POPIS PROJEKTU
NÁZEV PROJEKTU
Přesné určování polohy pro autonomní provoz vlaků se zabezpečenou komunikaci v nových standardech sítě 5G+
CÍL PROJEKTU
Vyvinout funkční vzorek zařízení pro přesnou lokalizaci kolejových vozidel v reálném čase, aby byl proces lokalizace co nejvíce nezávislý na stávající železniční infrastruktuře
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
České vysoké učení technické v Praze (ČVUT)
DÉLKA PROJEKTU
1. 1. 2020 – 31. 12. 2022
VÝSTUPY
Funkční vzorek lokalizační jednotky
VÝSTUP PROJEKTU: Funkční vzorek lokalizační jednotky
Lokalizační jednotka je prvek zabezpečení železniční dopravy, který slouží k určení přesné polohy vlaku a odesíláni dat do cloudu a do vlaků v bezprostřední blízkosti (Train2Train). Systémový model funkčního vzorku je chráněn užitným vzorem u Úřadu průmyslového vlastnictví ČR.
Z hlediska bezpečnosti je lokalizační jednotka snad ještě důležitější než detekční jednotka, která byla výstupem jiného projektu společností IXPERTA realizovaného ve stejném období. Dopravce musí vědět s dostatečným předstihem, že vlak jede po špatné koleji nebo má před sebou překážku. Brzdná dráha vlaku je v porovnání s automobilem nesrovnatelně delší. Může dosahovat až 2 – 3 km. Pokud má dopravce informace o tom, po jaké trati a koleji vlak jede, jakou rychlostí a jakým vektorem se pohybuje, může předem řídit komunikaci mezi vlaky a zabránit případným srážkám na trati.
JAK URČOVÁNÍ POLOHY FUNGUJE
Ve výchozí stanici vlak určí svou polohu s přesností na 10 cm, zjistí kolej a směr. Jelikož se zaměřování provádí pomocí dvou antén GNSS, závisí přesnost lokalizace na dostupnosti signálu GNSS a korekčních dat PointPerfect vysílaných satelitem v L-pásmě.
Pomocí map-matchingu se poloha vlaku přiřadí k topologické mapě trati. Po rozjetí vlaku se sleduje absolutní poloha vlaku prostřednictvím GNSS signálu. V případe nedostupnosti signálu se poloha vypočítá sloučením dat z:
Akcelerometrů IMU
díky nimž je lokalizační jednotka schopna určit, jakou rychlostí a s jakým vektorem se vlak pohybuje
Map-matchingu
který vychází z existujících map železniční dopravy
Odometrie
která k odhadu změny polohy využívá měření vzdálenosti ujeté od výchozího bodu v čase
Díky své přesnosti jednotka spolehlivě určí kolej, po které se vlak pohybuje. Rychlost se vypočítává z počítadla ujeté vzdálenosti a redundantně z dopplerovského GNSS signálu.
Poloha vlaku je ověřena v modulu integrity a poté bezpečně odeslána do cloudu v síti 5G nebo přenesena prostřednictvím komunikace Train2Train do okolních zařízení (jiné železniční vozy, traťová infrastruktura). Dopravce je tímto způsobem schopen měřit změny a správně tak určit změnu kolejí i bez signálu GPS nebo GNSS. K provozu tedy není potřeba žádný mobilní datový signál.
TECHNICKÉ PARAMETRY
Použitý hardware
CPU modul
iBase ET876
GNSS modul
uBlox F9P (Galileo, GPS, GLONASS, BeiDou)
PointPerfect přijímač
uBlox D9S
IMU jednotka
OpenIMU 383ZA
T2T komunikační modul
Digi XBee SX 868
Senzor rychlosti
optický nebo μW doppler
Napájení
železniční DC měnič MW RSD-60G-12
Antény
2xTW3972E, ANT-MAGLB-L6, JC 5G 4x4 MIMO, XBee 868
5G modem
Telit FN-980 připojený ke komunikační jednotce ČVUT F-Tester
Použitý software
Ovladače
GNSS modulů, IMU jednotky
Fúzní modul
kombinuje vstupy z více zdrojů (GPS/GNSS signál, korekční data RTK, poloha z PointPerfect, data akcelerometrie atd.)
Modul integrity
opravuje neplatné polohy, které nesplňují požadavky na přesnost (např. pokud bezpečnostní zóna zasahuje do ochranné zóny jine koleje)
Modul map-matchingu
přiřadí polohu vlaku k topologické mapě trati
Simulační modul
poskytuje předpověď polohy sledovaného vlaku bez potřeby mobilního signálu
Komunikační modul
zajišťuje komunikaci Train2Train na vzdálenost 5 km od sledovaného vlaku
ZAJÍMAVÁ ČÍSLA
Přesnost
Přesnost určení polohy: <10 cm (2σ 95 %)
Garance
Doba garance koleje bez signálu GNSS: 30 s bez externího počítadla kilometrů, 2 h s externím počítadlem kilometrů
Train2Train
Vzdálenost odesílání dat Train2Train: 2 – 5 km v bezlicenčním pásmu 868 Mhz
Rychlost
Rychlost vlaku: do 250 km/h (testované do 90 km/h)
Spolupráce s akademickým prostředím
Projekt byl řešen ve spolupráci s výzkumníky z Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze, kteří se podíleli na tvorbě komunikačního modulu. Byl vyvinut software pro vyhodnocování parametrů komunikace založený na platformě F-tester. Software umožňuje testování datové komunikace formou krátkodobých a dlouhodobých měření s ohledem na topologii testovací sítě. Testy jsou přizpůsobeny mobilním sítím na místních tratích:
- testy propustnosti pomocí protokolu TCP, UDP nebo kombinace obou protokolů,
- záznam aktuální polohy (souřadnice GNSS),
- záznam parametrů rádiového rozhraní a ID sítě.
Výhody lokalizační jednotky IXPERTA
Současní dopravci již tuto technologii k lokalizaci využívají, nicméně řešení IXPERTY je výrazně dál:
- v přesnosti určování polohy – aktuálně používaná zařízení potřebují ke svému provozu mobilní signál a při výpadku GPS nebo GNSS signálu (např. při přechodu tunelem) je lokalizace nemožná,
- lokalizační jednotka je určena pro jakýkoli typ vlaku (lze ji snadno umístit na střechu vlakové soupravy) a jakékoli napětí, což umožňuje použití i u vlaků řízených trakcí (Vectrony), kde jsou běžně problémy s přesným určením polohy v důsledku silného rušení,
- zařízení poskytuje kromě samotné lokalizace také komunikační část,
- technologie využívá více detekčních systémů, což v budoucnu znamená zvládnutí certifikace pro bezpečnou přepravu v rámci autonomního systému,
- použitý hardware je určený do náročného železničního prostředí a splňuje teplotní rozsah -40 °C – 85 °C,
- sběr dat funguje na otevřeném systému a lze je integrovat do stávajících systémů dopravců prostřednictvím rozhraní API,
- zařízení je koncipováno pro 5G sítě, které jsou díky své spolehlivosti, rychlosti a možnosti přenosu velkých objemů dat perspektivní pro použití na železnici.
Lze říci, že dnešní snahy dopravců nesměřují k tomu, aby byly vlaky autonomní. Momentálně je cílem určování polohy získat přesné informace o tom, kde se vlak nachází, kde došlo k nehodě, případně z důvodu výpočtů zpoždění spojů, vytížení linek atd. Řešení detekce polohy společnosti IXPERTA může být součástí technologií, které budou v budoucnu pohánět autonomní železniční dopravu.
Potenciál této technologie spočívá také v jejím využití v jiných druzích dopravy. Ačkoli byla lokalizační jednotka vyvinuta s cílem implementace v železniční dopravě, některé dílčí technologie lze teoreticky využít i v jiných typech dopravy (např. fúzní modul atd.).
Závěr
IXPERTA se během výzkumného projektu zabývala mnoha technologickými a dalšími otázkami. Jednou z největších výzev bylo dosáhnout požadované úrovně přesnosti s co nejnižšími náklady na hardware. Lokalizační jednotka je relativně dražší řešení ve srovnání s technologiemi, které dopravci v současnosti používají, a hledají levnější řešení. I když jsou méně spolehlivé.
Funkční vzorek lokalizační jednotky jako výsledek tříletého projektu rozhodně představuje unikátní řešení na světové úrovni a splňuje požadavky na bezpečnost, robustnost a interoperabilitu s českým i evropským železničním systémem. Zařízení dokáže zajistit přesnou lokalizaci železničních kolejových vozidel v reálném čase a proces lokalizace je maximálně nezávislý na stávající železniční infrastruktuře provozované mimo vlak. Při vývoji byly použity inovativní přístupy, které kombinují moderní lokalizační systémy, bezpečné komunikační systémy a decentralizaci dat jejich umístněním do cloudového centra.
O Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze
Historie Fakulty elektrotechnické Českého vysokého učení technického (ČVUT) v Praze v českém akademickém prostředí trvá již více než 70 let. Kromě vzdělávací činnosti fakulta provádí řadu výzkumných a vývojových činností. Výsledkem vývoje fakulty je např. platforma F-Tester pro měření parametrů komunikačních sítí založených na rodině protokolů TCP/IP, které byly použity v rámci výše uvedeného projektu.
O společnosti IXPERTA
Společnost IXPERTA působí ve světě informačních technologií na českém a slovenském trhu již více než 30 let. Specializuje se na infrastrukturní řešení, kybernetickou bezpečnost, návrh softwaru na zakázku a umělou inteligenci. Technologický tým společnosti IXPERTA má za sebou několik unikátních a technologicky složitých řešení, včetně slovenského superpočítače Devana. Společnost se také podílí na výzkumných projektech, v posledních třech letech realizovala v České republice dva výzkumné projekty v oblasti zabezpečení železniční dopravy.