تطوير التقنيات غير المأهولة في النقل بالسكك الحديدية

بدأ تطوير التقنيات غير المأهولة على السكك الحديدية منذ وقت طويل ، بالفعل في عام 1957 ، عندما تم إنشاء أول مجمع تجريبي للطيار الآلي لقطارات الضواحي. لفهم الفرق بين مستويات الأتمتة للنقل بالسكك الحديدية ، يتم تقديم تدرج محدد في معيار IEC-62290-1. على عكس النقل البري ، فإن النقل بالسكك الحديدية لديه 4 درجات من الأتمتة ، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1. درجات الأتمتة وفقًا للمواصفة IEC-62290

تم تجهيز جميع القطارات التي تعمل على شبكة السكك الحديدية الروسية تقريبًا بجهاز أمان يتوافق مع مستوى الأتمتة 1. تم تشغيل القطارات ذات المستوى الثاني من الأتمتة بنجاح على شبكة السكك الحديدية الروسية لأكثر من 2 عامًا ، وقد تم تجهيز عدة آلاف من القاطرات. يتم تنفيذ هذا المستوى من خلال التحكم في الجر وخوارزميات الكبح لتوجيه القطار الأمثل للطاقة على طول طريق معين ، مع الأخذ في الاعتبار الجدول الزمني ومؤشرات أنظمة إشارات القاطرات الأوتوماتيكية التي يتم تلقيها عبر قناة استقرائية من دوائر المسار. يقلل استخدام المستوى 20 من إجهاد السائق ويعطي زيادة في استهلاك الطاقة والدقة في تنفيذ جدول حركة المرور.

يفترض المستوى 3 الغياب المحتمل للسائق في الكابينة ، الأمر الذي يتطلب تنفيذ نظام رؤية.

المستوى 4 يعني الغياب التام للسائق على متن الطائرة ، الأمر الذي يتطلب تغييرًا كبيرًا في تصميم القاطرة (القطار الكهربائي). على سبيل المثال ، يتم تثبيت مفاتيح تلقائية على متن الطائرة ، والتي لن يكون من الممكن تشغيلها مرة أخرى إذا تم تشغيلها دون وجود شخص على متنها.

حاليًا ، يتم تنفيذ مشاريع لتحقيق المستويين 3 و 4 من قبل الشركات الرائدة في العالم ، مثل Siemens و Alstom و Thales و SNCF و SBB وغيرها.

قدمت شركة Siemens مشروعها في مجال الترام بدون طيار في سبتمبر 2018 في معرض Innotrans. يعمل هذا الترام في بوتسدام بمستوى أتمتة GoA3 منذ عام 2018.

الشكل 2 الشكل XNUMX ترام سيمنز
في عام 2019 ، ضاعفت شركة سيمنز طول مسارها غير المأهول بأكثر من الضعف.
السكك الحديدية الروسية هي واحدة من أولى الشركات في العالم التي بدأت في تطوير مركبات السكك الحديدية غير المأهولة. وهكذا ، في عام 2015 ، في محطة Luzhskaya ، تم إطلاق مشروع لأتمتة حركة 3 قاطرات تحويلية ، حيث عملت NIIAS JSC كمتكامل للمشروع ومطور للتقنيات الأساسية.

يعد إنشاء قاطرة بدون طيار عملية معقدة ومستحيلة دون التعاون مع الشركات الأخرى. لذلك ، في محطة Luzhskaya ، مع JSC NIIAS ، تشارك هذه الشركات على النحو التالي:

• JSC "VNIKTI" من حيث تطوير نظام التحكم على متن الطائرة ؛
• Siemens - من حيث أتمتة تشغيل ساحة التجميع (نظام MSR-32) وأتمتة تشغيل سيارات الدفع ؛
• JSC "Radioavionika" من حيث أنظمة المعالجات الدقيقة المتشابكة التي تتحكم في الأسهم وإشارات المرور ؛
• PKB TsT - إنشاء جهاز محاكاة ؛
• السكك الحديدية الروسية كمنسق المشروع.

في المرحلة الأولى ، كانت المهمة هي تحقيق المستوى 2 من أتمتة المرور ، عندما لا يستخدم السائق ، في ظل الظروف العادية لتنظيم أعمال التحويل ، أدوات التحكم في القاطرة.

أثناء تشغيل قاطرات التحويل التقليدية ، يتم التحكم في حركة المرور عن طريق إرسال أوامر صوتية من المرسل إلى السائق مع تحديد المسارات المناسبة (تدوير الأسهم ، وإضاءة إشارات المرور).

عند الانتقال إلى المستوى 2 من الأتمتة ، تم استبدال جميع الاتصالات الصوتية بنظام أوامر يتم إرسالها عبر قناة راديو رقمية آمنة. من الناحية الفنية ، تم بناء إدارة قاطرات التحويل في محطة Luzhskaya على أساس:

• نموذج محطة رقمية موحدة ؛
• بروتوكول للتحكم في حركة قاطرات التحويل (لإرسال الأوامر ومراقبة تنفيذها) ؛
• التفاعل مع نظام التشابك الكهربائي للحصول على معلومات حول المسارات المحددة وموضع الأسهم والإشارات ؛
• أنظمة تحديد المواقع لتحريك القاطرات ؛
• راديو رقمي موثوق.

بحلول عام 2017 ، عملت 3 قاطرات تحويلية من طراز TEM-7A بنسبة 95 ٪ من الوقت في محطة Luzhskaya في وضع تلقائي بالكامل ، حيث نفذت العمليات التالية:

• حركة تلقائية على طول طريق معين ؛
• الوصول التلقائي إلى العربات ؛
• اقتران أوتوماتيكي بعربات ؛
• دفع العربات في ساحة التنظيم.

في عام 2017 ، تم إطلاق مشروع لإنشاء نظام رؤية لتحريك القاطرات وإدخال جهاز التحكم عن بعد في حالة الطوارئ.

في نوفمبر 2017 ، قام متخصصو JSC NIIAS بتركيب أول نموذج أولي لنظام رؤية لقاطرات التحويل ، التي تتكون من الرادارات والليدار والكاميرات (الشكل 3).

الشكل 3 الشكل الأول إصدارات أنظمة الرؤية

خلال الاختبارات في محطة نظام الرؤية Luga في 2017-2018 ، تم استخلاص الاستنتاجات التالية:

• استخدام الرادارات لاكتشاف العوائق غير عملي ، لأن السكة الحديدية بها عدد كبير من الأجسام المعدنية ذات الانعكاسية الجيدة. لا يتجاوز نطاق اكتشاف الأشخاص على خلفيتهم 60-70 مترًا ، بالإضافة إلى أن الرادارات ليست لديها دقة زاوية كافية وهي حوالي 1 درجة. تم تأكيد النتائج التي توصلنا إليها لاحقًا من خلال نتائج اختبار الزملاء من SNCF (مشغل السكك الحديدية الفرنسي).
• يعطي Lidars نتائج جيدة للغاية مع الحد الأدنى من الضوضاء. في حالة تساقط الثلوج والأمطار والضباب ، هناك انخفاض غير حاسم في نطاق الكشف عن الكائنات. ومع ذلك ، في عام 2017 ، كانت الليدار باهظة الثمن ، مما أثر بشكل كبير على الأداء الاقتصادي للمشروع.
• تعد الكاميرات عنصرًا لا غنى عنه في نظام الرؤية الفني وهي ضرورية لمهام الكشف وتصنيف الأشياء والتحكم عن بعد. للتشغيل في الليل والظروف الجوية الصعبة ، من الضروري وجود كاميرات تعمل بالأشعة تحت الحمراء أو كاميرات ذات نطاق طول موجي ممتد قادرة على العمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة.

تتمثل المهمة الرئيسية للرؤية الفنية في اكتشاف العوائق والأشياء الأخرى في اتجاه السفر ، وبما أن الحركة تتم على طول المسار ، فمن الضروري اكتشافها.

الشكل 4. مثال على تقسيم متعدد الطبقات (مسار ، عربات) وتحديد محور المسار باستخدام قناع ثنائي

يوضح الشكل 4 مثالاً لاكتشاف المسار. من أجل تحديد مسار الحركة على طول الأسهم بشكل لا لبس فيه ، يتم استخدام معلومات مسبقة حول موضع السهم ، وقراءات إشارات المرور ، التي يتم إرسالها عبر قناة راديو رقمية من نظام التشابك الكهربائي. في الوقت الحالي ، هناك اتجاه في السكك الحديدية في العالم للتخلي عن إشارات المرور والتحول إلى أنظمة التحكم عبر قناة راديو رقمية. هذا ينطبق بشكل خاص على حركة المرور عالية السرعة ، حيث أنه عند السرعات التي تزيد عن 200 كم / ساعة يصبح من الصعب ملاحظة مؤشرات إشارات المرور والتعرف عليها. في روسيا ، هناك قسمان يعملان بدون استخدام إشارات المرور - هذا هو خط موسكو المركزي وخط Alpika-Service - Adler.

في فصل الشتاء ، قد تنشأ المواقف عندما يكون المسار مغطى بالكامل بالثلج ويصبح التعرف على المسار مستحيلًا تقريبًا ، كما هو موضح في الشكل 5.

الشكل 5 مثال على مسار مغطى بالثلج

في هذه الحالة ، يصبح من غير الواضح ما إذا كانت الأجسام المكتشفة تتداخل مع حركة القاطرة ، أي ما إذا كانت في الطريق أم لا. في محطة Luzhskaya ، في هذه الحالة ، يتم استخدام نموذج رقمي عالي الدقة للمحطة ونظام ملاحة عالي الدقة على متن الطائرة.

علاوة على ذلك ، تم إنشاء النموذج الرقمي للمحطة على أساس القياسات الجيوديسية لنقاط القاعدة. بعد ذلك ، بناءً على معالجة العديد من ممرات القاطرات بنظام تحديد المواقع عالي الدقة ، تم الانتهاء من خريطة على طول جميع المسارات.

الشكل 6 نموذج رقمي لتطوير مسار محطة Luzhskoy

يعد الخطأ في حساب اتجاه (سمت) القاطرة أحد أهم المعلمات لنظام تحديد المواقع على متن الطائرة. يعد اتجاه القاطرة ضروريًا للتوجيه الصحيح لأجهزة الاستشعار والأشياء التي تم اكتشافها. مع خطأ زاوية توجيه بمقدار 1 درجة ، فإن خطأ إحداثيات الكائن بالنسبة لمحور المسار على مسافة 100 متر سيكون 1,7 متر.

الشكل 7 تأثير خطأ الاتجاه على خطأ الإحداثيات المستعرضة

لذلك ، يجب ألا يتجاوز الخطأ الأقصى المسموح به في قياس اتجاه القاطرة من حيث الزاوية 0,1 درجة. يتكون نظام تحديد المواقع على متن الطائرة من جهازي استقبال للملاحة ثنائي التردد في وضع RTK ، حيث يتم تباعد هوائياتهما على طول القاطرة لإنشاء قاعدة طويلة ، ونظام ملاحة بالقصور الذاتي ، والاتصال بأجهزة استشعار العجلة (عدادات المسافة). الانحراف المعياري لتحديد إحداثيات قاطرة التحويل لا يزيد عن 5 سم.

بالإضافة إلى ذلك ، أجريت دراسات في محطة Luzhskaya حول استخدام تقنيات SLAM (lidar والبصرية) للحصول على بيانات موقع إضافية.
نتيجة لذلك ، يتم تحديد مقياس السكة الحديدية لقاطرات التحويل في محطة Luzhskaya من خلال الجمع بين نتائج التعرف على المقاييس وبيانات نموذج المسار الرقمي بناءً على تحديد المواقع.

يتم أيضًا الكشف عن العوائق بعدة طرق بناءً على:

• بيانات ليدار
• بيانات الرؤية المجسمة ؛
• عمل الشبكات العصبية.

أحد المصادر الرئيسية للبيانات هو الليدار ، الذي ينتج سحابة من النقاط من المسح بالليزر. في الخوارزميات قيد التشغيل ، يتم استخدام خوارزميات تجميع البيانات الكلاسيكية بشكل أساسي. كجزء من البحث ، تم التحقق من فعالية استخدام الشبكات العصبية لمهمة تجميع نقاط الليدار ، وكذلك للمعالجة المشتركة لبيانات ليدار والبيانات من كاميرات الفيديو. يوضح الشكل 8 مثالاً لبيانات ليدار (سحابة من النقاط ذات انعكاسات مختلفة) تُظهر دمية بشرية على خلفية عربة في محطة لوزسكايا.

الشكل 8. مثال على البيانات من lidar في محطة Luzhskaya

يوضح الشكل 9 مثالاً لاستخراج كتلة من سيارة ذات شكل معقد وفقًا لبيانات ليدارين مختلفين.

الشكل 9. مثال على تفسير بيانات ليدار كمجموعة من سيارة قادوس

بشكل منفصل ، تجدر الإشارة إلى أن تكلفة الليدار قد انخفضت مؤخرًا تقريبًا من حيث الحجم ، ونمت خصائصها التقنية. لا شك أن هذا الاتجاه سيستمر. يبلغ مدى الكشف عن الأجسام بواسطة الليدار المستخدمة في محطة Luzhskaya حوالي 150 مترًا.

تُستخدم أيضًا كاميرا ستريو تستخدم مبدأ فيزيائيًا مختلفًا لاكتشاف العوائق.

الشكل 10. خريطة التباين من المجسم والعناقيد المكتشفة

يوضح الشكل 10 مثالاً لبيانات كاميرا الاستريو مع اكتشاف الأعمدة وصناديق الطريق والعربة.

من أجل الحصول على دقة كافية لسحابة النقطة على مسافة كافية للفرملة ، من الضروري استخدام كاميرات عالية الدقة. تؤدي زيادة حجم الصورة إلى زيادة التكلفة الحسابية للحصول على خريطة التباين. نظرًا للظروف اللازمة للموارد المشغولة ووقت استجابة النظام ، من الضروري تطوير واختبار الخوارزميات والنهج باستمرار لاستخراج البيانات المفيدة من كاميرات الفيديو.

يتم إجراء جزء من اختبار الخوارزميات والتحقق منها باستخدام محاكي السكك الحديدية ، والذي يتم تطويره بواسطة Design Bureau TsT مع JSC NIIAS. على سبيل المثال ، يوضح الشكل 11 استخدام جهاز محاكاة لاختبار تشغيل خوارزميات الكاميرا الاستريو.

شكل 11. أ ، ب - الإطارات اليسرى واليمنى من جهاز المحاكاة ؛ ب - منظر علوي لإعادة بناء البيانات من كاميرا ستريو ؛ د- إعادة بناء صور الكاميرا الاستريو من جهاز المحاكاة.

المهمة الرئيسية للشبكات العصبية هي اكتشاف الأشخاص والعربات وتصنيفهم.
للعمل في ظروف جوية قاسية ، أجرى متخصصو JSC NIIAS أيضًا اختبارات باستخدام كاميرات الأشعة تحت الحمراء.

الشكل 12. بيانات من كاميرا الأشعة تحت الحمراء

يتم دمج البيانات من جميع أجهزة الاستشعار بناءً على خوارزميات الارتباط ، حيث يتم تقدير احتمال وجود عوائق (كائنات).

علاوة على ذلك ، ليست كل الأشياء الموجودة في الطريق عوائق ؛ عند إجراء عمليات التحويل ، يجب أن تقترن القاطرة تلقائيًا بالسيارات.

شكل 13. مثال على تصور مدخل السيارة مع اكتشاف العوائق بواسطة أجهزة استشعار مختلفة

عند تشغيل قاطرات النقل غير المأهولة ، من المهم للغاية أن نفهم بسرعة ما يحدث مع المعدات ، وفي أي حالتها. هناك أيضًا مواقف يظهر فيها حيوان ، مثل الكلب ، أمام القاطرة. ستقوم الخوارزميات الموجودة على متن الطائرة بإيقاف القاطرة تلقائيًا ، ولكن ماذا تفعل بعد ذلك إذا لم يبتعد الكلب عن الطريق؟

للتحكم في الوضع على متن السفينة واتخاذ القرارات في حالات الطوارئ ، تم تطوير لوحة تحكم عن بعد وتحكم ثابتة ، مصممة للعمل مع جميع القاطرات غير المأهولة في المحطة. في محطة Luzhskaya ، يقع في مركز EC.

الشكل 14 التحكم عن بعد والإدارة

في محطة Luzhskoy ، تتحكم لوحة التحكم الموضحة في الشكل 14 في تشغيل ثلاث قاطرات تحويل. إذا لزم الأمر ، باستخدام جهاز التحكم عن بعد هذا ، يمكنك التحكم في إحدى القاطرات المتصلة عن طريق إرسال المعلومات في الوقت الفعلي (لا يزيد التأخير عن 300 مللي ثانية ، مع مراعاة نقل البيانات عبر قناة الراديو).

قضايا السلامة الوظيفية

إن أهم قضية في تنفيذ القاطرات غير المأهولة هي مسألة السلامة الوظيفية ، التي حددتها المعايير IEC 61508 "السلامة الوظيفية للأنظمة الإلكترونية الكهربائية والإلكترونية القابلة للبرمجة المتعلقة بالسلامة" (EN50126 ، EN50128 ، EN50129) ، GOST 33435-2015 "أجهزة التحكم والمراقبة والسلامة لعربات السكك الحديدية".

مطلوب مستوى سلامة السلامة 4 (SIL4) للامتثال لمتطلبات أجهزة السلامة على متن الطائرة.

للامتثال لمستوى SIL-4 ، تم تصميم جميع أجهزة أمان القاطرات الحالية وفقًا لمنطق الأغلبية ، حيث يتم إجراء الحسابات بالتوازي في قناتين (أو أكثر) مع مقارنة النتائج لاتخاذ القرار.

تم أيضًا بناء وحدة الحوسبة لمعالجة البيانات من أجهزة الاستشعار على قاطرات التحويل غير المأهولة وفقًا لمخطط ثنائي القناة مع مقارنة النتيجة النهائية.

يتطلب استخدام مجسات الرؤية ، والعمل في ظل ظروف مناخية مختلفة وفي بيئات مختلفة ، مقاربة جديدة لمسألة إثبات سلامة المركبات غير المأهولة.

في عام 2019 ، تم اعتماد معيار ISO / PAS 21448 "مركبات الطرق. أمن وظائف محددة (SOTIF). أحد المبادئ الرئيسية لهذا المعيار هو نهج السيناريو ، الذي يأخذ في الاعتبار سلوك النظام في مختلف الظروف. العدد الإجمالي للسيناريوهات هو ما لا نهاية. هدف التصميم الأساسي هو تقليل المناطق 2 و 3 التي تمثل سيناريوهات غير آمنة معروفة وسيناريوهات غير آمنة غير معروفة.

الشكل 15 تحويل البرنامج النصي كنتيجة للتطوير

كجزء من تطبيق هذا النهج ، قام متخصصو JSC NIIAS بتحليل جميع المواقف الناشئة (السيناريوهات) منذ بدء التشغيل في عام 2017. يتم عمل بعض المواقف التي يصعب مواجهتها في التشغيل الحقيقي باستخدام محاكي PKB TsT.

القضايا التنظيمية

يجب أيضًا معالجة المشكلات التنظيمية من أجل الانتقال حقًا إلى التحكم التلقائي بالكامل دون وجود السائق في كابينة القاطرة.

في الوقت الحالي ، وافقت شركة السكك الحديدية الروسية على جدول زمني لتنفيذ الأعمال المتعلقة بالدعم التنظيمي لتنفيذ تدابير لإدخال أنظمة التحكم الآلي لمخزون السكك الحديدية. من أهم القضايا تحديث اللوائح الخاصة بإجراءات التحقيق الداخلي وحساب حوادث النقل التي تسببت في إلحاق الضرر بحياة أو صحة المواطنين غير المرتبطة بالإنتاج في النقل بالسكك الحديدية. وفقًا لهذه الخطة ، في عام 2021 ، يجب تطوير مجموعة من الوثائق التي تنظم تشغيل مركبات السكك الحديدية غير المأهولة والموافقة عليها.

خاتمة

في الوقت الحالي ، لا توجد نظائر لقاطرات النقل غير المأهولة في العالم ، والتي يتم تشغيلها في محطة Luzhskaya. تعرف متخصصون من فرنسا (شركة SNCF) وألمانيا وهولندا (شركة Prorail) وبلجيكا (شركة Lineas) على نظام التحكم المطور في 2018-2019 وهم مهتمون بتنفيذ مثل هذه الأنظمة. تتمثل إحدى المهام الرئيسية لـ JSC NIIAS في توسيع الوظائف وتكرار نظام الإدارة الذي تم إنشاؤه على كل من السكك الحديدية الروسية والشركات الأجنبية.

في الوقت الحالي ، تقود السكك الحديدية الروسية أيضًا مشروعًا لتطوير قطارات Lastochka الكهربائية غير المأهولة. يوضح الشكل 16 عرضًا توضيحيًا لنموذج أولي لنظام التحكم التلقائي للقطار الكهربائي ES2G Lastochka في أغسطس 2019 داخل إطار العمل. صالون سكة حديد الفضاء الدولي 1520 "PRO // Dvizhenie.Expo".

الشكل 16. عرض توضيحي لتشغيل قطار كهربائي بدون طيار في مركز التحكم في المحرك

يعد إنشاء قطار كهربائي بدون طيار مهمة أكثر صعوبة بسبب السرعات العالية ومسافات الكبح الكبيرة وضمان الصعود / النزول الآمن للركاب في نقاط التوقف. في الوقت الحالي ، تجري الاختبارات بنشاط في مركز عملائي. من المقرر نشر قصة حول هذا المشروع في المستقبل القريب.

المصدر: www.habr.com