Курс на беспилотное движение поездов

История вопроса

Зрение – важнейший из пяти органов чувств человека. При помощи глаз мы получаем 90% информации об окружающем мире. Вопрос, можно ли научить электронно-вычислительную технику видеть так же, как человек, интересовал людей со времени появления первых ЭВМ.

На старте разработкой технологии, которая получила название «компьютерное зрение», занимались преимущественно ученые. С развитием вычислительной техники, увеличением ее производительности, совершенствованием устройств ввода информации, их удешевлением технология вышла за стены лабораторий, стала применяться в промышленности, где получила название «машинное зрение».

Несмотря на интерес к технологии оборонно-промышленного комплекса, медицинских организаций и индустриальных компаний, внедрение машинного зрения началось совсем недавно. Перелом произошел тогда, когда возможности технологии превзошли человеческие. Сегодня компьютер способен не просто воспринимать, но и распознавать 98% объектов, анализировать образ, сопоставлять его с другими. В то время как человек может держать в зоне своего внимания 7 объектов, для техники это число не ограничено, вдобавок она никогда не устает.

Машинное зрение находит все более широкое применение. Самостоятельно технология фактически не используется, она является одной из составных частей сложных систем (например, систем автовождения автомобилей и поездов, распознавания лиц на смартфонах, систем, позволяющих отслеживать работу линий на производстве, и т.д.).

Создавая их, компании сталкиваются с выбором. «Можно приобрести готовую для конкретного применения технологию, а можно создать собственный центр компетенций и получать новые смыслы применения машинного зрения», – говорит Андрей Романчиков, генеральный директор «ЛокоТех-Сигнал» и управляющий директор по развитию интеллектуальных систем управления ТМХ. «ЛокоТех-Сигнал» выбрал второй путь развития, создав в мае 2020 года Центр компетенций по машинному зрению в машиностроении. Его основная цель – сбор и консолидация знаний в области машинного зрения, а также максимально эффективное применение технологии в машиностроении и на производстве.

Решение

«ЛокоТех-Сигнал» занимается разработкой системы дистанционного управления на основе машинного зрения, которая получила название Ctrl@Vision. В перспективе она позволит вести поезд в автоматическом режиме под удаленным контролем оператора, при этом система будет самостоятельно выбирать оптимальный режим тяги и сможет сама управлять тормозами. Алгоритмы Ctrl@Vision, основанные на базе технологий искусственного интеллекта и нейронных сетей, обрабатывают данные со множества сенсоров (ультразвуковых датчиков, лидаров, видеокамер, радаров) и принимают решение о действиях на локомотиве менее чем за четверть секунды – это быстрее, чем время реакции отдохнувшего и бодрого человека.

Система будет работать как снаружи, так и внутри локомотива: решение на основе машинного зрения, разработанное «ЛокоТех-Сигналом», позволяет контролировать деятельность машиниста.

Среда

Система Ctrl@Vision состоит из нескольких частей, легко конфигурируется и может применяться на любом локомотиве.

• Система контроля состояния и действий машиниста Ctrl@Vision 50.

При помощи анализа изображений лица машиниста Ctrl@Vision 50 оценивает его психофизиологическое состояние, направление взгляда и способность управлять локомотивом. На основании анализа данных система принимает решение, может ли машинист управлять локомотивом или нужно остановиться/снизить скорость. Как итог, Ctrl@Vision 50 позволит оптимизировать постоянные классические проверки бдительности машиниста. Помимо этого, система позволяет автоматически отслеживать и регистрировать все нарушения работы машиниста: отсутствие на рабочем месте во время движения, а также присутствие посторонних лиц в кабине.

• Система обнаружения препятствий и предотвращения столкновений Ctrl@Vision 100.

Ctrl@Vision 100 помогает предотвратить столкновение с железнодорожным транспортом, человеком, дикими крупными животными, автомобилями и т.д. Она обнаруживает и классифицирует объекты на расстоянии до 250 м, в том числе определяя точное расстояние, распознавая показания светофора, положение стрелочного перевода и т.д. Система делит контролируемое расстояние на зоны и может или привлечь внимание машиниста к препятствию при помощи специального сигнала, или самостоятельно вмешаться в управление движением, применив торможение.

• Система диспетчерского контроля за движением локомотива Ctrl@Vision 150.

Система отслеживает путь движения локомотива: определяет местонахождение машины, показания светофоров, положение стрелочных переводов и других инфраструктурных объектов. Это позволяет определить точную траекторию передвижений локомотива и сохранить ее для дальнейшего анализа исполненной работы, контролировать пробег локомотива, а также передавать точную текущую координату по радиоканалу для отслеживания местоположения машины в режиме реального времени.

• Система дистанционного управления Ctrl@Vision 200.

Система позволяет управлять локомотивом удаленно с помощью переносного или стационарного пульта. Связь осуществляется с помощью технологий передачи данных LPWAN и LTE. При дистанционном управлении оператор может одновременно управлять несколькими локомотивами, переключаясь между ними.

• Система автоматизированного движения Ctrl@Vision 300.

Система позволяет не только дистанционно управлять одним или несколькими локомотивами, но и давать технике задания (основные маневровые операции: передвижение с одного пути на другой, движение до сцепки с составом, движение на определенное расстояние и т.д.), которые будут выполняться автоматически. При движении в автоматическом режиме локомотив сам определяет препятствия и в случае опасности останавливается. «Максимальная оптимизация производственных и технологических ресурсов на рельсовом транспорте может быть достигнута при реализации уровня автоматизации 4 (GOA4), который в том числе предполагает автономное управление поездами без участия какого-либо персонала на борту поезда. Это точка роста, к которой нужно стремится», – говорит Павел Мащенко, заместитель генерального директора «ЛокоТех-Сигнал».

Нюансы

Основной инструмент машинного зрения – это «глаза» – сенсоры. Работают они комплексно, каждый выполняет свою функцию по распознаванию объектов. Но собирать всю необходимую информацию возможно не всегда. Например, во время снегопада или ливня радары фактически становятся бесполезными, а лидары не могут работать в тумане, так как затухает волна луча.

Поэтому в системе Ctrl@Vision есть дополнительные источники информации – бортовые системы самой машины. Так, система позиционирования локомотива позволяет определять точное положение машины на карте и снабжает оператора нужными сведениями.

При внедрении систем машинного зрения есть и другие нюансы. Например, для локомотива это высокие вибрации, большое количество мелкой пыли, в том числе токопроводящей, высокие и низкие температуры. «Они решаются при помощи тонкого подбора устройств, которые использует система», – поясняет Андрей Романчиков.

Результат

Совместно с крупнейшим производителем подвижного состава «ЛокоТех-Сигнал» создал концепт локомотива с функцией системы определения препятствий и дистанционного управления. «На магистральном транспорте Ctrl@Vision может выполнять функцию помощника машиниста, который никогда не устает и не теряет концентрацию», – говорит Антон Попов, руководитель проектов по машинному зрению Группы компаний Ctrl2Go. Помимо этого, в стадии реализации находится несколько проектов с промышленными компаниями, располагающими собственной железнодорожной инфраструктурой и подвижным составом. На замкнутой инфраструктуре система Ctrl@Vision является базовой технологией для организации беспилотного движения.