Железные дороги – область консервативная: погонять на полигоне локомотив дороже, чем испытать беспилотный автомобиль

– Олег Игоревич, в чем особенность беспилотного железнодорожного транспорта?
 – Любой беспилотный транспорт – это средство автоматизации. Системы автоматизации берут на себя часть функций управления техническим объектом, тем самым освобождая человека от этой работы. Автоматизация эффективна в случае рутинной однообразной работы и предсказуемой среды. Здесь, в отличие человека, машина не устает и не ошибается. Но как только среда становится менее предсказуемой, тем сложнее осуществить автоматизацию.

До последних десятилетий она ограничивалась промышленными предприятиями, где создать предсказуемую среду наиболее просто. Но сейчас, благодаря совершенствованию программной и аппаратной базы, удалось шагнуть в другие области. Например, были разработаны роботизированные складские транспортные системы.

Входящие в них роботы-погрузчики, в принципе, весьма сходны с беспилотными автомобилями, но они функционируют в гораздо более предсказуемой среде склада. Поэтому беспилотные погрузчики – это уже коммерческий продукт, а беспилотные автомобили – еще нет, на их применимость есть серьезные ограничения.
Системы автоматизации промышленных предприятий появились не на пустом месте. По мере усложнения технических объектов и увеличения числа датчиков и исполнительных органов ручное управление стало невозможным. Нужна была система централизации данных, дающая оператору общую картину происходящего. Так появились первые системы мониторинга, которые затем получили функциями управления.

 – Но железнодорожный транспорт сейчас гораздо ближе к промышленному предприятию, чем к отдельному беспилотному автомобилю.
 – Да, подвижной состав использует общие железнодорожные пути, а это не только рельсы, но еще стрелки и переезды, система датчиков, сигнальная система и линии связи система электрификации. Разработаны весьма сложные алгоритмы, управляющие сортировкой вагонов и формированием составов, методы составления расписания.

Подвижной состав – локомотивы и вагоны – только часть этого комплекса и весьма сложные технические объекты. Если машинист по звуку может понять, что есть какая-то техническая проблема, то в полностью автоматизированной системе должны быть датчики, которые позволят ее идентифицировать. В отсутствие человека сложность может представлять даже включение сработавшего автоматического предохранителя.

Существуют четыре уровня автоматизации железнодорожного транспорта. Самый низкий – это неавтоматизированное управление машинистом. В этом случае автоматика выполняет только минимум функций, необходимых для обеспечения безопасности. Следующий уровень – наличие системы автоведения, которая управляет тягой и торможением. Однако человек все еще не может отлучаться из кабины, он должен визуально следить за дорогой и контролировать, что путь свободен. Такие системы появились очень давно, их разработка была начата еще в 60-х гг.

Отсутствие машиниста в кабине допускают только системы третьего уровня и выше. Они предполагают использование технического зрения для контроля пути. Присутствие оперативного персонала все же необходимо в первую очередь для открытия и закрытия дверей и контроля посадки и высадки пассажиров. И, наконец, системы четвертого уровня могут работать полностью в автоматическом режиме. При этом надо понимать, что в случае использования любого из этих уровней есть еще диспетчер, который может передать команду машинисту или беспилотному составу, а в крайнем случае взять локомотив с системой третьего или четвертого уровня на дистанционное управление. То есть человек никогда полностью не выключается из управления.

– Какой же из этих уровней оптимальный?
 – Все зависит от предсказуемости среды. Один вариант – пригородные электропоезда Москвы, идущие по жесткому расписанию, по путям, снабженным множеством средств автоматизации, без переездов, снабженных ограждением по все длине. В случае непредвиденной ситуации оперативный персонал может прибыть максимально быстро. Здесь подойдут третий и четвертый уровни. Совершенно другая ситуация на межрегиональных железнодорожных линиях. Путь может быть занесен снегом, на дорогу может выйти человек или животное. Присутствие локомотивной бригады крайне желательно, несмотря на возможность использования средств автоматизации. Второй компонент – цена ошибки или сбоя. Ошибку может допустить человек, а сбоям подвержена любая техника. Цена сбоя, произошедшего в системе управления пассажирского поезда, потенциально значительно выше, чем у товарного.

По этим причинам наиболее вероятная сфера применения беспилотных поездов – пригородные пассажироперевозки с высокой интенсивностью движения. В первую очередь это Москва: МЦК, МЦД. Здесь наиболее предсказуемая среда, жесткие требования к графику движения, массовость объектов автоматизации, высокая нагрузка на машинистов.

Можно добавить метро, хотя оно не относится напрямую к РЖД. Вторая область – сортировочные станции. Среда тоже максимально предсказуемая и полностью контролируемая. Персонал станции всегда может скорректировать проблему, возникшую с автономным локомотивом.

 – Какими преимуществами обладает беспилотный локомотив?
– Во-первых, значительно возрастет осведомленность о состоянии всего железнодорожного комплекса. Теперь диспетчер не просто знает, что есть поезд и он находится на некотором перегоне (традиционные сигнальные системы), он знает его точное положение, скорость. Потенциально можно запросить сведения о его техническом состоянии. Можно собирать информацию о технических неполадках, прогнозируя сбои, заранее ставить локомотивы на техническое обслуживание. Значительно лучше и надежнее должны стать линии связи.

Во-вторых, избавление человека от выполнения рутинных операций, облегчение условий работы человека. При частичной автоматизации локомотивов уменьшится информационная нагрузка на машиниста и его помощника. Они смогут сосредоточиться на принятии решений в нестандартных ситуациях. Кроме того, должна вырасти общая безопасность и предсказуемость работы системы. Я не думаю, что сами по себе беспилотные локомотивы как-то увеличат пропускную способность железнодорожного транспорта. Потенциально, конечно, можно уменьшить интервалы движения между поездами, но это актуально только в очень густонаселенных районах с интенсивным движением. Скоростные ограничения проистекают из других источников: готовность путей, подвижный состав и т. д.

 – Положительные стороны выглядят заманчиво, но в чем недостатки данного вида транспорта?
 – В первую очередь поведение в нестандартных ситуациях. Если поезд наехал на дикое животное, то убрать его могут только люди. Только они могут оценить повреждения. Беспилотному поезду придется ждать обслуживания.

Во-вторых, не всегда при введении автоматизации понижается информационная нагрузка. Например, плохая система диагностики может давать множество ложных срабатываний, что дополнительно перегружает оператора. Аналогичное происходит, если сокращается локомотивная бригада, то есть остается один машинист или его заменяет диспетчер, управляющий несколькими беспилотными поездами. Также требуется существенная модернизация подвижного состава. Если системами третьего уровня можно оборудовать существующие локомотивы, то полностью автоматическая система для поездов дальнего следование требует серьезных переделок оборудования.

Как негативное последствие автоматизации часто указывают потерю людьми рабочих мест. Но в данном случае эта проблема не должна быть существенной. Автоматизация также создает новые рабочие места. Потребуются люди, которые будут настраивать и обслуживать новые системы управления. Потребуются предприятия, которые будут разрабатывать и производить их. Аналогично локомотивные бригады заменятся на диспетчеров, которые будут дистанционно управлять поездами.

 – Каковы риски массового использования беспилотного транспорта на железных дорогах?
 – Любое внедрение такой системы на практике будет постепенным и поэтапным. Сначала надо довести уровень автоматизации подвижного состава до надлежащего уровня, затем такая система будет тестироваться под наблюдением человека, и только если накопленная статистика окажется положительной, то появятся первые беспилотные локомотивы. Если возникнут проблемы, это замедлит введение всей системы в эксплуатацию или сделает ее введение вообще нецелесообразной. Это весьма похоже на ввод на эксплуатацию нового подвижного состава. Пока не исправлены «детские болезни», локомотивы часто ломаются, но потом эти проблемы исправляют или приходится отказываться от их эксплуатации.

Если же говорить о рисках, которые могут привести к катастрофическим последствиям, можно выделить следующее. Во-первых, сбои в программном обеспечении. Можно представить некоторую гипотетическую ситуацию, когда при обновлении ПО вносится некоторая ошибка. Промышленное программное обеспечение обычно весьма серьезно тестируется, но всевозможные сочетания факторов невозможно предусмотреть. У нас есть пример Boeing 737 MAX, когда особенности логики системы управления, вероятно, привели к двум однотипным авиакатастрофам. Но в случае железнодорожного транспорта катастрофические последствия предотвратить гораздо проще, внося в систему некоторую защитную логику.

Далее – информационная безопасность. Если локомотивом можно потенциально управлять дистанционно, то этим постараются воспользоваться злоумышленники. Даже необязательно управлять – можно просто прервать функционирование транспортной системы, нарушив каналы связи. Каналы должны быть защищены, дублированы, иметь достаточную пропускную способность. Это не такая простая задача.

Относительно недавно была статья, в которой один из пассажиров, специалист по информационной безопасности, через медийную сеть поезда «Сапсан» смог получить доступ к служебным серверам, стоящим на этом поезде, хранящим, к примеру, списки пассажиров. И одной из причин такой возможности была плохая работа системного администратора, пароли. Конечно, промышленные сети, выполняющую функцию управления, обычно изолируют, но не всегда это возможно, а человеческий фактор никто не исключает. И, наконец, довольно интересный риск – неприятие со стороны общественного мнения. Человеку спокойнее, если за пультом управления находится другой человек, который разделит его участь. Любые происшествия с беспилотными поездами будут освещаться гораздо активнее, чем с управляемым человеком.

 – Каковы основные достижения в развитии беспилотного железнодорожного транспорта в России?
 – Наверное, самый значимый проект – автоматизация работы маневровых локомотивов на ст. Лужская. Проект стартовал в 2015 году, в 2017-м начались эксперименты с системами машинного зрения. В итоге 95% операций с маневровыми локомотивами удалось автоматизировать. Для достижения этого потребовалось создать комплексное решение. Нужно было сделать цифровой двойник сортировочной станции, интегрировать с ним существующие системы автоматизации, разработать и смонтировать средства дистанционного управления на локомотивы, оснастить их системами технического зрения. В результате основные операции, которые выполняет маневровый тепловоз, оказались автоматизированы: следование от одной точки к другой, сцепка с вагоном, доставка вагона на сортировочную горку. Это система самого высокого, четвертого уровня автоматизации, то есть тепловозы перемещаются по станции без машиниста, однако часть операция не автоматизирована. Включать выбитый предохранитель побежит работник станции. Проект координировался непосредственно ОАО «РЖД», а разработкой системы занимались АО «ВНИКТИ», Siemens, АО «Радиоавионика».

Эти наработки были использованы для создания автоматической системы управления электропоездом «Ласточка». Работы начаты в 2017 году, и сейчас один из поездов, курсирующих на МЦК, оборудован средствами дистанционного управления и системой технического зрения, позволяющей обнаруживать препятствия. Он способен автоматически следовать между станциями по расписанию, но присутствие человека все равно необходимо.

Полностью автономный электропоезд – это следующий этап проекта. Очевидно, что тут потребуются существенные измерения в оборудовании электропоезда.

 – С какими проблемами приходится сталкиваться при реализации проектов, связанных с автоматизированным железнодорожным транспортом?
 – Железные дороги – область консервативная. Погонять на полигоне электровоз или тепловоз стоит гораздо дороже, чем испытания беспилотного автомобиля. Помимо этого, существует специфичная проблема – формирование массивов данных, необходимых для обучения. Системы зрения, используемые при создании беспилотного транспорта, обычно основаны на искусственных нейронных сетях. Для их обучения требуется много размеченной информации, а готовых массивов нет. Особенно большая сложность – воссоздание нестандартных ситуаций. Грубо говоря, как выглядят рельсы, можно снять при помощи камеры, установленной на локомотиве, а вот ситуации с выбежавшим на дорогу человеком или животным воссоздать гораздо сложнее. Другая проблема – верификация полученных данных. Она общая для всех систем, использующих нейронные сети. Неясно, как доказать, что нейронная сеть будет себя вести надлежащим образом. При этом возможности тестирования ограничены полигонами.

Еще одна интересная задача – точное позиционирование и контроль ориентации. Спутниковой навигации оказывается недостаточно. Приходится использовать сложные системы, объединяющие данные из множества источников: спутник, система технического зрения, состояние стрелок.

Автор: Беседовала Мария Салеева