Розвиток безпілотних технологій на залізниці розпочався досить давно, вже у 1957 році, коли було створено перший експериментальний комплекс автоведення для приміських поїздів. Для розуміння різниці між рівнями автоматизації для залізничного транспорту запроваджено градацію, визначену у стандарті МЕК-62290-1. На відміну від автомобільного транспорту, залізничний має 4 ступені автоматизації, показані на малюнку 1.
Малюнок 1. Ступені автоматизації відповідно до МЕК-62290
Практично всі поїзди, що експлуатують на мережі ВАТ «РЖД» оснащені пристроєм безпеки, що відповідає рівню автоматизації 1. Поїзди з рівнем автоматіазції 2 вже понад 20 років успішно експлуатуються на мережі залізниць, оснащено кілька тисяч локомотивів. Даний рівень реалізується за рахунок алгоритмів керування тягою та гальмування енергооптимального ведення поїзда по заданому маршруту з урахуванням розкладу та показань систем автоматичної локомотивної сигналізації, що приймаються індуктивним каналом з рейкових ланцюгів. Застосування 2 рівня знижує стомлюваність машиніста і дає виграш з енергоспоживання та точності виконання графіка руху.
Рівень 3 передбачає можливу відсутність машиніста у кабіні, що потребує впровадження системи технічного зору.
Рівень 4 передбачає повну відсутність машиніста на борту, що потребує суттєвої зміни конструкції локомотива (електропоїзда). Наприклад, на борту встановлені автоматичні вимикачі, які неможливо буде звести знову при їх спрацьовуванні без присутності людини на борту.
На даний момент проекти з досягнення рівнів 3 та 4 реалізують провідні компанії світу, такі як Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB та інші.
Компанія Siemens представила свій проект у галузі безпілотних трамваїв у вересні 2018 року на виставці Innotrans. Цей трамвай експлуатується в Потсдамі з рівнем автоматизації GoA3 з 2018 року.
Малюнок 2 Трамвай компанії Siemens
У 2019 році Siemens збільшив довжину безпілотного маршруту більш ніж у 2 рази.
Компанія ВАТ “РЖД” одна з перших у світі розпочала розробку безпілотних залізничних транспортних засобів. Так, на станції Лузькій у 2015 році стартував проект з автоматизації руху 3-х маневрових локомотивів, де АТ «НДІАС» виступив інтегратором проекту та розробником базових технологій.
Створення безпілотного локомотива – складний комплексний процес, неможливий без кооперації з іншими компаніями. Тому на станції Лузькій спільно з АТ «НДІАС» беруть участь такі компанії як:
- АТ «ВНІКТІ» щодо розробки бортової системи управління;
- Siemens – у частині автоматизації роботи сортувальної гірки (система MSR-32) та автоматизації виконання операції насуву вагонів;
- АТ «Радіоавіоніка» в частині систем мікропроцесорної централізації, що керує стрілками, світлофорами;
- ПКБ ЦТ - створення симулятора;
- ВАТ «РЖД» у ролі координатора проекту.
На першому етапі стояло завдання досягнення рівня 2 автоматизації руху, коли машиніст за штатних умов організації маневрової роботи не використовує органи управління локомотивом.
При експлуатації звичайних маневрових локомотивів керування рухом здійснюється за допомогою передачі голосових команд від диспетчера до машиніста із завданням відповідних маршрутів (переведенням стрілок, включенням сигналів світлофорів).
При переході до рівня 2 автоматизації все голосове спілкування було замінено на систему команд, що передаються цифровим захищеним радіоканалом. Технічно управління маневровими локомотивами на станції Лузькій було побудовано на базі:
- єдиної цифрової моделі станції;
- протоколу управління рухом маневрових локомотивів (для відправки команд та контролю виконання);
- взаємодії з системою електричної централізацією для отримання інформації про задані маршрути, положення стрілок та сигналів;
- системи позиціонування маневрових локомотивів;
- надійного цифрового радіозв'язку.
До 2017 року 3 маневрові локомотиви ТЕМ-7А 95% часу працювали на станції Лузькій у повністю автоматичному режимі, виконуючи наступні операції:
- Автоматичний рух заданим маршрутом;
- Автоматичний під'їзд до вагонів;
- Автоматична зчіпка із вагонами;
- Насув вагонів на сортувальну гірку.
У 2017 році було запущено проект зі створення системи технічного зору для маневрових локомотивів та впровадження дистанційного керування у разі позаштатних ситуацій.
У листопаді 2017 року фахівці АТ «НДІАС» встановили перший прототип системи технічного зору на маневрові локомотиви, що складається з радарів, лідара та камер (рисунок 3).
Рисунок 3 Перші версії систем технічного зору
У ході випробувань на станції Лузької системи технічного зору у 2017 – 2018 роках було зроблено такі висновки:
- Застосування радарів для виявлення перешкод недоцільно, оскільки залізниця має значну кількість металевих об'єктів з гарною відбивною здатністю. Дальність виявлення людей на їх тлі не перевищує 60-70 метрів, крім того, у радарів недостатня кутова роздільна здатність і становить близько 1 °. Наші висновки були згодом підтверджені результатами випробувань колег із SNCF (французький залізничний оператор).
- Лідари дають дуже добрі результати з мінімальною кількістю шумів. У разі снігопаду, дощу, туману спостерігається не критичне зменшення дальності виявлення об'єктів. Проте, у 2017 році лідар коштував досить дорого, що значно впливало на економічні показники проекту.
- Камери є обов'язковим елементом системи технічного зору і необхідні завданням виявлення, класифікації об'єктів, і навіть дистанційного управління. Для роботи в нічний час та складних погодних умовах необхідно мати інфрачервоні камери або камери з розширеним діапазоном довжин хвиль, здатні працювати в ближньому інфрачервоному діапазоні.
Основним завданням технічного зору є виявлення перешкод та інших об'єктів по ходу руху, оскільки рух здійснюється по колії, то необхідно її виявляти.
Малюнок 4. Приклад багатокласової сегментації (колію, вагони) та визначення осі колії по бінарній масці
На малюнку 4. наведено приклад виявлення колії. Для того, щоб однозначно визначити маршрут руху за стрілками, використовується апріорна інформація про положення стрілки, показання світлофорів, що передається цифровим радіоканалом від системи електричної централізації. На даний момент на залізницях світу йде тенденція відмови від світлофорів і перехід на системи управління цифровим радіоканалом. Особливо це стосується високошвидкісного руху, тому що на швидкостях понад 200 км/год стає складно помітити та розпізнати показання світлофорів. У Росії існує дві ділянки, які експлуатуються без застосування прохідних світлофорів – це Московське центральне кільце та лінія Альпіка-Сервіс – Адлер.
У зимовий період можуть виникнути ситуації, коли колія знаходиться повністю під сніговим покривом і розпізнавання колії стає практично неможливим, як показано на малюнку 5.
Рисунок 5 Приклад колії, покритої снігом
У такому разі стає не зрозумілим, чи заважають виявлені об'єкти руху локомотива, тобто перебувають вони на шляху чи ні. На станції Лузька у такому разі застосовується високоточна цифрова модель станції та високоточна бортова система навігації.
Причому цифрова модель станції створювалася з урахуванням геодезичних вимірів базових точок. Потім на основі обробки безлічі проїздів локомотивів з високоточною системою позиціонування добудовувалася карта всіма шляхами.
Рисунок 6 Цифрова модель колійного розвитку станції Лузької
Одним із найважливіших параметрів для бортової системи позиціонування є похибка обчислення орієнтації (азимуту) локомотива. Орієнтація локомотива необхідна правильної орієнтації сенсорів і об'єктів ними виявленими. При похибці кута орієнтації 1° похибка координат об'єкта щодо осі колії на відстані 100 метрів складе 1,7 метра.
Рисунок 7 Вплив похибки орієнтації на поперечну помилку координат
Тому максимально допустима похибка вимірювання орієнтації локомотива по куту має перевищувати 0,1°. Сама бортова система позиціонування складається з двох двочастотних навігаційних приймачів у режимі RTK, антени яких рознесені на всю довжину локомотива для створення довгої бази, безплатформної інерційної навігаційної системи та підключення до колісних датчиків (одометрів). Середньоквадратичне відхилення визначення координат маневрового локомотива становить трохи більше 5 див.
Додатково на станції Лузькій проводилися дослідження з використання технологій SLAM (лідарних та візуальних) для отримання додаткових даних про місцезнаходження.
У результаті визначення залізничної колії для маневрових локомотивів на станції Лузької здійснюється шляхом комплексування результатів розпізнавання колії та даних цифрової моделі колії на основі позиціонування.
Виявлення перешкод також здійснюється декількома способами на основі:
- лідарних даних;
- даних стереогляду;
- роботи нейронних мереж.
Одним з основних джерел даних є лідари, що видають хмару точок від лазерного сканування. У алгоритмах, що у експлуатації, переважно використовуються класичні алгоритми кластеризації даних. В рамках досліджень перевіряється ефективність застосування нейронних мереж для задач кластеризації лідарних точок, а також для спільної обробки лідарних даних і даних з відеокамер. На малюнку 8 показаний приклад лідарних даних (хмара точок з різною рефлексивністю) з відображенням манекена людини на фоні вагона на Лузькій станції.
Рисунок 8. Приклад даних із лідара на станції Лузькій
На малюнку 9 наведено приклад виділення кластера від вагона складної форми за даними двох різних лідерів.
Рисунок 9. Приклад інтерпретації лідарних даних як кластера від вагона-хоппера
Окремо варто зазначити, що останнім часом вартість лідерів упала практично на порядок, а їхні технічні характеристики зросли. Немає жодних сумнівів, що ця тенденція збережеться. Дальність виявлення об'єктів лідерами, які застосовуються на станції Лузькій, становить близько 150 метрів.
Також для виявлення перешкод використовується стереокамера, яка використовує інший фізичний принцип.
Малюнок 10. Мапа диспаратності від стереопари та виявлені кластери
На малюнку 10 наведено приклад даних стереокамери з виявленням стовпів, колійних ящиків та вагона.
Для того, щоб отримати достатню точність хмари точок на достатній для гальмування дистанції, необхідно використовувати камери високої роздільної здатності. Збільшення розміру зображення підвищує обчислювальні витрати отримання карти диспаратності. У зв'язку з необхідними умовами щодо займаних ресурсів та часу реакції системи, необхідно постійно розробляти та тестувати алгоритми та підходи для вилучення корисних даних із відеокамер.
Частина випробувань та перевірки алгоритмів проводиться з використанням залізничного симулятора, який розробляється ПКБ ЦТ спільно з АТ «НДІАС». Наприклад, малюнку 11 показано застосування симулятора для перевірки роботи алгоритмів стереокамери.
Малюнок 11. А, Б - лівий та правий кадри з симулятора; В – вид зверху на реконструкцію даних від стереокамери; Г - реконструкція зображень стереокамери із симулятора.
Основне завдання нейронних мереж – це детектування людей, вагонів та їх класифікація.
Для роботи у важких погодних умовах фахівці АТ «НДІАС» також проводили випробування із застосуванням інфрачервоних камер.
Малюнок 12. Дані з ІЧ камери
Дані всіх сенсорів комплексуються з урахуванням алгоритмів асоціації, де оцінюється ймовірність існування перешкод (об'єктів).
Причому не всі об'єкти на заваді є перешкодами, при виконанні маневрових операцій локомотив повинен виконувати автоматично зчіпку з вагонами.
Рисунок 13. Приклад візуалізації під'їзду до вагона з виявлення перешкод різними сенсорами
При експлуатації безпілотних маневрових локомотивів дуже важливо оперативно розуміти, що відбувається з технікою, в якому вона стані. Також можливі ситуації, коли перед локомотивом з'явиться тварина, наприклад, собака. Бортові алгоритми автоматично зупинять локомотив, але що робити далі, якщо собака не піде зі шляху?
Для контролю ситуації на борту та ухвалення рішення у разі позаштатних ситуацій розроблено стаціонарний пульт дистанційного контролю та управління, призначений для роботи з усіма безпілотними локомотивами на станції. На станції Лузька він розміщений на посаді ЕЦ.
Малюнок 14 Пульт дистанційного контролю та управління
На станції Лузький пульт, зображений малюнку 14, контролює роботу трьох маневрових локомотивів. За потреби за допомогою даного пульта можна здійснювати керування одним із підключених локомотивів за допомогою передачі інформації в реальному часі (затримка не більше 300 мс з урахуванням передачі по радіоканалу).
Питання функціональної безпеки
Найважливішим питанням при впровадженні безпілотних локомотивів є питання функціональної безпеки, що визначається стандартами МЕК 61508 «Функціональна безпека систем електричних, електронних, програмованих електронних, пов'язаних з безпекою» (EN50126, EN50128, EN50129), ГОСТ 33435-2015 рухомого складу" .
Відповідно до вимог до бортових пристроїв безпеки необхідно забезпечити рівень повноти безпеки 4 (SIL4).
Для відповідності рівню SIL-4, всі існуючі локомотивні пристрої безпеки побудовані за мажоритарною логікою, де обчислення паралельно виконуються у двох каналах (або більше) з порівнянням результатів для прийняття рішення.
Обчислювальний блок обробки даних із сенсорів на безпілотних маневрових локомотивах також побудований за двоканальною схемою з порівнянням підсумкового результату.
Застосування сенсорів технічного зору, робота за різних погодних умов та в різних навколишніх умовах вимагає нового підходу до питання доказу безпеки роботи безпілотних транспортних засобів.
У 2019 році вийшов стандарт ISO/PAS 21448 «Дорожні транспортні засоби. Безпека заданих функцій» (SOTIF). Одним із основних принципів цього стандарту є сценарний підхід, де розглядається поведінка системи у різних обставинах. Загальна кількість сценаріїв є нескінченністю. Основним завданням розробки є мінімізація областей 2 і 3, які представляють відомі небезпечні сценарії та невідомі небезпечні сценарії.
Малюнок 15 Перетворення сценаріїв у результаті розробки
У рамках застосування цього підходу фахівці АТ «НДІАС» проаналізували всі ситуації (сценарії), що виникають, з моменту початку експлуатації в 2017 році. Частина ситуацій, які складно зустріти під час реальної експлуатації, відпрацьовується із застосуванням симулятора ПКБ ЦТ.
Питання нормативного регулювання
Для того щоб повністю перейти на повністю автоматичне керування без присутності машиніста в кабіні локомотива необхідно також вирішити питання нормативного регулювання.
Наразі ВАТ «РЖД» затверджено план-графік виконання робіт з нормативного забезпечення реалізації заходів щодо впровадження систем управління залізничним рухомим складом в автоматичному режимі. Одним із найважливіших питань є актуалізація Положення про порядок службового розслідування та обліку транспортних пригод, що спричинили заподіяння шкоди життю чи здоров'ю громадян, не пов'язаних із виробництвом на залізничному транспорті. Відповідно до цього плану у 2021 році має бути розроблено та затверджено пакет документів, що регламентує роботу безпілотних залізничних транспортних засобів.
Післямова
На даний момент у світі немає аналогів безпілотних маневрових локомотивів, які експлуатуються на станції Лузькій. Фахівці з Франції (компанія SNCF), Німеччини, Голландії (компанія Prorail), Бельгії (компанія Lineas) у 2018-2019 роках знайомилися з розробленою системою управління та зацікавлені у впровадженні таких систем. Однією з основних завдань АТ “НИИАС” є розширення функціоналу і тиражування створеної системи управління як у російських залізницях, так іноземних компаній.
На даний момент ВАТ «РЖД» також веде проект з розробки безпілотних електропоїздів «Ластівка». На малюнку 16 показано демонстрацію прототипу системи автоматичного керування електропоїзда ЕС2Г «Ластівка» у серпні 2019 року в рамках. Міжнародного залізничного салону простору 1520 «PRO//Рух.Експо».
Малюнок 16. Демонстрація роботи безпілотного електропоїзда на МЦК
Створення безпілотного електропоїзда є набагато складнішим завданням через великі швидкості руху, значний гальмівний шлях, забезпечення безпечної посадки/висадки пасажирів на зупинкових пунктах. На даний момент активно ведуться випробування на МЦК. Розповідь про цей проект планується опублікувати у найближчому майбутньому.
Джерело: habr.com