Развіццё беспілотных тэхналогій на чыгунцы пачалося дастаткова даўно, ужо ў 1957 годзе, калі быў створаны першы эксперыментальны комплекс аўтавядзення для прыгарадных цягнікоў. Для разумення розніцы паміж узроўнямі аўтаматызацыі для чыгуначнага транспарту ўведзена градацыя, вызначаная ў стандарце МЭК-62290-1. У адрозненне ад аўтамабільнага транспарта чыгуначны мае 4 ступені аўтаматызацыі, паказаныя на малюнку 1.
Малюнак 1. Ступені аўтаматызацыі ў адпаведнасці з МЭК-62290
Практычна ўсе цягнікі, якія эксплуатуюць на сетцы ААТ «РЖД» абсталяваны прыладай бяспекі, які адпавядае ўзроўню аўтаматызацыі 1. Цягнікі з узроўнем аўтаматызацыі 2 ужо больш за 20 гадоў паспяхова эксплуатуюцца на сетцы расійскіх чыгунак, абсталявана некалькі тысяч лакаматываў. Дадзены ўзровень рэалізуецца за кошт алгарытмаў кіравання цягай і тармажэння энергааптымальнага вядзення цягніка па зададзеным маршруце з улікам раскладу і паказанняў сістэм аўтаматычнай лакаматыўнай сігналізацыі, якія прымаюцца па індуктыўным канале з рэйкавых ланцугоў. Ужыванне 2 узроўня паніжае стамляльнасць машыніста і дае выйгрыш па энергаспажыванні і дакладнасці выканання графіка руху.
Узровень 3 мяркуе магчымую адсутнасць машыніста ў кабіне, што патрабуе ўкараненні сістэмы тэхнічнага зроку.
Узровень 4 мяркуе поўную адсутнасць машыніста на борце, што патрабуе істотнай змены канструкцыі лакаматыва (электрацягніка). Напрыклад, на борце ўстаноўлены аўтаматычныя выключальнікі, якія будзе немагчыма ўзвесці зноў пры іх спрацоўванні без прысутнасці чалавека на борце.
У сапраўдны момант праекты па дасягненні ўзроўняў 3 і 4 рэалізуюць вядучыя кампаніі свету, такія як Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB і іншыя.
Кампанія Siemens прадставіла свой праект у вобласці беспілотных трамваяў у верасні 2018 гады на выставе Innotrans. Гэты трамвай эксплуатуецца ў Патсдаме з узроўнем аўтаматызацыі GoA3 з 2018 года.
Малюнак 2 Трамвай кампаніі Siemens
У 2019 годзе Siemens павялічыў даўжыню беспілотнага маршруту больш як у 2 разы.
Кампанія ААТ "РЖД" адна з першых у свеце пачала распрацоўку беспілотных чыгуначных транспартных сродкаў. Так, на станцыі Лужскі ў 2015 годзе стартаваў праект па аўтаматызацыі руху 3-х манеўровых лакаматываў, дзе АТ «НДІАС» выступіў інтэгратарам праекта і распрацоўшчыкам базавых тэхналогій.
Стварэнне беспілотнага лакаматыва - комплексны складаны працэс, немагчымы без кааперацыі з іншымі кампаніямі. Таму на станцыі Лужскі сумесна з АТ «НИИАС» удзельнічаюць такія кампаніі як:
- АТ "УНІКТЫ" ў частцы распрацоўкі бартавой сістэмы кіравання;
- Siemens – у частцы аўтаматызацыі працы сартавальнай горкі (сістэма MSR-32) і аўтаматызацыі выканання аперацыі насоўвання вагонаў;
- АТ "Радыёавіяніка" ў частцы сістэм мікрапрацэсарнай цэнтралізацыі, якая кіруе стрэлкамі, святлафорамі;
- ПКБ ЦТ - стварэнне сімулятара;
- ААТ "РЖД" у ролі каардынатара праекта.
На першым этапе стаяла задача дасягнення ўзроўню 2 аўтаматызацыі руху, калі машыніст пры штатных умовах арганізацыі манеўровай працы не выкарыстоўвае органы кіравання лакаматывам.
Пры эксплуатацыі звычайных манеўровых лакаматываў кіраванне рухам ажыццяўляецца з дапамогай перадачы галасавых каманд ад дыспетчара да машыніста з заданнем адпаведных маршрутаў (перакладам стрэлак, уключэннем сігналаў святлафораў).
Пры пераходзе да ўзроўню 2 аўтаматызацыі ўсе галасавыя зносіны былі заменены на сістэму каманд, якія перадаюцца па лічбавым абароненым радыёканале. Тэхнічна кіраванне манеўровымі лакаматывамі на станцыі Лужскай было пабудавана на базе:
- адзінай лічбавай мадэлі станцыі;
- пратакола кіравання рухам манеўровых лакаматываў (для адпраўкі каманд і кантролю выканання);
- узаемадзеяння з сістэмай электрычнай цэнтралізацыяй для атрымання інфармацыі аб зададзеных маршрутах, становішчы стрэлак і сігналаў;
- сістэмы пазіцыянавання манеўровых лакаматываў;
- надзейнай лічбавай радыёсувязі.
Да 2017 года 3 манеўровыя лакаматывы ТЭМ-7А 95% часу працавалі на станцыі Лужскай ў цалкам аўтаматычным рэжыме, выконваючы наступныя аперацыі:
- Аўтаматычны рух па зададзеным маршруце;
- Аўтаматычны пад'езд да вагонаў;
- Аўтаматычная счэпка з вагонамі;
- Надзвіг вагонаў на сартавальную горку.
У 2017 годзе быў запушчаны праект па стварэнні сістэмы тэхнічнага зроку для манеўровых лакаматываў і ўкаранення дыстанцыйнага кіравання ў выпадку няштатных сітуацый.
У лістападзе 2017 года спецыялісты АТ «НДІАС» устанавілі першы прататып сістэмы тэхнічнага зроку на манеўровыя лакаматывы, які складаецца з радараў, лідара і камер (малюнак 3).
Малюнак 3 Першыя версіі сістэм тэхнічнага гледжання
У ходзе выпрабаванняў на станцыі Лужскай сістэмы тэхнічнага гледжання ў 2017 - 2018 гадах былі зроблены наступныя высновы:
- Ужыванне радараў для выяўлення перашкод немэтазгодна, бо чыгунка мае значную колькасць металічных аб'ектаў з добрай адбівальнай здольнасцю. Далёкасць выяўлення людзей на іх фоне не перавышае 60-70 метраў, акрамя таго, у радараў недастатковая кутняя адрознівальная здольнасць і складае каля 1°. Нашы высновы былі пасля пацверджаны вынікамі выпрабаванняў калегаў з SNCF (французскі чыгуначны аператар).
- Лідары даюць вельмі добрыя вынікі з мінімальнай колькасцю шумоў. У выпадку снегападу, дажджу, туману назіраецца не крытычнае памяншэнне далёкасці выяўлення аб'ектаў. Аднак, у 2017 годзе лідары каштавалі дастаткова дорага, што значна ўплывала на эканамічныя паказчыкі праекта.
- Камеры з'яўляюцца абавязковым элементам сістэмы тэхнічнага зроку і неабходныя для задач выяўлення, класіфікацыі аб'ектаў, а таксама дыстанцыйнага кіравання. Для працы ў начны час і складаных умовах надвор'я неабходна мець інфрачырвоныя камеры або камеры з пашыраным дыяпазонам даўжынь хваль, здольныя працаваць у блізкім ВК дыяпазоне.
Асноўнай задачай тэхнічнага зроку з'яўляецца выяўленне перашкод і іншых аб'ектаў па ходзе руху, а бо рух ажыццяўляецца па каляіне, то неабходна яе выяўляць.
Малюнак 4. Прыклад шматкласавай сегментацыі (каляіна, вагоны) і вызначэнне восі шляху па бінарнай масцы
На малюнку 4. прыведзены прыклад выяўлення каляіны. Для таго, каб адназначна вызначыць маршрут руху па стрэлках, выкарыстоўваецца апрыёрная інфармацыя аб становішчы стрэлкі, паказаннях святлафораў, якая перадаецца па лічбавым радыёканале ад сістэмы электрычнай цэнтралізацыі. Цяпер на чыгунках свету ідзе тэндэнцыя адмовы ад святлафораў і пераход на сістэмы кіравання па лічбавым радыёканале. Асабліва гэта дакранаецца высакахуткаснага руху, бо на хуткасцях больш 200 км/ч становіцца складана заўважыць і распазнаць сведчанне святлафораў. У Расіі існуе два ўчасткі, якія эксплуатуюцца без ужывання прахадных святлафораў - гэта Маскоўскае цэнтральнае кольца і лінія Альпіка-Сэрвіс - Адлер.
У зімовы перыяд могуць узнікнуць сітуацыі, калі каляіна знаходзіцца цалкам пад снежным покрывам і распазнанне каляіны становіцца практычна немагчымым, як паказана на малюнку 5.
Малюнак 5 Прыклад каляіны, пакрытай снегам
У такім выпадку становіцца не зразумелым, ці перашкаджаюць выяўленыя аб'екты руху лакаматыва, гэта значыць знаходзяцца яны на шляху ці не. На станцыі Лужская ў такім выпадку прымяняецца высокадакладная лічбавая мадэль станцыі і высокадакладная бартавая сістэма навігацыі.
Прычым лічбавая мадэль станцыі стваралася на аснове геадэзічных вымярэнняў базавых кропак. Затым на аснове апрацоўкі мноства праездаў лакаматываў з высокадакладнай сістэмай пазіцыянавання дабудоўвалася карта па ўсіх шляхах.
Малюнак 6 Лічбавая мадэль пуцявога развіцця станцыі Лужскі
Адным з найважнейшых параметраў для бартавой сістэмы пазіцыянавання з'яўляецца хібнасць вылічэнні арыентацыі (азімуце) лакаматыва. Арыентацыя лакаматыва неабходна для правільнай арыентацыі сэнсараў і аб'ектаў імі выяўленымі. Пры хібнасці кута арыентацыі ў 1 ° хібнасць каардынат аб'екта адносна восі шляху на адлегласці 100 метраў складзе 1,7 метра.
Малюнак 7 Уплыў хібнасці арыентацыі на папярочную памылку каардынат
Таму максімальна дапушчальная хібнасць вымярэння арыентацыі лакаматыва па куце не павінна перавышаць 0,1 °. Сама бартавая сістэма пазіцыянавання складаецца з двух двухчастотных навігацыйных прымачоў у рэжыме RTK, антэны якіх разнесены на ўсю даўжыню лакаматыва для стварэння доўгай базы, бесплатформеннай інерцыяльнай навігацыйнай сістэмы і падлучэнні да колавых датчыкаў (одометрам). Сярэднеквадратычнае адхіленне вызначэння каардынат манеўровага лакаматыва складае не больш за 5 см.
Дадаткова на станцыі Лужскай праводзіліся даследаванні па выкарыстанні тэхналогій SLAM (лідарных і візуальных) для атрымання дадатковых дадзеных аб месцазнаходжанні.
У выніку вызначэнне чыгуначнай каляіны для манеўровых лакаматываў на станцыі Лужскай ажыццяўляецца шляхам камплексавання вынікаў па распазнанні каляіны і дадзеных лічбавай мадэлі шляху на аснове пазіцыянавання.
Выяўленне перашкод таксама ажыццяўляецца некалькімі спосабамі на аснове:
- лідарных дадзеных;
- дадзеных стэрэагляду;
- працы нейронавых сетак.
Адной з асноўных крыніцай дадзеных з'яўляюцца лідары, якія выдаюць воблака кропак ад лазернага сканавання. У алгарытмах, якія знаходзяцца ў эксплуатацыі, пераважна выкарыстоўваюцца класічныя алгарытмы кластарызацыі дадзеных. У рамках даследаванняў правяраецца эфектыўнасць ужывання нейронавых сетак для задачы кластарызацыі лідарных кропак, а таксама для сумеснай апрацоўкі лідарных дадзеных і дадзеных з відэакамер. На малюнку 8 паказаны прыклад лідарных дадзеных (воблака кропак з рознай рэфлексіўнасцю) з адлюстраваннем манекена чалавека на фоне вагона на станцыі Лужскай.
Малюнак 8. Прыклад дадзеных з лідара на станцыі Лужскі
На малюнку 9 прыведзены прыклад выдзялення кластара ад вагона складанай формы па даных двух розных лідараў.
Малюнак 9. Прыклад інтэрпрэтацыі лідарных дадзеных у выглядзе кластара ад вагона-хопера
Асобна варта адзначыць, што за апошні час кошт лідараў упаў практычна на парадак, а іх тэхнічныя характарыстыкі выраслі. Няма ніякіх сумневаў, што дадзеная тэндэнцыя захаваецца. Далёкасць выяўлення аб'ектаў лідарамі, якія прымяняюцца на станцыі Лужскай, складае каля 150 метраў.
Таксама для выяўлення перашкод выкарыстоўваецца стэрэакамера, якая выкарыстоўвае іншы фізічны прынцып.
Малюнак 10. Карта дыспаратнасці ад стэрэапары і выяўленыя кластара
На малюнку 10 прыведзены прыклад даных стэрэакамеры з выяўленнем слупоў, дарожных скрынь і вагона.
Для таго, каб атрымаць дастатковую дакладнасць аблокі кропак на дастатковай для тармажэння дыстанцыі, неабходна выкарыстоўваць камеры высокага дазволу. Павелічэнне памеру выявы павышае вылічальныя выдаткі на атрыманне карты дыспаратнасці. У сувязі з неабходнымі ўмовамі па займаных рэсурсах і часу рэакцыі сістэмы, неабходна ўвесь час распрацоўваць і тэставаць алгарытмы і падыходы для вымання карысных дадзеных з відэакамер.
Частка выпрабаванняў і праверкі алгарытмаў праводзіцца з выкарыстаннем чыгуначнага сімулятара, які распрацоўваецца ПКБ ЦТ сумесна з АТ "НДІАС". Напрыклад, на малюнку 11 паказана прымяненне сімулятара для праверкі работы алгарытмаў стэрэакамеры.
Малюнак 11. А, Б - левы і правы кадры з сімулятара; У - выгляд зверху на рэканструкцыю дадзеных ад стэрэакамеры; Г - рэканструкцыя малюнкаў стэрэакамеры з сімулятара.
Асноўная задача нейронавых сетак - гэта дэтэктаванне людзей, вагонаў і іх класіфікацыя.
Для працы ў цяжкіх умовах надвор'я спецыялісты АТ «НИИАС» таксама праводзілі выпрабаванні з ужываннем інфрачырвоных камер.
Малюнак 12. Дадзеныя з ВК камеры
Дадзеныя ад усіх сэнсараў камплексуюцца на аснове алгарытмаў асацыяцыі, дзе ацэньваецца верагоднасць існавання перашкод (аб'ектаў).
Прычым не ўсе аб'екты на шляхі з'яўляюцца перашкодамі, пры выкананні манеўровых аперацый лакаматыў павінен вырабляць аўтаматычна счэпку з вагонамі.
Малюнак 13. Прыклад візуалізацыі пад'езда да вагона з выяўленнем перашкод рознымі сэнсарамі
Пры эксплуатацыі беспілотных манеўровых лакаматываў вельмі важна аператыўна разумець, што адбываецца з тэхнікай, у якім яна стане. Таксама магчымыя сітуацыі, калі перад лакаматывам з'явіцца жывёла, напрыклад сабака. Бартавыя алгарытмы аўтаматычна спыняць лакаматыў, але што рабіць далей, калі сабака не сыдзе са шляху?
Для кантролю сітуацыі на борце і прыняцці рашэння ў выпадку няштатных сітуацый распрацаваны стацыянарны пульт дыстанцыйнага кантролю і кіравання, прызначаны для працы са ўсімі беспілотнымі лакаматывамі на станцыі. На станцыі Лужская ён размешчаны на пасадзе ЭЦ.
Малюнак 14 Пульт дыстанцыйнага кантролю і кіравання
На станцыі Лужскі пульт, намаляваны на малюнку 14, кантралюе працу трох манеўровых лакаматываў. Пры неабходнасці з дапамогай дадзенага пульта можна ажыццяўляць кіраванне адным з падлучаных лакаматываў пасродкам перадачы інфармацыі ў рэальным часе (затрымка не больш за 300 мс з улікам перадачы дадзеных па радыёканале).
Пытанні функцыянальнай бяспекі
Найважнейшым пытаннем пры ўкараненні беспілотных лакаматываў з'яўляецца пытанне функцыянальнай бяспекі, якая вызначаецца стандартамі МЭК 61508 "Функцыянальная бяспека сістэм электрычных, электронных, праграмуемых электронных, звязаных з бяспекай" (EN50126, EN50128, EN50129), ДАСТ 33435-2015 рухомага складу».
У адпаведнасці з патрабаваннямі да бартавых прылад бяспекі неабходна забяспечыць узровень паўнаты бяспекі 4 (SIL4).
Для адпаведнасці ўзроўню SIL-4 усе існуючыя лакаматыўныя прылады бяспекі пабудаваны па мажарытарнай логіцы, дзе вылічэнні паралельна выконваюцца ў двух каналах (або больш) з параўнаннем вынікаў для прыняцця рашэння.
Вылічальны блок апрацоўкі дадзеных з сэнсараў на беспілотных манеўровых лакаматывах таксама пабудаваны па двухканальнай схеме з параўнаннем выніковага выніку.
Ужыванне сэнсараў тэхнічнага зроку, праца пры розных умовах надвор'я і ў рознай навакольнага становішча патрабуе новага падыходу да пытання доказу бяспекі працы беспілотных транспартных сродкаў.
У 2019 годзе выйшаў стандарт ISO/PAS 21448 “Дарожныя транспартныя сродкі. Бяспека зададзеных функцый» (SOTIF). Адным з асноўных прынцыпаў дадзенага стандарту з'яўляецца сцэнарны падыход, дзе разглядаюцца паводзіны сістэмы ў розных абставінах. Агульная колькасць сцэнарыяў уяўляе сабой бясконцасць. Асноўнай задачай пры распрацоўцы з'яўляецца мінімізацыя абласцей 2 і 3, якія прадстаўляюць вядомыя небяспечныя сцэнары і невядомыя небяспечныя сцэнары.
Малюнак 15 Пераўтварэнне сцэнарыяў у выніку распрацоўкі
У рамках прымянення дадзенага падыходу спецыялісты АТ «НДІАС» прааналізавалі ўсе сітуацыі (сцэнары), якія ўзнікаюць з моманту пачатку эксплуатацыі ў 2017 годзе. Частка сітуацый, якія цяжка сустрэць пры рэальнай эксплуатацыі, адпрацоўваецца з прымяненнем сімулятара ПКБ ЦТ.
Пытанні нарматыўнага рэгулявання
Для таго каб сапраўды поўнасцю перайсці на цалкам аўтаматычнае кіраванне без прысутнасці машыніста ў кабіне лакаматыва неабходна таксама вырашыць пытанні нарматыўнага рэгулявання.
Цяпер ААТ "РЖД" зацверджаны план-графік выканання работ па нарматыўным забеспячэнні рэалізацыі мерапрыемстваў па ўкараненні сістэм кіравання чыгуначным рухомым саставам у аўтаматычным рэжыме. Адным з важнейшых пытанняў з'яўляецца актуалізацыя Палажэння аб парадку службовага расследавання і ўліку транспартных здарэнняў, якія прывялі да нанясення шкоды жыццю або здароўю грамадзян, не звязаных з вытворчасцю на чыгуначным транспарце. У адпаведнасці з гэтым планам у 2021 годзе павінен быць распрацаваны і зацверджаны пакет дакументаў, які рэгламентуе работу беспілотных чыгуначных транспартных сродкаў.
пасляслоўе
У сапраўдны момант у свеце няма аналагаў беспілотных манеўровых лакаматываў, якія эксплуатуюцца на станцыі Лужскай. Спецыялісты з Францыі (кампанія SNCF), Германіі, Галандыі (кампанія Prorail), Бельгіі (кампанія Lineas) у 2018-2019 гадах знаёміліся з распрацаванай сістэмай кіравання і зацікаўлены ва ўкараненні падобных сістэм. Адной з асноўных задач АТ "НДІАС" з'яўляецца пашырэнне функцыяналу і тыражаванне створанай сістэмы кіравання як на расійскіх чыгунках, так і для замежных кампаній.
Цяпер ААТ "РЖД" таксама вядзе праект па распрацоўцы беспілотных электрацягнікоў "Ластаўка". На малюнку 16 паказана дэманстрацыя прататыпа сістэмы аўтаматычнага кіравання электрацягніка ЭС2Г «Ластаўка» ў жніўні 2019 года ў рамках. Міжнароднага чыгуначнага салона прасторы 1520 "PRO//Рух.Экспа".
Малюнак 16. Дэманстрацыя працы беспілотнага электрацягніка на МЦК
Стварэнне беспілотнага электрацягніка з'яўляецца значна больш складанай задачай з-за вялікіх хуткасцей руху, значнага тармазнога шляху, забеспячэння бяспечнай пасадкі/высадкі пасажыраў на прыпыначных пунктах. Цяпер актыўна вядуцца выпрабаванні на МЦК. Аповяд аб гэтым праекце плануецца апублікаваць у найбліжэйшай будучыні.
Крыніца: habr.com