Ускоренное развитие промышленно-хозяйственного комплекса Российской Федерации на ближайшие десятилетия будет обеспечиваться за счет широкого внедрения цифровой экономики. Российские железные дороги определены в Стратегии развития страны как важнейший элемент в решении сложных социально-экономических задач, существенно влияющий на рост промышленного производства, формирование новых транспортно-логистических маршрутов для нужд мировой экономики, обеспечение качественных услуг для населения страны.
Цифровая железная дорога в соответствии с принятой в холдинге «РЖД» концепции представляет собой совокупность информационных технологий, процессов и стандартов взаимодействия, отвечающих трем бизнес-принципам: полная согласованность, бизнес в режиме онлайн и управление сервисами. Они используются во всех областях деятельности холдинга и защищены современными механизмами обеспечения информационной безопасности. Реализация указанных принципов должна осуществляться за счет внедрения и развития автоматизированных решений, которые обладают возможностью результативного и рационального применения к сервисным блокам модели цифровой железной дороги, а также соответствуют организационным и техническим стандартам взаимодействия сервисных блоков.
С принятием решения о создании Единой интеллектуальной системы управления на железнодорожном транспорте в РЖД еще пять лет назад началась работа по созданию цифровой железной дороги. Информатизация отрасли, создание высокоскоростных сетей технологической связи, разработка новейших программно-аппаратных комплексов позволили в короткие сроки обеспечить технико-технологическую основу для цифровизации железнодорожного транспорта. Эта деятельность ОАО «РЖД» будет осуществляться в едином поле взаимодействия с естественными монополиями, промышленными предприятиями и регионами страны.
Проект «Цифровая железная дорога» обеспечит в качестве основной целевой задачи отрасли принципиальное изменение уровня технологического обеспечения перевозочного процесса, культуру безопасности.
На сегодняшний день накоплено значительное количество информации о технологическом процессе, но его автоматизация находится на недостаточном уровне из-за отсутствия увязки между низовыми устройствами автоматики, информационными системами и управляющими элементами в рамках единой структуры. Без такого законченного цикла управления эффективность только информационных систем, в том числе Big Data, невозможна.
Главной задачей цифровой железной дороги является полная интеграция между пользователем, транспортным средством, системой управления движением и инфраструктурой, т. е. формирование новых сквозных цифровых технологий организации перевозочного процесса.
Чтобы реализовать поставленную задачу, необходимо совершенствовать системы железнодорожной автоматики и телемеханики, создавать цифровые модели объектов инфраструктуры, развертывать сети цифровой связи. При этом следует использовать системы интервального регулирования, мониторинга состояния технических средств и автоматизации отдельных технологических операций. За последние годы в отрасли созданы все предпосылки для внедрения сложнейшего комплекса инновационных технологий, которые относятся к понятию «цифровая железная дорога».
В числе базовых элементов для перехода к «Цифровой железной дороге» можно назвать следующие:
- построение цифровых моделей объектов инфраструктуры
в едином координатно-временном пространстве; - создание цифровых сетей связи и высокоточных координатных систем (ВКС) на основе спутниковых сетей высокоточного позиционирования;
- обеспечение непрерывного мониторинга объектов инфраструктуры с организацией автоматической выдачи предупреждений об ограничении скорости и необходимости проведения ремонта;
- обеспечение мониторинга состояния подвижного состава внутренними и внешними средствами с возможностью прогнозирования остаточного ресурса;
- создание комплекса вычислительных средств для дистанционного управления объектами инфраструктуры, формирование оперативных изменений графиков потоков поездов с учетом энергосбережения и обеспечения полной автоматизации отдельных технологических операций;
- создание мобильных средств контроля местоположения персонала и его психофизиологического состояния.
Все эти элементы закладываются в единый сетевой технологический процесс по обеспечению перевозок.
Переход к цифровой железной дороге предусматривает обязательное цифровое описание объектов инфраструктуры в рамках высокоточных координатных технологий. Объекты подвижного состава на этой инфраструктуре работают по единой технологии как для пассажирских и грузовых поездов, так и для ремонтной и измерительной техники. Именно эти задачи стоят перед проектом КСПД ИЖТ (Комплексной системы пространственных данных инфраструктуры железнодорожного транспорта), который масштабно внедряется на сети дорог как необходимый базовый элемент цифровой железной дороги.
Для такой крупнейшей пространственно-распределенной железнодорожной транспортной системы, как сеть железных дорог ОАО «РЖД», использование высокоточного спутникового позиционирования практически безальтернативно.
На основе полученных координатно-привязанных пространственных данных формируются цифровые модели пути (ЦМП) на перегонах и путевом развитии станций, а также 3D-модели путевого развития и инженерных сооружений. Цифровые модели представляют собой пространственные описания объектов инфраструктуры, включая железнодорожный путь, инженерные сооружения, системы электроснабжения, железнодорожной автоматики, телемеханики и связи.
Стремительное развитие технологий высокоточного спутникового позиционирования открывает новую страницу в изысканиях, проектировании и строительстве инфраструктуры железнодорожного транспорта, в том числе с применением BIM-технологий. Она основана на принципах дифференциальной коррекции навигационных данных, поступающих со спутников глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).
Применение таких технологий создает основу для перехода к координатным методам содержания инфраструктуры, организации сквозных технологий проектирования, строительства, технического содержания объектов инфраструктурного комплекса, что обеспечивает снижение стоимости их жизненного цикла и требуемый уровень надежности и безопасности.
Станция − ключевой элемент перевозочного процесса. Поэтому обязательным является построение ее цифровой модели, предусматривающей возможность оценки влияния всех инфраструктурных элементов на технологию работы станции. Сегодня уже накоплен богатый опыт моделирования таких сложных объектов и, как следствие, значительно сокращено количество избыточных проектных и строительных работ, например на МЦК.
Один из важных элементов, обеспечивающих автоматизацию контроля технологических процессов на станциях, был отработан на станции Ярославль-Главный Северной магистрали. Здесь использованы инновационные решения: техническое зрение для контроля операции отцепки/прицепки локомотивов, спутниковая навигация, система видеораспознавания номеров вагонов и контроля нахождения работников в опасных зонах. Достижения по автоматизации управления процессом расформирования/формирования составов были реализованы в сортировочной системе станции Лужская Октябрьской железной дороги. На основе интеграции систем микропроцессорной централизации ЭЦ-ЕМ ОАО «Радиоавионика», микропроцессорной автоматизации для сортировочных горок MSR 32 Siemens AG, маневровой автоматической локомотивной сигнализации АО «НИИАС», автоматического управления горочным локомотивом САУ ГЛ АО «ВНИКТИ» была создана уникальная система, опередившая западные технологии.
Эти технологии были представлены Президенту Российской Федерации на станции Челябинск. Были продемонстрированы параллельный надвиг, маневровый локомотив без машиниста, управление надвигом. На примере сортировочных станций Челябинск и Лужская уже сегодня можно показать наличие таких законченных элементов цифровой железной дороги, как интегрированный комплекс АСУ станции (АСУ СТ), система управления маневровым локомотивом без машиниста (МАЛС БМ), горочная система КСАУ СП, комплекс автоматической диагностики подвижного состава (ППСС) и маневровая автоматическая локомотивная сигнализация (МАЛС).
Комплекс МАЛС, который выполняет задачи по обеспечению безопасности при маневровой работе, максимально соответствует требованиям проекта «Цифровая железная дорога», поскольку основан на цифровой модели станции, цифровом радиоканале, спутниковой навигации и безопасных вычислительных модулях.
Бортовые микропроцессорные системы управления и обеспечения безопасности движения также переходят на единую технологию от элемента управления к единому комплексу, интегрированному в систему управления. «Синара» и «Трансмашхолдинг» уже готовы выполнять в 2018 г. такие технологические задачи.
Для информационно-управляющих систем требуется автоматизация получения информации о параметрах технологического процесса, а также передача управляющих команд на исполнительные объекты – локомотивные системы и станционные комплексы управления маршрутами.
Комплекс информационно-управляющих систем ОАО «РЖД» в целом может быть условно разделен на три уровня.
На верхнем уровне обеспечивается формирование управляющих команд из Интеллектуальной системы управления железнодорожным транспортом (ИСУЖТ) для оптимизации реализации графиков движения поездов с учетом решения конфликтных ситуаций.
Второй уровень обеспечивает доведение данных технологических решений до непосредственного формирования маршрутов на станциях, передачу информации на локомотивы об изменении графика движения и получение информации от всех подвижных единиц о параметрах движения и их координатах. На современном этапе к указанному уровню следует отнести и средства диагностики инфраструктуры с подвижного состава.
Третий, наиболее ответственный уровень − это системы, обеспечивающие управление напольными и бортовыми устройствами (например, для реализации интервального регулирования движения поездов и управление стрелками и сигналами на станциях).
На современном этапе развития технических средств все три уровня представляют собой аппаратно-программные вычислительные комплексы с повышенными требованиями к обеспечению безопасности движения.
В 2013−2016 гг. на станции Подлипки-Дачные Московской железной дороги АО «НИИАС» внедрило комплекс технических средств передачи ответственной информации о поездной ситуации на перегоне и станции в бортовые приборы безопасности от постовой аппаратуры САУТ-ЦМ/НСП. В процессе разработки была решена задача повышения общего уровня безопасности движения путем передачи в бортовые приборы информации о маршрутах приема/отправления и кодов АЛС. Использование дополнительного канала радиосвязи между стационарными и локомотивными устройствами позволило повысить надежность работы устройств СЦБ.
С учетом общей тенденции перехода к цифровой железной дороге следует уделять больше внимания совершенствованию систем доставки информации. Приоритеты отдаются цифровой радиосвязи и передаче технологических данных. Новые вычислительные средства позволяют в центре обрабатывать больше информации, что существенно снижает количество низовых устройств, в том числе категории Интернета вещей. А аппаратно-программный комплекс организации, контроля и анализа выполнения технологических процессов и обеспечения безопасности работы на крупных станциях на базе цифровых моделей пути, цифровых систем радиосвязи и спутниковой навигации берет на себя функции низших звеньев, что дает возможность перейти к максимальной автоматизации процесса организации и управления движением.
В настоящее время разработаны и внедрены современные диагностические устройства, которые оценивают техническое состояние локомотивов, устройств централизации и блокировки, считывают, агрегируют и передают данные от стационарных комплексов наблюдения и диагностики, например от акустических и тепловизионных комплексов. Таким образом, локомотив становится подвижным центром диагностики, сбора информации от напольных устройств автоматики.
Это позволяет достигать существенной экономии эксплуатационных расходов, переходить к малолюдным и безлюдным технологиям, высвобождать персонал, менять систему управления подвижными составами, станционными комплексами и сортировочными горками. Тем не менее в человеко-машинном интерфейсе обязательно сохраняется первичность человека.
Для одновременной работы с несколькими каналами связи создан универсальный блок радиосвязи (БРУС). Аппаратные средства БРУС выбраны с большим запасом вычислительных мощностей и интерфейсных соединений в целях использования в качестве единого интеллектуального модемного пула для всех устройств, систем и приборов, устанавливаемых на борту локомотива. Такой комплекс способен работать с любыми имеющимися стандартами связи и быстро адаптироваться к вновь создаваемым.
Необходимым элементом развития цифровой железной дороги является современная система связи, которая содержит как уже давно апробированные решения технологической цифровой связи по волоконно-оптическим линиям передачи (ВОЛП), так и новые элементы, которые требуются для реализации перспективных технологических решений. Это в первую очередь стандарт передачи данных LTE, Интернет вещей, система единого времени.
Построение многоуровневой структуры управления и использование цифрового радиоканала позволяют сократить потери времени при отказах технических средств, при повышении скорости движения, в том числе на действующих линиях. Данные вопросы уже отработаны в рамках проекта повышения скорости движения на участке Москва – Нижний Новгород.
Автоматизация работы подвижного состава обусловливает необходимость не только применения цифрового радиоканала как средства передачи информации, но и обеспечения требований достоверности передаваемой информации и ее киберзащищенности. Технические решения, обеспечивающие выполнение этих задач, уже сегодня реализованы на МЦК в рамках задачи автоматической передачи предупреждений на борт ЭС2Г «Ласточка».
Непосредственно управление стрелками и сигналами в станционных комплексах на больших участках должно предусматривать переход к единой структуре, когда базовая станция управляет десятком малых станций в пределах своей зоны контроля. Данный проект уже рассматривался ранее на НТС ОАО «РЖД» и сегодня внедряется на Северо-Кавказской железной дороге.
Ключевым элементом при переходе к управлению потоками поездов должно стать интервальное регулирование нового поколения. Переход от светофорной сигнализации к бессветофорной и использование цифрового радиоканала как дополнительного элемента управления позволят обеспечить необходимый минимальный интервал попутного следования (до 2−3 минут), что уже показало свою эффективность на МЦК.
Цифровая система комплексного автоматического управления движением поездов в рамках современных технических и технологических решений представляет собой трехуровневую структуру, где исходной информационной средой (sensor), решающей одновременно задачи обеспечения безопасности, являются низовые устройства автоматики, а обработка их данных осуществляется современными вычислительными средствами как элементом интеллектуальной системы. Результаты обработки информации непосредственно могут быть использованы для управления станционными устройствами и подвижными составами, поскольку они соответствуют требованиям информационной и функциональной безопасности.
В рамках проекта «Цифровая железная дорога» предусматриваются и активно ведутся работы по созданию беспилотных систем управления подвижным составом, как при маневровой работе, так и на МЦК. Уровень российских разработок соответствует уровню зарубежных технических решений, применяемых в рамках единого проекта МСЖД (с МЭК (IEC 62290)), в котором уровень автоматизации отвечает требованиям GOA3. При этом один оператор-машинист может контролировать до десяти поездов.
Конечными показателями эффективности должны быть: полная автоматизация мониторинга инфраструктуры и подвижного состава; переход к управлению потоками поездов с учетом их энергоэффективности; максимальное внедрение малолюдных и безлюдных технологий в ключевые элементы технологии перевозочного процесса. Такой подход соответствует опыту крупных зарубежных транспортных узлов и создаст основу для организации мультимодальных перевозок. Безусловным элементом цифровой железной дороги является моделирование пропускных способностей и пассажиропотоков на всех элементах инфраструктуры.
Представленные технические и технологические решения в комплексе обеспечивают необходимые базовые элементы для перехода к цифровой железной дороге.
