Концепция полносвязного мониторинга инфраструктуры переездов

Концепция

полносвязного мониторинга инфраструктуры переездов

В. В. Хорошев,

аспирант Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Д. В. Ефанов,

к.т.н., доцент кафедры автоматики и телемеханики на железных дорогах Петербургского государственного университета путей сообщения императора Александра I

Г. В. Осадчий,

ассистент кафедры автоматики и телемеханики на железных дорогах ПГУПС

в число актуальных проблем транспортного комплекса входит необходимость снижения аварийности на пересечениях железных и автомобильных дорог. при формировании системы непрерывного мониторинга с передачей данных на бортовые устройства автоматики предлагается рассматривать железнодорожный переезд как сложную систему с организацией контроля каждой ее составляющей и информационного обмена между ними.

Железнодорожные переезды представляют потенциальную опасность для движения поездов и автотранспорта. Ежегодно происходят десятки крушений и аварий, обусловленные как отказами технических устройств железнодорожного транспорта, поломкой автотранспорта, так и нарушением техники безопасности нахождения человека на железнодорожном переезде [1, 2]. На многих участках пересечения автодороги с железной дорогой в одном уровне строятся развязки и демонтируются переезды, но это возможно не везде. Географические особенности территории России, разнообразный и сложный ландшафт, сформировавшаяся инфраструктура жилых районов — все это причины трудностей обустройства развязок. На полигоне ОАО «РЖД» насчитывается более 10 000 переездов разных категорий, и нужно обеспечивать безопасность передвижения по ним железнодорожного и автомобильного транспорта.

На современных переездах устанавливаются различные устройства заграждения или предупреждения об опасности пересечения железнодорожных путей. Переезды с более интенсивным движением снабжаются устройствами заграждения для предотвращения выезда автотранспорта на пути [3]. Несмотря на все предупредительные меры дорожно-транспортных происшествий (ДТП) становится больше. Так, в 2011 г. на переездах зарегистрированы 159 случаев столкновения поездов с автотранспортом, пострадали 135 человек, из них погибли 34. За первое полугодие 2017 г. произошло 134 происшествия, пострадали 86 человек, 25 из них поги-

бли. Количество ДТП на переездах продолжает расти. В большинстве случаев ДТП происходят вследствие нарушения правил дорожного движения.

Рассмотрим рост количества ДТП на сети Октябрьской железной дороги, где курсирует высокоскоростной поезд «Сапсан» (рис. 1). Переезды на линиях с высокоскоростным движением самые опасные, так как случившееся на них ДТП влечет за собой большое число человеческих жертв и экономических убытков для компании. Для того чтобы предотвратить возможные потери, необходимо комплексно подойти к решению проблемы повышения безопасности на переездах.

Высокая безопасность на железнодорожном переезде всегда считалась приоритетом. По сей день разрабатываются те или иные устройства с целью сокращения аварий и создаются системы, контролирующие работу таких устройств. Обозначим следующие вехи в развитии безопасности на железнодорожных переездах: «Переезд 1.0» — версия переезда с установкой автоматической переездной сигнализации (АПС), когда при приближении поезда преграждался путь автотранспорту. «Переезд 2.0» — оборудование переезда с АПС аппаратно-программным комплексом диспетчерского контроля (АПК-ДК), когда появляется возможность контролировать работу устройств АПС [4]. Но железнодорожный переезд — это целый комплекс устройств инфраструктуры, а также подвижный состав и автотранспорт. Вследствие увеличения количества аварий на переездах необходимо пересмотреть вопрос обеспечения безопасности и внедрить так называемый полносвяз-

2015 2016 2017 рис. 1. статистика дтп с поездами на переездах на октябрьской железной дороге

ный мониторинг объектов на переезде, обустроить всестороннее (all-around Manufacturing Data Collection, AA-MDC) наблюдение за каждым объектом инфраструктуры и обеспечить полный информационный обмен объектов. Это создаст концептуально новый «Переезд 3.0», безопасность которого вырастет на несколько порядков.

принципы

полносвязного мониторинга

Инфраструктурный комплекс переезда представляет собой сложное инженерное сооружение. При детальном рассмотрении вся «система переезда» распадается на конечное множество взаимодействующих подсистем. Например, устройства автоматики (АШ, РШ, Рц, УЗП, С), объекты верхнего строения пути (РП, РКП), железнодорожная контактная подвеска и автодорога представляют собой отдельные угрозы при функционировании переезда.

Отметим, что объекты инфраструктуры переезда обслуживаются различными хозяйствами (автоматики и телемеханики, энергоснабжения, пути), поэтому и зоны ответственности тех или иных хозяйств различны. Нет не только непрерывного или периодического мониторинга, но и передачи данных о техническом состоянии объектов [5]. На рис. 2 показана структурная схема взаимодействия объектов инфраструктуры железнодорожного переезда. Поясним обозначения: АД — автодорога, АШ — автошлагбаум, КС — контактная сеть, РКП — резинокордовое покрытие, РП — рельсовый путь, Рц — рельсовые цепи, РШ — релейный шкаф, С — сигнализация, УЗП — устройства заграждения переезда.

На приведенной схеме видно, что ни один объект инфраструктурного комплекса переезда не связан более чем с двумя-тремя другими объектами. Для получения полной мониторинго-

вой картины необходимо обеспечить двусторонними связями все объекты инфраструктуры на переезде. При этом нужен промежуточный концентратор и анализатор данных, автоматически фиксирующий все нарушения работы переезда и передающий в критических случаях данные о состоянии переезда на борт приближающегося к нему локомотива. Данные следует передавать заблаговременно, чтобы машинист мог своевременно принять решение о скорости движения поезда. Нужно передавать только самую важную информацию и использовать защищенный радиоканал. Кроме того, может быть обеспечена передача данных в ситуационный центр (например, если переезд расположен в крупном населенном пункте, в городской ситуационный центр), а при нарушении правил дорожного

движения — автоматически в ГИБДД.

Благодаря современным техническим решениям по мониторингу токов и напряжений устройств автоматики релейных шкафов можно контролировать в режиме реального времени параметры некоторых устройств с выявлением критических отклонений от норм [4]. Но эти данные получают только сотрудники дистанций СцБ и центров мониторинга, но никак не участники движения.

К сожалению, других средств непрерывного мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры сегодня нет. К примеру, не ведется наблюдение за путевой инфраструктурой (РП, РКП). При прохождении поезда воздушными потоками и нажимной силой поезда на рельсовый путь резинокордовая плита, уложенная в междупутье, может подниматься, т. е. создается угроза безопасному прохождению поезда. Отметим, что такой отказ привел к выходу из строя поезда «Сапсан» в 2017 г. [6]. Сегодня не контролируется, как уложена плита, как крепко она закреплена, не поднята ли выше уровня головки рельса. При такой потенциальной угрозе повышается риск безопасного пропуска поездов по переездам.

Проблема контроля безопасности движения поезда по переезду куда шире, чем это преподносилось ранее. На рис. 2 видны «точки соприкосновения»

рис. 2. модель взаимодействия устройств на переезде

подвижного состава, автотранспорта и объектов железнодорожной инфраструктуры. Ясно, что риски нарушения безопасности сосредоточены в пересечении траекторий движения, но непосредственное влияние на ситуацию оказывают все объекты железнодорожной инфраструктуры. Для безопасного движения по переездам необходимы:

• правильное функционирование объектов железнодорожной инфраструктуры;

• корректная регулировка дорожного движения и мониторинг транспортной обстановки;

• правильно выстроенная мониторинговая система, способная обеспечить сбор и анализ сведений по всем объектам инфраструктуры и транспорта на переезде, обеспечивающая информационный обмен и автоматическое принятие решения на основе полученных данных.

Главная проблема безопасной эксплуатации и передвижения по железнодорожным переезду состоит в том, что

нет надлежащего контроля «поведения» объектов инфраструктуры, так же как нет комплексного обмена информацией и, как следствие, полной картины ситуации на железнодорожном переезде. Для того чтобы иметь полное представление об обстановке на переезде в любой момент времени, помимо внедрения непрерывного мониторинга всех инфраструктурных объектов необходимо применить метод централизации мониторинговых систем в одну сеть. Такой подход позволит создать своего рода сенсорную сеть на всем периметре переезда и контролировать его безопасное функционирование [7-12].

Представим весь комплекс устройств инфраструктуры на переезде в виде модели и построим граф информационного взаимодействия объектов в настоящее время (рис. 3).

Обозначения вершин на рис. 3 следующие:

V1 — подвижной состав;

У2 — автоматическая сигнализация;

переездная

У3 — рельсовые цепи;

У4 — рельсовый путь;

У5 — контактная сеть;

У6 — резинокордовое покрытие;

У7 — автодорога;

У8 — автотранспорт.

На рис. 3 указаны все имеющиеся связи и направления передачи информации. Очевидно, что информационный обмен между объектами инфраструктуры и подвижным составом низкий. Компоненты информационного обмена между объектами графа представлены в таблице. Там же обозначены имеющиеся и перспективные способы передачи данных.

Из анализа данных, приведенных в таблице, следует, что многие связи между объектами требуют совершенствования. Так, к примеру, ручное включение заградительного сигнала в экстренной ситуации можно заменить автоматическим и добавить функцию дублирования данных на борт приближающегося локомотива, а дорожные знаки следует дополнить системами оповещения, ин-

реализация информационного обмена между объектами переезда и движущимися объектами

обозначе- реализация варианты реализации

ние связей в настоящее время современные перспективные

а1,2 Рельсовая цепь Рельсовая цепь, магнитные педали Удаленное взаимодействие по радиоканалу

а1,з Рельсовая нить Рельсовая нить Рельсовая нить

Автоматическая Автоматическая переездная Передача по радиоканалу информации на бортовую

а1,8 переездная сигнализация, систему автотранспорта и интеграция с системой

сигнализация информационные табло управления автомобиля

а2,з Кабельная линия Кабельная линия, дублирование радиоканалом передачи данных Радиоканал передачи данных

Передача по радиоканалу информации на бортовую

а2,8 Сигналы светофора Информационные табло систему автотранспорта и интеграция с системой управления автомобиля

аз,1 Автоматическая локомо- Автоматическая локомотивная Радиоканал передачи данных, визуализация,

тивная сигнализация сигнализация, АЛС-Р видеотрансляция в кабину машиниста

аз,2 Кабельная линия Кабельная линия, дублирование радиоканалом передачи данных Радиоканал передачи данных

04,1 Рельсовая цепь Радиоканал передачи данных То же

Автоматическая Интерактивные экраны опове- Пере дача по радиоканалу информации на бортовую

а4,8 переездная щения об условиях на переезде систему автотранспорта и интеграция с системой

сигнализация (погодных, транспортных) управления автомобиля

а7,1 Ручное включение заградительного сигнала Передача по радиоканалу информации об условиях на переезде Передача по радиоканалу информации об условиях на переезде (погодных, транспортных), трансляция потокового видео в кабину машиниста,

интеграция с цепями управления

а7,2 То же Датчики, следящие за дорогой, формирование информации о дорожных условиях Датчики, следящие за дорогой, формирование информации о дорожных условиях, анализ обстановки и автоматическое прогнозирование ситуаций автоматикой

а7,8 Дорожные знаки, разметка Интерактивные табло Интерактивные оповещения и передача на бортовую систему автомобиля, радиоканал

Рис. 3. Граф информационного взаимодействия объектов инфраструктуры железнодорожного переезда и участников движения на переезде

Рис. 4. Расширенный граф информационных связей объектов инфраструктуры переезда и участников движения через железнодорожный переезд

тегрированными во внутренние системы автотранспорта.

Видно, что количество связей в графе минимально. Такая ситуация складывается по нескольким причинам. Во-первых, нет мониторинга состояния отдельных технических объектов (не контролируется перекос пути, поднятие плит или нахождение посторонних предметов на переезде); во-вторых, нет каналов связи между объектами (кроме как визуальной связи машиниста с показаниями заградительных светофоров, включаемых командой дежурного по переезду, а не автоматически; машинист не информируется об обстановке на переезде: нет ли препятствия на пути, исправны ли устройства инфраструктуры). Для того чтобы переезд удовлетворял требованиям безопасности в полной мере, необходимо идентифицировать и устранить все слабые места. Кроме ранее указанных технических объектов на переезде вероятно появление людей и посторонних предметов (мусора, поваленных деревьев, оставленных предметов и др.), что также необходимо фиксировать.

Анализируя сказанное, представим на рис. 4 модель железнодорожного переезда в виде полносвязного графа, т. е. графа полного информационного взаимодействия между объектами инфраструктуры и транспорта. Такой граф отвечает концепции полносвязного мониторинга, о которой идет речь в настоящей статье.

Как видно, информационная связь обеспечивается между всеми состав-

ными частями переезда, при этом комплексно отслеживается безопасная транспортная обстановка. Происходит передача информации от каждого объекта инфраструктуры переезда и транспортного средства, проезжающего через него. Так обеспечивается дублирование информационных каналов, а при отказе одного канала информация будет передана через другой.

Предложения по реализации представленной концепции

Для реализации концепции полносвязного мониторинга на переездах необходимо внедрять дополнительные методы и системы наблюдения за объектами инфраструктуры. К примеру, для контроля рельсового пути, резинокор-довых покрытий, наличия на переезде посторонних предметов (автомобилей,

людей, мусора), горения светофорных огней переездной сигнализации, опускания шлагбаума и поднятия УЗП необходима установка видеонаблюдения за территорией с внедрением машинного зрения [13, 14]. Современные системы видеонаблюдения с интеграцией машинного зрения получили широкое распространение. Благодаря хорошему качеству видеосъемки можно обнаружить посторонние объекты на железнодорожном переезде. На рис. 5 показано, каким образом работает машинное зрение. Программное обеспечение различает на картинке контрастные объекты и при выявлении «лишней» фигуры выдает на экран сигнал. Распознав нарушение, система автоматически отправит информацию о нарушителе в базу данных ГИБДД и в городской ситуационный центр.

Рис. 5. Машинное зрение и алгоритм распознавания

рис. 6. видеомониторинг пантографа электропоезда

рис. 7. трансляция видеопотока в кабину (слева) и съемка кабины машиниста

рис. 8. табло с указанием расписания поездов и предупреждением о приближении поезда

Такая технология позволит вести наблюдение круглосуточно не только за объектами инфраструктуры, но и за подвижным составом и автотранспортом. На железных дорогах уже начали эксплуатировать подобные системы с интеграцией машинного зрения для анализа состояния путевого хозяйства. Измерительный вагон-лаборатория с персоналом на борту ездит по путям, выполняется съемка путевой части, затем анализ, выдаются замечания. Все выявленные замечания анализируются подготовленными работниками и передаются тем, кто обслуживает обследованный участок.

Для наблюдения за рядом объектов инфраструктуры устанавливают различающие метки (например, на основе радиочастотной идентификации). Тем самым можно осуществлять контроль горизонтального/вертикального положе-

рис. 9. табло с отсчетом времени приближения поезда на переездах без автошлагбаума

ния, например, автошлагбаума. К тому же современное машинное зрение позволит наблюдать за уровнем перекоса рельсового пути и плит.

Кроме того, необходима проверка подвижного состава (волочащиеся детали, целостность пантографа). При этом система видеоконтроля может быть смонтирована так, как представлено на рис. 6 и 7.

В перспективе видеомониторингом будет охвачен обширный круг устройств инфраструктуры и транспорта. Выполняя съемку и анализ видеоматериала на месте, можно выявлять критические отклонения и фиксировать предотказные и до-критические ситуации (т. е. ситуации, предшествующие авариям и катастрофам). При использовании потокового видеосигнала на территории переезда будет организована двухсторонняя связь машинистов и водителей авто-

транспорта. Трансляция видеопотока в кабину машиниста даст ему возможность получить представление об обстановке на переезде, а трансляция на мониторы на переезде позволит водителям автотранспорта видеть приближение поезда. При современном уровне развития телекоммуникационных систем это осуществимо.

Отметим, что трансляцию видеопотока достаточно включать в зоне переезда во время приближения поезда.

Установка табло с таймером (рис. 8,9) позволит отчасти регулировать движение по переезду, чтобы уменьшились очереди транспортных средств перед закрытым шлагбаумом. Если выводить на табло ожидаемый следующий поезд и указывать время его прохождения, водители автотранспорта получат информацию, полезную для корректировки маршрутов. В случае интеграции с навигационными системами, которыми пользуются автовладельцы, они получают возможность учитывать время закрытого состояния переезда при расчете маршрута.

В заключение нужно отметить следующее. Использование трех основных направлений в информационных технологиях: машинного зрения, облачных технологий и нейронных сетей позволяет решить такие сложные вопросы, как мониторинг обстановки на переезде, и перейти к реализации понятия «полносвязный мониторинг». Обеспечение полного информационного взаимодействия позволит сформировать «умную» инфраструктуру (Smart infrastructure) железнодорожного переезда и создать множество каналов обмена информацией между объектами диагностирования. Необходимо поднимать мониторинг на новый уровень для соответствия тенденциям цифровых железных дорог, снижения экономических потерь железнодорожного транспорта и повышения его конкурентноспособности на мировом рынке [15]. После сокращения случаев ДТП на переездах повысится доверие клиентов к железнодорожным компаниям. Сформировав централизованную систему мониторинга объектов железнодорожной инфраструктуры и интегрировав в нее сенсорные сети, так называемые Ubiquitous sensor networks (USN) на основе платформы технологии Internet of things (IoT) и Fog computing [8, 9, 12], можно добиться высочайшего уровня контроля над состоянием устройств железнодорожной инфраструктуры, уменьшив риски нарушения

безопасности движения, а интеграция облачных систем и информирования персонала о возможных предотказах и докритических ситуациях необходима для становления цифровой железной дороги.

Литература

1. Постановление Правительства РФ от 23.10.1993 № 1090 (ред. от 26.10.2017) «О Правилах дорожного движения» (вместе с «Основными положениями по допуску транспортных средств к эксплуатации и обязанности должностных лиц по обеспечению безопасности дорожного движения»).

2. Распоряжение ОАО «РЖД» от 03.11.2015 № 2616р «Об утверждении Инструкции по охране труда для электромеханика и электромонтера устройств сигнализации, централизации и блокировки в ОАО «РЖД».

3. Эксплуатационные основы автоматики и телемеханики / Вл. В. Сапожников, И. М. Кокурин, В. А. Кононов и др.; под ред. проф. Вл. В. Сапожникова. М.: Маршрут, 2006. 247 с.

4. Ефанов Д. В. Функциональный контр-

оль и мониторинг устройств железнодорожной автоматики и телемеханики. СПб.: ФГБОУ ВО ПГУПС, 2016. 171 с.

5. Ефанов Д. В. Интеграция систем непрерывного мониторинга и управления движением на железнодорожном транспорте/Дранспорт РФ. 2017. № 4. С. 62-65.

6. Пассажиры «Сапсана» могли погибнуть при аварии в Новгородской области https://regnum.ru/news/2204410.html (дата обращения 07.12.2017).

7. Назаров Д. Г. Опыт применения мо-бильно-навигационно-сканерных систем на объектах железнодорожного транспорта // Автомат. на транспорте. 2016. Т. 2. № 4. С. 530-539.

8. Mariani R. Autonomous Driving and 1оТ: Combining Functional Safety, Reliability, Availability and Security for a resilient connected world // Proceed. 14th IEEE East-West Design & Test Symp. (EWDTS'2016). Yerevan, 2016. P. 21.

9. Tshagharyan G., Harutyunyan G., Shoukourian S. et al. Securing Test Infrastructure of System-on-Chips // Ibid. P. 29-32.

10. Белый А. А. Вероятностное прогнози-

рование технического состояния эксплуатируемых железобетонных мостовых сооружений мегаполиса // Вестн. гражд. инженеров. 2017. № 2 (61). С. 64-74.

11. Belyi A., Karapetov E., Efimenko Yu. Structural Health and Geotechnical Monitoring during Transport Objects Construction and Maintenance (Saint-Petersburg Example) // Proced. Engineer. 2017. Vol. 189. P. 145-151. doi: 10.1016/j.proeng.2017.05.024.

12. Brogi A., Forti S. OoS-Aware Deployment of IoT Applications Through the Fog // IEEE Internet of Things Journal. 2017. V. 4, Issue 5. Pp. 1185-1192.

13. Алпатов Б. А., Бабаян П. В., Балашов О. Е. и др. Методы автоматического обнаружения и сопровождения объектов: обработка изображений и управление. М.: Радиотехника, 2008. 176 с.

14. Мерков А. Б. Распознавание образов: введение в методы статистического обучения. М.: Едиториал УРСС, 2011. 256 с.

15. Розенберг Е. Н., Уманский В. И., Дзю-ба Ю. В. Цифровая железная дорога // Транспорт РФ. 2017. № 5. С. 45-49.