Электричка с зоркими глазами
Беспилотники пригородного сообщения
Скоростной поезд «Ласточка» мчится по рельсам, сбрасывает скорость, останавливается в сотне метров от стоящей на путях лошади. Машиниста в кабине нет, поезд управляется автоматически с помощью комплекса технического зрения, разрабатываемого инженерами из АО НИИАС (ОАО РЖД).
Электричка сама увидела лошадь и сама остановилась
Фото: Пресс-служба АО НИИАС (ОАО «РЖД»
С первого по четвертый
Эксперименты с автоматическими поездами начались еще в 1950-х годах. Беспилотные поезда в наши дни эксплуатируются в метро в Великобритании, Франции и Китае. В России всерьез ими занялись в 2019 году. Отечественный беспилотник на рельсах, предназначенный для пригородных пассажирских перевозок, разрабатывается на базе скоростной российской «Ласточки», которая уже перевозит миллионы людей по МЦК. Команда инженеров из Научно-исследовательского и проектно-конструкторского института информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте — АО НИИАС (ОАО РЖД) — ведет испытания поезда на экспериментальном железнодорожном кольце в Щербинке — отраслевом полигоне общей протяженностью 6 км, который работает здесь с 1932 года.
Первый российский беспилотный электропоезд на первый взгляд ничем не отличается от тех «Ласточек», что сейчас летают по МЦК. Однако «голова» локомотивного вагона оснащена небольшими дополнительными деталями общего механизма, способного распознавать посторонние объекты на железнодорожных путях
В отличие от поездов для перевозок в метро российский беспилотник создается для открытого пространства. По словам инженеров, это существенно усложняет систему оптического зрения. В открытом пространстве неизмеримо больше вероятность, что на путях окажутся самые разные объекты, которых там не должно быть,— от детской коляски, человека до животных. Поезд должен уметь быстро просканировать препятствие, обработать видеосигнал, передать его в систему безопасности и оперативно отреагировать — сбросить скорость и остановиться.
«Железную дорогу довольно часто перебегают люди, а с эстакад, вагонов и платформ на рельсы могут упасть предметы, поэтому все беспилотные поезда для наземных перевозок мы будем оснащать комплексом технического зрения. Этот комплекс состоит из нескольких камер, ориентированных на разные дистанции — ближнюю, среднюю и дальнюю. Есть два тепловизора, восемь камер за лобовым стеклом, с ними в систему входят два лидара дальней зоны действия и ультразвуковые датчики»,— объясняет заместитель генерального директора АО НИИАС, директор его Санкт-Петербургского филиала Павел Попов.
Сегодня и завтра поездов-беспилотников
Поезда с третьим уровнем автоматизации УА 3 (по международной классификации — Grade-of-Automation 3, или коротко GoA 3), когда поезд ведет автопилот, но машинист присутствует на случай ЧС, и поезда с УА 4 (GoA 4), в которых машинист отсутствует, но персонал все-таки есть («для обслуживания пассажиров»), курсируют уже в 31 стране мира (в том числе в РФ) на всех континентах.
По протяженности беспилотных железнодорожных линий лидируют Дубай (80 км), Ванкувер (68 км), Сингапур (65 км), то есть три крупные городские агломерации. И это неслучайно. На сегодня рельсовые беспилотники — это почти исключительно поезда метро, монорельсовые поезда и аэроэкспрессы, включая два сверхскоростных маглева (поезда на магнитной подушке) в Японии и Южной Корее. Общая протяженность маршрутов поездов метро с GoA 3, GoA 3+ и GoA 4 приближается к 1,7 тыс. км при общей протяженности линий метро в мире чуть больше 16 тыс. км. То есть в мировом масштабе метро укомплектовано беспилотниками уже примерно на 10%.
Иная ситуация в пригородных и междугородних железнодорожных перевозках. Если не считать скоростные шаттлы из городов до аэропортов, то здесь пассажирские поезда GoA 3, GoA 3+ и GoA 4 можно пересчитать на пальцах одной руки, а протяженность беспилотных маршрутов пригородного и междугороднего сообщения составляет пока ничтожные доли процента от общей протяженности мировой железнодорожной сети. Иными словами, если в пределах городов на автопилоте работает уже десятая часть поездов, то пригородные и междугородние перевозки, причем не только пассажирские, пока дело будущего.
В 2022 году НИИАС издал документ с описанием четырех уровней автоматизации (УА) беспилотного поезда. У каждого из них есть свой код обозначения и принцип работы. Первый, УА 1, предусматривает, что поездом управляет машинист, чьи действия контролирует система безопасности. Второй уровень, УA 2, регламентирует, что машинист едет в кабине поезда, однако поездом управляет только во внештатной ситуации. Третий уровень, УА 3, позволяет присутствующему в кабине машинисту выполнять минимум рабочих задач. А вот четвертый уровень автоматизации, УA 4, позволяет машинисту управлять поездом удаленно.
Отметим, что сейчас вторым уровнем автоматизации оснащены практически все современные российские поезда. Беспилотные поезда будут оснащены четвертым уровнем автоматизации: все электрические и тормозные схемы управления поездом должны работать без участия человека.
Машинист следит издалека
Беспилотную «Ласточку» УA 3 с компонентами УA 4 в серийное производство пока не запустили, ее тестируют в Щербинке не первый месяц. Сейчас инженеры испытывают поезд в рамках «Программы и методики эксплуатационных испытаний в части обнаружения препятствий». Пока все идет по плану. Инженеры удостоверились, что системы технического зрения позволяют поезду сканировать пространство, обнаруживать препятствия на путях и останавливаться перед ними. Беспилотная «Ласточка» не только видит, но и понимает различные знаки и ручные сигналы сотрудников железной дороги. Сейчас поезд «обучается» тому, чтобы распознавать объекты в соответствии с инструкцией по сигнализации, то есть замечать светофоры и реагировать на них.
На практике распознавание препятствий происходит так. В кабине машиниста есть три дисплея. На центральном дисплее появляется графическая информация о препятствии — данные поступают сразу от нескольких сенсоров технического зрения. Два других дисплея относятся к бортовой системе управления и отображают информацию об уровне тяги, напряжении в тяговой электросети, состоянии дверей и т. д. За долю секунды сканеры определяют расстояние до препятствия на пути, затем информация поступает в устройство безопасности, которое решает, в каком темпе и с какой интенсивностью «Ласточка» должна затормозить.
«Сенсоры доводят информацию от сканера до дисплея, каждый из которых определяет те или иные параметры препятствия, поступающие в два вычислительных блока, которые, в свою очередь, обрабатывают сигналы с учетом вероятности наличия объекта. Например, один сенсор может сказать, что до препятствия, допустим, 150 метров, а другой — 170 метров. Кто-то скажет, что препятствия и вовсе нет! Для принятия финального решения есть блок, подтверждающий факт наличия препятствия, и дальше информация уходит в устройство безопасности, которое определяет, как тормозить. Все происходит быстро и автоматически»,— говорит машинист 1-го класса Московской дирекции скоростного сообщения Дмитрий Теньсин. За безопасность также отвечает БЛОК-М. По рельсопроводному каналу сюда поступают сигналы о наличии подвижного состава на путях (сигналы идут по рельсам за счет замыкания рельсовой цепи). Этот блок исключает возможное столкновение «Ласточки» с другими составами и не дает право проезда поезду, когда горит красный сигнал.
Азиатский прищур поездов-беспилотников
Экспертные оценки мирового рынка поездов-беспилотников в денежном выражении колеблются в довольно широких пределах — от $3,6 млрд до $8,3 млрд (вероятно, из-за того, какой уровень автономности поездов исходно берется для оценок). Но в одном аналитики рынка сходятся: самые высокие темпы его роста наблюдаются в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Это же косвенно подтверждает список основных поставщиков на мировом рынке систем для поездов-беспилотников — General Electric Company (GE), Toshiba Corporation (Toshiba), Alstom SA (Alstom), Tech Mahindra, WSP, Cisco Systems (Cisco), Hitachi, Bombardier, Siemens, Thales, Kyosan Electric Manufacturing Ltd (Kyosan), Mermec, Advantech, Mipro, ADLINK. Больше половины компаний в нем как раз из этого региона.
По словам Павла Попова, эксперименты показали, что новая система распознавания препятствий видит их намного четче, чем среднестатистический машинист. Однако это вовсе не повод полностью исключать человека из цепочки управления поездом, считают в АО НИИАС. Во время движения беспилотной «Ласточки» машиниста в кабине не будет — за движением будут следить машинист-оператор, который сможет контролировать не один, а десять поездов одновременно, и диспетчер с дежурным, которые будут все знать о местоположении поездов в режиме реального времени.
Машинист-оператор будет действовать в нештатных ситуациях. Например, препятствие на путях появилось и не исчезает — специалист принимает решение, остановить поезд или нет в соответствии со специальным сценарием. В ОАО РЖД действуют 39 сценариев, то есть алгоритмов действия, расписывающих работу автоматической «Ласточки». Они утверждены главным инженером компании. Порядка десяти из них — это штатные сценарии, например, отправление поезда со станции или из депо. Однако есть нештатные сценарии — алгоритмы действий в случае технических неисправностей или падения людей на рельсы.
«В сценарии описано, как должны реагировать в каждой ситуации системы, а как — люди. Мы считаем, что людей из системы управления беспилотным поездом убирать нельзя. Поэтому и создан центр дистанционного управления и контроля с машинистами-операторами. Запланирована и бригада быстрого реагирования: если происходит технический отказ систем, то иногда требуется оперативное вмешательство людей в работу "Ласточки". В планах наличие четырех бригад быстрого реагирования»,— говорит Павел Попов.
Беспилотник и его возможности
Видно, что в кабине машиниста нет
Фото: ЦОС ОАО «РЖД»
Теперь о том, на что способна система технического зрения четвертого уровня автоматизации, оснащенная двумя лидарами дальней зоны действия и повышенным числом камер. Расстояние, на котором система технического зрения (СТЗ) успевает обнаружить препятствие, зависит от нескольких факторов: от освещенности, дальности, оптической видимости и высоты объекта. Освещенность зависит от внешних факторов, например времени суток (день, ночь, сумерки), дальность видимости — от наличия в воздухе пылевых частиц, дымки или тумана, осадков (снег, дождь, град). Чем ниже предмет, тем меньше расстояние его обнаружения. Человек ростом выше 1,2 м распознается техническим зрением на расстоянии 600 м, а предмет высотой 30 см определяется только с расстояния 150 м.
Тормозной путь современной «Ласточки» на МЦК составляет примерно 550 м. Сейчас СТЗ «учится» распознавать не только препятствия в виде людей или предметов, но и объекты инфраструктуры: светофоры и их показания с различным сочетанием световых огней, литерные таблички, временные сигнальные знаки, каждый из которых несет смысловую нагрузку (например, опустить токоприемник или сделать остановку). «Для формализации процесса проведения испытаний СТЗ разработана методика испытаний по каждому классу препятствий. Испытания проводятся не только на испытательном кольце Щербинка, но и на полигоне Московского центрального кольца. Для организации динамических испытаний СТЗ на испытательном кольце Щербинка подготовлен прямой участок пути 600 м, разделенный на секции по 50 м каждая, с сигнальным обозначением каждого участка. В поперечной проекции пути размечены красной и желтой зонами. Красная — это зона габарита электропоезда, в которой препятствие может быть сбито. Желтая — это зона особого внимания. Если в ней находится человек, в автоматическом режиме снижется скорость и подается звуковой сигнала, согласно алгоритмам работы системы управления электропоездом»,— говорит Сергей Кудряшов, начальник отдела, руководитель испытаний по беспилотным поездам АО НИИАС.
В ходе испытаний доказано, что поезда с третьим и четвертым уровнями автоматизации благодаря тепловизорам смогут распознать объект при низкой освещенности за километр, видеть его и в дыму, и в тумане намного лучше человека. И все же технические возможности беспилотника не безграничны. Например, поезд не сможет резко остановиться и не сбить человека, выскочившего за 10 м перед составом на пути. Также оптическая система не сможет быстро обнаружить человека в светлой одежде, залегшего на заснеженные рельсы.
В день нашего визита в Щербинку статические испытания блока обнаружения препятствий длились почти шесть часов. Инженеры и технические сотрудники по очереди засекали тормозной путь поезда перед десятком препятствий — манекенами лошади, взрослого человека, сигнальными знаками и фиксировали их в специальном документе. Кабина машиниста часто пустовала, все присутствующие наблюдали за испытаниями на мониторе в салоне, где графически был изображен поезд и препятствие, к которому он несется по дуге и по ровной колее.
Испытания проходили штатно. «Ласточка», чья максимальная скорость 160 км/ч, до максимума не разгонялась. «Дима, какая скорость там?» — спрашивали инженеры машиниста Теньсина. «Шестьдесят!» — отвечал он, стоя в дверях кабины. Поезд мягко сбрасывал скорость и останавливался перед макетом лошади.
«В 2021 году поезд третьего уровня автоматизации получил сертификат соответствия и уже может перевозить пассажиров. Сейчас проходим по ГОСТ 15902 постановку на производство элементов четвертого уровня»,— говорит Павел Попов.
Для запуска поезда с четвертым уровнем автоматизации придется постараться не только ученым НИИАС, но и холдингу, где будут собирать беспилотную «Ласточку»,— «Синара — Транспортные машины» (СТМ). В холдинге говорят, что работа над беспилотником ведется по плану. «Мы готовы сдать его в следующем году»,— заявил председатель совета директоров СТМ Александр Мишарин.