Bosch tram suite: Fundamentul automatizărilor feroviare

Ionuț Breabăn
Group Leader @ Centrul de Inginerie Bosch Cluj

Evoluția sistemelor feroviare se îndreaptă spre un viitor definit de eficiență operațională, de siguranță și de automatizare. Pentru a se conforma acestui standard, Bosch Engineering dezvoltă Bosch tram suite, o platformă scalabilă ce combină tehnologiile ce stau la baza percepției, a localizării și a conectivității.

Folosindu-se de experiența vastă, acumulată în sectorul Automotive, Bosch Engineering și-a adaptat tehnologiile la cerințele specifice ale industriei feroviare. Vorbim despre o platformă integrată, realizată de la zero, pentru a oferi asistență imediată, dar și pentru a servi drept fundament pentru automatizări de rang înalt (GoA). Acest articol prezintă o vedere de ansamblu a arhitecturii platformei, a familiei de produse și a avantajelor tehnologice ce derivă din capabilitățile sale.

O abordare modulară

Bosch tram suite nu este un sistem singular, monolitic, ci o colecție modulară de produse ce permite operatorilor să implementeze soluții adaptate nevoilor specifice. Aceste produse pot fi configurate drept sisteme de sine stătătoare sau combinate într-o singură platformă ce permite utilizarea optimă a funcționalităților.

• Forward Assist (asistență frontală) este sistemul principal de asistență pentru vatman și avertizare în caz de coliziune frontală. Este nucleul întregului pachet furnizând informații esențiale cu privire la traseul din fața tramvaiului.

• Near Range Assist (asistență de proximitate) este un sistem bazat pe senzori ultrasonici, conceput pentru situații critice la viteză redusă. Este utilizat în principal pentru detectarea persoanelor, pentru manevre în depou și pentru prevenția incidentelor la "pornirea de pe loc".

• Flank Assist (asistență laterală) este un sistem care monitorizează unghiurile moarte ale tramvaiului, minimizând riscurile asociate cu vehiculele care virează sau schimbă banda de circulație intrând în fața tramvaiului.

• Focus Assist (asistență atenție vatman) este un sistem de monitorizare a vatmanului orientat spre interiorul cabinei tramvaiului, conceput să detecteze distragerea atenției sau oboseala vatmanului abordând factorul uman al siguranței operaționale.

Arhitectura sistemului: analogia cu corpul uman

În esența sa, un sistem automatizat funcționează precum o persoană. Trebuie să perceapă lumea, să interpreteze ceea ce percepe, iar apoi să acționeze. Bosch tram suite oferă toate componentele necesare pentru acest proces care poate fi înțeles printr-o analogie simplă: ochii (percepția), creierul (procesarea), și mușchii (acțiunea), toate augmentate de un simț al conștiinței de sine (localizarea) și de abilitatea de a comunica (conectivitatea).

Ochii: Cum percepem lumea

Aceasta este modalitatea prin care sistemul simte mediul său înconjurător. La fel cum un om folosește simțuri multiple pentru a înțelege lumea, Bosch tram suite folosește mai mulți senzori. Fiecare senzor contribuie la întreg, iar prin fuziunea informațiilor transmise de aceștia se creează o imagine mai fiabilă și mai robustă a realității.

• Ochiul principal (Camera - MPC3-T): Camera multifuncțională reprezintă principalul element vizual al sistemului.

  • Funcția tehnică: Un sensor CMOS de tip High Dynamic Range (HDR - Gama Dinamică Înaltă) capturează o imagine care este procesată în timp real de un sistem integrat de tip System-on-Chip (SoC - sistem pe chip).

  • Viziune bazată pe AI: Acest SoC rulează algoritmi de tip deep learning (învățare profundă) (Convolutional Neural Networks - rețele neuronale convolutive) antrenate pe seturi de date vaste, specifice sistemului feroviar. Sistemul AI este responsabil cu detecția și clasificarea obiectelor (identificarea "unei mașini" vs. a "unui pieton") și cu segmentarea semantică (etichetarea fiecărui pixel drept "șină", "drum", "trotuar"etc.).

• Ochiul adaptat condițiilor meteorologice (Radar - LRR5): A cincea generație de radar cu rază lungă furnizează măsurători fizice ce extinde percepția sistemului, indiferent de condițiile meteorologice existente.

  • Funcția tehnică: Operând în banda de frecvență 76-77 GHz, LRR5 măsoară direct distanța unui obiect (prin "timpul de zbor") și viteza relativă (prin efectul Doppler) cu acuratețe mare, la distanțe de peste 250 de metri. Avantajul său cheie îl reprezintă robustețea în fața ploii, a ceții, a zăpezii și a întunericului.

• Al treilea ochi (LiDAR): LiDAR (Light Detection and Ranging - detecție și randare pe bază de lumină) este un factor cheie pentru nivele înalte de automatizare, specializat în precizie geometrică.

  • Funcția tehnică: Folosind pulsații laser, LiDAR creează un nor dens de puncte 3D al mediului înconjurător. Excelează în detecția "spațiului liber", confirmând dacă un traseu este liber de obstacole fizice, inclusiv de obstacole discrete precum sunt reziduurile. De asemenea, detectează "încălcări de perimetru" ("envelope violations") — obiecte care pătrund în zona urmărită — cu acuratețe mai mare decât radarul.

• Vederea de aproape (Ultrasonic Sensors - USS6 - senzori ultrasonici): Generația 6 a senzorilor ultrasonici Bosch permite monitorizarea vecinătății imediate a tramvaiului sau a trenului pentru a asigura siguranța în condiții de viteză redusă.

  • Funcția tehnică: Folosind unde de frecvență înaltă, USS oferă măsurători precise, în timp real, a vecinătății imediate (\< 5 metri). Permite implementarea funcționalităților precum detecția platformei (prevenind deschiderea incorectă a ușilor), asistența la cuplare (augmentând siguranța în timpul cuplării), și o alarmă la pornirea de pe loc (prevenind coliziunea cu obstacole mici, aflate pe jos, în fața tramvaiului care se pune în mișcare).

Creierul: Cum gândim și decidem

Informația adunată de "Ochi"este procesată de creierul sistemului, anume rail processing unit (RPU - unitatea de procesare feroviară).

• Funcția tehnică: RPU este o unitate de control de înaltă performanță care servește drept "creier", responsabil cu procesarea centrală. Principalele sarcini ale RPU sunt:

  • Fuziunea senzorilor: Funcția principală este de a fuziona datele de la toți senzorii—corelând clasificarea oferită de cameră ("persoană") cu măsurătorile radar ("la 50 de metri distanță") și cu poziția LiDAR ("pe trotuar")—într-o înțelegere singulară, unificată a lumii înconjurătoare.

  • Luarea deciziilor: Pe baza acestor date fuzionate și a algoritmilor predictivi, RPU evaluează riscurile coliziunii și ia decizii, precum, "Acesta este un pericol posibil, ar trebui să atenționez vatmanul."

Mușchii: Cum acționăm

După ce creierul ia decizii, "mușchii" sistemului—interfețele cu vehiculul—preiau controlul.

• Vocea (HMI Interface - interfața om-mașină): Când RPU decide că este nevoie să trimită o avertizare, acesta trimite o comandă pe ecranul și în boxele vatmanului, generând sunete și semne luminoase care spun, "Atenție!"

• Reflexele (Braking System Interface - interfața de frânare): Dacă o situație devine critică, RPU își poate folosi "mușchii" pentru a declanșa sistemul de frânare a tramvaiului.

Augmentarea sistemului: conștiința de sine și comunicarea

Funcțiile de bază sunt îmbunătățite prin două capacități suplimentare: localizare și conectivitate.

A ști unde te afli (Localizarea)

• Detectarea mișcării (IMU - Inertial Measurement Unit - unitatea de măsurare a inerției): IMU, un sensor bazat pe MEMS cu un accelerometru în 3 axe și giroscop, oferă un flux continuu de date despre fiecare mișcare a tramvaiului sau a trenului. Rolul său primar este navigarea prin calcul (dead reckoning), ceea ce permite sistemului să mențină o poziție estimată exactă în lipsa temporară a serviciului GNSS.

• Harta "Te afli aici" (GNSS): o antenă multi bandă furnizează coordonate globale absolute. Aceste date, fuzionate cu informațiile de la IMU furnizează o poziție corectă și îmbunătățește predicția, chiar în condiții meteorologice precare sau lumina deficitară.

Comunicarea (Conectivitatea)

• Conectivitatea la Cloud. O conexiune celulară (LTE) permite sistemului să comunice cu un server, ceea ce transformă tramvaiul sau trenul într-un nod ce face parte dintr-o rețea conectată.

• Actualizări OTA. Când Bosch dezvoltă modele AI sau funcționalități software, actualizările pot fi implementate, de la distanță, Over-the-Air (OTA). Acest lucru permite întregii flote să devină mai inteligentă și mai capabilă, în timp, fără a fi nevoie de service individual.

Concluzie: o soluție adaptată pentru automatizare

Ca următor pas inovator după lansarea Tram assist suite, Bosch Engineering lucrează deja la concepte pentru transportul feroviar urban automatizat al viitorului. Un exemplu este automatizarea traficului din depouri. Acest lucru va permite vatmanului să parcheze tramvaiul în depou, la finalul turei, cu ajutorul funcției automate. Funcția automată va prelua controlul înainte ca tramvaiul sau trenul să fie plasat în poziția finală în depou - fără alte intervenții suplimentare din partea vatmanului.

Bosch tram suite reprezintă o schimbare de paradigmă în tehnologia feroviară urbană. Conceptul depășește implementările bazate pe sisteme izolate și pentru a crea o platformă conectată, fiecare componentă este realizată pentru a susține viitorul automatizării. Combinând senzorii de ultimă generație cu procesare rapidă, bazată pe AI și infrastructură scalabilă, Bosch Engineering oferă o soluție care este mai mult decât suma părților. Platforma aduce o îmbunătățire semnificativă din punctul de vedere al siguranței operaționale, oferind, în același timp, o investiție pragmatică și strategică în obținerea unui sistem de transport public mai sigur, mai eficient și mai automatizat.