Безопасность и доверие: как сотрудники и студенты ИТМО совместно с АО «НИИАС» разрабатывают беспилотный поезд

С февраля 2021 года Университет ИТМО совместно с Научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте (АО «НИИАС») занимается разработкой беспилотного поезда, который будет запущен на Московском центральном кольце (МЦК). Перед сотрудниками и студентами факультета безопасности информационных технологий стоит задача доказать функциональную безопасность автоматизированного железнодорожного транспорта. Корреспондент ITMO.NEWS пообщался с руководителем проекта со стороны ИТМО Ильей Поповым и узнал, как тестировать поезда в лаборатории, почему важно обеспечить доверие сверхсовременным технологиям и какие ключевые проблемы в этой области ученым еще предстоит решить.

Беспилотник VS Человек

Беспилотное транспортное средство либо работает самостоятельно, либо управляется дистанционно человеком. Две главные составляющие такого устройства: блок принятия решения и система машинного зрения. Последнее включает в себя лидары, видеокамеры и прочие датчики.

По степени автоматизации беспилотный транспорт делят на несколько классов, например, железнодорожный разделен на четыре. Первый класс подразумевает неавтоматизированное движение поездов, второй — полуавтоматическое, когда машинист не принимает участия в движении поезда и его остановке, однако контролирует посадку-высадку пассажиров и вмешивается в управление в нештатных ситуациях. Третий класс подразумевает полностью автоматическое движение поезда, но машинист все еще находится в кабине, а при четвертом — нет.

По некоторым важным показателям беспилотный транспорт во многом превосходит машиниста. Например, в обычных условиях человек видит в радиусе примерно в километр, а ночью его зрение ограничено дальностью света прожекторов. В системе же машинного зрения есть инфракрасные камеры. Еще один показатель, в котором выигрывает беспилотник — скорость реакции. У водителя она составляет в среднем 1,5–2 секунды и зависит от времени суток, психического и физического состояния. Время реакции беспилотного транспорта всегда около 1 секунды ― от момента обнаружения до включения системы торможения. С каждым обновлением программного обеспечения этот параметр будет снижаться.

Железнодорожный транспорт относится к критической инфраструктуре: если состав встанет на линии, он парализует движение и принесет большой экономический и политический ущерб городу и государству. В то же время, по заявлениям исследователей, автоматизированный поезд решает проблему пассажиропотока. Например, сейчас интервал между поездами на МЦК составляет в среднем 4 минуты. Беспилотный транспорт способен сократить его до 3 минут.

Безопасная инфраструктура VS Безопасный транспорт

Студенты и сотрудники ИТМО разрабатывают методики валидации и верификации, которые призваны подтвердить, что система удовлетворяет заявленным характеристикам и несет меньше риска для окружающей среды и людей, чем управляемый человеком транспорт. Задача проекта в том, чтобы понять и отследить все возможные негативные сценарии, которые могут возникнуть в процессе эксплуатации системы, и найти для них решения.

Особо пристальное внимание авторы уделяют блоку сенсоров и нейронной сети. Последнюю еще иногда называют «черным ящиком»: искусственный интеллект сам строит алгоритм при обучении, а ученым нужно убедиться, что каждая строка кода будет приводить к безопасному исходу, что беспилотное транспортное не сформирует сценарии опасного взаимодействия.

В США, ОАЭ и Японии уже есть беспилотный железнодорожный транспорт. Но для него созданы особые безопасные инфраструктуры. Например, одиночные пути в обе стороны, закрепленные на определенной высоте. Цель сотрудников и студентов ИТМО — создать поезд, который можно встроить в любую инфраструктуру, не перестраивая города и не сооружая высокометровые железнодорожные линии. Так транспорт можно применить на любой территории, в любом климате и для любых задач.

При этом разрабатываемые исследователями модели, методики и тест-системы можно использовать на разных транспортных средствах. Например, система компьютерного зрения автомобиля практически ничем не отличается от той, что есть на поезде.

«Пока мы можем говорить только о тех системах, где есть стопроцентное качество связи и покрытие ею, а также контролируемая зона обслуживания. В пределах МЦК мы быстро можем оказаться в любой точке линии — бригада выедет, посмотрит, что не так с составом, и возобновит движение поезда. В случае, например, междугородних перевозок это недопустимо — возникают колоссальные риски», — отмечает директор лаборатории валидации и верификации сложных технических систем, руководитель проекта Илья Попов.

«Ласточка» без пассажиров: GoA3+

Сейчас на Московском центральном кольце (МЦК) уже запущен электропоезд «Ласточка» № 136, оснащенный системами автоведения на уровне GoA3+. Он полностью автоматизирован, но в кабинете присутствует человек — в случае нештатной ситуации он нивелирует риски. «Ласточка» пока пассажиров не возит, лишь собирает статистические данные, которые необходимы для сертификации и дальнейших разработок.

Во время испытаний исследователи разбираются, как работают те или иные системы, какие у них возникают ошибки, изучают поведение поезда при взаимодействии с окружающим миром, анализируют риски. Также на основе полученных данных ученые улучшают различные параметры, чтобы повысить класс автоматизации поезда до наивысшего.

Сейчас беспилотник настроен так, что он очень чувствителен ко всем внешним факторам. И если система не знает, как отреагировать на что-либо, она с высокой вероятностью посигналит и начнет тормозить. Человек в кабине тогда возьмет управление на себя: либо продолжит остановку, либо добавит ходу. На этих данных обучается нейронная сеть.

GoA3+ не стали запускать по прямой ветке метро, потому что тогда возникает сложная логистика: беспилотное оборудование находится только в голове состава, и в обратную сторону поезд ведет уже машинист. На кольце таких проблем нет.

Господство беспилотников: GoA4

GoA4 — это следующий уровень автоматизации, когда машиниста в поезде нет. В этом случае управляться поезд будет дистанционно — и только по запросу системы в случае нештатных ситуаций. В центре управления будет сидеть оператор с точно таким же пультом управления, как и в поезде, только вместо лобового стекла у него будут мониторы. Когда с поезда придет просьба о помощи, человек в зависимости от ситуации должен решить, стоит ли вмешивается в управление или нет.

На заводе «Уральские локомотивы» уже сейчас готовят к выпуску первую «Ласточку» полностью беспилотной компоновки. Кабину, где раньше находились сиденья водителей, переоборудуют в пространство для компьютерных шкафов. Это будет первый опытный образец, и если он пройдет сертификацию, то начнется тиражирование. При таких темпах примерно в 2022 году в эксплуатацию запустят GoA3+, а уже в ближайшие 2–3 года будет возможен переход на GoA4.

«После того, как полностью безопасный поезд будет запущен в эксплуатацию, мы столкнемся с еще одной трудностью — страхом некоторых пассажиров перед новой технологией и недоверием к ней. Скептики будут бояться ездить на беспилотнике. Однако и станки когда-то ломали, поэтому этот процесс неизбежен», — рассказывает Илья Попов.

Обмануть машину: как тестировать поезд в вузе

Чтобы доказать, что процесс эксплуатации беспилотника протекает безопасно, нужно протестировать систему машинного зрения. Для этого Университет ИТМО совместно с АО «НИИАС» работает над созданием экспериментальной лаборатории. Установка будет состоять из множества камер, лидаров и других сенсоров, закрепленных на штанге и помещенных на вибростенд, моделирующий механические воздействия. С противоположной стороны будут экраны-мишени, имитирующие реальные объекты. Различные генераторы будут моделировать изменения климатических условий.

В такой лаборатории можно будет измерять, например, как на видимость датчиков воздействует густой туман — то есть насколько он ограничит метраж и качество детектирования объектов. А система управления освещением поможет смоделировать ночные и дневные условия или показать, насколько будет засвечена картинка при закате и рассвете.

«Сейчас в Венской конвенции прописано, что за рулем самоходного механического средства обязан сидеть человек. Летом следующего года планируется внести в нее изменения, согласно которым на дорогах общего пользования возможно будет эксплуатировать беспилотные автомобили без водителя. Совместно с РЖД и АО “НИИАС” мы сейчас работаем над правовым регулированием беспилотников в железнодорожной логистике. Кстати, в этом нам помогают некоторые уже существующие аспекты законодательства относительно автомобильного беспилотного транспорта», — говорит Илья Попов.

Источник: https://news.itmo.ru/ru/science/it/news/12301/
Дата: 17.12.2021