Projekt Simulátor iX-Rails: Výstup inovačného výskumného projektu v železničnej doprave

Inovácie

Technológie

Umelá inteligencia je na vzostupe takmer v každom odvetví ľudskej činnosti. Výnimkou nie je ani železničná doprava a jej zabezpečenie. V rámci jedného z výskumných projektov v tejto oblasti vytvorila spoločnosť IXPERTA simulátor iX-Rails pre učenie neurónových sietí určených k detekcii prekážok na trati.

Profil projektu:

Výskum a vývoj funkčnej vzorky detekčnej jednotky so schopnosťou detekcie prekážok v jazdnom profile vlaku a simulátora s možnosťou generovania dát na nácvik detekcie prekážok v simulovaných podmienkach.

Cieľ projektu:

Vyvinúť funkčný model detekčnej jednotky alebo zariadenia, ktoré sú schopné detekovať prekážky v jazdnom profile pomocou súboru HW senzorov, sofistikovanej architektúry pre spracovanie údajov a s využitím umelej inteligencie na ich konečnú identifikáciu a následnú interpretáciu vodičovi.

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:

VŠB TUO IT4I
IT4Innovations národné superpočítačové centrum VŠB – Technická univerzita Ostrava

Trvanie projektu:

1. 1. 2020 – 31. 12. 2022

VÝSTUP PROJEKTU: Funkčná vzorka detekčnej jednotky, simulátor (iX-Rails)

Okrem tvorby funkčnej vzorky detekčnej jednotky bola dôležitou súčasťou výskumného projektu aj tvorba softvérového simulátora pre virtualizáciu traťových podmienok a realizáciu testovacích jázd vo virtuálnom prostredí, ktorý plní úlohu kľúčovej podpory pre vývoj a optimalizáciu detekčného systému.

AKO PREBIEHA SIMULÁCIA

Softvér vytvára 3D virtuálne prostredie v okolí železničnej trate a umožňuje simulovať pohyb železničného vozidla po trati za používateľom definovaných podmienok. Simulátor jazdy vlaku po trati tak slúži ako nástroj na tvorbu dát pre učenie neurónovej siete detekčnej jednotky, ktorej funkčná vzorka bola ďalším výstupom tohto projektu.

Za bežných prevádzkových podmienok na železnici je veľmi náročné získať realistické dáta, ako sú krízové udalosti či rôzne typy počasia. Aby sa neurónová sieť mohla z dát skutočne učiť, na železničnej trati je potrebné simulovať nebezpečné udalosti a poveternostné podmienky.

Výstupom zo simulátora nie je len kvalitné zobrazenie virtuálnej jazdy vlaku vo forme RGB videosekvencie, ale aj ďalšie informácie z viacerých senzorov používaných pre detekciu prekážok. Medzi tieto senzory patria infra kamery, point cloudu LIDARu a GPS poloha vlaku, a to vrátane synchrónneho záznamu časových značiek a presnej polohy vlaku na simulovanej trati.

Čo riešenie simuluje:

Nebezpečné udalosti Nehody, prekážky na trati, mimoriadne udalosti a podobne
Poveternostné podmienky Vplyv rôznych poveternostných podmienok (dážď, sneh, hmla) a vzhľad okolia trate podľa ročného obdobia

TECHNOLOGICKÉ VÝZVY

Realistické zobrazenie Zabezpečenie reálneho zobrazenia scén pre učenie neurónovej siete.
Prvky v scénach Nastavenie prvkov v jednotlivých scénach – vytvorený addon pre Blender, ktorý umožňuje jednoduché vkladanie alebo zmenu objektov.
Doba renderovania Skrátenie doby renderovania náročných scén (kombinácia rôznych scenárov, všetkých typov poveternostných podmienok a ročných období).
Vykresľovanie dát Vykresľovanie lidarových dát a údajov z infrakamery v Blenderi a ďalšie.

TECHNICKÉ RIEŠENIE

Na generovanie jednotlivých scén využila IXPERTA softvér Blender – nástroj na modelovanie a vykresľovanie 3D počítačovej grafiky, animácií, hier či filmov. Jeho výhodou je reálnosť zobrazovania scén a tiež ľahká prenositeľnosť na všetky podporované platformy.

Jednotlivé simulácie sú statické, situáciu bolo potrebné najskôr definovať – vytvoriť scenár, namodelovať prostredie, nechať vyrenderovať situáciu). Na renderovanie jednotlivých scén bol využitý výkon superpočítača IT4I. Zároveň bolo potrebné vygenerovať množstvo 3D modelov, ktoré boli použité na doplnenie 3D scény.

V rámci projektu vznikla napríklad simulácia časti Švestkovej dráhy, súkromnej trate spoločnosti AŽD medzi Lovosicami a Mostom. Simulovaná bola tiež celá trať na úseku Rovné – Divišov.

Spolupráca s IT4INNOVATIONS

Spoločnosť IXPERTA spolupracovala na projekte s IT4Innovations, národným superpočítačovým centrom, ktoré je súčasťou VŠB – Technickej univerzity Ostrava. IT4I prevádzkuje superpočítač, kde sa robili simulácie k projektu. Úlohou IT4Innovations bolo vytvorenie 3D virtuálneho prostredia simulátora a generovanie dostatočného množstva kvalitných dát pre trénovanie detekčného algoritmu.

Pre tvorbu vierohodného virtuálneho prostredia železničnej trate bolo potrebné brať do úvahy veľké množstvo dát (napríklad výškopis terénu, vegetačné rastre, rýchlostné profily vlaku, rôzne typy statických a dynamických objektov). Vzhľadom na výpočtovú náročnosť generovaných dát sa na renderovanie scén využil výkon superpočítača, čo práce na projekte výrazne urýchlilo.

Unikátne riešenie pre bezpečnejšiu dopravu

Simulované prostredie umožňuje vytvárať rôzne typy krízových situácií, o ktorých je veľmi náročné získať dáta v bežnej prevádzke. V rámci riešenia simulátora boli špecifikované konkrétne dôležité scenáre, ktoré môžu nastať a boli identifikované dôležité parametre virtuálneho prostredia, ktoré je možné ovplyvniť. To všetko za účelom vymedzenia komplexnosti simulátora a zároveň zabezpečenia požadovanej variability a vierohodnosti dát nevyhnutných pre trénovanie detekčného algoritmu.

V súčasnosti neexistuje na trhu žiadny iný všeobecne použiteľný softvér, ktorý by dokázal virtuálne napodobniť vstupy pre učiaci sa detekčný systém na reálnej železničnej trati vrátane klimatických a iných obmedzujúcich podmienok. Funkčná jednotka simulátora iX-Rails je tak unikátnym riešením v rámci zabezpečenia železničnej dopravy a jeho výstupy môžu slúžiť pre vývoj a verifikáciu nových algoritmov detekcie prekážok na železničnej trati.

Z dát je možné vytvoriť sety, ktoré je možné v prípade záujmu zdieľať aj pre iné účely, ako je detekcia prekážok. So simulátorom iX-Rails je tvorba železničných simulácií jednoduchšia a efektívnejšia a reálnu železničnú trať dokáže nasimulovať v priebehu niekoľkých hodín.

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.