Tham vọng như phim viễn tưởng của Trung Quốc: Đưa ‘bộ não’ mạng lưới đường sắt lớn nhất thế giới ‘treo lơ lửng’ trên không, vận hành bất kể thiên tai, khả thi đến đâu?

Vào một buổi tối mùa hè năm 2011 tại Ôn Châu, tỉnh Chiết Giang, Trung Quốc, hai đoàn tàu cao tốc đã đâm thẳng vào nhau, tạo thành một quả cầu lửa khổng lồ bắn ra hàng nghìn mảnh vụn kim loại và kính. Vụ tai nạn khiến 40 người thiệt mạng và gần 200 người bị thương.

Kết luận điều tra chính thức cho thấy một cú sét đã làm hỏng mạch điện dọc đường ray. Sự cố khiến một đoàn tàu trở nên "vô hình" đối với trung tâm điều khiển. Hệ thống sau đó đã cấp phép cho đoàn tàu phía sau tiếp tục di chuyển vào cùng một tuyến đường ray, dẫn tới thảm họa.

Sự cố này đặt ra câu hỏi liệu chúng ta có thể xây dựng một hệ thống điều khiển đủ an toàn để không còn bị ảnh hưởng bởi sét, lũ lụt, động đất hay các thảm họa thiên nhiên khác hay không.

Đưa “não bộ” của hệ thống đường sắt lên quỹ đạo thấp

Sau 15 năm, một nhóm các nhà nghiên cứu đường sắt ở Bắc Kinh đã đề xuất câu trả lời. Đó là đưa “bộ não” của hệ thống đường sắt lên không trung.

Trong nghiên cứu công bố hồi tháng 5 trên tạp chí Railway Signalling and Communication Engineering, các kỹ sư thuộc Viện Nghiên cứu và Thiết kế CRSC đề xuất một hệ thống điều khiển tàu dựa trên vệ tinh quỹ đạo thấp.

Theo mô hình này, các vệ tinh sẽ đóng vai trò như những trạm chuyển tiếp tín hiệu trên không.

Mỗi đoàn tàu sẽ liên tục gửi dữ liệu về vị trí và tốc độ lên vệ tinh. Dữ liệu sau đó được chuyển tới trung tâm điều khiển dưới mặt đất. Trung tâm sẽ gửi lệnh vận hành trở lại đoàn tàu thông qua cùng một mạng lưới vệ tinh.

Toàn bộ quá trình truyền tín hiệu diễn ra phía trên không gian, tránh được các hiện tượng thời tiết cực đoan, lũ lụt hoặc động đất.

Các nhà nghiên cứu cho rằng hệ thống này có thể giúp giảm đáng kể số lượng đèn tín hiệu, cột phát sóng và thiết bị ven đường. Trong trường hợp xảy ra thiên tai, mạng lưới đường sắt cũng sẽ không rơi vào tình trạng mất khả năng giám sát.

Lỗ hổng của công nghệ mới

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng chỉ ra công nghệ hứa hẹn giải quyết bài toán tại Ôn Châu nằm nào cũng có thể triệu hồi một loại “quỷ kỹ thuật số” mới. Đó là tin tặc.

Nhóm nghiên cứu do kỹ sư Shen Xiangyu dẫn đầu đã vạch ra các mối đe dọa có thể xuất hiện nếu hệ thống điều khiển đường sắt dựa trên vệ tinh được triển khai trong tương lai.

Theo đó, tin tặc có thể giả mạo tín hiệu của mạng vệ tinh để chèn vào các "lệnh di chuyển" giả. Một đoàn tàu đang chạy tốc độ cao có thể nhận được lệnh tăng tốc trong khi đáng lẽ phải giảm tốc hoặc phanh khẩn cấp.

Kẻ tấn công cũng có thể giả mạo dữ liệu vị trí của đoàn tàu. Khi đó, trung tâm điều khiển có thể hiểu nhầm rằng một đoạn đường ray đang trống dù trên thực tế đã có tàu hoạt động.

Các nhà nghiên cứu cho biết nhiều vệ tinh quỹ đạo thấp hiện được thiết kế theo triết lý "ưu tiên chức năng trước, bảo mật sau". Năng lực xử lý của máy tính trên vệ tinh thường hạn chế. Việc vá lỗi sau khi vệ tinh đã được phóng lên quỹ đạo cũng rất phức tạp.

Một đối tượng tấn công có thể khai thác lỗ hổng phần mềm, chiếm quyền kiểm soát vệ tinh và biến nó thành công cụ phát tán lệnh độc tới toàn bộ các đoàn tàu nằm trong vùng phủ sóng.

Ngoài ra, các trạm điều khiển vệ tinh dưới mặt đất cũng có thể bị xâm nhập thông qua internet hoặc từ chính những người có quyền truy cập nội bộ.

Nghiên cứu còn đề cập tới các hình thức tấn công khác như gây nhiễu tín hiệu, tấn công làm nghẽn băng thông hoặc phá hoại trực tiếp thiết bị thu tín hiệu gắn trên tàu.

Trong kịch bản nghiêm trọng nhất, các cuộc tấn công này có thể dẫn đến bốn hậu quả mà nhóm nghiên cứu đánh giá là không thể chấp nhận: thiệt hại về người, thiệt hại tài sản, tê liệt hoạt động vận tải và tổn hại uy tín công nghệ đường sắt Trung Quốc.

Lớp phòng thủ nhiều tầng

Để đối phó với các rủi ro trên, nhóm nghiên cứu đề xuất một hệ thống phòng thủ nhiều lớp.

Mọi liên lạc giữa tàu và vệ tinh, giữa vệ tinh với trung tâm điều khiển, sẽ được mã hóa và xác thực ở cấp độ cao.

Các vệ tinh sẽ được trang bị tường lửa và hệ thống phát hiện xâm nhập nhằm lọc bỏ những lệnh không có chữ ký số hợp lệ.

Hệ thống cũng không phụ thuộc hoàn toàn vào một nguồn dữ liệu duy nhất.

Thông tin từ vệ tinh sẽ được đối chiếu với nhiều cảm biến khác như hệ thống dẫn đường quán tính, mạch điện trên đường ray và các mốc định vị cố định.

Nếu tín hiệu vệ tinh xuất hiện dấu hiệu bất thường, đoàn tàu sẽ tự động chuyển sang chế độ vận hành an toàn hơn với tốc độ thấp hơn, đồng thời thực hiện phanh khi cần thiết.

Nhóm nghiên cứu cũng đề xuất áp dụng mô hình "điện toán tin cậy" để đảm bảo mọi phần mềm trong hệ thống điều khiển đều khởi động trong trạng thái đã được xác thực và không bị can thiệp.

Một trung tâm giám sát an ninh chuyên trách sẽ theo dõi toàn bộ hệ thống liên tục, sẵn sàng phát hành bản vá khẩn cấp hoặc cô lập các thiết bị bị xâm nhập từ xa.

Trung Quốc muốn xuất khẩu công nghệ mới

Dự án hiện nhận hỗ trợ từ Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm Quốc gia của Trung Quốc và Tập đoàn Đường sắt Quốc gia Trung Quốc.

Trong bối cảnh Trung Quốc đang xuất khẩu công nghệ đường sắt cao tốc sang nhiều quốc gia như Indonesia và Thái Lan, hệ thống điều khiển bằng vệ tinh có thể trở thành một phần của gói giải pháp trong tương lai.

Một nhà khoa học tại Bắc Kinh, không tham gia nghiên cứu, cho rằng công nghệ này đặc biệt hữu ích tại những khu vực có địa hình phức tạp như núi cao hoặc sa mạc, nơi việc triển khai mạng lưới cáp và thiết bị mặt đất gặp nhiều khó khăn.

Tuy nhiên, ông cũng lưu ý rằng việc kết nối hệ thống đường sắt quốc gia với một mạng vệ tinh do nước ngoài kiểm soát có thể làm dấy lên các câu hỏi về chủ quyền dữ liệu và quyền kiểm soát hạ tầng chiến lược.

Những tranh cãi tương tự từng xuất hiện trong các lĩnh vực mạng 5G, cáp quang biển và dịch vụ điện toán đám mây.

Theo vị chuyên gia này, các khóa mã hóa và dữ liệu hoàn toàn có thể được lưu trữ, xử lý trong lãnh thổ của quốc gia sở tại nhằm giảm bớt các lo ngại về an ninh.

"Đối với hàng trăm triệu hành khách sẽ sử dụng tàu cao tốc trong nhiều thập kỷ tới, đây có thể trở thành một hệ thống bảo đảm an toàn từ không gian", ông nói.

Theo SCMP