POPIS PROJEKTU
NÁZOV PROJEKTU
Presné určovanie polohy pre autonómnu prevádzku vlakov so zabezpečenou komunikáciou v nových sieťových štandardoch 5G+
CIEĽ PROJEKTU
Vyvinúť funkčnú vzorku zariadenia na presnú lokalizáciu železničných koľajových vozidiel v reálnom čase, pričom proces lokalizácie bude čo najviac nezávislý od súčasnej železničnej infraštruktúry
FINANČNÁ PODPORA
Projekt bol spolufinancovaný so štátnou podporou Technologickej agentúry Českej republiky v rámci programu TREND 1 – Program na podporu priemyselného výskumu a experimentálneho vývoja
SPOLUÚČASTNÍK PROJEKTU
České vysoké učení technické v Praze (ČVUT)
TRVANIE PROJEKTU
1. 1. 2020 – 31. 12. 2022
VÝSTUPY
Funkčná vzorka lokalizačnej jednotky
VÝSTUP PROJEKTU: Funkčná vzorka lokalizačnej jednotky
Lokalizačná jednotka je prvok zabezpečenia železničnej dopravy, ktorý slúži pre určovanie presnej polohy vlaku a odosielanie dát do cloudu (5G) a vlakom v najbližšom okolí (Train2Train). Systémový model funkčnej vzorky je chránený úžitkovým vzorom na Úrade priemyselného vlastníctva ČR.
Z hľadiska zabezpečenia je lokalizačná jednotka možno ešte dôležitejšia ako detekčná jednotka, ktorá bola výstupom ďalšieho projektu spoločnosti IXPERTA realizovanom v rovnakom období. Dopravca musí v dostatočnom časovom predstihu vedieť, ak ide vlak po nesprávnej koľaji alebo má pred sebou prekážku. Brzdná dráha vlaku je totiž v porovnaní s brzdnou dráhou osobného automobilu neporovnateľne dlhšia a môže predstavovať aj 2 – 3 km. Keď má dopravca informácie o tom, na akej trati a koľaji sa vlak nachádza, s akou rýchlosťou a vektorom sa pohybuje, môže vopred riadiť komunikáciu medzi vlakmi, a zamedziť tak prípadným zrážkam na trati.
AKO FUNGUJE URČOVANIE POLOHY
Vlak v počiatočnej stanici zameria svoju polohu s presnosťou na 10 cm, zistí koľaj a smer. Keďže zameranie sa realizuje dvoma GNSS anténami, presnosť lokalizácie je podmienená dostupnosťou GNSS signálu a korekčných dát PointPerfect, ktoré sú prenášané satelitom v L-pásme.
Prostredníctvom map-matchingu sa priradí poloha vlaku do topologickej mapy trate. Po rozjazde vlaku sa sleduje absolútna poloha vlaku prostredníctvom GNSS signálu. V prípade nedostupnosti signálu sa poloha dopočíta na základe fúzie údajov z:
IMU akcelerometrov
vďaka ktorým je lokalizačná jednotka schopná určiť, s akou rýchlosťou a vektorom sa vlak pohybuje
Map-matchingu
ktorý vychádza z existujúcich máp železničnej dopravy
Odometrie
pri ktorej sa pre odhad zmeny polohy používa meranie prejdenej vzdialenosti od počiatočného bodu v čase
Vďaka svojej presnosti jednotka spoľahlivo určuje koľaj, po ktorej sa vlak pohybuje. Rýchlosť je vypočítaná z odometra a redundantne z dopplera GNSS signálu.
Poloha vlaku sa overuje v module integrity, a následne sa bezpečne odosiela do cloudu v 5G sieti alebo prenesie prostredníctvom Train2Train komunikácie okolitým zariadeniam (iné železničné vozidlá, traťová infraštruktúra). Dopravca je takýmto spôsobom schopný merať výmeny, a správne tak určiť zmenu koľaje aj bez GPS alebo GNSS signálu. Pre operáciu teda nie je potrebný mobilný dátový signál.
TECHNICKÉ PARAMETRE
Použitý hardvér
CPU modul
iBase ET876
GNSS modul
uBlox F9P (Galileo, GPS, GLONASS, BeiDou)
PointPerfect prijímač
uBlox D9S
IMU jednotka
OpenIMU 383ZA
T2T komunikačný modul
Digi XBee SX 868
Senzor rýchlosti
optický alebo μW doppler
Napájanie
železničný DC menič MW RSD-60G-12
Antény
2xTW3972E, ANT-MAGLB-L6, JC 5G 4x4 MIMO, XBee 868
5G modem
Telit FN-980 pripojený ku komunikačnej jednotke ČVUT F-Tester
Použitý softvér
Ovládače
GNSS modulu, IMU jednotky
Modul fúzie
kombinuje vstupy z viacerých zdrojov (GPS/GNSS signál, korekčné dáta RTK, pozícia z PointPerfect, dáta z akcelerometrie a p.)
Modul integrity
realizuje korekciu neplatných polôh, ktoré nespĺňajú požiadavky na presnosť (napríklad ak bezpečnostná zóna zasahuje do ochrannej zóny inej koľaje)
Modul map-matchingu
priradí polohu vlaku do topologickej mapy trate
Modul simulácie
zaisťuje predikciu polohy sledovaného vlaku bez potreby mobilného signálu
Komunikačný modul
zabezpečuje komunikáciu Train2Train vo vzdialenosti 5 km od sledovaného vlaku
ZAUJÍMAVÉ ČÍSLA
Presnosť
Presnosť určenia polohy: <10 cm (2σ 95%)
Garancia
Garantovaný čas trate bez signálu GNSS: 30 s bez externého odometra, 2 h s externým odometrom
Train2Train
Vzdialenosť odosielania dát Train2Train: 2 – 5 km v bezlicenčnom pásme 868 Mhz
Rýchlosť
Rýchlosť vlaku: do 250 km/h (testované do 90 km/h)
Spolupráca s akademickým prostredím
Projekt bol riešený v spolupráci s riešiteľmi z Fakulty elektrotechnickej ČVUT v Prahe, ktorí sa podieľali na tvorbe komunikačného modulu. Bol vytvorený softvér pre vyhodnocovanie parametrov komunikácie založený na platforme F-tester. Softvér umožňuje testovanie dátovej komunikácie v podobe krátkodobých i dlhodobých meraní, so zohľadnením topológie testovacej siete. Testy sú prispôsobené mobilným sieťami na lokálnych tratiach:
- testy priepustnosti pomocou protokolu TCP, UDP alebo kombinovane pomocou oboch protokolov,
- záznam aktuálnej polohy (súradnice GNSS),
- záznam parametrov rádiového rozhrania a ID siete.
Výhody lokalizačnej jednotky IXPERTA
Súčasní dopravcovia už technológie na lokalizáciu používajú, riešenie IXPERTY je však výrazne ďalej predovšetkým:
- v presnosti polohovania – aktuálne používané zariadenia potrebujú na svoju prevádzku mobilný signál a pri výpadku GPS alebo GNSS signálu (napríklad pri prechode tunelom) je lokalizácia nepresná,
- zariadenie lokalizačnej jednotky je koncipované na akýkoľvek typ vlaku (dá sa jednoducho umiestniť na strechu súpravy) a akékoľvek napätie, čo umožňuje aj použitie aj na vlakoch riadených trakciou (Vectrony), u ktorých sú bežné problémy s presným určením polohy kvôli silnému rušeniu,
- zariadenie zabezpečuje okrem samotnej lokalizácie aj komunikačnú časť,
- technológia využíva viacero systémov detekcie, čo do budúcnosti predpokladá zvládnutie certifikácie pre zabezpečenú dopravu v rámci autonómneho systému,
- použitý hardvér je určený do náročného železničného prostredia a spľňa teplotný rozsah -40 °C – 85 °C,
- získavanie dát funguje na otvorenom systéme a cez API je možné integrovať ich do existujúcich systémov dopravcov,
- zariadenie je koncipované pre 5G siete, ktoré sú perspektívne pre využitie v železniciach vďaka svojej spoľahlivosti, rýchlosti a možnosti prenosu veľkých objemov dát.
Dá sa povedať, že dnešné snahy dopravcov nie sú smerované k tomu, aby boli vlaky autonómne. V súčasnosti je cieľom určovania polohy získavanie presných informácií o tom, kde sa vlak nachádza, kde vznikla havária, prípadne z dôvodov výpočtov meškania spojov, vyťaženia liniek a podobne. Riešenie zisťovania polohy od spoločnosti IXPERTA môže byť do budúcna súčasťou technológií, ktoré riadia autonómnu železničnú dopravu.
Potenciál technológie spočíva aj vo využití v iných typoch dopravy. Hoci lokalizačná jednotka bola vyvinutá s cieľom implementácie v železničnej doprave, niektoré čiastkové technológie je teoreticky možné využiť aj v iných typoch dopravy (napríklad modul fúzovania a podobne).
Záver
IXPERTA počas riešenia výskumného projektu riešila mnohé technologické a iné problémy. Medzi najväčšie výzvy patrilo dostať sa na požadovanú úroveň presnosti s čím najnižšími nákladmi na hardvérové vybavenie. Lokalizačná jednotka je pomerne drahšie riešenie v porovnaní s technológiami, ktoré dopravcovia momentálne využívajú a tí hľadajú lacnejšie riešenia. Aj napriek tomu, že sú menej spoľahlivé.
Funkčná vzorka lokalizačnej jednotky ako výsledok trojročného projektu však rozhodne predstavuje unikátne riešenie na svetovej úrovni a spľňa požiadavky na zabezpečenie, robustnosť a technologickú spoluprácu s českými a európskymi železničnými systémami. Zariadenie dokáže zabezpečiť presnú lokalizáciu železničných koľajových vozidiel v reálnom čase a proces lokalizácie je maximálne nezávislý od súčasnej železničnej infraštruktúry pracujúcej mimo vlak. Pri vývoji boli použité inovatívne prístupy v kombinácii moderných lokalizačných systémov, systémov bezpečnej komunikácie a decentralizácie dát ich umiestnení do cloudového centra.
O Fakulte elektrotechnickej ČVUT v Prahe
História Fakulty elektrotechnickej Českého vysokého učení technického (ČVUT) v Prahe v českom akademickom prostredí siaha už viac ako 70 rokov dozadu. Fakulta vyvíja okrem vzdelávacej činnosti aj množstvo výskumných a vývojových činností. Výsledkom vývoja fakulty je napríklad platforma F-Tester určená pre meranie parametrov komunikačných sietí založených na rodine protokolu TCP/IP, ktorá bola využitá v rámci uvedeného projektu.
O spoločnosti IXPERTA
Společnosť IXPERTA pôsobí vo svete informačných technológií na českom a slovenskom trhu už viac ako 30 rokov. Špecializuje sa na infraštruktúrne riešenia, kybernetickú bezpečnosť, dizajn softvérov na mieru a umelú inteligenciu. Technologický tím IXPERTA má za sebou viacero unikátnych a technologicky komplexných riešení, vrátane slovenského superpočítača Devana. Spoločnosť sa podieľa aj na výskumných projektoch, v posledných troch rokoch realizovala v Českej republike dva výskumné projekty v oblasti zabezpečenia železničnej dopravy.