Detekční jednotka pro železniční dopravu

Inovace

Technologie

Společnost IXPERTA již desítky let propojuje svět podnikové komunikace, infrastruktury, kybernetické bezpečnosti a softwaru. Významnou stopu zanechala i ve sféře výzkumu. Za poslední tři roky se podílela na dvou inovativních projektech zaměřených na zabezpečení železniční dopravy. Jedním z výsledků těchto projektů je funkční vzorek zařízení pro detekci překážek na trati.

Profil projektu:

Výzkum a vývoj funkčního vzorku detekční jednotky s možností detekce překážek v jízdním profilu vlaku a simulátoru s možností generování dat pro trénink detekce překážek v simulovaných podmínkách

Cíl projektu:

Vyvinout funkční model detekční jednotky nebo zařízení, které má detekovat překážky v jízdním profilu pomocí sady HW senzorů, sofistikované architektury zpracování dat a s využitím umělé inteligence pro jejich konečnou identifikaci a následnou 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

Detekční jednotka, resp. její funkční jednotka, jezařízení , které monitoruje překážky na trati v jízdním profilu vlakové soupravy. Slouží jako asistenční rozhraní pro strojvedoucího, které ho upozorňuje na překážky vizuálně a zvukovým signálem.

Překážkou na koleji může být například vozidlo, osoba nebo zvíře. Kromě samotných překážek dokážedetekční systém rozpoznat takéželezniční návěstí. Speciálně trénovaná neuronová síť rozpozná barvu návěstí a v případě porušení předpisů upozorní strojvedoucího. Jednotka také detekuje značení rychlosti a upozorňuje strojvedoucího na jejich změnu.

Kromě samotných překážek dokáže detekční systém rozpoznat takéželezniční návěstí. Speciálně trénovaná neuronová síť rozpozná barvu návěstí a v případě porušení předpisů upozorní strojvedoucího . Jednotka také detekuje značení rychlosti a upozorňuje strojvedoucího na jejich změnu.

Funkční jednotka dokáže zaznamenávat překážky:

Rozměr do 50 x 50 x 50 cm
Vzdálenost 200–500 m v závislosti na velikosti objektu
Kdy ve dne i v noci
Rychlost do 90 km/h (zatím nebylo testováno pro rychlejší trať)
Přesnost 97 %

JAK DETEKČNÍ JEDNOTKA FUNGUJE

Získané výstupy z RGB kamer, termokamer a lidaru jsou sloučeny do jediného obrazu. Výstupy ze snímačů jsou zpracoványspeciálně navrženou neuronovou sítí. Ta je trénována tak, aby rozpoznala běžnou infrastrukturu v okolí trati (značky, troleje, zabezpečovací zařízení atd.) od skutečných překážek a detekovala pouze nebezpečné překážky (poletující noviny nebo ptáci nejsou klasifikováni jako hrozba). Detekční jednotka je umístěna na čelo soupravy ve výšce přibližně 130 cm (v závislosti na typu lokomotivy). Montuje se pomocí ALU konstrukce s magnetickými úchyty, což umožňuje její montáž na jakýkoli typ soupravy. Jednotka byla testována na výkolejce, na posuvné lokomotivě 703 a na nákladní lokomotivě 742. Pokud by se zařízení v budoucnu implementovalo na vlak, může být přizpůsobeno tak, aby bylo zabudováno přímo do jeho konstrukce.

1 Detekční část

Optické kamery

3 kamery RGB pro detekci překážek v profilu jízdy

Termokamery

pro rozpoznávání objektů a za snížené viditelnosti

LIDAR

široký a daleký senzor LIDAR (Light Detection And Ranging) – ke zjištění velikosti překážky a určení vzdálenosti (přes point cloud)

2 Rozhraní pro strojvůdce

Červený displej

v kabině strojvedoucího

Výpočetní jednotka

připojená k displeji

3 Napájecí soustavy

DC měniče

Síťové prvky

TECHNOLOGICKÉ VÝZVY

Projekt měl na starosti jeden vývojový tým IXPERTA. Během tříletého trvání projektu byl každý rok vyroben jeden funkční vzorek detekční jednotky. Každý funkční vzorek byl o něco sofistikovanější a propracovanější. Během vývoje řešil tým několik technologických výzev, především:

Vibrace

Poměrně silné vibrace lokomotiv, které způsobovaly problémy s detekcí překážek – bylo testováno několik typů závěsných bloků; obraz byl stabilizován použitím silentbloků.

Oblouk

Detekce překážek v případě, že dráha vede do oblouku a překážka je mimo běžné zorné pole kamer.

Hardware

Nedostatečná odolnost hardwaru.

Reálný čas

Zpracování dat v reálném čase a další.

V průběhu výzkumného projektu byly využity technologie, které jsou z hlediska moderních a technologických pokroků na špičkové světové úrovni. Kdyby byl projekt realizován před 5–6 lety, jeho výsledky by zdaleka nedosahovaly těch současných. Technologie se velmi rychle vyvíjí, což je patrné zejména v oblasti LIDARových senzorů a zpracování dat v point cloudu. Práci na projektu usnadnilo také použití grafických modulů pro použití v průmyslu neuronových sítí (Jetson Xavier NX, ORIN).

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.

Závěr

Situace v oblasti zabezpečení železniční dopravy je ve srovnání s jinými druhy dopravy náročnější. Brzdná dráha vlaku s nákladem 300 t může být až 2–3 km, detekční jednotka je schopná zaznamenat překážku pouze do vzdálenosti 500 m. Detekční systém v mnoha případech nehodě nezabrání. Pokud však zařízení zajistí, že si strojvedoucí překážky všimne včas, může přinejmenším přispět ke zmírnění následků případné nehody. Zkušební provoz potvrdil, že detekční jednotku lze účinně provozovat jako přídavné zařízení na různých železničních vozidlech a dokáže spolehlivě detekovat osoby, zvířata, vozidla a další neklasifikované překážky. V budoucnu bude nejspíš možné zařízení využít i v jiné než železniční dopravě, např. tramvajové nebo trolejbusové dopravě. Klíčové je získat dostatečný soubor dat, na kterém se uměla inteligence bude učit. Vývoj detekční jednotky je momentálně ve fázi funkčního vzorku, tj. výrobku, který slouží k testování, ověření a vyhodnocování funkčních vlastností. Vzhledem k tomu, že další fáze vývoje (vytvoření prototypu a následně produktu) jsou finančně náročné, jejich realizace je závislá na dalších zdrojích financování. V této souvislosti hledá společnost IXPERTA partnera, který by se podílel na dalším vývoji a mohl zařízení na trati skutečně používat.

Spolupráce

O IT4INNOVATIONS

IT4Innovations, národní superpočítačové centrum VŠB – Technická univerzita Ostrava, je přední výzkumné, vývojové a inovativní centrum v oblasti vysoce výkonné výpočetní techniky, analýzy dat, umělé inteligence a jejich aplikací v dalších vědeckých, průmyslových a společenských oblastech. Od roku 2013 provozuje nejvýkonnější superpočítačové systémy v České republice, které poskytuje českým i zahraničním výzkumným týmům z akademické i soukromé sféry.

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.