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      基于傳感器的感知系統(tǒng)在德國鐵路網(wǎng)首次測試和應(yīng)用

      2023-01-16 11:27:16
      現(xiàn)代城市軌道交通 2023年1期
      關(guān)鍵詞:數(shù)字地圖漢堡列車

      1 引言

      為提高德國鐵路系統(tǒng)的運(yùn)輸能力、準(zhǔn)時(shí)性和效率,德國鐵路股份公司(DB)制定并推行“數(shù)字化鐵路”戰(zhàn)略,通過不斷引入數(shù)字化技術(shù),如歐洲列車控制系統(tǒng)(ETCS)、數(shù)字化集中裝置等,提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)代化水平。

      此外,DB 還致力于完成鐵路系統(tǒng)更深遠(yuǎn)的數(shù)字化。未來,列車將實(shí)現(xiàn)行車間隔最優(yōu)化的全自動(dòng)運(yùn)行,由基于人工智能(AI)的運(yùn)營及事故管理系統(tǒng)對(duì)列車進(jìn)行智能和自動(dòng)化控制,從而在不新建鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的情況下顯著提高鐵路的運(yùn)輸能力。為此,需要對(duì)列車運(yùn)行環(huán)境(如障礙物、人等)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知,并對(duì)列車位置進(jìn)行連續(xù)定位。

      Sensors4Rail 項(xiàng)目作為DB 與合作伙伴聯(lián)合開展的、德國“數(shù)字化鐵路”戰(zhàn)略框架內(nèi)的一個(gè)重要項(xiàng)目,旨在研發(fā)和測試集環(huán)境感知、實(shí)時(shí)定位、數(shù)字地圖等功能于一身的智能系統(tǒng)。項(xiàng)目于2019年夏季正式開始,其第一階段成果在2021年10月的漢堡國際智能交通系統(tǒng)(ITS)大會(huì)上由DB 與合作伙伴——西門子交通集團(tuán)、HERE Technologies、Ibeo Automotive Systems GmbH、博世公司一起發(fā)布。本文將對(duì)相關(guān)成果進(jìn)行簡要介紹。

      2 項(xiàng)目背景

      高度自動(dòng)化及全自動(dòng)化駕駛技術(shù)的應(yīng)用是縮短列車行車間隔,減少能源消耗,提高鐵路運(yùn)輸能力及可靠性、安全性的重要手段。漢堡數(shù)字化市區(qū)快速列車(S-Bahn)項(xiàng)目作為德國“數(shù)字化鐵路”戰(zhàn)略框架內(nèi)的另一重要項(xiàng)目,將基于歐洲列車控制系統(tǒng)的列車自動(dòng)駕駛(ATO over ETCS)技術(shù)引入德國常規(guī)鐵路運(yùn)營中,是列車自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。該項(xiàng)目在配備ETCS 的漢堡S-Bahn 21 號(hào)線(以下簡稱“S21 線”)23 km 長線路區(qū)段上以高度自動(dòng)化運(yùn)行模式(GOA2)運(yùn)行4 列經(jīng)過改裝的列車,完成列車自動(dòng)起動(dòng)、加速、制動(dòng)、停車操作。列車運(yùn)行期間,駕駛員僅負(fù)責(zé)對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,并在發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行干預(yù)。在漢堡ITS 大會(huì)展示期間,漢堡數(shù)字化S-Bahn 項(xiàng)目列車實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化運(yùn)行,即在沒有駕駛員值守的情況下自動(dòng)駛?cè)胪\嚲€及伯格多夫站(Bergedorf)站臺(tái)。然而,由于列車上并未安裝基于傳感器的障礙物檢測系統(tǒng),因此行車過程中,遠(yuǎn)程駕駛員是在控制中心利用集中裝置對(duì)列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,難以達(dá)到實(shí)時(shí)、精確感知和控制的目標(biāo)。

      為解決上述問題,對(duì)列車運(yùn)行環(huán)境及狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)感知,從而為列車全自動(dòng)化運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ),成為當(dāng)務(wù)之急。而在鐵路領(lǐng)域,相關(guān)技術(shù)的發(fā)展仍處于起步階段,未達(dá)到其在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的成熟度,需加大研發(fā)力度。Sensors4Rail 項(xiàng)目由此鋪開。其研發(fā)內(nèi)容包括基于傳感器的環(huán)境感知系統(tǒng)、精確的實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)以及高度準(zhǔn)確的線路環(huán)境數(shù)字地圖。為此,研發(fā)人員將最先進(jìn)的傳感器和功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到漢堡數(shù)字化S-Bahn 測試車輛中,并開發(fā)了相應(yīng)的軟件組件。在這過程中,DB 負(fù)責(zé)進(jìn)行項(xiàng)目管理,提供車輛、所需線路,實(shí)施車輛改造,以及開發(fā)信息安全相關(guān)工作包;西門子交通集團(tuán)負(fù)責(zé)本地化工作包的開發(fā),以及系統(tǒng)的測試、集成;博世公司與Ibeo Automotive Systems GmbH合作開發(fā)環(huán)境感知工作包;HERE Technologies 開發(fā)數(shù)字地圖工作包。上述系統(tǒng)可實(shí)時(shí)提供有關(guān)列車周圍環(huán)境的最準(zhǔn)確信息及列車的精確位置,檢測軌道上及周邊的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)障礙物并對(duì)其危害進(jìn)行評(píng)估。這對(duì)于開發(fā)智能駕駛輔助系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)列車全自動(dòng)運(yùn)行將發(fā)揮決定性作用。此外,列車運(yùn)行的重要數(shù)據(jù)(如列車位置或軌道上障礙物相關(guān)數(shù)據(jù))被以高頻率采集,并通過云界面提供和查詢,用于更快地發(fā)現(xiàn)和處理故障,優(yōu)化列車調(diào)度,從而使鐵路運(yùn)輸更流暢和可靠。

      3 系統(tǒng)概述

      Sensors4Rail 項(xiàng)目相關(guān)系統(tǒng)(以下簡稱“Sensors4Rail系統(tǒng)”)搭載在經(jīng)過改裝的BR472 型車輛上,由DB 下屬子公司DB Systemtechnik 負(fù)責(zé)行車測試。

      圖1展示了測試車輛上安裝的Sensors4Rail 系統(tǒng),包括硬件和軟件。此外,DB 內(nèi)部云環(huán)境(即DB 模塊化云)也是Sensors4Rail 系統(tǒng)的一部分。系統(tǒng)可接收并處理全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)信號(hào);列車與云之間的通信通過沃達(dá)豐(Vodafone)公司提供的、具有優(yōu)先級(jí)的長期演進(jìn)(LTE)/4G 連接實(shí)現(xiàn)。Sensors4Rail 項(xiàng)目的測試線路為漢堡S21 線從柏林托爾(Berliner Tor)至奧姆勒(Aumühle)的23 km 區(qū)間。測試的關(guān)鍵線路區(qū)間為Bergedorf—Berliner Tor 路段,其為漢堡ITS 大會(huì)的示范線路。

      圖1 Sensors4Rail 系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

      4 車輛系統(tǒng)集成

      Sensors4Rail 項(xiàng)目測試車輛長度為60 m,共鋪設(shè)約4.3 km 長的電纜,安裝了45 個(gè)特殊硬件組件及約3 500 個(gè)零件。該項(xiàng)目面臨的一個(gè)特殊挑戰(zhàn)是新硬件組件在車輛中的集成,包括攝像機(jī)、雷達(dá)、激光雷達(dá)(LiDAR)等傳感器,具有多個(gè)圖形處理單元(GPU)的高性能服務(wù)器,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及在組件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸所用的10 Gbps 網(wǎng)絡(luò)。

      其中大部分組件是首次用于鐵路運(yùn)營,因此不容易獲得所需批準(zhǔn)和許可。例如,用于環(huán)境感知的傳感器最初是為汽車行業(yè)開發(fā)的,必須經(jīng)過試驗(yàn)室驗(yàn)證才能應(yīng)用到鐵路領(lǐng)域。因此,Sensors4Rail 的一個(gè)重要目標(biāo)是:在典型的鐵路環(huán)境下(溫度跨度大、振動(dòng)強(qiáng)烈、污染嚴(yán)重)對(duì)上述硬件組件進(jìn)行測試。

      圖2展示了經(jīng)過改裝、安裝了環(huán)境感知傳感器的BR472 型列車正面。6 臺(tái)激光雷達(dá)以3 臺(tái)為一組,安裝在前擋風(fēng)玻璃上方的左右兩邊,能夠以15 Hz 的頻率進(jìn)行密集掃描,其測量范圍覆蓋所需的水平和垂直視野,并可實(shí)時(shí)生成列車運(yùn)行環(huán)境的3D 點(diǎn)云。上方車燈的一側(cè)安裝1 臺(tái)紅外攝像機(jī),可通過檢測波長為8~14 μm的長波紅外線來識(shí)別物體。與在近紅外光范圍內(nèi)工作的激光雷達(dá)一樣,紅外攝像機(jī)無需環(huán)境照明,能夠在絕對(duì)黑暗的環(huán)境中(如隧道中或夜間)感知靜態(tài)和動(dòng)態(tài)物體。前擋風(fēng)玻璃下方安裝3 臺(tái)在可見光波長范圍內(nèi)工作的攝像機(jī),包括1 臺(tái)除采集圖像數(shù)據(jù)外還可確定近距離環(huán)境深度值的立體相機(jī),以及2 臺(tái)視距分別為300 m(中距離)和550 m(遠(yuǎn)距離)的攝像機(jī)。車輛前部的環(huán)境感知由4 臺(tái)工作頻率為76~77 GHz 的雷達(dá)完成。所有原始傳感器數(shù)據(jù)都收集在高性能服務(wù)器中,并在此得到進(jìn)一步的實(shí)時(shí)處理和記錄以供日后分析。

      安裝在BR472 型列車上的定位系統(tǒng)由位移脈沖發(fā)生器、光學(xué)軌頭傳感器、慣性測量單元和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)可將信號(hào)源數(shù)據(jù)與由雷達(dá)實(shí)時(shí)定位及地圖創(chuàng)建(SCAM)系統(tǒng)的環(huán)境感知功能所共同確定的列車位置信息、基于地界標(biāo)的定位信息相結(jié)合,計(jì)算出列車前部位置,并將以這種方式確定的列車位置與高精度定位系統(tǒng)所得結(jié)果進(jìn)行比較,分析偏差,實(shí)現(xiàn)在不安裝新基礎(chǔ)設(shè)施組件情況下的高精度列車實(shí)時(shí)定位。

      高精度數(shù)字地圖(HD 地圖)最初也是為汽車行業(yè)的自動(dòng)化駕駛而開發(fā),用于支持駕駛員輔助系統(tǒng)的運(yùn)行及車輛的本地化。與傳統(tǒng)導(dǎo)航地圖相比,HD 地圖能夠以更高的細(xì)節(jié)水平表達(dá)現(xiàn)實(shí)場景,其包含沿線物體信息,如建筑物、橋梁或站臺(tái)邊緣,是鐵路及其周圍環(huán)境的數(shù)字孿生體,可用作連續(xù)比較實(shí)際狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)的參考。研發(fā)人員利用徠卡Pegasus 2 測量系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)創(chuàng)建HD 地圖,并確定4 個(gè)GNSS 主站和多個(gè)控制點(diǎn),其絕對(duì)坐標(biāo)精度約為3~5 cm。因此,HD 地圖可以作為基于地界標(biāo)的列車前部位置定位的基礎(chǔ)。

      Sensors4Rail 項(xiàng)目在車輛中集成環(huán)境感知、定位和數(shù)字地圖這3 個(gè)子系統(tǒng),并測試其以下6 個(gè)功能(圖 3):

      圖3 Sensors4Rail 項(xiàng)目測試的系統(tǒng)功能

      (1)識(shí)別地界標(biāo)并與數(shù)字地圖進(jìn)行比較,以準(zhǔn)確定位列車前部位置;

      (2)檢測和分類相鄰軌道上的列車,以免將其識(shí)別為危險(xiǎn)物或障礙物;

      (3)檢測、分類和定位站臺(tái)上的人員,以便在緊急情況下做出反應(yīng);

      (4)檢測車輛所在軌道和相鄰軌道走向,并與數(shù)字地圖進(jìn)行比較,以便以軌道線路為參照定位對(duì)象;

      (5)將所有定位和路徑信息整合到軌道的一個(gè)位置上,以便在不新建基礎(chǔ)設(shè)施的情況下實(shí)現(xiàn)高精度的列車實(shí)時(shí)定位;

      (6)通過監(jiān)控車輛所在軌道和相鄰軌道建筑接近限界內(nèi)外的空間容積來檢測軌道占用情況,以便對(duì)未知障礙物做出反應(yīng)。

      5 項(xiàng)目成果展示

      Sensors4Rail 項(xiàng)目的成果在漢堡ITS 大會(huì)上展示。

      為此,研發(fā)人員基于現(xiàn)代化的圖形環(huán)境創(chuàng)建了一個(gè)虛擬的現(xiàn)實(shí)圖像,用以展示Sensors4Rail 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來源于對(duì)線路的初始高精度測量。被識(shí)別的地界標(biāo)及列車位置相關(guān)數(shù)據(jù)通過接口轉(zhuǎn)發(fā)給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)會(huì)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的可視化處理,并顯示到列車上安裝的監(jiān)視器中(圖4)。由圖4可知,除列車實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境之外,界面還可以清晰地展示系統(tǒng)采集的眾多信息,如地界標(biāo)總數(shù)、列車當(dāng)前速度等,未來這些數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)娇刂浦行?,用于?yōu)化列車調(diào)度或?qū)收献龀隹焖俜磻?yīng)。

      圖4 Sensors4Rail 項(xiàng)目成果可視化展示界面

      此外,相關(guān)數(shù)據(jù)還通過4G 接口發(fā)送到云端并提供給另一個(gè)服務(wù)實(shí)例,該實(shí)例在ITS 大會(huì)BR472 型列車展示運(yùn)行期間生成了與Linkedln 和YouTube 等社交網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)流相同的可視化效果,使更多的國際受眾能夠遠(yuǎn)程查看項(xiàng)目成果。

      6 展望

      目前,DB 及其合作伙伴正在籌備Sensors4Rail 項(xiàng)目第二階段的試運(yùn)行,該階段于2022年5月開始,計(jì)劃將測試區(qū)域擴(kuò)展到漢堡S-Bahn 線網(wǎng)中的其他路線,并在各種天氣條件下及各時(shí)間段(白天和黑夜)記錄原始數(shù)據(jù),以提高數(shù)據(jù)的多樣性。利用這些來自傳感器的原始數(shù)據(jù)還可對(duì)所使用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重復(fù)訓(xùn)練,以促進(jìn)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化完善。

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