U sviluppu di tecnulugii senza pilotu nantu à a ferrovia hà cuminciatu assai tempu fà, digià in u 1957, quandu u primu cumplessu sperimentale di autopilotu per i treni suburbani hè statu creatu. Per capisce a diffarenza trà i livelli d'automatizazione per u trasportu ferroviariu, hè introduttu una gradazione, definita in u standard IEC-62290-1. A cuntrariu di u trasportu stradale, u trasportu ferroviariu hà 4 gradi d'automatizazione, mostra in Figura 1.
Figura 1. Gradi d'automatizazione secondu IEC-62290
Quasi tutti i treni chì operanu nantu à a reta di i Ferroviari Russi sò furnuti cù un dispositivu di sicurità chì currisponde à u nivellu d'automatizazione 1. I treni cù u nivellu d'automatizazione 2 sò stati operati cù successu in a reta ferroviaria russa per più di 20 anni, parechji milla locomotive sò equipati. Stu livellu hè implementatu da l'algoritmi di cuntrollu di trazione è frenu per a guida di u trenu ottimale per l'energia per una strada data, tenendu in contu u calendariu è l'indicazione di i sistemi di signalazione automatica di locomotive ricevuti via un canale induttivu da i circuiti di traccia. L'usu di u nivellu 2 riduce a fatigue di u cunduttore è dà un guadagnu in u cunsumu d'energia è a precisione in l'esekzione di u schedariu di trafficu.
Livellu 3 assume l'absenza pussibule di u cunduttore in a cabina, chì esige l'implementazione di un sistema di visione.
U Livellu 4 implica l'absenza cumpleta di un cunduttore à bordu, chì esige un cambiamentu significativu in u disignu di a locomotiva (trenu elettricu). Per esempiu, i switch automatichi sò stallati à bordu, chì ùn sarà micca pussibule di caccià di novu si sò attivati senza a presenza di una persona à bordu.
Attualmente, i prughjetti per ghjunghje à i livelli 3 è 4 sò implementati da e cumpagnie principali di u mondu, cum'è Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB è altri.
Siemens hà prisentatu u so prughjettu in u campu di tramvii senza pilota in settembre 2018 à a mostra Innotrans. Stu tram hè operatu in Potsdam cù u nivellu d'automatizazione GoA3 da u 2018.
Figura 2 Tram Siemens
In 2019, Siemens hà più di radduppiatu a durata di a so strada senza pilotu.
Russian Railways hè una di e prime cumpagnie in u mondu à cumincià à sviluppà i veiculi ferroviari senza pilota. Cusì, in 2015, in a stazione Luzhskaya, un prughjettu hè stata lanciata per automatizà u muvimentu di 3 locomotive shunting, induve NIIAS JSC hà agitu cum'è integratore di prughjettu è sviluppatore di tecnulugia di basa.
A creazione di una locomotiva senza pilota hè un prucessu cumplessu cumplessu chì hè impussibile senza a cooperazione cù altre cumpagnie. Per quessa, à a stazione Luzhskaya, inseme cù JSC NIIAS, cumpagnie participanu cum'è:
- JSC "VNIKTI" in quantu à u sviluppu di u sistema di cuntrollu di bordu;
- Siemens - in quantu à l'automatizazione di u funziunamentu di u cantiere di marshalling (sistema MSR-32) è l'automatizazione di l'operazione di spinta di vitture;
- JSC "Radioavionika" in termini di sistemi interlocking microprocessor chì cuntrolla frecce, semafori;
- PKB TsT - creazione di un simulatore;
- Ferrovie russe cum'è coordinatore di u prugettu.
À a prima tappa, u compitu era di ottene u livellu 2 di l'automatizazione di u trafficu, quandu u cunduttore, in cundizioni normali per urganizà u travagliu di shunting, ùn usa micca i cuntrolli di locomotive.
Durante u funziunamentu di locomotive di shunting cunvinziunali, u cuntrollu di u trafficu hè realizatu trasmettendu cumandamenti di voce da u dispatcher à u cunduttore cù e percorsi adatti (frecce girate, accende i semafori).
Quandu si move à u livellu 2 di l'automatizazione, tutta a cumunicazione di voce hè stata rimpiazzata da un sistema di cumandamenti trasmessi nantu à un canali radio digitale sicuru. Tecnicamente, a gestione di locomotive shunting in a stazione Luzhskaya hè stata custruita nantu à a basa di:
- mudellu di stazione digitale unificata;
- protokollu per u cuntrollu di u muvimentu di locomotive di shunting (per mandà cumandamenti è monitorà a so esecuzione);
- interaczione cù u sistema di interlocking elettricu per ottene infurmazioni nantu à e rotte specificate, a pusizione di e frecce è i signali;
- sistemi di posizionamentu per locomotive di shunting;
- radio digitale affidabile.
In u 2017, 3 locomotive di shunting TEM-7A operavanu 95% di u tempu in a stazione Luzhskaya in modu completamente automaticu, eseguendu e seguenti operazioni:
- Movimentu automaticu longu un itinerariu datu;
- Accessu automaticu à i vagoni;
- Accoppiamentu automaticu cù carri;
- Spingendu i carri nantu à una piazza di smistamentu.
In u 2017, hè stata lanciata un prughjettu per creà un sistema di visione per i locomotori di shunting è intruduce u cuntrollu remoto in casu d'emergenza.
In nuvembre 2017, i specialisti di JSC NIIAS stallanu u primu prototipu di un sistema di visione per locomotive shunting, custituitu da radar, lidar è camere (Figura 3).
Figura 3 Prime versioni di sistemi di visione
Durante i testi in a stazione di u sistema di visione Luga in 2017-2018, sò stati tratti i seguenti cunclusioni:
- L'usu di radar per a rilevazione di l'ostaculi hè impraticabile, postu chì a ferrovia hà un numeru significativu di oggetti metallichi cù una bona riflettività. A gamma di rilevazione di e persone in u so fondu ùn supera micca i metri 60-70, in più, i radars anu una risoluzione angulare insufficiente è hè di circa 1 °. I nostri scuperti sò stati dopu cunfirmati da i risultati di teste di i culleghi di a SNCF (operatore ferroviariu francese).
- Lidars dà risultati assai boni cù u minimu rumore. In u casu di nevicata, pioggia, nebbia, ci hè una diminuzione micca critica in a gamma di deteczione di l'uggetti. In ogni casu, in 2017, i lidars eranu abbastanza caru, chì anu influinzatu significativamente u rendiment ecunomicu di u prugettu.
- I càmera sò un elementu indispensabile di u sistema di visione tecnicu è sò necessarii per i travaglii di deteczione, classificazione di l'ughjettu è cuntrollu remota. Per u funziunamentu di notte è e cundizioni climatichi difficili, hè necessariu d'avè camere infrared o camere cù una gamma di lunghezze d'onda allargate capace di operare in a gamma infrared vicinu.
U compitu principale di a visione tecnica hè di detect ostaculi è altri oggetti in a direzzione di u viaghju, è postu chì u muvimentu hè realizatu longu a pista, hè necessariu di detect.
Figura 4. Un esempiu di segmentazione multi-classe (pista, vagoni) è determinazione di l'assi di a pista cù una maschera binaria
A figura 4 mostra un esempiu di rilevazione di traccia. Per determinà senza ambiguità a strada di u muvimentu longu e frecce, l'infurmazioni a priori sò usate nantu à a pusizione di a freccia, e letture di i semafori, trasmessi via un canali radio digitale da u sistema di interlocking elettricu. À u mumentu, ci hè una tendenza nantu à e ferrovie di u mondu per abbandunà i semafori è cambià à i sistemi di cuntrollu via un canali radio digitale. Questu hè soprattuttu veru per u trafficu d'alta veloce, postu chì à una velocità di più di 200 km / h diventa difficiuli di nutà è ricunnosce l'indicazioni di semafori. In Russia, ci sò dui rùbbriche operate senza l'usu di semafori - questu hè l'Anellu Centrale di Mosca è a linea Alpika-Service - Adler.
In l'inguernu, si ponu accade situazioni quandu a pista hè cumpletamente cuperta di neve è a ricunniscenza di a pista diventa quasi impussibile, cum'è mostra in Figura 5.
Figura 5 Esempiu di una pista coperta di neve
In questu casu, ùn hè micca chjaru se l'uggetti rilevati interferiscenu cù u muvimentu di a locomotiva, vale à dì s'ellu sò in strada o micca. À a stazione Luzhskaya, in questu casu, un mudellu digitale d'alta precisione di a stazione è un sistema di navigazione à bordu d'alta precisione sò usati.
Inoltre, u mudellu digitale di a stazione hè stata creata nantu à a basa di e misurazioni geodetiche di i punti di basa. Allora, basatu annantu à u processu di parechji passaghji di locomotive cù un sistema di pusizioni d'alta precisione, una mappa hè stata cumpletata longu tutte e piste.
Figura 6 Modellu digitale di u sviluppu di a pista di a stazione Luzhskoy
Unu di i paràmetri più impurtanti per u sistema di posizionamentu à bordu hè l'errore in u calculu di l'orientazione (azimuth) di a locomotiva. L'orientazione di a locomotiva hè necessaria per l'orientazione curretta di i sensori è l'uggetti rilevati da elli. Cù un errore d'angolo d'orientazione di 1 °, l'errore di coordenate di l'ughjettu relative à l'assi di u percorsu à una distanza di 100 metri serà 1,7 metri.
Figura 7 Influenza di l'errore d'orientazione nantu à l'errore di coordenada transversale
Dunque, l'errore massimu permissibile in a misurazione di l'orientazione di a locomotiva in quantu à l'angolo ùn deve esse più di 0,1 °. U sistema di posizionamentu à bordu stessu hè custituitu da dui ricevitori di navigazione à doppia frequenza in modu RTK, chì l'antenni sò spaziati in tutta a lunghezza di a locomotiva per creà una basa longa, un sistema di navigazione inerziale strapdown è cunnessione à sensori di rota (odometri). A deviazione standard di a determinazione di e coordenate di a locomotiva di shunting ùn hè micca più di 5 cm.
Inoltre, studii sò stati realizati in a stazione Luzhskaya nantu à l'usu di e tecnulugia SLAM (lidar è visuale) per ottene dati di pusizioni supplementari.
In u risultatu, a determinazione di u calibre ferroviariu per i locomotori di shunting in a stazione di Luzhskaya hè realizatu cumminendu i risultati di a ricunniscenza di u calibre è i dati di u mudellu di traccia digitale basatu nantu à u posizionamentu.
A rilevazione di l'ostaculi hè ancu realizatu in parechje manere basatu annantu à:
- dati lidar;
- dati di visione stereo;
- travagliu di e rete neurali.
Una di e fonti principali di dati sò i lidars, chì pruducenu una nuvola di punti da scanning laser. In l'algoritmi chì sò in funziunamentu, l'algoritmi classici di clustering di dati sò principalmente usati. Cum'è parte di a ricerca, l'efficacità di l'usu di e rete neurali per u compitu di aggregazione di punti lidar, è ancu per u trattamentu cumuni di dati lidar è dati da e videocamere, hè verificatu. A figura 8 mostra un esempiu di dati lidar (una nuvola di punti cù una riflettività diversa) chì mostra un manichinu umanu in u sfondate di un carru à a stazione Luzhskaya.
Figura 8. Esempiu di dati da lidar à a stazione Luzhskaya
A figura 9 mostra un esempiu di estrazione di un cluster da una vittura cù una forma cumplessa sicondu i dati di dui lidars differenti.
Figura 9. Un esempiu di l'interpretazione di dati lidar cum'è un cluster da un carru hopper
Separatamente, vale a pena nutà chì pocu tempu u costu di lidars hè cascatu da quasi un ordine di grandezza, è e so caratteristiche tecniche anu crisciutu. Ùn ci hè dubbitu chì sta tendenza continuarà. A gamma di rilevazione di l'uggetti da i lidars utilizati in a stazione Luzhskaya hè di circa 150 metri.
Una camera stereo chì usa un principiu fisicu sfarente hè ancu utilizata per detectà ostaculi.
Figura 10. Mappa di disparità da un stereopair è clusters rilevati
A figura 10 mostra un esempiu di dati di camera stereo cù a rilevazione di pali, wayboxes è un vagone.
Per ottene una precisione sufficiente di a nuvola di punti à una distanza abbastanza per u frenu, hè necessariu d'utilizà camere d'alta risoluzione. Aumentà a dimensione di l'imaghjini aumenta u costu computazionale di ottene una mappa di disparità. A causa di e cundizioni necessarie per e risorse occupate è u tempu di risposta di u sistema, hè necessariu di sviluppà è pruvà constantemente algoritmi è approcci per estrazione di dati utili da e videocamere.
Una parte di a prova è a verificazione di l'algoritmi hè realizatu cù un simulatore di ferrovia, chì hè sviluppatu da Design Bureau TsT inseme cù JSC NIIAS. Per esempiu, a Figura 11 mostra l'usu di un simulatore per pruvà l'operazione di l'algoritmi di càmera stereo.
Figura 11. A, B - frames left and right from the simulator; B - vista superiore di a ricustruzzione di dati da una camera stereo; D - ricostruzione di l'imaghjini di càmera stereo da u simulatore.
U compitu principale di e rete neurali hè a deteczione di persone, carri è a so classificazione.
Per travaglià in cundizioni climatichi severi, i specialisti di JSC NIIAS anu ancu realizatu teste cù camere infrared.
Figura 12. Dati da a camera IR
I dati da tutti i sensori sò integrati basatu annantu à l'algoritmi d'associu, induve a probabilità di l'esistenza di ostaculi (ughjetti) hè stimata.
Inoltre, micca tutti l'uggetti nantu à a strada sò ostaculi; quandu eseguisce operazioni di shunting, a locomotiva deve automaticamente accoppià cù e vitture.
Figura 13. Un esempiu di visualizazione di l'entrata à a vittura cù a deteczione di ostaculi da diversi sensori
Quandu operanu locomotive di shunting senza pilotu, hè assai impurtante per capisce rapidamente ciò chì succede cù l'equipaggiu, in quale cundizione hè. Ci hè ancu situazione quandu un animali, cum'è un cane, appare davanti à a locomotiva. L'algoritmi di bordu fermanu automaticamente a locomotiva, ma chì fà dopu se u ghjacaru ùn esce da a strada?
Per cuntrullà a situazione à bordu è piglià decisioni in casu di situazione d'urgenza, hè statu sviluppatu un telecomando stazionariu è un pannellu di cuntrollu, pensatu per travaglià cù tutte e locomotive senza equipaggiu in a stazione. À a stazione di Luzhskaya, si trova à u postu CE.
Figura 14 Controlu è gestione remoti
À a stazione Luzhskoy, u pannellu di cuntrollu mostratu in Figura 14 cuntrolla l'operazione di trè locomotive di shunting. Se necessariu, utilizendu stu telecomando, pudete cuntrullà una di e locomotive cunnessi trasmettendu infurmazioni in tempu reale (u ritardu ùn hè micca più di 300 ms, tenendu in contu a trasmissione di dati nantu à u canali radio).
Problemi di sicurezza funziunale
U prublema più impurtante in l'implementazione di locomotive senza equipaggiu hè u prublema di a sicurità funziunale, definita da i normi IEC 61508 "Sicurezza Funzionale di sistemi elettrici, elettronichi, elettronichi programmabili in relazione à a sicurità" (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 "Dispositivi per u cuntrollu, u surviglianza è a sicurità di u materiale ferroviariu".
U Livellu di Integrità di Sicurezza 4 (SIL4) hè necessariu per rispettà i requisiti per i dispositi di sicurezza à bordu.
Per rispettà u nivellu SIL-4, tutti i dispositi di sicurezza di locomotive esistenti sò custruiti secondu a logica maiurità, induve i calculi sò realizati in parallelu in dui canali (o più) cù una comparazione di i risultati per piglià una decisione.
L'unità di calculu per u processu di dati da i sensori nantu à locomotive di shunting senza pilotu hè ancu custruitu secondu un schema di dui canali cù un paragone di u risultatu finali.
L'usu di i sensori di visione, u travagliu in diverse cundizioni climatichi è in ambienti differenti richiede un novu approcciu à u prublema di pruvà a sicurità di i veiculi senza pilota.
In u 2019, u standard ISO / PAS 21448 "Vehicule stradali. Sicurezza di e Funzioni Specificate (SOTIF). Unu di i principii principali di stu standard hè l'approcciu di scenariu, chì cunsidereghja u cumpurtamentu di u sistema in diverse circustanze. U numeru tutale di scenarii hè infinitu. L'ughjettu primariu di u disignu hè di minimizzà e zone 2 è 3 chì rapprisentanu scenarii insicuri cunnisciuti è scenarii insicuri scunnisciuti.
Figura 15 Trasformazione di script com'è u risultatu di u sviluppu
Comu parte di l'applicazione di stu approcciu, i specialisti di JSC NIIAS anu analizatu tutte e situazioni emergenti (scenarii) da u principiu di l'operazione in 2017. Alcune di e situazioni chì sò difficiuli di scuntrà in u funziunamentu reale sò elaborate cù u simulatore PKB TsT.
Questioni di regulazione
I prublemi di regulazione devenu ancu esse trattatu per passà veramente à u cuntrollu cumplettamente automaticu senza a presenza di u cunduttore in a cabina di a locomotiva.
À u mumentu, i Ferroviari Russi anu appruvatu un calendariu per l'implementazione di u travagliu nantu à u sustegnu regulatori per l'implementazione di e misure per intruduce sistemi di cuntrollu automaticu per u materiale ferroviariu. Unu di i prublemi più impurtanti hè l'aghjurnamentu di i Regolamenti nantu à a prucedura per l'investigazione interna è a cuntabilità di l'accidenti di trasportu chì anu causatu danni à a vita o à a salute di i citadini chì ùn sò micca ligati à a produzzione in u trasportu ferroviariu. In cunfurmità cù stu pianu, in u 2021, un pacchettu di documenti chì regulanu l'operazione di i veiculi ferroviari senza pilota deve esse sviluppatu è appruvatu.
Afterword
À u mumentu, ùn ci sò micca analoghi di locomotive di shunting senza pilota in u mondu, chì sò operati in a stazione Luzhskaya. Specialists da Francia (cumpagnia SNCF), Germania, Olanda (cumpagnia Prorail), Belgium (cumpagnia Lineas) anu cunnisciutu u sistema di cuntrollu sviluppatu in 2018-2019 è sò interessate à implementà tali sistemi. Unu di i compiti principali di JSC NIIAS hè di espansione a funziunalità è riplicà u sistema di gestione creatu sia nantu à e ferrovie russe sia per cumpagnie straniere.
À u mumentu, i Ferroviari Russi guidanu ancu un prughjettu per sviluppà treni elettrici senza pilota di Lastochka. A Figura 16 mostra una dimostrazione di un prototipu di u sistema di cuntrollu automaticu per u trenu elettricu ES2G Lastochka in Aostu 2019 in u quadru. Salone Ferroviario Internaziunale di u Spaziu 1520 "PRO//Dvizhenie.Expo".
Figura 16. Dimustrazione di u funziunamentu di un trenu elettricu senza pilotu à u MCC
A creazione di un trenu elettricu senza pilotu hè un compitu assai più difficiule per via di l'alta velocità, distanze di frenu significativu, è assicurendu l'imbarcu / sbarcu sicuru di i passageri in punti di fermata. À u mumentu, i testi sò attivamente realizati à u MCC. Una storia nantu à stu prughjettu hè prevista per esse publicata in un futuru vicinu.
Source: www.habr.com