Inteligentné autonómne železničné technológie

Počet nehôd vo vlakovej doprave vo svete spôsobený zlyhaním ľudského faktora podporuje tlak na strategické smerovanie riadenia železničnej dopravy k autonómnosti. Medzinárodné orgány železničnej mobility majú snahu a cielia k zvýšeniu úrovne automatizácie a pokrokových bezpečnostných technológií z dôvodov eliminácie zvyšovania vlakových nehôd. Riadenie vlakov bez rušňovodiča (prípadne len s asistentom) je technológia budúcnosti a v porovnaní s klasickými systémami zahŕňa početnosť výhod. Potrebu autonómnosti vyzdvihujú faktory a potreby, akými sú:

• zvýšenie efektívnosti riadenia železničnej dopravy,
• rýchly rast objemu cestujúcich,
• trend presunu dopravy z cesty na železnicu,
• dopyt po efektívnej a ekologickej mobilite,
• lepšia dostupnosť,
• zvýšená potreba bezpečnosti mobility,
• eliminácia uviaznutia vlakov v tuneloch,
• potreba kontroly a zníženie prevádzkových nákladov,
• reakčný čas,
• automatizácia riadenia,
• zníženie nárokov na pozíciu rušňovodiča,
• zlepšenie pracovných podmienok,
• náhrada nedostatku kompetentných rušňovodičov,
• požiadavky cestujúcich na častejšiu dopravu,
• kratšie doby jazdy,
• príjemnejšie end-to-end travel experience
• plne automatizované operácie bez rušňovodiča zvyšujúce dostupnosť systémov,
• kapacita siete,
• prevádzková účinnosť na úroveň 99%,
• flexibilita,
• schopnosť zvýšiť úroveň služieb počas špeciálnych alebo veľkých udalostí, výkyvov, mimoriadností na trati a pod.
• energetická efektívnosť železničnej prevádzky,
• eliminácia CO2,
• technologické trendy, technologická účinnosť.  a iné.

Úplná autonómnosť však musí prejsť postupnými procesmi a prispôsobovaním sa nielen železničných firiem a ich procesov, ale aj  legislatívy, dodávateľov, univerzít, výskumu, vládnych stratégií a finančnej podpory štátu.

Jednotlivé stupne autonómnosti 1-5 zahŕňajú prechod postupnými krokmi od postupného prispôsobovania systémov a technológií cez asistovanú autonómnosť až po plne autonómny systém. Jednotlivé kroky zahŕňajú v sebe postupnosti ako sú:

1. – asistenčné systémy sústavne podporujúce rušňovodiča v plnení jeho úloh,
2. – komplexná a presná lokalizácia vozidiel na metre s možným využitím IoT technológií,
3. – postupné stavebné prvky pre smerovanie k automatickej detekcii prekážok na základe systému vnímania železničných tratí, informácia,
4. – kombinácia komplexnej senzoriky (vozidlo, okolie trate) a technológií analýzy údajov na železničnej flotile vozidiel a ich automatického vnímania okolia a prechod od získavania informácie o okolí k bezpečnému spúšťaniu akcií,
5. – automatická detekcia prekážok s cieľom vyhnutia sa zrážke, (GoA 3, 4)
6. – prechod od pasívneho digitálneho dvojčaťa k aktívnemu – virtuálnemu inteligentnému operátorovi riadiacemu vozidlo a postupne, komplexnosť kognitívnych technológií
7. – automatizované komplexné riadenie a dispečing flotily vozidiel.

Autonómny systém je plne automatizovaný, odstupňovaný, riadený bez rušňovodiča úplným zabezpečovacím systémom založenom na pohyblivých blokoch, kde môžu súbežne jazdiť viaceré vlaky na sieti. Vlaky sú riadené dispečerským prevádzkovým automatizovaným centrom, ktorý prispôsobuje prevádzku potrebám a zmenám dopytu, zahrňujúce automatické vypravovanie vlaku. V systéme sú minimálne alebo žiadne ľudské zásahy.

Globálne v súčasnosti väčšina autonómnych vlakov je iba automatická, nie úplne autonómna. Táto automatizácia je daná činnosťami ako:

• rozbeh,
• zastavenie vlaku,
• prevádzka dverí a
• núdzové brzdy..

ktoré je automatické avšak pod dohľadom (rušňovodič, sprievodca).

Vlaky bez žiadnej obsluhy, teda úplne autonómne vlaky sú somofungujúce v koordinácii s údajmi zhromaždenými z rôznych serverov a vzájomnou komunikáciou medzi vlakmi jazdiacimi paralelne, súbežne na sieti.

Zavádzaním pokrokových technológií (CBTS, ERTMS..) je možné bezpečné plánovanie a riadenie trás v reálnom čase, riadenie prevádzkových informácií o personále, stave komponentov na vozidle, súbežnú komunikáciu vlakov a pod.. Dopyt po presne a bezpečne riadenom spôsobe dopravy sa zvyšuje. Železničná doprava je najmenej ovplyvnená vplyvom poveternostných podmienok a zároveň patrí medzi ekologicky najčistejšie spôsoby dopravy.

Vízia autonómnej železničnej prevádzky však nie je len snom. Stáva sa požiadavkou, testovaním a časom postupnou realitou technologicky vyspelých krajín. Mestá v Ázii, Blízkom východe, Amerike, Austrálii ale i v Európe a i. vyžadujú najmodernejšie technológie. Príkladom sú:

• Šanghajské metro, (z dôvodov narastajúcich potrieb prepravných kapacít v dôsledku zvyšujúceho sa dopytu),
• Dubajská čerená a zelená linka, (bude zrejme predstavená aj na Expo v Dubaji)
• Vancouverská linka Sky Train,
• V Južnej Kórei Incheonś 2,
• Metro Paríž, Barcelona,
• Metro New York – test..
• Čína, India, Japonsko,
• Ruské železnice a výskumný ústav,
• a iné

Čínska vláda sa zameriava na prijatie autonómnych vlakov po celej krajine, pričom projekty v tejto oblasti u nich prebiehajú a sú na pláne ďalšie. Rovnako India prijala autonómne vlaky, ktoré sú tam testované a pokračuje s ďalšími projektami v tejto oblasti. Ázijsko – tichomorská oblasť v tomto udržuje vedúcu pozíciu, s ňou ide Európa a ost. Ruské železnice vykonávajú tisícky testov už úrovne GoA3, napr. detekcie objektov na trati za každého počasia a obdobia cez senzoriku na železničných koľajových vozidlách ale aj pomocou stabilných senzorov popri koľajisku v neprehľadných zákrutách, Ga3, príprava na Ga4 v 2022.

Predpokladá sa vo svete do roku 2025 rozšírenie autonómnych vlakov cca o 12%. Úplne autonómnych vlakov je v súčasnosti veľmi málo. Podľa stupňa automatizácie sú primárne zastúpené segmenty úrovne GoA1 a GoA2 (GoA = Grade of Automation – špecifikované štandardom IEC 62290‐1), kde:

• Stupeň GoA1 zahŕňa automatickú prevádzku ochrany vlakov s rušňovodičom.
• Úroveň GoA2 znamená automatickú ochranu vlakov, a automatickú prevádzku vlakov s rušňovodičom a automatickú jazdu a automatické zastavenie.

GoA2 systém predstavuje jazdu vlakov automaticky z jednej stanice do druhej stanice, pričom rušňovodič musí byť z dôvodu bezpečnosti vo svojej kabíne, zodpovedný za zatváranie dverí, detekciu prekážok pred vlakom na koľajisku a riešenie núdzových situácií. Príkladom je napr. londýnske metro Victoria.

Vysokorýchlostné vlaky sú zväčša implementované kvôli bezpečnosti cestujúcich s úrovňou automatizácie GoA1 a GoA2. Rýchlo sa zvyšujúca automatizácia pre metro je z dôvodov jeho rýchlosti a spoľahlivosti. Autonómny vlak obsahuje rôzne moduly (ako RADAR, LiDAR..), optické snímače a kamery, počítadlá kilometrov, antény, infračervené kamery a ďalšie komponenty, pričom tieto komponenty sú zatiaľ pomerne drahé.

• GoA3 je systém jazdy vlakov automaticky zo stanice do stanice. Avšak z dôvodu bezpečného riešenia núdzových situácií musí byť aj v tomto systéme vždy vo vlaku zodpovedný zamestnanec za túto oblasť.  Príkladom je železnica v Anglicku – Docklands.
• GoA4 predstavuje systém, kde sú vlaky schopné neustále pracovať automaticky. Táto automatizácia zahrňuje aj zatváranie dverí, detekciu prekážok na trati ako aj núdzových situácií. Personál vo vlaku môže byť určený na iné účely akými sú napr. zákaznícky servis, avšak nie kvôli bezpečnosti prevádzky. V tomto systéme bývajú zväčša zahrnuté aj ovládače na ručné riadenie vlaku v prípade poruchy počítača. Pre túto sféru sú v súčasnosti príkladmi Barcelonské metro č. 9, Parížske metro č. 14, metro v Sydney, Kodaňské metro.

SNCF vyvíja prototyp, diaľkovo ovládané ťahanie lokomotívy s plánom implementácie 2022. Medzinárodná asociácia verejnej dopravy identifikovala 42 miest vo svete, ktoré automatizujú v súčasnosti linky metra. New York naďalej testuje autonómnosť pre zavádzanie v linkách metra. V roku 2019 Anglo – Austrálsky ťažobný gigant Rio Tinto spustil plne automatickú železničnú sieť vo svojej pôsobnosti.

Primárni hráči na globálnom trhu v technológiách autonómnych vlakov sú Bombardier Transportation, Thales Group, Alstom S.A, Hitachi Ltd., Siemens, Mitsubishi, Electric, Ansaldo STS a CRRC Corporation Limited a iní.

Z dôvodov narastajúcich potrieb bezpečností, prevenciu kolízií, ekologickosti, ekonomickosti a ostatných pre prevádzku a riadenie vlakovej dopravy na Slovensku sa zvyšujú potreby riešenia autonómnosti v koľajovej doprave. Prioritnými krokmi v tomto procese je rozbeh projektu, ktorý zahŕňa výber systému presnej lokalizácie jednotlivých železničných koľajových vozidiel. U nás je potrebné prihliadať na rôznorodosť flotily vozidiel, systém ucelených jednotiek ako aj individuálnych vozňov a rušňov. Popri lokalizácii je potrebný monitoring rýchlosti a pohybu vozidla. Systém vyžaduje sústavný a presný satelitný GPS monitoring vlakovej polohy, nastavenie systému efektívneho monitoringu, následne permanentné vymieňanie informácií navzájom, kalkulácia možnosti kolízie, sústavné onboard informácie pre rušňovodiča, postupné zapájanie brzdových systémov, resp. automatizovaného  zníženia vlakovej rýchlosti pre prevenciu kolízií, postupná on board a track side senzorika, klasifikácia prekážok, monitoring nástupu a výstupu cestujúcich, nastavenie zníženia rýchlosti, reštrikcie, zvuková notifikácia, kontrolné jednotky a iné. Rozsiahle testovanie je potrebné spojiť s potrebnými simuláciami všetkých možných potencionálnych situácií. Početnosť scenárov je neobmedzená. Využitie AI je aj v tomto procese nevyhnutnosťou. Krokové nasadenie systémov na detekciu prekážok je žiadúce výhľadovo aj v rámci rekonštrukcie alebo nákupu vozidiel. Výberom vhodnej technológie, trate, agilného dodávateľa v spolupráci so všetkými zainteresovanými stranami je najvyšší čas nastúpiť na vlak postupného testovania jednotlivých stupňov autonómnosti.

Ludmila Zajková

driving.digital,

ZSSK