Die ontwikkeling van onbemande tegnologieë op die spoorweg het 'n geruime tyd gelede begin, reeds in 1957, toe die eerste eksperimentele autopilot-kompleks vir voorstedelike treine geskep is. Om die verskil tussen die vlakke van outomatisering vir spoorwegvervoer te verstaan, word 'n gradering ingestel, gedefinieer in die IEC-62290-1-standaard. In teenstelling met padvervoer, het spoorvervoer 4 grade van outomatisering, getoon in Figuur 1.
Figuur 1. Grade van outomatisering volgens IEC-62290
Byna alle treine wat op die Russiese spoorwegnetwerk werk, is toegerus met 'n veiligheidstoestel wat ooreenstem met outomatiseringsvlak 1. Treine met outomatiseringsvlak 2 word al meer as 20 jaar suksesvol op die Russiese spoorwegnetwerk bedryf, 'n paar duisend lokomotiewe is toegerus. Hierdie vlak word geïmplementeer deur vastrapbeheer- en remalgoritmes vir energie-optimale treingeleiding langs 'n gegewe roete, met inagneming van die skedule en aanduidings van outomatiese lokomotiefseinstelsels wat via 'n induktiewe kanaal vanaf spoorbane ontvang word. Die gebruik van vlak 2 verminder die moegheid van die bestuurder en gee 'n wins in energieverbruik en akkuraatheid in die uitvoering van die verkeerskedule.
Vlak 3 veronderstel die moontlike afwesigheid van die bestuurder in die kajuit, wat die implementering van 'n visiestelsel vereis.
Vlak 4 impliseer die algehele afwesigheid van 'n bestuurder aan boord, wat 'n beduidende verandering in die ontwerp van die lokomotief (elektriese trein) vereis. Byvoorbeeld, outomatiese skakelaars is aan boord geïnstalleer, wat nie weer moontlik sal wees om te draai as hulle sonder die teenwoordigheid van 'n persoon aan boord geaktiveer word nie.
Tans word projekte om vlakke 3 en 4 te bereik, geïmplementeer deur die wêreld se voorste maatskappye, soos Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB en ander.
Siemens het sy projek op die gebied van onbemande trems in September 2018 by die Innotrans-uitstalling aangebied. Hierdie trem is sedert 3 in Potsdam met GoA2018-outomatiseringsvlak in werking.
Figuur 2 Siemens trem
In 2019 het Siemens die lengte van sy onbemande roete meer as verdubbel.
Russian Railways is een van die eerste maatskappye ter wêreld wat begin om onbemande spoorvoertuie te ontwikkel. Dus, in 2015, by die Luzhskaya-stasie, is 'n projek van stapel gestuur om die beweging van 3 rangeerlokomotiewe te outomatiseer, waar NIIAS JSC as die projekintegreerder en ontwikkelaar van basiese tegnologieë opgetree het.
Die skepping van 'n onbemande lokomotief is 'n komplekse komplekse proses wat onmoontlik is sonder samewerking met ander maatskappye. Daarom, by die Luzhskaya-stasie, saam met JSC NIIAS, neem sulke maatskappye deel soos:
- JSC "VNIKTI" in terme van die ontwikkeling van die boordbeheerstelsel;
- Siemens - in terme van die outomatisering van die werking van die rangeerwerf (MSR-32-stelsel) en die outomatisering van die werking van stootmotors;
- JSC "Radioavionika" in terme van mikroverwerker-vergrendelingstelsels wat pyle, verkeersligte beheer;
- PKB TsT - skepping van 'n simulator;
- Russiese Spoorweë as projekkoördineerder.
In die eerste stadium was die taak om vlak 2 van verkeersoutomatisering te bereik, wanneer die bestuurder, onder normale toestande vir die organisering van rangeerwerk, nie die lokomotiefkontroles gebruik nie.
Tydens die werking van konvensionele rangeerlokomotiewe word verkeersbeheer uitgevoer deur stemopdragte van die versender na die bestuurder oor te dra met die opstel van die toepaslike roetes (draai pyle, skakel verkeersligte aan).
Toe daar na vlak 2 van outomatisering beweeg is, is alle stemkommunikasie vervang deur 'n stelsel van opdragte wat oor 'n digitale veilige radiokanaal oorgedra is. Tegnies is die bestuur van rangeerlokomotiewe by die Luzhskaya-stasie gebou op grond van:
- verenigde digitale stasiemodel;
- protokol vir die beheer van die beweging van rangeerlokomotiewe (vir die stuur van bevele en die monitering van die uitvoering daarvan);
- interaksie met die elektriese grendelstelsel om inligting oor die gespesifiseerde roetes, die posisie van die pyle en seine te bekom;
- posisioneringstelsels om lokomotiewe te rangeer;
- betroubare digitale radio.
Teen 2017 het 3 TEM-7A rangeerlokomotiewe 95% van die tyd by die Luzhskaya-stasie in 'n ten volle outomatiese modus bedryf en die volgende bewerkings uitgevoer:
- Outomatiese beweging langs 'n gegewe roete;
- Outomatiese toegang tot waens;
- Outomatiese koppeling met waens;
- Stoot waens op 'n rangeerwerf.
In 2017 is 'n projek van stapel gestuur om 'n visiestelsel vir rangeer-lokomotiewe te skep en afstandbeheer in te stel in geval van nood.
In November 2017 het JSC NIIAS-spesialiste die eerste prototipe van 'n visiestelsel vir die rangeer van lokomotiewe, bestaande uit radars, lidar en kameras, geïnstalleer (Figuur 3).
Figuur 3 Eerste weergawes van visiestelsels
Tydens die toetse by die stasie van die Luga-visiestelsel in 2017-2018 is die volgende gevolgtrekkings gemaak:
- Die gebruik van radars vir die opsporing van hindernisse is onprakties, aangesien die spoorweg 'n aansienlike aantal metaalvoorwerpe met goeie reflektiwiteit het. Die opsporingsreeks van mense teen hul agtergrond oorskry nie 60-70 meter nie, boonop het radars onvoldoende hoekresolusie en is dit ongeveer 1 °. Ons bevindinge is daarna bevestig deur die toetsresultate van kollegas van SNCF (Franse spoorwegoperateur).
- Lidars gee baie goeie resultate met minimale geraas. In die geval van sneeuval, reën, mis, is daar 'n nie-kritieke afname in die opsporingsreeks van voorwerpe. In 2017 was lidars egter redelik duur, wat die ekonomiese prestasie van die projek aansienlik beïnvloed het.
- Kameras is 'n onontbeerlike element van die tegniese visiestelsel en is nodig vir die take van opsporing, objekklassifikasie en afstandbeheer. Vir werking in die nag en moeilike weerstoestande, is dit nodig om infrarooi kameras of kameras met 'n uitgebreide golflengte reeks te hê wat in staat is om in die nabye infrarooi reeks te werk.
Die hooftaak van tegniese visie is om hindernisse en ander voorwerpe in die reisrigting op te spoor, en aangesien die beweging langs die baan uitgevoer word, is dit nodig om dit op te spoor.
Figuur 4. 'n Voorbeeld van multiklas segmentering (spoor, waens) en bepaling van die spoor-as met behulp van 'n binêre masker
Figuur 4 toon 'n voorbeeld van spooropsporing. Om die bewegingsroete langs die pyle ondubbelsinnig te bepaal, word a priori inligting gebruik oor die posisie van die pyl, die lesings van verkeersligte, wat via 'n digitale radiokanaal vanaf die elektriese grendelstelsel uitgesaai word. Op die oomblik is daar 'n neiging op die wêreld se spoorweë om verkeersligte te laat vaar en oor te skakel na beheerstelsels via 'n digitale radiokanaal. Dit geld veral vir hoëspoedverkeer, aangesien dit teen snelhede van meer as 200 km/h moeilik word om die aanduidings van verkeersligte op te let en te herken. In Rusland is daar twee afdelings wat sonder die gebruik van verkeersligte bedryf word - dit is die Moskou Sentrale Ring en die Alpika-Service - Adler-lyn.
In die winter kan situasies ontstaan wanneer die baan heeltemal bedek is met sneeu en die herkenning van die baan amper onmoontlik word, soos in Figuur 5 getoon.
Figuur 5 Voorbeeld van 'n baan wat met sneeu bedek is
In hierdie geval word dit onduidelik of die bespeurde voorwerpe inmeng met die beweging van die lokomotief, dit wil sê of hulle op pad is of nie. By Luzhskaya-stasie word in hierdie geval 'n hoë-presisie digitale model van die stasie en 'n hoë-presisie boordnavigasiestelsel gebruik.
Boonop is die digitale model van die stasie geskep op grond van geodetiese metings van basispunte. Toe, gebaseer op die verwerking van baie gange van lokomotiewe met 'n hoë-presisie-posisioneringstelsel, is 'n kaart langs al die spore voltooi.
Figuur 6 Digitale model van baanontwikkeling van Luzhskoy-stasie
Een van die belangrikste parameters vir die boordposisioneringstelsel is die fout in die berekening van die oriëntasie (azimut) van die lokomotief. Die oriëntasie van die lokomotief is nodig vir die korrekte oriëntasie van die sensors en voorwerpe wat deur hulle opgespoor word. Met 'n oriëntasiehoekfout van 1° sal die voorwerpkoördinaatfout relatief tot die pad-as op 'n afstand van 100 meter 1,7 meter wees.
Figuur 7 Invloed van die oriëntasiefout op die dwarskoördinaatfout
Daarom moet die maksimum toelaatbare fout in die meting van die oriëntasie van die lokomotief in terme van hoek nie 0,1° oorskry nie. Die aanboord-posisioneringstelsel self bestaan uit twee dubbelfrekwensie-navigasie-ontvangers in RTK-modus, waarvan die antennas oor die hele lengte van die lokomotief gespasieer is om 'n lang basis te skep, strapdown traagheid-navigasiestelsel en verbinding met wielsensors (odometers). Die standaardafwyking vir die bepaling van die koördinate van die rangeerlokomotief is nie meer as 5 cm nie.
Daarbenewens is studies by Luzhskaya-stasie uitgevoer oor die gebruik van SLAM-tegnologieë (lidar en visueel) om bykomende posisiedata te verkry.
Gevolglik word die bepaling van die spoorlyn om lokomotiewe by die Luzhskaya-stasie te rangeer deur die resultate van spoorherkenning en digitale spoormodeldata te kombineer gebaseer op posisionering.
Hindernisopsporing word ook op verskeie maniere uitgevoer gebaseer op:
- lidar data;
- stereovisiedata;
- werk van neurale netwerke.
Een van die hoofbronne van data is lidars, wat 'n wolk van punte van laserskandering produseer. In die algoritmes wat in werking is, word hoofsaaklik klassieke datagroeperingsalgoritmes gebruik. As deel van die navorsing word die doeltreffendheid van die gebruik van neurale netwerke vir die taak om lidarpunte te groepeer, asook vir gesamentlike verwerking van lidardata en data vanaf videokameras, nagegaan. Figuur 8 toon 'n voorbeeld van lidar-data ('n wolk van punte met verskillende reflektiwiteit) wat 'n menslike pop teen die agtergrond van 'n wa by die Luzhskaya-stasie toon.
Figuur 8. Voorbeeld van data van lidar by Luzhskaya-stasie
Figuur 9 toon 'n voorbeeld van die onttrekking van 'n groep uit 'n motor met 'n komplekse vorm volgens die data van twee verskillende lidars.
Figuur 9. 'n Voorbeeld van lidar-data-interpretasie as 'n groep van 'n hoppermotor
Afsonderlik is dit opmerklik dat die koste van lidars onlangs met byna 'n orde van grootte gedaal het, en hul tegniese eienskappe het gegroei. Daar is geen twyfel dat hierdie tendens sal voortduur nie. Die opsporingsreeks van voorwerpe deur lidars wat by die Luzhskaya-stasie gebruik word, is ongeveer 150 meter.
'n Stereokamera wat 'n ander fisiese beginsel gebruik, word ook gebruik om hindernisse op te spoor.
Figuur 10. Dispariteitskaart vanaf 'n stereopaar en bespeurde trosse
Figuur 10 toon 'n voorbeeld van stereokameradata met die bespeuring van pale, wayboxes en 'n wa.
Om voldoende akkuraatheid van die puntwolk te verkry op 'n afstand wat voldoende is vir rem, is dit nodig om hoë-resolusie kameras te gebruik. Die verhoging van die beeldgrootte verhoog die berekeningskoste om die ongelykheidskaart te verkry. As gevolg van die nodige voorwaardes vir die hulpbronne wat beset word en die stelsel se reaksietyd, is dit nodig om voortdurend algoritmes en benaderings te ontwikkel en te toets om nuttige data uit videokameras te onttrek.
Deel van die toetsing en verifikasie van die algoritmes word uitgevoer met behulp van 'n spoorwegsimulator, wat ontwikkel word deur Design Bureau TsT saam met JSC NIIAS. Byvoorbeeld, Figuur 11 toon die gebruik van 'n simulator om die werking van stereokamera-algoritmes te toets.
Figuur 11. A, B - linker- en regterrame van die simulator; B – boaansig van die rekonstruksie van data vanaf 'n stereokamera; D - rekonstruksie van stereo kamera beelde van die simulator.
Die hooftaak van neurale netwerke is die opsporing van mense, waens en hul klassifikasie.
Om in strawwe weerstoestande te werk, het JSC NIIAS-spesialiste ook toetse met infrarooi kameras uitgevoer.
Figuur 12. Data van die IR-kamera
Data van alle sensors word geïntegreer op grond van assosiasie-algoritmes, waar die waarskynlikheid van die bestaan van struikelblokke (voorwerpe) beraam word.
Boonop is nie alle voorwerpe op pad hindernisse nie; wanneer rangeeroperasies uitgevoer word, moet die lokomotief outomaties aan die motors koppel.
Figuur 13. 'n Voorbeeld van visualisering van die ingang na die motor met die opsporing van hindernisse deur verskillende sensors
Wanneer onbemande rangeerlokomotiewe bedryf word, is dit uiters belangrik om vinnig te verstaan wat met die toerusting gebeur, in watter toestand dit is. Daar is ook situasies wanneer 'n dier, soos 'n hond, voor die lokomotief verskyn. Algoritmes aan boord sal die lokomotief outomaties stop, maar wat om volgende te doen as die hond nie uit die pad kom nie?
Om die situasie aan boord te beheer en besluite te neem in geval van noodsituasies, is 'n stilstaande afstandbeheer en beheerpaneel ontwikkel wat ontwerp is om met alle onbemande lokomotiewe by die stasie te werk. By die Luzhskaya-stasie is dit by die EC-pos geleë.
Figuur 14 Afstandbeheer en bestuur
By die Luzhskoy-stasie beheer die beheerpaneel wat in Figuur 14 gewys word die werking van drie rangeerlokomotiewe. Indien nodig, met behulp van hierdie afstandbeheer, kan jy een van die gekoppelde lokomotiewe beheer deur inligting intyds oor te dra (die vertraging is nie meer as 300 ms nie, met inagneming van data-oordrag oor die radiokanaal).
Funksionele veiligheidskwessies
Die belangrikste kwessie in die implementering van onbemande lokomotiewe is die kwessie van funksionele veiligheid, gedefinieer deur die standaarde IEC 61508 "Funksionele veiligheid van elektriese, elektroniese, programmeerbare elektroniese stelsels wat verband hou met veiligheid" (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 "Beheer, monitering en veiligheidstoestelle van die spoorwegrolmateriaal".
Veiligheidsintegriteit Vlak 4 (SIL4) word vereis om aan die vereistes vir veiligheidstoestelle aan boord te voldoen.
Om aan die SIL-4-vlak te voldoen, word alle bestaande lokomotiefveiligheidstoestelle volgens die meerderheidslogika gebou, waar berekeninge parallel in twee kanale (of meer) uitgevoer word met 'n vergelyking van die resultate om 'n besluit te neem.
Die rekenaareenheid vir die verwerking van data vanaf sensors op onbemande rangeerlokomotiewe is ook volgens 'n tweekanaalskema gebou met 'n vergelyking van die finale resultaat.
Die gebruik van sigsensors, werk onder verskeie weerstoestande en in verskillende omgewings vereis 'n nuwe benadering tot die kwessie om die veiligheid van onbemande voertuie te bewys.
In 2019, die ISO/PAS 21448-standaard “Padvoertuie. Sekuriteit van Gespesifiseerde Funksies (SOTIF). Een van die hoofbeginsels van hierdie standaard is die scenariobenadering, wat die gedrag van die stelsel in verskeie omstandighede in ag neem. Die totale aantal scenario's is oneindig. Die primêre ontwerpdoelwit is om gebiede 2 en 3 te minimaliseer wat bekende onveilige scenario's en onbekende onveilige scenario's verteenwoordig.
Figuur 15 Skriptransformasie as gevolg van ontwikkeling
As deel van die toepassing van hierdie benadering het JSC NIIAS-spesialiste alle ontluikende situasies (scenario's) sedert die aanvang van die bedryf in 2017 ontleed. Sommige van die situasies wat moeilik is om in werklike werking te ontmoet, word met die PKB TsT-simulator uitgewerk.
Regulerende kwessies
Reguleringskwessies moet ook aangespreek word om werklik oor te gaan na vol outomatiese beheer sonder die teenwoordigheid van die bestuurder in die kajuit van die lokomotief.
Op die oomblik het Russian Railways 'n skedule goedgekeur vir die implementering van werk op regulatoriese ondersteuning vir die implementering van maatreëls om outomatiese beheerstelsels vir spoorwegrollende voorraad in te stel. Een van die belangrikste kwessies is die opdatering van die regulasies oor die prosedure vir interne ondersoek en boekhouding van vervoerongelukke wat skade aan die lewe of gesondheid van burgers veroorsaak het wat nie verband hou met produksie in spoorwegvervoer nie. In ooreenstemming met hierdie plan moet 'n pakket dokumente wat die werking van onbemande spoorvoertuie reguleer in 2021 ontwikkel en goedgekeur word.
nawoord
Op die oomblik is daar geen analoë van onbemande rangeerlokomotiewe in die wêreld wat by die Luzhskaya-stasie bedryf word nie. Spesialiste van Frankryk (SNCF-maatskappy), Duitsland, Holland (Prorail-maatskappy), België (Lineas-maatskappy) het in 2018-2019 kennis gemaak met die ontwikkelde beheerstelsel en stel belang om sulke stelsels te implementeer. Een van die hooftake van JSC NIIAS is om die funksionaliteit uit te brei en die geskepte bestuurstelsel te herhaal op Russiese spoorweë en vir buitelandse maatskappye.
Op die oomblik lei Russian Railways ook 'n projek om Lastochka onbemande elektriese treine te ontwikkel. Figuur 16 toon 'n demonstrasie van 'n prototipe van die outomatiese beheerstelsel vir die ES2G Lastochka elektriese trein in Augustus 2019 binne die raamwerk. Internasionale Spoorwegsalon van Ruimte 1520 "PRO//Dvizhenie.Expo".
Figuur 16. Demonstrasie van die werking van 'n onbemande elektriese trein by die MCC
Die skep van 'n onbemande elektriese trein is 'n baie moeiliker taak as gevolg van hoë spoed, aansienlike remafstande, en die versekering van die veilige in-/afklim van passasiers by stoppunte. Op die oomblik word toetse aktief by die MCC uitgevoer. 'n Storie oor hierdie projek word beplan om in die nabye toekoms gepubliseer te word.
Bron: will.com