Локомотив без машиниста

Российские производители тепловозов готовятся к серийному производству маневровых беспилотников

На станции Лужская Октябрьской дороги проходит тестирование системы автоматического управления маневровыми локомотивами-беспилотниками. Оценки и предложения сотрудников, работающих с этими машинами, помогут к концу 2022 года дооснастить локомотивы дополнительными модулями автоматического управления, а в перспективе перейти на полностью беспилотное вождение. Сейчас пока присутствие машиниста в кабине локомотива обязательно.

Технологию управления локомотивом без машиниста начали применять в сортировочной системе станции Лужская в 2017 году, она охватывает полный цикл роспуска составов в парке приёма на сортировочной горке.

В основе этой технологии – система маневровой автоматической локомотивной сигнализации без машиниста МАЛС БМ, которой были дооснащены стандартные тепловозы ТЭМ7А. Система работает на радиоуправлении, приводит в движение механизмы локомотива, за счёт которых он движется. Горочный локомотив-беспилотник работает по стандартному алгоритму манёвров, то есть заезжает под состав и надвигает его на горку, откуда и происходит роспуск вагонов. Скорость заезда, сцепку локомотива с составом, усилие по надвигу, скорость движения и остановку регулируют бортовые системы управления.

«На станции эксплуатируются три тепловоза, работающих на дистанционном управлении, это ТЭМ7А с номерами 534, 542 и 543, совокупно они распускают до 40 поездов в сутки», – сказал заместитель начальника станции Лужская по сортировочной системе Александр Коростов.

Сейчас на Лужской работают над внедрением технологии обслуживания беспилотниками парков формирования и отправления. Будут реализованы операции, где требуется движение локомотива вагонами вперёд. Эти операции будут выполнены за счёт установки стационарных комплексов обнаружения препятствий. Это экономически целесообразнее, чем размещение комплексов непосредственно на вагонах. Комплексы будут обнаруживать препятствия, контролировать заполняемость вагонами путей, определять расстояние между локомотивом и вагонами. Обычно это расстояние равно длине автосцепки. Но существует целый ряд случаев, когда, к примеру, вагоны едут с горки и не доезжают 3–4 м, тогда расстояние между локомотивом и вагонами не равно автосцепке. Расширение системы автоматического управления на новые парки с дооснащением локомотивов планируется завершить до конца 2022 года.

Однако та технология, что применяется на станции Лужская, не абсолютно беспилотная. В кабине беспилотников по-прежнему дежурит машинист. Это связано с тем, что в Правилах технической эксплуатации железных дорог РФ (ПТЭ) прописано, что локомотивом должен управлять машинист.

Как сообщил заместитель начальника технического отдела Октябрьской дирекции тяги Павел Никулушкин, Центральная дирекция тяги неоднократно обращалась в Министерство транспорта РФ с просьбой пересмотреть ряд пунктов ПТЭ, чтобы позволить беспилотникам работать без обязательного присутствия машиниста в кабине оборудованных системой «автомашинист» тепловозов. Сейчас Минтранс согласовал дорожную карту № 675 по изменению отраслевой нормативной базы. Эта дорожная карта за подписью заместителя генерального директора – главного инженера ОАО «РЖД» Сергея Кобзева даёт право Департаменту технической политики ОАО «РЖД» скорректировать нормативно-правовые акты, включая ПТЭ, отметил Павел Никулушкин.

В АО «НИИАС», который курирует использование беспилотных проектов на станции Лужская, считают, что технология управления локомотивом без машиниста доказала свою эффективность. Сейчас идёт работа с производителями тяговой техники – компаниями «Синара» и ТМХ по разработке тепловозов, которые изначально будут строиться с функцией «автомашинист». Уже определены наименования серии таких локомотивов – ТЭМ14 и ТЭМ23.

Согласно Техническим требованиям ОАО «РЖД» эти машины будут создаваться по новым принципам. Так, на маневровом локомотиве с функцией «автомашинист» должны быть предусмотрены места крепления бортовой аппаратуры системы автоведения. Устройства модуля обнаружения препятствий будут устанавливаться заводом-производителем на маневровых локомотивах сразу, а не дооборудоваться, как это происходило раньше, в случае тех трёх беспилотников, которые эксплуатируются сейчас на Лужской.

Новые технологии управления поездами позволяют наращивать пропускную способность железных дорог и экономить энергоресурсы. Об этом сообщает железнодорожный журнал Railway Supply

Развитие беспилотных технологий на железнодорожном транспорте имеет уже достаточно давнюю историю. Активные испытания беспилотных поездов проводились в ряде стран еще в конце 1940-х годов. Первые образцы автомашиниста для поездов пригородного сообщения за рубежом появились в середине 1960-х, например, в Сан-Франциско (США).

Сегодня беспилотные пассажирские поезда курсируют в 20-странах мира. В первую десятку крупнейших по протяженности беспилотных железнодорожных линий входят такие города, как Дубай (80 км), Ванку- вер (68 км), Сингапур (65 км), за ними Лилль, Пусан, Париж, Куала-Лумпур, Тулуза; дальше Тайбэй и Токио (по 25 км). В Париже, например, работает специальная линия метро, на которой автоматически управляемые поезда осуществляют сообщение между аэропортом «Орли» и станцией экспресс-метро (RER) «Антони» на линии «В». В течение года перевозится около 2,5 млн. пассажиров. Каждый поезд состоит из двух вагонов, передвигающихся на резиновых шинах. Они были разработаны компанией Matra в 1971 году и впервые введены в эксплуатацию в городе Лилль.

В Ванкувере действует система легкого метро SkyTrain. Это самая протяженная в мире система скоростного транспорта с полностью автоматизированным управлением. Еще один пример внедрения таких технологий — копенгагенская подземка. Она уникальна тем, что в поездах метро нет машиниста, а управление происходит благодаря полностью автоматизированной системе ATC, которая обеспечивает четкий контроль расстояния между поездами.

Первый беспилотный состав в Великобритании будет курсировать между городами Питерборо и Хоршам недалеко от Лондона. Инициатором проекта является британская компания Thameslink Railway, которая обслуживает одноименную железную дорогу. Автоматизированная работа с использованием новой цифровой системы сигнализации позволит гораздо большему количеству поездов проходить через перегруженные пути в центре Лондона, что позволит ежедневно дополнительно перевозить в часы пик 60 тысяч пассажиров. Однако, несмотря на полную автоматизацию, в кабине все равно будет находиться машинист — он будет следить за работой автоматической системы, а также будет открывать и закрывать двери перед пассажирами. Прежде чем запустить проект, разработчики испытывали его в течение полутора лет. А в целом работа над запуском беспилот- ного поезда заняла примерно пять лет и стоила семь миллиардов фунтов стерлингов (это около € 8 млрд).

В последние годы увеличивается интерес к внедрению беспилотных технологий и на грузовом железнодорожном транспорте.

Так, в прошлом году англо-австралийская промышленная компания Rio Tinto успешно завершила испытания автономных грузовых поездов. Составы, которыми специалисты управляли удаленно, прошли около 100 км. Это важный этап проекта AutoHaul, который начал свою работу в конце 2018 года. Компания Rio Tinto — один из крупнейших в мире экспортеров железной руды. В Пилбари в ее распоряжении железнодорожная сеть протяженностью 1700 км, а также около 200 локомотивов, перевозящих железную руду с 16 месторождений до четырех портовых терминалов. Rio Tinto видит преимущества AutoHaul в увеличении скоростей поездов и меньшем количестве остановок — это сократило среднее время в пути более чем на час. Также ожидается увеличение безопасности перевозок за счет автоматической реакции беспилотных локо- мотивов на аварийные огни и ограничения скорости. Конечной целью компании является создание первой в мире полностью автономной магистральной железнодорожной сети дальнего следования.

Разработкой беспилотного грузового поезда занимается также французская компания Alstom в сотрудничестве с нидерландскими ProRail и Rotterdam Rail Feeding. Alstom начала разрабатывать системы автоматизации поездов еще с 70-х годов прошлого века. Компания совершенствовала вагоны метро тех стран, которым поставляла свою продукцию. Впоследствии завод автоматизировал и наземный транспорт. Например, была установлена система автоматизации в электричках Парижа. Однако перед созданием полноценного беспилотного грузового поезда, специалисты должны были учесть несколько важных моментов — интеграцию автономных поездов в уже имеющиеся железнодорожные пути, возможность внезапного изменения погодных условий и наличие непредвиденных ситуаций. Например, опасные действия со стороны водителей других транспортных средств. Поезда-беспилотники, по мнению разработчиков, позволят экономить энергию и точнее соблюдать график движения. Планируется, что первая автоматизированная линия соединит порт Роттердама со станцией CUP Valburg на востоке Голландии. На этом отрезке поезд будет проходить 100 километров без помощи машиниста.

Беспилотные грузовые и пассажирские поезда позволяют сократить время в пути за счет увеличения средней и максимальной скорости движения и исключают вероятность аварий из-за физической усталости машиниста. Сейчас поезда в некоторых случаях могут сильно выбиваться из графика движения, что создает вероятность сбоя и даже транспортного коллапса на железнодорожном направлении. Благодаря использованию центрального узла управления с искусственным интеллектом такие ситуации маловероятны.

Технологически система беспилотного управления поездами развивается в двух основных направлениях. Это с одной стороны автопилот, который устанавливается в самом поезде. И с другой стороны — «умная» инфраструктура, которая помогает поезду передвигаться без человека. Реализация этих технологий дает ощутимый эффект. При реализации беспилотных технологий количество обслуживающего персонала снижается на 40-50%, а объем перевозок повышается за счет рационального использования железнодорожного транспорта. Новые технологии управления поездами позволяют наращивать провозную способность железных дорог и экономить энергоресурсы. Они значительно облегчают труд машинистов, повышают безопасность движения и способствуют инновационному развитию отрасли.

Лучшие посты за сегодня

Евгений Разумный / Ведомости

РЖД перешла к испытаниям четвертого, максимального, уровня автоматизации движения электропоезда, при котором не требуется присутствие машиниста в кабине: подвижной состав управляется либо дистанционно оператором-машинистом, либо автоматически. Об этом рассказал заместитель генерального директора Научно исследовательского и проектно-конструкторского института информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (НИИАС) Павел Попов.

Согласно ГОСТ Р «Системы управления и контроля железнодорожного транспорта для перевозок пассажиров в пригородном сообщении», существует пять уровней автоматизации (УА), которые определяют способность автоматизированной системы выполнять возложенный на нее функционал программно-аппаратными средствами: УА0 – отсутствие автоматизации, УА1 – частичная автоматизация, УА2 – условная автоматизация, УА3 – высокая автоматизация и УА4 – полная автоматизация.

По словам Попова, на уровне УА3 внедряется бортовое техническое зрение, основанное на системе искусственного интеллекта, благодаря чему у машиниста появляется больше свободы и улучшается контроль за обстановкой на путях перед поездом.

Поезда с УА3 снабжены различными интеллектуальными элементами, которые необходимы для обеспечения эффективной работы системы принятия решений при управлении поездом, одна из которых – комплекс технического зрения. Сложная система, прошедшая несколько этапов обучения – от распознавания объектов и препятствий до скорости реакции на обнаружение потенциально опасного объекта на пути (она должна реагировать быстрее, чем человек).

По словам Попова, параметры реакции системы можно определить экспериментальным путем, но во время исследования важными факторами, кроме расстояния, являются атмосферная видимость, освещенность и наличие светоотражающей индикации на пешеходе, автомобиле или любом другом объекте.

Попов рассказал, что на специальном полигоне им удалось определить, что днем машинист видит на расстоянии 600–800 м, ночью – на 300–400 м: такая дальность обнаружения объектов ограничена работой прожектора поезда, который светит примерно на такое расстояние. При этом дальность обнаружения также зависит от размера предмета. Если пешеход сидит на рельсах, то днем его видно за 500 м, а если лежит, то за 200 м.

Также на обнаружение объектов серьезное воздействие оказывают погодные условия – туман, солнечная погода, дождь, блики солнца и т. д. Поэтому представители НИИАС «тренировали» систему при помощи 10 манекенов (человека, мелкого и крупного животного, мотоциклиста, велосипедиста) на полигонах в Щербинке при различных погодных условиях.

На сегодняшний день системы технического зрения НИИАС способны распознавать объекты на расстоянии 600–750 м и уже начались работы, чтобы эту дистанцию увеличить до 1 км.

Сейчас НИИАС работает над уровнем автоматизации электропоезда УА4, при котором управление осуществляется в полностью автоматическом режиме без присутствия машиниста в кабине поезда. Особенность УА4 в том, что вся электрика, тормозная система и другие агрегаты, управление которыми обычно осуществляется машинистом в ручном режиме, должны управляться либо автоматически, либо дистанционно. Один оператор-машинист контролирует работу четырех поездов и в случае возникновения нештатной ситуации может взять управление любым из них на себя. Сейчас его рабочее место визуально напоминает кабину поезда, в которую передаются видео со всех камер и показания со всех датчиков. При этом для удобства тумблеры на пульте управления заменены на кнопки. Здесь же, например, есть привычные для машиниста джойстики тяги и торможения. В работе вторая версия пульта управления более напоминает рабочее место в офисе.

По словам Попова, помимо технического зрения, в беспилотном поезде присутствует много различных подсистем, влияющих на эксплуатацию электропоездов и действия в случае нештатных ситуаций. Например, создана система высокоточного позиционирования, позволяющая остановить поезд ровно возле платформы, или система контроля посадки-высадки пассажиров, не допускающая отправления поезда в момент, когда пассажир попал в пространство между поездом и платформой, или при зажатии кромки одежды пассажира дверьми.

«В начале 2022 г. мы начали разработку 39 сценариев действий сотрудников РЖД в случае штатных и нештатных ситуаций на беспилотном поезде. К 1 сентября они были приняты и согласованы. Мы потратили много времени, чтобы продумать все возможные варианты, написать и согласовать действия всех систем и участников перевозочного процесса», – отметил Попов.

Например, в случае обнаружения пожара машина связывается с машинистом-оператором, он переводит управление составом в дистанционный режим и далее принимает решение в зависимости от ситуации, например высадить людей сейчас или доехать до платформы и только после этого выпустить людей. При этом высадка людей в тоннеле невозможна, и в случае возникновения нештатной ситуации на борту поезда придется из него выехать и только после этого остановиться. Кроме того, машинист-оператор вызовет пожарный расчет и другие экстренные службы, в случае если информация о возгорании подтвердится.

Помимо датчиков и камер на самих поездах, РЖД разворачивает сеть стационарных комплексов обнаружения препятствий. Они нужны в зонах ограниченной видимости. Согласно проведенному анализу, на МЦК порядка 50 мест требуют установки такого оборудования, данные с которого приходят сначала в дата-центр, а после – в интеллектуальную систему управления поездом.

Аналогичная работа по оснащению поездов интеллектуальными системами и системами технического зрения, позволяющими управлять поездом в беспилотном режиме, идет в разных странах мира. В некоторых уже начата эксплуатация поездов, которые работают на четвертом уровне автоматизации. Например, в Западной Австралии на железнодорожной сети компании Rio Tinto курсируют одновременно до 50 беспилотных тяжеловесных поездов. В состав каждого поезда длиной 2,4 км и массой 28 000 т входит 240 вагонов и одновременно два-три локомотива. Поезда перевозят руду из 16 принадлежащих Rio Tinto шахт в четыре терминала двух портов – Дампьер и на мысе Ламберт. Каждый поезд совершает поездку между рудником и портом в среднем за 40 ч, преодолевая расстояние в 800 км. Погрузка и разгрузка вагонов поезда осуществляются в автоматическом режиме, ручное управление с участием машиниста требуется только при следовании поезда по территории порта.

Одна из самых продвинутых мировых систем принадлежит израильской компании RailVision. Ее разработчики заявляют, что видят препятствия на расстоянии от 1000 до 1500 м. Однако, по словам Попова, пока отзывы о работе этой системы не обходятся без нареканий.

«Чем больше дистанция, тем меньше угол обзора и тем хуже система работает в поворотах», – отметил он.

Основная проблема при разработке систем технического зрения заключается в отсутствии стандартов по определению требований обнаружения препятствий. Это означает, что одни разработчики могут производить измерение в идеальных условиях, например в депо с хорошо различимым объектом, а другие – на полигоне в условиях тумана. Поэтому в России разрабатываются стандарты, регулирующие проведение испытаний в автоматическом и дистанционном режимах, сообщил Попов.

Причина, по которой все стремятся начать использовать беспилотные поезда, заключается в том, что, во-первых, для их работы необходимо меньшее количество штатных работников при повышении безопасности перевозочного процесса, а это существенная экономия. Во-вторых, система автоматического управления позволяет увеличить пропускную способность до 10–30% по сравнению с поездом, который управляется человеком.

«Система автоматического управления ведет электропоезд ровно в соответствии с установленной скоростью. Если установлена скорость 40 км/ч, то поезд так и будет ехать, а машинист во избежание превышения чуть снизит эту скорость. Мы анализировали статистику движения машинистами поезда с автоведением. Данные показали, что система автоматического ведения выигрывает по времени», – резюмировал Попов.

По его словам, система технического зрения в будущем будет срабатывать лучше, чем человеческое зрение при обнаружении препятствий, а значит, улучшится безопасность пешеходов и пассажиров.

По мнению главного аналитика ассоциации «Цифровой транспорт и логистика» Андрея Ионина, самое главное для компании – понять экономическую целесообразность внедрения беспилотных систем.

«Нужно смотреть не возможности технологий, а как они улучшают бизнес-модели. Бизнес интересует, насколько снизится себестоимость перевозки при использовании беспилотного транспорта, – подчеркивает Ионин. – До создания регуляторного поля запустить массовую эксплуатацию беспилотных технологий можно благодаря созданию «регуляторных песочниц». Необходимо смотреть эффективность не на единичных показателях, а при массовой эксплуатации».

Массовой эксплуатацией беспилотных поездов можно назвать достижение точки, когда 50% поездов управляются дистанционно и 50% – машинистом в кабине, полагает Ионин. Это позволит отработать новую экономическую модель. «Бизнес тоже должен будет перестроить свои процессы: изменить техобслуживание, алгоритм охраны и т. д. И в случае с поездами нужно будет смотреть, надо ли будет убирать человека из кабины или выгоднее делать системы помощи машинисту», – считает Ионов.

Вопросы функциональной безопасности

Важнейшим вопросом при внедрении беспилотных локомотивов является вопрос функциональной безопасности, определяемой стандартами МЭК 61508 «Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью» (EN50126, EN50128, EN50129), ГОСТ 33435-2015 «Устройства управления, контроля и безопасности железнодорожного подвижного состава» .

В соответствии с требованиями к бортовым устройствам безопасности необходимо обеспечить уровень полноты безопасности 4 (SIL4).

Для соответствия уровню SIL-4 все существующие локомотивные устройства безопасности построены по мажоритарной логике, где вычисления параллельно выполняются в двух каналах(или более) со сравнением результатов для принятия решения.

Вычислительный блок обработки данных с сенсоров на беспилотных маневровых локомотивах также построен по двухканальной схеме со сравнением итогового результата.

Применение сенсоров технического зрения, работа при различных погодных условиях и в разной окружающей обстановки требует нового подхода к вопросу доказательства безопасности работы беспилотных транспортных средств.

В 2019 году вышел стандарт ISO/PAS 21448 «Дорожные транспортные средства. Безопасность заданных функций» (SOTIF). Одним из основных принципов данного стандарта является сценарный подход, где рассматривается поведение системы в различных обстоятельствах. Общее количество сценариев представляет собой бесконечность. Основной задачей при разработке является минимизация областей 2 и 3, представляющих известные небезопасные сценарии и неизвестные небезопасные сценарии.

Рисунок 15 Преобразование сценариев в результате разработки

В рамках применения данного подхода специалисты АО «НИИАС» проанализировали все возникающие ситуации (сценарии) с момента начала эксплуатации в 2017 году. Часть ситуаций, которые сложно встретить при реальной эксплуатации, отрабатывается с применением симулятора ПКБ ЦТ.

Вопросы нормативного регулирования

Для того чтобы действительно полностью перейти на полностью автоматическое управление без присутствия машиниста в кабине локомотива необходимо также решить вопросы нормативного регулирования.

В настоящий момент ОАО «РЖД» утвержден план-график выполнения работ по нормативному обеспечению реализации мероприятий по внедрению систем управления железнодорожным подвижным составом в автоматическом режиме. Одним из важнейших вопросов является актуализация Положения о порядке служебного расследования и учета транспортных происшествий, повлекших причинение вреда жизни или здоровью граждан, не связанных с производством на железнодорожном транспорте. В соответствии с данным планом в 2021 году должен быть разработан и утвержден пакет документов, регламентирующий работу беспилотных железнодорожных транспортных средств.

Может ли поезд перевозить пассажиров, а локомотив
сортировать вагоны — без машиниста?

В следующем году на сертификацию поступит новая
«Ласточка». Этот поезд автоматизирован настолько,
что фактически может следовать без машиниста.

Всеми процессами может управлять автоматика, а
задача удаленного оператора — приглядывать за
происходящим. Поезд должен перевозить пассажиров в
автоматическом режиме и уметь реагировать на
препятствия.

Послесловие

В настоящий момент в мире нет аналогов беспилотных маневровых локомотивов, которые эксплуатируются на станции Лужской. Специалисты из Франции (компания SNCF), Германии, Голландии (компания Prorail), Бельгии (компания Lineas) в 2018-2019 годах знакомились с разработанной системой управления и заинтересованы во внедрении подобных систем. Одной из основных задач АО “НИИАС” является расширение функционала и тиражирование созданной системы управления как на российских железных дорогах, так и для иностранных компаний.

В настоящий момент ОАО «РЖД» также ведет проект по разработке беспилотных электропоездов «Ласточка». На рисунке 16 показана демонстрация прототипа системы автоматического управления электропоезда ЭС2Г «Ласточка» в августе 2019 года в рамках. Международного железнодорожного салона пространства 1520 «PRO//Движение.Экспо».

Рисунок 16. Демонстрация работы беспилотного электропоезда на МЦК

Создание беспилотного электропоезда является гораздо более сложной задачей из-за больших скоростей движения, значительного тормозного пути, обеспечения безопасной посадки/высадки пассажиров на остановочных пунктах. В настоящий момент активно ведутся испытания на МЦК. Рассказ о данном проекте планируется опубликовать в ближайшем будущем.

Развитие беспилотных технологий на железнодорожном транспорте

Время на прочтение

Развитие беспилотных технологий на железной дороге началось достаточно давно, уже в 1957 году, когда был создан первый экспериментальный комплекс автоведения для пригородных поездов. Для понимания разницы между уровнями автоматизации для железнодорожного транспорта введена градация, определенная в стандарте МЭК-62290-1. В отличие от автомобильного транспорта железнодорожный имеет 4 степени автоматизации, показанные на рисунке 1.

Рисунок 1. Степени автоматизации в соответствии с МЭК-62290

Практически все поезда, эксплуатирующие на сети ОАО «РЖД» оснащены устройством безопасности, соответствующему уровню автоматизации 1. Поезда с уровнем автоматиазции 2 уже более 20 лет успешно эксплуатируются на сети российских железных дорог, оснащено несколько тысяч локомотивов. Данный уровень реализуется за счет алгоритмов управления тягой и торможения энергооптимального ведения поезда по заданному маршруту с учетом расписания и показаний систем автоматической локомотивной сигнализации, принимаемых по индуктивному каналу с рельсовых цепей. Применение 2 уровня понижает утомляемость машиниста и дает выигрыш по энергопотреблению и точности исполнения графика движения.

Уровень 3 предполагает возможное отсутствие машиниста в кабине, что требует внедрения системы технического зрения.

Уровень 4 предполагает полное отсутствие машиниста на борту, что требует существенного изменения конструкции локомотива (электропоезда). Например, на борту установлены автоматические выключатели, которые будет невозможно взвести снова при их срабатывании без присутствия человека на борту.

В настоящий момент проекты по достижению уровней 3 и 4 реализуют ведущие компании мира, такие как Siemens, Alstom, Thales, SNCF, SBB и другие.

Компания Siemens представила свой проект в области беспилотных трамваев в сентябре 2018 года на выставке Innotrans . Данный трамвай эксплуатируется в Потсдаме с уровнем автоматизации GoA3 с 2018 года.

Рисунок 2 Трамвай компании Siemens
В 2019 году Siemens увеличил длину беспилотного маршрута более чем в 2 раза.
Компания ОАО “РЖД” одна из первых в мире начала разработку беспилотных железнодорожных транспортных средств. Так, на станции Лужской в 2015 году стартовал проект по автоматизации движения 3-х маневровых локомотивов, где АО «НИИАС» выступил интегратором проекта и разработчиком базовых технологий.

Создание беспилотного локомотива – комплексный сложный процесс, невозможный без кооперации с другими компаниями. Поэтому на станции Лужской совместно с АО «НИИАС» участвуют такие компании как:

На первом этапе стояла задача достижения уровня 2 автоматизации движения, когда машинист при штатных условиях организации маневровой работы не использует органы управления локомотивом.

При эксплуатации обычных маневровых локомотивов управление движением осуществляется посредством передачи голосовых команд от диспетчера к машинисту с заданием соответствующих маршрутов (переводом стрелок, включением сигналов светофоров).

При переходе к уровню 2 автоматизации все голосовое общение было заменено на систему команд, передающихся по цифровому защищенному радиоканалу. Технически управление маневровыми локомотивами на станции Лужской было построено на базе:

К 2017 году 3 маневровых локомотива ТЭМ-7А 95% времени работали на станции Лужской в полностью автоматическом режиме, выполняя следующие операции:

В 2017 году был запущен проект по созданию системы технического зрения для маневровых локомотивов и внедрения дистанционного управления в случае нештатных ситуаций.

В ноябре 2017 года специалисты АО «НИИАС» установили первый прототип системы технического зрения на маневровые локомотивы, состоящий из радаров, лидара и камер (рисунок 3).

Рисунок 3 Первые версии систем технического зрения

В ходе испытаний на станции Лужской системы технического зрения в 2017 – 2018 годах были сделаны следующие выводы:

Основной задачей технического зрения является обнаружение препятствий и других объектов по ходу движения, а так как движение осуществляется по колее, то необходимо ее обнаруживать.

Рисунок 4. Пример многоклассовой сегментации (колея, вагоны) и определение оси пути по бинарной маске

На рисунке 4. приведен пример обнаружения колеи. Для того, чтобы однозначно определить маршрут движения по стрелкам, используется априорная информация о положении стрелки, показаниях светофоров, передаваемая по цифровому радиоканалу от системы электрической централизации. В настоящий момент на железных дорогах мира идет тенденция отказа от светофоров и переход на системы управления по цифровому радиоканалу. Особенно это касается высокоскоростного движения, так как на скоростях более 200 км/ч становится сложно заметить и распознать показание светофоров. В России существует два участка, эксплуатируемые без применения проходных светофоров – это Московское центральное кольцо и линия Альпика-Сервис – Адлер.

В зимний период могут возникнуть ситуации, когда колея находится полностью под снежным покровом и распознавание колеи становится практически невозможным, как показано на рисунке 5.

Рисунок 5 Пример колеи, покрытой снегом

В таком случае становится не понятным, мешают ли обнаруженные объекты движению локомотива, то есть находятся они на пути или нет. На станции Лужская в таком случае применяется высокоточная цифровая модель станции и высокоточная бортовая система навигации.

Причем цифровая модель станции создавалась на основе геодезических измерений базовых точек. Затем на основе обработки множества проездов локомотивов с высокоточной системой позиционирования достраивалась карта по всем путям.

Рисунок 6 Цифровая модель путевого развития станции Лужской

Одним из важнейших параметров для бортовой системы позиционирования является погрешность вычисления ориентации (азимута) локомотива. Ориентация локомотива необходима для правильной ориентации сенсоров и объектов ими обнаруженными. При погрешности угла ориентации в 1° погрешность координат объекта относительно оси пути на расстоянии 100 метров составит 1,7 метра.

Рисунок 7 Влияние погрешности ориентации на поперечную ошибку координат

Поэтому максимально допустимая погрешность измерения ориентации локомотива по углу не должна превышать 0,1°. Сама бортовая система позиционирования состоит из двух двухчастотных навигационных приемников в режиме RTK, антенны которых разнесены на всю длину локомотива для создания длинной базы, бесплатформенной инерциальной навигационной системы и подключению к колесным датчикам (одометрам). Среднеквадратическое отклонение определения координат маневрового локомотива составляет не более 5 см.

Дополнительно на станции Лужской проводились исследования по использованию технологий SLAM (лидарных и визуальных) для получения дополнительных данных о местоположении.
В итоге определение железнодорожной колеи для маневровых локомотивов на станции Лужской осуществляется путем комплексирования результатов по распознаванию колеи и данных цифровой модели пути на основе позиционирования.

Обнаружение препятствий также осуществляется несколькими способами на основе:

Одним из основных источником данных являются лидары, выдающие облако точек от лазерного сканирования. В алгоритмах, находящихся в эксплуатации, преимущественно используются классические алгоритмы кластеризации данных. В рамках исследований проверяется эффективность применения нейронных сетей для задачи кластеризации лидарных точек, а также для совместной обработки лидарных данных и данных с видеокамер. На рисунке 8 показан пример лидарных данных ( облако точек с разной рефлексивностью) с отображением манекена человека на фоне вагона на станции Лужской.

Рисунок 8. Пример данных с лидара на станции Лужской

На рисунке 9 приведен пример выделения кластера от вагона сложной формы по данным двух разных лидаров.

Рисунок 9. Пример интерпретации лидарных данных в виде кластера от вагона-хоппера

Отдельно стоит отметить, что за последнее время стоимость лидаров упала практически на порядок, а их технические характеристики выросли. Нет никаких сомнений, что данная тенденция сохранится. Дальность обнаружения объектов лидарами, применяемых на станции Лужской, составляет около 150 метров.

Также для обнаружения препятствий используется стереокамера, использующая другой физический принцип.

Рисунок 10. Карта диспаратности от стереопары и обнаруженные кластера

На рисунке 10 приведен пример данных стереокамеры с обнаружением столбов, путевых ящиков и вагона.

Для того, чтобы получить достаточную точность облака точек на достаточной для торможения дистанции, необходимо использовать камеры высокого разрешения. Увеличение размера изображения повышает вычислительные затраты на получение карты диспаратности. В связи с необходимыми условиями по занимаемым ресурсам и времени реакции системы, необходимо постоянно разрабатывать и тестировать алгоритмы и подходы для извлечения полезных данных из видеокамер.

Часть испытаний и проверки алгоритмов проводится с использованием железнодорожного симулятора, который разрабатывается ПКБ ЦТ совместно с АО «НИИАС». К примеру, на рисунке 11 показано применение симулятора для проверки работы алгоритмов стереокамеры.

Рисунок 11. А, Б — левый и правый кадры с симулятора; В – вид сверху на реконструкцию данных от стереокамеры; Г — реконструкция изображений стереокамеры с симулятора.

Основная задача нейронных сетей – это детектирование людей, вагонов и их классификация.
Для работы в тяжелых погодных условиях специалисты АО «НИИАС» также проводили испытания с применением инфракрасных камер.

Рисунок 12. Данные с ИК камеры

Данные от всех сенсоров комплексируются на основе алгоритмов ассоциации, где оценивается вероятность существования препятствий (объектов).

Причем не все объекты на пути являются препятствиями, при выполнении маневровых операций локомотив должен производить автоматически сцепку с вагонами.

Рисунок 13. Пример визуализации подъезда к вагону с обнаружением препятствий разными сенсорами

При эксплуатации беспилотных маневровых локомотивов крайне важно оперативно понимать, что происходит с техникой, в каком она состоянии. Также возможны ситуации, когда перед локомотивом появится животное, например собака. Бортовые алгоритмы автоматически остановят локомотив, но что делать дальше, если собака не уйдет с пути?

Для контроля ситуации на борту и принятии решения в случае нештатных ситуаций разработан стационарный пульт дистанционного контроля и управления, предназначенный для работы со всеми беспилотными локомотивами на станции. На станции Лужская он размещен на посту ЭЦ.

Рисунок 14 Пульт дистанционного контроля и управления

На станции Лужской пульт, изображенный на рисунке 14, контролирует работу трех маневровых локомотивов. При необходимости с помощью данного пульта можно осуществлять управление одним из подключенных локомотивов посредством передачи информации в реальном времени (задержка не более 300 мс с учетом передачи данных по радиоканалу).

Маневровый локомотив — передвигает вагоны и целые
составы на грузовых сортировочных станциях.

Круглые сутки он выполняет одни и те же операции:
прицепить вагоны, закатить на горку, отцепить
вагоны, переехать на другой путь.

Здесь задача проще, чем с пассажирским поездом: на
сортировке нет посторонних людей, все маршруты давно
известны, и они не такие длинные, как на МЦК.

Ответ

РЖД уже более пяти лет разрабатывает автономные
поезда, и в 2021 году Россия — один из мировых
лидеров в беспилотных технологиях на железной
дороге.

Если машиниста в поезде нет, то где же он?

Ответ: за специальным пультом управления, в
специально оборудованном помещении, в отдельном
пятиэтажном здании на 20 рабочих мест, куда сходятся
все потоки данных от всех поездов.

Здесь же находятся операторы, которые готовы прийти
на помощь пассажирам. Как машинист удаленно следит
за безопасностью движения?