A pilóta nélküli technológiák fejlesztése a vasúton meglehetősen régen, már 1957-ben elkezdődött, amikor megalkották az első kísérleti automatizált irányítási rendszert az elővárosi vonatok számára. A vasúti szállítás automatizálási szintjei közötti különbségek megértése érdekében bevezették az IEC-62290-1 szabványban meghatározott fokozatot. A közúti szállítástól eltérően a vasúti közlekedés 4 automatizáltsági fokozatú, az 1. ábrán látható.
1. ábra. Automatizálási fokozatok az IEC-62290 szerint
Az Orosz Vasutak hálózatán közlekedő vonatok szinte mindegyike fel van szerelve az 1. automatizálási szintnek megfelelő biztonsági berendezéssel. Az orosz vasúthálózaton több mint 2 éve sikeresen közlekednek a 20. automatizálási szintű vonatok, több ezer mozdony van felszerelve. Ezt a szintet kipörgésgátló és fékezési algoritmusok segítségével valósítják meg a vonat energiaoptimális vezetésére egy adott útvonalon, figyelembe véve a sínáramköröktől induktív csatornán keresztül érkező automatikus mozdonyjelző rendszerek menetrendjét és leolvasásait. A 2-es szint használata csökkenti a vezető fáradtságát, és előnyöket biztosít az energiafogyasztás és az ütemterv végrehajtásának pontosságában.
A 3. szint feltételezi a vezető esetleges hiányát a vezetőfülkében, amihez műszaki látórendszer megvalósítása szükséges.
A 4. szint feltételezi a mozdonyvezető teljes hiányát a fedélzeten, ami a mozdony (villanyvonat) kialakításának jelentős változtatását igényli. Például vannak a fedélzeten megszakítók, amelyek nem kapcsolódnak vissza, ha valaki nem tartózkodik a fedélzeten.
Jelenleg a 3. és 4. szint elérését célzó projekteket hajtanak végre a világ vezető vállalatai, mint például a Siemens, az Alstom, a Thales, az SNCF, az SBB és mások.
A Siemens 2018 szeptemberében az Innotrans kiállításon mutatta be projektjét a vezető nélküli villamosok területén. Ez a villamos 3 óta üzemel Potsdamban GoA2018 automatizálási szinttel.
2. ábra Siemens villamos
2019-ben a Siemens több mint kétszeresére növelte a pilóta nélküli útvonal hosszát.
Az Orosz Vasutak a világon az elsők között kezdett pilóta nélküli vasúti járművek fejlesztésébe. Így 2015-ben a Luzsszkaja állomáson projekt indult 3 tolatómozdony mozgásának automatizálására, ahol a NIIAS JSC a projekt integrátoraként és az alapvető technológiák fejlesztőjeként működött.
A pilóta nélküli mozdony létrehozása összetett, összetett folyamat, amely lehetetlen más cégekkel való együttműködés nélkül. Ezért a Luzhskaya állomáson a JSC NIIAS-szal együtt a következő cégek vesznek részt:
- JSC "VNIKTI" a fedélzeti vezérlőrendszer fejlesztése szempontjából;
- Siemens – a púpos működés automatizálása (MSR-32 rendszer) és a tolókocsik működésének automatizálása tekintetében;
- JSC Radioavionics a mikroprocesszoros központosítási rendszerek tekintetében, amelyek kapcsolókat és közlekedési lámpákat vezérelnek;
- PKB CT – szimulátor létrehozása;
- A JSC Orosz Vasutak projektkoordinátorként.
Az első szakaszban a 2. forgalomautomatizálási szint elérése volt a feladat, amikor a mozdonyvezető normál tolatási munkaszervezési körülmények között nem használja a mozdonyvezérlést.
Hagyományos tolatómozdonyok üzemeltetésekor a forgalomirányítás úgy történik, hogy a diszpécser hangutasításait továbbítja a mozdonyvezetőnek a megfelelő útvonalak beállításával (váltók mozgatása, jelzőlámpák bekapcsolása).
A 2. szintű automatizálásra való áttéréskor minden beszédkommunikációt egy digitális biztonságos rádiócsatornán továbbított parancsrendszer váltott fel. Technikailag a tolatómozdonyok vezérlése a Luzsszkaja állomáson a következők alapján épült fel:
- az állomás egységes digitális modellje;
- tolatómozdonyok mozgásának vezérlésére szolgáló protokoll (parancsok küldésére és a végrehajtás ellenőrzésére);
- interakció az elektromos központosítási rendszerrel, hogy információt szerezzen az adott útvonalakról, a nyilak és jelzések helyzetéről;
- Helymeghatározó rendszerek tolatómozdonyokhoz;
- megbízható digitális rádiókommunikáció.
2017-re 3 TEM-7A tolatómozdony az idő 95%-ában teljesen automata üzemmódban dolgozott a Luzsszkaja állomáson, és a következő műveleteket végezte:
- Automatikus mozgás egy adott útvonalon;
- Automatikus hozzáférés az autókhoz;
- Automatikus összekapcsolás kocsikkal;
- Autókat tolni a púpra.
2017-ben projekt indult a tolatómozdonyok műszaki látásrendszerének létrehozására és a vészhelyzetek esetére történő távirányítás bevezetésére.
2017 novemberében a JSC NIIAS szakemberei a tolatómozdonyokra telepítették a műszaki látórendszer első prototípusát, amely radarokból, lidarokból és kamerákból áll (3. ábra).
3. ábra A műszaki látásrendszerek első változatai
A műszaki látórendszer Luga állomásán 2017-2018-ban végzett tesztek során a következő következtetéseket vontuk le:
- A radarok alkalmazása az akadályok észlelésére nem praktikus, mivel a vasúton jelentős számú jó fényvisszaverő képességű fémtárgy található. Az emberek észlelési tartománya a háttérben nem haladja meg a 60-70 métert, ráadásul a radarok szögfelbontása nem megfelelő, és körülbelül 1°. Eredményeinket ezt követően az SNCF (a francia vasúttársaság) kollégáitól származó teszteredmények is megerősítették.
- A Lidarok nagyon jó eredményeket biztosítanak minimális zaj mellett. Havazás, eső vagy köd esetén a tárgyak észlelési tartományának nem kritikus csökkenése figyelhető meg. 2017-ben azonban a lidarok meglehetősen drágák voltak, ami jelentősen befolyásolta a projekt gazdasági teljesítményét.
- A kamerák a műszaki látórendszer elengedhetetlen elemei, és szükségesek az észleléshez, az objektumok osztályozásához és a távirányítási feladatokhoz. Az éjszakai és nehéz időjárási körülmények közötti munkavégzéshez infravörös kamerák vagy kiterjesztett hullámhossz-tartományú kamerák szükségesek, amelyek a közeli infravörös tartományban működnek.
A műszaki látás fő feladata az akadályok és egyéb tárgyak észlelése az út mentén, és mivel a mozgás pálya mentén történik, ennek észlelése szükséges.
4. ábra Példa több osztályos szegmentálásra (pálya, autók) és a pályatengely meghatározására bináris maszk segítségével
A 4. ábra egy példát mutat be a nyomkövetés kimutatására. A nyilak mentén történő mozgás útvonalának egyértelmű meghatározása érdekében előzetes információkat használnak a nyíl helyzetéről és a közlekedési lámpák leolvasásáról, amelyet digitális rádiócsatornán keresztül továbbítanak az elektromos központosítási rendszerből. Jelenleg a világ vasutain az a tendencia, hogy elhagyják a közlekedési lámpákat, és digitális rádiócsatornán keresztül irányítják a rendszert. Ez különösen igaz a nagysebességű közlekedésre, mivel 200 km/h feletti sebességnél nehéz észrevenni és felismerni a közlekedési lámpákat. Oroszországban két szakaszt üzemeltetnek közlekedési lámpák nélkül - a moszkvai központi kört és az Alpika-Service - Adler vonalat.
Télen előfordulhatnak olyan helyzetek, amikor a pálya teljesen hótakaró alá kerül, és a pálya felismerése szinte lehetetlenné válik, ahogy az 5. ábrán látható.
5. ábra Példa egy hóval borított pályára
Ilyenkor tisztázatlanná válik, hogy az észlelt tárgyak zavarják-e a mozdony mozgását, vagyis a pályán vannak-e vagy sem. Ebben az esetben a Luzhskaya állomáson az állomás nagy pontosságú digitális modelljét és egy nagy pontosságú fedélzeti navigációs rendszert használnak.
Sőt, az állomás digitális modellje alappontok geodéziai mérései alapján készült. Ezután sok mozdonyút nagypontosságú helymeghatározó rendszerrel történő feldolgozása alapján minden vágány mentén elkészült a térkép.
6. ábra Luzsszkoj állomás vágányfejlesztésének digitális modellje
A fedélzeti helymeghatározó rendszer egyik legfontosabb paramétere a mozdony tájolásának (azimutjának) kiszámításának hibája. A mozdony tájolása szükséges az érzékelők és az általuk észlelt tárgyak helyes tájolásához. 1°-os tájolási szöghibánál az objektum koordinátáinak hibája a pályatengelyhez viszonyítva 100 méteres távolságban 1,7 méter.
7. ábra A tájolási hiba hatása az oldalsó koordináta hibára
Ezért a mozdony szögirányának mérésénél a megengedett legnagyobb hiba nem haladhatja meg a 0,1°-ot. Maga a fedélzeti helymeghatározó rendszer két kétfrekvenciás, RTK módban működő navigációs vevőből áll, amelyek antennái a mozdony teljes hosszában elhelyezve hosszú alapot hoznak létre, lecsatolt inerciális navigációs rendszert és kerékérzékelőkkel (kilométerszámlálókkal) való kapcsolatot. A tolatómozdony koordinátáinak meghatározásánál a szórás legfeljebb 5 cm.
Ezenkívül a Luzsszkaja állomáson kutatást végeztek a SLAM technológiák (lidar és vizuális) használatával kapcsolatban további helyadatok megszerzésére.
Ennek eredményeként a Luzsszkaja állomáson a tolatómozdonyok vasúti vágányának meghatározása a vágányfelismerés és a helymeghatározáson alapuló digitális pályamodell adatok egyesítésével történik.
Az akadályérzékelést többféleképpen is végrehajtják a következők alapján:
- lidar adatok;
- sztereó látási adatok;
- neurális hálózatok működése.
Az egyik fő adatforrás a lidarok, amelyek lézeres szkennelésből pontfelhőt állítanak elő. A használatban lévő algoritmusok túlnyomórészt klasszikus adatklaszterezési algoritmusokat használnak. A kutatás részeként tesztelik a neurális hálózatok felhasználásának hatékonyságát a lidar pontok klaszterezésére, valamint a lidar adatok és a videokamerák adatainak együttes feldolgozására. A 8. ábra egy példát mutat lidar adatokra (különböző reflexiós pontok felhője), amely egy személy próbababaját jeleníti meg egy kocsi hátterében a Luzsszkaja állomáson.
8. ábra Példa a lidar adatokra a Luzsszkoj állomáson
A 9. ábra egy példát mutat be egy komplex formájú autóból két különböző lidar adataiból származó klaszter azonosítására.
9. ábra Példa a lidar adatok értelmezésére garatkocsiból származó klaszter formájában
Külön érdemes megjegyezni, hogy a közelmúltban a lidarok költsége csaknem egy nagyságrenddel csökkent, és műszaki jellemzőik nőttek. Kétségtelen, hogy ez a tendencia folytatódni fog. A Luzsszkaja állomáson használt lidarok objektumok észlelési tartománya körülbelül 150 méter.
Az akadályok észlelésére más fizikai elven működő sztereó kamerát is használnak.
10. ábra Egy sztereó pár és az észlelt klaszterek eltéréseinek térképe
A 10. ábra sztereó kameraadatokra mutat példát oszlopok, nyomtávtartó dobozok és autó észlelésével.
A pontfelhő megfelelő pontosságának elérése érdekében a fékezéshez elegendő távolságban nagy felbontású kamerák használata szükséges. A képméret növelése növeli az eltérési térkép megszerzésének számítási költségét. Az elfoglalt erőforrásokhoz és a rendszer válaszidejéhez szükséges feltételek miatt szükséges a videokamerákból hasznos adatok kinyerésére szolgáló algoritmusok és megközelítések folyamatos fejlesztése és tesztelése.
Az algoritmusok tesztelésének és ellenőrzésének egy része vasúti szimulátorral történik, amelyet a PKB TsT a JSC NIIAS-szal közösen fejleszt. Például a 11. ábra egy szimulátor használatát mutatja be a sztereó kameraalgoritmusok teljesítményének tesztelésére.
11. ábra A, B - bal és jobb képkocka a szimulátorból; B – sztereó kamerából származó adatok rekonstrukciójának felülnézete; D - sztereó kameraképek rekonstrukciója a szimulátorból.
A neurális hálózatok fő feladata az emberek, autók és azok osztályozásának észlelése.
A zord időjárási körülmények között végzett munka érdekében a JSC NIIAS szakemberei infravörös kamerákkal is végeztek teszteket.
12. ábra IR kamera adatai
Az összes érzékelő adatait asszociációs algoritmusok alapján integrálják, ahol az akadályok (objektumok) létezésének valószínűségét értékelik.
Ráadásul a pályán nem minden tárgy akadály, tolatási műveletek végzése során a mozdonynak automatikusan kapcsolódnia kell a kocsikhoz.
13. ábra Példa egy autó megközelítésének megjelenítésére különböző érzékelők általi akadályérzékeléssel
Pilóta nélküli tolatómozdonyok üzemeltetésekor rendkívül fontos, hogy gyorsan megértsük, mi történik a berendezéssel és milyen állapotban van. Olyan helyzetek is előfordulhatnak, amikor egy állat, például egy kutya jelenik meg a mozdony előtt. A fedélzeti algoritmusok automatikusan leállítják a mozdonyt, de mi a teendő, ha a kutya nem mozdul el az útból?
A fedélzeti helyzet figyelemmel kísérésére és vészhelyzetek esetén történő döntéshozatalra egy helyhez kötött távirányítót és felügyeleti panelt fejlesztettek ki, amelyet úgy terveztek, hogy az állomáson lévő összes pilóta nélküli mozdonynál működjön. A Luzsszkaja állomáson az EK-postán található.
14. ábra Távirányító és felügyelet
A Luzsszkoj állomáson a 14. ábrán látható vezérlőpult három tolatómozdony működését irányítja. Ha szükséges, ezzel a távirányítóval a csatlakoztatott mozdonyok egyikét vezérelheti valós idejű információk továbbításával (késés legfeljebb 300 ms, figyelembe véve a rádiócsatornán keresztüli adatátvitelt).
Funkcionális biztonsági kérdések
A pilóta nélküli mozdonyok bevezetésekor a legfontosabb kérdés a funkcionális biztonság kérdése, amelyet az IEC 61508 „Elektromos, elektronikus, programozható elektronikus rendszerek biztonsággal kapcsolatos funkcionális biztonsága” (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 „Eszközök” szabványok határoznak meg. a vasúti gördülőállomány ellenőrzésére, felügyeletére és biztonságára”.
A fedélzeti biztonsági berendezésekre vonatkozó követelményeknek megfelelően a 4-es biztonsági integritási szintet (SIL4) kell elérni.
A SIL-4 szintnek való megfelelés érdekében az összes létező mozdonybiztonsági berendezés többségi logikával épül fel, ahol két (vagy több) csatornán párhuzamosan végeznek számításokat, és az eredményeket összehasonlítják a döntéshez.
A pilóta nélküli tolatómozdonyok érzékelőiből származó adatok feldolgozására szolgáló számítási egység szintén kétcsatornás sémával épül fel, a végeredmény összehasonlításával.
A látásérzékelők használata, a különböző időjárási körülmények között és különböző környezetben történő működés új megközelítést igényel a pilóta nélküli járművek biztonságának bizonyítása terén.
2019-ben az ISO/PAS 21448 szabvány „Közúti járművek. Meghatározott funkciók biztonsága (SOTIF). Ennek a szabványnak az egyik fő alapelve a forgatókönyv-megközelítés, amely a rendszer viselkedését vizsgálja különféle körülmények között. A forgatókönyvek teljes száma a végtelent jelenti. A fő tervezési kihívás a 2. és 3. régió minimalizálása, amelyek ismert nem biztonságos forgatókönyveket és ismeretlen nem biztonságos forgatókönyveket jelentenek.
15. ábra Szcenáriók átalakulása a fejlesztés eredményeként
E megközelítés alkalmazásának részeként a JSC NIIAS szakemberei minden felmerülő helyzetet (forgatókönyvet) elemeztek a működés 2017-es kezdete óta. Egyes helyzeteket, amelyekkel valós működésben nehéz szembesülni, a PKB CT szimulátor segítségével dolgozunk ki.
Szabályozási kérdések
Ahhoz, hogy valóban teljesen átválthassunk a teljesen automatikus vezérlésre anélkül, hogy a mozdonyvezető jelenléte lenne a mozdonykabinban, a szabályozási kérdéseket is meg kell oldani.
Jelenleg a JSC Russian Railways jóváhagyta a vasúti gördülőállomány vezérlőrendszereinek automatikus üzemmódban történő végrehajtására vonatkozó intézkedések végrehajtásának szabályozási támogatásával kapcsolatos munka végrehajtásának ütemezését. Az egyik legfontosabb kérdés a vasúti közlekedésben a termeléshez nem kapcsolódó állampolgárok élet- vagy egészségkárosodását okozó közlekedési események hatósági vizsgálatának és rögzítésének rendjéről szóló szabályzat aktualizálása. E tervnek megfelelően 2021-ben ki kell dolgozni és jóváhagyni a pilóta nélküli vasúti járművek üzemeltetését szabályozó dokumentumcsomagot.
utószó
Jelenleg a Luzsskaja állomáson üzemeltetett pilóta nélküli tolatómozdonyok világában nincsenek analógok. Franciaország (SNCF cég), Németország, Hollandia (Prorail cég), Belgium (Lineas cég) szakemberei 2018-2019-ben ismerkedtek meg a kifejlesztett vezérlőrendszerrel, és érdeklődnek hasonló rendszerek bevezetése iránt. A JSC NIIAS egyik fő feladata a funkcionalitás bővítése és a létrehozott irányítási rendszer replikálása mind az orosz vasutak, mind a külföldi vállalatok számára.
Jelenleg a JSC Russian Railways egy projektet is vezet a „Lastochka” pilóta nélküli elektromos vonatok fejlesztésére. A 16. ábra az ES2G Lastochka villanyvonat 2019 augusztusi automatikus vezérlőrendszerének prototípusának bemutatóját mutatja a kereten belül. Nemzetközi Vasúti Szalon tér 1520 "PRO//Movement.Expo".
16. ábra Pilóta nélküli villamos vonat működésének bemutatása az MCC-n
A pilóta nélküli villanyvonat létrehozása a nagy sebesség, a jelentős fékút, valamint a megállóhelyeken az utasok biztonságos fel-/leszállásának biztosítása miatt sokkal nehezebb feladat. Jelenleg a tesztelés aktívan zajlik az MCC-ben. A tervek szerint a közeljövőben megjelenik egy történet erről a projektről.
Forrás: will.com