🤙🏼 👨🏻‍🌾 🍥 تطوير التكنولوجيا بدون طيار في النقل بالسكك الحديدية 👨🏻‍🚒 🏂🏽 🚵

بدأ تطوير تقنيات غير مأهولة على السكك الحديدية منذ وقت طويل ، بالفعل في عام 1957 ، عندما تم إنشاء أول مجموعة تجريبية من القيادة التلقائية لقطارات الضواحي. لفهم الفرق بين مستويات الأتمتة للنقل بالسكك الحديدية ، تم تقديم التدرج المحدد في معيار IEC-62290-1. على النقيض من النقل البري ، فإن للسكك الحديدية 4 درجات من التشغيل الآلي ، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1. درجات الأتمتة وفقًا لـ IEC-62290

تم تجهيز جميع القطارات تقريبًا التي تعمل على شبكات السكك الحديدية الروسية بجهاز أمان يتوافق مع مستوى الأتمتة 1. تم تشغيل القطارات ذات المستوى الأوتوماتيكي 2 بنجاح على شبكة السكك الحديدية الروسية لأكثر من 20 عامًا ، والعديد منها ألف قاطرة. يتم تنفيذ هذا المستوى بسبب التحكم في الجر وخوارزميات الكبح لتوجيه القطار الأمثل للطاقة على طول مسار معين ، مع الأخذ بعين الاعتبار الجدول الزمني ومؤشرات أنظمة إشارات القاطرات التلقائية المستلمة عبر قناة حثية من دوائر السكك الحديدية. يقلل استخدام المستوى 2 من إجهاد السائق ويعطي زيادة في استهلاك الطاقة ودقة تنفيذ جدول الحركة.

يشير المستوى 3 إلى غياب محتمل للسائق في الكابينة ، الأمر الذي يتطلب إدخال نظام الرؤية.

يشير المستوى 4 إلى الغياب الكامل للسائق على متن الطائرة ، الأمر الذي يتطلب تغييرًا كبيرًا في تصميم قاطرة (قطار كهربائي). على سبيل المثال ، يتم تثبيت قواطع الدائرة على متن الطائرة ، والتي سيكون من المستحيل شحنها مرة أخرى عندما تعمل دون وجود شخص على متن الطائرة.

حاليا ، يتم تنفيذ المشاريع لتحقيق المستويين 3 و 4 من قبل الشركات الرائدة في العالم ، مثل سيمنز ، ألستوم ، تاليس ، SNCF ، SBB وغيرها.

قدمت شركة سيمنز مشروعها في مجال الترام بدون طيار في سبتمبر 2018 في معرض Innotrans. يعمل هذا الترام في بوتسدام بمستوى أتمتة GoA3 منذ عام 2018.

الشكل 2 ترام سيمنز
في عام 2019 ، زادت سيمنز من طول الطريق غير المأهول بأكثر من مرتين.
كانت شركة السكك الحديدية الروسية واحدة من أوائل الشركات في العالم التي طورت مركبات السكك الحديدية بدون طيار. لذلك ، في عام 2015 ، تم إطلاق مشروع لأتمتة حركة 3 قاطرات متحركة في محطة لوجسكايا ، حيث عملت NIIAS JSC كمتكامل للمشروع ومطور للتكنولوجيات الأساسية.

إن إنشاء قاطرة بدون طيار عملية معقدة معقدة ، مستحيلة بدون تعاون مع شركات أخرى. لذلك ، في محطة Luga ، مع JSC NIIAS ، تشارك شركات مثل:

VNIKTI JSC فيما يتعلق بتطوير نظام تحكم على متن الطائرة ؛
سيمنز - من حيث أتمتة شريحة الفرز (نظام MSR-32) وأتمتة عملية دفع النقل ؛
Radioavionika JSC من حيث أنظمة مركزية المعالجات الدقيقة التي تتحكم في الأسهم ، وإشارات المرور ؛
PKB CT - إنشاء جهاز محاكاة ؛
السكك الحديدية الروسية كمنسق للمشروع.

في المرحلة الأولى ، كانت المهمة هي تحقيق المستوى 2 من أتمتة حركة المرور ، عندما لا يستخدم السائق ، في ظل الظروف القياسية لتنظيم عمليات التحويل ، ضوابط القاطرة.

في تشغيل قاطرات التحويل التقليدية ، يتم التحكم في حركة المرور عن طريق إرسال أوامر صوتية من المرسل إلى السائق مع تحديد المسارات المناسبة (عن طريق تبديل الأسهم ، وتشغيل إشارات المرور).

عند الانتقال إلى مستوى الأتمتة 2 ، تم استبدال كل الاتصالات الصوتية بنظام أوامر يتم إرساله عبر قناة راديو محمية رقميًا. من الناحية الفنية ، تم بناء إدارة القاطرات في محطة لوغا على أساس:

نموذج محطة رقمية موحدة ؛
بروتوكول للتحكم في حركة القاطرات المحولة (لإرسال الأوامر ومراقبة التنفيذ) ؛
التفاعل مع نظام المركزية الكهربائية للحصول على معلومات حول طرق معينة ، وموقع الأسهم والإشارات ؛
أنظمة تحديد المواقع لإبعاد القاطرات ؛
اتصالات لاسلكية رقمية موثوقة.

بحلول عام 2017 ، عملت 3 قاطرات من طراز TEM-7A في 95٪ من الوقت في محطة Luzhskaya في وضع أوتوماتيكي بالكامل ، وأداء العمليات التالية:

الحركة التلقائية على طريق معين ؛
الوصول التلقائي للسيارات ؛
اقتران التلقائي مع عربات ؛
دفع السيارات على شريحة الفرز.

في عام 2017 ، تم إطلاق مشروع لإنشاء نظام رؤية لإبعاد القاطرات وإدخال جهاز التحكم عن بعد في حالة الطوارئ.

في نوفمبر 2017 ، قام المتخصصون في NIIAS JSC بتثبيت أول نموذج أولي لنظام الرؤية الفنية لإيقاف القاطرات ، التي تتكون من الرادارات والليدار والكاميرات (الشكل 3).

الشكل 3 الإصدارات الأولى من أنظمة الرؤية

أثناء الاختبارات في محطة نظام الرؤية Luga في 2017-2018 ، تم التوصل إلى الاستنتاجات التالية:

, . 60-70 , , 1°. SNCF ( ).
. , , . , 2017 , .
تعتبر الكاميرات عنصرًا لا غنى عنه في نظام الرؤية الفنية وهي ضرورية لمهام الكشف وتصنيف الأشياء وكذلك التحكم عن بعد. للعمل في الليل وفي الظروف الجوية الصعبة ، من الضروري أن يكون لديك كاميرات تحت الحمراء أو كاميرات ذات نطاق موجي ممتد يمكن أن يعمل في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريب.

تتمثل المهمة الرئيسية للرؤية الفنية في الكشف عن العوائق والأشياء الأخرى في اتجاه السفر ، وبما أن الحركة تتم على طول شبك ، فمن الضروري اكتشافها.

الشكل 4. مثال على تجزئة متعددة الطبقات (المسار ، والعربات) وتحديد محور المسار باستخدام قناع ثنائي

الشكل 4 يوضح مثال على الكشف عن المسار. من أجل تحديد مسار الحركة على طول الأسهم بشكل لا لبس فيه ، يتم استخدام معلومات مسبقة حول موضع السهم ، مؤشرات إشارات المرور ، المرسلة عبر قناة راديو رقمية من نظام المركزية الكهربائية. في الوقت الحالي ، هناك ميل في خطوط السكك الحديدية في العالم إلى التخلي عن إشارات المرور والتحول إلى أنظمة التحكم في الراديو الرقمي. هذا ينطبق بشكل خاص على حركة المرور عالية السرعة ، لأنه بسرعات تزيد عن 200 كم / ساعة يصبح من الصعب ملاحظة والتعرف على إشارة إشارات المرور. يوجد في روسيا قسمان يعملان بدون استخدام إشارات المرور - هذا هو الدائري المركزي في موسكو وخط Alpika-Service - Adler.

في فصل الشتاء ، قد تنشأ مواقف عندما يكون المسار تحت غطاء الثلج تمامًا ويصبح التعرف على المسار شبه مستحيل ، كما هو موضح في الشكل 5.

الشكل 5 مثال لمسار مغطى بالثلج ،

في هذه الحالة ، يصبح من غير الواضح ما إذا كانت الأجسام المكتشفة تتداخل مع حركة القاطرة ، أي أنها في طريقها أم لا. في هذه الحالة ، في محطة Luzhskaya ، يتم استخدام نموذج رقمي عالي الدقة للمحطة ونظام ملاحة عالي الدقة على متن الطائرة.

علاوة على ذلك ، تم إنشاء النموذج الرقمي للمحطة على أساس القياسات الجيوديسية لنقاط القاعدة. بعد ذلك ، وبناءً على معالجة العديد من ممرات القاطرات بنظام تحديد المواقع عالي الدقة ، تم بناء خريطة على جميع الطرق.

الشكل 6 النموذج الرقمي لتطوير المسار لمحطة لوغا

واحدة من أهم المعلمات لنظام تحديد المواقع على متن الطائرة هو الخطأ في حساب اتجاه (السمت) للقاطرة. إن توجيه القاطرة ضروري للتوجيه الصحيح لأجهزة الاستشعار والأشياء التي اكتشفوها. مع وجود خطأ في زاوية الاتجاه بمقدار 1 درجة ، سيكون خطأ إحداثيات الكائن بالنسبة لمحور المسار على مسافة 100 متر 1.7 متر.

الشكل 7 تأثير خطأ الاتجاه على خطأ الإحداثيات العرضية

، لذلك ، يجب ألا يتجاوز الحد الأقصى المسموح به من الخطأ في قياس اتجاه القاطرة في الزاوية 0.1 درجة. يتكون نظام تحديد المواقع على متن الطائرة نفسه من مستقبلين ملاحيين مزدوجي التردد في وضع RTK ، حيث تتباعد الهوائيات على طول قاطرة كاملة لإنشاء قاعدة طويلة ، ونظام ملاحة بالقصور الذاتي ، والاتصال بمستشعرات العجلة (عداد المسافات). الانحراف المعياري لتحديد إحداثيات قاطرة التحويل لا يزيد عن 5 سم

، بالإضافة إلى ذلك ، أجريت دراسات في محطة Luzhskaya على استخدام تقنيات SLAM (lidar و visual) للحصول على بيانات موقع إضافية.
ونتيجة لذلك ، يتم تحديد مسار السكة الحديدية لإيقاف القاطرات في محطة Luzhskaya من خلال الجمع بين نتائج التعرف على المسار وبيانات نموذج المسار الرقمي بناءً على تحديد الموقع.

يتم أيضًا الكشف عن العوائق بعدة طرق بناءً على:

بيانات lidar
بيانات الرؤية المجسمة ؛
عمل الشبكات العصبية.

أحد مصادر البيانات الرئيسية هو lidars التي توفر سحابة من النقاط من المسح بالليزر. تستخدم الخوارزميات المستخدمة في المقام الأول خوارزميات تجميع البيانات الكلاسيكية. كجزء من البحث ، تم التحقق من فعالية استخدام الشبكات العصبية لمهمة تجميع نقاط ليدار ، وكذلك للمعالجة المشتركة لبيانات ليدار والبيانات من الكاميرات. يوضح الشكل 8 مثالاً لبيانات lidar (سحابة نقطية ذات انعكاسية مختلفة) مع عرض دمية وهمية على خلفية سيارة في محطة Luga.

الشكل 8. مثال على بيانات من الليدار في محطة Luzhskaya

. يوضح الشكل 9 مثالًا لفصل كتلة من عربة ذات شكل معقد وفقًا لغطين مختلفين.

الشكل 9. مثال على تفسير بيانات ليدار في شكل كتلة من سيارة هوبر من

الجدير بالذكر بشكل منفصل أن تكلفة ليدار قد انخفضت مؤخرًا بمقدار الحجم تقريبًا ، وقد نمت خصائصها التقنية. ليس هناك شك في أن هذا الاتجاه سيستمر. يبلغ مدى اكتشاف الأجسام بواسطة lidars المستخدمة في محطة Luzhskaya حوالي 150 متر.

كما تستخدم كاميرا ستيريو باستخدام مبدأ مادي مختلف للكشف عن العقبات.

الشكل 10. خريطة التفاوت من زوج مجسم ومجموعات مكتشفة

يوضح الشكل 10 مثالاً على بيانات كاميرا مجسمة مع اكتشاف الأقطاب وصناديق الرحلات والعربات.

من أجل الحصول على دقة كافية للسحابة النقطية على مسافة كافية للفرملة ، من الضروري استخدام كاميرات عالية الدقة. تؤدي الزيادة في حجم الصورة إلى زيادة التكلفة الحسابية للحصول على بطاقة التفاوت. نظرًا للظروف اللازمة للموارد المستخدمة ووقت رد فعل النظام ، من الضروري تطوير واختبار الخوارزميات والأساليب باستمرار لاستخراج البيانات المفيدة من كاميرات الفيديو.

يتم إجراء جزء من الاختبارات والتحقق من الخوارزميات باستخدام محاكي للسكك الحديدية ، تم تطويره بواسطة PKB CT بالاشتراك مع NIIAS JSC. على سبيل المثال ، يوضح الشكل 11 استخدام محاكي لاختبار تشغيل خوارزميات كاميرا الاستريو.

الشكل 11. أ ، ب - الإطارات اليمنى واليسرى من جهاز المحاكاة ؛ B هو منظر علوي لإعادة بناء البيانات من كاميرا مجسمة ؛ ز- إعادة بناء صور الكاميرا الاستريو من جهاز محاكاة.

المهمة الرئيسية للشبكات العصبية هي الكشف عن الأشخاص والسيارات وتصنيفها.
للعمل في الظروف الجوية القاسية ، قام أخصائيو NIIAS JSC أيضًا باختبار استخدام كاميرات الأشعة تحت الحمراء.

الشكل 12. البيانات من كاميرا الأشعة تحت الحمراء

يتم تجميع البيانات من جميع أجهزة الاستشعار على أساس خوارزميات الاقتران ، حيث يتم تقدير احتمال وجود عوائق (الأشياء).

علاوة على ذلك ، ليست كل الأشياء على الطريق عقبات ؛ عند إجراء عمليات التحويل ، يجب أن تقترن القاطرة تلقائيًا بالسيارات.

الشكل 13. مثال على تصور النهج للسيارة مع الكشف عن العقبات من قبل أجهزة الاستشعار المختلفة.عند

تشغيل القاطرات بدون طيار ، من المهم للغاية أن نفهم بسرعة ما يحدث مع المعدات التي هي في حالة. المواقف ممكنة أيضًا عندما يظهر حيوان ، مثل كلب ، أمام قاطرة. ستوقف الخوارزميات الموجودة على متن المركبة تلقائيًا القاطرة ، ولكن ماذا تفعل بعد ذلك إذا لم يضل الكلب؟

لمراقبة الوضع على متن الطائرة واتخاذ القرارات في حالة الطوارئ ، تم تصميم وحدة تحكم عن بعد ثابتة ووحدة تحكم للعمل مع جميع القاطرات غير المأهولة في المحطة. في محطة Luzhskaya ، تم نشره في مكتب المفوضية الأوروبية.

الشكل 14 جهاز التحكم عن بعد والتحكم

في محطة Luga ، يتحكم جهاز التحكم عن بعد ، كما هو موضح في الشكل 14 ، في تشغيل ثلاث قاطرات متحركة. إذا لزم الأمر ، باستخدام وحدة التحكم عن بعد هذه ، يمكنك التحكم في إحدى القاطرات المتصلة عن طريق إرسال المعلومات في الوقت الفعلي (تأخير لا يزيد عن 300 مللي ثانية ، مع مراعاة نقل البيانات عبر الهواء).

قضايا الأمن الوظيفي

أهم قضية في تنفيذ القاطرات غير المأهولة هي قضية السلامة الوظيفية ، التي تحددها معايير IEC 61508 "السلامة الوظيفية للأنظمة الكهربائية ، الإلكترونية ، القابلة للبرمجة ذات الصلة بالسلامة الإلكترونية" (EN50126 ، EN50128 ، EN50129) ، GOST 33435-2015 "أجهزة التحكم والمراقبة والسلامة للسكك الحديدية الدارجة ".

وفقًا لمتطلبات أجهزة السلامة على متن الطائرة ، يجب ضمان مستوى سلامة السلامة 4 (SIL4).

للامتثال لمستوى SIL-4 ، تم بناء جميع أجهزة سلامة القاطرات الموجودة وفقًا لمنطق الأغلبية ، حيث يتم إجراء الحسابات بالتوازي في قناتين (أو أكثر) مع مقارنة نتائج القرار.

كما تم بناء وحدة الحوسبة لمعالجة البيانات من أجهزة الاستشعار على قاطرات التحويل غير المأهولة على مخطط ثنائي القناة مع مقارنة النتيجة النهائية.

يتطلب استخدام أجهزة استشعار الرؤية ، والعمل في ظروف الطقس المختلفة وفي بيئات مختلفة ، نهجًا جديدًا لمسألة إثبات سلامة المركبات غير المأهولة.

في عام 2019 ، ISO / PAS 21448 ، مركبات الطرق. أمان الوظائف المضبوطة مسبقًا ”(SOTIF). أحد المبادئ الرئيسية لهذا المعيار هو نهج السيناريو ، الذي يعتبر سلوك النظام في ظروف مختلفة. العدد الإجمالي للسيناريوهات هو ما لا نهاية. الهدف الرئيسي من التطوير هو تقليل المنطقتين 2 و 3 ، مما يمثل سيناريوهات غير آمنة معروفة وسيناريوهات غير آمنة غير معروفة.

الشكل 15 تحويل السيناريوهات نتيجة للتطوير

كجزء من تطبيق هذا النهج ، قام المتخصصون في NIIAS JSC بتحليل جميع المواقف (السيناريوهات) التي نشأت منذ بدء التشغيل في عام 2017. يتم التعامل مع بعض المواقف التي يصعب مواجهتها أثناء التشغيل الفعلي باستخدام محاكي PCB CT.

القضايا التنظيمية

من أجل التحول تمامًا إلى التحكم التلقائي بالكامل دون وجود سائق في مقصورة قاطرة ، من الضروري أيضًا حل المشكلات التنظيمية.

في الوقت الحاضر ، وافقت السكك الحديدية الروسية على جدول للدعم التنظيمي لتنفيذ تدابير إدخال أنظمة التحكم في مخزون السكك الحديدية في الوضع التلقائي. من أهم القضايا تحديث اللائحة الخاصة بإجراء التحقيق الرسمي وتسجيل الحوادث التي تسببت في إلحاق الضرر بحياة أو صحة المواطنين الذين لا علاقة لهم بالإنتاج في النقل بالسكك الحديدية. وفقًا لهذه الخطة في عام 2021 ، يجب تطوير حزمة من الوثائق التي تنظم تشغيل مركبات السكك الحديدية بدون طيار والموافقة عليها.

خاتمة

حاليا ، لا توجد نظائر في قاطرات التحويل غير المأهولة في العالم التي تعمل في محطة Luzhskaya. في 2018-2019 ، تعرّف متخصصون من فرنسا (شركة SNCF) وألمانيا وهولندا (شركة Prorail) وبلجيكا (شركة Lineas) على نظام التحكم المطور وهم مهتمون بتنفيذ مثل هذه الأنظمة. تتمثل إحدى المهام الرئيسية لـ NIIAS JSC في توسيع الوظائف وتكرار نظام الإدارة الذي تم إنشاؤه على كل من السكك الحديدية الروسية والشركات الأجنبية.

في الوقت الحالي ، تجري السكك الحديدية الروسية أيضًا مشروعًا لتطوير القطارات الكهربائية بدون طيار Lastochka. يوضح الشكل 16 عرضًا للنموذج الأولي لنظام التحكم التلقائي لقطار ES2G Lastochka الكهربائي في أغسطس 2019 كجزء من. صالون السكك الحديدية الدولية للفضاء 1520 "PRO // Dvizhenie.Expo".

الشكل 16. إن إظهار تشغيل قطار كهربائي بدون طيار في مركز عملائي

يعد إنشاء قطار كهربائي بدون طيار مهمة أكثر صعوبة نظرًا للسرعات العالية ومسافة الكبح الكبيرة وضمان الصعود / النزول الآمن للركاب عند نقاط التوقف. في الوقت الحالي ، يتم إجراء الاختبارات بنشاط في مركز عملائي. ومن المقرر نشر قصة هذا المشروع في المستقبل القريب.

تطوير التكنولوجيا بدون طيار في النقل بالسكك الحديدية

قضايا الأمن الوظيفي

القضايا التنظيمية

خاتمة

More articles: