Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā

Bezpilota tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«ba uz dzelzceļa sākās diezgan sen, jau 1957. gadā, kad tika izveidota pirmā eksperimentālā piepilsētas vilcienu automatizētā vadÄ«bas sistēma. Lai saprastu atŔķirÄ«bu starp dzelzceļa transporta automatizācijas lÄ«meņiem, ir ieviesta gradācija, kas definēta standartā IEC-62290-1. AtŔķirÄ«bā no autotransporta dzelzceļa transportam ir 4 automatizācijas pakāpes, kas parādÄ«ts 1. attēlā.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā1. attēls. Automatizācijas pakāpes saskaņā ar IEC-62290

GandrÄ«z visi Krievijas dzelzceļu tÄ«klā kursējoÅ”ie vilcieni ir aprÄ«koti ar 1. automatizācijas lÄ«menim atbilstoÅ”u droŔības ierÄ«ci. Krievijas dzelzceļu tÄ«klā jau vairāk nekā 2 gadus veiksmÄ«gi tiek ekspluatēti vilcieni ar 20. automatizācijas lÄ«meni, aprÄ«koti vairāki tÅ«kstoÅ”i lokomotÄ«vju. Å is lÄ«menis tiek Ä«stenots, izmantojot vilces kontroles un bremzÄ“Å”anas algoritmus energooptimālai vilciena braukÅ”anai pa noteiktu marÅ”rutu, ņemot vērā lokomotÄ«vju automātisko signalizācijas sistēmu grafiku un rādÄ«jumus, kas saņemti pa induktÄ«vo kanālu no sliežu ķēdēm. 2. lÄ«meņa izmantoÅ”ana samazina vadÄ«tāja nogurumu un nodroÅ”ina enerÄ£ijas patēriņa priekÅ”rocÄ«bas un grafika izpildes precizitāti.

3. lÄ«menis paredz iespējamo vadÄ«tāja neesamÄ«bu kabÄ«nē, kas prasa tehniskās redzes sistēmas ievieÅ”anu.

4. lÄ«menis paredz pilnÄ«gu maŔīnista neesamÄ«bu uz kuÄ£a, kas prasa bÅ«tiskas izmaiņas lokomotÄ«ves (elektriskā vilciena) konstrukcijā. Piemēram, uz kuÄ£a ir automātiskie slēdži, kas netiks atiestatÄ«ti, ja tie atslēgsies bez personas.

Å obrÄ«d projektus 3. un 4. lÄ«meņa sasniegÅ”anai realizē vadoÅ”ie uzņēmumi pasaulē, piemēram, Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB un citi.

Siemens savu projektu bezvadÄ«tāja tramvaju jomā prezentēja 2018. gada septembrÄ« Innotrans izstādē. Å is tramvajs Potsdamā ar GoA3 automatizācijas lÄ«meni darbojas kopÅ” 2018. gada.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā2. attēls Siemens tramvajs
2019. gadā Siemens bezpilota marŔruta garumu palielināja vairāk nekā 2 reizes.
Krievijas dzelzceļa uzņēmums bija viens no pirmajiem pasaulē, kas sāka izstrādāt bezpilota dzelzceļa transportlÄ«dzekļus. Tādējādi Lužskas stacijā 2015. gadā tika uzsākts projekts 3 manevru lokomotÄ«vju kustÄ«bas automatizÄ“Å”anai, kur NIIAS AS darbojās kā projekta integrators un pamattehnoloÄ£iju izstrādātājs.

Bezpilota lokomotÄ«ves izveide ir sarežģīts, sarežģīts process, kas nav iespējams bez sadarbÄ«bas ar citiem uzņēmumiem. Tāpēc Lužskas stacijā kopā ar AS NIIAS piedalās Ŕādi uzņēmumi:

  • AS "VNIKTI" borta vadÄ«bas sistēmas izstrādes ziņā;
  • Siemens ā€“ kupra darbÄ«bas automatizācijas (MSR-32 sistēma) un stumjamo automaŔīnu darbÄ«bas automatizācijas ziņā;
  • AS Radioavionics attiecÄ«bā uz mikroprocesoru centralizācijas sistēmām, kas kontrolē slēdžus un luksoforus;
  • PKB CT ā€“ simulatora izveide;
  • AS Krievijas dzelzceļŔ kā projekta koordinators.

Pirmajā posmā uzdevums bija sasniegt 2. satiksmes automatizācijas lÄ«meni, kad vadÄ«tājs normālos manevru darba organizÄ“Å”anas apstākļos neizmanto lokomotÄ«ves vadÄ«bas ierÄ«ces.

Ekspluatējot parastās manevru lokomotÄ«ves, satiksmes kontrole tiek veikta, pārraidot balss komandas no dispečera vadÄ«tājam ar atbilstoÅ”u marÅ”rutu iestatÄ«Å”anu (pārvietojot pārmijas, ieslēdzot luksoforus).

Pārejot uz 2. lÄ«meņa automatizāciju, visa balss komunikācija tika aizstāta ar komandu sistēmu, kas pārraidÄ«ta pa digitālo droÅ”u radio kanālu. Tehniski manevru lokomotÄ«vju vadÄ«ba Lužskas stacijā tika uzbÅ«vēta, pamatojoties uz:

  • stacijas vienots digitālais modelis;
  • protokols manevru lokomotÄ«vju kustÄ«bas kontrolei (komandu nosÅ«tÄ«Å”anai un izpildes uzraudzÄ«bai);
  • mijiedarbÄ«ba ar elektriskās centralizācijas sistēmu, lai iegÅ«tu informāciju par dotajiem marÅ”rutiem, bultu un signālu novietojumu;
  • pozicionÄ“Å”anas sistēmas manevru lokomotÄ«vēm;
  • uzticami digitālie radio sakari.

Līdz 2017. gadam 3 TEM-7A manevru lokomotīves Lužskas stacijā 95% laika strādāja pilnībā automātiskajā režīmā, veicot Ŕādas darbības:

  • Automātiska kustÄ«ba pa noteiktu marÅ”rutu;
  • Automātiska piekļuve automaŔīnām;
  • Automātiska sakabe ar vagoniem;
  • AutomaŔīnu stumÅ”ana uz kalniņa.

2017. gadā tika uzsākts projekts, lai izveidotu manevru lokomotīvju tehniskās redzes sistēmu un ieviestu tālvadības pulti avārijas situācijās.

2017. gada novembrī AS NIIAS speciālisti uz manevru lokomotīvēm uzstādīja pirmo tehniskās redzes sistēmas prototipu, kas sastāv no radariem, lidara un kamerām (3. attēls).

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā3. attēls Tehniskās redzes sistēmu pirmās versijas

Tehniskās redzes sistēmas Lugas stacijā 2017. - 2018. gadā pārbaudēs tika izdarÄ«ti Ŕādi secinājumi:

  • Radaru izmantoÅ”ana ŔķērŔļu noteikÅ”anai ir nepraktiska, jo uz dzelzceļa ir ievērojams skaits metāla priekÅ”metu ar labu atstaroÅ”anas spēju. Cilvēku noteikÅ”anas diapazons uz viņu fona nepārsniedz 60-70 metrus, turklāt radariem ir nepietiekama leņķiskā izŔķirtspēja un tas ir aptuveni 1Ā°. Pēc tam mÅ«su secinājumus apstiprināja SNCF (Francijas dzelzceļa operatora) kolēģu testa rezultāti.
  • Lidars nodroÅ”ina ļoti labus rezultātus ar minimālu troksni. SnigÅ”anas, lietus vai miglas gadÄ«jumā tiek novērots nekritisks objektu noteikÅ”anas diapazona samazinājums. Tomēr 2017. gadā lidari bija diezgan dārgi, kas bÅ«tiski ietekmēja projekta ekonomiskos rādÄ«tājus.
  • Kameras ir bÅ«tisks tehniskās redzes sistēmas elements un ir nepiecieÅ”amas atklāŔanai, objektu klasifikācijai un tālvadÄ«bas uzdevumiem. Lai strādātu naktÄ« un sarežģītos laika apstākļos, ir nepiecieÅ”amas infrasarkanās kameras vai kameras ar paplaÅ”inātu viļņu garuma diapazonu, kas var darboties tuvajā infrasarkanajā diapazonā.

Tehniskās redzes galvenais uzdevums ir noteikt ŔķērŔļus un citus objektus ceļā, un, tā kā kustÄ«ba tiek veikta pa sliežu ceļu, ir nepiecieÅ”ams to noteikt.

Bezpilota tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«ba dzelzceļa transportā4. attēls. Vairāku klaÅ”u segmentācijas (trase, automaŔīnas) piemērs un trases ass noteikÅ”ana, izmantojot bināro masku

4. attēlā parādÄ«ts riestu noteikÅ”anas piemērs. Lai nepārprotami noteiktu kustÄ«bas marÅ”rutu pa bultām, tiek izmantota a priori informācija par bultas novietojumu un luksoforu rādÄ«jumiem, kas tiek pārraidÄ«ti pa ciparu radio kanālu no elektriskās centralizācijas sistēmas. Å obrÄ«d uz pasaules dzelzceļiem ir tendence atteikties no luksoforiem un pārslēgties uz vadÄ«bas sistēmām, izmantojot digitālo radio kanālu. ÄŖpaÅ”i tas attiecas uz ātrgaitas satiksmi, jo pie ātruma virs 200 km/h kļūst grÅ«ti pamanÄ«t un atpazÄ«t luksoforus. Krievijā ir divi posmi, kas darbojas bez luksoforu izmantoÅ”anas - Maskavas Centrālais loks un Alpika-Service - Adler lÄ«nija.

Ziemā var rasties situācijas, kad trase ir pilnÄ«bā zem sniega segas un trases atpazÄ«Å”ana kļūst gandrÄ«z neiespējama, kā parādÄ«ts 5. attēlā.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā5. attēls Ar sniegu klātas trases piemērs

Šajā gadījumā paliek neskaidrs, vai atklātie objekti traucē lokomotīves kustību, proti, atrodas uz sliežu ceļa vai nav. Šajā gadījumā stacijā Luzhskaya tiek izmantots augstas precizitātes stacijas digitālais modelis un augstas precizitātes borta navigācijas sistēma.

Turklāt stacijas digitālais modelis tika izveidots, pamatojoties uz bāzes punktu Ä£eodēziskajiem mērÄ«jumiem. Pēc tam, pamatojoties uz daudzu lokomotÄ«vju eju apstrādi ar augstas precizitātes pozicionÄ“Å”anas sistēmu, tika pabeigta karte pa visiem sliežu ceļiem.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā6. attēls Lužskas stacijas sliežu ceļa attīstības digitālais modelis

Viens no svarÄ«gākajiem borta pozicionÄ“Å”anas sistēmas parametriem ir kļūda, aprēķinot lokomotÄ«ves orientāciju (azimutu). LokomotÄ«ves orientācija ir nepiecieÅ”ama pareizai sensoru un to uztverto objektu orientācijai. Ja orientācijas leņķa kļūda ir 1Ā°, objekta koordinātu kļūda attiecÄ«bā pret ceļa asi 100 metru attālumā bÅ«s 1,7 metri.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā7. attēls Orientācijas kļūdas ietekme uz sānu koordinātu kļūdu

Tāpēc maksimāli pieļaujamā kļūda lokomotÄ«ves leņķiskās orientācijas mērÄ«Å”anā nedrÄ«kst pārsniegt 0,1Ā°. Pati borta pozicionÄ“Å”anas sistēma sastāv no diviem divu frekvenču navigācijas uztvērējiem RTK režīmā, kuru antenas ir izvietotas visā lokomotÄ«ves garumā, lai izveidotu garu pamatni, strapdown inerciālo navigācijas sistēmu un savienojumu ar riteņu sensoriem (odometriem). Standartnovirze, nosakot manevru lokomotÄ«ves koordinātas, ir ne vairāk kā 5 cm.

Turklāt Lužskas stacijā tika veikti pētÄ«jumi par SLAM tehnoloÄ£iju (lidar un vizuālo) izmantoÅ”anu papildu atraÅ”anās vietas datu iegÅ«Å”anai.
Rezultātā dzelzceļa sliežu ceļa noteikÅ”ana manevru lokomotÄ«vēm Lužskas stacijā tiek veikta, apvienojot sliežu ceļa atpazÄ«Å”anas rezultātus un uz pozicionÄ“Å”anu balstÄ«tu digitālo sliežu ceļu modeļa datus.

ŠķērŔļu noteikÅ”ana tiek veikta arÄ« vairākos veidos, pamatojoties uz:

  • lidara dati;
  • stereo redzes dati;
  • neironu tÄ«klu darbÄ«ba.

Viens no galvenajiem datu avotiem ir lidari, kas no lāzerskenÄ“Å”anas rada punktu mākoni. Izmantotie algoritmi pārsvarā izmanto klasiskos datu klasterizācijas algoritmus. PētÄ«juma ietvaros tiek pārbaudÄ«ta neironu tÄ«klu izmantoÅ”anas efektivitāte lidara punktu klasterizācijas uzdevumam, kā arÄ« kopÄ«gai lidara datu un videokameru datu apstrādei. 8. attēlā parādÄ«ts lidara datu piemērs (punktu mākonis ar dažādu refleksivitāti), kurā Lužskas stacijā uz vagona fona attēlots cilvēka manekens.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā8. attēls. Lidara datu piemērs Luzhskoy stacijā

9. attēlā parādÄ«ts piemērs kopas identificÄ“Å”anai no sarežģītas formas automaŔīnas, izmantojot datus no diviem dažādiem lidariem.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā9. attēls. Lidara datu interpretācijas piemērs klastera veidā no bunkura vagona

AtseviŔķi ir vērts atzÄ«mēt, ka pēdējā laikā lidaru izmaksas ir samazinājuŔās gandrÄ«z par vienu pakāpi, un to tehniskie parametri ir palielinājuÅ”ies. Nav Å”aubu, ka Ŕī tendence turpināsies. Lužskas stacijā izmantoto lidaru objektu noteikÅ”anas diapazons ir aptuveni 150 metri.

ŠķērŔļu noteikÅ”anai tiek izmantota arÄ« stereokamera, kas izmanto citu fizisko principu.

Bezpilota tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«ba dzelzceļa transportā10. attēls. Stereo pāra un atklāto klasteru atŔķirÄ«bu karte

10. attēlā parādÄ«ts stereokameras datu piemērs ar stabu, kāpurķēžu un ratiņu noteikÅ”anu.

Lai iegÅ«tu pietiekamu punktu mākoņa precizitāti bremzÄ“Å”anai pietiekamā attālumā, nepiecieÅ”ams izmantot augstas izŔķirtspējas kameras. Attēla izmēra palielināŔana palielina atŔķirÄ«bu kartes iegÅ«Å”anas skaitļoÅ”anas izmaksas. Ņemot vērā nepiecieÅ”amos nosacÄ«jumus aizņemtajiem resursiem un sistēmas reakcijas laikam, ir nepiecieÅ”ams pastāvÄ«gi izstrādāt un pārbaudÄ«t algoritmus un pieejas noderÄ«gu datu iegÅ«Å”anai no videokamerām.

Daļa no algoritmu testÄ“Å”anas un verifikācijas tiek veikta, izmantojot dzelzceļa simulatoru, kuru izstrādā PKB TsT kopā ar AS NIIAS. Piemēram, 11. attēlā parādÄ«ta simulatora izmantoÅ”ana, lai pārbaudÄ«tu stereo kameru algoritmu veiktspēju.

Bezpilota tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«ba dzelzceļa transportā11. attēls. A, B - kreisais un labais kadri no simulatora; B ā€“ stereokameras datu rekonstrukcijas skats no augÅ”as; D - stereo kameras attēlu rekonstrukcija no simulatora.

Neironu tÄ«klu galvenais uzdevums ir atklāt cilvēkus, automaŔīnas un to klasifikāciju.
Lai strādātu skarbos laika apstākļos, AS NIIAS speciālisti veica arī testus, izmantojot infrasarkanās kameras.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā12. attēls. Dati no IR kameras

Dati no visiem sensoriem tiek integrēti, pamatojoties uz asociācijas algoritmiem, kur tiek novērtēta ŔķērŔļu (objektu) pastāvÄ“Å”anas varbÅ«tÄ«ba.

Turklāt ne visi priekÅ”meti trasē ir ŔķērŔļi, veicot manevru darbus, lokomotÄ«vei automātiski jāsavienojas ar vagoniem.

Bezpilota tehnoloÄ£iju attÄ«stÄ«ba dzelzceļa transportā13. attēls. PiebraukÅ”anas pie auto vizualizācijas piemērs ar ŔķērŔļu noteikÅ”anu ar dažādiem sensoriem

Ekspluatējot bezpilota manevru lokomotÄ«ves, ir ārkārtÄ«gi svarÄ«gi ātri saprast, kas notiek ar tehniku ā€‹ā€‹un kādā stāvoklÄ« tā atrodas. Iespējamas arÄ« situācijas, kad lokomotÄ«ves priekŔā parādās dzÄ«vnieks, piemēram, suns. Borta algoritmi automātiski apturēs lokomotÄ«vi, bet ko darÄ«t tālāk, ja suns nepārvietojas no ceļa?

Lai uzraudzītu situāciju uz kuģa un pieņemtu lēmumus ārkārtas situācijās, ir izstrādāts stacionārs tālvadības pults un uzraudzības panelis, kas paredzēts darbam ar visām bezpilota lokomotīvēm stacijā. Lužskas stacijā tas atrodas EK postenī.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā14. attēls Tālvadības pults un uzraudzība

Lužskas stacijā 14. attēlā redzamais vadÄ«bas panelis kontrolē trÄ«s manevru lokomotÄ«vju darbÄ«bu. NepiecieÅ”amÄ«bas gadÄ«jumā, izmantojot Å”o tālvadÄ«bas pulti, varat vadÄ«t kādu no pieslēgtajām lokomotÄ«vēm, pārraidot informāciju reāllaikā (aizkavÄ“Å”anās ne vairāk kā 300 ms, ņemot vērā datu pārraidi pa radio kanālu).

Funkcionālās droŔības jautājumi

BÅ«tiskākais jautājums, ievieÅ”ot bezpilota lokomotÄ«ves, ir funkcionālās droŔības jautājums, ko nosaka standarti IEC 61508 ā€œAr droŔību saistÄ«tu elektrisko, elektronisko, programmējamo elektronisko sistēmu funkcionālā droŔībaā€ (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 ā€œIerÄ«ces. dzelzceļa ritoŔā sastāva kontrolei, uzraudzÄ«bai un droŔībaiā€.

Saskaņā ar prasÄ«bām attiecÄ«bā uz borta droŔības ierÄ«cēm ir jāsasniedz 4. droŔības integritātes lÄ«menis (SIL4).

Lai atbilstu SIL-4 lÄ«menim, visas esoŔās lokomotÄ«vju droŔības ierÄ«ces tiek bÅ«vētas, izmantojot vairākuma loÄ£iku, kur tiek veikti aprēķini paralēli divos kanālos (vai vairāk) un rezultāti tiek salÄ«dzināti, lai pieņemtu lēmumu.

SkaitļoÅ”anas bloks bezpilota manevru lokomotÄ«vju sensoru datu apstrādei arÄ« ir veidots, izmantojot divu kanālu shēmu ar gala rezultāta salÄ«dzinājumu.

Redzes sensoru izmantoÅ”ana, darbÄ«ba dažādos laika apstākļos un dažādās vidēs prasa jaunu pieeju bezpilota transportlÄ«dzekļu droŔības pierādÄ«Å”anas jautājumam.

2019. gadā tika ieviests ISO/PAS 21448 standarts ā€œAutotransporta lÄ«dzekļi. Definēto funkciju droŔība (SOTIF). Viens no Ŕī standarta galvenajiem principiem ir scenāriju pieeja, kas pēta sistēmas uzvedÄ«bu dažādos apstākļos. Kopējais scenāriju skaits ir bezgalÄ«ba. Galvenais dizaina izaicinājums ir samazināt 2. un 3. reÄ£ionu, kas atspoguļo zināmus nedroÅ”us scenārijus un nezināmus nedroÅ”us scenārijus.

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā15. attēls Scenāriju transformācija izstrādes rezultātā

Å Ä«s pieejas piemēroÅ”anas ietvaros AS NIIAS speciālisti analizēja visas raduŔās situācijas (scenārijus) kopÅ” darbÄ«bas uzsākÅ”anas 2017. gadā. Dažas situācijas, ar kurām ir grÅ«ti saskarties reālajā darbÄ«bā, tiek izstrādātas, izmantojot PKB CT simulatoru.

Normatīvie jautājumi

Lai patiesi pilnībā pārslēgtos uz pilnībā automātisko vadību bez vadītāja klātbūtnes lokomotīves kabīnē, ir jāatrisina arī normatīvie jautājumi.

Uz doto brÄ«di AS Krievijas dzelzceļŔ ir apstiprinājis darbu Ä«stenoÅ”anas grafiku pie normatÄ«vā atbalsta dzelzceļa ritoŔā sastāva vadÄ«bas sistēmu ievieÅ”anas pasākumu Ä«stenoÅ”anai automātiskajā režīmā. Viens no bÅ«tiskākajiem jautājumiem ir ar ražoÅ”anu dzelzceļa transportā nesaistÄ«tu satiksmes negadÄ«jumu dienesta izmeklÄ“Å”anas un uzskaites kārtÄ«bas noteikumu aktualizÄ“Å”ana, kuru rezultātā nodarÄ«ts kaitējums iedzÄ«votāju dzÄ«vÄ«bai vai veselÄ«bai. Saskaņā ar Å”o plānu 2021.gadā bÅ«tu jāizstrādā un jāapstiprina bezpilota dzelzceļa transportlÄ«dzekļu darbÄ«bu reglamentējoÅ”o dokumentu pakete.

Pēcvārds

PaÅ”laik pasaulē nav analogu bezpilota manevru lokomotÄ«vēm, kas tiek ekspluatētas Lužskas stacijā. Speciālisti no Francijas (kompānija SNCF), Vācijas, Holandes (kompānija Prorail), Beļģijas (kompānija Lineas) ar izstrādāto kontroles sistēmu iepazinās 2018.-2019.gadā un interesējas par lÄ«dzÄ«gu sistēmu ievieÅ”anu. Viens no AS NIIAS galvenajiem uzdevumiem ir funkcionalitātes paplaÅ”ināŔana un izveidotās vadÄ«bas sistēmas pavairoÅ”ana gan uz Krievijas dzelzceļiem, gan ārvalstu uzņēmumiem.

Å obrÄ«d a/s Krievijas dzelzceļŔ vada arÄ« bezpilota elektrovilcienu ā€œLastočkaā€ attÄ«stÄ«bas projektu. 16. attēlā parādÄ«ts ES2G Lastochka elektrovilciena automātiskās vadÄ«bas sistēmas prototipa demonstrācija 2019. gada augustā ietvaros. Starptautiskā dzelzceļa salona telpa 1520 "PRO//Movement.Expo".

Bezpilota tehnoloģiju attīstība dzelzceļa transportā16. attēls. Bezpilota elektrovilciena darbības demonstrācija MCC

Bezpilota elektrovilciena izveide ir daudz grÅ«tāks uzdevums lielā ātruma, ievērojamā bremzÄ“Å”anas ceļa un droÅ”as pasažieru iekāpÅ”anas/izkāpÅ”anas nodroÅ”ināŔanas pieturvietās. Å obrÄ«d KC aktÄ«vi notiek testÄ“Å”ana. Stāstu par Å”o projektu plānots publicēt tuvākajā laikā.

Avots: www.habr.com

Pievieno komentāru