Miehittämättömien tekniikoiden kehittäminen rautateillä alkoi jo kauan sitten, jo vuonna 1957, jolloin luotiin ensimmäinen kokeellinen autopilottikompleksi esikaupunkijunille. Rautatieliikenteen automaatiotasojen välisen eron ymmärtämiseksi otetaan käyttöön IEC-62290-1-standardissa määritelty asteikko. Toisin kuin tieliikenteessä, raideliikenteessä on 4 automaatioastetta, kuten kuvassa 1.
Kuva 1. IEC-62290:n mukaiset automaatioasteet
Lähes kaikki Venäjän rautatieverkossa liikennöivät junat on varustettu automaatiotasoa 1 vastaavalla turvalaitteella. Automaatiotason 2 junia on ajettu menestyksekkäästi Venäjän rautatieverkossa yli 20 vuoden ajan, useita tuhansia vetureita on varustettu. Tämä taso toteutetaan luistonesto- ja jarrutusalgoritmeilla, jotka ohjaavat energiaa optimaalisesti tietyllä reitillä, ottaen huomioon ratapiireistä induktiivisen kanavan kautta vastaanotettujen veturien automaattisten merkinantojärjestelmien aikataulut ja indikaatiot. Tason 2 käyttö vähentää kuljettajan väsymystä ja lisää energiankulutusta ja tarkkuutta liikenneaikataulun toteuttamisessa.
Taso 3 olettaa kuljettajan mahdollisen poissaolon ohjaamossa, mikä edellyttää näköjärjestelmän käyttöönottoa.
Taso 4 tarkoittaa kuljettajan täydellistä puuttumista koneesta, mikä edellyttää merkittävää muutosta veturin (sähköjunan) rakenteeseen. Esimerkiksi laivaan on asennettu automaattiset kytkimet, joita ei voida virittää uudelleen, jos ne laukeavat ilman henkilöä.
Tällä hetkellä hankkeita tasojen 3 ja 4 saavuttamiseksi toteuttavat maailman johtavat yritykset, kuten Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB ja muut.
Siemens esitteli projektinsa miehittämättömien raitiovaunujen alalla syyskuussa 2018 Innotrans-näyttelyssä. Tämä raitiovaunu on ollut liikenteessä Potsdamissa GoA3-automaatiotasolla vuodesta 2018 lähtien.
Kuva 2 Siemens raitiovaunu
Vuonna 2019 Siemens yli kaksinkertaisti miehittämättömän reittinsä pituuden.
Russian Railways on yksi ensimmäisistä yrityksistä maailmassa, joka on alkanut kehittää miehittämättömiä rautatieajoneuvoja. Siten vuonna 2015 Luzhskayan asemalla käynnistettiin projekti kolmen vaihtoveturin liikkeen automatisoimiseksi, jossa NIIAS JSC toimi projektin integraattorina ja perustekniikoiden kehittäjänä.
Miehittämättömän veturin luominen on monimutkainen monimutkainen prosessi, joka on mahdotonta ilman yhteistyötä muiden yritysten kanssa. Siksi Luzhskayan asemalla yhdessä JSC NIIAS: n kanssa osallistuvat seuraavat yritykset:
- JSC "VNIKTI" sisäisen ohjausjärjestelmän kehittämisen kannalta;
- Siemens - ratapihan toiminnan automatisoinnin (MSR-32 järjestelmä) ja työntöautojen toiminnan automatisoinnin osalta;
- JSC "Radioavionika" mikroprosessorilukitusjärjestelmien osalta, jotka ohjaavat nuolia, liikennevaloja;
- PKB TsT - simulaattorin luominen;
- Venäjän rautatiet projektikoordinaattorina.
Ensimmäisessä vaiheessa tehtävänä oli saavuttaa liikenneautomaation taso 2, jolloin kuljettaja ei normaaliolosuhteissa vaihtotyön järjestämiseen käytä veturin ohjaimia.
Perinteisten vaihtoveturien käytön aikana liikenteenohjaus suoritetaan lähettämällä puhekomennot lähettäjältä kuljettajalle asettamalla sopivat reitit (nuolet kääntämällä, liikennevalot päälle).
Automaatiotasolle 2 siirryttäessä kaikki puheviestintä korvattiin digitaalisen suojatun radiokanavan kautta välitetyllä komentojärjestelmällä. Teknisesti vaihtoveturien hallinta Luzhskayan asemalla rakennettiin seuraavien pohjalta:
- yhtenäinen digitaalinen asema malli;
- protokolla vaihtovetureiden liikkeen ohjaamiseen (komentojen lähettämiseen ja niiden suorittamisen valvontaan);
- vuorovaikutus sähköisen lukitusjärjestelmän kanssa tiedon saamiseksi määritetyistä reiteistä, nuolien ja signaalien sijainnista;
- paikannusjärjestelmät veturien vaihtotyötä varten;
- luotettava digitaalinen radio.
Vuoteen 2017 mennessä 3 TEM-7A-vaihtoveturia toimi 95 % ajasta Luzhskajan asemalla täysin automaattisessa tilassa suorittaen seuraavat toiminnot:
- Automaattinen liikkuminen tietyllä reitillä;
- Automaattinen pääsy vaunuihin;
- Automaattinen kytkentä vaunuihin;
- Vaunujen työntäminen järjestelypihalle.
Vuonna 2017 käynnistettiin projekti vaihtovetureiden visiojärjestelmän luomiseksi ja kauko-ohjauksen käyttöönottamiseksi hätätilanteessa.
Marraskuussa 2017 JSC NIIAS:n asiantuntijat asensivat ensimmäisen vaihtovetureiden näköjärjestelmän prototyypin, joka koostuu tutkasta, lidarista ja kameroista (kuva 3).
Kuva 3 Näköjärjestelmien ensimmäiset versiot
Luga-näköjärjestelmän asemalla vuosina 2017-2018 tehdyissä testeissä tehtiin seuraavat johtopäätökset:
- Tutkien käyttö esteiden havaitsemiseen on epäkäytännöllistä, koska rautateillä on huomattava määrä metalliesineitä, joilla on hyvä heijastavuus. Ihmisten havaintoalue taustaa vasten ei ylitä 60-70 metriä, lisäksi tutkalla on riittämätön kulmaresoluutio ja se on noin 1 °. Tuloksemme vahvistivat myöhemmin SNCF:n (ranskalainen rautatieoperaattori) kollegoiden testitulokset.
- Lidarit antavat erittäin hyviä tuloksia minimaalisella melulla. Lumisateessa, sateessa tai sumussa kohteiden havaintoalue pienenee ei-kriittisesti. Vuonna 2017 lidarit olivat kuitenkin melko kalliita, mikä vaikutti merkittävästi projektin taloudelliseen suorituskykyyn.
- Kamerat ovat välttämätön osa teknistä näköjärjestelmää, ja niitä tarvitaan havaitsemiseen, kohteiden luokitteluun ja kauko-ohjaukseen. Yökäyttöä ja vaikeita sääolosuhteita varten tarvitaan infrapunakameroita tai kameroita, joiden aallonpituusalue on laajennettu ja jotka pystyvät toimimaan lähi-infrapuna-alueella.
Teknisen näön päätehtävänä on havaita esteet ja muut kulkusuunnassa olevat kohteet, ja koska liike tapahtuu radalla, se on havaittava.
Kuva 4. Esimerkki moniluokkaisesta segmentoinnista (rata, vaunut) ja radan akselin määrittämisestä binäärimaskin avulla
Kuvassa 4 on esimerkki jäljen havaitsemisesta. Liikereitin yksiselitteisen määrittämiseksi nuolia pitkin käytetään a priori tietoa nuolen sijainnista, liikennevalojen lukemista, jotka lähetetään digitaalisen radiokanavan kautta sähköisestä lukitusjärjestelmästä. Tällä hetkellä maailman rautateillä on trendi luopua liikennevaloista ja siirtyä ohjausjärjestelmiin digitaalisen radiokanavan kautta. Tämä pätee erityisesti nopeaan liikenteeseen, koska yli 200 km/h nopeuksilla on vaikea havaita ja tunnistaa liikennevalojen merkkejä. Venäjällä on kaksi osuutta, joita käytetään ilman liikennevaloja - tämä on Moskovan keskuskehä ja Alpika-Service - Adler -linja.
Talvella voi syntyä tilanteita, kun rata on kokonaan lumen peitossa ja jäljen tunnistaminen käy lähes mahdottomaksi, kuten kuvasta 5 näkyy.
Kuva 5 Esimerkki lumen peittämästä radasta
Tällöin jää epäselväksi, häiritsevätkö havaitut esineet veturin liikettä, eli ovatko ne matkalla vai eivät. Luzhskayan asemalla käytetään tässä tapauksessa erittäin tarkkaa digitaalista aseman mallia ja korkean tarkkuuden sisäistä navigointijärjestelmää.
Lisäksi aseman digitaalinen malli luotiin peruspisteiden geodeettisten mittausten perusteella. Sitten, perustuen monien veturien kulkureittien käsittelyyn erittäin tarkalla paikannusjärjestelmällä, tehtiin kartta kaikkia raiteita pitkin.
Kuva 6 Luzhskoyn aseman radan kehittämisen digitaalinen malli
Yksi tärkeimmistä parametreista junan paikannusjärjestelmässä on virhe veturin suunnan (atsimuutin) laskennassa. Veturin suuntaus on välttämätön anturien ja niiden havaitsemien kohteiden oikealle suunnalle. Kun suuntakulmavirhe on 1°, kohteen koordinaattien virhe suhteessa polun akseliin 100 metrin etäisyydellä on 1,7 metriä.
Kuva 7 Suuntausvirheen vaikutus poikittaiskoordinaattivirheeseen
Siksi suurin sallittu virhe veturin suunnan mittauksessa kulman suhteen ei saa ylittää 0,1°. Itse laivan paikannusjärjestelmä koostuu kahdesta kaksitaajuisesta RTK-moodissa toimivasta navigointivastaanottimesta, joiden antennit on sijoitettu erilleen veturin koko pituudelta pitkän pohjan muodostamiseksi, strapdown-inertianavigointijärjestelmä ja yhteys pyöräantureihin (matkamittarit). Vaihtoveturin koordinaattien määrittämisen keskihajonta on enintään 5 cm.
Lisäksi Luzhskajan asemalla suoritettiin tutkimuksia SLAM-tekniikoiden (lidar ja visuaalinen) käytöstä lisäsijaintitietojen saamiseksi.
Tämän seurauksena vaihtovetureiden raideleveyden määritys Luzhskajan asemalla suoritetaan yhdistämällä raideleveyden tunnistustulokset ja paikannukseen perustuvat digitaaliset raidemallitiedot.
Esteiden havaitseminen suoritetaan myös useilla tavoilla perustuen:
- Lidar tiedot;
- stereonäön tiedot;
- hermoverkkojen toimintaa.
Yksi tärkeimmistä tietolähteistä ovat lidarit, jotka tuottavat pistepilven laserskannauksesta. Toiminnassa olevissa algoritmeissa käytetään pääasiassa klassisia dataklusterointialgoritmeja. Osana tutkimusta tarkistetaan hermoverkkojen käytön tehokkuus lidar-pisteiden klusterointitehtävässä sekä lidar-datan ja videokameroiden datan yhteiskäsittelyssä. Kuvassa 8 on esimerkki lidar-tiedoista (pilvi pisteistä, joilla on erilainen heijastavuus), jossa näkyy ihmisnukke vaunun taustalla Luzhskajan asemalla.
Kuva 8. Esimerkki datasta lidarista Luzhskaya-asemalta
Kuvassa 9 on esimerkki monimutkaisen muotoisen klusterin poistamisesta autosta kahden eri lidarin tietojen perusteella.
Kuva 9. Esimerkki lidar-tietojen tulkinnasta klusterina säiliöautosta
Erikseen on syytä huomata, että viime aikoina lidarien kustannukset ovat laskeneet lähes suuruusluokkaa ja niiden tekniset ominaisuudet ovat kasvaneet. Ei ole epäilystäkään, että tämä suuntaus jatkuu. Luzhskajan asemalla käytettävien lidarien esineiden tunnistusalue on noin 150 metriä.
Esteiden havaitsemiseen käytetään myös erilaista fyysistä periaatetta käyttävää stereokameraa.
Kuva 10. Eroavuuskartta stereoparista ja havaituista klustereista
Kuvassa 10 on esimerkki stereokameratiedoista pylväiden, matkalaatikoiden ja vaunun havaitsemiseksi.
Pistepilven riittävän tarkkuuden saamiseksi jarrutukseen riittävällä etäisyydellä on tarpeen käyttää korkearesoluutioisia kameroita. Kuvakoon kasvattaminen lisää erokartan saamisen laskentakustannuksia. Varattujen resurssien ja järjestelmän vasteajan välttämättömien olosuhteiden vuoksi on jatkuvasti kehitettävä ja testattava algoritmeja ja lähestymistapoja hyödyllisen datan poimimiseksi videokameroista.
Osa algoritmien testauksesta ja todentamisesta suoritetaan rautatiesimulaattorilla, jota Design Bureau TsT kehittää yhdessä JSC NIIAS:n kanssa. Esimerkiksi kuva 11 esittää simulaattorin käyttöä stereokameraalgoritmien toiminnan testaamiseen.
Kuva 11. A, B - vasen ja oikea kehys simulaattorista; B – ylhäältä katsottuna stereokameran tietojen rekonstruointi; D - stereokamerakuvien rekonstruointi simulaattorista.
Neuroverkkojen päätehtävä on ihmisten, vaunujen ja niiden luokittelun havaitseminen.
JSC NIIAS:n asiantuntijat suorittivat myös testejä infrapunakameroilla työskennelläkseen vaikeissa sääolosuhteissa.
Kuva 12. IR-kameran tiedot
Kaikkien antureiden tiedot integroidaan assosiaatioalgoritmien perusteella, joissa esteiden (objektien) olemassaolon todennäköisyys arvioidaan.
Lisäksi kaikki tiellä olevat esineet eivät ole esteitä, vaan vaihtotyötä tehdessään veturin on kytkeydyttävä automaattisesti vaunuihin.
Kuva 13. Esimerkki auton sisäänkäynnin visualisoinnista esteiden havaitsemisen avulla eri antureilla
Miehittämättömiä vaihtovetureita käytettäessä on äärimmäisen tärkeää ymmärtää nopeasti, mitä kalustolla tapahtuu, missä kunnossa se on. On myös tilanteita, joissa veturin eteen ilmestyy eläin, kuten koira. Junassa olevat algoritmit pysäyttävät veturin automaattisesti, mutta mitä tehdä seuraavaksi, jos koira ei pääse pois tieltä?
Tilanteen hallitsemiseksi aluksella ja päätöksien tekemiseksi hätätilanteissa on kehitetty kiinteä kauko-ohjain ja ohjauspaneeli, joka on suunniteltu toimimaan kaikkien asemalla olevien miehittämättömien veturien kanssa. Luzhskajan asemalla se sijaitsee EY-postissa.
Kuva 14 Kaukosäädin ja hallinta
Luzhskoyn asemalla kuvan 14 ohjauspaneeli ohjaa kolmen vaihtoveturin toimintaa. Tarvittaessa tällä kaukosäätimellä voit ohjata yhtä liitetyistä vetureista välittämällä tietoa reaaliajassa (viive on enintään 300 ms, kun otetaan huomioon tiedonsiirto radiokanavan yli).
Toiminnalliset turvallisuusongelmat
Miehittämättömien veturien toteutuksessa tärkein kysymys on toiminnallinen turvallisuus, joka määritellään standardeissa IEC 61508 "Turvallisuuteen liittyvien sähköisten, elektronisten, ohjelmoitavien elektronisten järjestelmien toiminnallinen turvallisuus" (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015. "Rautateiden liikkuvan kaluston ohjaus-, valvonta- ja turvallisuuslaitteet".
Turvallisuuden eheystaso 4 (SIL4) vaaditaan ajoneuvojen turvalaitteiden vaatimusten täyttämiseksi.
SIL-4-tason noudattamiseksi kaikki olemassa olevat veturien turvalaitteet on rakennettu enemmistön logiikan mukaisesti, jossa laskelmat suoritetaan rinnakkain kahdessa (tai useammassa) kanavassa tulosten vertailun kanssa päätöksen tekemiseksi.
Myös miehittämättömien vaihtovetureiden antureiden tietojen käsittelyyn tarkoitettu laskentayksikkö on rakennettu kaksikanavaisen kaavion mukaan lopputuloksen vertailulla.
Näköanturien käyttö, työskentely erilaisissa sääolosuhteissa ja erilaisissa ympäristöissä edellyttää uutta lähestymistapaa miehittämättömien ajoneuvojen turvallisuuden todistamiseen.
Vuonna 2019 ISO/PAS 21448 -standardi ”Maantieajoneuvot. Määritettyjen toimintojen turvallisuus (SOTIF). Yksi tämän standardin pääperiaatteista on skenaariolähestymistapa, joka ottaa huomioon järjestelmän käyttäytymisen eri olosuhteissa. Skenaarioiden kokonaismäärä on ääretön. Suunnittelun ensisijaisena tavoitteena on minimoida alueet 2 ja 3, jotka edustavat tunnettuja vaarallisia skenaarioita ja tuntemattomia vaarallisia skenaarioita.
Kuva 15 Skriptin muunnos kehityksen seurauksena
Osana tämän lähestymistavan soveltamista JSC NIIAS:n asiantuntijat analysoivat kaikki esiintulevat tilanteet (skenaariot) toiminnan aloittamisesta vuonna 2017. Jotkut tilanteet, joita on vaikea kohdata todellisessa käytössä, selvitetään PKB TsT -simulaattorilla.
Sääntelyongelmat
Sääntelykysymyksiin on myös puututtava, jotta voidaan todella siirtyä täysin automaattiseen ohjaukseen ilman kuljettajan läsnäoloa veturin ohjaamossa.
Tällä hetkellä Venäjän rautatieyhtiö on hyväksynyt aikataulun säädösten tukemiseksi toteutettavien toimenpiteiden toteuttamiseksi rautateiden liikkuvan kaluston automaattisten ohjausjärjestelmien käyttöönottamiseksi. Yksi tärkeimmistä asioista on rautatieliikenteen tuotantoon liittymättömien kansalaisten hengelle tai terveydelle haitallisten liikenneonnettomuuksien sisäisen tutkinnan ja kirjanpidon määräysten päivittäminen. Suunnitelman mukaisesti vuonna 2021 tulisi kehittää ja hyväksyä miehittämättömien kalustoyksikköjen toimintaa säätelevä asiakirjapaketti.
loppusanat
Tällä hetkellä maailmassa ei ole miehittämättömien vaihtovetureiden analogeja, joita käytetään Luzhskayan asemalla. Asiantuntijat Ranskasta (SNCF-yhtiö), Saksasta, Hollannista (Prorail-yhtiö), Belgiasta (Lineas-yhtiö) tutustuivat kehitettyyn ohjausjärjestelmään vuosina 2018-2019 ja ovat kiinnostuneita tällaisten järjestelmien käyttöönotosta. Yksi JSC NIIAS:n päätehtävistä on laajentaa toiminnallisuutta ja kopioida luotu hallintajärjestelmä sekä Venäjän rautateillä että ulkomaisille yrityksille.
Tällä hetkellä Venäjän rautatiet johtaa myös lastochka-miehittämättömien sähköjunien kehittämisprojektia. Kuvassa 16 on esittely ES2G Lastochka -sähköjunan automaattisen ohjausjärjestelmän prototyypistä elokuussa 2019 kehyksessä. International Railway Salon of Space 1520 "PRO//Dvizhenie.Expo".
Kuva 16. Esittely miehittämättömän sähköjunan toiminnasta MCC:ssä
Miehittämättömän sähköjunan luominen on paljon vaikeampi tehtävä suurten nopeuksien, merkittävien jarrutusmatkojen ja matkustajien turvallisen nousemisen/poistumisen varmistamisen vuoksi pysähdyspaikoilla. Tällä hetkellä MCC:ssä tehdään aktiivisesti testejä. Tarina tästä projektista on tarkoitus julkaista lähitulevaisuudessa.
Lähde: will.com