Projekt Lokalizační jednotka: Výstupy inovativního výzkumného projektu v železniční dopravě

Inovace

Technologie

Přesné určení polohy vlaku je zásadní význam pro zabezpečení železniční dopravy. Může zabránit srážkám na trati a představuje také základní východisko pro autonomní provoz vlaků. Společnost IXPERTA realizovala v České republice v posledních třech letech výzkumný projekt přesného určování polohy vlaků, jehož výstupem je funkční vzorek lokalizační jednotky.

Profil 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

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.

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)

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, Map-matchingu a odometrie.

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.

Co pomáha k lokalizaci

Akcelerometry IMU Díky nimž je lokalizační jednotka schopna určit, jakou rychlostí a s jakým vektorem se vlak pohybuje
Map-matching Vychází z existujících map železniční dopravy
Odometrie K odhadu změny polohy využívá měření vzdálenosti ujeté od výchozího bodu v čase

TECHNICKÉ PARAMETRY pro 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

TECHNICKÉ PARAMETRY pro 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

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:

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.

Spolupráce

O Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze

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.