POPIS PROJEKTU
NÁZEV PROJEKTU
Výzkum a vývoj funkčního vzorku železničního vozu s možností sběru dat a softwaru, simulátoru s možností generování dat pro nácvik detekce překážek v simulovaných podmínkách
CÍL PROJEKTU
Vyvinout funkční model železničního vozu detekujícího překážky v jízdním profilu pomocí HW senzorů, sofistikované architektury zpracování dat a s využitím umělé inteligence na jejich konečnou identifikaci a další interpretaci strojvedoucímu
FINANČNÍ PODPORA
Projekt byl spolufinancován se státní podporou Technologické agentury České republiky v rámci programu TREND 1 – Program na podporu průmyslového výzkumu a experimentálního vývoje
SPOLUÚČASTNÍK PROJEKTU
IT4Innovations národní superpočítačové centrum VŠB – Technická univerzita Ostrava
DÉLKA PROJEKTU
1. 1. 2020 – 31. 12. 2022
VÝSTUPY
Funkční vzorek detekční jednotky, simulátor (iX-Rails)
VÝSTUP PROJEKTU: Simulátor (iX-Rails)
Kromě vytvoření funkčního vzorku detekční jednotky bylo důležitou součástí výzkumného projektu vytvoření softwarového simulátoru pro virtualizaci traťových podmínek a realizaci testovacích jízd v laboratorním prostředí, který slouží jako klíčová podpora pro vývoj a optimalizaci detekčního systému.
JAK PROBÍHÁ SIMULACE
Software vytváří 3D virtuální prostředí kolem železniční trati a umožňuje simulovat pohyb železničního vozu po trati za podmínek definovaných uživatelem. Simulátor jízdy vlaku po trati slouží jako nástroj pro tvorbu dat pro učení neuronové sítě detekční jednotky, jejíž funkční vzorek byl dalším výstupem tohoto projektu.
Za běžných provozních podmínek na železnici je velmi obtížné získat reálné data, např. o krizových událostech nebo různých typech počasí. Aby se neuronová síť mohla z dat skutečně učit, je třeba provádět simulace na železniční trati:
Nebezpečné události
nehody, překážky na trati, mimořádné události atd.
Povětrnostní podmínky
vliv různých povětrnostních podmínek (déšť, sníh, mlha) a vzhled okolí trati v závislosti na ročním období
Výstupem simulátoru je mimořádně kvalitní zobrazení na úrovni špičkových her, které se skládá z dat senzorů, videosekvencí RGB, infračervených kamer, point cloudu LIDARu a GPS polohy vlaku, včetně synchronního záznamu časových značek a přesné polohy vlaku na simulované trati.
TECHNICKÉ ŘEŠENÍ
K vytvoření jednotlivých scén použila společnost IXPERTA software Blender – open source balík šířený pod licencí GNU GPL pro modelování a vykreslování 3D počítačové grafiky, animací, her nebo filmů. Jeho výhodou oproti jiným softwarům (např. herním enginům jako Unity) je realističnost zobrazení scény a také snadná přenositelnost na všechny podporované platformy.
Jednotlivé simulace jsou statické, nejprve bylo třeba definovat situaci – vytvořit scénář, vymodelovat prostředí, nechat situaci vykreslit). K vykreslení jednotlivých scén byl využit výkon superpočítače ITforI. Současně bylo nutné vygenerovat řadu 3D modelů, které byly použity k dokončení 3D scény.
V rámci projektu byla například vytvořena simulace části Švestkové dráhy, soukromé dráhy společnosti AŽD mezi Lovosicemi a Mostem. Simulována byla i celá trať v úseku Rovné – Divišov.
TECHNOLOGICKÉ VÝZVY
Během tří let trvání projektu čelil vývojový tým společnosti IXPERTA řadě technologických výzev, jako např.:
Realistické zobrazení
Zajištění realistické reprezentace scény pro učení neuronových sítí – řešeno pomocí softwaru Blender.
Prvky ve scénách
Nastavení prvků v jednotlivých scénách – vytvořený doplněk pro Blender, který umožňuje snadno vkládat nebo měnit objekty.
Doba vykreslování
Zkrácení doby vykreslování náročných scén (kombinace různých scénářů, všech typů počasí a ročních období) – využití výkonu superpočítače ITforInnovations.
Vykreslování dat
Vykreslování dat z LIDARu a infračervené kamery v programu Blender a další.
Spolupráce s IT4INNOVATIONS
Společnost IXPERTA spolupracovala na projektu s IT4Innovations, národním superpočítačovým centrem, které je součástí VŠB – Technické univerzity Ostrava. IT4I provozuje superpočítač, na kterém se prováděly simulace pro tento projekt. Úkolem společnosti IT4Innovations bylo vytvořit prostředí 3D virtuálního simulátoru a vygenerovat dostatečné množství kvalitních dat pro trénink detekčního algoritmu.
K vytvoření věrohodného virtuálního prostředí železniční trati bylo třeba vzít v potaz velké množství dat (např. převýšení terénu, rastry vegetace, rychlostní profily vlaků, různé typy statických a dynamických objektů). Vzhledem k výpočetní náročnosti generovaných dat byl k vykreslení scén využit výkon superpočítače, což výrazně urychlilo práci na objektu.
Závěr
Simulované prostředí umožňuje vytvářet různé typy krizových situací, o nichž je velmi obtížné získat údaje v běžném provozu. V rámci řešení simulátoru byly specifikovány konkrétní důležité scénáře, které mohou nastat, a byly určeny důležité parametry virtuálního prostředí, které lze ovlivnit. To vše s cílem definovat složitost simulátoru a zároveň zajistit požadovanou variabilitu a věrohodnost dat potřebných pro trénink detekčního algoritmu.
V současné době není na trhu žádný jiný univerzální software, který by dokázal virtuálně replikovat vstupy pro učící se detekční systém na skutečné železniční trati, včetně klimatických a jiných omezujících podmínek. Funkční jednotka simulátoru iX-Rails tak představuje unikátní řešení v rámci bezpečnosti železniční dopravy a její výstupy lze využít pro vývoj a ověřování nových algoritmů pro detekci překážek na železniční trati.
Z těchto dat lze v případě potřeby vytvořit sady, které lze sdílet pro jiné účely, např. pro detekci překážek. Simulátor iX-Rails usnadňuje a zefektivňuje vytváření železničních simulací a dokáže simulovat skutečnou železniční trať během několika hodin.
O IT4INNOVATIONS
IT4Innovations, národní superpočítačové centrum VŠB – Technická univerzita Ostrava, je přední výzkumné, vývojové a inovativní centrum v oblasti vysoce výkonné výpočetní techniky, analýzy dat, umělé inteligence a jejich aplikací v dalších vědeckých, průmyslových a společenských oblastech. Od roku 2013 provozuje nejvýkonnější superpočítačové systémy v České republice, které poskytuje českým i zahraničním výzkumným týmům z akademické i soukromé sféry.
O společnosti IXPERTA
Společnost IXPERTA působí ve světě informačních technologií na českém a slovenském trhu již více než 30 let. Specializuje se na infrastrukturní řešení, kybernetickou bezpečnost, návrh softwaru na zakázku a umělou inteligenci. Technologický tým společnosti IXPERTA má za sebou několik unikátních a technologicky složitých řešení, včetně slovenského superpočítače Devana. Společnost se také podílí na výzkumných projektech, v posledních třech letech realizovala v České republice dva výzkumné projekty v oblasti zabezpečení železniční dopravy.