Détection d'obstacles en temps réel et Edge Computing dans le transport ferroviaire

Les technologies modernes de détection des obstacles dans les transports ferroviaires associent des capteurs puissants à un traitement en temps réel basé sur l'intelligence artificielle.

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L'accent est mis ici sur les exigences strictes en matière de matériel et d'architecture pour permettre un contrôle autonome et sûr des trains.

L'automatisation du transport ferroviaire exige une identification fiable des obstacles et des dangers sur les voies. Pour ce faire, les systèmes utilisés doivent détecter et classifier rapidement les objets dans l'ensemble de l'environnement.

Cette détection requiert des systèmes de capteurs multimodaux et des architectures informatiques hautement spécialisées embarquées sur le véhicule ferroviaire, permettant le traitement en temps réel des données et l'attribution précise du type, de la position et des caractéristiques des objets détectés. En raison des exigences critiques en matière de latence, les fonctions doivent être traitées localement sur la locomotive ou la rame. Seules des tâches supplémentaires peuvent être mises en œuvre dans les architectures hybrides edge-cloud. Les plates-formes matérielles doivent donc répondre à des exigences particulières en matière de puissance de calcul, de vitesse d'interface et de mémoire. Le traitement est de plus en plus souvent effectué à l'aide de l'apprentissage automatique (ML) ou de l'intelligence artificielle (IA).

La détection des obstacles n'est pas seulement nécessaire pour la conduite automatisée (Automatic Train Operation / ATO) à partir du niveau d'automatisation 2 (GoA / Grade of Automation), mais sert également de système d'aide à la conduite pour soulager le conducteur lors d'opérations purement manuelles. Pour améliorer la sécurité, la protection contre les collisions est souvent complétée par des caméras pour les angles morts, des systèmes d'identification des panneaux de signalisation et des interventions automatiques de freinage d'urgence.

Des objets très divers doivent être localisés
Les systèmes logiciels et matériels utilisés doivent identifier rapidement les obstacles statiques et dynamiques. Pour des raisons de sécurité, un délai maximum de 100 ms s'applique ici. Cela inclut la capture des bâtiments pour déterminer la position du véhicule ainsi que la détection des personnes ou des animaux non autorisés à proximité, y compris leur direction de déplacement.
Il est essentiel de surveiller en permanence la zone dite de dégagement – la zone autour de la voie ferrée qui doit être dégagée pour permettre aux trains de circuler en toute sécurité – afin de détecter les obstacles ou les dangers. Outre les personnes et les animaux, cela inclut les blocages causés par des glissements de terrain et des chutes d'arbres, des branches cassées ou dépassant trop dans la zone de dégagement, ainsi que des chariots de supermarché ou des valises roulées hors du quai. Pour compliquer encore les choses, les systèmes de détection doivent également permettre de scruter de manière fiable les courbes.
En outre, pour la conduite automatisée selon le niveau GoA 4 (exploitation des trains sans conducteur), la détection des voies est essentielle. Outre la localisation du train grâce à un système mondial de navigation par satellite, la position est recoupée avec des cartes numériques. Même dans les grands dépôts, la sécurité des opérations exige un suivi précis de la localisation. En outre, il faut déterminer si d'autres véhicules ferroviaires se trouvent sur la même voie (ce qui serait dangereux) ou sur la voie adjacente.

La technologie des capteurs est complexe
Tout ce qui a été évoqué jusqu'à présent impose des exigences élevées en matière de logiciels et de matériel. En ce qui concerne les capteurs, les fabricants de systèmes combinent généralement plusieurs systèmes pour obtenir une image complète de l'environnement, même en cas d'interférences dues à la pluie, au brouillard ou à la fumée. Il s'agit notamment de :

• LiDAR (Light Detection and Ranging) pour une représentation tridimensionnelle de la portée à courte et longue distance. Détection par traitement de nuages de points à l'aide d'algorithmes de regroupement basés sur la densité (DBSCAN).
• Le radar est utilisé pour la détection indépendamment des conditions météorologiques et la détermination précise de la vitesse.
• Les caméras noir et blanc et couleur, y compris les caméras stéréo, soutiennent les systèmes LiDAR et radar dans la détection de divers objets. Dans ce cas, l'identification repose sur divers algorithmes de vision par ordinateur.
• Capteurs ultrasoniques pour la portée à courte distance.
• Les caméras thermiques permettent de distinguer les personnes ou les animaux des objets inanimés.

Une synchronisation temporelle précise des systèmes est nécessaire pour que l'ordinateur puisse créer une représentation unifiée de l'environnement à l'aide de la fusion des capteurs.
Les modules informatiques utilisés pour toutes ces tâches doivent disposer d'une puissance de calcul élevée, d'une mémoire importante et rapide, et d'un nombre suffisant d'interfaces à haut débit. Les exigences continueront d'augmenter au cours des prochaines années, car la portée de la détection passera de quelques centaines de mètres à 2 000 mètres.

Advantech propose des solutions matérielles
Plusieurs solutions sont disponibles pour le matériel utilisé. Par exemple, Advantech propose un système sur module adapté avec le SOM-E781. Celui-ci dispose non seulement des interfaces nécessaires pour fusionner les flux de données provenant de diverses sources de capteurs, mais grâce au processeur de la série EPYC™ Embedded 8004 d'AMD avec jusqu'à 64 cœurs de CPU, elle offre également une puissance de calcul suffisante pour le traitement en temps réel.

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Ce COM-HPC (Computer-on-Module for High-Performance Computing) correspond aux dimensions du serveur de taille E de la norme COM-HPC et possède un brochage propriétaire. Il est doté d'une mémoire vive allant jusqu'à 576 Go et de 79 voies PCIe jusqu'à la 5e génération, dont 48 lignes de données conformes à la norme CXL 1.1. Il existe également un certain nombre d'extensions d'entrée/sortie telles que l'Ethernet 2,5 Gbit, les interfaces USB 3.2 Gen 1 et SATA 3.0. Cela signifie que le SOM-E781 convient également à d'autres applications exigeantes avec un débit de données élevé. Sur la base de cette plateforme, les ingénieurs peuvent ensuite développer eux-mêmes les solutions correspondantes.
Advantech propose une extension de mémoire remplaçable à chaud avec son SQR-CX5N dans le facteur de forme EDSFF E3.S 2T. Il a une capacité de 64 Go, est compatible avec les normes CXL 1.1 et 2.0, qui fonctionnent via l'interface PCIe 5.0, et offre un taux de transfert maximal de 32 gigatransferts par seconde (GT/s) par ligne. Le module fournit ainsi la bande passante nécessaire aux applications à forte intensité de données.

Une alternative consiste à utiliser une plateforme telle que le système d'inférence IA AIR-030 d'Advantech, qui est basé sur le Jetson AGX Orin™ de NVIDIA^®. Avec ce module, il est possible d'effectuer des inférences IA directement sur le flux en direct d'une caméra. Cela permet aux développeurs d'exécuter les derniers algorithmes de vision par ordinateur pour la détection d'objets, la classification et l'analyse du comportement en local sans avoir à faire le détour par le cloud, ce qui induit des latences. Il s'agit d'un avantage essentiel, notamment en matière de détection d'obstacles.

L'AIR-030 est certifié conformément à la norme IEC 61000-6-4 pour les environnements industriels. Il offre trois interfaces Ethernet à 2,5 Gbit, plusieurs ports USB 3.2, des interfaces RS-232/RS-422/RS-485, des entrées et sorties numériques et deux interfaces de bus CAN. Des périphériques supplémentaires peuvent être connectés via des clés M.2 B ou E ou via une interface PCIe x16 en option. L'AIR-030 répond donc également aux exigences de la bande passante nécessaire.

À propos d'Advantech
Avec plus de 8600 employés dans le monde et 40 ans d'expérience, Advantech est le leader mondial des produits, systèmes, services et solutions innovants dans le domaine de l'A-IoT embarqué. Nos points forts sont l'intégration complète de systèmes de matériel et de logiciels embarqués, ainsi que des services de conception orientés client pour des applications telles que l'industrie 4.0, le chargement des VE et l'énergie verte, les appareils médicaux, l'affichage numérique ou les plateformes de jeux. Les solutions personnalisées (Advantech DMS) constituent un autre point fort de l'entreprise et permettent souvent de réduire les délais de mise sur le marché grâce à l'utilisation de la plus large gamme de produits embarqués standard au monde.

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En tant que fournisseur leader, Advantech Europe BV ne dispose pas seulement de la plus large gamme de produits, solutions et services de conception embarqués. Avec plus de 25 ans de présence locale en Europe, l'entreprise y propose également des blocs de construction embarqués intégrés ainsi que des adaptations et des développements personnalisés pour des solutions A-IoT couvrant tout, des nœuds de capteurs aux PC embarqués, des passerelles aux plates-formes IoT Cloud. Plus de 550 collaborateurs sont à la disposition de nos clients dans les différents pays européens.  

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