Projekt Simulátor iX-Rails: Výstup inovačního výzkumného projektu v železniční dopravě

Inovace

Technologie

Umělá inteligence je na vzestupu téměř ve všech odvětvích lidské činnosti. Výjimkou není ani železniční doprava a její zabezpečení. V rámci jednoho z výzkumných projektů v této oblasti vytvořila společnost IXPERTA simulátor iX-Rails pro učení neuronových sítí určených k detekci překážek na trati.

Profil projektu:

Výzkum a vývoj funkčního vzorku železničního vozu s možností sběru dat a softwaru, simulátoru s možností generování dat pro nácvik detekce překážek v simulovaných podmínkách.

Cíl projektu:

Vyvinout funkční model železničního vozu detekujícího překážky v jízdním profilu pomocí HW senzorů, sofistikované architektury zpracování dat a s využitím umělé inteligence na jejich konečnou identifikaci a další interpretaci strojvedoucímu.

FINANČNÍ PODPORA

Projekt byl spolufinancován se státní podporou Technologické agentury České republiky v rámci programu TREND 1 – Program na podporu průmyslového výzkumu a experimentálního vývoje

Spoluúčastník projektu:

IT4Innovations národní superpočítačové centrum VŠB – Technická univerzita Ostrava

Délka projektu

1. 1. 2020 – 31. 12. 2022

VÝSTUP PROJEKTU: Funkční vzorek detekční jednotky, simulátor (iX-Rails)

Kromě vytvoření funkčního vzorku detekční jednotky bylo důležitou součástí výzkumného projektu vytvoření softwarového simulátoru pro virtualizaci traťových podmínek a realizaci testovacích jízd v laboratorním prostředí, který slouží jako klíčová podpora pro vývoj a optimalizaci detekčního systému.

JAK PROBÍHÁ SIMULACE

Software vytváří 3D virtuální prostředí kolem železniční trati a umožňuje simulovat pohyb železničního vozu po trati za podmínek definovaných uživatelem. Simulátor jízdy vlaku po trati slouží jako nástroj pro tvorbu dat pro učení neuronové sítě detekční jednotky, jejíž funkční vzorek byl dalším výstupem tohoto projektu.

Za běžných provozních podmínek na železnici je velmi obtížné získat reálné data, např. o krizových událostech nebo různých typech počasí. Aby se neuronová síť mohla z dat skutečně učit, je třeba provádět simulace na železniční trati.

Výstupem simulátoru je mimořádně kvalitní zobrazení na úrovni špičkových her, které se skládá z dat senzorů, videosekvencí RGB, infračervených kamer, point cloudu LIDARu a GPS polohy vlaku, včetně synchronního záznamu časových značek a přesné polohy vlaku na simulované trati.

Co řešení simuluje:

Nebezpečné události Nehody, překážky na trati, mimořádné události atd.
Povětrnostní podmínky Vliv různých povětrnostních podmínek (déšť, sníh, mlha) a vzhled okolí trati v závislosti na ročním období

TECHNOLOGICKÉ VÝZVY

Realistické zobrazení Zajištění realistické reprezentace scény pro učení neuronových sítí – řešeno pomocí softwaru Blender.
Prvky ve scénách Nastavení prvků v jednotlivých scénách – vytvořený doplněk pro Blender, který umožňuje snadno vkládat nebo měnit objekty.
Doba vykreslování Zkrácení doby vykreslování náročných scén (kombinace různých scénářů, všech typů počasí a ročních období) – využití výkonu superpočítače ITforInnovations.
Vykreslování dat Vykreslování dat z LIDARu a infračervené kamery v programu Blender a další.

TECHNICKÉ ŘEŠENÍ

K vytvoření jednotlivých scén použila společnost IXPERTA software Blender – open source balík šířený pod licencí GNU GPL pro modelování a vykreslování 3D počítačové grafiky, animací, her nebo filmů. Jeho výhodou oproti jiným softwarům (např. herním enginům jako Unity) je realističnost zobrazení scény a také snadná přenositelnost na všechny podporované platformy.

Jednotlivé simulace jsou statické, nejprve bylo třeba definovat situaci – vytvořit scénář, vymodelovat prostředí, nechat situaci vykreslit). K vykreslení jednotlivých scén byl využit výkon superpočítače ITforI. Současně bylo nutné vygenerovat řadu 3D modelů, které byly použity k dokončení 3D scény.

V rámci projektu byla například vytvořena simulace části Švestkové dráhy, soukromé dráhy společnosti AŽD mezi Lovosicemi a Mostem. Simulována byla i celá trať v úseku Rovné – Divišov.

Spolupráce s IT4INNOVATIONS

Společnost IXPERTA spolupracovala na projektu s IT4Innovations, národním superpočítačovým centrem, které je součástí VŠB – Technické univerzity Ostrava. IT4I provozuje superpočítač, na kterém se prováděly simulace pro tento projekt. Úkolem společnosti IT4Innovations bylo vytvořit prostředí 3D virtuálního simulátoru a vygenerovat dostatečné množství kvalitních dat pro trénink detekčního algoritmu.

K vytvoření věrohodného virtuálního prostředí železniční trati bylo třeba vzít v potaz velké množství dat (např. převýšení terénu, rastry vegetace, rychlostní profily vlaků, různé typy statických a dynamických objektů). Vzhledem k výpočetní náročnosti generovaných dat byl k vykreslení scén využit výkon superpočítače, což výrazně urychlilo práci na objektu.

Unikátní řešení pro bezpečnější dopravu

Simulované prostředí umožňuje vytvářet různé typy krizových situací, o nichž je velmi obtížné získat údaje v běžném provozu. V rámci řešení simulátoru byly specifikovány konkrétní důležité scénáře, které mohou nastat, a byly určeny důležité parametry virtuálního prostředí, které lze ovlivnit. To vše s cílem definovat složitost simulátoru a zároveň zajistit požadovanou variabilitu a věrohodnost dat potřebných pro trénink detekčního algoritmu.

V současné době není na trhu žádný jiný univerzální software, který by dokázal virtuálně replikovat vstupy pro učící se detekční systém na skutečné železniční trati, včetně klimatických a jiných omezujících podmínek. Funkční jednotka simulátoru iX-Rails tak představuje unikátní řešení v rámci bezpečnosti železniční dopravy a její výstupy lze využít pro vývoj a ověřování nových algoritmů pro detekci překážek na železniční trati.

Z těchto dat lze v případě potřeby vytvořit sady, které lze sdílet pro jiné účely, např. pro detekci překážek. Simulátor iX-Rails usnadňuje a zefektivňuje vytváření železničních simulací a dokáže simulovat skutečnou železniční trať během několika hodin.

O IT4Innovations

IT4Innovations, národné superpočítačové centrum VŠB – Technickej univerzity Ostrava, je popredným výskumným, vývojovým a inovačným centrom v oblasti vysokovýkonného počítania, dátových analýz, umelej inteligencie a ich aplikácií do ďalších vedeckých, priemyslových i spoločenských odborov. Od roku 2013 prevádzkuje najvýkonnejšie superpočítačové systémy v Českej republike, ktoré poskytuje českým aj zahraničným výskumným tímom z akademickej i súkromnej sféry.

O spoločnosti IXPERTA

Spoločnosť IXPERTA pôsobí na trhu informačných a komunikačných technológií už viac ako 30 rokov. Okrem Česka a Slovenska dosahuje špičkové výsledky aj v iných krajinách Európy, Ázii a Severnej Amerike. IXPERTA poskytuje komplexné IT riešenia v oblasti podnikovej komunikácie, bezpečnosti a vývoja softvéru šité firmám na mieru. Zaoberá sa aj návrhom, implementáciou a prevádzkou IT infraštruktúry, vrátane dátových centier a sieťovej infraštruktúry.