Nepilotuojamos technologijos geležinkelyje pradėtos kurti gana seniai, jau 1957 m., kai buvo sukurta pirmoji eksperimentinė automatizuota priemiestinių traukinių nukreipimo sistema. Siekiant suprasti skirtumą tarp geležinkelių transporto automatizavimo lygių, buvo įdiegta gradacija, apibrėžta IEC-62290-1 standarte. Skirtingai nuo kelių transporto, geležinkelių transportas turi 4 automatizavimo laipsnius, parodyta 1 pav.
1 pav. Automatizavimo laipsniai pagal IEC-62290
Beveik visuose Rusijos geležinkelių tinkle važiuojančiuose traukiniuose yra įrengtas 1 automatikos lygį atitinkantis saugos įtaisas. 2 automatikos lygio traukiniai Rusijos geležinkelių tinkle sėkmingai eksploatuojami jau daugiau nei 20 metų, įrengti keli tūkstančiai lokomotyvų. Šis lygis įgyvendinamas naudojant traukos valdymo ir stabdymo algoritmus, kad traukinys važiuotų tam tikru maršrutu energijai optimaliai, atsižvelgiant į automatinių lokomotyvų signalizacijos sistemų grafiką ir rodmenis, gaunamus indukciniu kanalu iš bėgių grandinių. 2 lygio naudojimas sumažina vairuotojo nuovargį ir padidina energijos suvartojimą bei grafiko vykdymo tikslumą.
3 lygis daro prielaidą, kad kabinoje nėra vairuotojo, todėl reikia įdiegti techninės vizijos sistemą.
4 lygis reiškia, kad mašinistas visiškai nėra laive, todėl reikia iš esmės pakeisti lokomotyvo (elektrinio traukinio) konstrukciją. Pavyzdžiui, laive yra grandinės pertraukikliai, kurių bus neįmanoma iš naujo nustatyti, jei jie suges, jei laive nėra žmogaus.
Šiuo metu projektus 3 ir 4 lygiams pasiekti įgyvendina lyderiaujančios pasaulyje kompanijos, tokios kaip Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB ir kt.
Siemens savo projektą bevairių tramvajų srityje pristatė 2018 metų rugsėjį parodoje Innotrans. Šis tramvajus Potsdame eksploatuojamas su GoA3 automatizavimo lygiu nuo 2018 m.
2 pav. Siemens tramvajus
2019 metais „Siemens“ nepilotuojamo maršruto ilgį padidino daugiau nei 2 kartus.
Rusijos geležinkelių bendrovė viena pirmųjų pasaulyje pradėjo kurti nepilotuojamas geležinkelio transporto priemones. Taigi 2015 m. Lužskajos stotyje buvo pradėtas 3 manevrinių lokomotyvų judėjimo automatizavimo projektas, kuriame UAB NIIAS veikė kaip projekto integratorius ir pagrindinių technologijų kūrėjas.
Nepilotuojamo lokomotyvo kūrimas yra sudėtingas, sudėtingas procesas, kuris neįmanomas be bendradarbiavimo su kitomis įmonėmis. Todėl Luzhskaya stotyje kartu su UAB NIIAS dalyvauja šios įmonės:
- UAB „VNIKTI“ dėl borto valdymo sistemos kūrimo;
- Siemens – kalbant apie kupros veikimo automatizavimą (MSR-32 sistema) ir stumiančių automobilių darbo automatizavimą;
- UAB „Radioavionics“ – mikroprocesorinių centralizavimo sistemų, valdančių jungiklius ir šviesoforus;
- PKB CT – simuliatoriaus sukūrimas;
- UAB „Rusijos geležinkeliai“ – projekto koordinatorė.
Pirmajame etape buvo siekiama pasiekti 2 eismo automatizavimo lygį, kai mašinistas normaliomis manevravimo darbų organizavimo sąlygomis nenaudoja lokomotyvo valdymo įtaisų.
Eksploatuojant įprastus manevrinius lokomotyvus, eismo kontrolė vykdoma perduodant dispečerio balso komandas vairuotojui, nustatant atitinkamus maršrutus (judinant iešmus, įjungiant šviesoforus).
Pereinant prie 2 lygio automatizavimo, visą balso ryšį pakeitė komandų sistema, perduodama skaitmeniniu saugiu radijo kanalu. Techniškai manevrinių lokomotyvų valdymas Lužskajos stotyje buvo pastatytas remiantis:
- vieningas skaitmeninis stoties modelis;
- manevrinių lokomotyvų judėjimo valdymo protokolas (komandoms siųsti ir vykdymui stebėti);
- sąveika su elektros centralizacijos sistema, siekiant gauti informaciją apie nurodytus maršrutus, rodyklių ir signalų padėtį;
- manevrinių lokomotyvų padėties nustatymo sistemos;
- patikimas skaitmeninis radijo ryšys.
Iki 2017 m. 3 manevriniai lokomotyvai TEM-7A 95% laiko Lužskajos stotyje dirbo visiškai automatiniu režimu, atlikdami šias operacijas:
- Automatinis judėjimas tam tikru maršrutu;
- Automatinis privažiavimas prie automobilių;
- Automatinis sukabinimas su vagonais;
- Automobilių stūmimas ant kupros.
2017 metais buvo pradėtas projektas sukurti manevrinių lokomotyvų techninės vizijos sistemą ir diegti nuotolinį valdymą avariniais atvejais.
2017 m. lapkritį UAB NIIAS specialistai manevriniuose lokomotyvuose sumontavo pirmąjį techninės matymo sistemos prototipą, susidedantį iš radarų, lidaro ir kamerų (3 pav.).
3 pav. Pirmosios techninės vizijos sistemų versijos
2017 - 2018 metais Lugos stotyje atliktų techninės vizijos sistemos bandymų metu buvo padarytos šios išvados:
- Radarų naudojimas kliūtims aptikti yra nepraktiškas, nes geležinkelyje yra daug metalinių objektų, turinčių gerą atspindį. Žmonių aptikimo diapazonas jų fone neviršija 60-70 metrų, be to, radarai turi nepakankamą kampinę skiriamąją gebą ir yra apie 1°. Vėliau mūsų išvadas patvirtino kolegų iš SNCF (Prancūzijos geležinkelių operatoriaus) bandymų rezultatai.
- Lidarai suteikia labai gerų rezultatų su minimaliu triukšmu. Sningant, lyjant ar rūkui stebimas nekritinis objektų aptikimo diapazono sumažėjimas. Tačiau 2017 metais lidarai buvo gana brangūs, o tai labai paveikė projekto ekonominius rezultatus.
- Kameros yra esminis techninės regėjimo sistemos elementas ir būtinos aptikimo, objektų klasifikavimo ir nuotolinio valdymo užduotims atlikti. Norint dirbti naktį ir esant sudėtingoms oro sąlygoms, būtina turėti infraraudonųjų spindulių kameras arba kameras su išplėstu bangos ilgio diapazonu, galinčią veikti artimojo infraraudonųjų spindulių diapazone.
Pagrindinis techninio matymo uždavinys – aptikti pakeliui esančias kliūtis ir kitus objektus, o kadangi judėjimas vykdomas takeliu, jį aptikti būtina.
4 pav. Kelių klasių segmentavimo (takų, automobilių) ir bėgių kelio ašies nustatymo naudojant dvejetainę kaukę pavyzdys
4 paveiksle parodytas provėžų aptikimo pavyzdys. Norint vienareikšmiškai nustatyti judėjimo pagal rodykles maršrutą, naudojama a priori informacija apie rodyklės padėtį ir šviesoforo rodmenis, perduodama skaitmeniniu radijo kanalu iš elektros centralizacijos sistemos. Šiuo metu pasaulio geležinkeliuose vyrauja tendencija atsisakyti šviesoforų ir pereiti prie valdymo sistemų skaitmeniniu radijo kanalu. Tai ypač pasakytina apie eismą dideliu greičiu, nes važiuojant didesniu nei 200 km/h greičiu tampa sunku pastebėti ir atpažinti šviesoforus. Rusijoje yra dvi atkarpos, veikiančios nenaudojant šviesoforų - Maskvos centrinis ratas ir Alpika-Service - Adler linija.
Žiemą gali susidaryti situacijų, kai trasa yra visiškai po sniego danga ir trasos atpažinimas tampa beveik neįmanomas, kaip parodyta 5 pav.
5 pav. Sniegu padengto takelio pavyzdys
Tokiu atveju tampa neaišku, ar aptikti objektai trukdo lokomotyvo judėjimui, tai yra, yra ant bėgių ar ne. Šiuo atveju Luzhskaya stotyje naudojamas didelio tikslumo skaitmeninis stoties modelis ir didelio tikslumo borto navigacijos sistema.
Be to, remiantis geodeziniais bazinių taškų matavimais, buvo sukurtas skaitmeninis stoties modelis. Tada, remiantis daugelio lokomotyvų pravažiavimų apdorojimu su didelio tikslumo padėties nustatymo sistema, buvo sudarytas žemėlapis išilgai visų bėgių.
6 pav. Skaitmeninis Lužsko stoties bėgių kelio plėtros modelis
Vienas iš svarbiausių lokomotyvo padėties nustatymo sistemos parametrų yra lokomotyvo orientacijos (azimuto) skaičiavimo klaida. Lokomotyvo orientacija būtina, kad jutikliai ir jų aptikti objektai būtų tinkamai orientuoti. Kai orientacijos kampo paklaida yra 1°, objekto koordinačių paklaida kelio ašies atžvilgiu 100 metrų atstumu bus 1,7 metro.
7 pav. Orientacijos paklaidos poveikis šoninei koordinačių paklaidai
Todėl didžiausia leistina paklaida matuojant lokomotyvo kampinę orientaciją neturi viršyti 0,1°. Pati borto padėties nustatymo sistema susideda iš dviejų dviejų dažnių navigacijos imtuvų, veikiančių RTK režimu, kurių antenos išdėstytos per visą lokomotyvo ilgį, kad būtų sukurta ilga bazė, inercinė navigacijos sistema ir prijungimas prie ratų jutiklių (odometrų). Standartinis nuokrypis nustatant manevrinio lokomotyvo koordinates yra ne didesnis kaip 5 cm.
Be to, Lužskajos stotyje buvo atlikti SLAM technologijų (lidar ir vaizdo) panaudojimo papildomiems vietos duomenims gauti tyrimai.
Dėl to geležinkelio kelio nustatymas manevriniams lokomotyvams Lužskajos stotyje atliekamas sujungus bėgių kelio atpažinimo ir padėties nustatymu pagrįstus skaitmeninio bėgių kelio modelio duomenis.
Kliūčių aptikimas taip pat atliekamas keliais būdais, remiantis:
- lidaro duomenys;
- stereo matymo duomenys;
- neuroninių tinklų veikimas.
Vienas iš pagrindinių duomenų šaltinių yra lidarai, kurie iš lazerinio skenavimo sukuria taškų debesį. Naudojami algoritmai dažniausiai naudoja klasikinius duomenų grupavimo algoritmus. Tyrimo metu išbandytas neuroninių tinklų panaudojimo efektyvumas atliekant lidaro taškų klasterizavimą, taip pat bendram lidar duomenų ir vaizdo kamerų duomenų apdorojimui. 8 paveiksle parodytas lidaro duomenų pavyzdys (skirtingo refleksiškumo taškų debesis), vaizduojantis žmogaus manekeną vežimo fone Lužskajos stotyje.
8 pav. Lidar duomenų pavyzdys Luzhskoy stotyje
9 paveiksle parodytas klasterio atpažinimo iš sudėtingos formos automobilio pavyzdys naudojant dviejų skirtingų lidarų duomenis.
9 pav. Lidar duomenų interpretavimo pavyzdys iš bunkerio vagono
Atskirai verta paminėti, kad pastaruoju metu lidarų kaina sumažėjo beveik eilės tvarka, o jų techninės charakteristikos padidėjo. Neabejotina, kad ši tendencija išliks. Lužskajos stotyje naudojamų lidarų objektų aptikimo diapazonas yra apie 150 metrų.
Stereokamera, naudojanti skirtingą fizinį principą, taip pat naudojama kliūtims aptikti.
10 pav. Stereo poros ir aptiktų grupių skirtumų žemėlapis
10 paveiksle parodytas stereo kameros duomenų pavyzdys su stulpų, bėgių dėžių ir automobilio aptikimu.
Norint gauti pakankamą taško debesies tikslumą stabdymui pakankamu atstumu, būtina naudoti didelės raiškos kameras. Padidinus vaizdo dydį, padidėja skirtumų žemėlapio skaičiavimo sąnaudos. Dėl būtinų sąlygų užimtiems ištekliams ir sistemos atsako laikui būtina nuolat kurti ir testuoti algoritmus bei būdus, kaip iš vaizdo kamerų išgauti naudingų duomenų.
Dalis algoritmų testavimo ir patikros atliekama naudojant geležinkelio simuliatorių, kurį PKB TsT kuria kartu su UAB NIIAS. Pavyzdžiui, 11 paveiksle parodytas simuliatoriaus naudojimas stereo kameros algoritmų veikimui patikrinti.
11 pav. A, B - kairysis ir dešinysis kadrai iš treniruoklio; B – stereo kameros duomenų atkūrimo vaizdas iš viršaus; D - stereo kameros vaizdų atkūrimas iš simuliatoriaus.
Pagrindinė neuroninių tinklų užduotis – aptikti žmones, automobilius ir jų klasifikaciją.
Norėdami dirbti atšiauriomis oro sąlygomis, UAB NIIAS specialistai taip pat atliko bandymus infraraudonųjų spindulių kameromis.
12 pav. IR kameros duomenys
Visų jutiklių duomenys integruojami remiantis asociacijų algoritmais, kur įvertinama kliūčių (objektų) egzistavimo tikimybė.
Be to, ne visi objektai trasoje yra kliūtys, atliekant manevravimo darbus, lokomotyvas turi automatiškai susijungti su vagonais.
13 pav. Privažiavimo prie automobilio vizualizacijos pavyzdys su kliūčių aptikimu skirtingais jutikliais
Eksploatuojant nepilotuojamus manevrinius lokomotyvus, itin svarbu greitai suprasti, kas vyksta su įranga ir kokios jos būklės. Taip pat galimos situacijos, kai prieš lokomotyvą pasirodo gyvūnas, pavyzdžiui, šuo. Borto algoritmai automatiškai sustabdys lokomotyvą, bet ką daryti toliau, jei šuo nepajudės iš kelio?
Stebėti situaciją laive ir priimti sprendimus avarinių situacijų atveju sukurtas stacionarus nuotolinio valdymo ir stebėjimo pultas, skirtas dirbti su visais nepilotuojamais lokomotyvais stotyje. Lužskajos stotyje jis yra EB poste.
14 pav. Nuotolinis valdymas ir stebėjimas
Lužskoj stotyje 14 pav. parodytas valdymo pultas valdo trijų manevrinių lokomotyvų darbą. Esant poreikiui, šiuo nuotolinio valdymo pulteliu galite valdyti vieną iš prijungtų lokomotyvų perduodant informaciją realiu laiku (delsimas ne daugiau 300 ms, atsižvelgiant į duomenų perdavimą radijo kanalu).
Funkcinės saugos problemos
Svarbiausias klausimas diegiant nepilotuojamus lokomotyvus yra funkcinės saugos klausimas, apibrėžtas standartų IEC 61508 „Elektrinių, elektroninių, programuojamų elektroninių sistemų funkcinė sauga, susijusi su sauga“ (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 „Įtaisai“. geležinkelių riedmenų kontrolei, stebėjimui ir saugai“.
Vadovaujantis lokomotyvo saugos įtaisų reikalavimais, turi būti pasiektas 4 saugos vientisumo lygis (SIL4).
Siekiant atitikti SIL-4 lygį, visi esami lokomotyvų saugos įtaisai yra statomi naudojant daugumos logiką, kai lygiagrečiai dviem kanalais (ar daugiau) atliekami skaičiavimai, o rezultatai lyginami priimant sprendimą.
Nepilotuojamų manevrinių lokomotyvų jutiklių duomenų apdorojimo skaičiavimo blokas taip pat yra sukurtas naudojant dviejų kanalų schemą su galutinio rezultato palyginimu.
Regėjimo jutiklių naudojimas, darbas skirtingomis oro sąlygomis ir skirtingose aplinkose reikalauja naujo požiūrio į nepilotuojamų transporto priemonių saugumo įrodymo klausimą.
2019 metais ISO/PAS 21448 standartas „Kelių transporto priemonės. Apibrėžtų funkcijų saugumas (SOTIF). Vienas iš pagrindinių šio standarto principų yra scenarijų metodas, kuris tiria sistemos elgesį įvairiomis aplinkybėmis. Bendras scenarijų skaičius reiškia begalybę. Pagrindinis projektavimo iššūkis yra sumažinti 2 ir 3 regionus, kurie atspindi žinomus nesaugius ir nežinomus nesaugius scenarijus.
15 pav. Scenarijų transformacija kaip kūrimo rezultatas
Taikydami šį metodą, UAB NIIAS specialistai išanalizavo visas susidariusias situacijas (scenarijus) nuo veiklos pradžios 2017 m. Kai kurios situacijos, su kuriomis sunku susidurti realiai, išsprendžiamos naudojant PKB CT simuliatorių.
Reguliavimo klausimai
Norint tikrai visiškai pereiti prie visiškai automatinio valdymo be mašinisto buvimo lokomotyvo kabinoje, taip pat būtina išspręsti reguliavimo klausimus.
Šiuo metu UAB „Rusijos geležinkeliai“ patvirtino darbų, susijusių su reguliavimo pagalba, įgyvendinant geležinkelių riedmenų valdymo sistemų automatiniu režimu diegimo priemones, įgyvendinimo grafiką. Vienas iš svarbiausių klausimų – su gamyba geležinkelių transporte nesusijusių transporto įvykių, kurių metu buvo padaryta žala piliečių gyvybei ar sveikatai, tarnybinio tyrimo ir fiksavimo tvarkos taisyklių atnaujinimas. Pagal šį planą 2021 metais turėtų būti parengtas ir patvirtintas nepilotuojamų geležinkelio transporto priemonių eksploatavimą reglamentuojančių dokumentų paketas.
Afterword
Šiuo metu Lužskajos stotyje eksploatuojamų nepilotuojamų manevrinių lokomotyvų pasaulyje nėra analogų. 2018-2019 metais su sukurta valdymo sistema susipažino ir panašių sistemų diegimu domisi specialistai iš Prancūzijos (bendrovė SNCF), Vokietijos, Olandijos (kompanija Prorail), Belgijos (kompanija Lineas). Vienas pagrindinių UAB NIIAS uždavinių – išplėsti funkcionalumą ir atkartoti sukurtą valdymo sistemą tiek Rusijos geležinkeliuose, tiek užsienio įmonėms.
Šiuo metu UAB „Rusijos geležinkeliai“ taip pat vadovauja nepilotuojamų elektrinių traukinių „Lastočka“ kūrimo projektui. 16 paveiksle parodytas ES2G Lastochka elektrinio traukinio automatinio valdymo sistemos prototipas 2019 m. rugpjūčio mėn. Tarptautinio geležinkelio salono erdvė 1520 "PRO//Movement.Expo".
16 pav. Nepilotuojamo elektrinio traukinio veikimo MKC demonstravimas
Sukurti nepilotuojamą elektrinį traukinį yra kur kas sunkesnė užduotis dėl didelio greičio, didelio stabdymo kelio, saugaus keleivių įlaipinimo/išlaipinimo sustojimo vietose užtikrinimo. Šiuo metu MKC aktyviai vyksta bandymai. Istoriją apie šį projektą planuojama išleisti artimiausiu metu.
Šaltinis: www.habr.com