Rilevamento ostacoli in tempo reale e edge computing nel trasporto ferroviario
Le moderne tecnologie per il rilevamento degli ostacoli nel trasporto ferroviario combinano potenti sensori con un'elaborazione in tempo reale basata sull'intelligenza artificiale.
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L'attenzione si concentra sui severi requisiti hardware e architettonici per consentire il controllo autonomo e sicuro dei treni.
L'automazione del trasporto ferroviario richiede un'identificazione affidabile di ostacoli e pericoli nell'area dei binari. Per raggiungere questo obiettivo, i sistemi utilizzati devono rilevare e classificare rapidamente gli oggetti nell'intero ambiente.
Questo rilevamento richiede sistemi di sensori multimodali e architetture informatiche altamente specializzate sul veicolo ferroviario che consentono l'elaborazione in tempo reale dei dati e l'assegnazione precisa del tipo, della posizione e delle caratteristiche degli oggetti rilevati. A causa dei requisiti critici di latenza, le funzioni devono essere elaborate localmente sulla locomotiva o sul convoglio. Nelle architetture ibride edge-cloud è possibile implementare solo compiti supplementari. Le piattaforme hardware devono quindi soddisfare requisiti particolari in termini di potenza di calcolo, velocità di interfaccia e memoria. L'elaborazione viene eseguita sempre più spesso utilizzando il machine learning (ML) o l'intelligenza artificiale (AI).
Il rilevamento degli ostacoli non è solo necessario per la guida automatizzata (Automatic Train Operation / ATO) a partire dal livello di automazione 2 (GoA / Grade of Automation), ma serve anche come sistema di assistenza alla guida per assistere il conducente nelle operazioni puramente manuali. Per migliorare la sicurezza, la protezione anticollisione viene spesso ampliata includendo telecamere per gli angoli ciechi, sistemi per l'identificazione dei segnali stradali e interventi di frenata d'emergenza automatica.
È necessario localizzare un'ampia varietà di oggetti.
I sistemi software e hardware utilizzati devono identificare rapidamente gli ostacoli statici e dinamici. Per motivi di sicurezza, qui si applica un lasso di tempo massimo di 100 ms. Ciò include l'acquisizione di edifici per determinare la posizione del veicolo e il rilevamento di persone o animali non autorizzati nelle vicinanze, compresa la direzione di movimento.
È essenziale monitorare costantemente la cosiddetta zona libera, l'area intorno al binario che deve essere libera per la circolazione dei treni in sicurezza, per individuare eventuali ostacoli o pericoli. Oltre alle persone e agli animali, si tratta di ostruzioni causate da frane, alberi caduti, rami spezzati o che sporgono troppo all'interno della zona libera e carrelli della spesa o valigie rotolate fuori dalla piattaforma. Per complicare ulteriormente le cose, i sistemi di rilevamento devono anche illuminare le curve in modo affidabile.
Inoltre, per la guida automatizzata secondo il GoA 4 (funzionamento del treno completamente senza conducente), il rilevamento dei binari è essenziale. Oltre a localizzare il treno tramite un sistema di navigazione satellitare globale, la posizione viene incrociata con mappe digitali. Anche nei cantieri ferroviari di grandi dimensioni, la sicurezza delle operazioni richiede una localizzazione precisa. Inoltre, è necessario determinare se altri veicoli ferroviari si trovano sullo stesso binario (il che sarebbe pericoloso) o sul binario adiacente.
La tecnologia dei sensori è complessa
Tutto ciò di cui si è discusso finora pone elevate esigenze su software e hardware. Per quanto riguarda i sensori, i produttori di sistemi di solito ne combinano diversi per ottenere un quadro completo dell'ambiente circostante, anche in caso di interferenze dovute a pioggia, nebbia o fumo. Questi includono:
• LiDAR (Light Detection and Ranging) per una rappresentazione tridimensionale del campo vicino e lontano. Rilevamento attraverso l'elaborazione di nuvole di punti con algoritmi di clustering basati sulla densità (DBSCAN).
• Il radar viene utilizzato per il rilevamento indipendente dalle condizioni atmosferiche e per la determinazione precisa della velocità.
• Le telecamere in bianco e nero e a colori, comprese quelle stereo, supportano i sistemi LiDAR e radar nel rilevamento di vari oggetti. In questo caso, l'identificazione si basa su vari algoritmi di computer vision.
• Sensori a ultrasuoni per il rilevamento a distanza ravvicinata.
• Le termocamere consentono di distinguere tra persone o animali e oggetti inanimati.
È necessaria una precisa sincronizzazione temporale dei sistemi per consentire al computer di creare una rappresentazione unificata dell'ambiente utilizzando la fusione dei sensori.
I moduli informatici utilizzati per tutti questi compiti devono avere un'elevata potenza di calcolo, una memoria ampia e veloce e un numero sufficiente di interfacce ad alta velocità. I requisiti continueranno ad aumentare nei prossimi anni, poiché il raggio di rilevamento sarà esteso da poche centinaia di metri a 2.000 metri.
Advantech offre soluzioni hardware
Sono disponibili diverse soluzioni per l'hardware utilizzato. Ad esempio, Advantech propone, per queste applicazioni, il system-on-module SOM-E781. Non solo dispone delle interfacce necessarie per unire i flussi di dati provenienti da varie fonti di sensori, ma grazie al processore della serie EPYC™ Embedded 8004 di AMD con un massimo di 64 core CPU, offre anche una potenza di calcolo sufficiente per l'elaborazione in tempo reale.
Questo COM-HPC (Computer-on-Module for High-Performance Computing) corrisponde alle dimensioni del server E dello standard COM-HPC e ha una piedinatura proprietaria. Ha fino a 576 GB di RAM e 79 corsie PCIe fino alla quinta generazione, incluse 48 linee dati conformi a CXL 1.1. Sono inoltre presenti numerose estensioni di input/output come Ethernet da 2,5 Gbit, interfacce USB 3.2 Gen 1 e SATA 3.0. Ciò significa che SOM-E781 è adatto anche ad altre applicazioni impegnative con un elevato throughput di dati. Sulla base di questa piattaforma, gli ingegneri possono sviluppare autonomamente le soluzioni corrispondenti.
Advantech offre un'espansione di memoria sostituibile a caldo con SQR-CX5N nel fattore di forma EDSFF E3.S 2T. Ha una capacità di 64 GB, è compatibile con gli standard CXL 1.1 e 2.0, che operano tramite l'interfaccia PCIe 5.0, e ha una velocità di trasferimento massima di 32 gigatransfer al secondo (GT/s) per lane. Il modulo fornisce quindi la larghezza di banda necessaria per le applicazioni ad alta intensità di dati
Un'alternativa è utilizzare una piattaforma come AI Inference System AIR-030 di Advantech che si basa su Jetson AGX Orin™ di NVIDIA®. Con questo modulo è possibile eseguire l'inferenza AI direttamente sul feed live di una telecamera. Ciò consente agli sviluppatori di eseguire i più recenti algoritmi di visione artificiale per il rilevamento degli oggetti, la classificazione e l'analisi del comportamento all'edge senza dover prendere una deviazione che comporta latenza attraverso il cloud. Si tratta di un vantaggio fondamentale, soprattutto per quanto riguarda il rilevamento degli ostacoli.
L'AIR-030 è certificato in conformità alla norma IEC 61000-6-4 per gli ambienti industriali. Offre tre interfacce Ethernet da 2,5 Gbit, diverse porte USB 3.2, interfacce RS-232/RS-422/RS-485, ingressi e uscite digitali e due interfacce CAN bus. Le periferiche aggiuntive possono essere collegate tramite chiavi M.2 B o E o tramite un'interfaccia PCIe x16 opzionale. L'AIR-030 soddisfa quindi anche i requisiti di larghezza di banda necessari.
Informazioni su Advantech
Con oltre 8.600 dipendenti in tutto il mondo e un'esperienza di 40 anni, l'azienda è leader mondiale nella fornitura di prodotti, sistemi, servizi e soluzioni innovative nel mondo dell'A-IoT embedded. I nostri punti di forza sono l'integrazione completa di hardware e software incorporati e i servizi di progettazione orientati al cliente, ad esempio per applicazioni di Industria 4.0, ricarica di veicoli elettrici ed energia verde, dispositivi medici, segnaletica digitale o piattaforme di gioco. Un'altra attenzione è rivolta alle soluzioni su misura per il cliente (Advantech DMS), che spesso consentono un time-to-market particolarmente breve, tra l'altro attingendo alla più ampia gamma di prodotti standard incorporati a livello mondiale.
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In qualità di fornitore leader, Advantech Europe BV non solo dispone della più ampia gamma di prodotti, soluzioni e servizi di progettazione embedded. Con oltre 25 anni di presenza locale in Europa, l'azienda offre anche building block embedded, personalizzazione e sviluppo di soluzioni A-IoT, che vanno dai nodi sensore ai PC e ai gateway embedded fino alle piattaforme cloud IoT. Oltre 550 dipendenti sono a disposizione deinostri clienti nei vari Paesi europei.
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