D'Entwécklung vun onbemannte Technologien op der Eisebunn huet viru laanger Zäit ugefaang, schonn am Joer 1957, wéi déi éischt experimentell Autopilotkomplex fir Faubourgen Zich erstallt gouf. Fir den Ënnerscheed tëscht den Niveauen vun der Automatisatioun fir Eisebunnstransport ze verstoen, gëtt eng Gradatioun agefouert, definéiert am IEC-62290-1 Standard. Am Géigesaz zum Stroossentransport huet de Schinnentransport 4 Automatisatiounsgraden, an der Figur 1 gewisen.
Figur 1. Grad vun Automatisatioun no IEC-62290
Bal all Zich, déi um russesche Eisebunnsnetz operéiert sinn, si mat engem Sécherheetsapparat ausgestatt, deen dem Automatisatiounsniveau entsprécht 1. Zich mat Automatisatiounsniveau 2 sinn erfollegräich am russesche Eisebunnsnetz operéiert fir méi wéi 20 Joer, e puer dausend Lokomotive sinn equipéiert. Dësen Niveau gëtt duerch Traktiounssteuerung a Bremsalgorithmen fir energieoptimal Zuchleitung laanscht eng gegebene Streck ëmgesat, andeems d'Zäitplang an d'Indikatiounen vun automatesche Lokomotivsignalsystemer iwwer en induktiven Kanal vu Streckkreesser berécksiichtegt ginn. D'Benotzung vum Niveau 2 reduzéiert d'Müdegkeet vum Chauffer a gëtt e Gewënn am Energieverbrauch a Genauegkeet an der Ausféierung vum Verkéiersplang.
Niveau 3 iwwerhëlt de méigleche Fehlen vum Chauffer an der Kabine, wat d'Ëmsetzung vun engem Visiounssystem erfuerdert.
Niveau 4 implizéiert de komplette Fehlen vun engem Chauffer u Bord, wat e wesentleche Changement am Design vun der Lokomotiv (elektreschen Zuch) erfuerdert. Zum Beispill ginn automatesch Schalter u Bord installéiert, déi net méiglech sinn erëm ze knacken wann se ouni d'Präsenz vun enger Persoun u Bord ausgeléist ginn.
Momentan gi Projete fir den Niveau 3 a 4 z'erreechen vun de weltgréisste Firmen, wéi Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB an anerer ëmgesat.
Siemens huet säi Projet am Beräich vun den onbemannten Tram am September 2018 op der Innotrans Ausstellung presentéiert. Dësen Tram ass zënter 3 zu Potsdam mam GoA2018 Automatisatiounsniveau a Betrib.
Figur 2 Siemens Tram
Am Joer 2019 huet Siemens d'Längt vu senger onbemannter Streck méi wéi verduebelt.
Russian Railways ass eng vun den éischte Firmen op der Welt, déi onbemannt Eisebunnsgefierer entwéckelen. Also, am Joer 2015, op der Luzhskaya Gare, gouf e Projet lancéiert fir d'Bewegung vun 3 Rangéierlokomotiven ze automatiséieren, wou NIIAS JSC als Projetintegrator an Entwéckler vun Basistechnologien handelt.
D'Schafung vun enger onbemannter Lokomotive ass e komplexe komplexe Prozess, deen ouni Zesummenaarbecht mat anere Firmen onméiglech ass. Dofir, op der Luzhskaya Gare, zesumme mat JSC NIIAS, deelhuelen esou Firmen wéi:
- JSC "VNIKTI" wat d'Entwécklung vum Bordkontrollsystem ugeet;
- Siemens - wat d'Automatiséierung vun der Operatioun vum Marshallinghaff (MSR-32 System) an d'Automatiséierung vun der Operatioun vun Autoen dréckt;
- JSC "Radioavionika" am Sënn vun microprocessor interlocking Systemer datt Pfeiler Kontroll, Verkéier Luuchten;
- PKB TsT - Kreatioun vun engem Simulator;
- Russesch Eisebunn als Projet Koordinator.
Op der éischter Stuf war d'Aufgab den Niveau 2 vun der Verkéiersautomatiséierung z'erreechen, wann de Chauffer ënner normalen Bedéngungen fir d'Organisatioun vun der Rangéieraarbecht net d'Lokomotive Kontrollen benotzt.
Wärend der Operatioun vu konventionelle Rangéierlokomotiven gëtt d'Verkéierskontroll duerchgefouert andeems d'Stëmmbefehle vum Dispatcher un de Chauffer iwwerdroe ginn mat de passenden Strecken ze setzen (Pfeile dréinen, Traffic Luuchten opmaachen).
Wann Dir op den Niveau 2 vun der Automatioun geplënnert ass, gouf all Stëmmkommunikatioun duerch e System vu Kommandoen ersat, deen iwwer en digitale séchere Radiokanal iwwerdroe gëtt. Technesch ass d'Gestioun vun der Rangéierlokomotive op der Luzhskaya Gare op der Basis vun:
- vereenegt digital Statioun Modell;
- Protokoll fir d'Bewegung vun de Rangéierlokomotiven ze kontrolléieren (fir Kommandoen ze schécken an hir Ausféierung ze iwwerwaachen);
- Interaktioun mam elektresche Sperrsystem fir Informatiounen iwwer déi spezifizéiert Strecken, d'Positioun vun de Pfeile a Signaler ze kréien;
- Positionéierungssystemer fir Lokomotiven ze rangéieren;
- zouverlässeg digital Radio.
Bis 2017 hunn 3 TEM-7A Rangéierlokomotive 95% vun der Zäit op der Luzhskaya Gare an engem vollautomatesche Modus operéiert, déi folgend Operatiounen ausféieren:
- Automatesch Bewegung laanscht eng bestëmmte Streck;
- Automatesch Zougang zu Waggonen;
- Automatesch Kupplung mat Waggonen;
- Wagonen op e Marschallhaff drécken.
Am Joer 2017 gouf e Projet lancéiert fir e Visiounssystem fir Lokomotiven ze rangéieren an d'Fernsteuerung am Noutfall anzeféieren.
Am November 2017 hunn JSC NIIAS Spezialisten den éischte Prototyp vun engem Visiounssystem fir Lokomotive shunting installéiert, besteet aus Radaren, Lidar a Kameraen (Figur 3).
Figur 3 Éischt Versiounen vun Visioun Systemer
Wärend den Tester op der Statioun vum Luga Vision System am Joer 2017-2018 goufen déi folgend Conclusiounen gemaach:
- D'Benotzung vu Radaren fir d'Erkennung vun Hindernisser ass onpraktesch, well d'Eisebunn eng bedeitend Zuel vu Metallobjekter mat gudder Reflexivitéit huet. D'Erkennungsbereich vu Leit géint hiren Hannergrond ass net méi wéi 60-70 Meter, zousätzlech Radaren hunn net genuch Wénkelopléisung an ass ongeféier 1 °. Eis Erkenntnisser goufen duerno duerch d'Testresultater vun de Kollege vun der SNCF (franséisch Eisebunnsbedreiwer) bestätegt.
- Lidars ginn ganz gutt Resultater mat minimalem Kaméidi. Am Fall vu Schnéi, Reen, Niwwel gëtt et eng net kritesch Ofsenkung vun der Detektiounsberäich vun Objeten. Wéi och ëmmer, am Joer 2017 waren d'Lidaren zimlech deier, wat d'wirtschaftlech Leeschtung vum Projet wesentlech beaflosst.
- Kameraen sinn en onverzichtbar Element vum technesche Visiounssystem a si noutwendeg fir d'Aufgaben vun der Detektioun, der Objektklassifikatioun an der Fernsteierung. Fir Operatioun an der Nuecht a schwiereg Wiederkonditiounen ass et néideg Infraroutkameraen oder Kameraen mat enger erweiderter Wellelängtberäich ze hunn, déi fäeg sinn an der noer Infraroutberäich ze bedreiwen.
D'Haaptaufgab vun der technescher Visioun ass Hindernisser an aner Objeten an der Reesrichtung z'entdecken, a well d'Bewegung laanscht d'Streck duerchgefouert gëtt, ass et néideg ze entdecken.
Figur 4. E Beispill vu Multiclass Segmentatioun (Streck, Waggonen) an Bestëmmung vun der Streckachs mat enger binärer Mask
Figur 4 weist e Beispill vun Streck erkennen. Fir d'Bewegungsroute laanscht d'Pfeile eendeiteg ze bestëmmen, gëtt a priori Informatioun iwwer d'Positioun vum Pfeil benotzt, d'Liesen vun de Verkéiersluuchten, iwwer en digitale Radiokanal vum elektresche Verschlosssystem iwwerdroen. Am Moment gëtt et en Trend op der Welt Eisebunn fir Verkéiersluuchten opzeginn an iwwer en digitale Radiokanal op Kontrollsystemer ze wiesselen. Dëst ass virun allem wouer fir Héich-Vitesse Verkéier, well bei Vitess vun iwwer 200 km / h et schwéier gëtt d'Indikatiounen vun Traffic Luuchten ze bemierken an ze erkennen. A Russland ginn et zwou Sektiounen ouni d'Benotzung vu Verkéiersluuchten operéiert - dat ass de Moskauer Zentralring an d'Alpika-Service - Adler Linn.
Am Wanter kënnen Situatiounen entstoen, wann d'Streck komplett mat Schnéi bedeckt ass an d'Erkennung vun der Streck bal onméiglech gëtt, wéi an der Figur 5.
Figur 5 Beispill vun enger Streck mat Schnéi bedeckt
An dësem Fall gëtt et onkloer ob déi entdeckt Objeten d'Bewegung vun der Lokomotive stéieren, dat heescht ob se ënnerwee sinn oder net. Op der Luzhskaya Gare, an dësem Fall, benotzt héich-Präzisioun digital Modell vun der Gare an héich-Präzisioun onboard Navigatioun System.
Ausserdeem gouf den digitale Modell vun der Gare op Basis vu geodetesche Miessunge vu Basispunkten erstallt. Dann, baséiert op der Veraarbechtung vu ville Passagen vu Lokomotive mat engem héichpräzis Positionéierungssystem, gouf eng Kaart laanscht all de Bunnen ofgeschloss.
Figur 6 Digital Modell vun Streck Entwécklung vun Luzhskoy Gare
Ee vun de wichtegste Parameteren fir de Bordpositionéierungssystem ass de Feeler beim Berechnung vun der Orientéierung (Azimut) vun der Lokomotiv. D'Orientéierung vun der Lokomotive ass néideg fir déi richteg Orientéierung vun de Sensoren an Objeten, déi se festgestallt hunn. Bei engem Orientéierungswénkelfehler vun 1° wäert de Feeler vun de Koordinaten vum Objet par rapport zu der Bunnachs op enger Distanz vun 100 Meter 1,7 Meter sinn.
Figur 7 Afloss vun der Orientéierung Feeler op der transversal Koordinate Feeler
Dofir ass de maximal zulässleche Feeler beim Messen vun der Orientéierung vun der Lokomotiv a punkto Wénkel net méi wéi 0,1°. Den Onboard Positionéierungssystem selwer besteet aus zwee Dual-Frequenz Navigatiounsempfänger am RTK-Modus, d'Antennen vun deenen iwwer d'ganz Längt vun der Lokomotive plazéiert sinn fir eng laang Basis ze kreéieren, Strappdown-Inertialnavigatiounssystem a Verbindung mat Radsensoren (Kilometerzähler). D'Standardabweichung vun der Bestëmmung vun de Koordinaten vun der Rangéierlokomotiv ass net méi wéi 5 cm.
Zousätzlech goufen Studien op der Luzhskaya Gare iwwer d'Benotzung vun SLAM Technologien (Lidar a visuell) gemaach fir zousätzlech Positiounsdaten ze kréien.
Als Resultat gëtt d'Determinatioun vun der Eisebunnsspure fir Lokomotiven op der Luzhskaya Gare duerch d'Kombinatioun vun de Resultater vun der Jaugerkennung an der digitaler Streckmodelldaten baséiert op der Positionéierung duerchgefouert.
Hinderniserkennung gëtt och op verschidde Manéiere gemaach baséiert op:
- lidar Donnéeën;
- Stereo Visioun Daten;
- Aarbecht vun neurale Netzwierker.
Eng vun den Haaptquellen vun Daten sinn Lidars, déi eng Wollek vu Punkte vum Laser Scannen produzéieren. An den Algorithmen déi a Betrib sinn, gi klassesch Dateclustering Algorithmen haaptsächlech benotzt. Als Deel vun der Fuerschung gëtt d'Effizienz vun der Benotzung vun neurale Netzwierker fir d'Aufgab vun der Clustering vun Lidar Punkten, souwéi fir gemeinsame Veraarbechtung vu Lidardaten an Daten aus Videokameraen gepréift. Figur 8 weist e Beispill vu Lidar-Daten (eng Wollek vu Punkte mat ënnerschiddleche Reflexivitéit), déi e mënschlecht Dummy géint den Hannergrond vun engem Won op der Luzhskaya Gare weist.
Figur 8. Beispill vun Donnéeën aus lidar op Luzhskaya Gare
Figur 9 weist e Beispill fir e Stärekoup aus engem Auto mat enger komplexer Form ze extrahieren no den Daten vun zwee verschiddene Lidaren.
Figur 9. E Beispill vun lidar Daten Interpretatioun als Stärekoup aus engem Hopper Auto
Separat ass et derwäert ze bemierken datt viru kuerzem d'Käschte vun de Lidarer bal eng Uerdnung vun der Gréisst gefall sinn, an hir technesch Charakteristiken gewuess sinn. Et gëtt keen Zweiwel datt dësen Trend weider geet. D'Erkennungsbereich vun Objeten duerch Lidaren, déi op der Luzhskaya Gare benotzt ginn, ass ongeféier 150 Meter.
Eng Stereo Kamera mat engem anere kierperleche Prinzip gëtt och benotzt fir Hindernisser z'entdecken.
Figur 10. Disparity Kaart vun engem stereopair an entdeckt Stärekéip
Figur 10 weist e Beispill vu Stereo Kameradaten mat der Detektioun vu Pole, Wayboxen an engem Won.
Fir genuch Genauegkeet vun der Punktwollek op enger Distanz genuch fir Bremsen ze kréien, ass et néideg héich-Resolutioun Kameraen ze benotzen. D'Erhéijung vun der Bildgréisst erhéicht d'Computatiounskäschte fir d'Disparitéitskaart ze kréien. Wéinst den néidege Bedéngungen fir déi besat Ressourcen an d'Systemreaktiounszäit ass et noutwendeg fir stänneg Algorithmen an Approchen ze entwéckelen an ze testen fir nëtzlech Daten aus Videokameraen ze extrahieren.
En Deel vun der Tester an der Verifizéierung vun den Algorithmen gëtt mat engem Eisebunnsimulator duerchgefouert, deen vum Design Bureau TsT zesumme mam JSC NIIAS entwéckelt gëtt. Zum Beispill, Figur 11 weist d'Benotzung vun engem Simulator der Operatioun vun Stereo Kamera Algorithmen ze Test.
Figur 11. A, B - lénks a riets Rummen aus dem Simulator; B - Top Vue vun der Rekonstruktioun vun Daten aus enger Stereo Kamera; D - Rekonstruktioun vun Stereo Kamera Biller vum Simulator.
D'Haaptaufgab vun neurale Netzwierker ass d'Detektioun vu Leit, Waggonen an hir Klassifikatioun.
Fir a schwéiere Wiederkonditiounen ze schaffen, hunn JSC NIIAS Spezialisten och Tester duerchgefouert mat Infraroutkameraen.
Figur 12. Daten aus der IR Kamera
Daten vun all Sensoren sinn integréiert baséiert op Associatioun Algorithmen, wou d'Wahrscheinlechkeet vun der Existenz vun Hindernisser (Objete) geschat gëtt.
Ausserdeem sinn net all Objeten um Wee Hindernisser; wann Dir Rangéierungsoperatioune mécht, muss d'Lokomotiv automatesch mat den Autoen koppelen.
Figure 13. E Beispill vun der Visualiséierung vum Entrée zum Auto mat der Detektioun vun Hindernisser duerch verschidde Sensoren
Wann Dir onbemannt Rangéierlokomotive bedreift, ass et extrem wichteg fir séier ze verstoen wat mat der Ausrüstung geschitt, a wéi engem Zoustand et ass. Et ginn och Situatiounen, wann en Déier, wéi en Hond, virun der Lokomotiv erschéngt. Onboard-Algorithmen stoppen d'Lokomotiv automatesch, awer wat maache wann den Hond net aus dem Wee geet?
Fir d'Situatioun u Bord ze kontrolléieren an am Fall vun Noutsituatiounen Entscheedungen ze treffen, gouf eng stationär Fernsteierung a Kontrollpanel entwéckelt, entwéckelt fir mat all onbemannte Lokomotiven op der Gare ze schaffen. Op der Luzhskaya Gare ass et op der EC Post.
Figur 14 Fernsteierung a Gestioun
Op der Luzhskoy Gare kontrolléiert d'Kontrollpanel an der Figur 14 d'Operatioun vun dräi Rangéierlokomotiven. Wann néideg, mat dëser Fernsteierung, kënnt Dir eng vun de verbonne Lokomotive kontrolléieren andeems Dir Informatioun an Echtzäit iwwerdroen (d'Verzögerung ass net méi wéi 300 ms, andeems d'Dateniwwerdroung iwwer de Radiokanal berücksichtegt gëtt).
Funktionell Sécherheet Problemer
Dat wichtegst Thema bei der Ëmsetzung vun onbemannte Lokomotiven ass d'Fro vun der funktioneller Sécherheet, definéiert duerch d'Normen IEC 61508 "Funktionell Sécherheet vun elektreschen, elektroneschen, programméierbaren elektronesche Systemer am Zesummenhang mat Sécherheet" (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 "Kontroll-, Iwwerwaachungs- a Sécherheetsgeräter vum Eisebunnsmaterial".
Sécherheetsintegritéitsniveau 4 (SIL4) ass erfuerderlech fir den Ufuerderunge fir onboard Sécherheetsgeräter ze respektéieren.
Fir den Niveau SIL-4 ze respektéieren, ginn all existent Lokomotive Sécherheetsgeräter no der Majoritéitslogik gebaut, wou d'Berechnungen parallel an zwee Kanäl (oder méi) mat engem Verglach vun de Resultater fir eng Entscheedung getraff ginn.
D'Recheneenheet fir d'Veraarbechtung vun Daten aus Sensoren op onbemannte Rangéierlokomotive gëtt och no engem Zwee-Kanal-Schema mat engem Verglach vum Endresultat gebaut.
D'Benotzung vu Visiounssensoren, d'Aarbecht ënner verschiddene Wiederkonditiounen a verschiddenen Ëmfeld erfuerdert eng nei Approche fir d'Fro vun der Beweis vun der Sécherheet vun onbemannte Gefierer.
Am Joer 2019 ass den ISO/PAS 21448 Standard "Stroossween. Sécherheet vun spezifizéierte Funktiounen (SOTIF). Ee vun den Haaptprinzipien vun dësem Standard ass d'Szenario Approche, déi d'Behuele vum System a verschiddenen Ëmstänn berücksichtegt. D'total Zuel vun Szenarie ass onendlech. De primäre Designziel ass d'Gebidder 2 an 3 ze minimiséieren, déi bekannt onsécher Szenarie representéieren an onbekannt onsécher Szenarie.
Figur 15 Skript Transformatioun als Resultat vun Entwécklung
Als Deel vun der Uwendung vun dëser Approche hunn JSC NIIAS Spezialisten all opkomende Situatiounen (Szenarien) zënter dem Start vun der Operatioun am Joer 2017 analyséiert. E puer vun de Situatiounen, déi schwéier an der realer Operatioun ze treffen sinn, gi mam PKB TsT Simulator ausgeschafft.
Reguléierungsproblemer
Reguléierungsprobleemer mussen och behandelt ginn fir wierklech op voll automatesch Kontroll ouni d'Präsenz vum Chauffer an der Lokomotive Kabine ze plënneren.
Am Moment hunn d'Russesch Eisebunn e Zäitplang fir d'Ëmsetzung vun den Aarbechten iwwer reglementaresche Ënnerstëtzung fir d'Ëmsetze vu Mesuren guttgeheescht fir automatesch Kontrollsystemer fir Eisebunnsrollmaterial aféieren. Ee vun de wichtegsten Themen ass d'Aktualiséierung vun de Reglementer iwwer d'Prozedur fir intern Enquête a Comptabilitéit vun Transportaccidenter, déi Schued fir d'Liewen oder d'Gesondheet vun de Bierger verursaacht hunn, déi net mat der Produktioun am Eisebunnstransport verbonne sinn. Am Aklang mat dësem Plang soll am Joer 2021 e Pak vun Dokumenter, déi d'Operatioun vun onbemannten Eisebunnsween regelen, entwéckelt an guttgeheescht ginn.
Afterword
Am Moment ginn et keng Analoga vun onbemannte Rangéierlokomotiven op der Welt, déi op der Luzhskaya Gare bedriwwe ginn. Spezialisten aus Frankräich (SNCF Firma), Däitschland, Holland (Prorail Firma), Belsch (Lineas Firma) hunn sech mam entwéckelte Kontrollsystem am Joer 2018-2019 vertraut a sinn interesséiert fir esou Systemer ëmzesetzen. Eng vun den Haaptaufgaben vum JSC NIIAS ass d'Funktionalitéit auszebauen an de geschaafte Gestiounssystem souwuel op russesche Eisebunnen a fir auslännesch Firmen ze replizéieren.
Am Moment féiert d'Russesch Eisebunn och e Projet fir d'Lastochka onbemannt elektresch Zich z'entwéckelen. Figur 16 weist eng Demonstratioun vun engem Prototyp vum automatesche Kontrollsystem fir den ES2G Lastochka elektreschen Zuch am August 2019 am Kader. International Railway Salon vum Weltraum 1520 "PRO//Dvizhenie.Expo".
Figur 16. Demonstratioun vun der Operatioun vun engem onbemannten elektreschen Zuch am MCC
En onbemannt elektreschen Zuch erstellen ass eng vill méi schwiereg Aufgab wéinst héijer Geschwindegkeet, bedeitende Bremsdistanz, an d'Séchere Boarding / Ofstamung vu Passagéier op Arrêtpunkten ze garantéieren. Am Moment ginn Tester aktiv am MCC duerchgefouert. Eng Geschicht iwwer dëse Projet ass geplangt an der nächster Zukunft publizéiert ze ginn.
Source: will.com