Testování dronů pro použití na železnici

Myšlenka použití bezpilotních prostředků na železnici vyšla z již používaných řešení v jiných průmyslových oblastech. Běžně se totiž drony s termokamerou, multispektrální kamerou či kamerou s vysokým rozlišením používají k energetickým inspekcím, posuzování stavu stavebních objektů, ale také v zemědělství, při zásazích Integrovaného záchranného systému, a tak bychom mohli ve výčtu pokračovat velmi dlouho. Proč by tedy nešly použít i na železnici?

Společnost AŽD se rozhodla vyzkoušet všechny možnosti použití dronů na Švestkové dráze (trať Čížkovice – Obrnice) a na Kopidlnce (trať Kopidlno – Dolní Bousov). V roce 2019 vyčlenění pracovníci Výzkumu a vývoje oslovili specializovanou firmu, která se drony zabývá už řadu let, se žádostí o spolupráci na prvních testech. Za pomocí kamery s Full HD rozlišením, umístěné na dronu DJI Matrice 210 V2, byl nasnímán kolejový rošt s nasimulovanými různými druhy lomů kolejnic. Všichni, kteří se tehdy zúčastnili testů, byli překvapeni, jak kvalitně byly lomy vidět. Testy proto pokračovaly a pracovníci Výzkumu a vývoje prověřovali zobrazení dat z kamery i na dalších prvcích železniční infrastruktury, jako jsou výhybky, přestavníky, upevňovadla, návěstidla, přejezdy, technologické domky a podobně.

I v tomto případě byly výsledky překvapivě dobré, a proto se společnost AŽD rozhodla v testech pokračovat a v roce 2020 zakoupit první dron. Šlo o DJI Mavic 2 Enterprise, který vývojoví pracovníci postupně „naučili“ automatickému letu nad kolejemi a snímkování trati. Pro tyto účely byl v AŽD vyvinut vlastní software, který umožňoval naplánovat misi na určitý úsek tratě s návratem zpět na místo vzletu. Pro možnost legálního létání nad železnicí byla samozřejmě nutná registrace a zkoušky na Úřadu civilního letectví (ÚCL). To znamenalo, že všichni, kdo se podíleli na testech, museli absolvovat povinné testy a praxi létání. Po získání „řidičáků“ na dron a po jeho zaregistrování u ÚCL následovaly žádosti o povolení výjimek, které byly nutné pro doposud nerealizované testy nad tratěmi.

Po další sérii úspěšných testů vývojoví pracovníci požádali na začátku roku 2021 vedení AŽD o zakoupení nejmodernější techniky, která v dané době přišla na trh. Jednalo se o plně programovatelný průmyslový dron DJI Matrice 300 RTK osazený senzorem se 4K kamerou 20× Zoom, širokoúhlou full HD kamerou a termokamerou. Tento bezpilotní systém posunul testy o mnoho úrovní výše, protože již podporoval plně autonomní lety.

Po zprovoznění systému a několika testech vývojoví pracovníci dron propojili s minipočítačem a naprogramovali do něj krátkou misi, vypnuli ovladač a v uzavřeném prostoru modelářského letiště spustili misi. Dron se vznesl, bez zásahu pilota provedl přesně to, co měl naprogramováno, a zase přistál. Bylo tedy jasné, že po propojení s mobilní bezdrátovou technologií 4G (do budoucna 5G) lze dron ovládat i na velké vzdálenosti. Od této chvíle se tedy z bezpilotního prostředku UAV (Unmanned Aerial Vehicle) stal bezpilotní systém UAS (Unmanned Aerial System).

Protože se během roku 2021 měnila legislativa pro bezpilotní prostředky a nový dron již nebylo možné registrovat takzvaně „po staru“, bylo potřeba znovu zahájit proces legislativy a celý systém registrovat do kategorie Specific. Výhoda nového způsobu registrace byla v tom, že se u ÚCL žádá o schválení zamýšlené koncepce používání, tedy použití dronů na železnici jako ucelený koncept leteckých činností. Po oslovení Drážního úřadu a získání povolení létat v ochranném pásmu drah (ve vlastnictví AŽD) vývojoví pracovníci získali i povolení od ÚCL pro kategorii Specific pro určité úseky tratí a za určitých podmínek. Přece jenom jde o bezpečnost a společnost AŽD jak vlaky, tak i drony provozuje s nejvyšší mírou bezpečnosti.

Pro zamýšlený provoz dronů na železnici je potřeba také vyřešit místo pro vzlety a přistání včetně dispečinku, odkud budou drony na své mise vysílány. V posledních měsících proto vývojáři pracují na speciální plošině pro vzlety a přistání dronů, která bude plně automatická a bude vybavena bezdrátovým nabíjením. Její prototyp právě vzniká v prostorách Vědecko-technického parku Mstětice, kde také bude otestován. K výrobě jednotlivých součástí je využívána technologie 3D tisku.

Probíhá také intenzivní vývoj software pro drony, který bude mít tři části:

1. část – Řídicí systém naprogramovaný v prostředí Android je ovládán z tabletu. V něm jsou generovány mise a vyhodnocovány podmínky k povolení vzletu, jako jsou například informace o počasí z meteostanice, informace o volnosti traťového úseku apod.
2. část – Samotný software minipočítače umístěného přímo na dronu bude připojen přes 4G síť (do budoucna 5G síť). Minipočítač bude řídit průběh mise, přenášet on-line obraz z kamery a bude umožňovat převzít řízení ručně v případě nepředvídatelné události nebo poruchy.
3. část – Software bude kromě řízení letu provádět snímkování trati a dalších prvků železniční infrastruktury a data bude následně vyhodnocovat. Na pozadí bude probíhat automatická analýza dat, kdy software porovná nasnímaná data se vzory a bude hledat defekty (lomy kolejnic, chybějící šrouby upevňovadel, posunuté pražce). Z každého snímání bude k dispozici velmi podrobná 2D mapa, díky níž obsluha porovná počítačem označené sporné defekty s realitou.

Protože je testovací dron nad tratí navigován pomocí dat z geodetického zaměření osy koleje, dokáže letět na kterékoliv místo na trati. GPS pozice je zpřesňována připojením ke geodetické síti Českého úřadu zeměměřičského a katastrálního pomocí RTK (Real Time Kinematic – kinematické určování polohy). Přesnost navigace je tak v řádu jednotek centimetrů. Dále vývojáři pracují na optické navigaci pomocí sledování dvojice kolejových pásů kamerou dronu. Obě metody se mohou doplňovat a v případě výpadku spojení RTK se použije GPS a optická metoda navigace. Optická navigace je využita také při navádění na přistání, kdy je třeba přesně přistát na střed plošiny tak, aby mohl být dron nabíjen. Identifikace přistávacího místa bude prováděna QR kódem umístěným na přistávací ploše.

Některé objekty na trati, jako třeba návěstidla, bude dron identifikovat pomocí rozpoznávání obrazu s využitím umělé inteligence.

Pomocí dronu lze také vytvořit 3D modely objektů na trati jako jsou mosty, budovy, technologické domky, rozvaděče, přejezdy a tak dále. Tato data lze následně využít pro plánování údržby. Ve 3D modelu lze totiž přesně měřit vzdálenosti, plochy, objemy, což lze využít například pro plánování množství potřebného materiálu.

Samozřejmě, že systém má i své limity. Například nelze létat ve špatném počasí jako je déšť, silný vítr nad 12 m/s, mlha, námraza nebo sněžení a nelze také létat v noci. Zatím také nelze létat v zalesněném území a tam, kde stromy znemožňují výhled dronu na trať. Stejně tak je problém provozovat drony v tunelech, podjezdech a podobně.

Určitě jste si všimli v předchozím odstavci slova „zatím“. Drony totiž neustále zlepšují své užitné vlastnosti a co dnes nelze realizovat, půjde bezesporu do budoucna vyřešit. Společnost AŽD například plánuje lety dronů s LiDARovým senzorem. Vývojoví pracovníci vytvoří model okolí tratě (point-cloud), včetně vegetace a překážek do nejmenšího detailu. Do modelu následně softwarově naimplementují průjezdný profil tratě a označí konfliktní místa překážek s průjezdným profilem. Tato místa budou současně signálem pro údržbu k obnovení průjezdnosti profilu například vyřezáním dřevin, nebo odstraněním překážek. To umožní naplánovat let dronu přímo do průjezdného profilu tak, aby dron nenarazil do žádné překážky. A i kdyby v průjezdném profilu byl nečekaný předmět, dron má v sobě zabudovaný pokročilý systém APAS s 360° hlídáním překážek kolem sebe, takže se umí aktivně vyhnout srážce.

Protože jednotlivé testy dronů prokazují, že je jejich použití na železnici v mnoha ohledech značným přínosem, společnost AŽD po dokončení první fáze přistoupí k ověřovacímu provozu. Ten by měl být zahájen během roku 2022 na trati AŽD Kopidlno – Dolní Bousov, kde zatím není pravidelný železniční provoz.

Radek Wagner
AŽD Praha s. r. o.