Trung Quốc nghiên cứu vận hành tàu cao tốc từ không gian

Ý tưởng được công bố trên tạp chí chuyên ngành kỳ thuật đường sắt Railway Technology, trong bối cảnh Trung Quốc tiếp tục mở rộng mạng lưới đường sắt cao tốc lớn nhất thế giới.

Đề xuất được xem là một trong những nỗ lực nhằm ngăn chặn nguy cơ tái diễn những sự cố nghiêm trọng như thảm họa đường sắt Ôn Châu năm 2011, khi hai đoàn tàu cao tốc va chạm khiến 40 người thiệt mạng và gần 200 người bị thương.

Kết luận điều tra cho thấy một cú sét đánh đã làm hỏng thiết bị tín hiệu bên đường ray, khiến hệ thống điều khiển không thể phát hiện một đoàn tàu trên tuyến.

Hiện trường vụ tai nạn đường sắt Ôn Châu năm 2011 ở Trung Quốc. (Ảnh: SCMP)

Đưa "bộ não" đường sắt lên không gian

Theo nhóm nghiên cứu, các hệ thống điều khiển tàu hiện nay phụ thuộc vào mạng lưới dày đặc gồm đèn tín hiệu, cột phát sóng vô tuyến và thiết bị báo hiệu dọc đường ray. Việc xây dựng và bảo trì những hạ tầng này tốn kém, đồng thời dễ bị ảnh hưởng bởi thời tiết cực đoan, lũ lụt hay động đất.

Trong mô hình mới, các vệ tinh quỹ đạo thấp sẽ đóng vai trò trung gian truyền dẫn dữ liệu. Mỗi đoàn tàu liên tục gửi thông tin về vị trí và tốc độ tới vệ tinh, sau đó dữ liệu được chuyển về trung tâm điều khiển mặt đất. Các lệnh điều hành sẽ được truyền ngược lại tới đoàn tàu thông qua cùng hệ thống vệ tinh.

Nhóm nghiên cứu thuộc Viện Nghiên cứu và Thiết kế CRSC, đơn vị phát triển công nghệ tín hiệu đường sắt của Trung Quốc, cho rằng giải pháp này có thể giúp đơn giản hóa đáng kể hạ tầng mặt đất, đồng thời duy trì khả năng vận hành trong các tình huống thiên tai khiến mạng lưới truyền thống bị gián đoạn.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cũng thừa nhận hệ thống mới có thể kéo theo những thách thức an ninh mạng chưa từng có.

Những nguy cơ từ không gian

Nghiên cứu cũng xây dựng loạt kịch bản rủi ro an ninh mạng có thể xảy ra với hệ thống điều khiển tàu trên không gian. Một trong những nguy cơ được đề cập là việc tin tặc giả mạo tín hiệu vệ tinh để gửi lệnh điều hành sai lệch tới đoàn tàu đang chạy tốc độ cao, chẳng hạn yêu cầu tăng tốc khi hệ thống lẽ ra phải giảm tốc.

Kẻ tấn công cũng có thể làm giả dữ liệu vị trí của tàu, khiến trung tâm điều khiển nhận định sai về tình trạng tuyến đường, dẫn đến nguy cơ va chạm.

Theo nghiên cứu, bản thân các vệ tinh quỹ đạo thấp cũng là mục tiêu tiềm năng. Nhiều vệ tinh hiện được thiết kế theo hướng ưu tiên chức năng vận hành hơn là bảo mật.

Trong khi đó, năng lực xử lý hạn chế khiến việc triển khai các giải pháp an ninh mạng phức tạp gặp nhiều khó khăn. Sau khi được phóng lên quỹ đạo, việc cập nhật hoặc vá lỗi phần mềm cũng không đơn giản.

Nhóm nghiên cứu cảnh báo trường hợp đối tượng đủ năng lực kỹ thuật có thể khai thác lỗ hổng phần mềm để chiếm quyền kiểm soát vệ tinh, từ đó biến thiết bị này thành công cụ phát tán lệnh giả tới các đoàn tàu trong vùng phủ sóng.

Ngoài ra, các trạm mặt đất quản lý vệ tinh cũng có thể trở thành điểm yếu nếu bị xâm nhập qua Internet hoặc bị tác động từ bên trong.

Các hình thức tấn công khác như gây nhiễu tín hiệu, tấn công từ chối dịch vụ (DoS) hay can thiệp vật lý vào bộ thu vệ tinh lắp trên tàu cũng được đánh giá là những rủi ro đáng chú ý.

Theo nhóm nghiên cứu, trong trường hợp nghiêm trọng nhất, các cuộc tấn công mạng có thể gây thiệt hại về người, tài sản, làm tê liệt hoạt động vận tải và ảnh hưởng tới uy tín công nghệ đường sắt Trung Quốc.

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đề xuất dùng vệ tinh quỹ đạo thấp vận hành đường sắt. (Ảnh minh họa)

Xây dựng lớp phòng thủ nhiều tầng

Bên cạnh việc nhận diện rủi ro, nghiên cứu cũng đề xuất kiến trúc bảo mật nhiều lớp.

Theo đó, toàn bộ dữ liệu trao đổi giữa tàu, vệ tinh và trung tâm điều khiển sẽ được mã hóa và xác thực bằng các cơ chế bảo mật cấp cao. Các vệ tinh sẽ được tích hợp tường lửa và hệ thống phát hiện xâm nhập nhằm ngăn chặn các lệnh không hợp lệ.

Nhóm nghiên cứu cũng đề xuất nguyên tắc không phụ thuộc vào một nguồn dữ liệu duy nhất. Thông tin định vị từ vệ tinh sẽ được đối chiếu với nhiều hệ thống khác như thiết bị dẫn đường quán tính, mạch điện đường ray truyền thống và các mốc định vị cố định trên tuyến.

Trong trường hợp tín hiệu vệ tinh có dấu hiệu bất thường, tàu sẽ tự động chuyển sang chế độ vận hành an toàn hơn với tốc độ thấp, thay vì tiếp tục hoạt động theo dữ liệu chưa được xác thực.

Ngoài ra, mô hình "điện toán tin cậy" sẽ được áp dụng nhằm bảo đảm mọi phần mềm trong hệ thống điều khiển luôn khởi động ở trạng thái nguyên vẹn và không bị chỉnh sửa trái phép.

Một trung tâm an ninh chuyên trách sẽ liên tục giám sát toàn bộ hệ thống, triển khai bản vá khẩn cấp hoặc cô lập các thành phần bị xâm nhập khi cần thiết.

Nhóm nghiên cứu cũng đề xuất xây dựng cơ chế bảo mật xuyên suốt vòng đời dự án, từ kiểm tra nhà cung cấp linh kiện, đánh giá mã nguồn cho tới theo dõi các mối đe dọa mạng nhắm vào hạ tầng không gian.

Cơ hội xuất khẩu

Nghiên cứu được tài trợ bởi Chương trình Nghiên cứu và Phát triển Trọng điểm Quốc gia của Trung Quốc và thuộc dự án của Tập đoàn Đường sắt Nhà nước Trung Quốc.

Trong bối cảnh Bắc Kinh đang đẩy mạnh xuất khẩu công nghệ đường sắt cao tốc sang nhiều quốc gia như Indonesia và Thái Lan, hệ thống điều khiển dựa trên vệ tinh được đánh giá có thể trở thành một lợi thế cạnh tranh mới.

Một nhà khoa học tại Bắc Kinh không tham gia nghiên cứu, nhận định giải pháp này cho phép các quốc gia xây dựng đường sắt mới rút ngắn đáng kể thời gian triển khai hạ tầng, đặc biệt tại những khu vực địa hình phức tạp như vùng núi hoặc sa mạc.

Tuy nhiên, việc kết nối một hệ thống đường sắt quốc gia với mạng lưới vệ tinh do nước ngoài kiểm soát cũng làm dấy lên những câu hỏi về chủ quyền dữ liệu và mức độ phụ thuộc công nghệ.

Những tranh luận tương tự từng xuất hiện trong các lĩnh vực như mạng 5G, cáp quang biển hay điện toán đám mây.

Nhà khoa học này cho rằng các khóa mã hóa và dữ liệu hoàn toàn có thể được xử lý, lưu trữ trong phạm vi lãnh thổ quốc gia sử dụng, nhằm giảm bớt các lo ngại về an ninh.

Dù còn nhiều thách thức kỹ thuật và chính sách cần giải quyết, các nhà nghiên cứu tin rằng hệ thống điều khiển tàu dựa trên vệ tinh có thể trở thành nền tảng cho thế hệ đường sắt cao tốc tương lai, phục vụ hàng trăm triệu hành khách trong nhiều thập kỷ tới.