Цифровая железная дорога доклад

Обновлено: 17.05.2024

Анализ документов, определяющих стратегические перспективы технологического развития железнодорожного транспорта в мире, таких как "Глобальное видение развития железнодорожного транспорта" GVRD, Международный совет по железнодорожным исследованиям ICRR, 2014, "Задачи-2050. Видение железнодорожного сектора и техническая стратегия развития железнодорожной отрасли Европы будущего" UIC, 2014, показывает, что ключевыми трендами развития железнодорожной отрасли наряду с инновационными энерго- и ресурсоэффективными системами для подвижного состава и инфраструктуры является создание "умной" железной дороги.

Внедрение digital-форматов в операционную деятельность ОАО "РЖД" – один из важнейших приоритетов комплексной программы инновационного развития перевозчика в период с 2016 по 2020 год. Валентин Гапанович, старший вице-президент – главный инженер ОАО "РЖД" В настоящее время завершена разработка комплексной программы инновационного развития холдинга "Российские железные дороги" на период 2016–2020 годов, одной из приоритетных задач которой является реализация комплексного научно-технического проекта "Цифровая железная дорога" (ЦЖД).

Целью проекта является обеспечение устойчивой конкурентоспособности компании на глобальном рынке транспортных и логистических услуг за счет использования современных цифровых технологий.

Ядром формирования технологий цифровой железной дороги является полная интеграция интеллектуальных коммуникационных технологий между пользователем, транспортным средством, системой управления движением и инфраструктурой, то есть формирование новых сквозных цифровых технологий организации перевозочного процесса.

Первым шагом в реализации данного проекта стал проводимый департаментом информатизации анализ всех реализованных в холдинге "РЖД" IT-решений, который должен выявить узкие места в автоматизации внутренних и внешних сервисов. Ликвидация узких мест за счет использования современных цифровых технологий позволит компании выйти на существенно иной уровень как в плане повышения эффективности внутренних процессов, так и с точки зрения клиентоориентированности.

Груз на цифровой дороге

В сегменте мультимодальных грузовых перевозок базовым условием повышения качества оказываемых услуг стало развитие технической и эксплуатационной интероперабельности грузовых железнодорожных коридоров, базирующееся на реализации цифровых технологий, создающих безбарьерную транспортную среду, и реализующее следующие требования:

· недискриминационный доступ клиентов к инфраструктуре железных дорог на основе интегрированной информационно-управляющей системы в области взаимоотношений с клиентами в сфере грузовых перевозок (CRM-система);

· максимальное использование в деловой практике электронных торговых площадок, позволяющих объединить в одном информационном и торговом пространстве поставщиков и потребителей транспортно-логистических услуг;

· высокий уровень автоматизации контактов между клиентами, подразделениями Центра фирменного транспортного обслуживания и центрами управления движением на базе общих информационных платформ и надежных IT-инструментов;

· внедрение безбумажной технологии (электронного документооборота), включая процедуры на государственных границах, подготовку и оперативную передачу на борт локомотива поездных документов различного назначения с подтверждением их достоверности;

· клиентоориентированное, адаптивное управление перевозочным процессом, позволяющее внедрить реализацию требований клиентов в части оптимизации маршрутов, скорости транспортировки использования инфраструктуры и "твердых" расписаний грузового движения;

· надежная система отслеживания перемещения грузов, вагонов, контейнеров, "от двери до двери", информация в реальном режиме времени об их фактическом и прогнозируемом нахождении на сети железных дорог России и за рубежом;

· разработка и внедрение единой интеллектуальной системы управления и автоматизации производственных процессов на железнодорожном транспорте;

· разработка отказоустойчивых и защищенных от кибератак интеллектуальных систем управления движением и грузо/пассажиропотоками, систем железнодорожной автоматики и связи, гармонизированных со стандартами ERTMS.

Одним из векторов инновационного развития железнодорожных технологий в рамках проекта "Цифровая железная дорога" является реализация концепции "умный локомотив" и "умный поезд".

Перспективные требования, которые предъявляются к подвижному составу будущего, неразрывно связаны с концепцией цифровой железной дороги, где подвижной состав рассматривается как объект в системе управления перевозочным процессом.

Поэтому реализация концепции "умный локомотив" и "умный поезд" должна осуществляться уже на стадии проектирования и учитывать ряд принципов построения.

Для тягового подвижного состава:

· наличие микропроцессорной системы управления и диагностики тяговым подвижным составом с интегрированным комплексным локомотивным устройством безопасности;

· единая система автоматизированного управления движением и информационного обеспечения эксплуатации тягового подвижного состава, позволяющая автоматизировать часть функций машиниста при обеспечении безопасности движения поездов;

· асинхронный тяговый привод с поосным регулированием момента;

· эффективная система рекуперации электроэнергии в контактную сеть;

· применение в конструкции тягового подвижного состава накопителей электроэнергии для повышения эффективности работы в режиме тяги, в выбеге и на стоянке;

· адаптивная система управления дизель-генераторной установкой с электронной системой подачи топлива, позволяющая уменьшить удельный расход горючего в зависимости от режимов загрузки; управление мощностью двигателя за счет уменьшения количества работающих цилиндров.

Система должна предусматривать возможность подключения модуля автоматического управления, способного осуществлять ведение поезда без участия машиниста.

Пассажирский подвижной состав, помимо требований, повышающих его эксплуатационную эффективность, должен обладать техническими возможностями реализации передовых IT-решений, способных обеспечить передачу и получение необходимой пассажиру информации в поездках на железнодорожном транспорте в режиме реального времени.

Ключевой технологией, в перспективе предусматривающей поэтапный переход к применению автоматических систем управления, заменяющих человека, является "Автомашинист". В ОАО "РЖД" данному направлению придается большое значение с учетом влияния таких факторов, как экономический, человеческий и фактор безопасности. Это не только решение задач повышения эффективности операционной деятельности, но и возможность решать проблемы с обеспечением трудовыми ресурсами в среднесрочной перспективе, когда неизбежно возникнут демографические проблемы. Кроме того, важным аспектом является снижение напряженности труда, развитие операторских функций, при этом от работников потребуется повышение квалификации и уровня знаний, позволяющих эффективно действовать в условиях нестандартных ситуаций, когда необходимо брать управление на себя.

Перспективной задачей является замена машиниста на автоматическую систему управления в поездах. Подобные решения уже применяются в ряде стран на метрополитене, где в электропоездах полностью отсутствует даже кабина машиниста. Внедрение таких технологий стало частью программ внедрения цифровых технологий на ряде железных дорог мира. Так, глава "Железных дорог Германии" (DB) доктор Р. Грубе заявил в интервью немецкой газете Frankfurter Allgemeinen Zeitung, что в период 2021–2023 годов на сети DB возможен переход к автоведению поездов без локомотивной бригады на борту. Первые пилотные проекты уже запущены.

Необходимо отметить, что впервые на железнодорожном транспорте России в 2015 году в сортировочной системе станции Лужская Октябрьской железной дороги успешно реализована технология роспуска вагонов с автоматическим управлением горочным локомотивом, а в настоящее время прорабатывается пилотный проект телеуправления маневровым локомотивом с удаленного рабочего места оператора-машиниста. На полигоне ОАО "НИИАС" создается виртуальное рабочее место машиниста тепловоза с управлением локомотивом по радиоканалу на станции Лужская. Цель проекта – отработка технологии управления несколькими маневровыми локомотивами одним оператором-машинистом.

Целью проекта является обеспечение устойчивой конкурентоспособности компании на глобальном рынке транспортных и логистических услуг за счёт использования современных цифровых технологий.

Для пассажира

В условиях, когда от компаний требуются гибкость и скорость реакции на развитых конкурентных рынках, успешность будет определяться цифровой моделью бизнеса, в основе которой лежат следующие принципы: полная согласованность, бизнес в режиме онлайн, сервисное управление.

В области организации пассажирских перевозок на базе цифровых технологий формируются стандарты качества услуг, основанные на передовом опыте обеспечения максимального уровня интероперабельности (согласованного функционирования на основе единых принципов и организации деятельности) транспортных систем. Комплекс услуг, оказываемых пассажирам на всех этапах поездки, – от планирования до оказания широкого спектра дополнительных сервисных услуг в пункте назначения, включая обеспечение личной безопасности, – может быть реализован за счёт максимального использования мобильных устройств различных цифровых стандартов связи и соответствующих функциональных приложений, обеспечивающих выбор параметров путешествия: скорость, комфорт и иные индивидуальные условия, а также создание возможности передачи и получения информации в поездках на железнодорожном транспорте в режиме реального времени на вокзалах, транспортно-пересадочных узлах и в поездах, благодаря чему реализуются возможности онлайн-заказа услуг, получения информации о поездке и ряд других сервисов.

Для реализации клиентоориентированной политики в области пассажирских перевозок с использованием IT-технологий предусмотрено создание системы, обеспечивающей:
· учёт спроса и уровня мобильности населения для территорий различного масштаба, от международного до локального уровня, и предвидение влияния демографических изменений на потребности клиентов;
· выделение трендов в оценке качества предоставляемых пассажирам услуг, а также необходимых изменений для сохранения и увеличения объёмов перевозок в различных сегментах;
· развитие и совершенствование информационно-аналитических систем, используемых для планирования пассажирских перевозок, мониторинга мобильности населения и технического обеспечения перевозок в различных секторах: высокоскоростных, скоростных, дальних пассажирских, межобластных и пригородных.

Груз на цифровой дороге

Для тягового подвижного состава:
· наличие микропроцессорной системы управления и диагностики тяговым подвижным составом с интегрированным комплексным локомотивным устройством безопасности;
· единая система автоматизированного управления движением и информационного обеспечения эксплуатации тягового подвижного состава, позволяющая автоматизировать часть функций машиниста при обеспечении безопасности движения поездов;
· асинхронный тяговый привод с поосным регулированием момента;
· эффективная система рекуперации электроэнергии в контактную сеть;
· применение в конструкции тягового подвижного состава накопителей электроэнергии для повышения эффективности работы в режиме тяги, в выбеге и на стоянке;
· адаптивная система управления дизель-генераторной установкой с электронной системой подачи топлива, позволяющая уменьшить удельный расход горючего в зависимости от режимов загрузки; управление мощностью двигателя за счёт уменьшения количества работающих цилиндров.

МЦК в цифровом формате

Нельзя не сказать о завершающейся реконструкции Московского центрального кольца, которое стало полигоном внедрения перспективных технологий и систем обеспечения безопасности движения.

Комплекс позволяет в автоматизированном режиме вести управление движением по нормативному графику, контролировать движение поезда в реальном времени с помощью системы позиционирования на основе спутниковой навигации, используемой в бортовой системе безопасности, выявлять конфликтные ситуации, осуществлять автоматизированный расчёт и применять вариантный график движения поездов для выхода из конфликтных ситуаций и восстановления планового графика, в реальном масштабе времени.

Основной технической сложностью автоматического вождения электропоездов по сравнению с метрополитеном является открытый доступ к железнодорожным путям и, следовательно, возможность внезапного появления перед поездом людей и других объектов.

Современные системы обнаружения, такие как радары, лидары, стереокамеры, по своим характеристикам, с учётом интеллектуальной обработки их данных, вплотную приблизились к физическим возможностям человека, а по ряду параметров их превосходят. К примеру, радары в отличие от человека прекрасно обнаруживают препятствия ночью, в туман и снег. К тому же автоматические системы не знают таких понятий, как усталость, потеря концентрации и внимания.

Конечно, на пути к малолюдным технологиям предстоит проделать огромный объём работы во многих областях. Прежде всего необходимо создать и доказать, что автоматическая система управления обеспечивает требуемую безопасность движения поездов. Во-вторых, необходимо изменить нормативную базу, регламентирующую организацию движения поездов, для внедрения данных технологий; а в-третьих, важно трансформировать сознание людей, показав безопасность и надёжность технологий.

Внедрение малолюдных технологий оказывает большое влияние и на общество, так как уходят в прошлое профессии, которые предполагают монотонный ежедневный труд, и появляются новые, требующие созидательного труда, высокой квалификации, – в первую очередь это работники инженерных специальностей, занимающиеся созданием и обслуживанием технических систем.

Цифровизация железных дорог влечет за собой ряд будущих проблем с точки зрения способности удовлетворять потребности экономики и общества. Для решения этих задач железнодорожная отрасль развивается во всех сферах своей деятельности: это касается и производства, и управления инфраструктурой, и транспортных операций.

Технологии использования различных идентификаторов применяются на железных дорогах с 1970-х годов. Например, цифровые коды грузовых и пассажирских автомобилей, введенные почти 50 лет назад, все еще используются сегодня. Та же система была введена только для рельсовых тяговых транспортных средств после 2010 года. На следующем этапе оцифровки железной дороги стало автоматизированное проектирование подвижного состава, оно позволяет корректировать распределение веса при одновременном повышении долговечности транспортных средств. Постоянное развитие инструментов проектирования также позволило усовершенствовать конструкцию силовых агрегатов и всех вспомогательных систем, сделав современные транспортные средства более энергоэффективными. Цифровые регистраторы данных, цифровое управление отдельными подсистемами, а также всем транспортным средством делают возможным дистанционный мониторинг и прогнозное обслуживание, существенно улучшая доступность подвижного состава за счет уменьшения количества дефектов. Тем не менее, настоящий прорыв в области технического обслуживания и оцифровки возможен только тогда, когда все большее число систем будет взаимосвязано не только в рамках одного транспортного средства, но также в рамках инфраструктуры и надструктуры, целых железнодорожных экосистем.

обеспечение безопасности и повышения эффективности железных дорог;
повышение уровня обслуживания клиентов за счет предоставления более качественных и дополнительных преимуществ и услуг;
увеличение пропускной способности за счет повышения надежности, эффективности и производительности железных дорог;
повышение конкурентоспособности, при максимальном использовании больших данных, получаемых от всех систем железнодорожного транспорта;

В ноябре 2017 года CER вместе с EIM, ERFA, UIP, UITP и UNIFE подписали Совместную декларацию для железнодорожной отрасли, в которой подтверждается приоритетное использование цифровых продуктов и услуг на благо людей и для внесения вклада в единый цифровой рынок. Они призвали Европейскую комиссию поддержать цифровизацию в качестве одного из своих ключевых приоритетов и обеспечить, чтобы политическая значимость этой темы была отражена в обязательствах по финансированию в долгосрочной переспективе. В этом разделе приведены самые последние примеры диджитализации на железнодорожном транспорте. Продолжение следует…

Груз на цифровой дороге

Для тягового подвижного состава:

· асинхронный тяговый привод с поосным регулированием момента;

· эффективная система рекуперации электроэнергии в контактную сеть;

В ноябре 2020 г. Германский центр авиации и космонавтики (DLR) провел виртуальный симпозиум Der Zug zur Digitalisierung, посвященный внедрению цифровых технологий в разных сферах железнодорожного транспорта. На симпозиуме были представлены разработки и исследования DLR и партнеров центра из железнодорожной отрасли.

Содержание

DLR уже более 20 лет занимается исследованиями в области железнодорожного транспорта и разработал ряд инновационных технологий, которые оказали влияние на развитие отрасли. С центром сотрудничают и железные дороги, и ведущие изготовители железнодорожной техники.

Организованный DLR симпозиум Der Zug zur Digitalisierung проходил 4 ноября 2020 г. в формате видеоконференции и сопровождался виртуальной выставкой, на которой были представлены разработки центра, выполненные в том числе в сотрудничестве с другими компаниями. Выступления на симпозиуме были сгруппированы по четырем темам:

автоматизация управления поездами;
интеллектуальный грузовой вагон;
виртуальная сцепка;
прогнозное техническое обслуживание объектов инфраструктуры на основе данных о фактическом состоянии.

Автоматизация управления поездами

Консалтинговая компания Civity совместно с DLR исследует экономические аспекты перехода к полной автоматизации управления поездами на магистральных железных дорогах. Первые результаты этого исследования, представленные на симпозиуме в докладе Ф. Цшохе (Frank Zschoche, Civity), показывают, что высокая автоматизация наиболее оправданна на загруженных городских и пригородных железных дорогах (S-Bahn), инфраструктура которых изолирована от остальной части магистральной сети и пропускную способность которых желательно нарастить без строительства дополнительных путей.

При этом авторы исследования исходят из того, что уровень автоматизации GoA4 предполагает автономное движение поезда в том числе в случае сбоев. Именно потребность в оборудовании поездов бортовыми системами, обеспечивающими их автономную эксплуатацию при нарушениях, негативно влияет на рентабельность уровня автоматизации GoA4. Оптимальным для всех рассмотренных в исследовании сценариев S-Bahn является уровень автоматизации GoA3+, предусматривающий дистанционное управление поездом из центра управления в случае нарушений. При этом достигаются максимальные эффекты с точки зрения экономии энергии и расходов на штат машинистов, повышения пропускной способности линий и минимизации требуемых инвестиций (рис. 1).

Рис. 1. Эффективность разных уровней автоматизации на высокозагруженной городской железной дороге

Одно из исследований DLR, в котором участвовали 75 машинистов, было посвящено психологическим аспектам автоматизации. Его результаты, представленные в докладе Я. Гриппенковена (Jan Grippenkoven, DLR), подтвердили, что вероятность ошибок человека возрастает, если он не играет активной роли в технологическом процессе: у машинистов эта проблема возникает уже при низком уровне автоматизации. Испытания в лаборатории показали, что по сравнению с управлением поездом в режиме автоведения поверх ETCS уровня 2 режим дистанционного управления поездом способствует улучшению основных показателей работы машиниста — повышается его индивидуальная производительность и снижается усталость. Это обусловлено возможностью его переключения между разными сферами деятельности и выполнением функций более высокого интеллектуального уровня.

Интеллектуальный грузовой вагон

Ожидается, что в рамках исследовательского проекта, финансируемого Министерством транспорта и цифровой инфраструктуры Германии (BMVI), будет разработана дорожная карта перехода к цифровой автосцепке в европейском масштабе. Проект предусматривает выбор конкретного типа автосцепки DAC в 2021 г., введение европейского стандарта на автосцепку в 2022 г., пуск первых пилотных проектов в 2023 г. и начало развертывания DAC с 2024 г.

Два доклада представителей DLR были посвящены экономическим аспектам интеллектуализации грузовых вагонов и их встраиванию в логистику 4.0. По мнению Ш. Мюллера (Stephan Müller, DLR), грузовые железнодорожные перевозки пока находятся на начальной фазе цифровизации, отставая от других секторов отрасли и конкурирующих видов транспорта. Драйверами их развития могли бы стать растущие рынки, глобализация и ужесточающиеся экологические требования. При этом важна роль государства, которое должно поддерживать разумную конкуренцию без ценовых войн, способных разрушить отрасль, и стимулировать продвижение инноваций.

В докладе Г. Малцахера (Gregor Malzacher, DLR) были рассмотрены концепции грузовых вагонов, которые могут оптимально вписаться в современные и перспективные логистические системы. Такие вагоны отличает модульная конструкция с использованием облегченных стандартизированных рамы и ходовой части в сочетании с кузовами, допускающими быструю замену в зависимости от потребностей клиентов. Подобные проекты уже реализуются в Австрии (TransANT), Швейцарии (5L Next) и Германии (m2). DLR занимается оптимизацией конструкций облегченных рам грузовых вагонов и участвует в проекте Fr8Rail инициативы Shift2Rail. Демонстрационный образец облегченного вагона планируется продемонстрировать на выставке InnoTrans 2022.

Виртуальная сцепка

Виртуальная сцепка предполагает движение двух и более поездов с их разграничением в длину относительного или даже скоординированного тормозного пути, при котором возможно максимальное сближение попутно следующих поездов. В докладе А. Ленера (Andreas Lehner, DLR) были рассмотрены требования к подобной системе, основными из которых являются точное и надежное определение местоположения с малой задержкой, надежная беспроводная передача данных между поездами и своевременное распознавание отклонений, сбоев и попыток внешнего вмешательства в работу средств определения местоположения и беспроводной передачи данных.

Для удовлетворения этим требованиям предполагается применение различных технологий в зависимости от расстояния между попутными поездами — оптической связи и связи миллиметрового диапазона (mmWave), машинного зрения, мультисенсорных технологий и т. п. Цель при этом состоит, в частности, в обеспечении высокоточного определения местоположения поезда исключительно бортовыми средствами, в том числе без использования спутниковой навигации, например, в тоннелях.

Одна из технологий, разработанных и испытанных DLR, состоит в определении местоположения по сигнатурам магнитного поля вдоль путей. Испытания поезда с датчиком магнитного поля, проведенные на региональной линии в Баварии, показали, что технология обеспечивает очень высокую повторяемость и точность измерений (менее 3 м в 95 % случаев), распознавание отклонения на боковой путь и надежное определение местоположения поезда при движении в тоннелях (рис. 2).

Рис. 2. Результаты измерений магнитного поля, выполненные во время двух поездок. В ходе второй поездки поезд отклонялся на боковой путь

Доклад представителя железных дорог Германии (DB) П. Марша (Patrick Marsch) был посвящен стратегии перехода к сети радиосвязи 5G (FRMCS). DB Netz — оператор железнодорожной инфраструктуры страны готовится к внедрению собственной системы FRMCS с 2025 г., но исходит из того, что в течение длительного времени сети FRMCS и GSM-R будут работать параллельно. После утверждения спецификации FRMCS, запланированного на 2022 г., предусмотрено приступить к дооснащению подвижного состава аппаратурой FRMCS, которая позволит обеспечить обмен информацией между стационарными и бортовыми компонентами системы автоведения поезда и новых приложений. Вместе с тем возможно применение гибридных технических решений, при которых критически важная информация будет передаваться через собственную систему FRMCS, а данные, не влияющие на безопасность, — через общедоступные сети 5G коммерческих операторов.

По мнению DB, система FRMCS формирует основу для развертывания облачных решений с распределенными интеллектуальными функциями на железнодорожном транспорте, включая сферу управления движением поездов.

Осенью 2021 г. в рамках Всемирного конгресса по интеллектуальным транспортным системам DB намерены продемонстрировать в Гамбурге маневровые передвижения поездов с уровнем автоматизации GoA4 и обменом информации через собственную сеть 5G.

Предупредительное техническое обслуживание объектов инфраструктуры

В этом тематическом блоке был представлен доклад К. фон Диста (Konstantin von Diest, Vossloh) об автоматическом планировании работ по шлифованию рельсов на основе данных об их фактическом состоянии. Для планирования работ применяется приложение mapl-e, разработанное компанией Vossloh и ориентированное в первую очередь на операторов небольших железнодорожных сетей.

Й. Гроос (Jörn Groos, DLR) выступил с докладом о практическом применении методов искусственного интеллекта (ИИ) для организации прогнозного технического обслуживания. Для предотвращения отказов оборудования необходимы точное распознавание ухудшения состояния устройств, корректная диагностика и надежное прогнозирование. Искусственный интеллект способен решить эти задачи, однако для этого необходимо его обучение на данных, получаемых от систем мониторинга состояния. Во многих случаях объем этих данных пока недостаточно велик для корректного обучения. DLR совместно с партнерами занимается вопросами применения ИИ для мониторинга сопротивления изоляции кабелей в системах централизации и путевой инфраструктуры.

Читайте также: