Pengembangan teknologi tak berawak di perkeretaapian dimulai cukup lama, pada tahun 1957, ketika kompleks autopilot eksperimental pertama untuk kereta pinggiran kota dibuat. Untuk memahami perbedaan antara tingkat otomatisasi transportasi kereta api, gradasi diperkenalkan, yang ditentukan dalam standar IEC-62290-1. Tidak seperti angkutan jalan raya, angkutan kereta api memiliki 4 derajat otomatisasi, ditunjukkan pada Gambar 1.
Gambar 1. Derajat otomasi menurut IEC-62290
Hampir semua kereta yang beroperasi di jaringan Kereta Api Rusia dilengkapi dengan alat pengaman yang sesuai dengan otomatisasi level 1. Kereta dengan otomatisasi level 2 telah berhasil dioperasikan di jaringan kereta api Rusia selama lebih dari 20 tahun, dilengkapi beberapa ribu lokomotif. Level ini diterapkan oleh kontrol traksi dan algoritme pengereman untuk panduan kereta optimal energi di sepanjang rute tertentu, dengan mempertimbangkan jadwal dan indikasi sistem pensinyalan lokomotif otomatis yang diterima melalui saluran induktif dari sirkuit trek. Penggunaan level 2 mengurangi kelelahan pengemudi dan memberikan keuntungan dalam konsumsi energi dan ketepatan dalam pelaksanaan jadwal lalu lintas.
Level 3 mengasumsikan kemungkinan tidak adanya pengemudi di dalam kabin, yang membutuhkan penerapan sistem penglihatan.
Level 4 menyiratkan tidak adanya pengemudi sama sekali, yang membutuhkan perubahan signifikan dalam desain lokomotif (kereta listrik). Misalnya, sakelar otomatis dipasang di papan, yang tidak dapat dimiringkan lagi jika dipicu tanpa kehadiran orang di dalamnya.
Saat ini, proyek untuk mencapai level 3 dan 4 sedang dilaksanakan oleh perusahaan terkemuka dunia, seperti Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB, dan lainnya.
Siemens mempresentasikan proyeknya di bidang trem tanpa awak pada September 2018 di pameran Innotrans. Trem ini telah beroperasi di Potsdam dengan tingkat otomasi GoA3 sejak 2018.
Gambar 2 Trem Siemens
Pada 2019, Siemens melipatgandakan panjang rute tak berawaknya.
Kereta Api Rusia adalah salah satu perusahaan pertama di dunia yang mulai mengembangkan kendaraan kereta api tak berawak. Maka, pada tahun 2015, di stasiun Luzhskaya, sebuah proyek diluncurkan untuk mengotomatisasi pergerakan 3 lokomotif shunting, di mana NIIAS JSC bertindak sebagai integrator proyek dan pengembang teknologi dasar.
Pembuatan lokomotif tak berawak adalah proses rumit yang rumit yang tidak mungkin dilakukan tanpa kerja sama dengan perusahaan lain. Oleh karena itu, di stasiun Luzhskaya, bersama dengan JSC NIIAS, perusahaan seperti:
- JSC "VNIKTI" dalam hal pengembangan sistem kontrol onboard;
- Siemens - dalam hal mengotomatiskan pengoperasian marshalling yard (sistem MSR-32) dan mengotomatiskan pengoperasian mobil dorong;
- JSC "Radioavionika" dalam hal sistem interlocking mikroprosesor yang mengontrol panah, lampu lalu lintas;
- PKB TsT - pembuatan simulator;
- Kereta Api Rusia sebagai koordinator proyek.
Pada tahap pertama, tugasnya adalah mencapai otomatisasi lalu lintas level 2, ketika pengemudi, dalam kondisi normal untuk mengatur pekerjaan shunting, tidak menggunakan kontrol lokomotif.
Selama pengoperasian lokomotif shunting konvensional, pengendalian lalu lintas dilakukan dengan mengirimkan perintah suara dari dispatcher ke pengemudi dengan mengatur rute yang sesuai (memutar panah, menyalakan lampu lalu lintas).
Saat beralih ke otomatisasi level 2, semua komunikasi suara digantikan oleh sistem perintah yang dikirimkan melalui saluran radio aman digital. Secara teknis, pengelolaan lokomotif shunting di stasiun Luzhskaya dibangun atas dasar:
- model stasiun digital terpadu;
- protokol untuk mengontrol pergerakan lokomotif shunting (untuk mengirim perintah dan memantau pelaksanaannya);
- interaksi dengan sistem interlocking listrik untuk mendapatkan informasi tentang rute yang ditentukan, posisi panah dan sinyal;
- sistem penentuan posisi untuk lokomotif shunting;
- radio digital yang handal.
Pada tahun 2017, 3 lokomotif shunting TEM-7A beroperasi 95% dari waktu di stasiun Luzhskaya dalam mode otomatis penuh, melakukan operasi berikut:
- Pergerakan otomatis di sepanjang rute tertentu;
- Akses otomatis ke gerbong;
- Kopling otomatis dengan gerbong;
- Mendorong gerobak ke halaman marshalling.
Pada tahun 2017, sebuah proyek diluncurkan untuk membuat sistem penglihatan untuk lokomotif shunting dan memperkenalkan kendali jarak jauh jika terjadi keadaan darurat.
Pada November 2017, spesialis JSC NIIAS memasang prototipe pertama sistem penglihatan untuk lokomotif shunting, yang terdiri dari radar, lidar, dan kamera (Gambar 3).
Gambar 3 Versi pertama dari sistem visi
Selama pengujian di stasiun sistem visi Luga pada 2017-2018, kesimpulan berikut dibuat:
- Penggunaan radar untuk mendeteksi rintangan tidak praktis, karena rel kereta api memiliki sejumlah besar benda logam dengan daya pantul yang baik. Jangkauan deteksi orang dengan latar belakang mereka tidak melebihi 60-70 meter, selain itu, radar memiliki resolusi sudut yang tidak memadai dan sekitar 1 Β°. Temuan kami kemudian dikonfirmasi oleh hasil tes rekan dari SNCF (operator kereta api Perancis).
- Lidar memberikan hasil yang sangat bagus dengan noise minimal. Dalam kasus hujan salju, hujan, kabut, ada penurunan yang tidak kritis dalam jangkauan deteksi objek. Namun, pada tahun 2017 harga lidar cukup mahal, yang secara signifikan mempengaruhi kinerja ekonomi proyek.
- Kamera adalah elemen tak terpisahkan dari sistem penglihatan teknis dan diperlukan untuk tugas deteksi, klasifikasi objek, dan kendali jarak jauh. Untuk pengoperasian di malam hari dan kondisi cuaca yang sulit, perlu memiliki kamera infra merah atau kamera dengan rentang panjang gelombang yang diperpanjang yang mampu beroperasi dalam rentang infra merah dekat.
Tugas utama penglihatan teknis adalah mendeteksi rintangan dan objek lain ke arah perjalanan, dan karena pergerakan dilakukan di sepanjang lintasan, maka perlu untuk mendeteksinya.
Gambar 4. Contoh segmentasi multi kelas (track, wagon) dan penentuan sumbu track menggunakan binary mask
Gambar 4 menunjukkan contoh deteksi jejak. Untuk menentukan rute pergerakan di sepanjang panah dengan jelas, informasi apriori digunakan tentang posisi panah, pembacaan lampu lalu lintas, yang ditransmisikan melalui saluran radio digital dari sistem interlocking listrik. Saat ini, perkeretaapian dunia sedang tren untuk meninggalkan lampu lalu lintas dan beralih ke sistem kontrol melalui saluran radio digital. Hal ini terutama berlaku untuk lalu lintas berkecepatan tinggi, karena pada kecepatan lebih dari 200 km / jam menjadi sulit untuk melihat dan mengenali indikasi lampu lalu lintas. Di Rusia, ada dua bagian yang dioperasikan tanpa menggunakan lampu lalu lintas - ini adalah Moscow Central Ring dan jalur Alpika-Service - Adler.
Di musim dingin, situasi dapat muncul ketika trek benar-benar tertutup salju dan pengenalan trek menjadi hampir tidak mungkin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Contoh lintasan yang tertutup salju
Dalam hal ini, menjadi tidak jelas apakah benda yang terdeteksi mengganggu pergerakan lokomotif, yaitu sedang dalam perjalanan atau tidak. Di stasiun Luzhskaya, dalam hal ini, model digital stasiun dengan presisi tinggi dan sistem navigasi onboard presisi tinggi digunakan.
Selain itu, model digital stasiun dibuat berdasarkan pengukuran geodetik titik dasar. Kemudian, berdasarkan pemrosesan banyak lintasan lokomotif dengan sistem pemosisian presisi tinggi, sebuah peta diselesaikan di sepanjang rel.
Gambar 6 Model digital pengembangan jalur stasiun Luzhskoy
Salah satu parameter terpenting untuk sistem penentuan posisi onboard adalah kesalahan dalam menghitung orientasi (azimuth) lokomotif. Orientasi lokomotif diperlukan untuk orientasi yang benar dari sensor dan objek yang terdeteksi olehnya. Dengan kesalahan sudut orientasi 1Β°, kesalahan koordinat objek relatif terhadap sumbu lintasan pada jarak 100 meter akan menjadi 1,7 meter.
Gambar 7 Pengaruh kesalahan orientasi terhadap kesalahan koordinat transversal
Oleh karena itu, kesalahan maksimum yang diperbolehkan dalam mengukur orientasi lokomotif dalam hal sudut tidak boleh melebihi 0,1Β°. Sistem pemosisian onboard itu sendiri terdiri dari dua penerima navigasi frekuensi ganda dalam mode RTK, antena yang ditempatkan di sepanjang lokomotif untuk membuat alas yang panjang, sistem navigasi inersia strapdown dan koneksi ke sensor roda (odometer). Standar deviasi penentuan koordinat lokomotif shunting tidak lebih dari 5 cm.
Selain itu, penelitian dilakukan di stasiun Luzhskaya tentang penggunaan teknologi SLAM (lidar dan visual) untuk mendapatkan data posisi tambahan.
Hasilnya, penentuan alat ukur rel untuk lokomotif shunting di stasiun Luzhskaya dilakukan dengan menggabungkan hasil pengenalan alat ukur dan data model lintasan digital berdasarkan positioning.
Deteksi hambatan juga dilakukan dengan beberapa cara berdasarkan:
- data lidar;
- data penglihatan stereo;
- kerja jaringan saraf.
Salah satu sumber utama data adalah lidar, yang menghasilkan titik awan dari pemindaian laser. Dalam algoritme yang beroperasi, algoritme pengelompokan data klasik terutama digunakan. Sebagai bagian dari penelitian, efektivitas penggunaan jaringan saraf untuk tugas pengelompokan titik lidar, serta untuk pemrosesan gabungan data lidar dan data dari kamera video, diperiksa. Gambar 8 menunjukkan contoh data lidar (awan titik dengan reflektifitas berbeda) yang menunjukkan boneka manusia dengan latar belakang gerbong di stasiun Luzhskaya.
Gambar 8. Contoh data dari lidar di stasiun Luzhskaya
Gambar 9 menunjukkan contoh ekstraksi cluster dari mobil dengan bentuk kompleks menurut data dua lidar yang berbeda.
Gambar 9. Contoh interpretasi data lidar sebagai cluster dari mobil hopper
Secara terpisah, perlu dicatat bahwa baru-baru ini harga lidar telah turun hampir satu urutan besarnya, dan karakteristik teknisnya telah meningkat. Tidak ada keraguan bahwa tren ini akan terus berlanjut. Jangkauan pendeteksian objek oleh lidar yang digunakan di stasiun Luzhskaya adalah sekitar 150 meter.
Kamera stereo dengan prinsip fisik yang berbeda juga digunakan untuk mendeteksi rintangan.
Gambar 10. Disparity map dari stereopair dan cluster yang terdeteksi
Gambar 10 menunjukkan contoh data kamera stereo dengan pendeteksian tiang, waybox dan wagon.
Untuk mendapatkan akurasi titik awan yang cukup pada jarak yang cukup untuk pengereman, perlu menggunakan kamera beresolusi tinggi. Meningkatkan ukuran gambar meningkatkan biaya komputasi untuk mendapatkan peta disparitas. Karena kondisi yang diperlukan untuk sumber daya yang ditempati dan waktu respons sistem, perlu untuk terus mengembangkan dan menguji algoritme dan pendekatan untuk mengekstraksi data yang berguna dari kamera video.
Bagian dari pengujian dan verifikasi algoritme dilakukan dengan menggunakan simulator kereta api, yang sedang dikembangkan oleh Biro Desain TsT bersama dengan JSC NIIAS. Misalnya, Gambar 11 menunjukkan penggunaan simulator untuk menguji pengoperasian algoritme kamera stereo.
Gambar 11. A, B - bingkai kiri dan kanan dari simulator; B β tampilan atas rekonstruksi data dari kamera stereo; D - rekonstruksi gambar kamera stereo dari simulator.
Tugas utama jaringan saraf adalah mendeteksi orang, gerbong, dan klasifikasinya.
Untuk bekerja dalam kondisi cuaca buruk, spesialis JSC NIIAS juga melakukan pengujian menggunakan kamera infra merah.
Gambar 12. Data dari kamera IR
Data dari semua sensor diintegrasikan berdasarkan algoritma asosiasi, dimana kemungkinan adanya hambatan (objek) diperkirakan.
Selain itu, tidak semua benda yang menghalangi jalan, saat melakukan operasi shunting, lokomotif harus secara otomatis berpasangan dengan gerbong.
Gambar 13. Contoh visualisasi pintu masuk mobil dengan pendeteksian hambatan oleh berbagai sensor
Saat mengoperasikan lokomotif shunting tak berawak, sangat penting untuk segera memahami apa yang terjadi dengan peralatan, dalam kondisi apa. Ada juga situasi ketika binatang seperti anjing muncul di depan lokomotif. Algoritme on-board akan menghentikan lokomotif secara otomatis, tetapi apa yang harus dilakukan selanjutnya jika anjing tidak menyingkir?
Untuk mengontrol situasi di atas kapal dan membuat keputusan jika terjadi situasi darurat, remote control stasioner dan panel kontrol telah dikembangkan, dirancang untuk bekerja dengan semua lokomotif tak berawak di stasiun. Di stasiun Luzhskaya, terletak di pos EC.
Gambar 14 Kontrol dan manajemen jarak jauh
Di stasiun Luzhskoy, panel kontrol yang ditunjukkan pada Gambar 14 mengontrol pengoperasian tiga lokomotif shunting. Jika perlu, dengan remote control ini, Anda dapat mengontrol salah satu lokomotif yang terhubung dengan mengirimkan informasi secara real time (penundaan tidak lebih dari 300 ms, dengan memperhitungkan transmisi data melalui saluran radio).
Masalah keamanan fungsional
Masalah terpenting dalam penerapan lokomotif tak berawak adalah masalah keselamatan fungsional, yang ditentukan oleh standar IEC 61508 "Keselamatan fungsional sistem elektronik listrik, elektronik, yang dapat diprogram terkait dengan keselamatan" (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 "Perangkat kontrol, pemantauan, dan keselamatan sarana perkeretaapian".
Safety Integrity Level 4 (SIL4) diperlukan untuk memenuhi persyaratan perangkat keselamatan di dalam pesawat.
Untuk memenuhi tingkat SIL-4, semua perangkat keselamatan lokomotif yang ada dibangun sesuai dengan logika mayoritas, dimana perhitungan dilakukan secara paralel di dua saluran (atau lebih) dengan perbandingan hasil untuk mengambil keputusan.
Unit komputasi untuk memproses data dari sensor pada lokomotif shunting tak berawak juga dibangun menurut skema dua saluran dengan perbandingan hasil akhir.
Penggunaan sensor penglihatan, bekerja dalam berbagai kondisi cuaca dan lingkungan yang berbeda memerlukan pendekatan baru untuk masalah pembuktian keamanan kendaraan tak berawak.
Pada tahun 2019, standar ISO/PAS 21448 βKendaraan jalan. Keamanan Fungsi Tertentu (SOTIF). Salah satu prinsip utama standar ini adalah pendekatan skenario, yang mempertimbangkan perilaku sistem dalam berbagai keadaan. Jumlah total skenario tidak terbatas. Tujuan desain utama adalah untuk meminimalkan area 2 dan 3 yang mewakili skenario tidak aman yang diketahui dan skenario tidak aman yang tidak diketahui.
Gambar 15 Transformasi skrip sebagai hasil pengembangan
Sebagai bagian dari penerapan pendekatan ini, spesialis JSC NIIAS menganalisis semua situasi (skenario) yang muncul sejak awal operasi pada tahun 2017. Beberapa situasi yang sulit dipenuhi dalam operasi nyata dapat diselesaikan dengan menggunakan simulator PKB TsT.
Masalah Regulasi
Masalah regulasi juga harus diatasi agar benar-benar beralih ke kontrol otomatis penuh tanpa kehadiran pengemudi di dalam kabin lokomotif.
Saat ini, Perkeretaapian Rusia telah menyetujui jadwal pelaksanaan pekerjaan pada dukungan peraturan untuk penerapan langkah-langkah untuk memperkenalkan sistem kontrol otomatis untuk sarana perkeretaapian. Salah satu isu terpenting adalah pemutakhiran Peraturan tentang tata cara penyelidikan internal dan penghitungan kecelakaan transportasi yang menyebabkan kerugian bagi kehidupan atau kesehatan warga negara yang tidak terkait dengan produksi di angkutan kereta api. Sesuai dengan rencana ini, pada tahun 2021 paket dokumen yang mengatur pengoperasian kendaraan kereta api tak berawak harus dikembangkan dan disetujui.
penutup
Saat ini, tidak ada analog lokomotif shunting tak berawak di dunia, yang dioperasikan di stasiun Luzhskaya. Spesialis dari Prancis (perusahaan SNCF), Jerman, Belanda (perusahaan Prorail), Belgia (perusahaan Lineas) berkenalan dengan sistem kontrol yang dikembangkan pada 2018-2019 dan tertarik untuk mengimplementasikan sistem tersebut. Salah satu tugas utama JSC NIIAS adalah memperluas fungsionalitas dan mereplikasi sistem manajemen yang dibuat baik di perkeretaapian Rusia maupun untuk perusahaan asing.
Saat ini, Kereta Api Rusia juga memimpin proyek pengembangan kereta listrik tak berawak Lastochka. Gambar 16 menunjukkan demonstrasi prototipe sistem kontrol otomatis untuk kereta listrik ES2G Lastochka pada Agustus 2019 dalam kerangka kerja. Salon Kereta Api Internasional Luar Angkasa 1520 "PRO//Dvizhenie.Expo".
Gambar 16. Demonstrasi pengoperasian KRL tanpa awak di PKS
Membuat kereta listrik tanpa awak adalah tugas yang jauh lebih sulit karena kecepatan tinggi, jarak pengereman yang signifikan, dan memastikan penumpang naik / turun dengan aman di titik perhentian. Saat ini, tes sedang aktif dilakukan di PKS. Sebuah cerita tentang proyek ini rencananya akan diterbitkan dalam waktu dekat.
Sumber: www.habr.com