«Зрение» для поезда

На железных дорогах России нейросети решают задачи повышения безопасности движения. Бортовая система технического зрения (БСТЗ), разработанная в АО «НИИАС», «видит» препятствия на путях даже при сильном тумане или снегопаде. Она сообщает машинисту об опасных объектах и может в экстренной ситуации самостоятельно активировать тормозную систему. Сегодня ведутся работы по дальнейшему обучению нейросети, на которой основана работа БСТЗ, и ее адаптация для различного подвижного состава.

В России идею применения технического зрения для повышения безопасности движения начали воплощать еще с середины 2010-х годов в Ростовском филиале АО «НИИАС». А впервые эта технология была применена в системе АСКПМ, разработанной для специального самоходного подвижного состава (ССПС).

К проектированию комплекса технического зрения специалисты института приступили с осени 2020 года, когда руководство ОАО «РЖД» поручило создать технологическое решение, которое поможет исключить случаи проезда маневровыми локомотивами запрещающих сигналов светофора. Полный цикл испытаний, включающий эксплуатацию на реальной железнодорожной инфраструктуре, провели в течение 2021 года. В начале 2022 года были успешно пройдены приемочные испытания, а к августу завершены работы по декларированию соответствия требованиям Технического регламента Таможенного союза ТР ТС 001/2011 «О безопасности железнодорожного подвижного состава». Уже к осени 2022 года БСТЗ была готова к серийному производству.

Основная задача, которую решает БСТЗ, – повышение безопасности движения на станции при выполнении маневровой работы.
Система технического зрения способна предотвращать такие инциденты, как проезды запрещающего сигнала светофора, столкновения с препятствиями и подвижным составом. Внедрение БСТЗ снизит число случаев сходов и столкновений подвижного состава, повреждений инфраструктуры и уменьшит уровень травматизма.

Главной сложностью при разработке и внедрении таких систем, как БСТЗ, является учет максимально возможного количества климатических, ландшафтных и инфраструктурных условий. Нейронную сеть необходимо обучить уверенно распознавать объекты в различное время года, днем и ночью, при наличии любых видов осадков и климатических явлений на всем полигоне железных дорог России.
Бортовая система технического зрения НИИАС «видит» людей, животных, автомобили и другие транспортные средства. Это касается и объектов, которые непосредственно находятся на путях, и тех, которые движутся в опасной близости от них. Распознаются светофоры и стрелочные переводы, тупиковые призмы и подвижной состав – все, что может помешать безопасному движению. При очень плохой видимости (например, сильном тумане или густом снеге) дальность распознавания составляет не менее 50 м. В остальных случаях – не менее 100 м. При этом колею по ходу движения и светофоры БСТЗ различает на дистанции 200 м.

Как рассказал заместитель генерального директора – директор Ростовского филиала АО «НИИАС» Сергей Гришаев, в БСТЗ применяется множество технологий из области глубокого обучения и нейронных сетей. Они позволяют решать различные задачи, включая сегментацию пути, идентификацию и отслеживание объектов, распознавание текста, оценку расстояния и принятие решений.
Разработчики БСТЗ достигли необходимого быстродействия системы для достижения требуемой скорости реакции, превышающей скорость реакции машиниста, с учетом аппаратных ограничений размещения аппаратуры на борту локомотива. Именно скорость работы, сопоставимая со временем реакции квалифицированного машиниста, является одной из ключевых особенностей бортовой системы технического зрения.

Заместитель генерального директора – директор Ростовского филиала АО «НИИАС» Сергей Гришаев:
«Система работает как электронный помощник машиниста – не отвлекающийся и не дремлющий. Видеокамеры, установленные на крыше локомотива, постоянно наблюдают за путями по ходу движения и передают картинку в вычислительный модуль. Там нейросеть ищет препятствия на пути и, если находит, сообщает об этом машинисту, подсвечивая опасный объект на мониторе системы. Если машинист не реагирует на опасность, БСТЗ берет управление локомотивом на себя: активирует тормозную систему и управляет тягой».

Сейчас разработаны проекты БСТЗ для различных маневровых локомотивов, которые применяются как в ОАО «РЖД», так и на путях необщего пользования крупных промышленных предприятий. Адаптирована система и для применения на специальном самоходном подвижном составе, а также на электропоездах «Ласточка» при маневровых передвижениях.

Работа над обновлением бортовой системы технического зрения не прекращается. В рамках программы импортозамещения специалисты АО «НИИАС» находят решения по применению отечественных компонентов. Оптимизируются программное обеспечение и конструктивные решения для повышения надежности системы и улучшения ее характеристик. Продолжаются работы по адаптации БСТЗ для различного подвижного состава, а также комплексная интеграция системы и бортовых устройств безопасности.
Нейронная сеть, на которой построена система технического зрения, обладает потенциалом для дальнейшего обучения в процессе эксплуатации, позволяет увеличить достоверность и корректность распознавания на всем протяжении жизненного цикла.

Генеральный директор АО «НИИАС» Александр Долгий ранее рассказал, что специалисты института уже создали линейку приборов с дальностью зрения до 200 м для маневровых локомотивов и до 700 м для магистральных, позволяющих обнаруживать препятствия даже в сложных погодных условиях и при этом прогнозировать движение контролируемых объектов.
«В дополнение к существующим типам препятствий, таким как человек, животное, автомобиль, мы обучили систему распознавать знаки и сигналы семафоров, а также знаки, подаваемые непосредственно работниками по инструкции сигнализации. Такая задача в отрасли решается впервые в мире. В процессе обучения нейронных сетей накоплено более 50 ТБ данных с подвижного состава», – говорил он (цитата по газете «Гудок»).

Ближайшими аналогами российской БСТЗ являются технологии машинного зрения Rail Vision, Cogniac и Railhead. Эти системы обладают схожими техническими характеристиками, включая дальность обнаружения, качество изображения и распознавания, но БСТЗ имеет преимущества в цене. Кроме того, как подчеркнул Сергей Гришаев, система адаптирована под нужды ОАО «РЖД». Однако идеи и решения, заложенные в БСТЗ, могут быть с легкостью оптимизированы под решения аналогичных задач на другом рельсовом транспорте (трамваи, метрополитен и т.п.).

Автор: Ринат Накипов