Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Vũ Văn Hiệp, chuyên ngành Khai thác, bảo trì đầu máy xe lửa, toa xe (mã số 9520116), thuộc ngành Kỹ thuật cơ khí động lực, được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Đỗ Đức Tuấn, bảo vệ năm 2022. Đề tài tập trung vào bài toán: "Xác định nhu cầu sức kéo cho đường sắt quốc gia Việt Nam giai đoạn năm 2021 đến năm 2030".
Tính cấp thiết của luận án xuất phát từ thực trạng mạng lưới đường sắt quốc gia đang đối mặt với sự sụt giảm thị phần vận tải và sự già hóa của phương tiện sức kéo. Tại thời điểm nghiên cứu, toàn ngành Đường sắt Việt Nam quản lý 282 đầu máy diesel, trong đó có 259 đầu máy đang vận dụng. Theo quy định của Luật Đường sắt 2017 và Nghị định số 65/2018/NĐ-CP của Chính phủ, niên hạn sử dụng của phương tiện đầu máy hoạt động trên đường sắt quốc gia không được quá 40 năm. Theo lộ trình niên hạn này, đến ngày 31 tháng 12 năm 2022 toàn ngành chỉ còn khoảng 200 đầu máy đủ điều kiện hoạt động; đến năm 2025 giảm xuống còn 144 chiếc và đến năm 2030 chỉ còn lại 116 chiếc (gồm 80 đầu máy D19E, 16 đầu máy D20E và 10 đầu máy D13E). Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là: từ trước đến nay, ngành Đường sắt Việt Nam chủ yếu xác định nhu cầu đầu máy dựa trên kinh nghiệm thực tế thông qua việc lập biểu đồ chạy tàu gắn với công lệnh sức kéo và công lệnh tốc độ hàng năm; chưa có các công trình nghiên cứu xây dựng hệ thống phương pháp giải tích đồng bộ, chưa thiết lập các mô hình toán học hoàn chỉnh và chưa phát triển công cụ phần mềm chuyên dụng để dự báo nhu cầu sức kéo trung và dài hạn cho toàn mạng lưới.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm bốn nội dung:
- Thiết lập được các mô hình tính toán xác định nhu cầu sức kéo đầu máy trong ngành đường sắt nói chung và ứng dụng cho đường sắt quốc gia Việt Nam nói riêng một cách có cơ sở khoa học, đầy đủ và toàn diện nhất có thể.
- Lựa chọn được các thông số tính toán xác định nhu cầu sức kéo trên đường sắt quốc gia, bao gồm các thông số liên quan đến hạ tầng và phương tiện đường sắt (thông số đầu vào tổng quát); các thông số liên quan đến số liệu dự báo về nhu cầu vận tải cho đường sắt quốc gia (thông số đầu vào loại 1) và các thông số liên quan đến các chỉ tiêu khai thác trên đường sắt quốc gia trong những năm gần đây (thông số đầu vào loại 2).
- Ứng dụng công nghệ thông tin để xây dựng các chương trình và phần mềm tính toán nhu cầu sức kéo một cách khoa học, đảm bảo mức độ chính xác và tin cậy, thuận tiện và nhanh chóng khi phải giải quyết các bài toán với nhiều phương án đa dạng khác nhau.
- Sử dụng phần mềm đã xây dựng để xác định nhu cầu sức kéo đầu máy trên đường sắt quốc gia Việt Nam giai đoạn 2021 - 2030 trên cơ sở trang thiết bị và cơ sở vật chất hiện có với các thông số đầu vào đã xác định, đồng thời có xét tới mức thay đổi của các thông số đầu vào loại 2 trong tương lai.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Các mô hình tính toán xác định nhu cầu sức kéo đầu máy trong ngành đường sắt nói chung và cho đường sắt quốc gia nói riêng.
- Các chương trình và phần mềm tính toán.
- Các thông số kỹ thuật hạ tầng và phương tiện đường sắt quốc gia.
- Số liệu dự báo về nhu cầu vận tải trên đường sắt quốc gia.
Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể:
- Phạm vi không gian: Mạng lưới đường sắt quốc gia Việt Nam hiện hữu với tổng chiều dài đường chính 2.669,708 km; trọng tâm tính toán chi tiết được đặt vào tuyến trục Hà Nội - Sài Gòn 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/Hạ Long).
- Phạm vi thời gian: Giai đoạn tính toán dự báo nhu cầu sức kéo là từ năm 2021 đến năm 2030; số liệu thống kê các chỉ tiêu vận tải và khai thác kỹ thuật được thu thập, phân tích trong giai đoạn 2010 - 2020.
- Giới hạn nghiên cứu: Tác giả chỉ sử dụng các thông số kỹ thuật hạ tầng và phương tiện ở thời điểm hiện tại làm thông số đầu vào tổng quát; chỉ sử dụng số liệu dự báo khối lượng vận tải từ các nguồn quy hoạch, dự án chính thống đã công bố (không tự thực hiện dự báo luồng khách, luồng hàng); các chỉ tiêu khai thác giai đoạn 2010 - 2020 được sử dụng làm thông số loại 2 có xét đến các kịch bản cải thiện trong tương lai.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Trong phần tổng quan tài liệu, tác giả điểm lại các nghiên cứu lý thuyết và phương pháp tính toán sức kéo trên thế giới và tại Việt Nam:
- Trên thế giới: Tác giả khảo cứu các công trình nghiên cứu kinh điển về nghiệp vụ đầu máy, trong đó tiêu biểu là các nghiên cứu của Aizinbud X. (Nga/Liên Xô) và cộng sự về việc xác định nhu cầu sức kéo cho đường sắt bằng phương pháp biểu đồ và phương pháp giải tích. Các công trình này chỉ rõ rằng số lượng đầu máy vận dụng phụ thuộc trực tiếp vào các chỉ tiêu khai thác như quãng đường chạy trung bình ngày đêm của đầu máy ($S_{ng}$), hệ số quay vòng đầu máy ($k$), sản lượng trung bình ngày đêm ($M_{ng}$), kết hợp với chu kỳ bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ tính theo kilômét chạy hoặc theo thời gian làm việc.
- Tại Việt Nam: Luận án phân tích các tài liệu kỹ thuật, văn bản quy phạm và quy trình khai thác thực tế của ngành đường sắt. Hàng năm, Cục Đường sắt Việt Nam và Tổng công ty Đường sắt Việt Nam ban hành công lệnh tải trọng, công lệnh sức kéo và công lệnh tốc độ. Hàng năm, Tổng công ty ban hành 2 biểu đồ chạy tàu (mùa hè và dịp Tết Nguyên đán). Nhu cầu đầu máy thực tế được xác định thông qua việc lập lịch chạy tàu trên biểu đồ và kế hoạch sửa chữa hàng năm mang tính ngắn hạn. Tác giả chỉ ra rằng trên các diễn đàn khoa học công nghệ trong nước, chưa có công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống phương pháp luận giải tích và thiết lập công cụ phần mềm chuyên biệt để tính toán, dự báo nhu cầu sức kéo cho đường sắt quốc gia.
Khoảng trống nghiên cứu mà luận án lựa chọn giải quyết: Luận án không đi theo phương pháp lập biểu đồ chạy tàu truyền thống vốn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chủ quan và chỉ áp dụng cho kế hoạch ngắn hạn, mà thiết lập một hệ thống mô hình giải tích toàn diện (kết hợp giữa lý thuyết tính toán sức kéo, nghiệp vụ đầu máy - toa xe và ứng dụng công nghệ thông tin). Đồng thời, tác giả số hóa toàn bộ các công thức thành một phần mềm tính toán tự động bằng ngôn ngữ Matlab, cho phép đưa vào các kịch bản dự báo vận tải khác nhau và các mức biến thiên chỉ tiêu khai thác để tính toán nhu cầu sức kéo cho giai đoạn 2021 - 2030.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên nền tảng lý thuyết tính toán sức kéo đoàn tàu, lý thuyết khai thác đường sắt và nghiệp vụ kỹ thuật đầu máy - toa xe. Khung phân tích được xây dựng thông qua các khái niệm chuyên ngành: đầu máy vận dụng (đầu máy kéo tàu trên chính tuyến, đầu máy dồn, đầu máy làm công tác phụ trợ), đầu máy không vận dụng (đầu máy nằm ở các cấp bảo dưỡng sửa chữa, chờ sửa chữa, chờ thanh lý), khối lượng chỉnh bị, chiều dài hữu hiệu đường ga, chu kỳ và chu trình sửa chữa.
Hệ thống phương pháp giải tích được tác giả thiết lập gồm các mô hình toán học sau:
- Cơ sở tính toán và kiểm nghiệm khối lượng đoàn tàu ($Q$): Tính toán khối lượng kéo theo điều kiện chuyển động đều trên độ dốc hạn chế $i_h$, kiểm nghiệm khả năng khởi động đoàn tàu trên dốc và kiểm nghiệm chiều dài đoàn tàu tương ứng với chiều dài hữu hiệu đường ga ($L_{hh} \le 350$ m).
- Mô hình xác định số đôi tàu ($n$): Xác định số đôi tàu khách ($n_k$) và số đôi tàu hàng ($n_h$) theo khối lượng vận chuyển (KLVC) hoặc theo khối lượng luân chuyển (KLLC) trên từng tuyến, khu đoạn hoặc toàn mạng lưới.
- Mô hình giải tích xác định số lượng đầu máy vận dụng ($N_{vd}$):
- Mô hình 1 (MH1): Xác định theo quãng đường chạy trung bình ngày đêm của đầu máy kéo tàu trên chính tuyến ($S_{ng}$) và xét thêm tỷ lệ quãng đường chạy của đầu máy phụ trợ.
- Mô hình 2 (MH2): Xác định theo hệ số quay vòng đầu máy ($k$), phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ khu đoạn ($V_{kđ}$) và thời gian dừng đỗ tại các ga lập tàu, ga thoi và ga trạm ($T_{đ,tr}$).
- Mô hình 3A (MH3A): Xác định theo sản lượng trung bình ngày đêm của đầu máy kéo tàu chính tuyến ($M_{ng}$) kết hợp với khối lượng công tác dồn tại các ga.
- Mô hình 3B (MH3B): Xác định theo sản lượng trung bình ngày đêm ($M_{ng}$) và tỷ lệ quãng đường chạy của đầu máy phụ trợ so với đầu máy chính tuyến.
- Mô hình xác định số lượng đầu máy nằm ở các cấp bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ ($N_{sc}$):
- Đối với đầu máy kéo tàu chính tuyến: Tính toán dựa trên định ngạch số ngày dừng sửa chữa và chu kỳ sửa chữa tính bằng kilômét chạy tàu giữa các cấp (khám xe, bảo dưỡng kỹ thuật, sửa chữa nhỏ, sửa chữa vừa, đại tu).
- Đối với đầu máy làm công tác phụ trợ và dồn: Tính toán theo chu kỳ làm việc tính bằng thời gian (ngày, tháng, năm).
Phương pháp nghiên cứu thực tế kết hợp giữa mô hình hóa toán học, khảo sát số liệu thống kê và lập trình phần mềm:
- Thu thập và phân tích dữ liệu kỹ thuật hạ tầng (trắc dọc, bình diện, đường cong, ray, đường ngang, nhà ga) và dữ liệu kỹ thuật của 13 chủng loại đầu máy diesel, các chủng loại toa xe khách và toa xe hàng hiện có của ngành đường sắt.
- Thu thập và chuẩn hóa chuỗi dữ liệu khai thác thực tế của Tổng công ty Đường sắt Việt Nam trong 11 năm (2010 - 2020), bao gồm các chỉ tiêu: $S_{ng}$, $M_{ng}$, $V_{kđ}$, thời gian dừng trạm $T_{đ,tr}$.
- Xây dựng phần mềm: Tác giả sử dụng ngôn ngữ lập trình Matlab để thiết kế và lập trình "Phần mềm tính toán xác định nhu cầu sức kéo cho đường sắt quốc gia Việt Nam", gồm 6 mô-đun (chương trình con):
- Mô-đun 1: Tính toán và kiểm nghiệm khối lượng đoàn tàu.
- Mô-đun 2: Xác định số đôi tàu trên tuyến hoặc khu đoạn theo KLVC hoặc KLLC.
- Mô-đun 3: Xác định số lượng đầu máy vận dụng theo MH1 ($S_{ng}$).
- Mô-đun 4: Xác định số lượng đầu máy vận dụng theo MH2 ($k$).
- Mô-đun 5: Xác định số lượng đầu máy vận dụng theo MH3A và MH3B ($M_{ng}$).
- Mô-đun 6: Xác định số lượng đầu máy ở các cấp bảo dưỡng, sửa chữa.
Các nguồn dữ liệu dự báo vận tải được tổng hợp gồm 4 nguồn chính:
- Nguồn S1: Báo cáo dự báo của Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) năm 1995 cho năm 2020.
- Nguồn S2: Dự án Nghiên cứu Chiến lược toàn diện về phát triển hệ thống GTVT tại Việt Nam (Vitranss 2) do Bộ GTVT và JICA công bố năm 2010 cho năm 2020.
- Nguồn S3: Chiến lược Phát triển GTVT Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 (phê duyệt năm 2015).
- Nguồn S4: Báo cáo nghiên cứu tiền khả thi Dự án Đường sắt tốc độ cao trên trục Bắc - Nam năm 2018 cho năm 2030.
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 này trình bày hiện trạng cơ sở hạ tầng, phương tiện và mô hình tổ chức của ngành đường sắt. Toàn mạng lưới có tổng chiều dài 3.669,708 km (gồm 2.669,708 km đường chính và 476,93 km đường ga, nhánh), trong đó đường khổ 1.000 mm chiếm ưu thế lớn, đường khổ 1.435 mm và đường lồng chiếm tỷ lệ nhỏ. Mật độ mạng lưới đạt 35,135 m/1.000 dân và 0,008125 km/km2 lãnh thổ. Hạ tầng còn nhiều yếu tố hạn chế: sử dụng chủ yếu ray ngắn 43 kg/m; trên đường chính có 3.394 đường cong với tổng chiều dài 696,858 km (chiếm 26,1% tổng chiều dài toàn mạng), nhiều đường cong bán kính nhỏ $R < 300$ m, cá biệt có bán kính $R < 100$ m; độ dốc lớn nhất lên đến 17‰ - 18‰; toàn mạng có 1.427 đường ngang hợp pháp nhưng có tới 4.042 lối đi tự mở; chiều dài hữu hiệu của 297 ga đường sắt không vượt quá 350 m.
Về phương tiện, toàn ngành có 282 đầu máy diesel thuộc 13 chủng loại do 9 quốc gia chế tạo, phân thành hai hệ truyền động: truyền động thủy lực (D4H, D5H, D10H, D11H) và truyền động điện (D9E, D12E, D13E, D14E, D18E, D19E, D20E), dải công suất từ 400 đến 2.000 mã lực với tổng công suất khoảng 400.000 mã lực, tốc độ cấu tạo không quá 120 km/h. Về toa xe, ngành quản lý 5.778 toa xe (1.008 toa xe khách và 4.770 toa xe hàng).
Bảng tổng hợp hiện trạng các chủng loại đầu máy của Đường sắt Việt Nam trình bày trong luận án:
| STT |
Chủng loại đầu máy |
Kiểu truyền động |
Nước sản xuất |
Công suất (mã lực) |
| 1 |
D4H |
Thủy lực |
Liên Xô |
400 |
| 2 |
D5H |
Thủy lực |
Australia |
500 |
| 3 |
D9E |
Điện |
Mỹ |
900 |
| 4 |
D10H |
Thủy lực |
Trung Quốc |
1.000 |
| 5 |
D11H |
Thủy lực |
Rumani |
1.100 |
| 6 |
D12E |
Điện |
Tiệp Khắc |
1.200 |
| 7 |
D13E |
Điện |
Ấn Độ |
1.300 |
| 8 |
D14E |
Điện |
Trung Quốc |
1.400 |
| 9 |
D18E |
Điện |
Bỉ |
1.800 |
| 10 |
D19E / D19Er |
Điện |
Trung Quốc / VN |
1.950 |
| 11 |
D20E |
Điện |
CHLB Đức |
2.000 |
Toàn ngành có 5 cơ sở kỹ thuật nghiệp vụ đầu máy (Chi nhánh Xí nghiệp đầu máy Yên Viên, Hà Nội, Vinh, Đà Nẵng, Sài Gòn) và 5 cơ sở kỹ thuật nghiệp vụ toa xe. Luận án phân tích việc thiếu nhà máy đại tu đầu máy chuyên trách và quy định niên hạn tại Nghị định 65/2018/NĐ-CP dẫn tới tình trạng đến năm 2030 chỉ còn lại 116 đầu máy. Tác giả thảo luận 4 kịch bản quy hoạch tổ chức xí nghiệp đầu máy (duy trì 5 xí nghiệp, sáp nhập còn 4, 3, hoặc 2 xí nghiệp kết hợp thành lập nhà máy sửa chữa lớn tại Vinh).
Chương 2: Cơ sở xác định nhu cầu sức kéo trong ngành đường sắt và xây dựng chương trình tính toán
Nội dung chương 2 tập trung thiết lập hệ thống phương trình toán học giải tích xác định nhu cầu đầu máy và chuyển hóa thành thuật toán lập trình trên máy tính:
- Khối lượng đoàn tàu kéo được tính toán trên độ dốc tính toán $i_c$ ở chế độ tốc độ đều:
$$Q = \frac{F_k - P \cdot (w_0' + i_c)}{w_0'' + i_c}$$
Trong đó $F_k$ là sức kéo tính toán của đầu máy, $P$ là khối lượng chỉnh bị của đầu máy, $w_0'$ và $w_0''$ lần lượt là lực cản riêng cơ bản của đầu máy và toa xe. Kết quả tính toán được kiểm nghiệm với lực khởi động trên dốc lớn nhất và giới hạn chiều dài đoàn tàu theo chiều dài đường ga $\le 350$ m.
- Xác định số đôi tàu chạy ngày đêm theo chỉ tiêu KLVC ($A$) và KLLC ($AL$):
$$n = \frac{A}{365 \cdot q_{đt}} \quad \text{hoặc} \quad n = \frac{AL}{365 \cdot q_{đt} \cdot L}$$
với $q_{đt}$ là khối lượng bình quân đoàn tàu, $L$ là chiều dài tuyến.
- Mô hình xác định số lượng đầu máy vận dụng:
- Mô hình MH1: Tính theo quãng đường chạy ngày đêm $S_{ng}$:
$$N_{vd} = \frac{2 \cdot \sum (n \cdot L)}{S_{ng}} \cdot (1 + \beta_{pt})$$
- Mô hình MH2: Tính theo hệ số quay vòng $k$:
$$k = \frac{\theta}{24} = \frac{1}{24} \cdot \left( \frac{2L}{V_{kđ}} + T_{đ} + T_{tr} \right) \implies N_{vd} = \sum (n \cdot k)$$
- Mô hình MH3A và MH3B: Tính theo sản lượng $M_{ng}$ kết hợp khối lượng công tác dồn tại ga và tỷ lệ km chạy phụ trợ.
- Mô hình xác định số lượng đầu máy ở các cấp bảo dưỡng sửa chữa ($N_{sc}$): Tính theo tỷ lệ phần trăm đầu máy vận dụng hoặc qua hệ thức tích số giữa số lượng đầu máy vận dụng, định ngạch ngày dừng cấp sửa chữa và chu kỳ sửa chữa theo km chạy ($L_{ck}$):
$$N_{sc} = \sum \frac{N_{vd} \cdot S_{ng} \cdot t_{sc}}{L_{ck}}$$
- Xây dựng phần mềm tính toán trên nền tảng Matlab: Tác giả xây dựng lưu đồ thuật toán và viết mã nguồn cho 6 mô-đun chức năng, hoàn thiện giao diện cho phép nhập số liệu, thực hiện tính toán tự động và xuất báo cáo kết quả.
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 tiến hành xử lý số liệu thống kê vận tải và thiết lập các tổ hợp tính toán:
- Phân tích độ lệch giữa số liệu dự báo và thực tế: Tác giả so sánh các nguồn dự báo S1 (JICA 1995), S2 (Vitranss 2 2010), S3 (Chiến lược GTVT 2015) và S4 (ĐSTĐC 2018) với số liệu thực tế giai đoạn 2010 - 2020. Kết quả chứng minh số liệu thực tế thực hiện của ngành đường sắt luôn thấp hơn rất nhiều so với dự báo của các quy hoạch. Đại dịch COVID-19 năm 2020 làm khối lượng luân chuyển và vận chuyển sụt giảm nghiêm trọng so với năm 2019.
- Lựa chọn hệ thống thông số tính toán:
- Thông số tổng quát: Chiều dài, độ dốc hạn chế của các tuyến; các thông số kỹ thuật kéo và khối lượng chỉnh bị của các chủng loại đầu máy diesel, toa xe.
- Thông số đầu vào loại 1 (Dự báo nhu cầu vận tải): Lập các bảng số liệu KLVC và KLLC hành khách, hàng hóa theo các nguồn S1, S2, S3, S4 cho các mốc năm 2020 và 2030.
- Thông số đầu vào loại 2 (Chỉ tiêu khai thác kỹ thuật): Thống kê trị số thực tế trung bình giai đoạn 2010 - 2020 gồm $S_{ng}$ (km/ngày đêm), $M_{ng}$ (tkm cả bì/ngày đêm), $V_{kđ}$ (km/h) và thời gian dừng tại đoạn/trạm $T_{đ,tr}$ (giờ). Đồng thời, tác giả thiết lập 5 phương án biến thiên cho các chỉ tiêu này nhằm phản ánh khả năng cải tiến công nghệ và tổ chức chạy tàu trong tương lai: mức cơ sở (+0%), tăng 10% (+10%), tăng 20% (+20%), tăng 25% (+25%) và tăng 30% (+30%).
- Thiết lập các tổ hợp tính toán: Xây dựng 12 tổ hợp phương án tính toán cho tuyến Hà Nội - Sài Gòn (ký hiệu HS) và 16 tổ hợp phương án tính toán cho toàn mạng lưới đường sắt quốc gia (ký hiệu VN), kết hợp các mô hình MH1, MH2, MH3A, MH3B với các nguồn số liệu dự báo và phương án chỉ tiêu khai thác.
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 mô phỏng số liệu từ phần mềm và phân tích định lượng:
- Tính toán cho tuyến Hà Nội - Sài Gòn:
- Chạy tính toán cho 12 tổ hợp phương án. Kết quả thể hiện rõ số lượng đầu máy vận dụng cho tàu khách, tàu hàng và đầu máy phục vụ sửa chữa.
- Trong cùng một nguồn số liệu dự báo, phương án có chỉ tiêu khai thác loại 2 ở mức cơ sở (+0%) luôn đòi hỏi số lượng đầu máy lớn nhất (phương án bất lợi nhất), trong khi phương án cải thiện chỉ tiêu khai thác lên mức +30% cho ra nhu cầu đầu máy thấp nhất (phương án thuận lợi nhất).
- Mô hình MH2 phản ánh chính xác ảnh hưởng của việc tăng tốc độ khu đoạn $V_{kđ}$ và giảm thời gian dừng trạm $T_{đ,tr}$ đến việc cắt giảm số lượng đầu máy vận dụng.
- Tính toán cho toàn mạng lưới đường sắt quốc gia:
- Chạy tính toán cho 16 tổ hợp phương án theo các nguồn dự báo S1, S2, S3, S4 và các kịch bản chỉ tiêu khai thác.
- Kết quả tổng hợp cung cấp dải biến thiên chi tiết về nhu cầu đầu máy kéo tàu khách, đầu máy kéo tàu hàng và tổng nhu cầu sức kéo của mạng lưới đường sắt quốc gia đến năm 2030.
- Tác giả so sánh kết quả tính toán giữa các mô hình MH1, MH2, MH3A, MH3B, chỉ ra rằng mức độ chênh lệch giữa các mô hình phụ thuộc chặt chẽ vào độ chính xác của các giả định về hệ số chạy phụ trợ và khối lượng dồn tải tại các ga. Kết quả tính toán cung cấp cơ sở định lượng để xác định quy mô thiếu hụt sức kéo so với số lượng 116 đầu máy còn niên hạn sau năm 2030.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học:
- Luận án đã hệ thống hóa và thiết lập thành công hệ thống mô hình giải tích toàn diện xác định nhu cầu sức kéo đầu máy trong ngành đường sắt, bao gồm: mô hình tính toán và kiểm nghiệm khối lượng đoàn tàu; mô hình xác định số đôi tàu; bốn mô hình giải tích xác định số lượng đầu máy vận dụng (MH1 theo quãng đường chạy ngày đêm, MH2 theo hệ số quay vòng, MH3A theo sản lượng và dồn, MH3B theo sản lượng và chạy phụ trợ); và mô hình xác định số lượng đầu máy nằm ở các cấp bảo dưỡng sửa chữa định kỳ theo chu kỳ kilômét chạy hoặc chu kỳ thời gian.
- Ứng dụng ngôn ngữ Matlab để xây dựng thành công phần mềm chuyên dụng "Xác định nhu cầu sức kéo cho đường sắt quốc gia Việt Nam" gồm 6 mô-đun chức năng. Đây là công cụ tính toán tự động hoàn chỉnh đầu tiên tại Việt Nam phục vụ riêng cho bài toán xác định nhu cầu đầu máy đường sắt theo nhiều kịch bản khác nhau.
Các đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất:
- Luận án cung cấp bộ số liệu định lượng chi tiết về nhu cầu sức kéo (cả đầu máy vận dụng và đầu máy sửa chữa) cho tuyến đường sắt trục Hà Nội - Sài Gòn và toàn mạng lưới đường sắt quốc gia Việt Nam đến năm 2030 theo các kịch bản dự báo vận tải chính thống.
- Kết quả tính toán là luận cứ khoa học trực tiếp phục vụ Tổng công ty Đường sắt Việt Nam và Bộ Giao thông Vận tải trong việc xây dựng chiến lược, kế hoạch đầu tư mua sắm phương tiện đầu máy mới nhằm bù đắp lượng đầu máy bị loại bỏ do hết niên hạn 40 năm theo Nghị định 65/2018/NĐ-CP (khoảng 166 đầu máy phải dừng vận dụng từ nay đến năm 2030).
- Đề xuất các giải pháp kỹ thuật khai thác: nâng cao chất lượng công tác tổ chức chạy tàu, tăng tốc độ khu đoạn $V_{kđ}$, giảm thời gian dừng chờ tại các ga đoạn và ga trạm $T_{đ,tr}$, tăng sản lượng bình quân ngày đêm $M_{ng}$, qua đó giảm đáng kể số lượng đầu máy cần đầu tư mới mà vẫn đảm bảo năng lực vận chuyển theo yêu cầu.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Về nguồn dữ liệu dự báo: Luận án không tự xây dựng mô hình dự báo nhu cầu vận tải hành khách và hàng hóa mà phụ thuộc hoàn toàn vào các nguồn dự báo bên ngoài (JICA 1995, Vitranss 2 2010, Chiến lược 2015, Dự án ĐSTĐC 2018). Thực tế cho thấy các nguồn dự báo này có độ chênh lệch rất lớn so với khối lượng vận tải thực hiện thực tế của ngành đường sắt.
- Về phạm vi công nghệ hạ tầng: Các mô hình tính toán và kiểm nghiệm được xây dựng dựa trên nền tảng hạ tầng kỹ thuật hiện hữu (đường đơn khổ 1.000 mm, đầu máy diesel kéo đẩy truyền thống); chưa tích hợp các thông số cho phương thức đường sắt đôi điện khí hóa hoặc đoàn tàu động lực phân tán (EMU).
- Về quy hoạch xí nghiệp: Các kịch bản tái cơ cấu số lượng xí nghiệp đầu máy (từ 5 cơ sở giảm xuống 4, 3, hoặc 2 cơ sở và thành lập nhà máy sửa chữa lớn tại Vinh) mới chỉ dừng ở mức nhận định định tính, chưa được gắn kết trực tiếp vào thuật toán tối ưu hóa giải tích trong phần mềm.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Xây dựng mô hình toán học dự báo nhu cầu vận tải đường sắt độc lập có xét đến sự cạnh tranh của các phương thức vận tải khác (đường bộ cao tốc, hàng không giá rẻ, đường biển).
- Mở rộng các mô-đun tính toán của phần mềm cho hệ thống đường sắt đôi, đường sắt khổ tiêu chuẩn 1.435 mm và các loại phương tiện sức kéo mới như đầu máy điện và đoàn tàu động lực phân tán EMU.
- Nghiên cứu mô hình toán tối ưu hóa việc phân bổ đầu máy gắn liền với quy hoạch tái cấu trúc mạng lưới các trạm bảo dưỡng sửa chữa đầu máy trên toàn quốc.
Giá trị tham khảo
Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn đối với các cơ quan, đơn vị và cá nhân sau:
- Tổng công ty Đường sắt Việt Nam: Sử dụng kết quả tính toán và phần mềm để lập kế hoạch đầu tư mua sắm đầu máy thay thế cho giai đoạn 2021 - 2030; cân đối năng lực bảo dưỡng sửa chữa tại 5 chi nhánh xí nghiệp đầu máy.
- Cục Đường sắt Việt Nam và Bộ Giao thông Vận tải: Tham khảo phương pháp luận giải tích và bộ số liệu kịch bản để thẩm định các dự án đầu tư phương tiện, quy hoạch phát triển mạng lưới đường sắt quốc gia.
- Các viện nghiên cứu, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Cơ khí động lực, Khai thác vận tải đường sắt: Sử dụng cơ sở lý thuyết tính toán sức kéo, hệ thống công thức giải tích và thuật toán 6 mô-đun trong Chương 2 làm tài liệu tham khảo trong nghiên cứu khoa học và giảng dạy chuyên ngành.
Phần có giá trị tham khảo cao nhất trong văn bản là hệ thống 4 mô hình giải tích xác định đầu máy vận dụng (MH1, MH2, MH3A, MH3B) và cấu trúc lưu đồ thuật toán của 6 mô-đun tính toán được lập trình trên nền tảng phần mềm Matlab.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao ngành Đường sắt Việt Nam phải đối mặt với nguy cơ thiếu hụt sức kéo nghiêm trọng trong giai đoạn 2021 - 2030?
Nguyên nhân trực tiếp xuất phát từ quy định niên hạn phương tiện tại Nghị định số 65/2018/NĐ-CP (quy định niên hạn đầu máy chạy trên đường sắt quốc gia không quá 40 năm). Toàn ngành có 282 đầu máy nhưng đến ngày 31 tháng 12 năm 2022 chỉ còn khoảng 200 chiếc đủ niên hạn, đến năm 2025 còn 144 chiếc và đến năm 2030 chỉ còn lại 116 chiếc (gồm 80 đầu máy D19E, 16 đầu máy D20E và 10 đầu máy D13E). Nếu không có kế hoạch đầu tư mua sắm bổ sung kịp thời, ngành sẽ thiếu hụt nghiêm trọng phương tiện sức kéo để duy trì hoạt động vận tải.
2. Bốn mô hình giải tích xác định số lượng đầu máy vận dụng (MH1, MH2, MH3A, MH3B) khác nhau ở những điểm cốt lõi nào?
Sự khác nhau giữa các mô hình nằm ở chỉ tiêu khai thác đầu vào được chọn làm căn cứ tính toán:
- MH1 căn cứ vào quãng đường chạy trung bình ngày đêm của đầu máy kéo tàu chính tuyến ($S_{ng}$).
- MH2 căn cứ vào hệ số quay vòng đầu máy ($k$), phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ khu đoạn ($V_{kđ}$) và thời gian dừng tại đoạn/trạm ($T_{đ,tr}$).
- MH3A căn cứ vào sản lượng trung bình ngày đêm của đầu máy chính tuyến ($M_{ng}$) kết hợp với khối lượng công việc dồn toa tại ga.
- MH3B căn cứ vào sản lượng trung bình ngày đêm ($M_{ng}$) kết hợp với tỷ lệ quãng đường chạy của đầu máy phụ trợ so với đầu máy chính tuyến.
3. Phần mềm xây dựng trong luận án được phát triển trên ngôn ngữ nào và gồm những chức năng gì?
Phần mềm được tác giả lập trình bằng ngôn ngữ Matlab, bao gồm 6 chương trình con (mô-đun):
- Mô-đun 1: Tính toán và kiểm nghiệm khối lượng đoàn tàu theo độ dốc hạn chế và chiều dài đường ga.
- Mô-đun 2: Tính toán xác định số đôi tàu khách và tàu hàng trên tuyến hoặc khu đoạn.
- Mô-đun 3: Xác định số lượng đầu máy vận dụng theo MH1 ($S_{ng}$).
- Mô-đun 4: Xác định số lượng đầu máy vận dụng theo MH2 ($k$).
- Mô-đun 5: Xác định số lượng đầu máy vận dụng theo MH3A và MH3B ($M_{ng}$).
- Mô-đun 6: Xác định số lượng đầu máy nằm ở các cấp bảo dưỡng, sửa chữa định kỳ.
4. Bốn nguồn dữ liệu dự báo nhu cầu vận tải (thông số đầu vào loại 1) được sử dụng trong luận án là gì?
Luận án tiếp nhận số liệu dự báo từ 4 nguồn chính thống:
- Nguồn S1: Báo cáo dự báo của Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) năm 1995.
- Nguồn S2: Báo cáo nghiên cứu Vitranss 2 do Bộ GTVT và JICA phối hợp thực hiện năm 2010.
- Nguồn S3: Chiến lược Phát triển GTVT Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 (công bố năm 2015).
- Nguồn S4: Báo cáo nghiên cứu Dự án Đường sắt tốc độ cao trên hành lang Bắc - Nam năm 2018.
5. Luận án đề cập đến những kịch bản nào về tổ chức các cơ sở sửa chữa đầu máy trong tương lai?
Tác giả thảo luận 4 kịch bản quy hoạch xí nghiệp đầu máy:
- Kịch bản 1: Giữ nguyên hiện trạng 5 xí nghiệp (Yên Viên, Hà Nội, Vinh, Đà Nẵng, Sài Gòn).
- Kịch bản 2: Quy hoạch còn 4 xí nghiệp (sáp nhập Xí nghiệp đầu máy Vinh thành phân đoạn thuộc Xí nghiệp đầu máy Hà Nội).
- Kịch bản 3: Quy hoạch còn 3 xí nghiệp (sáp nhập cả Xí nghiệp Yên Viên và Vinh thành các phân đoạn trực thuộc Xí nghiệp đầu máy Hà Nội).
- Kịch bản 4: Quy hoạch còn 2 xí nghiệp vận dụng (Hà Nội, Sài Gòn) và chuyển đổi Xí nghiệp đầu máy Vinh thành nhà máy sửa chữa lớn (đại tu) đầu máy cho toàn ngành.
Kết luận
Luận án của tác giả Vũ Văn Hiệp đã giải quyết bài toán cấp bách về xác định nhu cầu sức kéo cho đường sắt quốc gia Việt Nam giai đoạn 2021 - 2030 trong điều kiện áp dụng quy định niên hạn phương tiện của Nghị định 65/2018/NĐ-CP. Công trình đã hệ thống hóa các mô hình toán học giải tích xác định số lượng đầu máy vận dụng và bảo dưỡng sửa chữa, đồng thời lập trình thành công công cụ phần mềm chuyên dụng trên nền tảng Matlab gồm 6 mô-đun tính toán. Kết quả tính toán theo các kịch bản dự báo cung cấp hệ thống số liệu định lượng phục vụ công tác lập kế hoạch đầu tư phương tiện của ngành đường sắt và đóng vai trò là tài liệu tham khảo cho công tác nghiên cứu, đào tạo chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí động lực.
