Admin

Применение беспилотных технологий на рельсовом транспорте

ОХОТНИКОВ Андрей Леонидович, АО«Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте», заместитель начальника Департамента -начальник отдела стратегического развития, Москва, Россия

Ведущие производители систем автоматического управления движением поездов в настоящее время достигли высокого уровня готовности технических систем и технологий и могут полностью удовлетворить потребности клиентов в безопасном скоростном транспорте. При этом одновременно разрабатываются современные схемы управления и проводится поэтапное обновление существующих систем. Кроме того, на регулярной основе выполняется мониторинг рынка цифровых технологий и оборудования, который дает возможность прогнозировать плановую замену устаревших элементов на ультрановые, позволяющие повысить безопасность движения и одновременно минимизировать риски применения киберфизических систем и робототехники с искусственным интеллектом.


Необходимость беспилотных перевозок уже доказана историей их применения. Они способствуют снижению эксплуатационных затрат, повышению эксплуатационной надежности и комфортабельности, увеличению обработки грузо- и пассажиропотока, в том числе благодаря большей вместимости головного и хвостового вагонов поезда за счет отсутствия кабин машиниста [1].

В первую десятку стран по использованию беспилотных транспортных систем вошли: Китай (протяженность линии 459 км), Великобритания (225 км), Саудовская Аравия (176 км), Объединенные Арабские Эмираты (80 км), Канада (68,7 км), Сингапур (65 км), Малайзия (50 км), Испания (49 км), Корея (35 км), Япония (34,5 км). Также автоматические линии метро действуют в Германии, Франции, Бразилии, Венгрии и других странах.

СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОЕЗДОМ

В мировой практике на поездах с автоматическим управлением движенем команды управления регулируются не сигналами светофоров, а посредством передачи данных между железнодорожным подвижным составом и путевым оборудованием на основе системы связи СВТС (Communication Based Train Control) [2].
Системы СВТС работают следующим образом. Путевой компьютер отслеживает все поезда на назначенном участке и вычисляет соответствующие режимы движения для каждого поезда. С учетом компьютерной оценки ситуации поезда могут двигаться с меньшим интервалом, чем при управлении машинистом (вручную).
В полностью автоматическом режиме движение
поездов регулируется системой управления АТС (Automatic Train Control) в сочетании с системой управления и обеспечения безопасности движения -автоблокировкой. С этой целью компьютеры на путях постоянно обмениваются данными по радиосвязи с компьютерами системы более высокого уровня в центре управления движением и бортовыми компьютерами поездов.
На борту поезда система автоматического ведения АТО (Automatic Train Operation) заменяет машиниста и контролирует скорость на перегоне. Вычислительный бортовой комплекс АТО контролируется и при необходимости корректируется автоматической системой обеспечения безопасности поездов АТР (Automatic Train Protection) из центра управления движением. Тем самым создается дополнительный контур безопасности.

УРОВНИ АВТОМАТИЗАЦИИ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА

Существуют разные уровни автоматизации управления, и слово «автоматический» не всегда означает без машиниста. Уровни автоматизации варьируются в зависимости от степени участия человека в управлении поездом.
В режиме под управлением машиниста вспомогательные системы не используются. Машинист управляет поездом вручную на глаз.
В частично автоматизированном режиме SCO (Supervision and Control Train Operation) машинист по-прежнему управляет движением и тормозами поезда вручную. Однако система обеспечения безопасности постоянно контролирует скорость поезда, не допуская ее превышения. Кроме того, в кабине машиниста отображается такая информация, как текущая скорость движения и местоположение на участке.
В полуавтоматическом режиме STO (Semiautomated Train Operation) машинист начинает движение поезда вручную, а в дальнейшем автоматическая система вождения самостоятельно осуществляет точный контроль за движением между станциями, а также выполняет точную остановку поезда на платформах и открытие дверей.
В режиме без машиниста DTO (Driverless Train Operation) управление поездом происходит автоматически, без участия человека. Присутствующий на борту дежурный может вмешаться в случае чрезвычайных ситуаций. Автоматическая система управления обеспечивает отправление, движение по перегону, а также точную остановку поезда и открытие дверей. При необходимости дверь автоматически открывается для аварийной высадки пассажиров.
В автоматическом режиме UTO (Unattended Train Operation) функционирование поезда осуществляется под управлением и контролем автоматики, причем на борту нет ни машиниста, ни дежурного по поезду. Дополнительные автоматизированные функции включают, например, сцепку и расцепку, отправление поездов в/из депо, а также расширенные возможности дистанционного управления и диагностики.

ИНТЕРВАЛЬНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ПОЕЗДОВ

Технология интервального регулирования движения поездов (ИРДП) помогает осуществлять движение на максимально близком и безопасном расстоянии между поездами, а также восстановить график движения поездов в зависимости от резервов времени в интервале [3].
Движение, основанное на принципе фиксированного блок-участка, сокращает расстояние между поездами, позволяя большему числу составов перемещаться по маршруту. В этом случае линия делится на фиксированные участки, которые защищены стационарными сигналами светофоров. Когда поезд въезжает на участок, сигнал занятости этого участка отделяет его от следующего за ним поезда. После того, как поезд, идущий впереди, покидает блок-участок, загорается зеленый сигнал светофора и следующий поезд может войти на этот участок.
Расстояние между фиксированными блок-участ-ками оказывает существенное влияние на продвижение. Поскольку один участок всегда должен быть свободен между двумя поездами, существуют физические ограничения для сокращения интервалов движения между ними. Схема с фиксированным блок-участком представлена на рис.1.
Метод подвижных блок-участков обходится без фиксирования блок-участков и стационарных сигналов светофора. Требуемое расстояние между двумя поездами состоит из тормозного пути при текущей скорости плюс некоторый запас прочности (10-15 % от тормозного пути).

Во время движения поезда расстояние постоянно пересчитывается бортовым компьютером и результат передается непосредственно в систему управления поездом. И поскольку блок-участок двигается вместе с поездом, можно достичь оптимального сокращения расстояний и более близкого интервала между следующими друг за другом поездами. Такой метод является самым эффективным (до 20-25 % повышения пропускной способности), но и самым дорогим. Схема с подвижным блок-участком показана на рис. 2.
Промежуточным вариантом можно назвать метод «виртуальной сцепки» (Virtual Block) - это соединение локомотивов последовательно следующих поездов по радиоканалу. Ведение второго (ведомого) поезда осуществляется с учетом информации, получаемой от первого (ведущего) поезда. Управление ведущим и ведомым локомотивами может происходить как в режиме автоведения, так и в ручном. Данная технология способствует увеличению пропускной способности участка до 10 % и эффективна для пакетного пропуска поездов, в том числе при ремонте инфраструктуры.

РАБОТА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЛИНИЙ МЕТРО

Практика показывает, что наибольшее распространение автономные поезда в мире получили на выделенных линиях, которые можно называть наземным метро. В России проект реализуется на МЦК, являющемся испытательным полигоном для внедрения автоматического режима UTO (GoA4).
Помимо инфраструктуры, обычно используемой на платформах метро (лифты, эскалаторы, аварийные выходы и др.), при организации движения без машиниста применяется дополнительное специальное оборудование для защиты линий и платформ. При этом на станциях устанавливается оборудование для обеспечения автоматического управления поездом.
Барьерные двери платформы ограждают платформу от пути. Поезда не могут отправляться, если кто-то мешает штатному закрытию дверей. Когда нет барьерных дверей на платформе, ее оснащают системой мониторинга движения. Эта система подает сигнал тревоги, когда человек или объект-препятствие попадает в зону габарита поезда или рельсового пути. В зависимости от того, на каком расстоянии от препятствия находится приближающийся поезд, запускается команда на немедленное экстренное торможение поезда или выполняется штатное служебное торможение. При возникновении нештатной ситуации отправление поездов с соседних станций запрещено. Сообщение о препятствии передается параллельно в центр управления движением и обслуживающему персоналу на платформе.
Если человек или другой объект проникает в тоннель или появляется на линии между станциями, система технического зрения (СТЗ), состоящая из различных датчиков, определяет препятствие и предупреждает/ останавливает поезд до тех пор, пока линия не освободится.
Дистанционное видеонаблюдение стационарными СТЗ за путями и площадками платформ способствует дополнительному обеспечению безопасности. Видеоизображения участков пути автоматически отображаются в центре управления движением, что позволяет операторам принимать необходимые меры по устранению нештатных ситуаций. Для лучшей оценки возникшей ситуации видеоряд, начинающийся за 10 с до срабатывания сигнализации, доступен центру управления через память истории всех видеоизображений.
Во время автоматизированной работы на всех платформах требуется достаточное количество обслуживающего персонала, который может выступать в качестве контактного лица для пассажиров. Это положительно сказывается на чувстве безопасности людей. Сотрудники на платформе занимаются устранением возникающих проблем, а также организацией помощи в непредвиденных ситуациях. Операторы из центра управления движением могут управлять автоматическими поездами в случае их неисправности дистанционно до ближайшего депо.

СПЕЦИАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКИХ ПОЕЗДОВ

В дополнение к обычной железнодорожной инфраструктуре для автономных линий разработаны специальные правила и требования безопасности. Беспилотные линии имеют специальные системы обнаружения препятствий, которые используют техническое зрение и могут автоматически инициировать
торможение, как только обнаруживается препятствие. Они построены с определенной избыточностью (дублированием), чтобы система резервного управления в случае сбоя включалась автоматически.
Станции метро оснащаются специальными детекторами схода, которые обнаруживают сошедший с рельсов вагон, останавливают поезд и сообщают об инциденте в центр управления движением.
Для исключения разрыва между платформой и поездом используется выдвижной мостик, соединяющий платформу и пол поезда. Он облегчает вход и выход пассажиров с ограниченными физическими возможностями, а также предотвращает попадание разных предметов в зазор между краем платформы и поездом.
Благодаря оптическим датчикам контроль зазора при закрытии дверей способен обнаруживать даже тонкие и гибкие объекты, что также позволяет повысить безопасность пассажиров. Причем поезд не может тронуться с места, пока система контроля не подтвердит, что все двери правильно и плотно закрыты.
Если поезд остановится в тоннеле из-за аварии, двери останутся закрытыми до тех пор, пока центр управления движением не предпримет все меры безопасности, в том числе остановку встречного движения и отключение электропитания силового рельса. Освещение тоннеля включается автоматически, как только тяговый ток отключается.
Все автономные поезда оборудованы датчиками автоматического обнаружения пожара. Кнопка экстренного вызова в салоне поезда обеспечивает прямое голосовое соединение с оператором на станции или непосредственно с центром управления движением. О чрезвычайной ситуации можно сообщить и во время движения поезда.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БЕЗОПАСНОСТИ

При работе без машиниста в случае экстренного вызова или срабатывания экстренного торможения ситуация оценивается центром управления движением с помощью системы видеонаблюдения поезда и осмотра всей пассажирской зоны со стационарных камер. Для принятия необходимых мер существует более 30 сценариев.
Камерами наблюдения оснащены все поезда. Видеоизображение передается в центр управления посредством локальной сети радиосвязи. Это позволяет немедленно регистрировать инциденты и оперативно принимать контрмеры.
При возникновении пожара в поезде активируются детекторы дыма и датчики температуры, которые, обнаружив опасность, передают сигнал тревоги пассажирам и в центр управления движением. Поезд автоматически останавливается на следующей станции, где персонал выясняет причину пожарной тревоги.
Система громкой радиосвязи в пассажирской зоне служит для объявления оперативной и дорожной информации, которая может дублироваться на экранах видеомониторов. При необходимости пассажиры могут в любое время связаться с центром управления и контроля через пункты экстренного вызова. Подключение пассажира осуществляется напрямую по цифровой радиотелефонной связи.
Во время автоматического управления поездом средства мониторинга движения контролируют ситуацию, в том числе, когда превышается предписанная скорость и нарушается исполнение графика движения. Информация о перемещении поездов регулярно обновляется.

Важную роль играет автономная система позиционирования поезда, которая построена на высокоточной системе координат. В ней используются такие технологии, как бесплатформенная инерциальная навигационная система БИНС и ультразвуковые радары для определения расстояния до места остановки. Сочетание этих технологий обеспечивает исключительную точность и надежность определения местонахождения и торможения поезда. Потоки данных, поступающие от установленных на поезде измерительных устройств, комплексируются и анализируются при помощи специальных алгоритмов обработки. Это позволяет получать в режиме реального времени информацию о местонахождении поезда с точностью до 1 см. Такая система измеряет точную линейную скорость движения поезда, в то время как одометры считают количество оборотов колес, но не учитывают погрешности, возникающие при их проскальзывании.
Автономная система имеет очень высокий уровень отказоустойчивости: если в какой-то момент одно из измерительных устройств в течение нескольких секунд не сможет выполнять достоверные замеры, определение местонахождения будет выполняться при помощи остальных устройств, имеющих другой принцип действия. Использование таких систем получило высокую оценку у независимой экспертной организации TUV SUD, которая выдала сертификат соответствия требованиям уровня полноты безопасности SIL-4 для системы определения местоположения поездов с сантиметровой точностью на основе технологии сверхширокополосной радиосвязи (UWB) [4].
Учитывая опыт применения систем автоматического управления поездом в метро, можно сделать заключение о возможности организации отечественных коммерческих беспилотных железнодорожных перевозок. Однако для этого необходимо решить проблему эффективной поэтапной организации управления устареванием оборудования. Высокая эффективность работы цифровых систем СВТС напрямую зависит от используемого в них аппаратного оборудования и программного обеспечения, которые периодически должны подвергаться комплексной замене. Подсистемы, входящие в состав СВТС, а также их отдельные компоненты должны быть высоко функциональными, надежными и недорогими в плане технического обслуживания, а также легко поддаваться модернизации в течение всего жизненного цикла, который может составлять несколько десятилетий.

Производители должны эффективно заниматься модернизацией оборудования с целью снижения рисков, связанных с прекращением производства определенных запчастей и программного обеспечения. Это подразумевает тщательное отслеживание тенденций в области развития цифровых технологий. Для обслуживания или ремонта систем в резерве всегда должен быть комплект модульных сменных блоков с заданными характеристиками. Цифровой двойник также позволит лучше подготовиться к интенсивным операциям по техническому обслуживанию и обновлению парка систем связи и управления.
Для сохранения надежности и безопасности нужно максимально использовать инновационные решения и цифровые инструменты, направленные на дальнейшую автоматизацию систем управления с целью повышения пропускной способности железных дорог, минимизации влияния человеческого фактора и сокращения числа отказов и простоев. Важнейшими факторами при этом являются интероперабельность систем и технологическая независимость железнодорожных операторов и владельцев инфраструктуры от разработчиков и поставщиков железнодорожных устройств и систем [5].
Следует обеспечить условия для беспрепятственной интеграции новых беспилотных поездов в существующие системы связи и управления. При этом как старые, так и новые поезда должны в течение достаточно длительного времени иметь возможность эксплуатироваться на одних и тех же железнодорожных линиях без внесения существенных изменений в конфигурацию управления поездами.

Бортовое оборудование новых беспилотных поездов должно быть совместимо с существующей системой управления движением. Вместе с тем, нужно обеспечить возможность адаптации бортового оборудования к будущим модернизациям, позволяющим воспользоваться ее дополнительными функциями, повышающими производительность и энергоэффективность перевозок. В системах СВТС (или аналогах), управляющих движением поездов с уровнем автоматизации GoA2 и GoA3, необходимо предусмотреть возможность перехода на полностью автоматизированное беспилотное управление с уровнем автоматизации GoA4.
Важную роль при реализации комплексных беспилотных транспортных систем должна играть адаптация к реальным условиям технологических решений, работающих на основе использования искусственного интеллекта: машинное (техническое) зрение, искусственные нейронные сети и их обучение, видеоаналитика, автоматическое выявление нештатных ситуаций, точная оценка условий видимости, дистанционный мониторинг и контроль технического состояния элементов подвижного состава и инфраструктуры, их предиктивный и прескриптивный анализ.

СПИСОК источников

1. Охотников А.Л., Попов П.А. Беспилотное управление локомотивом: вчера, сегодня и завтра // Автоматика, связь, информатика. 2019. № 8. С. 12-17. DOI 10.34649/ АТ.2019.8.8.002. EDN VVHYEY
2. Rail automation in mass transit systems // Siemens : Официальный сайт. 2013. URL: https://assets.new.siemens. com/siemens/assets/api/uuid:1f542042-f981 -47cc-96da-68a25512d0a7/background-rail-automation-in-mass-transit-systems-e.pdf.
3. Озеров A.B., Малинов B.M. Зарубежные системы интервального регулирования движения поездов // Автоматика, связь, информатика. 2022. № 3. С. 31-34. DOI 10.34649/АТ.2022.3.3.005. EDN YINMUV
4. Для технологии UWB получен сертификат SIL-4 // Zdmira : официальный сайт. 2021. 21 сент. URL: https:// zdmira.com/news/dlya-tekhnologii-uwb-poluchen-sertifikat-sil-4 (дата обращения 20.09.2022).
5. Озеров А.В. Перспективы повышения функциональной безопасности систем железнодорожной автоматики и телемеханики в условиях цифровизации // Надежность. 2020. Т. 20, № 2. С. 54-64. EDN IDMTTQ.