Rozwój technologii bezzałogowych na kolei rozpoczął się dość dawno, bo już w 1957 roku, kiedy powstał pierwszy eksperymentalny kompleks autopilota dla pociągów podmiejskich. Aby zrozumieć różnicę między poziomami automatyzacji dla transportu kolejowego, wprowadzono gradację zdefiniowaną w normie IEC-62290-1. W przeciwieństwie do transportu drogowego, transport kolejowy ma 4 stopnie automatyzacji, co pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1. Stopnie automatyzacji wg IEC-62290
Prawie wszystkie pociągi kursujące na sieci Kolei Rosyjskich są wyposażone w urządzenia zabezpieczające odpowiadające 1. poziomowi automatyzacji. Pociągi z 2. poziomem automatyzacji są z powodzeniem eksploatowane na rosyjskiej sieci kolejowej od ponad 20 lat, na wyposażeniu znajduje się kilka tysięcy lokomotyw. Poziom ten realizowany jest przez algorytmy sterowania trakcją i hamowania dla optymalnego energetycznie prowadzenia pociągu po danej trasie z uwzględnieniem rozkładu jazdy i wskazań systemów automatycznej sygnalizacji lokomotyw odbieranych kanałem indukcyjnym z obwodów torowych. Zastosowanie poziomu 2 zmniejsza zmęczenie kierowcy i daje korzyści w zakresie zużycia energii i dokładności w realizacji rozkładu jazdy.
Poziom 3 zakłada ewentualną nieobecność kierowcy w kabinie, co wymaga wdrożenia systemu wizyjnego.
Poziom 4 oznacza całkowity brak maszynisty na pokładzie, co wymaga istotnej zmiany w konstrukcji lokomotywy (pociągu elektrycznego). Na przykład na pokładzie zainstalowane są automatyczne wyłączniki, których ponowne naciągnięcie nie będzie możliwe, jeśli zostaną uruchomione bez obecności osoby na pokładzie.
Obecnie projekty do osiągnięcia poziomów 3 i 4 są realizowane przez czołowe światowe firmy, takie jak Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB i inne.
Siemens zaprezentował swój projekt z zakresu bezzałogowych tramwajów we wrześniu 2018 roku na targach Innotrans. Tramwaj ten kursuje w Poczdamie z poziomem automatyzacji GoA3 od 2018 roku.
Rysunek 2 Tramwaj firmy Siemens
W 2019 roku Siemens ponad dwukrotnie wydłużył swoją bezzałogową trasę.
Koleje Rosyjskie to jedna z pierwszych firm na świecie, która zaczęła rozwijać bezzałogowe pojazdy kolejowe. I tak w 2015 roku na stacji Luzhskaya rozpoczęto projekt automatyzacji ruchu 3 lokomotyw manewrowych, w którym NIIAS SA działał jako integrator projektu i twórca podstawowych technologii.
Stworzenie lokomotywy bezzałogowej to złożony proces, który nie jest możliwy bez współpracy z innymi firmami. Dlatego na stacji Luzhskaya wraz z JSC NIIAS uczestniczą takie firmy jak:
- JSC „VNIKTI” w zakresie rozwoju pokładowego systemu sterowania;
- Siemens – w zakresie automatyzacji pracy stacji rozrządowej (system MSR-32) oraz automatyzacji pracy wagonów pchających;
- JSC „Radioavionika” w zakresie mikroprocesorowych systemów blokad sterujących strzałkami, sygnalizacją świetlną;
- PKB TsT – stworzenie symulatora;
- Koleje Rosyjskie jako koordynator projektu.
W pierwszym etapie zadaniem było osiągnięcie 2 poziomu automatyzacji ruchu, gdy maszynista w normalnych warunkach organizacji pracy manewrowej nie korzysta ze sterów lokomotywy.
Podczas pracy konwencjonalnych lokomotyw manewrowych sterowanie ruchem odbywa się poprzez przekazywanie poleceń głosowych od dyspozytora do maszynisty z wyznaczeniem odpowiednich tras (skręty strzałek, włączenie sygnalizacji świetlnej).
Po przejściu na poziom 2 automatyzacji cała komunikacja głosowa została zastąpiona systemem poleceń przesyłanych cyfrowym bezpiecznym kanałem radiowym. Technicznie zarządzanie lokomotywami manewrowymi na stacji Łużska zostało zbudowane na podstawie:
- ujednolicony model stacji cyfrowej;
- protokół sterowania ruchem lokomotyw manewrowych (do wysyłania komend i monitorowania ich wykonania);
- interakcja z elektrycznym układem nastawczym w celu uzyskania informacji o określonych trasach, położeniu strzałek i sygnałów;
- systemy pozycjonowania lokomotyw manewrowych;
- niezawodne radio cyfrowe.
Do 2017 roku 3 lokomotywy manewrowe TEM-7A pracowały przez 95% czasu na stacji Łużskaja w trybie w pełni automatycznym, wykonując następujące operacje:
- Automatyczne poruszanie się po zadanej trasie;
- Automatyczny dostęp do wagonów;
- Automatyczne sprzęganie z wagonami;
- Wpychanie wagonów na stację rozrządową.
W 2017 roku rozpoczęto projekt stworzenia systemu wizyjnego do manewrowania lokomotywami oraz wprowadzenia zdalnego sterowania w sytuacjach awaryjnych.
W listopadzie 2017 roku specjaliści JSC NIIAS zainstalowali pierwszy prototyp systemu wizyjnego do manewrowania lokomotywami, składającego się z radarów, lidaru i kamer (rysunek 3).
Rysunek 3 Pierwsze wersje systemów wizyjnych
Podczas testów na stacji systemu wizyjnego Luga w latach 2017-2018 wyciągnięto następujące wnioski:
- Wykorzystanie radarów do wykrywania przeszkód jest niepraktyczne, ponieważ na kolei znajduje się znaczna liczba metalowych obiektów o dobrym współczynniku odbicia. Zasięg wykrywania osób na ich tle nie przekracza 60-70 metrów, ponadto radary mają niewystarczającą rozdzielczość kątową i wynosi około 1°. Nasze ustalenia zostały następnie potwierdzone wynikami testów przeprowadzonych przez kolegów z SNCF (francuskiego przewoźnika kolejowego).
- Lidary dają bardzo dobre rezultaty przy minimalnym hałasie. W przypadku opadów śniegu, deszczu, mgły następuje niekrytyczne zmniejszenie zasięgu wykrywania obiektów. Jednak w 2017 roku lidary były dość drogie, co znacząco wpłynęło na wyniki ekonomiczne projektu.
- Kamery są nieodzownym elementem technicznego systemu wizyjnego i są niezbędne do zadań wykrywania, klasyfikacji obiektów i zdalnego sterowania. Do pracy w nocy i trudnych warunkach atmosferycznych niezbędne jest posiadanie kamer na podczerwień lub kamer o rozszerzonym zakresie długości fal zdolnych do pracy w zakresie bliskiej podczerwieni.
Głównym zadaniem widzenia technicznego jest wykrywanie przeszkód i innych obiektów w kierunku jazdy, a ponieważ ruch odbywa się po torze, konieczne jest jego wykrycie.
Rysunek 4. Przykład segmentacji wieloklasowej (tor, wagony) i wyznaczenie osi toru za pomocą maski binarnej
Rysunek 4 przedstawia przykład wykrywania śladów. W celu jednoznacznego określenia trasy ruchu wzdłuż strzałek wykorzystuje się a priori informacje o położeniu strzałki, odczytach sygnalizacji świetlnej, transmitowane cyfrowym kanałem radiowym z systemu nastawnic elektrycznych. W tej chwili na kolejach światowych panuje tendencja do rezygnacji z sygnalizacji świetlnej i przejścia na systemy sterowania za pośrednictwem cyfrowego kanału radiowego. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku ruchu o dużej prędkości, ponieważ przy prędkościach powyżej 200 km / h trudno jest zauważyć i rozpoznać wskazania sygnalizacji świetlnej. W Rosji działają dwa odcinki bez sygnalizacji świetlnej - jest to Centralny Obwodnica Moskwy i linia Alpika-Service - Adler.
Zimą mogą wystąpić sytuacje, gdy tor jest całkowicie pokryty śniegiem i rozpoznanie toru staje się prawie niemożliwe, jak pokazano na rysunku 5.
Rycina 5 Przykład toru pokrytego śniegiem
W takim przypadku nie jest jasne, czy wykryte obiekty zakłócają ruch lokomotywy, czyli czy są w drodze, czy nie. W tym przypadku na stacji Łużskaja używany jest bardzo precyzyjny cyfrowy model stacji i bardzo precyzyjny pokładowy system nawigacji.
Ponadto na podstawie pomiarów geodezyjnych punktów bazowych powstał cyfrowy model stacji. Następnie na podstawie przetworzenia wielu przejazdów lokomotyw za pomocą bardzo precyzyjnego systemu pozycjonowania wykonano mapę wzdłuż wszystkich torów.
Rysunek 6 Cyfrowy model rozwoju torów stacji Łużskoj
Jednym z najważniejszych parametrów pokładowego systemu pozycjonowania jest błąd w obliczeniu orientacji (azymutu) lokomotywy. Orientacja lokomotywy jest niezbędna do prawidłowej orientacji czujników i wykrywanych przez nie obiektów. Przy błędzie kąta orientacji równym 1° błąd współrzędnych obiektu względem osi toru w odległości 100 metrów wyniesie 1,7 metra.
Rysunek 7 Wpływ błędu orientacji na błąd współrzędnych poprzecznych
Dlatego też maksymalny dopuszczalny błąd pomiaru kąta ustawienia lokomotywy nie powinien przekraczać 0,1°. Sam pokładowy system pozycjonowania składa się z dwóch dwuczęstotliwościowych odbiorników nawigacyjnych w trybie RTK, których anteny rozmieszczone są na całej długości lokomotywy, tworząc długą podstawę, paskowy system nawigacji bezwładnościowej oraz podłączenie do czujników kołowych (przebiegomierzy). Odchylenie standardowe wyznaczania współrzędnych lokomotywy manewrowej wynosi nie więcej niż 5 cm.
Dodatkowo na stacji Łużska prowadzono badania nad wykorzystaniem technologii SLAM (lidar i wizualna) do pozyskiwania dodatkowych danych pozycyjnych.
W rezultacie wyznaczenie rozstawu torów dla lokomotyw manewrowych na stacji Łużska odbywa się poprzez połączenie wyników rozpoznania rozstawu torów z danymi cyfrowego modelu toru na podstawie pozycjonowania.
Wykrywanie przeszkód odbywa się również na kilka sposobów w oparciu o:
- dane lidarowe;
- dane widzenia stereo;
- praca sieci neuronowych.
Jednym z głównych źródeł danych są lidary, które ze skaningu laserowego tworzą chmurę punktów. W funkcjonujących algorytmach stosowane są głównie klasyczne algorytmy grupowania danych. W ramach badań sprawdzana jest efektywność wykorzystania sieci neuronowych do zadania grupowania punktów lidarowych, a także do wspólnego przetwarzania danych lidarowych i danych z kamer wideo. Na rycinie 8 przedstawiono przykładowe dane lidarowe (chmura punktów o różnym współczynniku odbicia) przedstawiające manekina człowieka na tle wagonu na stacji Łużskaja.
Rysunek 8. Przykład danych z lidaru na stacji Łużskaja
Na rysunku 9 przedstawiono przykład wyodrębnienia klastra z samochodu o złożonym kształcie na podstawie danych z dwóch różnych lidarów.
Rysunek 9. Przykład interpretacji danych lidarowych jako klastra z wozu samowyładowczego
Osobno warto zauważyć, że ostatnio koszt lidarów spadł prawie o rząd wielkości, a ich parametry techniczne wzrosły. Nie ma wątpliwości, że ten trend będzie się utrzymywał. Zasięg wykrywania obiektów przez lidary używane na stacji Łużska wynosi około 150 metrów.
Kamera stereoskopowa wykorzystująca inną zasadę fizyczną służy również do wykrywania przeszkód.
Rysunek 10. Mapa rozbieżności ze stereopary i wykrytych klastrów
Rysunek 10 przedstawia przykładowe dane z kamery stereo z wykrywaniem słupów, skrzynek drogowych i wagonu.
W celu uzyskania wystarczającej dokładności chmury punktów w odległości wystarczającej do wyhamowania konieczne jest zastosowanie kamer o wysokiej rozdzielczości. Zwiększenie rozmiaru obrazu zwiększa koszt obliczeniowy uzyskania mapy rozbieżności. Ze względu na niezbędne uwarunkowania zajmowanych zasobów oraz czas reakcji systemu konieczne jest ciągłe rozwijanie i testowanie algorytmów i podejść do wydobywania użytecznych danych z kamer wideo.
Część testów i weryfikacji algorytmów odbywa się za pomocą symulatora kolei, który jest opracowywany przez Biuro Projektowe TsT wraz z JSC NIIAS. Na przykład rysunek 11 przedstawia wykorzystanie symulatora do testowania działania algorytmów kamery stereoskopowej.
Rysunek 11. A, B - lewa i prawa klatka z symulatora; B – widok z góry rekonstrukcji danych z kamery stereoskopowej; D - rekonstrukcja obrazu z kamery stereo z symulatora.
Głównym zadaniem sieci neuronowych jest wykrywanie ludzi, wagonów i ich klasyfikacja.
Aby pracować w trudnych warunkach pogodowych, specjaliści JSC NIIAS przeprowadzili również testy z użyciem kamer na podczerwień.
Rysunek 12. Dane z kamery IR
Dane ze wszystkich czujników są integrowane w oparciu o algorytmy asocjacyjne, w których szacowane jest prawdopodobieństwo wystąpienia przeszkód (obiektów).
Co więcej, nie wszystkie obiekty na trasie są przeszkodami – podczas manewrowania lokomotywa musi automatycznie sprzęgać się z wagonami.
Rysunek 13. Przykład wizualizacji wjazdu do samochodu z wykrywaniem przeszkód przez różne czujniki
Podczas obsługi bezzałogowych lokomotyw manewrowych niezwykle ważne jest, aby szybko zrozumieć, co dzieje się ze sprzętem, w jakim jest stanie. Zdarzają się również sytuacje, w których przed lokomotywą pojawia się zwierzę, na przykład pies. Pokładowe algorytmy automatycznie zatrzymają lokomotywę, ale co dalej, jeśli pies nie zejdzie z drogi?
Do kontrolowania sytuacji na pokładzie i podejmowania decyzji w sytuacjach awaryjnych opracowano stacjonarny pilot i pulpit sterowniczy, przeznaczony do współpracy ze wszystkimi lokomotywami bezzałogowymi na stacji. Na stacji Luzhskaya znajduje się na posterunku EC.
Rysunek 14 Zdalne sterowanie i zarządzanie
Na stacji Łużskoj centrala pokazana na rysunku 14 steruje pracą trzech lokomotyw manewrowych. W razie potrzeby za pomocą tego pilota można sterować jedną z podłączonych lokomotyw, przesyłając informacje w czasie rzeczywistym (opóźnienie nie przekracza 300 ms, biorąc pod uwagę transmisję danych kanałem radiowym).
Kwestie bezpieczeństwa funkcjonalnego
Najważniejszą kwestią przy wdrażaniu lokomotyw bezzałogowych jest kwestia bezpieczeństwa funkcjonalnego, określona normami IEC 61508 „Bezpieczeństwo funkcjonalne elektrycznych, elektronicznych, programowalnych układów elektronicznych związanych z bezpieczeństwem” (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 „Urządzenia sterujące, monitorujące i zabezpieczające taboru kolejowego”.
Poziom nienaruszalności bezpieczeństwa 4 (SIL4) jest wymagany do spełnienia wymagań dotyczących pokładowych urządzeń bezpieczeństwa.
Aby zachować zgodność z poziomem SIL-4, wszystkie istniejące urządzenia zabezpieczające lokomotywy są budowane zgodnie z logiką większości, gdzie obliczenia są wykonywane równolegle w dwóch (lub więcej) kanałach z porównaniem wyników w celu podjęcia decyzji.
Jednostka obliczeniowa do przetwarzania danych z czujników na bezzałogowych lokomotywach manewrowych jest również budowana według schematu dwukanałowego z porównaniem wyniku końcowego.
Wykorzystanie czujników wizyjnych, praca w różnych warunkach pogodowych i w różnych środowiskach wymaga nowego podejścia do kwestii udowodnienia bezpieczeństwa pojazdów bezzałogowych.
W 2019 roku norma ISO/PAS 21448 „Pojazdy drogowe. Bezpieczeństwo określonych funkcji (SOTIF). Jedną z głównych zasad tego standardu jest podejście scenariuszowe, które uwzględnia zachowanie systemu w różnych okolicznościach. Łączna liczba scenariuszy to nieskończoność. Głównym celem projektu jest zminimalizowanie obszarów 2 i 3 reprezentujących znane niebezpieczne scenariusze i nieznane niebezpieczne scenariusze.
Rysunek 15 Transformacja skryptu w wyniku rozwoju
W ramach zastosowania tego podejścia specjaliści JSC NIIAS przeanalizowali wszystkie pojawiające się sytuacje (scenariusze) od momentu rozpoczęcia działalności w 2017 roku. Niektóre z sytuacji trudnych do spełnienia w rzeczywistej eksploatacji są opracowywane za pomocą symulatora PKB TsT.
Kwestie regulacyjne
Należy również zająć się kwestiami regulacyjnymi, aby naprawdę przejść do w pełni automatycznego sterowania bez obecności maszynisty w kabinie lokomotywy.
W tej chwili Koleje Rosyjskie zatwierdziły harmonogram realizacji prac nad wsparciem regulacyjnym wdrażania działań mających na celu wprowadzenie systemów automatycznego sterowania taboru kolejowego. Jedną z ważniejszych kwestii jest aktualizacja Regulaminu postępowania w sprawie wewnętrznego postępowania wyjaśniającego i rozliczania wypadków komunikacyjnych powodujących zagrożenie życia lub zdrowia obywateli niezwiązanych z produkcją w transporcie kolejowym. Zgodnie z tym planem w 2021 r. powinien zostać opracowany i zatwierdzony pakiet dokumentów regulujących eksploatację bezzałogowych pojazdów kolejowych.
Posłowie
W tej chwili na świecie nie ma analogów bezzałogowych lokomotyw manewrowych, które działają na stacji Łużskaja. Specjaliści z Francji (firma SNCF), Niemiec, Holandii (firma Prorail), Belgii (firma Lineas) zapoznali się z opracowanym systemem sterowania w latach 2018-2019 i są zainteresowani wdrożeniem takich systemów. Jednym z głównych zadań JSC NIIAS jest rozszerzenie funkcjonalności i replikacja stworzonego systemu zarządzania zarówno na rosyjskich kolejach, jak i dla firm zagranicznych.
Obecnie Koleje Rosyjskie prowadzą również projekt rozwoju bezzałogowych pociągów elektrycznych Lastochka. Na rysunku 16 przedstawiono demonstrację prototypu systemu automatycznego sterowania dla pociągu elektrycznego ES2G Lastochka w sierpniu 2019 r. w ramach. Międzynarodowy Kolejowy Salon Kosmiczny 1520 „PRO//Dvizhenie.Expo”.
Rysunek 16. Demonstracja działania bezzałogowego pociągu elektrycznego w MCC
Stworzenie bezzałogowego pociągu elektrycznego jest znacznie trudniejszym zadaniem ze względu na duże prędkości, znaczną drogę hamowania oraz zapewnienie bezpiecznego wsiadania i wysiadania pasażerów na przystankach. W tej chwili w MCK aktywnie prowadzone są testy. W niedalekiej przyszłości planowane jest opublikowanie artykułu o tym projekcie.
Źródło: www.habr.com