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Como escrevemos o piloto automático mais legal do mundo para uma locomotiva de manobra

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Um dos primeiros protótipos usados ​​para testes.

Devo dizer imediatamente: ele é o mais legal, porque é o único piloto automático do terceiro nível levado à operação de teste. E ele foi o único levado a uma operação de teste porque, sem a experiência de autopiloto de bondes e outras coisas, simplesmente não faz sentido entrar nesse mercado. Existem muitas locomotivas a diesel, a tarefa é interessante e importante para a produção, mas não compensa como uma separada. Conhecemos os desenvolvimentos sobre esse tópico na NIIAS e na Siemens, mas não sabemos que seus bondes viajaram para algum lugar em um ambiente urbano e as locomotivas transportaram bens reais.

Como já temos muitos desenvolvimentos e soluções diferentes com bondes não tripulados Na Rússia e na China, decidimos experimentar uma grande empresa com uma grande frota de locomotivas a diesel usadas para entregar matérias-primas às oficinas.

Lá, o problema é que o movimento da locomotiva é regulado por muitos sinais, posições de pessoas e infraestrutura, além das equipes do despachante. O motorista deve permanecer extremamente atento durante todo o turno (aproximadamente 12 horas), inclusive à noite. Como resultado, mais cedo ou mais tarde, ele perde algo e sofre um acidente ou derruba alguém. Isso é vida, acidentes de transporte acontecem, mas especificamente nessas situações, você pode dar ao luxo de colocar radares nas locomotivas a diesel, porque não apenas uma locomotiva a diesel se levanta, mas toda uma grande empresa. Por muito tempo. A prevenção de colisões e o piloto automático podem reduzir bastante a carga de uma pessoa no cockpit e, em seguida, a produção não aumenta.

O módulo da imagem é um dos primeiros protótipos da câmera que começamos. A partir desse momento, ele passou por mudanças significativas, mas é sempre interessante ver como tudo começou. Agora, vou contar como os robôs geralmente conseguem navegar nas estações, porque a tarefa não é trivial.

Nosso piloto automático garante uma operação segura em condições climáticas e climáticas difíceis e em qualquer condição de luz.

Aqui está o que é colocado na locomotiva:

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A versão atual no hardware da câmera é muito diferente dos primeiros protótipos.

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São necessárias três câmeras porque esse design pode se mover rapidamente, a distância de parada, ao contrário do bonde, é grande (os bondes ficam quase no lugar em caso de emergência) e a carga é pesada por trás. Portanto, é necessário prever a situação com antecedência. Muitas vezes, é necessário ler as indicações dos semáforos nessas histórias:

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Portanto, existem três câmeras:

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Aqui está o que elas veem:

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Radar Plus.

É necessária uma configuração bastante cara, cerca de 15 mil dólares. Isso não será colocado em um carro, porque o complexo não deve custar mais que um carro. Mas é razoável implantar um complexo de hardware e software em locomotivas a diesel e vale a pena. E a tarefa é diferente. Na última conferência, o Google mostrou seu conjunto completo de sensores, que, em sua opinião, deveriam ser instalados em todos os veículos não tripulados, onde o preço é muito superior a 100 mil dólares. Eles e nós temos duplicação convergente: se um dos subsistemas falhar, será possível chegar ao depósito (serviço) pelo resto.

Por que começou na Rússia


Como estamos no TOP-3 em máquinas agrícolas, no TOP-5 na ferrovia, e temos uma das redes de bonde mais desenvolvidas do mundo (mas além dos dez primeiros, compare pelo menos com a China). O mercado mundial de tratores, colheitadeiras, bondes e locomotivas a diesel é um terço do automóvel. Terceiro. E temos um país ideal para o desenvolvimento de tudo isso, também porque, nos anos 90, todos eles desabaram e não compraram, e muitos equipamentos estão agora quase frescos, ou seja, quase nenhuma geração antes da última.

No mundo - 300 mil locomotivas. Em nosso país - 50 mil locomotivas da Russian Railways. Destes, 15 mil são desviados. Além disso, existem 10 mil locomotivas de proprietários particulares. Geralmente, são plantas grandes - metalúrgicas. 250 locomotivas - em Novolipetsk, por exemplo, onde realizamos testes. Eles resolvem um problema específico: a continuidade do processo de entrega de matérias-primas para a produção ou expedição de produtos acabados para a principal ferrovia. Existem empresas químicas, metalúrgicas e de mineração com essas tarefas.

Menos de 1.000 locomotivas a diesel são produzidas por ano. Este é o mercado de reposição - você precisa lidar com a frota atual. É necessário equipá-lo.

E podemos fazer isso muito bem.

O número de acidentes em áreas fechadas é maior do que parece do lado de fora. Eles quase sempre são sem vítimas, mas com danos materiais (corte de flecha, o trem disparou), e o ritmo de produção é sempre interrompido enquanto o reparo está em andamento.

A tarefa é fazer da L3 - uma locomotiva não tripulada.

Decisão


O tempo de operação do bonde permite que você mantenha o caminho bem:

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e é bom ver os obstáculos:

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mas apenas colocar e rolar o código na locomotiva não funcionará. O fato é que, se a rota do bonde for bastante simples (duas vias com um mínimo de ramificações), a locomotiva terá uma complexidade muito maior de estações, e você precisará navegar muito bem em um denso conjunto de trilhas.

Além de locomotivas a diesel de manobra - elas não viajam por todo o país, mas se movem ao longo de suas rotas fechadas. A primeira coisa que fizemos foi começar a fazer mapas de trilhas como uma fonte de dados auxiliar baseada em planos e imagens de satélite (devemos admitir que se mostrou muito mais rápido e mais confiável com imagens de satélite). Ou seja, eles treinaram uma rede neural para destacar caminhos, mas até agora estamos ajustando o resultado manualmente. Os seguintes esquemas foram obtidos:

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A bordo, há um GPS + GLONASS de alta precisão (também caro, mas aqui você pode), um esquema de orientação visual e um radar. Isso significa que você pode anexar coordenadas aproximadamente a uma seção da rota e, devido ao reconhecimento de objetos ao redor, "descobrir" o local exato.

É conveniente quando existe um mapa de satélite.

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Portanto, a próxima coisa que fizemos foi começar a ensinar locomotivas a diesel às estações. De fato, a cada passagem ao longo da rota, a locomotiva lembra os objetos ao redor e os reconhece para dividi-los em permanentes e temporários (é estranho navegar por uma vasilha ou uma pessoa, mas é possível a totalidade de postes, semáforos e flechas). Então ele projeta no mapa. Essa é uma das fontes de dados e permite melhorar muito a precisão da tomada de decisões pelo piloto automático. O algoritmo de armazenamento é aproximadamente o mesmo do FaceID: novos dados bem-sucedidos são adicionados ao conjunto de treinamento.

Naturalmente, precisávamos marcar conjuntos de dados manualmente no início. Não é o trabalho mais agradável e rápido, mas muito necessário. Era possível coletar conjuntos de dados apenas nas instalações, porque muito dentro não era como bancos comerciais.

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Uma das características das estações é a luz brilhante e as condições precárias de reconhecimento. Aqui precisa necessariamente o radar de pesquisa para pedestres, análise de vídeo por si só não puxa:

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Veja como você pode desenhar as cenas ruins (obstáculos arbitrários nas trilhas, a estimativa raio de objetos) em detrimento da visão estéreo, o que cria ainda mais dados para a definição de baixo nível de imagem ambiental:

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Desde radar - de nosso próprio projeto, somos capazes de receber dados de baixo nível de todos os sensores e extrair mais correlações das redes neurais diretamente em tempo real a partir deles do que o habitual. Incluindo da varredura de radar original. Isso também se mostrou muito importante para o projeto.

Obviamente, também usamos previsões do movimento de pessoas (mais detalhes estão no último post sobre o bonde). Mas aqui tudo é simples, as pessoas quase não vão e não tentam pular embaixo de uma locomotiva a diesel na tentativa de entrar nela. Aqui estão os obstáculos para evitar:



É assim que a posição das setas é detectada: esperamos a seta na navegação, procuramos a seta, mudamos para a câmera remota para ver mais de perto, selecionamos o segmento com a seta no quadro arrastando-o para o neurônio, obtemos o resultado do estado da seta.

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Qual é a diferença entre as tarefas de uma locomotiva diesel de manobra do habitual?


Manobras - estes são os dispositivos:

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Aqui está mais bonito:

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uma locomotiva desse tipo é quase constantemente ocupada pelo fato de estar se aproximando e atracando com o trem.

Características do movimento é que ele puxa e empurra. Ele se move em duas direções, ou seja, meio dia vai contra a vista principal da cabine.

Existem muitas restrições nas manobras, há semáforos próprios, além dos habituais.

Se houver poucas setas nas linhas comuns, o desvio dentro da estação geralmente possui toda uma rede de comutadores. As correções de GPS + RTK não são suficientes nas estações, porque há muito ferro diferente por perto. A filtragem Kalman não garante a preservação do caminho. Temos constantemente um metro e meio - da próxima maneira, e podemos nos posicionar lá, isso leva a erros de algoritmo. Utilizamos um filtro de partículas para dados de baixo nível - isso permitiu 10 vezes para melhorar a precisão do posicionamento. A filtragem de partículas é difícil na computação (isso pode ser contornado) e não podemos especificar explicitamente um modelo de movimento. Mas você pode fornecer dados de todos os sensores: odometria, postes na estação, semáforos e setas, estamos vinculando a um mapa virtual. Trabalha sob pontes. Distribuição em frente aos pilaresO atirador e os semáforos da estação permitem que você dê uma avaliação muito mais precisa de sua própria posição do que o GPS. No futuro, planejamos abandonar completamente as correções RTK, o GPS será necessário apenas para uma avaliação inicial da situação. A seguir, é apresentada a correlação dos pilares no mapa e na câmera / radar.

Os semáforos são mais complexos do que em um bonde. É necessário distinguir entre sinais de trânsito. Nas linhas, existe um ALSN e, para tarefas de desvio, o sinal ao longo do trilho não é duplicado dentro da estação. Precisa de um modo noturno, é quando os semáforos iluminam a câmera. No modo diurno, às vezes também são pálidos. Para isso, eles criaram um sistema de filtro. É necessário reconhecer por 300 metros para ter tempo de parar a composição.

Com um mapa de satélite preparado e marcado, o resultado é bom, mas o piloto automático pode aprender após cinco ou seis viagens à nova estação; portanto, se o escritório não preparar o mapa, você precisará viajar vazio nas novas estações. Por outro lado, se o cartão estiver desatualizado, nosso robô não se perderá. É importante que isso consuma muitos recursos, porque você precisa não apenas olhar para os objetos, mas analisar o tipo de cada um. O oficial de transferência pode se tornar um objeto permanente, porque ele está sempre em um só lugar, mas, se ele recebe uma classe de pessoa, o robô entende que não faz sentido colocá-lo no mapa.

O motorista precisa de um assistente para inspecionar 180 graus na direção da viagem, porque a locomotiva tem uma estrutura com o compartimento do motor na frente e fecha a vista do motorista em tudo o que está à esquerda. E o motorista deve andar com um assistente (geralmente não é permitido) ou é necessário um sistema de revisão e piloto automático.

Após o teste e a certificação, nosso sistema pode ser dispensado sem um assistente no local. O sistema não adormece.

Aqui está uma das melhores ilustrações que acontece. BelAZ colidiu com uma locomotiva a diesel. A locomotiva perdeu e a suspensão de BelAZ decolou e a viga quebrou. Agora você sabe, a baleia vence ou o elefante.

Foi bastante difícil com a frenagem. No caso de um bonde, controlamos com flexibilidade o processo e podemos travar parcialmente. No caso de um trem - apenas para uma parada completa, caso contrário, poderá ocorrer uma quebra de trem. O bonde pode diminuir a velocidade e controlar o tempo antes da colisão. Isto é devido ao seu sistema de travagem e peso fixo. Cada vez que o trem é diferente, há até 100 vagões e o freio a ar é removido por alguns segundos. O grande problema é que, se controlarmos os freios do trem, precisamos controlar a pressão em todo o trem, que estava levemente descontrolada para o piloto automático.

O que exatamente o sistema faz?


Agora, ele inicia a frenagem automática em um semáforo que proíbe a posição de uma flecha lanosa; ao se aproximar de um trem, é mais rápido que a tolerância ou quando existem obstáculos nos trilhos (incluindo uma pessoa). Calculamos a previsão da colisão, a trajetória dos objetos, a velocidade do trem. Se uma pessoa, de acordo com suas intenções, cruzar os caminhos ao mesmo tempo em que o trem for para lá, primeiro um aviso, se o tempo for curto, iniciaremos a inibição.

Princípio geral:



A base de testes foi em Vologda, porque lá eles levam a segurança muito a sério. Alguns anos atrás, o motorista da locomotiva adormeceu e entrou nos tanques através de um sinal de proibição. Como resultado, o carro virou, um monte de tanques saiu dos trilhos, é bom que eles estivessem vazios. Há fotografias, são muito impressionantes.

Se os tanques não estivessem vazios, não haveria nenhuma fotografia, apenas tudo teria decolado no ar. Um motorista cansado recebe uma luz de proibição com mais frequência do que parece do lado de fora. Um caso muito provável não é a goivagem, mas um mal-entendido do comando do despachante no walkie-talkie (você pode andar sob o azul se a permissão do despachante o fizer). Mas se você não olhar para a seta, ela será hackeada. Nada acontecerá com o plantel atual, mas o próximo a seguir na direção oposta pode sair dos trilhos.

É assim que fica na cabine do motorista:



Como você pode ver, estamos caminhando corretamente para o fato de que o antigo ChMEZiki (em algumas regiões também são chamados de Chmukhs) será um veículo não tripulado muito perfeito. Bem, ou com um co-piloto assistente, pelo menos. Já tem e funciona.

Posfácio


Em dezembro de 2019, concluímos um projeto com a Russian Railways para criar um complexo de hardware e software para auxiliar o motorista, apresentamos uma locomotiva de manobra de protótipo com a possibilidade de controle autônomo. Os primeiros resultados do trabalho foram apresentados à gerência da Russian Railways em julho do ano passado e foram muito apreciados. Hoje, sob o contrato, os sistemas inteligentes Cognitive Rail Way Pilot são instalados em dez locomotivas de manobra da marca ChMEZ.

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O chefe da Ferrovia Russa, Oleg Belozerov, com os gestores de estradas e o governador da região de Tula, Alexei Dyumin, trabalha com especialistas em Cognitive Pilot como parte da XV Assembléia de chefes ferroviários na estação Shchekino da ferrovia Tula.

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A equipe do Piloto Cognitivo, após demonstrar com sucesso os resultados de um projeto conjunto para o gerenciamento das Ferrovias Russas e da região de Tula na estação Schekino da ferrovia Tula.

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