В первой статье дается описание развития беспилотных технологий на железнодорожном транспорте и упоминается наличие пульта дистанционного контроля и управления. Нужен ли дистанционный контроль и управление для беспилотных поездов? Проведенный нами анализ однозначно говорит, что без дистанционного контроля и управления запускать автономные поезда не допустимо. Количество сценариев, где не обойтись без дистанционного машиниста-оператора огромное. Например, для электропоездов в каждом вагоне есть переговорное устройство с кнопкой. Но кто будет отвечать пассажирам, если поезд беспилотный? Кто будет руководить действиями пассажиров через переговорное устройство в случае задымления или другой нештатной ситуации? Кто будет принимать решение в случае наличия перед поездом таких препятствий как ленты, пакеты, которые обмотались за ближайший столб и вызывают срабатывание сенсоров технического зрения? Для нас ответом на эти вопросы является наличие машиниста-оператора, который должен вмешиваться в управление беспилотным поездом при возникновении любой нештатной ситуации.

Сразу же возникает вопрос: «Зачем нам беспилотный поезд, если вместо машиниста появляется машинист-оператор?» Ответ заключается в том, что машинист-оператор контролирует не один, а несколько поездов одновременно и его вмешательство в управление должно требоваться крайне редко.

Мировой опыт

Подобным путем пошли не только мы. В 2018 году компания Alstom начала испытания дистанционного управления поездами.

В 2019 году компания SNCF провела испытания прототипа дистанционного управления.

Рисунок Протип дистанционного управления SNCF

Ниже показано видео испытания технологии дистанционного управления коллегами из SNCF.

История разработки дистанционного управления

Наша история разработки дистанционного управления началась в январе 2017 года, когда перед нами поставили задачу за одну неделю продемонстрировать прототип дистанционного управления маневровым локомотивом на станции Лужской из Москвы.

Чтобы успеть создать прототип был куплен игровой джойстик, на который наклеили обозначения кнопок, как показано на фотографии.

Рисунок. Первый прототип пульта дистанционного управления.

За одну неделю были решены следующие задачи:

• установка видеокамер на локомотив и организация канала передачи видеоданных на управляющий компьютер
• подключение джойстика к управляющему компьютеру и написание программы управления
• организация канала для управляющих команд и данных с локомотива

Это стало возможным благодаря тому, что наш локомотив уже был оборудован системой СДУ-МЛ (системой дистанционного управления маневровым локомотивом), которая позволяет управлять в пределах зоны видимости с помощью переносного пульта, поэтому мы использовали тот же протокол и радиоканал, обеспечив только ретрансляцию команд с поста управления в Москву по оптическим каналам связи с помощью специалистов ЦСС ОАО «РЖД». В качестве радиоканала для передачи видео мы использовали LTE на несущей частоте 450 МГц компании Теле-2.

Проведенная демонстрация показала техническую возможность дистанционного управления и была поставлена очередная задача по разработке нового пульта управления и добавления новых функциональных возможностей.

Хотелось бы также отметить, что данная работа осуществлялась на основе успешного взаимодействия нескольких организаций:

• АО «НИИАС» — головной исполнитель и интегратор
• ПКБ ЦТ — разработка части пульта дистанционного управления, технические консультации
• АО «ВНИКТИ» — разработка бортовой системы управления локомотива
• ЦСС ОАО «РЖД» — организация каналов связи
• Теле-2 — предоставление канала связи LTE-450 МГц
• ОАО «РЖД» — координация работ.

Практически каждые две недели мы выпускали новый прототип пульта

Рисунок. Первые прототипы пультов дистанционного управления

Как можно заметить первые прототипы пультов для ускорения работ выполнялись из фанеры, в дальнейшем мы перешли к 3D печати.

Рисунок. Дистанционное управление маневровым локомотивом

Для удобства дистанционного управления машинисту выводится дополнительная информация о текущей и допустимой скоростях, о давлениях, о заданном маршруте и расстоянии до конца маршрута, накладываемая поверх видео изображения. На дополнительных экранах можно увидеть кабину машиниста, схему станции.

Рисунок. Пульт дистанционного контроля и управления, установленный на станции Лужская

Для создаваемых беспилотных электропоездов «Ласточка» в 2018 году создан пульт дистанционного управления и контроля, показанный на рисунке

Рисунок. Пульт дистанционного управления для электропоезда Ласточка

Его основным отличием от пульта в кабине машиниста является замена всех механических переключателей на кнопки с подсветкой состояния. Это необходимо при переключении управления с одного электропоезда на другой и понимания состояния оборудования. В 2019 проведены успешные испытания дистанционного управления. В данной работе наряду с ОАО «РЖД» и АО «НИИАС» большое участие принимали:

• ООО НПО САУТ — разработчик бортовой системы управления электропоезда;
• ООО Уральские локомотивы — производитель электропоезда.

На следующем видео показаны испытания дистанционного управления электропоездом Ласточка.

Важнейшую роль при реализации дистанционного контроля и управления играет надежная высокоскоростная радиосвязь.

Для передачи разнородного трафика в сети LTE в соответствии с 3GPP TS 23.203 предусмотрено несколько классов обслуживания в разной степени критичного к параметрам качества, таким как сетевая задержка, процент потерь IP-пакетов, неравномерность сетевых задержек:

• «QCI-7» (Voice, Video (Live Streaming)) – передача потокового видеоизображения, критичного к задержкам и колебаниям задержек;
• «QCI-69» (Mission Critical delay sensitive) – передача ответственной информации, критичной к потерям пакетов;
• «Обычный» (Normal — NL) — передача диагностической информации.

Параметры качества сервисов (QoS) должны быть реализовываны в виртуальной частной сети, Управление качеством передаваемого трафика обеспечивается за счёт его маркировки метками QoS. Релиз 3GPP TS 23.203 должен обеспечивать следующие характеристики:

• для QCI-7 задержка не более 100 мс и вероятность потери пакета не более 10^-3;
• для QCI-69 задержка не более 60 мс и вероятность потери пакета не более 10^−6;
• для Normal задержка не более 300 мс и вероятность потери пакете не более 10^−2.

Однако, в любом случае имеется ограничение по пропускной способности радиоканала и встает задача нахождения золотой середины среди следующих параметров:

• разрешение передаваемого изображения;
• частота передаваемых кадров;
• задержка при передаче.

При передаче видео крайне важно минимизировать задержку и обеспечить плавное отображение видеопотока машинисту-оператору. Однако, плавность достигается за счет буферизации, что ведет к увеличению задержки.

Сама задержка формируется из времени захвата кадра камерой, сжатия видеопотока кодеком, передачи информации по радиоканалу, декодирования видеопотока и вывод ее на монитор оператору.

Уменьшение объема передаваемой информации осуществляется за счет кодеков (наиболее известные H.264, H.265), но кодирование/декодирование увеличивает общую задержку передачи данных.

Обязательным аспектом при дистанционном управлении является измерение и контроль задержки видеоданных, которая осуществляется за счет синхронизации времени на борту за счет метки времени от спутникового навигатора и синхронизации времени пульта дистанционного управления по протоколу PTP IEEE 1588v2. При превышении первого порогового значения задержки передачи видео машинисту выводится предупреждение, при превышении второго порогового значения происходит автоматическая остановка локомотива.
Важным вопросом является также сколько беспилотных локомотивов может находится под контролем одного машиниста-оператора? Предварительная оценка выполнена на основании расчет вероятностей возникновения тех или иных нештатных ситуаций, а также времени машиниста-оператора, необходимого для их устранения. В то же время, со временем беспилотный локомотив сможет все больше и больше ситуаций разрешать самостоятельно, что будет снижать загрузку машиниста-оператора и увеличивать количество транспортных средств, которые он может контролировать.

Восприятие технологии дистанционного управления машинистами

При дистанционном управлении локомотивом/электропоездом машинист обладает меньшим количеством информации. Он не чувствует вибраций, ускорений подвижного состава, уклонов, а ориентируется в основном только на видеоизображение. Причем оценка дальности по видеоизображению также отличается от видимости с локомотива. Для понимания машинистом-оператором расстояния мы нанесли на изображение специальную разметку, соответствующую дальности. На первом этапе дистанционно управлять сложнее, но с опытом приходят навыки и умения. Кроме того, важно понимать, что режим дистанционного управления предназначен только для нештатных ситуаций.

Применение дистанционного управления в других сферах

Наибольшее применение дистанционное управление нашло в области беспилотных летательных аппаратов. Из наземного транспорта дистанционное управление получило развитие на горнодобывающих предприятиях, так как часто нахождение персонала в зоне работ представляет угрозу жизни и здоровью. На рисунках ниже показаны пульты дистанционного управления для управления техникой, работающей в карьерах.

По данной ссылке можно ознакомиться более подробно с применением дистанционного управления карьерным самосвалом.

На мой взгляд, применение технологии дистанционного контроля и управления также необходимо и для другой разрабатываемой беспилотной техники, такой как сельскохозяйственная техника, такси.

Заключение

Безусловно, существует еще большое количество как технических, так и нормативных вопросов, которые необходимо решить для совершенствования данной технологии.

К примеру, для полного устранения задержки при передаче информации возможно предсказывать картинку (перестраивать изображение) на несколько сотен миллисекунд вперед на основе оптического потока. Появляются идеи о передаче вибраций уклонов на кресло машиниста оператора, но из-за высокой стоимости подобного подхода мы пока решили не внедрять данное решение. В части кодирования/декодирования видеопотока исследуется возможность применения нейронных сетей.

Несомненно одно, что параллельно с развитием беспилотных технологий, технологий связи будет развиваться и дистанционное управление. Вполне возможно, что в скором будущем мы будем иметь центры дистанционного управления и контроля, где машинисты-операторы контролируют движение электропоездов на всей сети на расстоянии в тысячи километров. Подобная картина будет наблюдаться и в горнодобывающей промышленности, где операторы будут руководить работой самосвалов, бульдозеров и другой техникой из уютных офисов на большом расстоянии.

Также хочется отметить, что АО «НИИАС» и ОАО «РЖД» первыми в мире стали разрабатывать технологию дистанционного управления железнодорожным транспортом и по нашим оценкам на данный момент находимся на лидирующих позициях в этой области.

Автор: Попов Павел
Источник: https://habr.com/

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!