Введение
Активное развитие искусственного интеллекта, нейросетей, а также систем беспилотного вождения транспортных средств невозможно без активного развития систем технического зрения (СТЗ) и внедрения их как в конструкцию транспортных средств, так и в транспортную инфраструктуру. Россия не является первопроходцем во внедрении таких систем, они активно используются в транспортных комплексах иностранных государств [1]. В долгосрочной перспективе системы технического зрения станут неотъемлемым узлом в составе интеллектуальных роботизированных транспортных средств. Их задачей является обеспечение безопасности движения, снижение напряженности транспортного трафика и уменьшение вероятности аварийных ситуаций. А создание цифровых двойников объектов инфраструктуры и подвижного состава позволяет перейти к ремонту «по состоянию», с учетом сбора большого объема данных [2].
Цель обзора – обобщение информации о существующих системах технического зрения, классификация их по различным параметрам, рассмотрение применяемых в системах датчиков, их принципа действия, преимуществ и недостатков, а также анализ места установки датчиков и направления их видимости с целью выбора оптимальных СТЗ для различных видов транспорта.
Материалы и методы исследования
В качестве предметов исследования рассматриваются места установки и различные типы датчиков технического зрения. В процессе подготовки обзора было проанализировано более 30 материалов (статей, патентов, презентаций, законов и подзаконных актов), вышедших в 2007–2024 гг., 15 из которых легли в основу данного обзора. В результате были определены наиболее часто применяемые типы датчиков, рассмотрены места их установки. По результатам обзора сделан вывод о необходимости использования одновременно нескольких типов датчиков для более точного обнаружения объектов.
Результаты исследования и их обсуждение
Системы технического зрения можно классифицировать по множеству критериев. Основными из них являются:
− место установки;
− направленность камеры;
− принцип работы;
− дальность видимости.
По месту установки камеры СТЗ можно подразделять на три вида: системы, расположенные на транспортном средстве (передвижная), на транспортной инфраструктуре (статическая) и закрепленная на униформе работника транспортного комплекса (мобильная). Оптимальное место установки напрямую зависит от тех задач, которые предстоит выполнять данной СТЗ и определяется в совокупности с направленностью камеры. На основе систем технического зрения можно реализовать мониторинг транспортной инфраструктуры, контроль соблюдения мер транспортной безопасности, выявление препятствий и контроль исправности транспортных средств [3].
При установке камеры на транспортное средство она, как правило, направлена на инфраструктуру для выявления препятствий, мешающих движению подвижной единицы. Такие СТЗ применяются в беспилотных системах управления транспортными средствами. Они могут не только выявлять препятствия для движения и останавливать транспортное средство, но и определять расстояния до препятствия и контролировать разметку на автодороге для реализации управляющих воздействий на рулевую и тормозную системы автомобиля. Аналогичные системы применяются для беспилотного вождения скоростных поездов. Применение таких систем технического зрения является оправданным, когда дальность определения препятствия и скорость реакции системы превышает показатели, водителя-оператора транспортного средства. При этом наиболее сложными условиями эксплуатации таких систем являются негативные погодные явления (дождь, туман, метель), а также темное время суток. Именно в этих условиях системы технического зрения многократно превосходят возможности человека [4].
Вторая категория камер, устанавливаемых на транспортных средствах, это камеры, направленные на наиболее ответственные элементы, узлы и агрегаты транспортного средства (как правило, механические). Задачей данной СТЗ является выявление предотказного состояния узла ТС и передача информации об этом оператору или в систему верхнего уровня. Сюда можно отнести камеры, направленные на силовые агрегаты (двигатели, генераторы) локомотивов, токоприемники высокоскоростных поездов, якорные системы на судах.
Системы технического зрения с направлением камеры на оператора-водителя транспортного средства необходимы для выявления нетипичного состояния оператора транспортного средства, в том числе для исключения работы в состоянии алкогольного, наркотического опьянения, а также выявления проблем со здоровьем которые могут отрицательно сказаться на безопасности движения. Системы контролируют состояние водителя на междугородних автобусах, выявляя преддремотное состояние водителя. Аналогичные системы используются для контроля водителей в России и крупных европейских городах [5]. Система контроля Ctrl@Vision 50 осуществляет проверки психоэмоционального состояния машинистов на железнодорожном транспорте.
Системы технического зрения, расположенные на объектах транспортной инфраструктуры, могут быть направлены на транспортные средства или на другие элементы инфраструктуры, в том числе на элементы инфраструктуры, не попадающие в поле зрения из-за особенностей профиля трассы или наличия искусственных сооружений в зоне видимости оператора транспортного средства [6].
Считывание номеров подвижных единиц, контроль их исправного состояния, определение отрицательной динамики – вот лишь малая часть функций, реализуемых системами технического зрения. Например, считывание номеров автомобилей при заходе их на платные участки трасс или на территорию определенных объектов (аэропортов, вокзалов и т.д.). Аналогично считываются номера вагонов, определяются их ходовые качества и исправность при прибытии поезда на крупные железнодорожные станции для оптимизации технологических процессов обработки вагонов на этих станциях [7].
При контроле искусственных сооружений СТЗ осуществляет мониторинг состояния этих объектов, например деформацию дорожного полотна (железнодорожного пути), и определяет возможность проследования по ним транспортных средств, а также контролирует неблагоприятные явления, которые могут нести угрозу безопасности движения (сход лавин, камнепадов, селей в гористой местности).
Кроме того, в автоматизированном режиме может контролироваться наличие посторонних людей в зоне транспортной безопасности с выдачей громкоговорящего голосового оповещения о необходимости покинуть зону ТБ и передачей видеоинформации силам транспортной безопасности для устранения нарушений в соответствии с федеральным законом 16-ФЗ «О транспортной безопасности» [8].
Мобильная система технического зрения – камера, закрепленная на униформе или головном уборе работника транспортной отрасли, она позволяет зафиксировать факт нарушения безопасности движения или факт брака при производстве технологического процесса. Контрольный кадр с необходимой информацией можно сохранить и отправить для фиксации факта с указанием даты, времени, местоположения работника и названием производимой технологической операции. Это придает фиксации нарушения юридическую силу и в дальнейшем может использоваться в процессе разбирательства [9].
Дальность видимости СТЗ напрямую зависит от применяемых в качестве датчиков устройств – приемников сигнала. Для определения необходимого для системы технического зрения оборудования необходимо определиться с тем, какая дальность видимости необходима для конкретной СТЗ. Так, для систем с высокой дальностью видимости оптимальным является использование камер с высоким фокусным расстоянием. Для средней зоны видимости оптимальным является применение камер в сочетании с тепловизорами, а для ближней зоны наилучшим будет применение видеокамер и датчиков – лидаров.
На эффективность работы систем технического зрения оказывают влияние множество факторов: уровень освещенности, погодные условия, угол обзора (для СТЗ беспилотных автомобилей он должен составлять 360º) и время реакции, которое не должно быть больше, чем у водителя транспортного средства.
При этом основными элементами, осуществляющими детектирование, являются следующие виды датчиков: лидары, радары, стереокамеры.
LiDAR – технология определения расстояния до объекта при помощи использования лазерных импульсов. Принципом работы данного устройства является посылка лазерного импульса в направлении цели, который будет отражаться от ее поверхности. Отраженный луч обнаруживается датчиком лидара. Измеряя время, затраченное на преодоление расстояния до препятствия и обратно, делается вывод о расстоянии от лидара до препятствия.
Компонентами технологии LiDAR являются: лазер, который вырабатывает импульсный луч; сканер, который направляет этот луч в область интереса (пространство перед подвижной единицей). Оптический элемент, который собирает отраженный свет на детекторе для дальнейшего его преобразования в электрический сигнал, а также расчета расстояния и создания 3D-модели объекта.
Преимуществом технологии LiDAR является высокая точность и разрешение, работа в условиях низкой освещенности, получение трехмерных данных, широкий диапазон применения. Недостатки: высокая стоимость, чувствительность к погодным условиям (туман, дождь), ограниченный диапазон обнаружения для небольших или темных объектов.
Радар – система радиообнаружения и определения дальности с использованием радиоволн для определения местоположения, скорости и других характеристик объектов. Принципом работы данного устройства является излучение радиоволны при помощи направленной передающей антенны в определенном направлении. Отраженный от препятствия луч возвращается к радару и воспринимается приемной антенной. Анализируя принятый сигнал, радар может определять целый ряд показателей:
− дальность до препятствия по времени от момента излучения сигнала до момента его возвращения;
− скорость движения препятствия по изменению частоты отраженного сигнала;
− размер и форму препятствия по интенсивности и форме отраженного сигнала.
Основным преимуществом радаров является возможность «видеть» сквозь непрозрачные среды (туман, дождь, снег), работа в любое время суток, при любой освещенности, возможность измерения дальности, скорости и направления движения. При этом радар имеет ограниченную точность определения формы и размера объектов, высокую стоимость, сложность обработки сигнала в условиях помех [10].
Видеокамеры и стереокамеры выступают в качестве «глаз», которые позволяют воспринимать окружающую среду. Принцип действия того и другого типа камер схож, однако есть и различия в их функционале. Видеокамеры захватывают изображение в режиме реального времени, передавая его на процессор для анализа. Могут использоваться монокулярные (стандартные) и широкоугольные камеры. Широкоугольные обеспечивают более полное представление об окружающей обстановке, но с меньшей детализацией удаленных объектов. Основные задачи: распознавание объектов, выявление пешеходов, сигнальных и дорожных знаков, показаний светофоров, других транспортных средств, разметки и препятствий. Сопоставив получаемое изображение с картами и данными GPS, добавляется функция определения координат местоположения транспортного средства с привязкой к кадру изображения. Анализ изменений в видеопотоке, совмещенный с изменением координат GPS, может применяться для определения скорости движения окружающих объектов и собственной скорости.
В стереокамерах используются две или более камеры, расположенные на небольшом расстоянии друг от друга, подобно человеческим глазам. Анализируя различия между изображениями, получаемыми каждой камерой, система вычисляет глубину и создает трехмерную модель пространства. Применение такого типа камер позволяет не только выявлять элементы дорожной инфраструктуры (дорожные знаки, разметка), но и определять расстояние до этих объектов [11].
Видеокамеры и стереокамеры, как правило, используются совместно для достижения максимальной эффективности. Видеокамеры обеспечивают широкий угол обзора и высокую частоту кадров, позволяя быстро реагировать на изменения в дорожной ситуации, а стереокамеры предоставляют точную информацию о глубине, что важно для маневрирования, безопасного обгона и объезда препятствий.
Для обработки данных с камер используются алгоритмы компьютерного зрения и искусственного интеллекта. Качество работы системы зависит от разрешения камер, скорости обработки данных, точности алгоритмов и погодных условий. Основной целью применения систем технического зрения на транспорте является увеличение безопасности движения и уменьшение человеческого фактора, наряду с оптимизацией численности обслуживающего персонала и водителей-операторов транспортных средств. Так, в зависимости от разметки дорожного полотна, система осуществляет управление рулевым механизмом, а возникшее препятствие в пути приводит к уменьшению скорости или остановке транспортного средства.
В соответствии с ГОСТ Р 70059 от 2022 г., в зависимости от выполняемых функций, систему управления подвижным составом классифицируют по пяти уровням автоматизации. Нулевой, первый и второй уровни предполагают отсутствие, частичную или условную автоматизацию. На третьем уровне автоматизации оператор находится в кабине управления, но остановку при внезапном возникновении препятствия или при подаче сигнала остановки реализует бортовое оборудование. На четвертом уровне автоматизации водитель-оператор в кабине отсутствует. Таким образом, на третьем и четвертом уровне автоматизации систем предполагается наличие на борту подвижной единицы датчиков, которые бы фиксировали отсутствие препятствий на пути следования транспортного средства [12].
Отдельной категорией систем технического зрения, применяемых на транспорте, являются системы, обеспечивающие транспортную безопасность объекта (под объектом в данном случае подразумевается элемент транспортной инфраструктуры или транспортное средство). Система видеослежения может использоваться для выявления оставленных без присмотра (брошенных) вещей в помещениях железнодорожных вокзалов, автовокзалов, аэропортов или внутри транспортных средств (в вагонах поездов, междугородних автобусах). При помощи распределенных камер видеонаблюдения и систем технического зрения выявляются оставленные в залах ожидания коробки, сумки, пакеты, которые могут являться взрывными устройствами [13].
Для охраны от актов незаконного вмешательства протяженных участков железных дорог применяются системы технического зрения с различными типами датчиков. Они образуют радарно-оптический комплекс, который позволяет обнаруживать посторонних лиц на железнодорожных путях, выявлять направление и скорость их передвижения. Совместное использование видеокамер и тепловизоров позволяет выявить нарушителей с камуфляжем даже в полной темноте. Своевременное выявление нарушителей позволяет заранее информировать (подать сигнал тревоги) подразделению транспортной безопасности, отвечающему за охрану данного участка железной дороги. Данные системы могут использоваться для охраны как однопутных, так и двухпутных участков железных дорог [14, 15].
Данные системы технического зрения позволяют в долгосрочной перспективе уменьшить затраты на охрану протяженных участков железных дорог, исключить человеческий фактор (сговор нарушителей и наблюдающего персонала), а также обеспечить фиксацию всех действий ответственных работников подразделений транспортной безопасности.
Заключение
Современными системами технического зрения оборудуются различные типы подвижных единиц (локомотивы, автомобили), а также инфраструктура транспорта. Различные типы датчиков, устанавливаемые для контроля над транспортными средствами и окружающей ситуацией, обладают как преимуществами, так и недостатками. Использование в качестве датчиков радаров, лидаров, видеокамер и стереокамер позволяет получать наиболее полную информацию о транспортном средстве и окружающей обстановке.
Системы технического зрения на транспорте решают широкий круг задач: слежение за свободностью пути, исправностью систем и механизмов транспортных средств, самочувствием персонала, правильностью выполнения технологических процессов, а также соблюдение требований транспортной безопасности с целью предотвращения актов незаконного вмешательства в работу транспортной отрасли.
Проанализировав достоинства и недостатки различных типов датчиков технического зрения, можно сделать вывод, что только комплексное использование всех видов датчиков на транспортном средстве позволяет в полной мере получать информацию о наличии препятствий в пути следования для передачи этой информации в систему управления.