Высший уровень автоматизации GoA4 (в российской классификации — УА4), привычный для метро и монорельса, приближается к практическому внедрению в других сегментах железнодорожного транспорта. Игроки накапливают массивы данных, чтобы обучать системы технического зрения, идет подготовка инфраструктуры и нормативной базы. Если автономные маневровые локомотивы почти не имеют препятствий для широкого применения, то старт коммерческой эксплуатации электропоездов без машиниста ожидается не раньше середины 2020-х. В дальнейшей перспективе — рост уровня автоматизации региональных поездов, грузового движения и, возможно, даже высокоскоростных магистралей.
Опубликовано в альманахе «Тренды рынка подвижного состава» к международному железнодорожному салону «PRO//Движение.Экспо» 2023 года
Знаковые проекты
Автоматизация парка горнорудной компании Rio Tinto (Западная Австралия) — пока единственный в мире реализованный проект уровня GoA4 на открытой железнодорожной инфраструктуре. В 2019 году на беспилотное управление были переведены свыше 200 тепловозов, которые доставляют железную руду из 16 шахт к портам Дампир и Кейп- Ламберт. По сети протяженностью более 1,8 тыс. км одновременно курсирует до полусотни тяжеловесных поездов из 240 вагонов. Погрузка-выгрузка так- же производятся автоматически, машинисты садятся за пульт лишь во время следования по терминалам. Центр управления движением расположен за полторы тысячи километров от рудников. Системным интегратором проекта AutoHaul стоимостью $940 млн выступила Hitachi Rail.
Беспилотный поезд на руднике компании RioTinto. Источник: Hitachi Rail
По оценкам Rio Tinto, в результате внедрения средняя скорость локомотивов увеличилась на 5-6%, снижен расход топлива на тягу. Отпала потребность в подвозе персонала автомобилями — раньше суммарный пробег этих рейсов составлял 1,5 млн км в год. Последнее время компания присматривается к поставщикам машинного зрения для усовершенствования своей системы. На тесты уже были приглашены австралийская 4AI Systems и израильская Rail Vision.
В то же время прямой перенос схемы AutoHaul на пути общего пользования невозможен, поскольку сеть построена в изолированной пустынной местности, имеет однородный подвижной состав с одним владельцем.
Автоматизация Московского центрального кольца (МЦК) прорабатывается с 2017 года силами НИИАС. Кольцевая линия длиной 54 км, укомплектованная электропоездами «Ласточка», перевозит полмиллиона человек в день. Пассажиропоток будет расти, а значит необходимо сократить интервалы между поездами МЦК до 3 минут и менее — так пояснял задачи проекта в интервью РЖД ТВ генеральный директор НИИАС Александр Долгий. По его словам, при столь плотном графике сбой даже в 15 секунд может вызвать транспортный коллапс, поэтому выбор в пользу искусственного интеллекта очевиден.
Тестирование «Ласточек» в режиме УА3 стартовало в 2020 году. Год спустя поезд получил сертифицированную систему технического зрения — как утверждают в РЖД, впервые в Европе. Чувствительность датчиков превосходит человеческую: к примеру, взрослого пешехода они фиксируют на расстоянии 1 км, ребенка — на 600–700 м, реагируя на препятствие за 0,3 секунды. Сейчас систему обучают понимать более сложные виды сигналов, идет подготовка к сертификации на уровне УА4. Без участия машиниста должен осуществляться весь комплекс ведения поезда в любой обстановке, диагностика оборудования, открывание и закрывание дверей.
Уровни автоматизации железнодорожного транспорта. Желтым — наименование уровней в российской классификации, утвержденной в 2022 году. Основа схемы: Журнал «Железные дороги мира»
В марте 2023 года прошли испытания удаленного управления сразу двумя «Ласточками». Ожидается, что по завершении проекта один оператор сможет одновременно управлять четырьмя поездами, а за счет оптимизации режимов вождения снизится энергопотребление. Срок готовности технологии УА4, как ранее сообщал замгендиректора НИИАС Павел Попов, — конец 2023 года. Она будет установлена на поездах ЭС104 с отечественной тягой, созданных на заводе «Уральские локомотивы» для замены «Ласточек», ранее локализованных в партнерстве с Siemens Mobility. Передачу РЖД заказанной партии из 22 пятивагонных составов планируется начать с ноября, сразу после сертификации.
Взаимодействие модернизированных бортовых систем с инфраструктурой МЦК уже отлажено. Примечательно, что на платформах не будет дверей, традиционно применяемых для изоляции беспилотных поездов метро в целях безопасности.
Автоматизация городской железной дороги Копенгагена S-tog (Дания) претендует на звание самого масштабного проекта в этом ряду. Согласно планам, в 2037 году сеть, состоящая из 170 км путей и 86 станций, станет полностью беспилотной. В настоящее время линиями S-tog ежедневно пользуются 300 тыс. пассажиров.
Национальный перевозчик DSB инициировал крупнейшую в мире закупку подвижного состава уровня GoA4 — 226 поездов с эксплуатационной скоростью не менее 120 км/ч. Они должны заместить копенгагенские поезда Alstom, которые сейчас работают в режиме GoA2. Общая сумма тендера, включая 30-летнее обслуживание, составляет €3,5 млрд. Выбрать поставщика намечено весной 2025 года, приступить к испытаниям машины — в 2028-м. Еще около десяти лет продлится период ввода в эксплуатацию. Осенью 2022 года на сети установлена система управления движением по радиоканалу CBTC от Siemens, она же обязуется поставить для нового парка системы сигнализации.
Поезд городской сети Копенгагена S-tog. Источник: Thomas de Laine/myldretid.dk
Как рассказал в интервью изданию pro.ing.dk директор по стратегии и подвижному составу DSB Юрген Мюллер, обеспечивать безопасность трассы изначально предлагалось с помощью технологии акустического зондирования (DAS) в сочетании с датчиками в передней части поезда. Однако теперь компания склоняется к другому варианту: между станциями пути будут огорожены, а на платформах установят системы обнаружения объектов. От платформенных дверей решено отказаться.
Автоматизация сортировочной станции Лужская в Ленинградской области — самого большого в России припортового грузового узла — началась в 2015 году. Два года спустя был реализован перевод трех маневровых локомотивов ТЭМ7А на беспилотный режим второго уровня. К созданию программного обеспечения и бортовых систем холдинг РЖД привлек свои научные центры НИИАС, ВНИКТИ и Проектно-конструкторское бюро локомотивного хозяйства. Для общего управления процессом сортировки вагонов была внедрена система MSR32 от Siemens (ее обслуживанием после ухода немецкого концерна из России занимается НИИАС).
Маневровый тепловоз ТЭМ7Ана станции Лужская Октябрьской железной дороги.Источник: SsVMedia/youtube
Тепловозы самостоятельно выполняют надвиг состава на сортировочную горку, съезд с нее, заезд под состав и возвращение на исходную позицию. Машинист вмешивается только в случае нештатных ситуаций. Блок обнаружения препятствий, снабженный комплектом датчиков, идентифицирует объекты на расстоянии до 200 м и решает, двигаться дальше или затормозить.
Следует отметить, что за рубежом подобный проект был осуществлен в апреле 2023 года: южнокорейский перевозчик Korail автоматизировал сцепку, расцепку и перемещение грузовых поездов на станции города Чечхон. В Европе апробация маневровых локомотивов с техническим зрением активно ведется лишь последние два года.
Беспилотные решения на Лужской являются важной частью концепции РЖД «Цифровая железнодорожная станция». Ее конечная цель — максимально делегировать работу сортировочных узлов искусственному интеллекту и тиражировать эту модель на 25 станциях.
Отраслевая повестка в мире
Как минимум два маневровых локомотива в Европе за 2022 год прошли тесты в режиме GoA4. Так, в Финляндии машинное зрение от технологической госкомпании VTT получил тепловоз Otso 4, выпущенный в 1975 году. Параллельно его перевели на гибридную тягу. К модернизации был привлечен частный бизнес, финансирование составило €3,6 млн. Сообщалось, что постоянная эксплуатация автономной машины на путях необщего пользования может начаться в 2023 году.
Беспилотный маневровый локомотив на испытаниях в промышленной зоне Войккаа. Источник: railwaygazette.com
В Нидерландах на маневровом локомотиве опробовали систему технического зрения от израильской Elta Systems (является частью оборонного концерна IAI), подтвердив ее совместимость с системой автоматического управления от Alstom. В основе оборудования Elta лежит цифровой радар высокого разрешения и многоспектральная электрооптика для эффективной работы в непогоду и при слабой видимости. Между тем тест-драйв показал, что сенсоры определяют препятствия на трассе с 500 м, а не с 1 км, как заявлялось до этого.
Система технического зрения от Elta на маневровом локомотиве оператора Lineas,проходившем испытания в Нидерландах. Источник: Alstom
Другой израильский производитель Rail Vision (стратегический акционер — немецкая Knorr-Bremse) уверяет, что его система обнаружения препятствий Main Line способна видеть транспорт на расстоянии до 2 км, людей — до 1,5 км, конец путей — до 600 м при любой погоде и освещении. Комплект датчиков устанавливается на крыше кабины. Первый серийный контракт за $1,4 млн на поставку и обслуживание 10 таких систем компания заключила в начале 2023 года с национальным перевозчиком Israel Railways. Продукт позиционируется как средство помощи машинисту или дистанционному оператору на магистральных линиях, с возможностью интеграции в 100% автономное управление. В 2022 году систему Main Line три месяца испытывали на беспилотных рудовозах компании Rio Tinto в Австралии, после чего были озвучены планы продолжить тесты.
Испытания системы обнаружения препятствий MainLine на подвижном составе IsraelRailways.Источник: railwaygazette.com
Кроме того, в США проходит пробную эксплуатацию система Switch Yard System (дальность 200 м), созданная Rail Vision для повышения безопасности маневровых работ.
В июне 2023 года в Германии завершился проект Sensors4Rail, который воплощался под эгидой национального перевозчика Deutsche Bahn (DB) с 2019 года. На четырех поездах городской сети Гамбурга, автоматизированных до уровня GoA2, тестировали систему обнаружения препятствий. В ней были использованы автомобильные и промышленные датчики Bosch и Ibeo, приспособленные к железной дороге в лабораторных условиях. Система включала шесть лидаров, проводивших более 30 тыс. измерений с частотой 15 Гц; инфракрасную камеру (диапазон волн от 8 до 14 мкм), способную выявлять стационарные и движущиеся объекты даже в абсолютной темноте; три камеры видимого диапазона — для ближнего, среднего (300 м) и дальнего (550 м) обзора; четыре радара с частотой 76-77 ГГц. Сигналы поступали в вычислительный комплекс, также установленный на борту. За определение местоположения поезда и системную интеграцию отвечала Siemens Mobility.
Поезд с техническим зрением на городской железной дороге Гамбурга S-Bahnв рамках проекта Sensors4Rail. Источник: here.com
В ходе испытательных поездок, длившихся около года, с датчиков записано 450 Тбайт данных. Они позволяют оценить, как на распознавание объектов влияют погода и время суток, насколько точно идентифицируется локация поезда, особенно в недоступных для спутниковой связи участках. Создан дата-центр, где обрабатывается вся собранная информация. На ее основе сейчас формируют каталог сценариев для серийных систем. В обучении искусственного интеллекта задействуют не только массив реальных данных, но и имитационное моделирование ситуаций.
Cледующий шаг к беспилоту на немецких магистралях был сделан в июле 2023 года. Объявлено, что перспективный поезд Mireo Smart от Siemens и один из поездов городской сети Штутгарта будут оснащены системой автоведения уровня GoA4. Как и в случае с GoA2, ее установят поверх европейской системы управления движением поездов ETCS. Проект под названием AutomatedTrain профинансирован из госбюджета на сумму €42,6 млн. Автоматическую подачу и вывод составов с линии будут испытывать в течение трех лет, результаты DB обещает представить на выставке Innotrans-2026. Отдельной программой до конца 2024 года в стране предусмотрено создание стандартов для испытаний и применения искусственного интеллекта в региональных поездах.
Siemens продолжает совершенствовать собственную систему предупреждения столкновений Mainline Assistant — заявляется, что она также поддерживает высокие уровни автоматизации и адаптируется к разным типам поездов, сканируя пространство перед составом на 600 м. В качестве тестовой лаборатории служит высокоскоростной поезд ICE TD (эксплуатируется на сети Deutsche Bahn).
Поезд-лаборатория Advanced TrainLab на выставке Innotrans-2022 в Берлине. Источник: bahnblogstelle.com
В свою очередь Франция в лице консорциума под руководством национального перевозчика SNCF еще два года назад анонсировала к 2023 году запуск прототипов полностью автономных поездов — грузового и пассажирского. Начавшиеся с уровня GoA2 испытания с участием Alstom и Thales идут с 2021 года. Также Thales и ее партнеры в Канаде в 2022 году создали прототип системы беспилотного управления для городского и пригородного рельсового транспорта, бюджет составил $2 млн. Среди участников коллаборации — Lumibird Canada, разработчик 3D-лидаров Opal.
Осенью 2022 года в Германии Thales предоставила исследовательскому центру SRCC свою мобильную лабораторию Lucy train для испытаний дистанционного управления поездом с расстояния 300 км, а также договорилась с немецким производителем тормозного оборудования Knorr‑Bremse о совместной работе над системой автоведения в рамках концепции цифрового грузового поезда.
Испытательный поезд Lucy Trainот Thales на треке в Рудных горах (Германия), управляемый оператором с расстояния 300 км. Источник: Deutschlandspricht über 5G
В Японии готовятся к более масштабной задаче — автоматизации высокоскоростных магистралей. Предполагается, что она коснется поездов серий E7/W7, выпускаемых конгломератом японских производителей. Перевозчик JR East планирует в конце 2020-х внедрить уровень GoA4 в Ниигате на участке от депо до центрального вокзала. При движении с пассажирами с середины 2030-х намечен переход на GoA3. Речь идет, в частности, о коммерческих перевозках на линии «Дзеэцу» между Ниигатой и Токио.
Машинное зрение на российском рынке
Ведущую роль в развитии беспилотных технологий для железнодорожного сектора в России играют НИИАС и «ТМХ — Интеллектуальные системы» (ТМХ-ИС). До недавних пор конкуренцию им составляла Cognitive Pilot (совместное предприятие «Сбера» и Cognitive Technologies), но она переключилась на другие сегменты рынка.
Готовый к тиражированию продукт от НИИАС — сертифицированная бортовая система технического зрения, предназначенная для помощи машинистам в локомотивах, моторвагонном подвижном составе и спецтехнике. В ее функции входит выявление препятствий, определение сигналов светофоров, исправности колеи и положения стрелок. Система соответствует техрегламенту ТР ТС 001/2011, что позволяет внедрять ее на сети РЖД и поставлять в страны ЕАЭС. В комплекте датчиков — две видеокамеры ближнего (до 50 м) и две дальнего обзора (до 200 м). Модули видеоконтроля произведены в России, разработчик программного обеспечения — НИИАС.
Бортовая система технического зрения разработки НИИАС. Источник: НИИАС
ТМХ-ИС в свою очередь располагает системой автоматизации контроля и управления движением Ctrl@Vision с заявленной дальностью действия до 600 м и возможностью установки на любом виде рельсового транспорта. Впервые система была применена в 2020 году на маневровом тепловозе ТГМ6А Череповецкого металлургического комбината. Различные ее вариации апробируются на промышленных площадках России и Казахстана. Например, специализированное решение для тех предприятий, где практикуется движение вагонами вперед: в дополнение к стандартному модулю на хвостовой вагон устанавливают блок видеоконтроля с передачей изображения в кабину.
Концепция Ctrl@Vision была расширена в системе «Автомашинист», которая значится как одна из опций в комплектации нового маневрового тепловоза ТЭМ23 производства «Трансмашхолдинга». Система предусматривает три режима работы: беспилотное движение, обнаружение препятствий и дистанционное управление.
ЛокомотивТЭМ23-0001 во время подконтрольно-демонстрационной эксплуатации на Череповецком металлургическом комбинате. Источник: Вячеслав Злобин/Railgallery
В сфере беспилотных технологий на магистральном транспорте первенство принадлежит НИИАС, а полигоном служит Московское центральное кольцо. По собственным оценкам разработчиков, в части выстраивания взаимодействия бортовых систем с путевой инфраструктурой институт опережает мировые тренды примерно на год, при этом сама система технического зрения по эффективности не отстает от европейских образцов. Вместе с тем признается необходимость создать фабрику данных для обучения нейронных сетей аналогично тому, как это сделано в рамках проекта Sensors4Rail в Германии.
Источник: Статья А.Л. Охотникова «Проекты систем технического зрения для автоматического управления движением» в журнале «Автоматика, связь, информатика», 2023 год, № 3 (увеличить)
В целом эксперты выделяют два основных фактора, ограничивающих развертывание беспилота на железнодорожном транспорте в России. Во-первых, поскольку для дистанционного управления требуется передача потокового видео, то необходима широкополосная связь LTE. Решение этого вопроса влечет существенные затраты.
Второй момент — нормативное регулирование. Возможность и условия эксплуатации подвижного состава в автоматическом и дистанционном режимах должны быть четко прописаны во всех базовых документах отрасли.
Редакция Правил технической эксплуатации железных дорог, принятая в 2022 году, новые реалии уже отражает. В частности, возлагает ответственность за ошибки машины на ее проектировщиков и изготовителей. В дополнение разрабатываются ГОСТы для сертификации беспилотных технологий.
Актуализации ждет еще один основополагающий документ — приказ Минтранса № 97 от 8.7.2008 «Об утверждении положения о порядке служебного расследования и учета транспортных происшествий, повлекших причинение вреда жизни или здоровью граждан, не связанных с производством на железнодорожном транспорте». Замглавы НИИАС Павел Попов в мае 2023 года сообщил, что новая редакция совместно с ведомством будет составлена в течение года.
