Теміржолда ұшқышсыз технологияларды дамыту өте ұзақ уақыт бұрын, 1957 жылы, қала маңындағы пойыздарға арналған алғашқы тәжірибелік автопилот кешені құрылған кезде басталды. Темір жол көлігін автоматтандыру деңгейлерінің арасындағы айырмашылықты түсіну үшін IEC-62290-1 стандартында анықталған градация енгізілген. Темір жол көлігінің автомобиль көлігінен айырмашылығы 4-суретте көрсетілген автоматтандырудың 1 дәрежесі бар.
Сурет 1. IEC-62290 бойынша автоматтандыру дәрежелері
Ресей темір жолдары желісінде жұмыс істейтін барлық дерлік пойыздар автоматтандырудың 1-деңгейіне сәйкес қауіпсіздік құрылғысымен жабдықталған. Автоматтандырудың 2-деңгейі бар пойыздар Ресей теміржол желісінде 20 жылдан астам табысты жұмыс істеп келеді, бірнеше мың локомотив жабдықталған. Бұл деңгей жол тізбегінен индуктивті арна арқылы қабылданған локомотив сигнализациясының автоматты жүйелерінің кестесі мен көрсеткіштерін ескере отырып, берілген бағыт бойынша энергия-оңтайлы пойыздарды бағыттау үшін тартымды басқару және тежеу алгоритмдері арқылы жүзеге асырылады. 2-деңгейді пайдалану жүргізушінің шаршауын азайтады және энергияны тұтынуды арттырады және қозғалыс кестесін орындаудағы дәлдік береді.
3-деңгей жүргізушінің кабинада мүмкін болмауын болжайды, бұл көру жүйесін енгізуді талап етеді.
4-деңгей локомотивтің (электр пойызының) құрылымын айтарлықтай өзгертуді талап ететін бортта машинисттің толық болмауын білдіреді. Мысалы, бортқа автоматты қосқыштар орнатылған, егер олар борттағы адамның қатысуынсыз іске қосылса, оларды қайтадан қосу мүмкін болмайды.
Қазіргі уақытта 3 және 4 деңгейге жету жобаларын Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB және т.б. сияқты әлемдік жетекші компаниялар жүзеге асыруда.
Siemens 2018 жылдың қыркүйегінде Innotrans көрмесінде ұшқышсыз трамвайлар саласындағы жобасын ұсынды. Бұл трамвай 3 жылдан бері GoA2018 автоматтандыру деңгейімен Потсдамда жұмыс істейді.
2-сурет Siemens трамвайы
2019 жылы Siemens ұшқышсыз жүру бағытының ұзақтығын екі еседен астам ұзартты.
«Ресей темір жолдары» - әлемдегі ұшқышсыз теміржол көлігін жасауды бастаған алғашқы компаниялардың бірі. Осылайша, 2015 жылы Лужская станциясында 3 маневрлік локомотивтің қозғалысын автоматтандыру жобасы іске қосылды, онда «НИИАС» АҚ жобалық интегратор және негізгі технологияларды әзірлеуші ретінде әрекет етті.
Ұшқышсыз локомотив жасау – басқа компаниялармен ынтымақтастықсыз мүмкін емес күрделі күрделі процесс. Сондықтан Лужская станциясында «НИИАС» АҚ-мен бірге келесі компаниялар қатысады:
- «ВНИКТИ» АҚ борттық басқару жүйесін дамыту бөлігінде;
- Siemens – сұрыптау алаңының жұмысын автоматтандыру (MSR-32 жүйесі) және итергіш вагондардың жұмысын автоматтандыру бөлігінде;
- «Радиоавионика» АҚ көрсеткілерді, бағдаршамдарды басқаратын микропроцессорлық блоктау жүйелері тұрғысынан;
- PKB TsT – симулятор құру;
- Жоба үйлестірушісі ретінде Ресей темір жолдары.
Бірінші кезеңде машинист маневрлік жұмыстарды ұйымдастырудың қалыпты жағдайында локомотив басқару құралдарын қолданбаған кезде қозғалысты автоматтандырудың 2 деңгейіне жету міндеті қойылды.
Кәдімгі маневрлік локомотивтерді пайдалану кезінде қозғалысты басқару диспетчерден машинистке тиісті маршруттарды белгілей отырып (көрсеткілерді бұру, бағдаршамдарды қосу) дауыстық командаларды беру арқылы жүзеге асырылады.
Автоматтандырудың 2-деңгейіне көшкен кезде барлық дауыстық байланыс цифрлық қауіпсіз радиоарна арқылы берілетін командалар жүйесімен ауыстырылды. Техникалық тұрғыдан Лужская станциясындағы маневрлік локомотивтерді басқару келесі негізде құрылды:
- бірыңғай цифрлық станция үлгісі;
- маневрлік локомотивтердің қозғалысын бақылау хаттамасы (командаларды жіберу және олардың орындалуын бақылау үшін);
- көрсетілген маршруттар, көрсеткілер мен сигналдардың орналасуы туралы ақпаратты алу үшін электрлік блоктау жүйесімен өзара әрекеттесу;
- маневрлік локомотивтердің позициялау жүйелері;
- сенімді сандық радио.
2017 жылға қарай Лужская станциясында 3 ТЭМ-7А маневрлік тепловозы келесі операцияларды орындай отырып, толық автоматты режимде уақыттың 95% жұмыс істеді:
- Берілген маршрут бойынша автоматты қозғалыс;
- Вагондарға автоматты түрде кіру;
- Вагондармен автоматты байланыстыру;
- Вагондарды іріктеу алаңына итермелеу.
2017 жылы маневрлік локомотивтердің көру жүйесін құру және апатты жағдайда қашықтықтан басқаруды енгізу жобасы іске қосылды.
2017 жылдың қараша айында «НИИАС» АҚ мамандары радарлардан, лидардан және камералардан тұратын маневрлік локомотивтерге арналған көру жүйесінің бірінші прототипін орнатты (3-сурет).
3-сурет Көру жүйелерінің алғашқы нұсқалары
2017-2018 жылдары Луга көру жүйесінің станциясындағы сынақтар кезінде келесі қорытындылар жасалды:
- Кедергілерді анықтау үшін радарларды пайдалану мүмкін емес, өйткені теміржолда жақсы шағылысу қабілеті бар көптеген металл объектілері бар. Адамдарды олардың фонында анықтау диапазоны 60-70 метрден аспайды, сонымен қатар радарлардың бұрыштық рұқсаты жеткіліксіз және шамамен 1 ° құрайды. Біздің тұжырымдарымыз кейіннен SNCF (француздық темір жол операторы) әріптестерінің сынақ нәтижелерімен расталды.
- Лидарлар аз шумен өте жақсы нәтиже береді. Қар, жаңбыр, тұман кезінде объектілерді анықтау диапазонында сыни емес төмендеу байқалады. Дегенмен, 2017 жылы лидарлар айтарлықтай қымбат болды, бұл жобаның экономикалық көрсеткіштеріне айтарлықтай әсер етті.
- Камералар техникалық көру жүйесінің таптырмас элементі болып табылады және анықтау, объектіні жіктеу және қашықтан басқару міндеттерін орындау үшін қажет. Түнгі уақытта және қиын ауа-райы жағдайында жұмыс істеу үшін жақын инфрақызыл диапазонда жұмыс істеуге қабілетті ұзартылған толқын ұзындығы диапазоны бар инфрақызыл камералар немесе камералар болуы керек.
Техникалық көрудің негізгі міндеті қозғалыс бағытында кедергілер мен басқа заттарды анықтау болып табылады, ал қозғалыс жол бойымен жүзеге асырылатындықтан, оны анықтау қажет.
Сурет 4. Көп класты сегментацияның мысалы (жол, вагондар) және екілік маска көмегімен жол осін анықтау
4-суретте жолды анықтаудың мысалы көрсетілген. Көрсеткілер бойынша қозғалыс бағытын бірмәнді анықтау үшін электр блоктау жүйесінен цифрлық радиоарна арқылы берілетін көрсеткі орны, бағдаршамдардың көрсеткіштері туралы априорлы ақпарат пайдаланылады. Қазіргі уақытта әлем темір жолдарында бағдаршамнан бас тартып, цифрлық радиоарна арқылы басқару жүйесіне көшу үрдісі байқалады. Бұл әсіресе жоғары жылдамдықтағы қозғалысқа қатысты, өйткені 200 км/сағ-тан асатын жылдамдықта бағдаршам белгілерін байқау және тану қиынға соғады. Ресейде бағдаршамды қолданбай жұмыс істейтін екі учаске бар - бұл Мәскеудің орталық сақинасы және Альпика-Сервис - Адлер желісі.
Қыста 5-суретте көрсетілгендей, жолды толығымен қар басып, жолды тану мүмкін болмайтын жағдайлар туындауы мүмкін.
5-сурет Қармен жабылған жолдың мысалы
Бұл жағдайда анықталған нысандар локомотивтің қозғалысына кедергі келтіре ме, яғни жолда келе ме, жоқ па, түсініксіз болады. Лужская станциясында бұл жағдайда станцияның жоғары дәлдіктегі цифрлық моделі және жоғары дәлдіктегі борттық навигация жүйесі қолданылады.
Оның үстіне базалық нүктелердің геодезиялық өлшемдері негізінде станцияның цифрлық моделі жасалды. Содан кейін локомотивтердің көптеген өткелдерін жоғары дәлдіктегі позициялау жүйесімен өңдеу негізінде барлық жолдар бойымен карта жасалды.
6-сурет Лужской станциясының жолды дамытудың цифрлық моделі
Борттық позициялау жүйесі үшін маңызды параметрлердің бірі локомотив бағдарын (азимутын) есептеудегі қателік болып табылады. Локомотивтің бағыты датчиктер мен олармен анықталған объектілердің дұрыс бағытталуы үшін қажет. Бағдарлау бұрышының қателігі 1° болғанда, 100 метр қашықтықтағы жол осіне қатысты объект координатының қателігі 1,7 метр болады.
7-сурет Бағдар қатесінің көлденең координат қатесіне әсері
Сондықтан локомотивтің бағдарын бұрыш бойынша өлшеудегі рұқсат етілген ең үлкен қателік 0,1°-тан аспауы керек. Борттық позициялау жүйесінің өзі RTK режиміндегі екі қос жиілікті навигациялық қабылдағыштардан тұрады, олардың антенналары ұзын негізді, белдік инерциялық навигация жүйесін және доңғалақ датчиктеріне (одометрлерге) қосылу үшін локомотивтің бүкіл ұзындығы бойынша орналасқан. Маневрлік локомотивтің координаталарын анықтаудың орташа квадраттық ауытқуы 5 см-ден аспайды.
Сонымен қатар, Лужская станциясында қосымша позиция деректерін алу үшін SLAM технологияларын (лидар және визуалды) пайдалану бойынша зерттеулер жүргізілді.
Нәтижесінде, Лужская станциясында маневрлік локомотивтерге арналған темір жол габаритті анықтау позициялау негізінде калибрді тану нәтижелері мен жолдың цифрлық моделінің деректерін біріктіру арқылы жүзеге асырылады.
Кедергілерді анықтау сонымен қатар бірнеше жолмен жүзеге асырылады:
- лидар деректері;
- стереокөру деректері;
- нейрондық желілердің жұмысы.
Деректердің негізгі көздерінің бірі - лазерлік сканерлеу нәтижесінде нүктелер бұлтын шығаратын лидарлар. Жұмыс істеп тұрған алгоритмдерде негізінен деректерді кластерлеудің классикалық алгоритмдері қолданылады. Зерттеу шеңберінде лидар нүктелерін кластерлеу тапсырмасы үшін, сондай-ақ лидар деректері мен бейнекамералар деректерін бірлесіп өңдеу үшін нейрондық желілерді пайдаланудың тиімділігі тексерілді. 8-суретте Лужская станциясындағы вагон фонында адам манежін көрсететін лидар деректерінің (әртүрлі шағылысу қабілеті бар нүктелер бұлты) мысалы келтірілген.
Сурет 8. Лужская станциясындағы лидардан алынған деректердің мысалы
9-суретте екі түрлі лидардың деректері бойынша күрделі пішінді автомобильден кластерді алу мысалы көрсетілген.
Сурет 9. Лидар деректерін бункер вагонындағы кластер ретінде түсіндірудің мысалы
Жақында лидарлардың құны шамамен шамадан тыс төмендегенін және олардың техникалық сипаттамаларының өскенін бөлек атап өткен жөн. Бұл үрдіс әлі де жалғасын табатынына күмән жоқ. Лужская станциясында қолданылатын лидарлардың объектілерді анықтау диапазоны шамамен 150 метрді құрайды.
Кедергілерді анықтау үшін басқа физикалық принципті пайдаланатын стерео камера да қолданылады.
Сурет 10. Стереожұптан және анықталған кластерлерден диспропорциялық карта
10-суретте тіректерді, жол жәшіктерін және вагонды анықтау арқылы стереокамера деректерінің мысалы көрсетілген.
Тежеу үшін жеткілікті қашықтықта нүктелік бұлттың жеткілікті дәлдігін алу үшін жоғары ажыратымдылықтағы камераларды пайдалану қажет. Кескін өлшемін ұлғайту диспаритет картасын алудың есептеу құнын арттырады. Орын алған ресурстарға және жүйенің жауап беру уақытына қажетті жағдайларға байланысты бейнекамералардан пайдалы деректерді алудың алгоритмдері мен тәсілдерін үнемі әзірлеу және сынақтан өткізу қажет.
Алгоритмдерді тестілеу мен тексерудің бір бөлігі ТСТ конструкторлық бюросы «НИИАС» АҚ-мен бірлесіп әзірлеп жатқан темір жол тренажерының көмегімен жүзеге асырылады. Мысалы, 11-суретте стереокамера алгоритмдерінің жұмысын тексеру үшін симуляторды пайдалану көрсетілген.
Сурет 11. А, В – тренажерден сол және оң жақтаулар; B – стереокамерадан деректерді қайта құрудың жоғарғы көрінісі; D – симулятордан стереокамера кескіндерін қайта құру.
Нейрондық желілердің негізгі міндеті - адамдарды, вагондарды анықтау және олардың классификациясы.
Қатты ауа-райында жұмыс істеу үшін «НИИАС» АҚ мамандары инфрақызыл камераларды пайдаланып сынақтар жүргізді.
Сурет 12. ИҚ камерасынан алынған деректер
Барлық сенсорлардың деректері кедергілердің (нысандардың) болуы ықтималдығы бағаланатын ассоциация алгоритмдері негізінде біріктірілген.
Оның үстіне, жолдағы барлық нысандар кедергі бола бермейді, маневрлік жұмыстарды орындау кезінде локомотив вагондармен автоматты түрде қосылуы керек.
Сурет 13. Әртүрлі датчиктер арқылы кедергілерді анықтау арқылы автокөлікке кіруді визуализациялау мысалы.
Ұшқышсыз маневрлік локомотивтерді пайдалану кезінде жабдықпен не болып жатқанын, оның қандай күйде екенін тез түсіну өте маңызды. Сондай-ақ локомотив алдынан ит сияқты жануар шыққан жағдайлар да кездеседі. Борттық алгоритмдер локомотивті автоматты түрде тоқтатады, бірақ ит жолдан шықпаса, ары қарай не істеу керек?
Борттағы жағдайды бақылау және төтенше жағдайлар кезінде шешім қабылдау үшін станциядағы барлық пилотсыз локомотивтермен жұмыс істеуге арналған стационарлық пульт пен басқару пульті әзірленді. Лужская станциясында ЭК постында орналасқан.
14-сурет Қашықтан басқару және басқару
Лужской станциясында 14-суретте көрсетілген басқару пульті үш маневрлік тепловоздың жұмысын басқарады. Қажет болса, осы қашықтан басқару құралын пайдалана отырып, нақты уақыт режимінде ақпаратты беру арқылы қосылған локомотивтердің бірін басқаруға болады (радиоарна бойынша деректерді беруді ескере отырып, кідіріс 300 мс аспайды).
Функционалдық қауіпсіздік мәселелері
Ұшқышсыз локомотивтерді енгізудегі ең маңызды мәселе IEC 61508 «Қауіпсіздікке қатысты электрлік, электронды, бағдарламаланатын электрондық жүйелердің функционалдық қауіпсіздігі» (EN50126, EN50128, EN50129), ГОСТ 33435-2015 стандарттарымен анықталған функционалдық қауіпсіздік мәселесі. «Темір жол жылжымалы құрамын бақылау, бақылау және қауіпсіздігін қамтамасыз ететін құрылғылар».
Қауіпсіздік тұтастығының 4 деңгейі (SIL4) борттағы қауіпсіздік құрылғыларына қойылатын талаптарды сақтау үшін қажет.
SIL-4 деңгейіне сәйкес келу үшін барлық қолданыстағы локомотив қауіпсіздігінің құрылғылары мажоритарлық логикаға сәйкес құрастырылады, мұнда есептеулер шешім қабылдау үшін нәтижелерді салыстыру арқылы екі арнада (немесе одан да көп) параллель орындалады.
Ұшқышсыз маневрлік локомотивтердегі датчиктерден алынған мәліметтерді өңдеуге арналған есептеу блогы да соңғы нәтижені салыстыру арқылы екі арналы схема бойынша салынған.
Көру датчиктерін пайдалану, әртүрлі ауа райы жағдайында және әртүрлі ортада жұмыс істеу ұшқышсыз көліктердің қауіпсіздігін дәлелдеу мәселесіне жаңа көзқарасты талап етеді.
2019 жылы ISO/PAS 21448 стандарты «Жол көліктері. Белгіленген функциялардың қауіпсіздігі (SOTIF). Бұл стандарттың негізгі принциптерінің бірі әртүрлі жағдайларда жүйенің әрекетін қарастыратын сценарийлік тәсіл болып табылады. Сценарийлердің жалпы саны - шексіздік. Негізгі дизайн мақсаты белгілі қауіпті сценарийлерді және белгісіз қауіпті сценарийлерді көрсететін 2 және 3 аймақтарды азайту болып табылады.
15-сурет Даму нәтижесінде сценарийді түрлендіру
Осы тәсілді қолдану аясында «ҰИАС» АҚ мамандары 2017 жылы жұмыс істей бастағаннан бері барлық туындаған жағдайларға (сценарийлерге) талдау жасады. Нақты жұмыста қиын болатын кейбір жағдайлар PKB TsT симуляторы арқылы өңделеді.
Нормативтік мәселелер
Локомотив кабинасында машинистің қатысуынсыз толық автоматты басқаруға шынымен көшу үшін де реттеу мәселелерін шешу қажет.
Қазіргі уақытта «Ресей темір жолдары» АҚ теміржол жылжымалы құрамын автоматты басқару жүйесін енгізу бойынша іс-шараларды жүзеге асыруды нормативтік қамтамасыз ету бойынша жұмыстарды орындау кестесін бекітті. Теміржол көлігіндегі өндіріспен байланысты емес азаматтардың өміріне немесе денсаулығына зиян келтірген көлік оқиғаларын қызметтік тергеп-тексеру және есепке алу тәртібі туралы ережені жаңарту маңызды мәселелердің бірі болып табылады. Осы жоспарға сәйкес 2021 жылы ұшқышсыз теміржол көліктерін пайдалануды реттейтін құжаттар пакеті әзірленіп, бекітілуі тиіс.
Кейінгі сөз
Қазіргі уақытта Лужская станциясында жұмыс істейтін ұшқышсыз маневрлік локомотивтердің әлемде теңдесі жоқ. 2018-2019 жылдары әзірленген басқару жүйесімен Франция (SNCF компаниясы), Германия, Голландия (Prorail компаниясы), Бельгия (Lineas компаниясы) мамандары танысып, осындай жүйелерді енгізуге мүдделі. «NIIAS» АҚ негізгі міндеттерінің бірі - функционалдық мүмкіндіктерін кеңейту және құрылған басқару жүйесін ресейлік темір жолдарда да, шетелдік компаниялар үшін де қайталау.
Қазіргі уақытта «Ресей темір жолы» компаниясы да «Ласточка» ұшқышсыз электр пойыздарын жасау жобасына жетекшілік етуде. 16-суретте ES2G Lastochka электр пойызының 2019 жылдың тамызында шеңберіндегі автоматты басқару жүйесінің прототипінің көрсетілімі көрсетілген. Халықаралық теміржол салоны ғарыш 1520 «PRO//Dvizhenie.Expo».
Сурет 16. МКК-да ұшқышсыз электр пойызының жұмысын көрсету
Ұшқышсыз электр пойызын құру жоғары жылдамдыққа, айтарлықтай тежеу қашықтығына және аялдамаларда жолаушыларды қауіпсіз отырғызу/түсіруді қамтамасыз етуге байланысты әлдеқайда қиын міндет болып табылады. Қазіргі уақытта МКК-да сынақтар белсенді түрде жүргізілуде. Бұл жоба туралы сюжетті алдағы уақытта жариялау жоспарлануда.
Ақпарат көзі: www.habr.com