năm 2030" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Vũ Văn Hiệp, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Đỗ Đức Tuấn tại Trường Đại học Giao thông Vận tải (Hà Nội, tháng 06/2022). Công trình thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí động lực (mã số: 9520116), chuyên ngành Khai thác, bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|                          THÔNG TIN CHUNG VỀ LUẬN ÁN                         |
+----------------------+------------------------------------------------------+
| Tên đề tài           | Xác định nhu cầu sức kéo cho đường sắt quốc gia      |
|                      | Việt Nam giai đoạn năm 2021 đến năm 2030             |
+----------------------+------------------------------------------------------+
| Nghiên cứu sinh      | Vũ Văn Hiệp                                          |
+----------------------+------------------------------------------------------+
| Người hướng dẫn      | GS. Đỗ Đức Tuấn                                      |
+----------------------+------------------------------------------------------+
| Cơ sở đào tạo        | Trường Đại học Giao thông Vận tải                    |
+----------------------+------------------------------------------------------+
| Ngành / Chuyên ngành | Kỹ thuật cơ khí động lực (9520116) /                 |
|                      | Khai thác, bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe            |
+----------------------+------------------------------------------------------+
| Thời gian bảo vệ     | Tháng 06/2022                                        |
+----------------------+------------------------------------------------------+

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống đường sắt quốc gia Việt Nam đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới giao thông vận tải nhưng đang đối mặt với sự suy giảm thị phần và lạc hậu về cơ sở vật chất. Tại thời điểm nghiên cứu, ngành Đường sắt Việt Nam (ĐSVN) quản lý 282 đầu máy diesel, trong đó 259 đầu máy đang vận dụng. Theo quy định của Luật Đường sắt 2017 và Nghị định số 65/2018/NĐ-CP quy định niên hạn sử dụng phương tiện giao thông đường sắt không quá 40 năm:

  • Đến ngày 31/12/2022, toàn ngành chỉ còn khoảng 200 đầu máy đủ điều kiện niên hạn vận dụng.
  • Đến năm 2025, số lượng đầu máy còn niên hạn giảm xuống 144 chiếc.
  • Đến năm 2030, toàn mạng lưới chỉ còn lại 116 đầu máy (gồm 80 đầu máy D19E, 16 đầu máy D20E và 10 đầu máy D13E).

Thực tế công tác xác định số lượng đầu máy tại ĐSVN chủ yếu dựa vào kinh nghiệm, công lệnh sức kéo, công lệnh tốc độ và biểu đồ chạy tàu tác nghiệp ngắn hạn (biểu đồ mùa hè, biểu đồ Tết), mang tính chất nội bộ doanh nghiệp. Ngành chưa có hệ thống mô hình giải tích toàn diện và công cụ phần mềm chuyên dụng phục vụ công tác quy hoạch, tính toán dự báo nhu cầu sức kéo trung và dài hạn. Do đó, việc xây dựng cơ sở phương pháp luận khoa học và công cụ tính toán để xác định nhu cầu sức kéo cho giai đoạn 2021-2030 là yêu cầu cấp bách.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu cụ thể:

  1. Thiết lập các mô hình tính toán xác định nhu cầu sức kéo đầu máy trong ngành đường sắt nói chung và ứng dụng cho mạng lưới đường sắt quốc gia Việt Nam nói riêng một cách khoa học, đầy đủ và thống nhất.
  2. Lựa chọn hệ thống thông số tính toán xác định nhu cầu sức kéo, bao gồm: thông số hạ tầng và phương tiện (thông số đầu vào tổng quát), số liệu dự báo nhu cầu vận tải hành khách và hàng hóa (thông số đầu vào loại 1), và các chỉ tiêu khai thác thực tế giai đoạn 2010-2020 (thông số đầu vào loại 2).
  3. Ứng dụng công nghệ thông tin xây dựng chương trình và phần mềm tính toán nhu cầu sức kéo đảm bảo độ chính xác, tin cậy và xử lý linh hoạt nhiều tổ hợp phương án.
  4. Sử dụng phần mềm đã xây dựng để tính toán, xác định nhu cầu sức kéo đầu máy trên đường sắt quốc gia Việt Nam giai đoạn 2021-2030 theo các kịch bản vận tải và các mức độ thay đổi chỉ tiêu khai thác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình giải tích xác định nhu cầu sức kéo đầu máy; chương trình và phần mềm tính toán; thông số kỹ thuật kết cấu hạ tầng và phương tiện đầu máy, toa xe; số liệu dự báo khối lượng vận chuyển và luân chuyển đường sắt.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ mạng lưới đường sắt quốc gia Việt Nam hiện hữu (chiều dài 3.169,7 km), trong đó trọng tâm phân tích chuyên sâu tuyến trục Hà Nội - Sài Gòn (1.726 km) và 5 tuyến khu vực phía Bắc (Hà Nội - Hải Phòng, Hà Nội - Đồng Đăng, Hà Nội - Quán Triều, Hà Nội - Lào Cai, Kép - Cái Lân / Hà Nội - Hạ Long).
  • Phạm vi thời gian: Giai đoạn tính toán dự báo 2021-2030; số liệu thống kê chỉ tiêu khai thác thực tế thu thập trong giai đoạn 2010-2020 (đặc biệt chuỗi số liệu 2015-2020).
  • Giới hạn nghiên cứu: Luận án sử dụng nguyên trạng thông số hạ tầng, phương tiện tại thời điểm nghiên cứu và sử dụng kết quả dự báo nhu cầu vận tải từ các nguồn quy hoạch chính thống đã công bố, không trực tiếp thực hiện công tác dự báo nhu cầu vận tải độc lập.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Ở các quốc gia có mạng lưới đường sắt phát triển, lý thuyết xác định nhu cầu sức kéo đã được hoàn thiện thông qua hai nhóm phương pháp chính:

  • Phương pháp biểu đồ: Xác định số lượng đầu máy vận dụng dựa trên việc phân bổ đầu máy trực tiếp vào biểu đồ chạy tàu chi tiết.
  • Phương pháp giải tích: Xác định số lượng đầu máy vận dụng thông qua các quan hệ giải tích dựa trên các chỉ tiêu khai thác như: quãng đường chạy trung bình ngày đêm của đầu máy ($S_{ng}$), hệ số quay vòng đầu máy ($k$), hoặc sản lượng trung bình ngày đêm ($M_{ng}$). Tiêu biểu cho hệ thống lý thuyết này là các công trình nghiên cứu của Aizinbud S.Ia. và các nhà khoa học đường sắt quốc tế về tổ chức vận dụng đầu máy và chu kỳ bảo dưỡng sửa chữa.

Thực trạng nghiên cứu và ứng dụng tại Việt Nam

Tại Việt Nam, công tác xác định đầu máy trong thực tế sản xuất kinh doanh của Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam chủ yếu dựa vào phương pháp lập biểu đồ chạy tàu kết hợp với công lệnh tải trọng và tốc độ ban hành hàng năm. Các đề tài, tài liệu kỹ thuật trước đây tập trung vào từng khía cạnh riêng lẻ như sức kéo đoàn tàu hoặc định mức tiêu hao nhiên liệu. Chưa có công trình nào tích hợp đồng bộ các mô hình giải tích thành một hệ thống phương pháp luận hoàn chỉnh kèm theo phần mềm chuyên dụng phục vụ bài toán dự báo chiến lược phương tiện sức kéo cho toàn mạng lưới ĐSVN.

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án đã hệ thống hóa, chuẩn hóa và mở rộng các mô hình giải tích xác định nhu cầu đầu máy vận dụng ($N_{vd}$) và đầu máy bảo dưỡng sửa chữa ($N_{sc}$), đồng thời thiết lập thuật toán, lập trình phần mềm tự động hóa toàn bộ quá trình tính toán với đa dạng các tổ hợp tham số đầu vào.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án vận dụng tổng hợp 3 khối kiến thức chuyên ngành:

  1. Lý thuyết tính toán sức kéo đoàn tàu: Tính toán và kiểm nghiệm khối lượng kéo theo điều kiện khởi động, lên dốc tính toán với tốc độ đều và điều kiện chiều dài hữu hiệu đường ga.
  2. Lý thuyết nghiệp vụ đầu máy - toa xe: Xác định chu kỳ bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ (tính theo km chạy đối với đầu máy kéo tàu chính tuyến và tính theo thời gian đối với đầu máy làm công tác phụ trợ, dồn dịch).
  3. Công nghệ thông tin và giải thuật số: Xây dựng cấu trúc mô đun tính toán, giải thuật xử lý dữ liệu ma trận và tự động hóa xuất kết quả trên nền tảng phần mềm Matlab.
+---------------------------------------------------------------------------------+
|                       KHUNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC TRONG LUẬN ÁN                      |
+-------+-----------------------------------------------+-------------------------+
| Ký    | Tên mô hình giải tích                         | Căn cứ xác định         |
| hiệu  |                                               |                         |
+-------+-----------------------------------------------+-------------------------+
| MH1   | Mô hình xác định $N_{vd}$ theo quãng đường     | Quãng đường chạy trung  |
|       | chạy trung bình ngày đêm                      | bình ngày đêm $S_{ng}$  |
+-------+-----------------------------------------------+-------------------------+
| MH2   | Mô hình xác định $N_{vd}$ theo hệ số quay vòng | Tốc độ khu đoạn $V_{kđ}$|
|       | đầu máy                                       | và thời gian dừng       |
|       |                                               | $T_{đ,tr}$              |
+-------+-----------------------------------------------+-------------------------+
| MH3A  | Mô hình xác định $N_{vd}$ theo sản lượng ngày  | Sản lượng $M_{ng}$ và   |
|       | đêm và khối lượng dồn                         | khối lượng tác nghiệp   |
|       |                                               | dồn                     |
+-------+-----------------------------------------------+-------------------------+
| MH3B  | Mô hình xác định $N_{vd}$ theo sản lượng ngày  | Sản lượng $M_{ng}$ và   |
|       | đêm và tỷ lệ chạy phụ trợ                     | tỷ lệ quãng đường chạy  |
|       |                                               | phụ trợ                 |
+-------+-----------------------------------------------+-------------------------+
| BDSC  | Mô hình xác định đầu máy sửa chữa ($N_{sc}$)  | Chu kỳ sửa chữa theo    |
|       |                                               | km chạy hoặc thời gian  |
+-------+-----------------------------------------------+-------------------------+

Phương pháp nghiên cứu

  • Nghiên cứu lý thuyết: Xây dựng hệ thống công thức giải tích xác định khối lượng đoàn tàu ($Q$), số đôi tàu chạy trong ngày đêm ($n$), số lượng đầu máy vận dụng ($N_{vd}$) và số lượng đầu máy nằm ở các cấp bảo dưỡng sửa chữa ($N_{sc}$).
  • Khảo sát, thu thập và xử lý dữ liệu thống kê:
    • Thu thập thông số kỹ thuật hạ tầng đường sắt (khổ đường, bán kính đường cong, trắc dọc, chiều dài ga).
    • Thống kê toàn bộ phương tiện đầu máy, toa xe hiện có và cơ cấu tổ chức các xí nghiệp đầu máy.
    • Phân tích chuỗi số liệu vận tải thực tế giai đoạn 2010-2020 và các chỉ tiêu khai thác ($S_{ng}, M_{ng}, V_{kđ}, T_{đ,tr}$).
    • Tổng hợp 4 nguồn số liệu dự báo giao thông vận tải chính thống: JICA 1995 ($S_1$), Vitranss 2 - 2010 ($S_2$), Chiến lược Phát triển GTVT 2015 ($S_3$), và Báo cáo Nghiên cứu tiền khả thi Dự án Đường sắt tốc độ cao Bắc - Nam 2018 ($S_4$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề xác định nhu cầu sức kéo đầu máy cho đường sắt quốc gia Việt Nam

Chương 1 trình bày bức tranh toàn cảnh về hiện trạng kết cấu hạ tầng, phương tiện và cơ sở kỹ thuật nghiệp vụ của mạng lưới đường sắt Việt Nam.

+-----------------------------------------------------------------------------+
|               HIỆN TRẠNG KỸ THUẬT HẠ TẦNG ĐƯỜNG SẮT VIỆT NAM                 |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Chỉ tiêu hạ tầng             | Giá trị thống kê                             |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Tổng chiều dài đường sắt     | 3.169,708 km (Đường chính: 2.669,7 km;       |
|                              | đường ga/nhánh: 476,93 km)                   |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Khổ đường 1.000 mm           | Chiếm tỷ lệ áp đảo (~85%)                    |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Khổ đường tiêu chuẩn 1.435 mm| 222,206 km                                   |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Khổ đường lồng (1.000/1.435) | 292,183 km                                   |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Bình diện đường cong         | 3.962 đường cong (dài 696,86 km, chiếm 26,1%|
|                              | tuyến; nhiều đoạn có bán kính R < 300 m,     |
|                              | cục bộ R < 100 m)                            |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Trắc dọc và độ dốc           | Độ dốc hạn chế lớn nhất phổ biến từ 17‰      |
|                              | đến 18‰                                      |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Giao cắt đường ngang         | 1.427 đường ngang hợp pháp; 4.042 lối đi tự  |
|                              | mở bất hợp pháp                              |
+------------------------------+----------------------------------------------+
| Nhà ga và chiều dài hữu hiệu | 297 ga toàn mạng; chiều dài hữu hiệu đường ga|
|                              | ngắn, đa số không vượt quá 350 m             |
+------------------------------+----------------------------------------------+

Về phương tiện sức kéo, toàn ngành có 282 đầu máy thuộc 13 chủng loại do 9 quốc gia chế tạo (Nga, Tiệp Khắc, Trung Quốc, Đức, Ấn Độ, Mỹ, Rumani, Bỉ, Úc). Đầu máy gồm 2 loại truyền động:

  • Truyền động thủy lực (D4H, D5H, D10H, D11H).
  • Truyền động điện (D9E, D12E, D13E, D14E, D18E, D19E, D20E). Dải công suất đầu máy từ 500 đến 2.000 mã lực (HP), tổng công suất xấp xỉ 400.000 HP, tốc độ cấu tạo không quá 120 km/h. Về toa xe, có 5.778 toa xe (1.008 toa xe khách thuộc 23 chủng loại và 4.770 toa xe hàng thuộc 18 chủng loại).

Hệ thống cơ sở sửa chữa gồm 3 cơ sở công nghiệp (Gia Lâm, Dĩ An, Hải Phòng đã thoái vốn), 5 xí nghiệp đầu máy (Yên Viên, Hà Nội, Vinh, Đà Nẵng, Sài Gòn) và 5 chi nhánh toa xe. Do chưa có nhà máy đại tu tập trung, việc sửa chữa lớn vẫn tiến hành phân tán tại các xí nghiệp đầu máy với trang thiết bị thiếu đồng bộ. Tác giả cũng phân tích 4 kịch bản quy hoạch tổ chức các xí nghiệp đầu máy trong tương lai.

Chương 2: Cơ sở xác định nhu cầu sức kéo trong ngành đường sắt và xây dựng chương trình tính toán

Chương 2 thiết lập cơ sở toán học cho toàn bộ quá trình tính toán nhu cầu sức kéo và kiến trúc phần mềm:

  1. Cơ sở xác định khối lượng đoàn tàu và số đôi tàu:

    • Công thức tính khối lượng đoàn tàu kéo theo sức kéo giới hạn trên dốc tính toán ở chế độ chuyển động đều và kiểm nghiệm theo chiều dài hữu hiệu đường ga.
    • Mô hình tính toán số đôi tàu khách ($n_k$) và tàu hàng ($n_h$) chạy trong ngày đêm theo khối lượng vận chuyển (KLVC - tấn, hành khách) và khối lượng luân chuyển (KLLC - tkm, hkkm).

  2. Cơ sở xác định số lượng đầu máy vận dụng ($N_{vd}$):

    • Thiết lập chi tiết 4 mô hình giải tích: MH1 ($S_{ng}$), MH2 ($k$ - phụ thuộc $V_{kđ}$ và $T_{đ,tr}$), MH3A ($M_{ng}$ và khối lượng dồn), MH3B ($M_{ng}$ và tỷ lệ chạy phụ trợ).

  3. Cơ sở xác định số lượng đầu máy bảo dưỡng, sửa chữa ($N_{sc}$):

    • Thiết lập mô hình xích sửa chữa khép kín tính theo km chạy giữa các cấp sửa chữa đối với đầu máy chính tuyến và theo thời gian (ngày, tháng) đối với đầu máy phụ trợ, dồn dịch.

  4. Xây dựng chương trình tính toán trên Matlab: Chương trình được thiết kế dưới dạng giao diện mô đun tương ứng với các thuật toán:

    • Mô đun 1: Tính toán và kiểm nghiệm khối lượng đoàn tàu.
    • Mô đun 2: Xác định số đôi tàu trên từng tuyến hoặc khu đoạn.
    • Mô đun 3: Tính $N_{vd}$ theo mô hình MH1.
    • Mô đun 4: Tính $N_{vd}$ theo mô hình MH2.
    • Mô đun 5: Tính $N_{vd}$ theo mô hình MH3A và MH3B.
    • Mô đun 6: Xác định số lượng đầu máy nằm ở các cấp bảo dưỡng, sửa chữa ($N_{sc}$).
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                 CẤU TRÚC PHẦN MỀM TÍNH TOÁN SỨC KÉO ĐSVN                    |
+-----------------------------------------------------------------------------+
| [Mô đun 1] Tính toán & kiểm nghiệm khối lượng đoàn tàu (Q)                 |
| [Mô đun 2] Xác định số đôi tàu ngày đêm (n_k, n_h)                         |
| [Mô đun 3] MH1 (S_ng)        [Mô đun 4] MH2 (k)       [Mô đun 5] MH3A/MH3B  |
|                     [Mô đun 6] Xác định đầu máy BDSC (N_sc)                 |
|                    TỔNG NHU CẦU SỨC KÉO: N_đm = N_vd + N_sc                 |
+-----------------------------------------------------------------------------+

Chương 3: Tổng hợp, phân tích số liệu dự báo về khối lượng vận tải, về một số chỉ tiêu khai thác trên đường sắt quốc gia Việt Nam và thiết lập các tổ hợp phương án tính toán

Chương 3 chuẩn bị dữ liệu đầu vào thông qua việc xử lý chuỗi số liệu thống kê và thiết lập các ma trận phương án tính toán:

  1. Tổng hợp và phân tích số liệu dự báo vận tải (Thông số đầu vào loại 1):

    • Đánh giá mức độ chênh lệch giữa các nguồn dự báo ($S_1$: JICA 1995, $S_2$: Vitranss 2 - 2010, $S_3$: Chiến lược 2015, $S_4$: Dự án ĐSTĐC 2018).
    • So sánh số liệu dự báo năm 2020 của các quy hoạch với khối lượng thực tế ngành ĐSVN đã thực hiện (giai đoạn 2010-2019 và năm 2020 chịu ảnh hưởng suy giảm do đại dịch COVID-19), cho thấy các số liệu dự báo trước đây đều cao hơn đáng kể so với năng lực thực hiện thực tế.

  2. Xử lý số liệu chỉ tiêu khai thác (Thông số đầu vào loại 2):

    • Thống kê chi tiết quãng đường chạy ngày đêm $S_{ng}$ (km/ngày), sản lượng ngày đêm $M_{ng}$ (tkm cả bì/ngày), tốc độ khu đoạn $V_{kđ}$ (km/h) và thời gian dừng đỗ $T_{đ,tr}$ (giờ) của từng loại đầu máy trên từng tuyến từ 2015 đến 2020.
    • Thiết lập 5 mức độ cải thiện chỉ tiêu khai thác trong tương lai: Mức cơ sở hiện tại (+0%), +10%, +20%, +25%, và +30%.

  3. Thiết lập các tổ hợp phương án:

    • Tuyến Hà Nội - Sài Gòn: Thiết lập 12 tổ hợp thông số đầu vào loại 1 kết hợp với các phương án thông số loại 2.
    • Toàn mạng lưới ĐSVN: Thiết lập 16 tổ hợp tính toán kết hợp giữa dự báo mạng lưới và các tuyến nhánh phía Bắc.
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                CÁC NGUỒN DỰ BÁO VÀ THÔNG SỐ ĐẦU VÀO TÍNH TOÁN               |
+---------+--------------------------------------------------+----------------+
| Ký hiệu | Tên nguồn số liệu dự báo / Thông số              | Năm công bố    |
+---------+--------------------------------------------------+----------------+
| S1      | Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA)          | 1995           |
| S2      | Nghiên cứu Vitranss 2 (Bộ GTVT và JICA)          | 2010           |
| S3      | Chiến lược Phát triển GTVT Việt Nam              | 2015           |
| S4      | Dự án Đường sắt tốc độ cao Bắc - Nam             | 2018           |
| Loại 1  | Khối lượng vận chuyển (KLVC) và luân chuyển (KLLC)| 2020 & 2030    |
| Loại 2  | S_ng, M_ng, V_kđ, T_đ,tr (Mức thay đổi)          | 0% đến +30%    |
+---------+--------------------------------------------------+----------------+

Chương 4: Xác định nhu cầu sức kéo trên đường sắt quốc gia Việt Nam theo số liệu dự báo về khối lượng vận chuyển và khối lượng luân chuyển

Chương 4 trình bày toàn bộ kết quả tính toán chi tiết từ phần mềm Matlab cho các tổ hợp phương án:

  1. Kết quả tính toán tuyến Hà Nội - Sài Gòn:

    • Thực hiện tính toán cho 12 tổ hợp (HS.S1 đến HS.S4 kết hợp MH1, MH2, MH3A, MH3B).
    • Phân tích biên độ biến động nhu cầu đầu máy từ kịch bản bất lợi nhất (chỉ tiêu khai thác giữ nguyên +0%, nhu cầu đầu máy cực đại) đến kịch bản thuận lợi nhất (chỉ tiêu khai thác tăng +30%, nhu cầu đầu máy cực tiểu).

  2. Kết quả tính toán toàn mạng lưới đường sắt quốc gia:

    • Thực hiện tính toán cho 16 tổ hợp toàn mạng lưới (VN.S1 đến VN.S4 và các tổ hợp liên tuyến).
    • Phân tích chi tiết nhu cầu đầu máy chạy tàu khách, đầu máy chạy tàu hàng, đầu máy phụ trợ và đầu máy nằm ở các cấp bảo dưỡng sửa chữa.

  3. Tổng hợp và phân tích so sánh:

    • Kết quả chỉ ra khoảng biến động tổng nhu cầu sức kéo cần thiết cho đường sắt quốc gia Việt Nam đến năm 2030.
    • Đối chiếu trực tiếp với lộ trình giảm đầu máy do hết niên hạn theo Nghị định 65 (đến năm 2030 chỉ còn lại 116 đầu máy), luận án chỉ ra sự thiếu hụt sức kéo nghiêm trọng nếu không có kế hoạch đầu tư đóng mới, mua sắm bổ sung kịp thời.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Đã thiết lập được một hệ thống phương pháp luận hoàn chỉnh, xây dựng đồng bộ các mô hình giải tích (MH1, MH2, MH3A, MH3B và mô hình BDSC) để xác định nhu cầu sức kéo đầu máy phù hợp với điều kiện thực tế của hệ thống đường sắt quốc gia Việt Nam.
  2. Đã xây dựng thành công phần mềm tính toán bằng ngôn ngữ Matlab với cấu trúc mô đun linh hoạt, giao diện tường minh, cho phép giải quyết bài toán xác định nhu cầu đầu máy vận dụng và đầu máy sửa chữa với nhiều tổ hợp tham số đầu vào khác nhau một cách nhanh chóng và chính xác.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ dữ liệu tính toán định lượng toàn diện về nhu cầu sức kéo đầu máy cho từng tuyến (đặc biệt là tuyến Hà Nội - Sài Gòn) và cho toàn mạng lưới ĐSVN giai đoạn 2021-2030 theo các kịch bản dự báo vận tải chính thống.
  2. Làm rõ mức độ ảnh hưởng của việc cải thiện các chỉ tiêu khai thác ($S_{ng}, M_{ng}, V_{kđ}$) tới việc giảm số lượng đầu máy cần trang bị (khi các chỉ tiêu này tăng từ 10% đến 30%, số lượng đầu máy cần thiết giảm đi tương ứng).
  3. Đưa ra căn cứ khoa học định lượng giúp các cơ quan quản lý nhà nước và Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam chủ động xây dựng kế hoạch đầu tư mua sắm đầu máy mới nhằm bù đắp lượng đầu máy bị thanh lý theo Nghị định 65/2018/NĐ-CP.
+-----------------------------------------------------------------------------+
|                 LỘ TRÌNH NIÊN HẠN ĐẦU MÁY THEO NGHỊ ĐỊNH 65                 |
+--------------------------+--------------------------------------------------+
| Mốc thời gian            | Số lượng đầu máy còn niên hạn vận dụng           |
+--------------------------+--------------------------------------------------+
| Hiện trạng nghiên cứu    | 282 đầu máy (259 đầu máy đang vận dụng)          |
| Đến 31/12/2022           | ~200 đầu máy                                     |
| Đến năm 2025             | 144 đầu máy                                      |
| Đến năm 2030             | 116 đầu máy (80 chiếc D19E, 16 D20E, 10 D13E)    |
+--------------------------+--------------------------------------------------+

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án dựa trên giả định mạng lưới hạ tầng đường sắt hiện hữu giữ nguyên khổ đường và năng lực thông qua; các số liệu dự báo khối lượng vận tải được kế thừa từ các quy hoạch sẵn có mà chưa tính toán độc lập biến động kinh tế vĩ mô sau đại dịch COVID-19.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Mở rộng mô hình tính toán cho các tuyến đường sắt xây dựng mới, đường sắt điện khí hóa hoặc tuyến đường sắt tốc độ cao trục Bắc - Nam trong tương lai.
    • Tích hợp các thuật toán tối ưu hóa điều hành phân bổ sức kéo theo thời gian thực kết nối với hệ thống điều độ tập trung.

Giá trị tham khảo

Công trình luận án mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều nhóm đối tượng:

  • Cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Giao thông Vận tải, Cục Đường sắt Việt Nam): Cung cấp cơ sở khoa học để hoạch định chiến lược phát triển phương tiện giao thông đường sắt quốc gia, xây dựng chính sách hỗ trợ đầu tư và điều chỉnh các quy định pháp lý về niên hạn phương tiện.
  • Doanh nghiệp khai thác đường sắt (Tổng Công ty Đường sắt Việt Nam, các Xí nghiệp đầu máy): Ứng dụng phần mềm và các mô hình giải tích để xây dựng kế hoạch tác nghiệp, tính toán nhu cầu đầu máy cho từng biểu đồ chạy tàu, tối ưu hóa chu kỳ bảo dưỡng sửa chữa và lập dự án mua sắm đầu máy mới.
  • Cơ sở đào tạo và viện nghiên cứu: Tài liệu tham khảo chuyên sâu phục vụ giảng dạy môn học Tính toán sức kéo, Nghiệp vụ đầu máy - toa xe, Tổ chức vận tải đường sắt cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật cơ khí động lực và Kỹ thuật giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những mô hình giải tích nào để xác định số lượng đầu máy vận dụng?

Luận án thiết lập và ứng dụng 4 mô hình giải tích chính: Mô hình MH1 (tính theo quãng đường chạy trung bình ngày đêm $S_{ng}$), Mô hình MH2 (tính theo hệ số quay vòng đầu máy $k$, dựa trên tốc độ khu đoạn $V_{kđ}$ và thời gian dừng đỗ $T_{đ,tr}$), Mô hình MH3A (tính theo sản lượng ngày đêm $M_{ng}$ và khối lượng dồn), và Mô hình MH3B (tính theo sản lượng ngày đêm $M_{ng}$ và tỷ lệ quãng đường chạy phụ trợ).

2. Tác động của Nghị định 65/2018/NĐ-CP đối với đội ngũ đầu máy đường sắt Việt Nam như thế nào?

Nghị định 65 quy định niên hạn sử dụng đầu máy không quá 40 năm. Theo lộ trình, số đầu máy của ĐSVN giảm từ 282 chiếc xuống còn khoảng 200 chiếc vào cuối năm 2022, còn 144 chiếc vào năm 2025 và chỉ còn 116 chiếc vào năm 2030 (chỉ còn 3 chủng loại: D19E, D20E và D13E), tạo ra nguy cơ thiếu hụt sức kéo nghiêm trọng nếu không có phương án đầu tư bổ sung.

3. Phần mềm tính toán trong luận án được xây dựng bằng công cụ nào và có cấu trúc ra sao?

Phần mềm được lập trình bằng ngôn ngữ Matlab, gồm 6 mô đun thuật toán: Mô đun 1 (tính và kiểm nghiệm khối lượng đoàn tàu), Mô đun 2 (xác định số đôi tàu ngày đêm), Mô đun 3 (tính $N_{vd}$ theo MH1), Mô đun 4 (tính $N_{vd}$ theo MH2), Mô đun 5 (tính $N_{vd}$ theo MH3A/MH3B) và Mô đun 6 (xác định số đầu máy nằm ở các cấp bảo dưỡng sửa chữa).

4. Bốn nguồn số liệu dự báo vận tải được luận án sử dụng là gì?

Bốn nguồn dự báo gồm: Dự báo của Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản JICA năm 1995 ($S_1$), Dự án Vitranss 2 năm 2010 ($S_2$), Chiến lược Phát triển GTVT Việt Nam đến năm 2020 tầm nhìn 2030 công bố năm 2015 ($S_3$), và Báo cáo Dự án Đường sắt tốc độ cao Bắc - Nam năm 2018 ($S_4$).

5. Việc nâng cao các chỉ tiêu khai thác ảnh hưởng như thế nào đến nhu cầu đầu máy?

Luận án tính toán các mức cải thiện chỉ tiêu khai thác (+10%, +20%, +25%, +30% đối với $S_{ng}, M_{ng}, V_{kđ}$). Kết quả cho thấy khi nâng cao năng lực khai thác, hệ số quay vòng đầu máy tăng lên, thời gian dừng đỗ giảm đi, giúp giảm đáng kể số lượng đầu máy vận dụng và đầu máy sửa chữa cần thiết trên toàn mạng lưới.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Vũ Văn Hiệp đã giải quyết trọn vẹn bài toán xác định nhu cầu sức kéo cho đường sắt quốc gia Việt Nam giai đoạn 2021-2030 thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa cơ sở lý thuyết sức kéo, nghiệp vụ đầu máy toa xe và công cụ lập trình Matlab. Các mô hình giải tích và phần mềm xây dựng trong luận án đã cung cấp kết quả định lượng rõ ràng cho từng kịch bản vận tải và mức độ khai thác, chỉ ra khoảng biến động nhu cầu đầu máy cho tuyến Hà Nội - Sài Gòn cũng như toàn mạng lưới. Đây là công trình nghiên cứu có giá trị khoa học và thực tiễn cao, đóng vai trò luận cứ kỹ thuật quan trọng cho công tác quy hoạch, quản lý khai thác và lập kế hoạch đầu tư phương tiện của ngành Đường sắt Việt Nam trong giai đoạn phát triển mới.