CC BY
27Применение систем технического зрения в интересах железнодорожных войск
Д.А. РОЩИН, кандидат технических наук
Генерал-лейтенант О.И. КОСЕНКОВ
АННОТАЦИЯ. Рассматриваются перспективы и области возможного применения систем с техническим зрением для обеспечения действий Железнодорожных войск по предназначению. Описаны структура, функциональное назначение и принцип действия данных систем в зависимости от области их применения.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: система технического зрения, Железнодорожные войска, беспилотный летательный аппарат, техническая разведка, геодезические измерения, испытания, безопасность движения железнодорожного транспорта.
SUMMARY. The article considers prospects and areas of possible applications of technical vision systems for ensuring the assigned actions of the Railway Troops. The structure, functional purpose and principle of operation of these systems are described depending on the field of their application.
KEYWORDS: technical vision system, Railway Troops, unmanned aerial vehicle, technical reconnaissance, geodetic measurements, tests, safety of railway traffic.
В СООТВЕТСТВИИ с утвержденным постановлением Правительства Российской Федерации (РФ) Планом технического прикрытия инфраструктуры железнодорожного транспорта общего пользования РФ в мирное и военное время, Железнодорожные войска (ЖДВ) выполняют задачи по техническому прикрытию порученных объектов инфраструктуры железнодорожного транспорта РФ, наведению и эксплуатации наплавных железнодорожных мостов.
ЖДВ участвуют в ликвидации последствий аварий, катастроф и других стихийных бедствий, парализующих движение железнодорожного транспорта (ЖДТ), способствуют повышению живучести и пропускной способности действующих железных дорог. Условия деятельности ЖДВ обусловливают высокую оперативность и организованность действий при выполнении поставленных задач. Сокращение сроков выполнения задач может быть достигнуто за счет повышения уровня оснащенности современными техническими средствами, в том числе средствами, реализующими технологию технического (компьютерного) зрения, которая на современном этапе развития цифровых технологий компьютерной области считается одной из самых перспективных и востребованных. Потенциал практического применения систем технического зрения (СТЗ) еще полностью не раскрыт, соответственно возникает необходимость в детальном изучении существующих и в проведении исследований по созданию новых образцов таких систем с целью реализации их возможностей в интересах ЖДВ.
Особенности систем технического зрения
Под техническим зрением понимается вид деятельности, производимый техническими устройствами (машинами), в котором для извлече-
ния данных из оптических изображений применяются статистические методы и используются модели, построенные с помощью геометрии, физики и теории обучения1. Техническое зрение основывается на:
четком представлении об устройствах фото- или видеофиксации (камерах) и физическом процессе формирования изображения;
упорядочении группы пикселей с целью их разделения или получения информации о форме;
получении простых выводов на основе изучения отдельного набора пикселей;
умении суммировать информацию, полученную из множества изображений;
распознавании объектов на основе полученной информации с применением вероятностных методов.
«Органом зрения» СТЗ является камера, представляющая собой оптико-электронное устройство, с помощью которого СТЗ извлекает из потока излучения информацию о форме, размерах, положении и тепловой энергии объекта наблюдения путем его преобразования в электрический сигнал и последующей обработки. Общая структура типичной СТЗ представлена на рисунке.
Рис. Общая структура типичной системы технического зрения
Области возможного применения СТЗ в интересах ЖДВ
Начиная с 2016 года в научно-исследовательских организациях Железнодорожных войск (НИО ЖДВ) проводятся исследования, направ-
1 Мошкин В.И., Петров А.А., Титов В.С., Якушенков Ю.Г. Техническое зрение роботов. М.: Машиностроение, 1990.
ленные на выявление возможностей применения СТЗ в интересах ЖДВ. Результаты, полученные в ходе этих исследований, позволили определить четыре основные области возможного применения данных систем для выполнения задач по предназначению ЖДВ2: первая — воздушная разведка; вторая — геодезические измерения; третья — проведение испытаний техники ЖДВ; четвертая — обеспечение безопасности движения железнодорожного транспорта.
Разведка организуется и проводится в целях: добыть сведения о противнике и местности в районах предстоящих действий частей ЖДВ, необходимых для успешного выполнения ими поставленных задач; предупредить и не допустить внезапное нападение противника на пункты управления, районы расположения частей, восстанавливаемые (прикрываемые, заграждаемые) объекты.
Основные усилия разведки сосредоточиваются на своевременном обеспечении командования разведывательной информацией.
В настоящее время наиболее эффективными средствами воздушной разведки считаются беспилотные летательные аппараты (БПЛА), которые зачастую оснащаются мультиспектральными камерами видеонаблюдения, работающими как в видимом, так и в инфракрасном (ИК) диапазоне длин волн. Это существенно расширяет возможности БПЛА, позволяя выполнять сразу несколько задач в сложных метеоусловиях и в любое время суток. Сбор и обработка разведданных, поступающих с БПЛА, может выполняться с применением СТЗ, которые позволяют существенно облегчить решение задач, направленных на выявление: особенностей рельефа местности; состояния транспортных коммуникаций; наличия естественных препятствий; характера водных преград и условий их преодоления; районов разрушений, пожаров и затоплений, возможных путей их преодоления (обхода); местных ресурсов, которые могут быть использованы для выполнения задач в районе предстоящих действий.
В период подготовки к восстановлению подразделения технической разведки собирают и изучают данные об особенностях рельефа местности, технических характеристиках и состоянии железнодорожной инфраструктуры, возможности использования для восстановления местных ресурсов. Данные добываются сбором и изучением технической документации о железных дорогах, материалов проектной документации на восстановление, материалов воздушной разведки. Соответственно СТЗ могут также успешно применяться для решения задач технической разведки, которая организуется в целях получения следующих данных:
характер и объемы разрушений земляного полотна, верхнего строения пути, искусственных сооружений, устройств связи и средств централизации и блокировки (СЦБ), электрификации, локомотивного хозяйства и водоснабжения, служебно-технических зданий;
определение условий сооружения обходов железнодорожных объектов, разрушенных различными видами оружия;
определение объемов и характера завалов от подвижного состава и служебно-технических зданий на узлах (станциях) и перегонах;
определение количества и состояния подвижного состава на разведываемом объекте или железнодорожном участке;
2 Наставление по применению Железнодорожных войск, Часть 1 (бригада, полк, батальон), утверждено заместителем Министра обороны Российской Федерации 16 октября 2013 г.
выявление на разведываемых участках и объектах строительных и восстановительных материалов, оборудования и техники, которые могут быть использованы при восстановительных работах;
наличие и состояние автомобильных дорог для подъезда к восстанавливаемым железнодорожным участкам и объектам;
получение других сведений.
СТЗ обладает способностью осуществлять измерения дальности пассивным способом на основе анализа изображений объектов, полученных в результате фотографирования. Такой метод обеспечивает скрытность измерений, т.е. измеряемые объекты не могут обнаружить, что по ним измеряется дальность, что особенно важно для решения военных задач. Это обстоятельство является несомненным преимуществом СТЗ, поскольку большинство современных лазерных дальномеров основаны на активном способе измерения дальности, заключающемся в посылке на дистанцию лазерного импульса. Такой способ не обеспечивает скрытности измерений, так как оптические датчики, установленные на цели, позволяют легко выявить сам факт измерения и определить направление и координаты точки, откуда было произведено измерение, т. е. происходит обнаружение дальномера.
СТЗ могут быть задействованы для решения широкого круга измерительных задач в процессе строительства объектов инфраструктуры ЖДТ, а также при проведении испытаний специальной техники, инвентарных мостовых конструкций и военно-технического имущества, создаваемого в интересах ЖДВ.
Строительство новых железнодорожных участков (объектов) предусматривает проведение инженерно-геодезических изысканий, при которых выполняется топографическая (наземная, аэрофототопографическая, стереофотограмметрическая и др.) съемка, включая съемку сооружений. Инженерно-геодезические изыскания для строительства должны обеспечивать получение топографо-геодезических материалов и данных о ситуации и рельефе местности, существующих зданиях и сооружениях, других элементах планировки (в цифровой, графической, фотографической и иных формах), необходимых для комплексной оценки природных и техногенных условий территории (акватории) строительства с целью принятия решения о способах восстановления движения поездов.
Топографическая съемка выполняется путем различного сочетания наземных и высотных методов. Аэрофототопографический метод допускает применение БПЛА, которые для повышения эффективности могут быть оснащены СТЗ в целях обеспечения автоматизации процесса получения, обработки и представления объективных пространственных данных на объекте производимой съемки. При этом СТЗ может выполнять функцию автопилота, выбирая оптимальный маршрут полета для охвата всей площади объекта. Даже при отсутствии спутниковой навигационной системы СТЗ способны самостоятельно ориентироваться на местности. Для корректного прокладывания маршрута в соответствии с полетным заданием принимаются в расчет следующие параметры: требуемое разрешение фотосхемы, технические характеристики фотокамеры (разрешение матрицы, фокусное расстояние и угол зрения объектива), величина перекрытия кадров. По этим параметрам рассчитывается необходимая высота полета, скорость БПЛА и частота фотографирования.
В процессе фотосъемки СТЗ может одновременно формировать фотосхему местности путем монтажа на общую основу обрезаемых по перекрывающимся контурам и стыкуемых смежных снимков с учетом зафиксированных в полете элементов внешнего ориентирования.
В зависимости от назначения фотосхема местности может быть маршрутной (например, вдоль реки, проектируемого участка пути) или площадной с компоновкой в границах изучаемого объекта в соответствии с принятой разграфкой топографических карт. При проведении аэрофотосъемки крайне важно соблюдать требования по перекрытию снимков3, которые составляют, как правило, 60 % в продольном и 30 % в поперечном направлении. Оператору, управляющему БПЛА, порой бывает очень сложно придерживаться правильной траектории полета, в то время как СТЗ позволяет компенсировать не только воздействие порывов ветра, но и особенности рельефа местности, что обеспечивает требуемое перекрытие снимков.
Результаты измерений, полученные СТЗ, отличаются точностью и достоверностью, так как съемка объектов на местности выполняется прецизионными и предварительно откалиброванными камерами. Высокая производительность достигается благодаря тому, что измеряют не сами объекты, а их изображения. Но главное преимущество применения таких систем заключается в том, что работы можно проводить дистанционным методом, что имеет особое значение в условиях, когда пребывание в зоне работ небезопасно для жизни человека.
Тем не менее дальность проводимых измерений СТЗ, построенной на базе фотограмметрического устройства, сильно ограничена и не может конкурировать с такими геодезическими приборами, как электронные тахеометры. С другой стороны, хотя геодезические приборы и являются высокоточными средствами измерений, они в отличие от СТЗ не способны за короткий промежуток времени выполнить комплексные измерения, направленные на определение формы или ориентации объекта в пространстве. Также геодезические приборы лишены способности самостоятельно производить поиск требуемого объекта и отслеживать его перемещение в пространстве. Соответственно возникает необходимость интеграции СТЗ и геодезических приборов, которая позволит реализовать их преимущества, устранить недостатки и значительно расширить диапазон и область совместного применения.
В Научно-исследовательском испытательном центре специальной техники Железнодорожных войск (НИИЦ СТ ЖДВ 3 ЦНИИ Минобороны России) проводятся исследования, направленные на обоснование основных вариантов создания координатно-измерительной СТЗ, точность которой не уступает современным геодезическим приборам и при этом обеспечивается функциональность и производительность, свойственная СТЗ. Данная система относится к области информационно-измерительных систем и предназначается для решения задач, связанных с измерением дальности, линейных размеров и координат объектов. Она позволит измерять расстояния до тех объектов, до которых невозможно или очень сложно проводить измерения с помощью лазерных дальномеров, например: тонкие провода, антенны, находящиеся на большом расстоянии объекты с низким коэффициентом отражения, зеркальные поверхности, прозрачные материалы, движущиеся объекты и т. п. Особое значение эта система имеет для обеспечения работ, охватывающих значительные территории (места взрывов, крушений, техногенных аварий и т. д.), когда зафиксировать традиционными средствами местоположение всего множества объектов (следов, обломков и т. д.) невозможно или для этого требуются значительные временные затраты.
3 СП 11-104-97. Инженерно-геодезические изыскания для строительства. М.: Государственный комитет Российской Федерации по жилищной и строительной политике (Госстрой России). 1997.
К настоящему времени обоснована целесообразность создания ко-ординатно-измерительной СТЗ и проведен анализ существующих средств измерений линейных и угловых величин, в ходе которого сформированы основные требования4, предъявляемые к системе в целом и к ее функциональным возможностям в частности.
Важным направлением повышения эффективности действий ЖДВ при выполнении строительно-восстановительных работ на порученных объектах является совершенствование образцов техники ЖДВ. Один из очевидных путей совершенствования — повышение уровня автоматизации функционирования техники, в том числе за счет внедрения СТЗ. Это будет способствовать не только увеличению производительности и безопасности труда, но и обеспечению дополнительного контроля качества выполняемых работ. Проведение восстановительных работ требует выполнения большого объема одинаковых (рутинных) операций: пришивка подкладок и рельсов к шпалам в процессе сборки рельсо-шпальной решетки на звеносборочном стенде, монтаж болтовых соединений в процессе сборки мостовых паромов наплавного железнодорожного моста НЖМ-56 и др. Часть этих операций может быть выполнена механизированным способом с применением техники, оснащенной СТЗ. Например, при сборке рельсошпальной решетки на звеносбороч-ном стенде с помощью СТЗ может обеспечиваться позиционирование шпал под механизмами сверления отверстий, установки подкладок и рельсов. В целях автоматизации сборки мостовых паромов может быть разработан механизм для закручивания болтов, в котором при помощи СТЗ будет производиться его позиционирование над местом их установки. Таким образом, благодаря применению СТЗ увеличится производительность путевых и мостовых работ.
Испытания технических средств являются неотъемлемой частью комплекса мероприятий и работ по созданию и совершенствованию технических средств и конструкций, предназначенных для ЖДВ.
Согласно требованиям системы стандартов5, регламентирующих порядок разработки и постановки на производство военной техники (ВТ), образцы изделий, создаваемые в ходе выполнения опытно-конструкторских работ (ОКР) и поставляемые в Вооруженные Силы РФ, подвергают различным видам испытаний, проводимым в ходе выполнения ОКР и при их серийном производстве и поставке в войска. Основной целью данных мероприятий является проверка и подтверждение характеристик разрабатываемых (поставляемых) образцов ВТ на предмет их соответствия предъявляемым к ним требованиям.
Задачи по выполнению испытаний образцов ВТ, создаваемых в интересах ЖДВ, возложены на испытательные полигоны (ЖДТ) и НИИЦ СТ ЖДВ, являющиеся структурными подразделениями ФГБУ «3 ЦНИИ» Минобороны России. В настоящее время в целях повышения уровня оснащенности данных подразделений измерительными средствами проводится работа по созданию мобильного измерительного комплекса. Данный комплекс позволит выполнять задачи, связанные с измерениями и предварительной обработкой получаемых данных, в ходе проведения широкого спектра испытаний образцов ВТ, конструкций и военно-технического имущества в полевых условиях. Для решения этих задач в состав комплекса включаются малогабарит-
4 Рощин Д.А. Формирование требований для разработки следящей оптической коорди-натно-измерительной системы. // Сборник материалов XIII международной научно-практической конференции «Научный поиск в современном мире». М., 2016, С. 21—26.
5 ГОСТ РВ 15.210-2001. Система разработки и постановки продукции на производство. Военная техника. Испытания опытных образцов изделий и опытных ремонтных образцов изделий. Основные положения. М.: Стандартинформ, 2002.
ные многофункциональные измерительные средства и системы, в том числе обеспечивающие неразрушающий контроль.
Включение координатно-измерительной СТЗ в состав комплекса позволит измерять линейные величины (габариты, деформации, перемещения и напряжения в элементах строительных конструкций, уклоны и крены, просадки опор, осадки понтонов и т. д.), ускорение, частоту вращения валов, муфт и колес машин. СТЗ также может использоваться для обработки данных, получаемых от дефектоскопов (ультразвуковых, инфракрасных или электронно-оптических), что позволит автоматизировать процесс контроля сварных швов, температуры опытных образцов и их элементов, а также повысить эффективность обнаружения дефектов и трещин в металлоконструкциях. Оснащение СТЗ камерой высокого разрешения и устройством монохромного равномерного освещения позволит измерять перемещение каждой точки поверхности испытуемого объекта с точностью, определяемой свойствами используемой фоточувствительной матрицы. Следовательно, могут решаться задачи по регистрации микродеформаций и очень больших деформаций в зависимости от области наблюдения.
Помимо решения измерительных задач СТЗ способна обеспечить непрерывное наблюдение изменяющихся факторов в режиме реального времени, их программную обработку с возможностью отображения процесса изменения на экране монитора в виде графика, а также хранение, воспроизведение и сопоставление результатов измерений.
Обеспечение безопасности движения ЖДТ — это проблема, возникающая в ходе действий ЖДВ по предназначению как при производстве строительно-восстановительных работ на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта, так и при выполнении задач по временной эксплуатации восстанавливаемых головных участков железнодорожного пути.
Анализ состояния безопасности движения на железных дорогах за длительный период показывает, что еще имеют место грубые нарушения, такие, как проезды на запрещающие сигналы и превышение установленных скоростей6. Это свидетельствует о недостаточном уровне организации безопасности движения ЖДТ даже в условиях мирного времени, когда технические средства, обеспечивающие безопасность работы инфраструктуры железнодорожного транспорта, задействуются в полном объеме. Соответственно возникает необходимость принятия дополнительных мер, способствующих повышению уровня безопасности. В качестве одной из таких мер рассматривается возможность применения устройств технического зрения в системе безопасности движения поездов, что позволит своевременно информировать машиниста о наличии посторонних объектов на железнодорожном пути или в пределах габарита подвижного состава и повысит вероятность предотвращения столкновения с ним.
Машинист на основе воспринимаемой информации оценивает ситуацию и производит управляющее действие на состав, поэтому очень важно, чтобы воспринимаемая им информация соответствовала действительности. Информации, получаемой только от устройств автоматической локомотивной сигнализации, машинисту часто бывает недостаточно, но и на свои органы чувств он не должен полагаться полностью. Известно, что динамический глазомер в светлое и темное время суток, а также в начале и конце работы значительно изменяется. При резком изменении освещенности глаз переключается с одной системы
6 Венцевич Л.Е. Локомотивные устройства обеспечения безопасности движения поездов и расшифровка информационных данных их работы. М.: Маршрут, 2006.
рецепторов на другую, поэтому некоторое время машинист не видит, так как сетчатке глаза необходимо время для адаптации. Это время с возрастом увеличивается. В темноте пропадает объемность восприятия, резко снижается видимость промежуточных ориентиров перед сигналом и очень легко ошибиться в выборе дистанции для торможения.
Существенную помощь машинисту могут оказать СТЗ, построенные на базе ИК-камер, работающих в среднем (3—5 мкм) и коротковолновом диапазоне спектра (0,9—1,7 мкм). Они позволяют визуализировать ИК-изображение в видимом для человеческого глаза диапазоне спектра и передать качественную картинку местности в любое время суток и при любых погодных условиях: полная темнота, снег и дождь, дым и туман. Благодаря присутствию в таких камерах объектива, обладающего свойством оптического приближения, у машиниста появляется возможность издалека обнаружить препятствие на путях в сложных метеоусловиях и успеть выполнить торможение.
Применение СТЗ для повышения безопасности движения ЖДТ может быть реализовано следующим образом. Система в автоматическом режиме измеряет расстояние до объекта, находящегося впереди по направлению движения локомотива. Когда расстояние уже близко к критическому, система посылает запрос машинисту (например, включает звуковой сигнал). Если после этого через некоторый интервал времени от машиниста не поступил ответный сигнал (подтверждение приема), включается система экстренного торможения. За выделенное время машинист производит оценку ситуации, определяя вероятность и последствия возможного столкновения с обнаруженным на путях препятствием. При этом он оперирует дополнительной информацией, отображаемой на экране устройства, о габаритах объекта, его скорости и направлении движения.
Помимо обнаружения препятствий на путях СТЗ способна определять визуальные сигналы, в том числе дублировать сигналы путевых светофоров, фиксируя их на больших расстояниях. Также она может оказаться полезной для визуального отображения на информационном экране машиниста места остановки состава, исходя из расчета тормозного пути.
Таким образом, одной из приоритетных задач НИИЦ СТ ЖДВ 3 ЦНИИ Минобороны России является выполнение научно-исследовательских работ, направленных на совершенствование существующих и создание новых образцов технических средств (конструкций) в интересах ЖДВ, позволяющих повысить эффективность выполнения задач по предназначению. Учитывая тенденции современного развития, направленные на создание интеллектуальных и высокоточных технических средств и вооружений, в указанном НИИЦ проводятся исследования в области развития автоматизированных систем управления.
Несмотря на то что СТЗ известны уже давно, они до сих пор не находили своего практического применения в ЖДВ. Анализ возможностей СТЗ показал перспективы и области их возможного применения в интересах ЖДВ. Построенные модели СТЗ (математические, физические и имитационные) позволили определить структуру и взаимные связи между элементами систем, осуществить проверку их функциональной части на возможность выполнения назначенных функций. На моделях опробован принцип действия СТЗ, отработаны методики проведения координатных измерений, а также определены технические и метрологические требования, которым должны соответствовать разрабатываемые системы.
