Проект AutomatedTrain в Германии

Проект НИОКР AutomatedTrain преследует цель полностью автоматизировать операции, связанные с подготовкой поезда к рейсу и его подачей с пути отстоя к пассажирской платформе начальной станции маршрута. Это требует оснащения поезда интеллектуальными средствами контроля окружающей обстановки, распознавания препятствий и самостоятельного реагирования на них. Железные дороги Германии (DB) рассматривают проект как первый шаг на пути к реализации беспилотного движения поездов на неизолированной инфраструктуре магистральных железных дорог.

Содержание

1. Граничные условия
2. Пример реализации эксплуатационной концепции
3. Разработка архитектуры комплексной системы
4. Особенности архитектуры
5. Реализация проекта

Проект AutomatedTrain реализуется по инициативе компании Digitale Schiene Deutschland (DSD), учрежденной DB для выполнения одноименной программы цифровизации железных дорог в Германии. В проекте, которым управляет входящий в состав DB оператор инфраструктуры DB InfraGO, участвуют пассажирский оператор DB Regio (также в составе DB), компании Bosch Engineering, Codewerk, duagon Germany, IAV, ITK Engineering, Red Hat, Siemens Mobility и Технический университет Дрездена. Полная автоматизация операций перед рейсом и после его завершения позволяет облегчить работу машинистов, что особенно важно в условиях углубления проблемы их дефицита в Германии. Проект, на который Федеральное министерство экономики и защиты климата Германии (BMWK) выделило 42,6 млн евро, выполняется с 2023 г., срок его завершения — 2026 г.

Важными целями проекта являются создание спецификаций и подтверждение технической реализуемости подачи поезда к пассажирской платформе и его отгона после рейса на путь отстоя в беспилотном режиме (с уровнем автоматизации GoA4).

При этом в соответствии с целевой моделью комплекса средств управления движением поездов на DB беспилотный режим реализуется в условиях автоведения (ATO) поверх европейской системы управления движением поездов ETCS и с оснащением поезда бортовыми средствами обнаружения препятствий. В рамках проекта два моторвагонных поезда предусмотрено оборудовать комплектами соответствующих датчиков. Бортовое устройство автоведения соответствует уровню автоматизации GoA2, и к нему добавляется новая система с уровнем автоматизации GoA4.

Первый поезд семейства Mireo постройки Siemens Mobility оборудован ETCS на заводе-изготовителе и удовлетворяет всем предварительным условиям реализации беспилотного движения. Второй поезд серии BR 430 постройки Bombardier Transportation (ныне входит в состав Alstom) длительное время эксплуатируется на городской железной дороге (S-Bahn) Штутгарта и в рамках проекта цифровизации Штутгартского железнодорожного узла дооснащается ETCS и ATO с уровнем автоматизации GoA2.

Для опытных поездок электропоезда Mireo в беспилотном режиме без машиниста на борту выбран участок между путями отстоя и первой станцией на испытательном полигоне Вегберг-Вильденрат компании Siemens. На этом поезде будут также отрабатываться технические решения по реализации автоматического режима подготовки к рейсу на пути отстоя и постановки поезда на отстой после завершения рабочей смены (рис. 1).

Рис. 1. Электропоезд Mireo компании Siemens Mobility на пути испытательного полигона Вегберг-Вильденрат (фото: Siemens)

Электропоезд серии BR 430 продолжают использовать в пассажирских перевозках (рис. 2). Он дооснащается системой обнаружения препятствий компании Bosch и системой MAROS компании ITK Engineering для определения местоположения на базе магнитных датчиков (подробнее о системе MAROS см. «ЖДМ», 2023, № 12, с. 46 – 50). Обе эти системы будут опробованы, не оказывая влияния на другие бортовые системы поезда. Машинист продолжит управлять поездом в обычном режиме.

Рис. 2. Электропоезд серии BR 430 (фото: Wikipedia)

На обоих поездах устанавливается примерно одинаковое аппаратное обеспечение, но разные программные средства обнаружения препятствий, что позволит сравнить получаемые от датчиков данные и реакцию программного обеспечения на возникающие препятствия.

Для разработки концепции эксплуатации и архитектуры комплексной системы в рамках проекта исследовали не только подвижной состав, но и эксплуатационные условия в Штутгарте и Мюнхене, которые следует учитывать при организации беспилотного движения по участкам, оборудованным системой ETCS.

Граничные условия

В Штутгарте и Мюнхене выбрали по одному участку, чтобы использовать в качестве эталонных при формировании граничных условий проекта в отношении инфраструктуры и эксплуатации.

На городской железной дороге (S-Bahn) Штутгарта выбор пал на участок линии S2 между станциями Штутгарт-Главный и Фильдерштадт, который в будущем планируют продлить до новой станции Миттнахтштрассе; на городской железной дороге Мюнхена — на участок линии S3 между Маммендорфом и Мюнхеном-Восточным, включая пути подгона поездов к платформам станции Мюнхен-Восточный. Особое внимание при этом уделялось паркам отстоя на станциях Файхинген в Штутгарте и Штайнхаузен в Мюнхене. Парк отстоя на станции Штайнхаузен примыкает к депо, на путях подхода к которому установлен диагностический портал. В самом депо широко используются системы диагностики, робототехники и искусственный интеллект (см. «ЖДМ», 2023, № 9, с. 12).

После обследования этих участков были определены следующие граничные условия по проекту AutomatedTrain:

• локомотивная сигнализация — только ETCS уровня 2 без напольных светофоров, удовлетворяющая требованиям версии 2.2 (или выше) спецификации, включая автоведение ATO. Все поездные передвижения осуществляются в режимах полного контроля (Full Supervision) ETCS или автоведения;
• эксплуатация — минимальный межпоездной интервал 2 мин, отсутствие операций сцепки и расцепки поездов, движения поезда назад, маневровых передвижений по путям отстоя поездов, управляемых в беспилотном режиме GoA4, и недопущение перевозки пассажиров, за исключением авторизованного персонала железнодорожного оператора;
• инфраструктура — электрифицированные участки колеи 1435 мм с контактной подвеской, отсутствие переездов в одном уровне, высота платформ — 96 см, наличие тоннельных участков длиной до 5 км на перегонах, минимальный радиус кривых — 180 м, крутизна уклонов — не более 40 ‰.

Проект не предполагает сооружение каких‑либо новых ограждений путей, установку платформенных дверей или стационарных технических средств для контроля железнодорожной инфраструктуры.

Пример реализации эксплуатационной концепции

На пути отстоя поезд в автоматическом режиме подготавливается к рейсу, после чего в беспилотном режиме следует к пассажирской платформе на станции начала маршрута. Там его принимает машинист, выполняющий рейсы с пассажирами. В конце смены машинист на конечной станции высаживается из поезда, который затем в беспилотном режиме следует на путь отстоя (рис. 3).

Рис. 3. Пример реализации беспилотного режима подачи поезда с пути отстоя к пассажирской платформе на станции

На первом этапе осуществляется автоматическая подготовка поезда к рейсу (рис. 4), включающая подачу питания в бортовые системы и их активацию, а также выполнение разных операций самотестирования для проверки бортовых функций, включая, например, опробование тормозов и проводных каналов поездной системы управления. Информация о выявленных нарушениях передается от поезда в центр управления, после чего принимаются меры для их устранения с участием персонала на месте. В будущих проектах предусмотрено оборудовать поезда средствами автоматического устранения нарушений.

Рис. 4. Этапы автоматической подачи поезда к пассажирской платформе и его возврата на путь отстоя после рейса

После завершения самотестирования автоматически активируется кабина машиниста, расположенная по ходу движения поезда. Затем автоматически вводятся данные о поезде в систему ETCS с последующим автоматическим нажатием кнопки включения режима ETCS и отправки сообщения о готовности к рейсу дежурному по станции.

На втором этапе поезд в беспилотном режиме следует к платформе на начальной станции маршрута. Перед отправлением бортовая система обнаружения препятствий проверяет пространство перед поездом, включая зону контактной сети. Размер этого пространства соответствует зоне видимости машиниста по стандарту EN 16186-1. Если эта зона свободна, активируется система автоведения и поезд трогается при наличии разрешения на движение от центра радиоблокировки системы ETCS и с учетом своевременного прибытия на станцию начала маршрута.

Во время беспилотного движения с максимально допустимой скоростью 40 км/ч бортовая система контролирует пространство в зоне путей, ориентируясь на разрешение на движение, полученное от ETCS. При обнаружении препятствия выдается предупредительный сигнал и поезд тормозится. Если это препятствие находится в зоне контактной сети, опускается токоприемник с одновременным торможением поезда. В обоих случаях соответствующая информация передается по радиоканалу в центр управления. Если вследствие дождя, снегопада или тумана условия видимости ухудшаются, скорость движения поезда автоматически снижается.

По условиям проекта Automated­Train допуск к парку отстоя поездов имеют только авторизованные работники в защитных жилетах, проинформированные об эксплуатационном процессе и знающие инструкции. Если система обнаруживает неавторизованное лицо, она автоматически оповещает об этом центр управления. При въезде на путь у пассажирской платформы система продолжает контролировать пространство перед поездом.

Из-за отсутствия платформенных дверей на станциях необходимо отслеживать путь у пассажирской платформы и зону вблизи ее края. При обнаружении препятствий в этих зонах включается торможение поезда. В качестве меры безопасности при движении поезда у платформы оператор инфраструктуры должен обеспечить четкое обозначение опасной зоны у края платформы, выделив ее белой полосой.

Информация, собираемая в процессе контроля пространства перед поездом, сохраняется в бортовом регистраторе и передается в стационарную базу данных Data Factory железных дорог Германии, где в стандартизированном виде накапливается и может затем использоваться для тестирования и других целей.

На третьем этапе происходит приемка поезда машинистом на платформе станции начала маршрута. После прибытия в беспилотном режиме к установленному месту остановки у пассажирской платформы в поезде автоматически разблокируются двери для посадки пассажиров. Машинист садится в кабину и активирует пульт управления, что приводит к отключению режима беспилотного управления. Затем машинист выполняет операции подготовки к рейсу, которые нельзя было провести в автоматическом режиме перед отправлением поезда с пути отстоя. К этим операциям относятся, например, проверки функций индикации на пульте машиниста, устройства контроля бдительности, перекрытия действия крана экстренного торможения и работы лобового прожектора, а также визуальный осмотр поезда. После этого машинист приступает к выполнению рейса с пассажирами на борту.

На четвертом этапе машинист передает поезд для его следования в беспилотном режиме на путь отстоя. После прибытия поезда на конечную станцию маршрута машинист деактивирует пульт управления. При этом в автоматическом режиме активируется кабина управления по ходу движения на путь отстоя, машинист убеждается, что людей в вагонах нет, и покидает поезд. После получения разрешения на движение от центра радиоблокировки системы ETCS на поезде включается режим автоведения и он начинает движение на путь отстоя.

На пятом этапе поезд следует в беспилотном режиме на путь отстоя, контролируя пространство перед собой так же, как это происходит на втором этапе.

На шестом этапе в автоматическом режиме выполняется включение стояночного тормоза и по команде из центра управления — операции постановки поезда на отстой.

Разработка архитектуры комплексной системы

При выполнении проекта AutomatedTrain поставлена задача не ограничиваться разовой реализацией заданных функций, а создать перспективную архитектуру, допускающую стандартизацию и дальнейшее расширение функций. Разработка эталонной архитектуры ведется на основе согласованных между участниками проекта представлений о возможностях современных технологий и служит основой для формирования технических требований к комплексной системе.

При этом команда разработчиков оценивает альтернативные варианты архитектуры, чтобы выработать оптимальное решение. Для обеспечения масштабируемости системы при принятии решений о ее архитектуре учитываются такие критерии, как стоимость разработки, возможность дальнейшего обновления и поэтапного дооснащения компонентами системы поездов эксплуатируемого парка. При этом за основу взяты требования и интерфейсы, перечисленные в технической спецификации по эксплуатационной совместимости систем обеспечения безопасности, управления движением поездов и сигнализации TSI CCS применительно к европейской системе управления движением поездов ETCS/ERTMS и автоведению ATO, а также результаты деятельности рабочей группы по уровням автоматизации GoA3 и GoA4 инициативы Shift2Rail (Europe’s Rail) и требования базовой архитектуры комплекса ЖАТ по программе цифровизации железных дорог Германии (DSD).

Модульность и открытость такой системной архитектуры станут основой для проведения тендеров по закупке нового подвижного состава и позволят поэтапно дооснастить или переоснастить эксплуатируемые поезда, чтобы перейти с уровня автоматизации GoA2 к уровню GoA4. Цель состоит в том, чтобы развивать опробованную и получившую признание архитектуру в соответствии с новыми эксплуатационными требованиями уже за рамками целей проекта AutomatedTrain.

Стандартизация интерфейсов позволит заменять отдельные компоненты системы независимо от конкретного поставщика, разделить жизненные циклы программного и аппаратного обеспечения, упростить и сделать более гибкими стратегии интеграции, верификации и валидации, а также обеспечить доступность на рынке и масштабируемость систем с высокими уровнями автоматизации. Кроме того, модульность архитектуры позволит разрабатывать в дальнейшем технические решения с ограниченным набором функций.

Разработка комплексной системы осуществляется в соответствии с методикой стандарта EN 50126. Для демонстрации архитектуры комплексной системы создаются прототипы, которыми оборудуют два используемых в проекте электропоезда постройки Alstom и Siemens. Надзор за проектом выполняет независимая экспертная компания, что должно облегчить допуск системы к эксплуатации и ее стандартизацию на европейском уровне.

Особенности архитектуры

Архитектура комплексной системы для беспилотной подачи поезда к пассажирской платформе и его отгона после рейса охватывает наряду с уже имеющимися подсистемами, такими как ETCS, ATO и система управления поездом, три основных компонента: бортовой модуль автоматических вычислений APM-OB, систему обнаружения препятствий ODS и бортовой регистратор данных VDL (рис. 5).

Рис. 5. Архитектура комплексной системы, создаваемой по проекту AutomatedTrain

Модуль автоматических вычислений

Модуль APM-OB выполняет функции центрального управляющего элемента полностью автоматической системы и является основным интерфейсом между стационарным центром управления и имеющимися бортовыми подсистемами.

Для разработки этого модуля решающее значение имеют эксплуатационные требования, на основе которых должны формироваться корректные и однозначные команды для системы. Технологические операции и процессы, необходимые для управления беспилотным поездом, разрабатываются совместно отделами DB, отвечающими за эксплуатацию железных дорог. Модуль APM-OB управляет тестированием на этапе подготовки поезда к рейсу, контролирует системные компоненты и их состояние, а также принимает решения, связанные в первую очередь с реагированием на обнаруженные системой ODS препятствия на пути и вблизи от него.

Система обнаружения препятствий

В системе обнаружения препятствий ODS используются современные датчики (в том числе 4D-лидары американской компании Aeva, см. «ЖДМ», 2024, № 8, с. 14 – 15) и интеллектуальные технологии. С помощью информации от этих бортовых датчиков, из цифровых карт и поездных данных можно обнаружить, точно локализовать и однозначно идентифицировать объекты на пути, по которому движется поезд, и вблизи от него. 

Перечень обнаруженных объектов посылается в вычислительный модуль APM-OB, который принимает соответствующие решения, такие как включение экстренного торможения.

Бортовой регистратор данных

В регистраторе VDL накапливаются все данные от бортовых датчиков, информация о распознанных объектах и принятых системой решениях. Эта информация передается в базу данных Data Factory. Она предназначена для оценки и совершенствования прототипов и обучения будущих систем.

Интерфейсы и системная интеграция

Одна из целей проекта состоит в сокращении числа интерфейсов с системами ATO, ETCS и управления поездом, чтобы минимизировать их влияние на ранее сертифицированные компоненты. Вместе с партнерами по проекту разрабатываются испытательные интерфейсы, облегчающие интеграцию и совершенствование системы. К ним относятся, в частности, интерфейсы для подключения имитационных моделей, позволяющих воспроизвести ту или иную окружающую обстановку для ускорения тестирования вариантов технических решений.

Реализация проекта

После запуска проекта в середине 2023 г. были определены эксплуатационная концепция и требования к автоматической подготовке поезда к рейсу, его беспилотному движению на первую станцию маршрута и другим операциям вплоть до постановки поезда на отстой. В 2024 г. основное внимание уделялось определению архитектуры комплексной системы, разработке программного обеспечения и инжиниринговым работам на задействованных в проекте поездах.

На 2025 г. запланированы дооснащение поездов средствами автоматизации и контроля, системная интеграция и выполнение испытательных поездок в сочетании с непрерывным тестированием в лабораторных условиях. В 2026 г. намечены демонстрационные поездки, после чего в сентябре того же года результаты проекта AutomatedTrain будут продемонстрированы на международной выставке InnoTrans 2026 в Берлине.

А. Ефремов

В статье использованы материалы компании Digitale Schiene Deutschland (www.digitale-schiene-deutschland.de) и компании Siemens Mobility (www.mobility.siemens.com); Deine Bahn, 2024, № 11, S. 18 – 23.

Эта статья опубликована в журнале «Железные дороги мира», 2025, № 2.