💂 🗝️ 👎🏼 Fernbedienung und Drohnen 👩🏿‍🤝‍👨🏽 🐳 ⁉️

In meinem ersten Artikelbeschreibt die Entwicklung unbemannter Technologien im Schienenverkehr und verweist auf das Vorhandensein einer Fernbedienung. Ist für unbemannte Züge eine Fernüberwachung und -steuerung erforderlich? Unsere Analyse besagt eindeutig, dass es nicht zulässig ist, autonome Züge ohne Fernüberwachung und -steuerung zu starten. Die Anzahl der Szenarien, in denen Sie nicht auf einen Fernbediener verzichten können, ist enorm. Zum Beispiel gibt es für elektrische Züge in jedem Wagen eine Gegensprechanlage mit einem Knopf. Aber wer wird den Fahrgästen antworten, wenn der Zug unbemannt ist? Wer verwaltet die Aktionen der Passagiere über die Gegensprechanlage im Falle von Rauch oder anderen Eventualitäten? Wer entscheidet, ob es Hindernisse wie Bänder, Taschen,diese Wunde um die nächste Säule und löste Sehsensoren aus? Die Antwort auf diese Fragen ist für uns die Anwesenheit des Betreibers, der im Notfall in die Verwaltung eines unbemannten Zuges eingreifen muss. Es stellt sich sofort die Frage: "Warum brauchen wir einen unbemannten Zug, wenn ein Betreiber anstelle eines Fahrers erscheint?" Die Antwort liegt in der Tatsache, dass der Bediener nicht einen, sondern mehrere Züge gleichzeitig steuert und sein Eingreifen in die Steuerung äußerst selten sein sollte.ob der Operator-Operator anstelle des Fahrers erscheint? “ Die Antwort liegt in der Tatsache, dass der Bediener nicht einen, sondern mehrere Züge gleichzeitig steuert und sein Eingreifen in die Steuerung äußerst selten sein sollte.ob der Operator-Operator anstelle des Fahrers erscheint? “ Die Antwort liegt in der Tatsache, dass der Bediener nicht einen, sondern mehrere Züge gleichzeitig steuert und sein Eingreifen in die Steuerung äußerst selten sein sollte.

Welterfahrung

Nicht nur wir sind den ähnlichen Weg gegangen. Im Jahr 2018 begann Alstom, ferngesteuerte Züge zu testen.

Im Jahr 2019 testete die SNCF einen Prototyp einer Fernbedienung.

Abbildung Prototyp der SNCF-Fernsteuerung Abbildung

unten zeigt einen Videotest der Fernsteuerungstechnologie von SNCF-Peers.

Geschichte der Fernsteuerungsentwicklung

Unsere Geschichte der Entwicklung der Fernbedienung begann im Januar 2017, als wir die Aufgabe hatten, den Prototyp der Fernbedienung einer Rangierlokomotive am Moskauer Bahnhof Luzhskaya in einer Woche zu demonstrieren.

Um Zeit für die Erstellung eines Prototyps zu haben, wurde ein Spiel-Joystick gekauft, auf den Schaltflächenbeschriftungen eingefügt wurden, wie auf dem Foto gezeigt.

Bild

Zeichnung. Der erste Prototyp einer Fernbedienung.

Folgende Aufgaben wurden in einer Woche gelöst:

Installation von Videokameras an einer Lokomotive und Organisation eines Kanals zur Übertragung von Videodaten an einen Steuercomputer
Anschließen des Joysticks an den Steuercomputer und Schreiben eines Steuerprogramms
Organisation eines Kanals für Steuerbefehle und Daten von einer Lokomotive

Dies wurde möglich, weil unsere Lok bereits mit einem SDU-ML-System (Fernbedienungssystem für eine Rangierlokomotive) ausgestattet war, mit dem wir innerhalb des Sichtbereichs mit einer tragbaren Fernbedienung steuern können. Daher verwendeten wir dasselbe Protokoll und denselben Funkkanal und stellten nur Relaisbefehle von bereit ein Kontrollposten nach Moskau über optische Kommunikationskanäle mit Hilfe von Spezialisten der zentralen Kontrollstation der Russischen Eisenbahnen. Als Funkkanal für die Videoübertragung verwendeten wir LTE mit einer Trägerfrequenz von 450 MHz von Tele-2.

Die Demonstration zeigte die technische Machbarkeit der Fernbedienung und die nächste Aufgabe bestand darin, ein neues Bedienfeld zu entwickeln und neue Funktionen hinzuzufügen.

Ich möchte auch darauf hinweisen, dass diese Arbeit auf der Grundlage des erfolgreichen Zusammenspiels mehrerer Organisationen durchgeführt wurde:

NIIAS JSC - Hauptauftragnehmer und Integrator
PKB CT - Entwicklung eines Teils der Fernbedienung, technische Beratung
VNIKTI JSC - Entwicklung eines Bordsteuerungssystems an Bord
CSS OJSC Russian Railways - Organisation von Kommunikationskanälen
Tele-2 - Bereitstellung des LTE-450-MHz-Kommunikationskanals
Russische Eisenbahnen OJSC - Koordinierung der Arbeiten.

Fast alle zwei Wochen haben wir einen neuen Prototyp der Fernbedienungsfigur veröffentlicht

. Die ersten Prototypen von Fernbedienungen

Wie Sie sehen können, wurden die ersten Prototypen von Fernbedienungen zur Beschleunigung der Arbeit aus Sperrholz hergestellt. Später haben wir auf 3D-Druck umgestellt.

Zeichnung. Fernbedienung einer Rangierlokomotive

Zur Erleichterung der Fernbedienung zeigt der Fahrer zusätzliche Informationen über die aktuellen und zulässigen Geschwindigkeiten, den Druck, eine bestimmte Route und die Entfernung zum Ende der Route an, die über dem Videobild liegen. Auf zusätzlichen Bildschirmen sehen Sie die Fahrerkabine, Stationsdiagramm.

Zeichnung. Fernbedienung und Steuerung an der Station Luzhskaya installiert

Für die 2018 erstellten unbemannten elektrischen Züge "Swallow" wurde eine Fernbedienung und Steuerung erstellt, wie in

Abbildung dargestellt. Fernbedienung für den elektrischen Zug Swallow.

Der Hauptunterschied zur Fernbedienung in der Fahrerkabine besteht darin, dass alle mechanischen Schalter durch Tasten mit Statusanzeige ersetzt werden. Dies ist erforderlich, wenn Sie die Steuerung von einem elektrischen Zug in einen anderen umschalten und den Zustand der Ausrüstung verstehen.

Im Jahr 2019 wurden erfolgreiche Tests der Fernbedienung durchgeführt.

An dieser Arbeit nahmen zusammen mit JSC Russian Railways und JSC NIIAS ein großer Teil teil:

NPO SAUT LLC - Entwickler eines elektrischen Zugsteuerungssystems an Bord;
Ural Locomotives LLC - Hersteller von elektrischen Zügen.

Das folgende Video zeigt die Tests des Fernbedienungszuges Swallow.

Technische Probleme

Die wichtigste Rolle bei der Implementierung der Fernüberwachung und -steuerung spielt die zuverlässige Hochgeschwindigkeitsfunkkommunikation.

Um heterogenen Verkehr in einem LTE-Netzwerk gemäß 3GPP TS 23.203 zu übertragen, werden verschiedene Dienstklassen bereitgestellt, die in unterschiedlichem Maße für Qualitätsparameter wie Netzwerkverzögerung, Prozentsatz des IP-Paketverlusts und ungleichmäßige Netzwerkverzögerungen kritisch sind:

"QCI-7" (Sprache, Video (Live-Streaming)) - Übertragung eines Streaming-Videobildes, das für Verzögerungen und Verzögerungsschwankungen kritisch ist;
"QCI-69" (Mission Critical Delay Sensitive) - Übertragung kritischer Informationen, die für den Paketverlust kritisch sind;
"Normal" (Normal - NL) - Übertragung von Diagnoseinformationen.

QoS-Parameter (Quality of Service) sollten in einem virtuellen privaten Netzwerk implementiert werden.
Die Qualität des übertragenen Datenverkehrs wird durch die Kennzeichnung mit QoS-Labels sichergestellt.

Die Veröffentlichung von 3GPP TS 23.203 sollte die folgenden Funktionen bieten:

für QCI-7 beträgt die Verzögerung nicht mehr als 100 ms und die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlusts beträgt nicht mehr als 10 ^ -3;
für QCI-69 beträgt die Verzögerung nicht mehr als 60 ms und die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlusts nicht mehr als 10 ^ –6;
Für Normal beträgt die Verzögerung nicht mehr als 300 ms und die Wahrscheinlichkeit eines Paketverlusts nicht mehr als 10 ^ −2.

In jedem Fall ist die Bandbreite des Funkkanals jedoch begrenzt, und es besteht die Aufgabe, einen Mittelweg unter den folgenden Parametern zu finden:

Auflösung des übertragenen Bildes;
Bildrate;
Übertragungsverzögerung.

Bei der Übertragung von Videos ist es äußerst wichtig, die Verzögerung zu minimieren und eine reibungslose Anzeige des Videostreams für den Bediener zu gewährleisten. Die Glätte wird jedoch durch Puffern erreicht, was zu einer Erhöhung der Verzögerung führt.

Die Verzögerung selbst wird ab dem Zeitpunkt gebildet, an dem die Kamera das Bild erfasst, den Videostream mit einem Codec komprimiert, Informationen über Funk überträgt, den Videostream decodiert und dem Bediener auf dem Monitor anzeigt.

Die Reduzierung der übertragenen Informationsmenge ist auf Codecs (die bekanntesten H.264, H.265) zurückzuführen, aber das Codieren / Decodieren erhöht die Gesamtverzögerung der Datenübertragung.

Ein obligatorischer Aspekt der Fernbedienung ist die Messung und Steuerung der Videodatenverzögerung, die durch Synchronisieren der Zeit an Bord aufgrund des Zeitstempels vom Satellitennavigator und Synchronisieren der Zeit der Fernbedienung unter Verwendung des PTP IEEE 1588v2-Protokolls erreicht wird. Wenn der erste Schwellenwert der Videoübertragungsverzögerung überschritten wird, wird eine Warnung an den Fahrer ausgegeben. Wenn der zweite Schwellenwert überschritten wird, stoppt die Lok automatisch.
Eine wichtige Frage ist auch, wie viele unbemannte Lokomotiven von einem einzigen Bediener gesteuert werden können. Eine vorläufige Bewertung wurde auf der Grundlage der Berechnung der Eintrittswahrscheinlichkeiten bestimmter Notfallsituationen sowie der Zeit des Betreibers vorgenommen, die erforderlich ist, um diese zu beseitigen. Gleichzeitig wird eine unbemannte Lokomotive im Laufe der Zeit immer mehr Situationen selbst lösen können, was die Belastung des Bedieners verringert und die Anzahl der Fahrzeuge erhöht, die er steuern kann.

Wahrnehmung der Fernsteuerungstechnologie durch Fahrer

Bei der Fernsteuerung einer Lokomotive / eines elektrischen Zuges hat der Fahrer weniger Informationen. Er spürt keine Vibrationen, Beschleunigungen des rollenden Materials, Steigungen, sondern konzentriert sich hauptsächlich auf das Videobild. Darüber hinaus unterscheidet sich die Beurteilung der Reichweite des Videobildes auch von der Sichtbarkeit der Lokomotive. Zum Verständnis der Entfernung durch den Bediener haben wir eine spezielle Markierung auf dem Bild angebracht, die dem Bereich entspricht. In der ersten Phase ist die Fernbedienung schwieriger, aber mit der Erfahrung kommen Fähigkeiten. Darüber hinaus ist es wichtig zu verstehen, dass der Fernbedienungsmodus nur für Notfallsituationen vorgesehen ist.

Die Verwendung der Fernbedienung in anderen Bereichen

Die am weitesten verbreitete Fernbedienung ist im Bereich unbemannter Luftfahrzeuge. Aus dem Landverkehr heraus wurde in Bergbauunternehmen eine Fernsteuerung entwickelt, da der Einsatz im Arbeitsbereich häufig eine Gefahr für Leben und Gesundheit darstellt. Die folgenden Abbildungen zeigen die Fernbedienungen zur Steuerung von Geräten, die in Steinbrüchen betrieben werden.

Über diesen Link können Sie sich mit der Verwendung der Fernbedienung für Bergbau-LKWs vertraut machen.

Meiner Meinung nach ist der Einsatz von Fernüberwachungs- und Steuerungstechnik auch für andere unbemannte Fahrzeuge erforderlich, die entwickelt werden, wie z. B. landwirtschaftliche Maschinen und Taxis.

Fazit

Natürlich gibt es immer noch eine große Anzahl von technischen und regulatorischen Problemen, die angegangen werden müssen, um diese Technologie zu verbessern.

Um beispielsweise die Verzögerung bei der Übertragung von Informationen vollständig zu beseitigen, ist es möglich, das Bild mehrere hundert Millisekunden im Voraus basierend auf dem optischen Strom vorherzusagen (das Bild neu aufzubauen). Es gibt Ideen zur Übertragung von Schwingungen von Hängen auf den Fahrerstuhl des Bedieners. Aufgrund der hohen Kosten dieses Ansatzes haben wir uns bisher entschieden, diese Lösung nicht zu implementieren. Im Teil des Codierens / Decodierens eines Videostreams wird die Möglichkeit der Verwendung neuronaler Netze untersucht.

Eines ist sicher, dass sich parallel zur Entwicklung unbemannter Technologien, Kommunikationstechnologien auch die Fernsteuerung entwickeln wird. Es ist möglich, dass wir in naher Zukunft Zentren für Fernsteuerung und -überwachung haben werden, in denen Maschinenbediener die Bewegung elektrischer Züge im gesamten Netz in einer Entfernung von Tausenden von Kilometern steuern. Ein ähnliches Bild wird im Bergbau zu beobachten sein, wo die Betreiber die Arbeit von Muldenkippern, Bulldozern und anderen Geräten von gemütlichen Büros aus in großer Entfernung überwachen werden.

Ich möchte auch darauf hinweisen, dass NIIAS JSC und Russian Railways JSC als erste weltweit Technologien zur Fernsteuerung des Schienenverkehrs entwickelt haben und nach unseren Schätzungen derzeit an der Spitze dieses Bereichs stehen.