Осенью 2020 г. на симпозиуме Германского центра авиации и космонавтики (DLR) были представлены результаты испытаний системы определения местоположения поезда по сигнатурам магнитного поля вдоль путей («ЖДМ», 2021, № 3, с. 70 – 72). Спустя 2 года на выставке InnoTrans в Берлине немецкая компания ITK Engineering продемонстрировала бортовой магнитный датчик MAROS для определения местоположения и скорости движения поезда, соответствующий уровню безопасности SIL4 («ЖДМ», 2022, № 11, с. 11 – 24). Можно рассчитывать, что в ближайшие годы новая технология станет доступной для коммерческого использования.
Содержание
Сокращение межпоездных интервалов позволяет повысить пропускную способность железных дорог без строительства новых линий, но требует внедрения современных систем управления движением по радиоканалу, важным компонентом которых являются надежные и безопасные бортовые средства определения местоположения поездов. Наряду с традиционными импульсными колесными датчиками в последние годы все более широкое распространение получают бортовые мультисенсорные системы определения местоположения, позволяющие в конечном счете отказаться от напольных устройств контроля свободности пути и при наличии бортовых средств контроля целостности поезда перейти к европейской системе управления движением поездов ETCS уровня 3 с подвижными блок-участками.
Ведущие европейские железные дороги уделяют большое внимание разработкам бортовых средств определения местоположения поездов, включая спутниковую навигацию. Важнейшим требованием к таким системам является идентификация пути, на котором находится поезд в текущий момент времени.
В качестве одной из основных технологий выступает при этом спутниковая навигация, которая получила широкое распространение на других видах транспорта. Ряд европейских и национальных исследовательских проектов сфокусированы на изучении возможности применения этой технологии для надежного и безопасного определения местоположения поезда. Однако у спутниковой навигации есть ограничения, связанные с приемом сигналов от спутников в тоннелях, местах плотной городской застройки и т. п.
В настоящее время разработаны недорогие магнитные датчики, измеряющие напряженность магнитного поля по трем осям. На железнодорожном пути и вблизи от него расположено множество металлических компонентов — рельсы, рельсовые скрепления и т. п., которые в совокупности формируют уникальную сигнатуру магнитного поля в каждой точке пути. Посредством бортовых магнитных датчиков можно измерять напряженность магнитного поля при движении по участку и сопоставлять результаты измерений с эталонной электронной картой сигнатур магнитного поля этого участка, определяя тем самым местоположение поезда.
Исследования и разработки DLR
Первые измерения на региональных линиях в Баварии
Германский центр авиации и космонавтики уже достаточно давно изучает возможности применения пассивных магнитных датчиков для определения местоположения поездов. В середине 2010‑х годов специалисты DLR провели испытания таких датчиков совместно с баварским региональным пассажирским оператором Bayerische Regiobahn (рис. 1) и показали, что новая технология позволяет, в частности, надежно определять отклонение поезда на боковой путь (рис. 2) и отличать сигнатуры магнитного поля при движении по тому или иному пути многопутной линии.
Рис. 1. Расположение магнитного и инерциального датчиков на тележке во время испытаний в Баварии
Рис. 2. Изменение сигнатур магнитного поля при отклонении поезда на стрелке на соседний путь при скорости движения примерно 55 км/ч
Точность определения местоположения поезда в 95,4 % случаев составила 2,8 м при расположении датчиков на тележке и 2,9 м — при расположении в кабине машиниста. Вместе с тем сигнатуры магнитного поля могут значительно меняться при нахождении на соседнем пути другого поезда, а также на станциях вследствие присутствия подвижного состава на других путях. В таких местах определение абсолютного местоположения поезда при помощи магнитных датчиков на короткое время становится невозможным. Следует также учитывать изменения сигнатур магнитного поля при применении магнитно-рельсовых или вихретоковых тормозов. Кроме того, существенные изменения сигнатур магнитного поля могут быть обусловлены путевыми работами, например заменой или шлифованием рельсов (рис. 3). Учесть эти изменения позволяет регулярное обновление эталонной карты сигнатур магнитного поля участка при проходе поездов, оборудованных магнитными датчиками.
Рис. 3. Радикальное изменение сигнатур магнитного поля на одном из участков вследствие проведения путевых работ или применения магнитно-рельсового тормоза
В целом специалисты DLR положительно оценили первые испытания разработанных ими алгоритмов определения местоположения поезда при помощи магнитных датчиков. При размещении датчиков в кабине машиниста измеряемые сигналы были слабее, чем от датчиков на тележках, однако в обоих случаях результаты измерений были сопоставимы и позволяли идентифицировать местоположение поезда на пути и в стрелочных зонах. Преимуществами такой системы являются компактность, малое энергопотребление и низкая стоимость по сравнению с другими навигационными датчиками. Магнитные датчики могут быть включены в состав мультисенсорных систем и использоваться для валидации координат поезда, полученных при помощи спутниковой навигации, и определения местоположения в тех зонах, где сигналы спутниковой навигации недоступны.
Эксперимент на скоростном поезде
В дальнейшем работы по совершенствованию системы продолжились, и в 2021 г. была проведена серия измерений на дизель-поезде ICE-TD, переоборудованном железными дорогами Германии (DB) в поезд-лабораторию Advanced TrainLab (см. «ЖДМ», 2019, № 4, с. 59 – 61). Этот четырехвагонный поезд длиной 106 м (рис. 4) оборудован двумя платформами для размещения антенн, шкафами для электронной аппаратуры и регистраторами для записи данных от датчиков, используемых в разных проектах.
Рис. 4. Скоростной поезд-лаборатория Advanced TrainLab
В рамках эксперимента на поезде в разных местах установили 28 магнитных датчиков, каждый из которых способен измерять магнитное поле по трем осям. Датчики были сгруппированы в виде матриц. Одна трехмерная матрица состояла из 11 датчиков, установленных с интервалом 20 см. Вторая матрица включала два ряда из пяти датчиков, ее монтировали внутри поезда и под вагонами. В подвагонном пространстве датчики крепили на стальной раме (рис. 5) в том же порядке, что и датчики в вагоне. Еще одна матрица с продольным размещением датчиков устанавливалась в разных вагонах как внутри поезда, так и вне его. Результаты измерений сравнивали с показаниями геодезического приемника спутниковой навигации и инерциального датчика, а также импульсного колесного датчика. Две видеокамеры фиксировали окружающую обстановку.
Рис. 5. Монтаж магнитных датчиков под кузовом вагона скоростного поезда-лаборатории Advanced TrainLab
Измерения выполнялись в течение семи дневных и одной ночной смен. Пробег поезда в ходе измерений составил более 2200 км. Работа датчиков в зоне городской застройки изучалась в ходе поездок в течение четырех дневных смен в Берлине, а при движении с высокой скоростью и в тоннелях — на участке длиной 44 км между Касселем и Гёттингеном. На этом участке имеется семь тоннелей общей протяженностью 21,4 км, включая один тоннель длиной 10,5 км. Здесь измерения выполнялись ночью, чтобы иметь возможность переходить на соседний путь с низкой и высокой скоростью.
Отклонения при измерении местоположения поезда по сравнению с показаниями приемника спутниковой навигации составили менее 1,8 м в 95 % случаев при размещении магнитных датчиков внутри поезда и менее 1,5 м — при их монтаже под вагонами. Точность изменений варьировалась в зависимости от высоты установки датчиков и их положения относительно оси пути.
Эксперимент подтвердил возможность применения магнитных датчиков для определения местоположения поезда в тоннелях, а также в стрелочных зонах при отклонении на другой путь. Точность измерений при движении в тоннелях составила 20 м в 98 % случаев при установке датчиков под кузовом вагона. Она не зависела от скорости движения поезда, которая в ходе эксперимента составляла до 200 км/ч. Действие магнитно-рельсового тормоза может приводить к непрерывному изменению сигнатуры магнитного поля на сравнительно коротком участке.
Система MAROS компании ITK Engineering
Кроме DLR, исследованиями и разработками, связанными с применением бортовых магнитных датчиков для определения местоположения поездов, в последние годы занимается немецкая компания ITK Engineering в сотрудничестве с Технологическим институтом Карлсруэ (KIT). Партнеры разработали бортовую систему на базе магнитных датчиков MAROS, которая может быть использована в качестве платформы для реализации разных технических решений. Одно из таких технических решений — MAROS-L позволяет точно определять местоположение с распознаванием конкретного пути по заранее измеренным сигнатурам магнитного поля, которые добавлены к электронной карте полигона обращения поезда.
Еще одно техническое решение MAROS-V обеспечивает надежное и безопасное измерение скорости движения, не зависящее от возможного проскальзывания колес поезда. Скорость при этом определяется за счет вычисления временного смещения нескольких измерений сигнатур магнитного поля без использования электронной карты участка. Точность измерений не зависит от погодных условий, износа колес и процессов юза и боксования.
В сентябре 2022 г. прототип бортовой системы MAROS демонстрировался на выставке InnoTrans в Берлине.
Разработка прототипа и тестирование в реальных эксплуатационных условиях
Прототип системы MAROS создавался на основе эталонных рабочих процессов Европейского комитета по стандартизации в области электротехники (CENELEC). Технология измерения магнитного поля проверялась на испытательных стендах и в реальных эксплуатационных условиях.
Испытательный стенд Технологического института Карлсруэ (рис. 6) позволяет детально исследовать ферромагнитные свойства рельсов и определять оптимальное положение датчиков. Кроме того, в лаборатории имитировалось влияние на процесс измерения других объектов инфраструктуры, таких как датчики счета осей подвижного состава (наличие таких объектов не должно нарушать технологию измерений). Кроме того, в KIT предварительно исследовали влияние на измерения магнитного поля условий окружающей среды (температура, образование льда), а также износа рельсов.
Рис. 6. Стенд для испытаний технологии определения местоположения поезда по сигнатурам магнитного поля рельсов
Тестирование прототипа в реальных условиях проводили сначала в Австрии. После завершения нескольких успешных испытательных поездок с участием измерительного поезда в этой стране началось продолжительное тестирование в Германии, в ходе которого оборудование системы было установлено на локомотиве, задействованном в коммерческих перевозках. Предварительно потребовалось подтвердить соответствие оборудования действующим нормам, в частности, по электромагнитной совместимости, чтобы не нарушать работу путевых датчиков счета осей (рис. 7).
Рис. 7. Магнитные датчики прототипа системы MAROS во время полевых испытаний
Цель такого продолжительного тестирования состояла в подтверждении результатов лабораторных испытаний и накоплении опыта работы системы в реальных условиях с соответствующими динамическими нагрузками. Кроме того, измерения с проследованием нескольких тысяч километров важны с точки зрения подтверждения уникальности сигнатур магнитного поля, изучения влияния на характер сигнатур объектов инфраструктуры железных дорог и расположенных рядом с ней сооружений, погодных условий, эксплуатационного процесса железных дорог (движение встречных поездов и т. п.) и загрязнений датчиков.
Разработка серийной системы
Система MAROS предназначена для определения скорости поезда и его местоположения на сети, для которой составлена электронная карта с сигнатурами магнитного поля. Для расширения возможностей применения системы на основе стандартов RAMS были разработаны две ее архитектуры — с уровнями безопасности SIL2 и SIL4.
Система MAROS с уровнем безопасности SIL2 предназначена для интеграции в системы автоведения и применения в качестве одной из подсистем мультисенсорной системы определения местоположения поезда. Система MAROS с уровнем безопасности SIL4 может функционировать в качестве одного из компонентов бортовой системы безопасности для определения кривых торможения и режимов движения поезда. Обе архитектуры RAMS создавались без привязки к конкретному приложению, т. е. они способны обеспечить как измерение скорости движения, так и определение местоположения. Кроме того, область применения системы может быть расширена с включением, например, функций мониторинга состояния объектов инфраструктуры для их предикативного технического обслуживания.
Функциональная структура системы охватывает измерение сигналов, характеризующих ферромагнитные свойства рельсов, определение данных о скорости и местоположении, передачу данных и их оценку вышестоящей системой. Данные о скорости и местоположении поезда на электронной карте сети должны определяться с требуемыми для конкретного приложения точностью и надежностью, а также достаточно быстро. Обмен информацией с вышестоящей системой планируется реализовать в виде отдельного функционального блока, чтобы получить максимально универсальное техническое решение в отношении протоколов, аппаратных интерфейсов и конфигураций шин передачи. Оценка информации от сенсорной подсистемы является функцией вышестоящей системы, например бортового устройства ETCS, которое по результатам оценки принимает соответствующие решения.
Базовая архитектура системы с уровнем безопасности SIL4 предназначена для определения любых данных, которые могут быть получены из измеренных сигналов. Для улучшения точности и готовности в условиях эксплуатации, характерных для железнодорожного транспорта, предусмотрена возможность слияния данных от магнитных датчиков (в том числе размещаемых под кузовом над обоими рельсами) и других сенсоров. Для этого систему дополняют соответствующими блоками слияния данных.
Внедрение
Компания ITK Engineering планирует вывести на рынок в 2025 г. систему MAROS-V, способную определять скорость движения поезда без электронной карты. В дальнейшем компания намерена выпустить серийную систему MAROS-L для определения местоположения поезда, причем в виде двух модификаций с уровнями безопасности соответственно SIL2 и SIL4. При этом предусмотрена модульная поддержка разных уровней функциональной безопасности, чтобы наряду с безопасным определением местоположения и скорости поезда выявлять изменение ферромагнитных свойств рельсов с целью планирования мероприятий по их текущему содержанию. Одной из областей применения системы MAROS может стать также интеллектуальное распознавание изломов рельсов.
А. Ефремов
В статье использованы материалы Германского центра авиации и космонавтики (www.dlr.de), Технологического института Карлсруэ (www.kit.edu) и компании ITK Engineering (www.itk-engineering.de); Eisenbahningenieur, 2023, № 5, S. 58 – 62; Eisenbahntechnische Rundschau, 2023, № 7 – 8, S. 16 – 18.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2023, № 12.
