Výzkumný projekt v železniční dopravě: Simulátor iX-Rails

Inovace

Technologie

Umělá inteligence je na vzestupu téměř ve všech odvětvích lidské činnosti. Výjimkou není ani železniční doprava a její zabezpečení. V rámci jednoho z výzkumných projektů v této oblasti vytvořila společnost IXPERTA simulátor iX-Rails pro učení neuronových sítí určených k 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 je schopno detekovat překážky v jízdním profilu pomocí soustavy HW senzorů, sofistikované architektury zpracování dat a s využitím umělé inteligence pro jejich konečnou identifikaci a následnou interpretaci strojvůdci.

FINANČNÁ 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:

VŠB TUO IT4IIT4Innovations národní superpočítačové centrum VŠB – Technická univerzita Ostrava

Délka projektu:

1. 1. 2020 – 31. 12. 2022

VÝSTUP PROJEKTU: Funkční vzorek detekční jednotky, simulátor (iX-Rails)

Kromě vytvoření funkčního vzorku detekční jednotky bylo důležitou součástí výzkumného projektu vytvoření softwarového simulátoru pro virtualizaci traťových podmínek a realizaci testovacích jízd ve virtuálním prostředí, který hraje roli klíčové podpory pro vývoj a optimalizaci detekčního systému.

JAK SIMULACE PROBÍHÁ

Software vytváří 3D virtuální prostředí kolem železniční trati a umožňuje simulovat pohyb železničního vozu po trati za podmínek definovaných uživatelem. Simulátor jízdy vlaku na trati tak slouží jako nástroj pro generování dat pro učení neuronové sítě detekční jednotky, jejíž funkční vzorek byl dalším výstupem tohoto projektu. V běžných provozních podmínkách na železnici je velmi obtížné získat reálná data, jako jsou krizové události nebo různé typy počasí. Aby se neuronová síť mohla z dat skutečně učit, je třeba simulovat nebezpečné události a povětrnostní podmínky na železniční trati. Výstupem simulátoru je nejen kvalitní reprezentace virtuální jízdy vlaku v podobě videosekvence RGB, ale také další informace z několika senzorů používaných pro detekci překážek. Tyto senzory zahrnují infračervené kamery, mračno bodů LIDARu a polohu vlaku GPS, včetně synchronního záznamu časových značek a přesné polohy vlaku na simulované trati.

Co řešení simuluje:

Nebezpečné události Nehody, překážky na trati, mimořádné události atd
Povětrnostní podmínky Vliv různých povětrnostních podmínek (déšť, sníh, mlha) a vzhled okolí trati v závislosti na ročním období

TECHNOLOGICKÉ VÝZVY

Realistické zobrazení Zajištění realistické reprezentace scény pro učení neuronové sítě.
Prvky ve scénách Nastavení prvků v jednotlivých scénách – vytvořený doplněk pro Blender, který umožňuje snadno vkládat nebo měnit objekty.
Doba vykreslování Zkrácení doby vykreslování náročných scén (kombinace různých scénářů, všech typů počasí a ročních období).
Vykreslování dat Vykreslování dat z LIDARu a infračervené kamery v programu Blender a další.

TECHNICKÉ ŘEŠENÍ

Společnost IXPERTA použila k vytvoření jednotlivých scén software Blender – nástroj pro modelování a vykreslování 3D počítačové grafiky, animací, her nebo filmů. Jeho výhodou je realističnost zobrazení scény a také snadná přenositelnost na všechny podporované platformy. Jednotlivé simulace jsou statické, nejprve bylo nutné definovat situaci – vytvořit scénář, vymodelovat prostředí, nechat situaci vykreslit. K vykreslení jednotlivých scén byl využit výkon superpočítače IT4I. Současně bylo nutné vytvořit řadu 3D modelů, které byly použity pro doplnění 3D scény. Součástí projektu byla například simulace části Švestkové dráhy, soukromé dráhy společnosti AŽD mezi Lovosicemi a Mostem. Simulována byla i celá trať v úseku Rovné – Divišov.

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.

Unikátní řešení pro bezpečnější dopravu

Simulované prostředí umožňuje vytvářet různé typy krizových situací, o nichž je velmi obtížné získat údaje v běžném provozu. V rámci řešení simulátoru byly specifikovány konkrétní důležité scénáře, které mohou nastat, a byly určeny důležité parametry virtuálního prostředí, které lze ovlivnit. To vše s cílem definovat složitost simulátoru a zároveň zajistit požadovanou variabilitu a věrohodnost dat potřebných pro trénink detekčního algoritmu.V současné době není na trhu žádný jiný univerzální software, který by dokázal virtuálně replikovat vstupy pro učící se detekční systém na skutečné železniční trati, včetně klimatických a jiných omezujících podmínek. Funkční jednotka simulátoru iX-Rails tak představuje unikátní řešení v rámci bezpečnosti železniční dopravy a její výstupy lze využít pro vývoj a ověřování nových algoritmů pro detekci překážek na železniční trati. Z těchto dat lze v případě potřeby vytvořit sady, které lze sdílet pro jiné účely, např. pro detekci překážek. Simulátor iX-Rails usnadňuje a zefektivňuje vytváření železničních simulací a dokáže simulovat skutečnou železniční trať během několika hodin.

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 na trhu informačních a komunikačních technologií již více než 30 let. Kromě České republiky a Slovenska dosahuje špičkových výsledků i v dalších zemích Evropy, Asie a Severní Ameriky. Společnost IXPERTA poskytuje komplexní IT řešení v oblasti podnikové komunikace, infrastruktury, bezpečnosti a vývoje softwaru na míru firmám. Zabývá se také návrhem, implementací a provozem IT infrastruktury, včetně datových center a síťové infrastruktury.