Метрополитен Нью-Йорка успешно испытал новую технологию определения местоположения поездов на основе сверхширокополосной радиосвязи (UWB) в составе систем управления движением поездов по радиоканалу (CBTC) и теперь готовится к ее внедрению. У технологии UWB есть определенный потенциал использования не только на городском рельсовом транспорте, но и в составе мультисенсорных средств высокоточного определения местоположения поездов на магистральных железных дорогах.
Содержание
- Технология UWB как элемент мультисенсорной системы позиционирования
- Архитектура системы определения местоположения на основе технологии UWB
- Опробование технологии UWB компании Humatics на рельсовом транспорте
- Техническое решение компании Piper
- Преимущества и ограничения технологии UWB
- Готовность к внедрению
- Другие области применения технологии UWB
Технология сверхширокополосной связи UWB с передачей сигналов малой мощности в диапазоне примерно от 3 до 10 ГГц массово применяется на высокоавтоматизированных промышленных предприятиях, где она служит для позиционирования объектов с высокой точностью.
В начале 2020 г. успешно завершились 9‑месячные испытания технологии UWB на двух линиях метрополитена Нью-Йорка, оборудованных системами CBTC, разработанными компаниями Siemens и Thales. При этом опробовали технологии UWB двух американских поставщиков. В качестве партнера Siemens выступала компания Humatics, партнером Thales была компания Piper.
Летом 2021 г. в контракты с Siemens и Thales были внесены изменения, цель которых состояла в создании совместимых технических решений, использующих технологию UWB. Компании Humatics было поручено переработать свою систему UWB с переходом на набор микросхем американской компании Qorvo, которые уже применяет Piper. Кроме того, компании Siemens и Thales с партнерами должны разработать общий протокол обмена информацией для систем UWB, чтобы обеспечить их полную эксплуатационную совместимость. На выполнение этих работ было выделено 14 мес.
В августе 2021 г. независимая экспертная организация TÜV SÜD выдала компании Piper (США) сертификат соответствия требованиям уровня полноты безопасности SIL4 для системы определения местоположения поездов с сантиметровой точностью на основе технологии UWB.
В число претендентов на внедрение технологии UWB на метрополитене Нью-Йорка входила также американская компания Metrom Rail, которую после предварительного этапа не допустили до участия в основных испытаниях. В январе 2022 г. Metrom Rail подала иск в федеральный окружной суд штата Делавер, потребовав начать разбирательство в отношении компаний Siemens, Humatics, Thales и Piper за заимствование своих технологий, защищенных пятью патентами.
Технология UWB как элемент мультисенсорной системы позиционирования
Существующие системы CBTC для точного определения местоположения, скорости и ускорения поездов используют датчики нескольких видов, по данным которых формируются команды управления движением поездов. К числу этих датчиков относятся, например, путевые приемоответчики и импульсные колесные датчики. Каждый из них реализует определенную функцию. Так, путевые приемоответчики транслируют на поезд информацию о своей координате на пути, позволяя надежно определить его текущее местоположение. На станционных путях или в стрелочных зонах приходится размещать большое число таких приемоответчиков. Бортовые антенны и сопутствующее оборудование для взаимодействия с путевыми приемоответчиками устанавливают в труднодоступных местах под кузовами вагонов. Путевые приемоответчики позволяют компенсировать накапливающиеся ошибки измерений пройденного пути и скорости, выполняемых при помощи импульсных колесных датчиков.
Мультисенсорная система одометрии с применением технологии UWB, инерциальных датчиков и (там, где это возможно) спутниковой навигации позволяет полностью отказаться от традиционных средств определения местоположения поезда. Примером такого подхода является система Humatics Rail Navigation System (HRNS), архитектура которой показана на рис. 1.
Рис. 1. Мультисенсорная система определения местоположения поезда компании Humatics
Технология UWB обеспечивает измерение расстояния между двумя объектами с сантиметровой точностью. Используя результаты этих измерений, можно рассчитать местоположение и скорость движения поезда.
Допустимое расстояние между стационарными датчиками UWB может составлять сотни метров, что позволяет полностью отказаться от традиционно применяемых в системах CBTC путевых приемоответчиков и при этом увеличить пропускную способность линии. В частности, компания Humatics использует в своей реализации технологии UWB метод TWToF (Two Way Time of Flight) и заявляет, что ее алгоритмы расчета обеспечивают точность измерений менее 2 см на расстоянии около 300 м до стационарного датчика при условии его прямой видимости. Скорость движения поезда может при этом составлять более 360 км/ч.
В зонах, где необходима повышенная точность измерений и где прежде приходилось устанавливать десятки приемоответчиков, достаточно разместить несколько датчиков UWB, которые работают подобно спутникам системы глобального позиционирования, т. е. точность измерений зависит от числа доступных сигналов от таких устройств.
Устройства UWB компании Humatics работают в полосе частот 4 – 4,9 ГГц и рассчитаны на диапазон рабочих температур от –40 до +70 °С.
Бортовые инерциальные датчики измеряют ускорение и угловую скорость поезда. Результаты этих измерений в сочетании с навигационными данными позволяют рассчитать направление движения поезда и относительные изменения его скорости и местоположения. Инерциальные датчики значительно превосходят традиционные одноосные акселерометры по эффективности и точности измерений при более низкой стоимости и малых габаритах.
Для определения местоположения поезда на наземных участках можно также привлекать спутниковую навигацию, которая не требует размещения оборудования на пути. Спутниковая навигация оправдывает себя на перегонах, где не нужна повышенная точность позиционирования. Более высокая точность на станциях и в стрелочных зонах достигается за счет использования технологии UWB.
Применение мультисенсорных систем требует наличия продвинутых алгоритмов слияния данных от разных датчиков, способных с высокой точностью рассчитать местоположение поезда. Поступление данных от нескольких датчиков снижает риски появления ошибочных показаний, поскольку недостатки одних датчиков компенсируются сильными сторонами других. Кроме того, повышается эксплуатационная готовность системы в целом: при выходе из строя одного датчика ее работоспособность сохраняется. Подобные технические решения предлагают как ведущие поставщики систем ЖАТ, так и стартапы, которые хотят закрепиться на рынке систем сигнализации.
Архитектура системы определения местоположения на основе технологии UWB
Такая мультисенсорная система включает практически две подсистемы — стационарную и бортовую. В состав стационарной подсистемы входят датчики UWB, размещенные вне пути на высоте 1,5 – 1,8 м и получающие питание от источников постоянного тока напряжением 12 – 48 В. Сведения о точном размещении этих датчиков хранятся в базе данных линии. Число датчиков и расстояние между ними зависят от геометрии пути, местных условий (тоннельные или наземные участки) и требований к точности определения местоположения поездов.
В состав бортовой подсистемы входят узлы UWB, которые взаимодействуют со стационарными датчиками UWB вдоль пути, инерциальный датчик и приемник спутниковой навигации (если поезда курсируют в том числе по наземным участкам). Все эти датчики защищены от воздействий окружающей среды и легко доступны.
Бортовой навигационный компьютер выполняет алгоритмы слияния данных измерений и образует интерфейс с системой CBTC, передавая в нее рассчитанную информацию о местоположении, скорости, ускорении и направлении движения поезда.
Для выполнения требований функциональной безопасности необходимо двухканальное (2oo2) или трехканальное (2oo3) исполнение системы. Кроме того, требуется согласованный с поставщиком системы CBTC интерфейс обмена информацией, включая сведения из базы данных линии и конкретного участка, а также сообщения о статусе и техническом состоянии компонентов системы определения местоположения поезда.
Одним из важных факторов является достаточно высокая частота обновления информации о местоположении поезда. Системы на основе технологии UWB способны обеспечить актуализацию данных с частотой до 40 Гц.
Опробование технологии UWB компании Humatics на рельсовом транспорте
Система определения местоположения поезда HRNS компании Humatics тестировалась тремя поставщиками систем ЖАТ в США и Италии.
На метрополитене Нью-Йорка изучались возможности применения новых технологий определения местоположения поездов с целью ускорения внедрения CBTC и снижения эксплуатационных расходов. На линии L Canarsie с 2019 г. испытывали техническое решение компании Humatics совместно с системой CBTC компании Siemens. Для испытаний был выбран участок протяженностью 8,8 км, проходящий в тоннелях, на уровне земли и на эстакадах. На нем было установлено 242 стационарных датчика UWB.
Системой HRNS с узлами UWB и датчиками IMU оборудовали четыре поезда, при этом система работала в теневом режиме. Всего было накоплено 15 Тбайт информации. Испытывалась система с архитектурой 2oo3, чтобы обеспечить высокую эксплуатационную готовность наряду с выполнением требований безопасности. В ее составе было три независимых комплекта сенсорного оборудования, данные от которых сравнивались и затем передавались в бортовой компьютер CBTC.
Результаты функциональных испытаний во всех режимах работы CBTC были признаны успешными. Стационарные датчики суммарно отработали 3,5 млн ч без сбоев. Точность определения местоположения составила ±5 см при остановке на станции и ±20 см при движении по перегону при прописанных в требованиях метрополитена значениях ±15 и ±30 см соответственно. Также были выполнены требования в отношении эксплуатационной готовности HRNS.
Сделанная по заказу метрополитена Нью-Йорка экспертиза с участием независимой организации подтвердила возможность доказательства безопасного функционирования выбранной архитектуры HRNS и технологии ее интеграции в систему управления поездом.
В числе преимуществ системы HRNS по сравнению с традиционными техническими решениями были отмечены возможность быстрого дооснащения поездов (15 мин в расчете на один поезд, причем без захода в депо) и простота технического обслуживания (на замену стационарного датчика UWB требуется 7 мин).
В Италии систему HRNS тестировали на опытном участке длиной 1,5 км компании Hitachi Rail (рис. 2), чтобы проверить ее технические возможности определения местоположения с точностью ±30 см и скорости с точностью ±2 км/ч во время движения поезда, а также лучше чем ±25 см и ±0,5 км/ч при нахождении поезда на станции в режимах с приоритетным использованием режима UWB и режима спутниковой навигации. Кроме того, проверялась работа в условиях сокращенного числа стационарных датчиков.
Рис. 2. Стационарный датчик UWB компании Humatics на опытном участке компании Hitachi Rail в Неаполе
Всего было совершено более 200 испытательных поездок. Требуемая точность работы системы достигалась даже при отключении 30 % стационарных датчиков. В ходе испытаний HRNS была интегрирована в систему CBTC, которая воспроизводилась при помощи имитационной модели.
По результатам испытаний Hitachi Rail и Humatics договорились о совместном выводе на рынок соответствующего технического решения и подтверждении возможностей его использования не только в составе систем CBTC, но и других систем управления движением поездов по радиоканалу, таких как PTC и ETCS.
Техническое решение компании Piper
Система ETLS (Enhanced Transit Location System) компании Piper использует для определения местоположения поезда исключительно технологию UWB (рис. 3). Во время испытаний на метрополитене Нью-Йорка точность измерений составила от 5 до 10 см.
Рис. 3. Монтаж стационарного датчика UWB компании Piper в тоннеле метрополитена Нью-Йорка
Для повышения надежности и готовности средств определения местоположения поезда компания предлагает мультисенсорное решение на основе ETLS и системы TrackSight, в которой используются лидары. Получаемые лидарами изображения в реальном времени сравниваются с информацией, хранимой в базе данных бортового устройства.
Преимущества и ограничения технологии UWB
Операторы рельсового транспорта и системные интеграторы рассматривают мультисенсорные решения на основе технологии UWB в качестве замены традиционных устройств определения местоположения поездов, выделяя следующие их основные преимущества:
- значительно более высокая точность позиционирования;
- отсутствие необходимости в настройке, калибровке и проверке датчиков скорости и ускорения, учете диаметров колес подвижного состава, проверке связи с путевыми приемоответчиками;
- снижение капитальных и эксплуатационных затрат за счет размещения датчиков UWB вне пути;
- сокращение сроков и упрощение монтажа и обслуживания бортового оборудования;
- прицельное торможение поездов разных категорий;
- исключение влияния юза и боксования колес;
- возможность реализации перспективных функций, таких как виртуальная сцепка.
Кроме того, в мультисенсорную систему могут быть интегрированы датчики нового поколения, в том числе лидары и радары в сочетании с системами обработки изображений, что позволит повысить надежность определения местоположения поезда.
В то же время у технологии UWB есть определенные ограничения. В отличие от путевых приемоответчиков стационарным датчикам UWB необходимо электропитание, что приводит к росту затрат. Вместе с тем сравнительно плотная расстановка датчиков UWB требуется только в станционных зонах, где подключение к источнику питания не требует значительных затрат. Кроме того, датчики UWB можно подключать к цепям электроснабжения осветительных устройств.
Другим ограничением технологии является необходимость размещать датчики UWB в пределах прямой видимости, т. е. в кривых приходится устанавливать дополнительные датчики. Кратковременную потерю сигналов от датчиков UWB на таких участках можно компенсировать за счет других датчиков мультисенсорной системы — инерциальных или спутниковой навигации.
Готовность к внедрению
Системы определения местоположения поездов на основе технологии UWB опробованы поставщиками систем CBTC и операторами рельсового транспорта, которые хотят накопить опыт использования этой технологии до ее принятия в качестве промышленного стандарта. В настоящее время в Канаде, США и Европе разрабатываются инновационные технические решения совместно с поставщиками новой технологии. Можно говорить о том, что такие технические решения будут готовы к внедрению в коммерческую эксплуатацию в течение года.
В ближайшем будущем можно ожидать интеграции устройств других видов в мультисенсорную систему позиционирования, что позволит подбирать оптимальный набор датчиков для конкретных условий эксплуатации. Масштабное применение подобных датчиков в других отраслях, в частности в автомобилестроении, будет способствовать дальнейшему снижению их стоимости в последующие годы.
Другие области применения технологии UWB
Как уже отмечалось, мультисенсорные системы определения местоположения поездов на основе технологии UWB могут использоваться не только на городском рельсовом транспорте в составе CBTC, но и на магистральных железных дорогах, где эксплуатируются такие системы, как ETCS или PTC. Технология UWB может дополнять спутниковую навигацию в тоннелях, в районах с плотной городской застройках и на других участках, где затруднен прием сигналов от навигационных спутников.
Информация, генерируемая системой, использующей технологию UWB, может быть востребована в системах поддержки машиниста, автоведения и информирования пассажиров. Так, машинист может получать с ее помощью точную информацию о местоположения поезда, а система информирования пассажиров — рассчитывать более точное время прибытия на следующую станцию.
Рис. 4. Метка UWB на жилете работника метрополитена Нью-Йорка
Еще одной перспективной областью применения технологии UWB является контроль за персоналом и путевыми машинами для обеспечения безопасности при проведении работ по содержанию инфраструктуры. Технические решения компаний Humatics и Piper позволяют непрерывно отслеживать местоположение на путях и вблизи от них работников с компактными метками UWB (рис. 4). Подобным образом можно отслеживать технику, используемую при выполнении работ по техническому обслуживанию и ремонту инфраструктуры.
А. Ефремов
В статье использованы материалы компаний Humatics (humatics.com), Piper (www.pipernetworks.com), Metrom Rail (metrom-rail.com), транспортной администрации Нью‑Йорка (mta.info) и портала Global Railway Review (www.globalrailwayreview.com); Signal und Draht, 2022, № 9, S. 18 – 26.
Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2023, № 1.
