De ûntwikkeling fan ûnbemanne technologyen op it spoar begûn frij lang lyn, al yn 1957, doe't de earste eksperimintele automatisearre begelieding systeem foar commuter treinen waard makke. Om it ferskil tusken automatisearringsnivo's foar spoarferfier te begripen, is in gradaasje yntrodusearre, definieare yn 'e IEC-62290-1-standert. Oars as dykferfier hat it spoarferfier 4 graden fan automatisearring, werjûn yn figuer 1.
figuer 1. Graden fan automatisearring neffens IEC-62290
Hast alle treinen dy't op it Russyske spoarnetwurk operearje binne foarsjoen fan in feiligensapparaat dat oerienkomt mei automatisearringsnivo 1. Treinen mei automatisearringsnivo 2 binne mei súkses operearre op it Russyske spoarnetwurk foar mear as 20 jier; ferskate tûzen lokomotyfen binne foarsjoen. Dit nivo wurdt útfierd troch traksje kontrôle en braking algoritmen foar enerzjy-optimaal riden fan de trein lâns in opjûne rûte, rekken hâldend mei it skema en lêzingen fan automatyske lokomotyf sinjaalsystemen ûntfongen fia in inductive kanaal út de spoar circuits. It gebrûk fan nivo 2 ferleget wurgens fan bestjoerders en leveret foardielen yn enerzjyferbrûk en krektens fan skema-útfiering.
Nivo 3 giet út fan it mooglike ûntbrekken fan in bestjoerder yn 'e kabine, wat de ymplemintaasje fan in technysk fisysysteem fereasket.
Nivo 4 giet út fan de folsleine ôfwêzigens fan in bestjoerder oan board, dat fereasket in wichtige feroaring yn it ûntwerp fan de lokomotyf (elektryske trein). Bygelyks, d'r binne circuit breakers oan board dy't net weromset wurde as se stroffele sûnder in persoan oan board.
Op it stuit wurde projekten om nivo's 3 en 4 te berikken útfierd troch liedende bedriuwen yn 'e wrâld, lykas Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB en oaren.
Siemens presintearre har projekt op it mêd fan bestjoerderleaze trams yn septimber 2018 op de Innotrans-eksposysje. Dizze tram is sûnt 3 yn wurking yn Potsdam mei GoA2018 automatisearringsnivo.
figuer 2 Siemens tram
Yn 2019 fergrutte Siemens de lingte fan 'e ûnbemanne rûte mei mear dan 2 kear.
It Russyske spoarbedriuw wie ien fan 'e earsten yn' e wrâld dy't begon mei it ûntwikkeljen fan ûnbemanne spoarweinen. Sa waard op it Luzhskaya-stasjon yn 2015 in projekt lansearre om de beweging fan 3 shuntlokomotiven te automatisearjen, wêrby't NIIAS JSC fungearre as de projektyntegrator en ûntwikkelder fan basistechnologyen.
It meitsjen fan in ûnbemanne lokomotyf is in kompleks, kompleks proses dat ûnmooglik is sûnder gearwurking mei oare bedriuwen. Dêrom, op it Luzhskaya stasjon, tegearre mei JSC NIIAS, de folgjende bedriuwen meidwaan:
- JSC "VNIKTI" yn termen fan de ûntwikkeling fan in onboard kontrôle systeem;
- Siemens - yn termen fan it automatisearjen fan de bult operaasje (MSR-32 systeem) en it automatisearjen fan de wurking fan triuwe auto;
- JSC Radioavionics yn termen fan mikroprosessor sintralisaasjesystemen dy't skeakels en ferkearsljochten kontrolearje;
- PKB CT - oanmeitsjen fan in simulator;
- JSC Russian Railways as projektkoördinator.
Op it earste stadium wie de taak om it nivo 2 fan ferkearsautomatisaasje te berikken, as de bestjoerder, ûnder normale omstannichheden foar it organisearjen fan rangeerwurk, de lokomotyfkontrôles net brûkt.
By it operearjen fan konvinsjonele shuntlokomotiven wurdt ferkearskontrôle útfierd troch it ferstjoeren fan stimkommando's fan 'e dispatcher nei de bestjoerder mei it ynstellen fan passende rûtes (ferpleatse skeakels, ynskeakelje ferkearsljochten).
By it ferpleatsen nei nivo 2 automatisearring, waard alle stimkommunikaasje ferfongen troch in systeem fan kommando's oerdroegen oer in digitaal feilich radiokanaal. Technysk, de kontrôle fan shunting lokomotiven op it Luzhskaya stasjon waard boud op basis fan:
- ferienige digitale model fan it stasjon;
- protokol foar it kontrolearjen fan de beweging fan shuntlokomotiven (foar it ferstjoeren fan kommando's en it kontrolearjen fan útfiering);
- ynteraksje mei it elektryske sintralisaasjesysteem om ynformaasje te krijen oer opjûne rûtes, de posysje fan pylken en sinjalen;
- posisjonearring systemen foar rangeerlokomotiven;
- betroubere digitale radiokommunikaasje.
Tsjin 2017, 3 TEM-7A rangeerlokomotiven wurke 95% fan 'e tiid op it Luzhskaya stasjon yn folslein automatyske modus, it útfieren fan de folgjende operaasjes:
- Automatyske beweging lâns in opjûne rûte;
- automatyske tagong ta auto's;
- automatyske koppeling mei wagons;
- Auto's op de bult triuwe.
Yn 2017 waard in projekt lansearre om in technysk fisysysteem te meitsjen foar it rangeerjen fan lokomotiven en it ynfieren fan ôfstânsbetsjinning yn gefal fan needsituaasjes.
Yn novimber 2017, spesjalisten fan JSC NIIAS ynstallearre it earste prototype fan in technysk fisy systeem op shunting lokomotiven, besteande út radars, lidar en kamera (figuer 3).
figuer 3 Earste ferzjes fan technyske fyzje systemen
Tidens testen op it Luga-stasjon fan it technyske fisysysteem yn 2017 - 2018 waarden de folgjende konklúzjes makke:
- It gebrûk fan radars foar it opspoaren fan obstakels is ûnpraktysk, om't it spoar in signifikant oantal metalen objekten hat mei goede reflektiviteit. It deteksjeberik fan minsken tsjin har eftergrûn is net mear as 60-70 meter, en radars hawwe net genôch hoeke resolúsje en is sawat 1 °. Us befinings waarden dêrnei befêstige troch testresultaten fan kollega's fan SNCF (de Frânske spoaroperator).
- Lidars jouwe heul goede resultaten mei minimaal lûd. By sniefal, rein of mist wurdt in net-krityske fermindering yn it deteksjeberik fan objekten waarnommen. Yn 2017 wiene lidars lykwols frij djoer, wat de ekonomyske prestaasjes fan it projekt signifikant beynfloede.
- Kamera's binne in essinsjeel elemint fan in technysk fisysysteem en binne nedich foar deteksje, objektklassifikaasje en taken op ôfstân. Om nachts en yn drege waarsomstannichheden te wurkjen, is it nedich om ynfrareadkamera's of kamera's te hawwen mei in útwreide golflingteberik dy't kinne operearje yn it tichtby ynfraread berik.
De haadtaak fan technyske fisy is om obstakels en oare objekten op 'e wei te detektearjen, en om't de beweging op in spoar wurdt útfierd, is it nedich om it te ûntdekken.
figuer 4. Foarbyld fan multi-klasse segmentation (baan, auto's) en bepaling fan it spoar as mei help fan in binêre masker
figuer 4 lit in foarbyld fan rut detection. Om ûndûbelsinnich de rûte fan beweging lâns de pylken te bepalen, wurdt a priori ynformaasje oer de posysje fan 'e pylk en ferkearsljochtlêzingen brûkt, oerdroegen fia in digitaal radiokanaal fan it elektryske sintralisaasjesysteem. Op it stuit is der in trend op 'e spoarwegen fan' e wrâld om ferkearsljochten te ferlitten en oer te skeakeljen nei kontrôlesystemen fia in digitaal radiokanaal. Dat jildt benammen foar hege snelheid ferkear, om't by snelheden boppe 200 km / h it dreech wurdt om ferkearsljochten op te merken en te herkennen. Yn Ruslân binne d'r twa seksjes eksploitearre sûnder it gebrûk fan ferkearsljochten - de Moskou Central Circle en de line Alpika-Service - Adler.
Yn 'e winter kinne situaasjes ûntstean as it spoar folslein ûnder sniebedekking leit en de herkenning fan it spoar hast ûnmooglik wurdt, lykas te sjen is yn figuer 5.
figuer 5 Foarbyld fan in spoar bedutsen mei snie
Yn dit gefal wurdt it ûndúdlik oft de ûntdutsen objekten ynterferearje mei de beweging fan 'e lokomotyf, dat wol sizze, se binne op it spoar of net. Yn dit gefal, op it Luzhskaya stasjon wurdt brûkt in hege-precision digitaal model fan it stasjon en in hege-precision onboard navigaasje systeem.
Boppedat is it digitale model fan it stasjon makke op basis fan geodetyske mjittingen fan basispunten. Dan, basearre op it ferwurkjen fan in protte passaazjes fan lokomotiven mei in hege-precision posisjonearring systeem, in kaart waard foltôge lâns alle spoaren.
figuer 6 Digitaal model fan spoar ûntwikkeling fan Luzhskoy stasjon
Ien fan 'e wichtichste parameters foar it pleatsingsysteem oan board is de flater by it berekkenjen fan' e oriïntaasje (azimut) fan 'e lokomotyf. De oriïntaasje fan 'e lokomotyf is nedich foar de juste oriïntaasje fan' e sensoren en troch har ûntdutsen objekten. By in oriïntaasjehoekflater fan 1° sil de flater yn objektkoordinaten relatyf oan de paad-as op in ôfstân fan 100 meter 1,7 meter wêze.
figuer 7 Effekt fan oriïntaasje flater op laterale koördinaat flater
Dêrom moat de maksimale tastiene flater by it mjitten fan 'e hoekoriïntaasje fan' e lokomotyf net mear wêze as 0,1 °. It onboard posisjonearringssysteem sels bestiet út twa dual-frekwinsje navigaasje-ûntfangers yn RTK-modus, wêrfan de antennes oer de hiele lingte fan 'e lokomotyf ferdield binne om in lange basis te meitsjen, strapdown inertial navigaasjesysteem en ferbining mei tsjilsensors (kilometertellers). De standertdeviaasje by it bepalen fan 'e koördinaten fan' e rangeerlokomotyf is net mear as 5 sm.
Derneist waard op it Luzhskaya-stasjon ûndersyk útfierd nei it brûken fan SLAM-technologyen (lidar en fisueel) om ekstra lokaasjegegevens te krijen.
As gefolch, de bepaling fan it spoar spoar foar shunting lokomotiven op it Luzhskaya stasjon wurdt útfierd troch it kombinearjen fan de resultaten fan spoar erkenning en posysje-basearre digitale spoar model gegevens.
Hindernisdeteksje wurdt ek útfierd op ferskate manieren basearre op:
- lidar gegevens;
- stereo fyzje gegevens;
- operaasje fan neurale netwurken.
Ien fan 'e wichtichste boarnen fan gegevens is lidars, dy't in wolk fan punten produsearje fan laser skennen. Algoritmen yn gebrûk brûke foaral klassike dataclusteringalgoritmen. As ûnderdiel fan it ûndersyk wurdt de effektiviteit fan it brûken fan neurale netwurken foar de taak fan klustering fan lidarpunten, lykas foar mienskiplike ferwurking fan lidargegevens en gegevens fan fideokamera's, hifke. Figuer 8 lit in foarbyld sjen fan lidar-gegevens (in wolk fan punten mei ferskillende reflexiviteit) dy't in mannequin fan in persoan werjaan tsjin 'e eftergrûn fan in koets op it Luzhskaya-stasjon.
figuer 8. Foarbyld fan lidar gegevens op Luzhskoy stasjon
Figuer 9 toant in foarbyld fan it identifisearjen fan in kluster út in kompleks-foarmige auto mei help fan gegevens út twa ferskillende lidars.
figuer 9. Foarbyld fan ynterpretaasje fan lidar gegevens yn 'e foarm fan in kluster út in hopper auto
Apart, it is de muoite wurdich opskriuwen dat koartlyn de kosten fan lidars sakke mei hast in folchoarder fan grutte, en harren technyske skaaimerken binne tanommen. Der is gjin twifel dat dizze trend sil trochgean. It deteksjeberik fan objekten troch lidars brûkt by it Luzhskaya-stasjon is sawat 150 meter.
In stereokamera mei in oar fysyk prinsipe wurdt ek brûkt om obstakels te detektearjen.
figuer 10. Disparity map fan in stereo pear en ûntdutsen klusters
figuer 10 toant in foarbyld fan stereo kamera gegevens mei opspoaren fan peallen, track doazen en in auto.
Om genôch krektens fan 'e puntwolk te krijen op in ôfstân dy't genôch is foar remmen, is it nedich om kamera's mei hege resolúsje te brûken. It fergrutsjen fan de ôfbyldingsgrutte fergruttet de berekkeningskosten foar it krijen fan de disparitykaart. Fanwegen de nedige betingsten foar de besette boarnen en de reaksjetiid fan it systeem, is it needsaaklik om konstant algoritmen en oanpak te ûntwikkeljen en te testen foar it ekstrahearjen fan nuttige gegevens fan fideokamera's.
In diel fan 'e testen en ferifikaasje fan algoritmen wurdt útfierd mei in spoarsimulator, dy't wurdt ûntwikkele troch PKB TsT tegearre mei JSC NIIAS. Bygelyks, figuer 11 lit it gebrûk fan in simulator sjen om de prestaasjes fan stereokamera-algoritmen te testen.
figuer 11. A, B - lofts en rjochts frames út de simulator; B - top werjefte fan de rekonstruksje fan gegevens út in stereo kamera; D - rekonstruksje fan stereo-kamera-ôfbyldings fan 'e simulator.
De wichtichste taak fan neurale netwurken is om minsken, auto's en har klassifikaasje te detektearjen.
Om te wurkjen yn hurde waarsomstannichheden, hawwe spesjalisten fan JSC NIIAS ek tests útfierd mei ynfrareadkamera's.
figuer 12. Gegevens út IR kamera
Gegevens fan alle sensoren wurde yntegrearre basearre op assosjaasjealgoritmen, wêrby't de kâns op it bestean fan obstakels (objekten) wurdt beoardiele.
Boppedat binne net alle objekten op it spoar obstakels; by it útfieren fan shuntoperaasjes moat de lokomotyf automatysk keppelje oan de auto's.
figuer 13. In foarbyld fan fisualisaasje fan de oanpak fan in auto mei obstakeldeteksje troch ferskate sensoren
By it operearjen fan ûnbemanne shuntlokomotiven is it ekstreem wichtich om fluch te begripen wat der bart mei de apparatuer en yn hokker tastân it is. Der binne ek situaasjes mooglik as in bist, lykas in hûn, foar de lokomotyf komt. Algoritmen oan board sille de lokomotyf automatysk stopje, mar wat te dwaan as de hûn net út 'e wei giet?
Om de situaasje oan board te kontrolearjen en besluten te nimmen yn gefal fan needsituaasjes, is in stasjonêr paniel foar ôfstânsbetsjinning en tafersjoch ûntwikkele, ûntworpen om te wurkjen mei alle ûnbemanne lokomotiven op it stasjon. By Luzhskaya stasjon leit it by de EK-post.
figuer 14 Remote kontrôle en tafersjoch
Op it Luzhskoy-stasjon kontrolearret it kontrôlepaniel werjûn yn figuer 14 de wurking fan trije shuntlokomotiven. As it nedich is, mei dizze ôfstânsbetsjinning kinne jo ien fan 'e ferbûne lokomotiven kontrolearje troch ynformaasje yn echte tiid te ferstjoeren (fertraging net mear as 300 ms, rekken hâldend mei gegevensferfier fia radiokanaal).
Funksjonele feiligensproblemen
It wichtichste probleem by it yntrodusearjen fan ûnbemanne lokomotiven is it probleem fan funksjonele feiligens, definieare troch de noarmen IEC 61508 "Funksjonele feiligens fan elektryske, elektroanyske, programmabele elektroanyske systemen relatearre oan feiligens" (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 "Apparaten" foar kontrôle, monitoaring en feiligens fan spoarferfiermateriaal".
Yn oerienstimming mei de easken foar feiligensapparaten oan board, moat feiligensyntegriteitsnivo 4 (SIL4) wurde berikt.
Om te foldwaan oan it SIL-4-nivo, wurde alle besteande lokomotyffeiligensapparaten boud mei mearderheidslogika, wêrby't berekkeningen parallel wurde útfierd yn twa kanalen (of mear) en de resultaten wurde fergelike om in beslút te meitsjen.
Computing ienheid foar it ferwurkjen fan gegevens fan sensoren op ûnbemanne shunting lokomotiven wurdt ek boud mei help fan in twa-kanaal skema mei in ferliking fan it úteinlike resultaat.
It gebrûk fan fyzjesensors, operaasje yn ferskate waarsomstannichheden en yn ferskate omjouwings fereasket in nije oanpak foar it probleem fan it bewizen fan 'e feiligens fan ûnbemanne auto's.
Yn 2019, de ISO / PAS 21448-standert "Road vehicles. Feiligens fan definieare funksjes (SOTIF). Ien fan 'e haadprinsipes fan dizze standert is de senario-oanpak, dy't it gedrach fan it systeem ûndersiket yn ferskate omstannichheden. It totale oantal senario's stiet foar ûneinichheid. De wichtichste ûntwerpútdaging is om regio's 2 en 3 te minimalisearjen, dy't bekende ûnfeilige senario's en ûnbekende ûnfeilige senario's fertsjintwurdigje.
Figure 15 Transformaasje fan senario's as gefolch fan ûntwikkeling
As ûnderdiel fan 'e tapassing fan dizze oanpak analysearren spesjalisten fan JSC NIIAS alle opkommende situaasjes (senario's) sûnt it begjin fan operaasje yn 2017. Guon situaasjes dy't lestich binne te tsjinkomme yn echte operaasje wurde útwurke mei de PKB CT-simulator.
Regeljouwing Issues
Om wirklik folslein oer te skeakeljen nei folslein automatyske kontrôle sûnder de oanwêzigens fan in bestjoerder yn 'e lokomotyfkabine, is it ek nedich om regeljouwingsproblemen op te lossen.
Op it stuit, JSC Russian Railways hat goedkard in skema foar de útfiering fan wurk oan regeljouwing stipe foar de útfiering fan maatregels foar de útfiering fan kontrôle systemen foar spoar rôljend materieel yn automatyske modus. Ien fan 'e wichtichste problemen is it bywurkjen fan' e regeljouwing oer de proseduere foar offisjele ûndersyk en opname fan transportynsidinten dy't liede ta skea oan it libben of sûnens fan boargers dy't net relatearre binne oan produksje yn spoarferfier. Yn oerienstimming mei dit plan soe yn 2021 in pakket dokuminten moatte wurde ûntwikkele en goedkard dy't de wurking fan ûnbemanne spoarweinen regelje.
Nei wurd
Op it stuit binne d'r gjin analogen yn 'e wrâld fan ûnbemanne lokomotiven dy't op it Luzhskaya-stasjon eksploitearje. Spesjalisten út Frankryk (SNCF-bedriuw), Dútslân, Hollân (Prorail-bedriuw), Belgje (Lineas-bedriuw) waarden bekend mei it ûntwikkele kontrôlesysteem yn 2018-2019 en binne ynteressearre yn it ymplementearjen fan ferlykbere systemen. Ien fan 'e wichtichste taken fan JSC NIIAS is om de funksjonaliteit út te wreidzjen en it makke behearsysteem te replikearjen sawol op Russyske spoaren as foar bûtenlânske bedriuwen.
Op it stuit liedt JSC Russian Railways ek in projekt foar it ûntwikkeljen fan ûnbemanne elektryske treinen "Lastochka". Ofbylding 16 toant in demonstraasje fan it prototype automatyske kontrôlesysteem foar de elektryske trein ES2G Lastochka yn augustus 2019 binnen it ramt. International Railway Salon romte 1520 "PRO//Movement.Expo".
figuer 16. Demonstraasje fan de wurking fan in ûnbemanne elektryske trein op de MCC
It oanmeitsjen fan in ûnbemanne elektryske trein is in folle dreger taak fanwege hege snelheden, signifikante remôfstannen, en it garandearjen fan feilige yn-/ôfstappen fan passazjiers by stoppunten. Op it stuit wurdt testen aktyf oan 'e gong by it MCC. In ferhaal oer dit projekt is pland om yn de heine takomst te publisearjen.
Boarne: www.habr.com