Część 3. Autonomiczny transport szynowy

Transport szynowy można zautomatyzować na kilku poziomach (Grade of Automation, GoA). Zestandaryzowano je w normie IEC 62267 Railway applications – Automated urban guided transport – Safety requirements.

Poziom zerowy opisuje sytuację, w której maszynista prowadzi i obsługuje pojazd, m.in. otwiera i zamyka drzwi, samodzielnie, w oparciu jedynie na własnej obserwacji sytuacji na linii i w pociągu oraz sygnalizacji przytorową. Poziom pierwszy (GoA 1) oznacza z kolei, że kierujący prowadzi i hamuje pociąg ręcznie, jego działania nadzoruje jednak system ATP (Automatic Train Protection). Zapewnia on podstawowe bezpieczeństwo, zapobiegając kolizjom i nie dopuszczając do tego, by kierujący ignorował sygnały ostrzegawcze i przekraczał dopuszczalną prędkość, dzięki temu, że uruchamia w razie potrzeby automatyczne hamowanie.

Pociąg autonomiczny, czyli jaki?

W stopniu GoA 2 maszynista jest wspomagany przez automatyczne systemy ATP i ATO (Automatic Train Operation), które razem tworzą system ATC (Automatic Train Control). Oznacza to, że jego rola ogranicza się do uruchomienia pojazdu i zamknięcia jego drzwi. Za przejazd między stacjami, zatrzymanie pociągu i otwarcie jego drzwi odpowiada system ATO. Kierujący może ewentualnie ingerować w sytuacji awaryjnej.

Poziom GoA 3 (Driverless Train Operation, DTO) oznacza z kolei, że pociąg jest sterowany, a jego ruch nadzorowany, automatycznie, bez udziału człowieka. Zautomatyzowany jest zatem: rozruch, przejazd pomiędzy stacjami, hamowanie oraz otwieranie drzwi. Obsługa pociągu może zamykać drzwi i interweniować w sytuacji awaryjnej. Na poziomie GoA 4 (Unattended Train Operation, UTO) wszystkie zadania są zautomatyzowane, a na pokładzie nie ma maszynistów ani innej obsługi. Kierującego na pokładzie pociągu UTO zastępuje system ATO, nadzorowany przez system ATP.

Przyszłość bez maszynistów nie taka prosta

Chociaż to samochody autonomiczne przyciągają najwięcej uwagi, w wyścigu o pełną autonomię bierze także udział transport szynowy – metro oraz pociągi. Aby pojazdy poruszające się po torach bez maszynistów stały się rzeczywistością, należy wcześniej rozwiązać szereg kwestii technicznych.

Choć mogłoby się wydawać, iż fakt że pociągi przemieszczają się w sposób zorganizowany, po szynach, znacznie usprawni wdrażanie w nich najwyższego poziomu zautomatyzowania sterowania, nie jest to wcale takie oczywiste – poza tym wiele czynników sprawia bowiem, że sterowanie takim pojazdem jest nietypowym zagadnieniem, którego niestety nie można rozwiązać przez przeniesienie wprost rozwiązań opracowanych na potrzeby na przykład autonomicznych samochodów.

Jedną z największych trudności jest konieczność zintegrowania wielu podsystemów, które odpowiadają za różne aspekty ruchu kolejowego, jak: monitorowanie stanu torów, kontrola pozycji innych pociągów i fizycznej integralności danego składu, czy określenie odległości wymaganej do bezpiecznego hamowania. W przypadku, gdy którykolwiek z nich nie będzie w stanie, z jakiegokolwiek powodu, dokładnie ocenić sytuacji, a tym samym podjąć decyzji co do dalszych działań, będzie zmuszony prewencyjnie zwolnić lub zatrzymać skład. Taka zawodność systemu sterowania pociągiem i wynikające z niej opóźnienia oraz przestoje z pewnością bardzo szybko zniechęciłyby pasażerów.

Wyzwania w projektowaniu autonomicznej kolei

Kolejnym wyzwaniem jest interpretacja sygnalizacji kolejowej – w niektórych państwach w tym zakresie przewidziano wiele różnych kombinacji stanów sygnalizatorów, znacznie więcej niż w sygnalizacji ulicznej. To z pewnością wpłynie na stopień skomplikowania systemów ich analizy. Różnorodność typów pociągów i standardów infrastruktury kolejowej dodatkowo utrudnia prace nad uniwersalnym systemem autonomicznym – w tym zakresie jednak jest nadzieja na ułatwienia wraz z postępem we wdrażaniu systemu ERTMS. Warto tutaj zauważyć, że środowisko kolei jest trudniejsze z punktu widzenia sterowania autonomicznego, niż na przykład metro, ze względu na m.in.: duże odległości między stacjami w otwartej przestrzeni, rozbudowaną sieć stacji oraz eksploatację przez wiele przedsiębiorstw kolejowych, w tym pasażerskich i towarowych.

Ważna jest także specyfika samych pojazdów. Przykładowo droga hamowania pociągu, będąca funkcją jego wagi, ładunku i prędkości, w przypadku pociągu pasażerskiego składającego się z dziesięciu wagonów, poruszającego się z prędkością 100 km/h, wynosi aż około 500 metrów. Wykrycie przeszkód i analiza stanu sygnalizatorów z takim wyprzedzeniem nie są proste do zrealizowania.

Oprócz tego pod uwagę trzeba wziąć trudności w dostępie do infrastruktury kolejowej, które są nieporównywalnie większe niż w przypadku zwykłych dróg. Tymczasem nie może być mowy o certyfikowaniu ani komercjalizacji systemu autonomicznego, który wcześniej nie zostanie bardzo starannie przetestowany pod kątem jego niezawodności oraz bezpieczeństwa pasażerów i otoczenia.

Systemy autonomiczne a nowe technologie

Wszystkie systemy autonomiczne opierają się na podobnym schemacie działania, który obejmuje trzy etapy, powtarzające się cyklicznie. Są to: pozyskanie informacji, ich przetwarzanie, podjęcie na tej podstawie decyzji i konkretnych działań. Te pierwsze to dane dotyczące m.in. stanu składu czy sytuacji na trasie. Ich źródłem mogą być inne systemy i bezpośrednio, czujniki na pokładzie pociągu oraz w elementach infrastruktury kolejowej. W procesie przetwarzania ważne jest to, jak skutecznie system autonomiczny jest w stanie rozpoznać wśród surowych informacji te użyteczne i je zinterpretować, by uzyskać obraz świata rzeczywistego wystarczająco dokładny do jego potrzeb. Przykładowo autonomiczny system sterowania pociągiem musi być w stanie bezbłędnie rozpoznać różnicę między zwierzęciem a człowiekiem, czy dostrzec różnicę między robotnikiem torowym a intruzem. Kolejny aspekt etapu przetwarzania informacji to podejmowanie decyzji w reakcji na bieżące okoliczności. Do tego niezbędne są kryteria, które znajdą zastosowanie do pozyskanych danych, wiedza w konkretnej dziedzinie oraz zdolność do uczenia się. W ten sposób system może podjąć decyzję samodzielnie. Ta następnie powinna zostać wdrożona przez wydanie instrukcji dla elementów automatyki, które decyzje systemu sterowania, jak hamowanie czy rozpędzenie pociągu wprowadzą w życie.

Aby osiągnąć pełną autonomię, pociągi będą zatem musiały być naszpikowane czujnikami. Do obróbki danych i podejmowania samodzielnych decyzji wymagane będzie wykorzystanie technik sztucznej inteligencji, jak uczenie maszynowe. Niezbędna będzie też szybka i niezawodna łączność, w czym sieci GSM- R prawdopodobnie w nieodległej przyszłości zastąpią sieci 5G, dzięki temu, że zapewniają większą prędkość transmisji i mniejsze opóźnienia. Dostrzegając ich potencjał, Międzynarodowy Związek Kolei UIC (Union internationale des chemins de fer) już rozpoczął prace nad standardem Future Railway Mobile Communications System (FRMCS). Przewiduje się, że pierwszych wdrożeń FRMCS można oczekiwać około 2025 roku. Oznacza to, że przez kilka lat GSM-R i FRMCS będą działać równolegle. Operatorom kolejowym zaleca się wcześniejsze planowanie migracji istniejących sieci do przyszłego standardu FRMCS, jeśli mają w pełni wykorzystać ich możliwości.