Dezvoltarea tehnologiilor fără pilot pe calea ferată a început cu mult timp în urmă, deja în 1957, când a fost creat primul complex experimental de pilot automat pentru trenuri suburbane. Pentru a înțelege diferența dintre nivelurile de automatizare pentru transportul feroviar, se introduce o gradație, definită în standardul IEC-62290-1. Spre deosebire de transportul rutier, transportul feroviar are 4 grade de automatizare, prezentate în Figura 1.
Figura 1. Grade de automatizare conform IEC-62290
Aproape toate trenurile care operează pe rețeaua de căi ferate rusești sunt echipate cu un dispozitiv de siguranță corespunzător nivelului de automatizare 1. Trenurile cu nivelul de automatizare 2 sunt operate cu succes pe rețeaua feroviară rusă de mai bine de 20 de ani, sunt echipate câteva mii de locomotive. Acest nivel este implementat de algoritmi de control al tracțiunii și de frânare pentru ghidarea optimă din punct de vedere energetic a trenului de-a lungul unui traseu dat, ținând cont de programul și indicațiile sistemelor automate de semnalizare a locomotivei primite printr-un canal inductiv din circuitele de cale. Folosirea nivelului 2 reduce oboseala soferului si ofera un castig in consum de energie si precizie in executarea programului de circulatie.
Nivelul 3 presupune posibila absență a șoferului în cabină, ceea ce necesită implementarea unui sistem de viziune.
Nivelul 4 implică absența completă a unui șofer la bord, ceea ce necesită o schimbare semnificativă a designului locomotivei (tren electric). De exemplu, la bord sunt instalate comutatoare automate, care nu vor mai putea fi armate dacă sunt declanșate fără prezența unei persoane la bord.
În prezent, proiecte pentru atingerea nivelurilor 3 și 4 sunt implementate de companiile de top din lume, precum Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB și altele.
Siemens și-a prezentat proiectul în domeniul tramvaielor fără pilot în septembrie 2018 la expoziția Innotrans. Acest tramvai este în funcțiune în Potsdam cu nivel de automatizare GoA3 din 2018.
Figura 2 Tramvaiul Siemens
În 2019, Siemens și-a dublat lungimea rutei fără pilot.
Russian Railways este una dintre primele companii din lume care a început să dezvolte vehicule feroviare fără pilot. Astfel, în 2015, la stația Luzhskaya a fost lansat un proiect de automatizare a deplasării a 3 locomotive de manevră, unde NIIAS JSC a acționat ca integrator de proiect și dezvoltator de tehnologii de bază.
Crearea unei locomotive fără pilot este un proces complex complex care este imposibil fără cooperarea cu alte companii. Prin urmare, la stația Luzhskaya, împreună cu JSC NIIAS, participă astfel de companii ca:
- SA „VNIKTI” în ceea ce privește dezvoltarea sistemului de control la bord;
- Siemens - în ceea ce privește automatizarea funcționării șantierului de triaj (sistem MSR-32) și automatizarea funcționării mașinilor de împingere;
- SA „Radioavionika” în ceea ce privește sistemele de interblocare cu microprocesor care controlează săgețile, semafoarele;
- PKB TsT - crearea unui simulator;
- Căile Ferate Ruse în calitate de coordonator de proiect.
În prima etapă, sarcina a fost realizarea nivelului 2 de automatizare a traficului, atunci când mecanicul, în condiții normale de organizare a lucrărilor de manevră, nu folosește comenzile locomotivei.
În timpul exploatării locomotivelor de manevră convenționale, controlul traficului se realizează prin transmiterea comenzilor vocale de la dispecer către conducător cu setarea rutelor corespunzătoare (săgeți de întoarcere, aprinderea semafoarelor).
La trecerea la nivelul 2 de automatizare, toate comunicațiile vocale au fost înlocuite cu un sistem de comenzi transmise pe un canal radio digital securizat. Din punct de vedere tehnic, conducerea locomotivelor de manevră la stația Luzhskaya a fost construită pe baza:
- model de stație digitală unificată;
- protocol de control al mișcării locomotivelor de manevră (pentru transmiterea comenzilor și monitorizarea executării acestora);
- interacțiunea cu sistemul electric de interblocare pentru a obține informații despre traseele specificate, poziția săgeților și semnale;
- sisteme de poziţionare pentru locomotive de manevră;
- radio digital de încredere.
Până în 2017, 3 locomotive de manevră TEM-7A au funcționat 95% din timp la stația Luzhskaya într-un mod complet automat, efectuând următoarele operațiuni:
- Mișcare automată de-a lungul unui traseu dat;
- Acces automat la vagoane;
- Cuplare automată cu vagoane;
- Împingerea vagoanelor într-o stație de triaj.
În 2017, a fost lansat un proiect de creare a unui sistem de viziune pentru manevrarea locomotivelor și introducerea telecomenzii în caz de urgență.
În noiembrie 2017, specialiștii SA NIIAS au instalat primul prototip de sistem de viziune pentru locomotive de manevră, format din radare, lidar și camere (Figura 3).
Figura 3 Primele versiuni ale sistemelor de viziune
În cadrul testelor la stația sistemului de viziune Luga în perioada 2017-2018 s-au tras următoarele concluzii:
- Utilizarea radarelor pentru detectarea obstacolelor este nepractică, deoarece calea ferată are un număr semnificativ de obiecte metalice cu reflectivitate bună. Raza de detectare a oamenilor pe fundalul lor nu depășește 60-70 de metri, în plus, radarele au o rezoluție unghiulară insuficientă și este de aproximativ 1 °. Descoperirile noastre au fost ulterior confirmate de rezultatele testelor colegilor de la SNCF (operatorul feroviar francez).
- Lidarurile dau rezultate foarte bune cu un zgomot minim. În caz de ninsoare, ploaie, ceață, există o scădere non-critică a razei de detectare a obiectelor. Cu toate acestea, în 2017, lidarii au fost destul de scumpe, ceea ce a afectat semnificativ performanța economică a proiectului.
- Camerele sunt un element indispensabil al sistemului tehnic de viziune și sunt necesare pentru sarcinile de detectare, clasificare a obiectelor și control de la distanță. Pentru funcționarea pe timp de noapte și condiții meteorologice dificile, este necesar să aveți camere cu infraroșu sau camere cu o gamă extinsă de lungimi de undă capabile să funcționeze în domeniul infraroșu apropiat.
Sarcina principală a vederii tehnice este de a detecta obstacole și alte obiecte în direcția de mers și, deoarece mișcarea se efectuează de-a lungul pistei, este necesar să o detectăm.
Figura 4. Un exemplu de segmentare multiclasă (șină, vagoane) și determinarea axei căii folosind o mască binară
Figura 4 prezintă un exemplu de detectare a urmei. Pentru a determina fără ambiguitate traseul de deplasare de-a lungul săgeților, se folosesc informații a priori despre poziția săgeții, citirile semafoarelor, transmise prin intermediul unui canal radio digital din sistemul de interblocare electrică. În prezent, căile ferate din lume au tendința de a abandona semafoarele și de a trece la sisteme de control prin intermediul unui canal radio digital. Acest lucru este valabil mai ales pentru traficul de mare viteză, deoarece la viteze mai mari de 200 km/h devine dificil să observați și să recunoașteți indicațiile semafoarelor. În Rusia, există două secțiuni operate fără utilizarea semafoarelor - acesta este inelul central al Moscovei și linia Alpika-Service - Adler.
În timpul iernii, pot apărea situații când pista este complet acoperită cu zăpadă și recunoașterea pistei devine aproape imposibilă, așa cum se arată în Figura 5.
Figura 5 Exemplu de pistă acoperită cu zăpadă
În acest caz, devine neclar dacă obiectele detectate interferează cu mișcarea locomotivei, adică dacă sunt pe drum sau nu. La stația Luzhskaya, în acest caz, se utilizează un model digital de înaltă precizie al stației și un sistem de navigație la bord de înaltă precizie.
Mai mult, modelul digital al stației a fost creat pe baza măsurătorilor geodezice ale punctelor de bază. Apoi, pe baza procesării multor pasaje de locomotive cu un sistem de poziționare de înaltă precizie, a fost finalizată o hartă de-a lungul tuturor șinelor.
Figura 6 Model digital de dezvoltare a căii de cale a stației Luzhskoy
Unul dintre cei mai importanți parametri ai sistemului de poziționare la bord este eroarea în calcularea orientării (azimutului) locomotivei. Orientarea locomotivei este necesară pentru orientarea corectă a senzorilor și obiectelor detectate de aceștia. Cu o eroare a unghiului de orientare de 1°, eroarea coordonatelor obiectului în raport cu axa traseului la o distanță de 100 de metri va fi de 1,7 metri.
Figura 7 Influența erorii de orientare asupra erorii de coordonate transversale
Prin urmare, eroarea maximă admisă în măsurarea orientării locomotivei în ceea ce privește unghiul nu trebuie să depășească 0,1°. Sistemul de poziționare la bord în sine constă din două receptoare de navigație cu frecvență dublă în modul RTK, ale căror antene sunt distanțate de-a lungul întregii lungimi a locomotivei pentru a crea o bază lungă, un sistem de navigație inerțial strapdown și o conexiune la senzorii de roată (odometre). Abaterea standard de determinare a coordonatelor locomotivei de manevră nu este mai mare de 5 cm.
În plus, la stația Luzhskaya au fost efectuate studii privind utilizarea tehnologiilor SLAM (lidar și vizuale) pentru a obține date suplimentare de poziție.
Ca urmare, determinarea ecartamentului feroviar pentru locomotivele de manevră la stația Luzhskaya se realizează prin combinarea rezultatelor recunoașterii ecartamentului și a datelor modelului digital de cale ferată pe baza poziționării.
Detectarea obstacolelor este, de asemenea, efectuată în mai multe moduri, pe baza:
- date lidar;
- date de vedere stereo;
- munca rețelelor neuronale.
Una dintre principalele surse de date sunt lidarele, care produc un nor de puncte din scanarea laser. În algoritmii care sunt în funcțiune, sunt utilizați în principal algoritmii clasici de grupare a datelor. Ca parte a cercetării, este verificată eficiența utilizării rețelelor neuronale pentru sarcina de grupare a punctelor lidar, precum și pentru procesarea în comun a datelor lidar și a datelor de la camerele video. Figura 8 prezintă un exemplu de date lidar (un nor de puncte cu reflectivitate diferită) care arată un manechin uman pe fundalul unui vagon de la stația Luzhskaya.
Figura 8. Exemplu de date de la lidar la stația Luzhskaya
Figura 9 prezintă un exemplu de extragere a unui grup dintr-o mașină cu o formă complexă conform datelor a două lidare diferite.
Figura 9. Un exemplu de interpretare a datelor lidar ca un grup dintr-un vagon cu buncăr
Separat, este de remarcat faptul că recent costul lidarilor a scăzut cu aproape un ordin de mărime, iar caracteristicile lor tehnice au crescut. Nu există nicio îndoială că această tendință va continua. Raza de detectare a obiectelor de către lidarii utilizate la stația Luzhskaya este de aproximativ 150 de metri.
O cameră stereo care utilizează un principiu fizic diferit este, de asemenea, utilizată pentru a detecta obstacolele.
Figura 10. Harta diferențelor dintr-o pereche stereo și clustere detectate
Figura 10 prezintă un exemplu de date ale camerei stereo cu detectarea stâlpilor, casetelor și a unui vagon.
Pentru a obține o precizie suficientă a norului de puncte la o distanță suficientă pentru frânare, este necesar să folosiți camere de înaltă rezoluție. Creșterea dimensiunii imaginii crește costul de calcul al obținerii hărții de disparități. Datorită condițiilor necesare resurselor ocupate și timpului de răspuns al sistemului, este necesară dezvoltarea și testarea constantă a algoritmilor și abordărilor pentru extragerea datelor utile din camerele video.
O parte din testarea și verificarea algoritmilor se realizează folosind un simulator de cale ferată, care este dezvoltat de Design Bureau TsT împreună cu SA NIIAS. De exemplu, Figura 11 arată utilizarea unui simulator pentru a testa funcționarea algoritmilor camerei stereo.
Figura 11. A, B - cadre din stânga și din dreapta din simulator; B – vedere de sus a reconstrucției datelor de la o cameră stereo; D - reconstrucția imaginilor camerei stereo din simulator.
Sarcina principală a rețelelor neuronale este detectarea oamenilor, vagoanelor și clasificarea acestora.
Pentru a lucra în condiții meteorologice severe, specialiștii JSC NIIAS au efectuat și teste folosind camere cu infraroșu.
Figura 12. Date de la camera IR
Datele de la toți senzorii sunt integrate pe baza algoritmilor de asociere, unde se estimează probabilitatea existenței obstacolelor (obiectelor).
Mai mult decât atât, nu toate obiectele de pe drum sunt obstacole; atunci când se efectuează operațiuni de manevră, locomotiva trebuie să cupleze automat vagoanele.
Figura 13. Un exemplu de vizualizare a intrării în mașină cu detectarea obstacolelor de către diferiți senzori
Când operați locomotive de manevră fără pilot, este extrem de important să înțelegeți rapid ce se întâmplă cu echipamentul, în ce stare se află. Există și situații când un animal, precum un câine, apare în fața locomotivei. Algoritmii de la bord vor opri automat locomotiva, dar ce să faci în continuare dacă câinele nu iese din drum?
Pentru a controla situația de la bord și a lua decizii în caz de situații de urgență, a fost dezvoltat un panou staționar de telecomandă și control, conceput pentru a funcționa cu toate locomotivele fără pilot din stație. La stația Luzhskaya se află la postul CE.
Figura 14 Control și management de la distanță
La stația Luzhskoy, panoul de control prezentat în Figura 14 controlează funcționarea a trei locomotive de manevră. Dacă este necesar, folosind această telecomandă, puteți controla una dintre locomotivele conectate prin transmiterea informațiilor în timp real (întârzierea nu este mai mare de 300 ms, ținând cont de transmisia de date prin canalul radio).
Probleme de siguranță funcțională
Cea mai importantă problemă în implementarea locomotivelor fără pilot este problema siguranței funcționale, definită de standardele IEC 61508 „Siguranța funcțională a sistemelor electronice electrice, electronice, programabile legate de siguranță” (EN50126, EN50128, EN50129), GOST 33435-2015 „Dispozitive de control, monitorizare și siguranță a materialului rulant feroviar”.
Nivelul de integritate al siguranței 4 (SIL4) este necesar pentru a respecta cerințele pentru dispozitivele de siguranță de la bord.
Pentru a respecta nivelul SIL-4, toate dispozitivele de siguranță existente pentru locomotivă sunt construite conform logicii majoritare, unde calculele sunt efectuate în paralel pe două canale (sau mai multe) cu o comparație a rezultatelor pentru a lua o decizie.
Unitatea de calcul pentru prelucrarea datelor de la senzori de pe locomotivele de manevră fără pilot este, de asemenea, construită conform unei scheme cu două canale cu o comparație a rezultatului final.
Utilizarea senzorilor de vedere, lucrul în diferite condiții meteorologice și în diferite medii necesită o nouă abordare a problemei dovedirii siguranței vehiculelor fără pilot.
În 2019, standardul ISO/PAS 21448 „Vehicule rutiere. Securitatea funcțiilor specificate (SOTIF). Unul dintre principiile principale ale acestui standard este abordarea scenariilor, care ia în considerare comportamentul sistemului în diferite circumstanțe. Numărul total de scenarii este infinit. Scopul principal de proiectare este de a minimiza zonele 2 și 3 care reprezintă scenarii nesigure cunoscute și scenarii nesigure necunoscute.
Figura 15 Transformarea scriptului ca rezultat al dezvoltării
Ca parte a aplicării acestei abordări, specialiștii SA NIIAS au analizat toate situațiile (scenarii) emergente de la începerea funcționării în 2017. Unele dintre situațiile care sunt dificil de îndeplinit în funcționare reală sunt rezolvate folosind simulatorul PKB TsT.
Probleme de reglementare
Problemele de reglementare trebuie, de asemenea, abordate pentru a trece cu adevărat la controlul complet automat fără prezența șoferului în cabina locomotivei.
În acest moment, Căile Ferate Ruse au aprobat un calendar pentru implementarea lucrărilor privind sprijinul de reglementare pentru implementarea măsurilor de introducere a sistemelor de control automat pentru materialul rulant feroviar. Una dintre cele mai importante aspecte este actualizarea Regulamentului privind procedura internă de investigare și contabilizare a accidentelor de transport care au produs prejudicii vieții sau sănătății cetățenilor care nu au legătură cu producția în transportul feroviar. În conformitate cu acest plan, în 2021 ar trebui elaborat și aprobat un pachet de documente care reglementează funcționarea vehiculelor feroviare fără pilot.
postfață
În prezent, nu există analogi ale locomotivelor de manevră fără pilot în lume, care sunt operate la stația Luzhskaya. Specialiști din Franța (compania SNCF), Germania, Olanda (compania Prorail), Belgia (compania Lineas) s-au familiarizat cu sistemul de control dezvoltat în perioada 2018-2019 și sunt interesați de implementarea unor astfel de sisteme. Una dintre sarcinile principale ale SA NIIAS este extinderea funcționalității și replicarea sistemului de management creat atât pe căile ferate rusești, cât și pentru companiile străine.
În acest moment, Căile Ferate Ruse conduce și un proiect de dezvoltare a trenurilor electrice fără pilot Lastochka. Figura 16 prezintă o demonstrație a unui prototip al sistemului de control automat pentru trenul electric ES2G Lastochka în august 2019 în cadrul acestui cadru. Salonul Internațional Feroviar al Spațiului 1520 „PRO//Dvizhenie.Expo”.
Figura 16. Demonstrarea funcționării unui tren electric fără pilot la MCC
Crearea unui tren electric fără pilot este o sarcină mult mai dificilă din cauza vitezelor mari, a distanțelor de frânare semnificative și a asigurării îmbarcării/debarcării în siguranță a pasagerilor în punctele de oprire. În acest moment, testele sunt efectuate în mod activ la MCC. O poveste despre acest proiect este planificată să fie publicată în viitorul apropiat.
Sursa: www.habr.com