Detección de obstáculos en tiempo real y procesamiento en la periferia en el transporte ferroviario

Las tecnologías modernas de detección de obstáculos en el transporte ferroviario combinan potentes sensores avanzados con procesamiento en tiempo real basado en IA.

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Aquí el enfoque se centra en los estrictos requisitos de hardware y arquitectura necesarios para permitir un control autónomo y seguro del tren.

La automatización del transporte ferroviario requiere una identificación fiable de obstáculos y riesgos en la zona de la vía. Para lograrlo, los sistemas utilizados deben detectar y clasificar rápidamente los objetos en todo el entorno.

Para ello se necesitan sistemas de sensores multimodales y arquitecturas informáticas altamente especializadas a bordo del vehículo ferroviario, que permitan procesar los datos en tiempo real y asignar con precisión el tipo, la posición y las características de los objetos detectados. Debido a los estrictos requisitos de latencia, las funciones deben procesarse localmente en la locomotora o en el tren. Solo las tareas complementarias pueden implementarse en arquitecturas híbridas de periferia-nube. Por lo tanto, las plataformas de hardware deben cumplir requisitos específicos en cuanto a potencia de cálculo, velocidad de interfaz y memoria. El procesamiento se realiza cada vez más mediante aprendizaje automático (ML) o inteligencia artificial (AI).

La detección de obstáculos no solo es necesaria para la conducción automatizada (Automatic Train Operation / ATO) a partir del nivel de automatización 2 (GoA / Grado de Automatización), sino que también actúa como sistema de asistencia al conductor para reducir su carga en la conducción totalmente manual. Para mejorar la seguridad, la protección contra colisiones suele ampliarse con cámaras de ángulo muerto, sistemas de identificación de señales de tráfico y funciones automáticas de intervención en frenadas de emergencia.

Es necesario localizar una amplia variedad de objetos
Los sistemas de software y hardware utilizados deben identificar con rapidez los obstáculos estáticos y dinámicos. Por motivos de seguridad, aquí se aplica un tiempo máximo de 100 ms. Esto incluye detectar edificios para determinar la posición del vehículo, así como identificar la presencia de personas o animales no autorizados en las inmediaciones, incluida su dirección de movimiento.

Es fundamental vigilar de forma continua la llamada zona libre —el área alrededor de la vía que debe permanecer despejada para garantizar un tránsito seguro— en busca de obstáculos o peligros. Además de personas y animales, esto incluye obstrucciones causadas por desprendimientos y árboles caídos, ramas rotas o que sobresalen excesivamente en la zona libre, así como carros de la compra o maletas que hayan caído desde el andén. Para complicar aún más la situación, los sistemas de detección también deben cubrir las curvas con fiabilidad.

Además, para la conducción automatizada según el nivel GoA 4 (operación totalmente sin conductor), la detección de la vía es esencial. Además de localizar el tren mediante un sistema global de navegación por satélite, la posición se contrasta con mapas digitales. Incluso en grandes patios ferroviarios, la operación segura requiere un seguimiento de ubicación muy preciso. Asimismo, es necesario determinar si otros vehículos ferroviarios se encuentran en la misma vía —lo que sería peligroso— o en la vía adyacente.

La tecnología de los sensores es compleja
Todo lo mencionado hasta ahora impone exigencias muy elevadas al software y al hardware. En cuanto a los sensores, los fabricantes suelen combinar varias tecnologías para obtener una imagen completa del entorno, incluso ante interferencias provocadas por lluvia, niebla o humo. Entre ellas se incluyen:

• LiDAR (Light Detection and Ranging) para una representación tridimensional de las zonas cercana y lejana. Detección mediante el procesamiento de nubes de puntos con algoritmos de agrupación basados en densidad (DBSCAN).
• El radar se utiliza para una detección independiente de las condiciones meteorológicas y para determinar la velocidad con precisión.
• Las cámaras en blanco y negro y en color, incluidas las cámaras estereoscópicas, complementan a los sistemas LiDAR y radar en la detección de diversos objetos. En este caso, la identificación se basa en varios algoritmos de visión por ordenador.
• Sensores ultrasónicos para distancias cortas.
• Las cámaras termográficas permiten diferenciar entre personas o animales y objetos inanimados.

Es necesaria una sincronización temporal precisa de los sistemas para que el ordenador pueda crear una representación unificada del entorno mediante fusión de sensores.

Los módulos informáticos utilizados para todas estas tareas deben contar con una gran potencia de cálculo, memoria amplia y rápida, y un número suficiente de interfaces de alta velocidad. Los requisitos continuarán aumentando en los próximos años, ya que se prevé ampliar el alcance de detección desde unos pocos cientos de metros hasta 2000 metros.

Advantech ofrece soluciones de hardware
Existen varias soluciones para el hardware empleado. Por ejemplo, Advantech ofrece un sistema en módulo adecuado con el SOM-E781. Este módulo no solo incorpora las interfaces necesarias para fusionar los flujos de datos provenientes de múltiples sensores, sino que, al integrar un procesador de la serie AMD EPYC™ Embedded 8004 con hasta 64 núcleos, proporciona también la potencia de cálculo necesaria para el procesamiento en tiempo real.

Este COM-HPC (Computer-on-Module para computación de alto rendimiento) se ajusta a las dimensiones del tamaño E del estándar COM-HPC y presenta un pinout propietario. Dispone de hasta 576 GB de RAM y 79 líneas PCIe de hasta 5ª generación, incluidas 48 líneas de datos compatibles con CXL 1.1. También ofrece varias opciones de ampliación de entrada/salida como Ethernet de 2,5 Gbit, interfaces USB 3.2 Gen 1 y SATA 3.0. Por ello, el SOM-E781 también resulta adecuado para otras aplicaciones exigentes con alto flujo de datos. A partir de esta plataforma, los ingenieros podrán desarrollar por sí mismos las soluciones correspondientes.

Advantech ofrece una ampliación de memoria intercambiable en caliente mediante su SQR-CX5N en formato EDSFF E3.S 2T. Tiene una capacidad de 64 GB, es compatible con los estándares CXL 1.1 y 2.0 que operan sobre la interfaz PCIe 5.0, y ofrece una velocidad máxima de transferencia de 32 giga transferencias por segundo (GT/s) por canal. El módulo proporciona así el ancho de banda necesario para aplicaciones con uso intensivo de datos.

Otra alternativa consiste en utilizar una plataforma como el sistema de inferencia de IA AIR-030 de Advantech, basado en el Jetson AGX Orin™ de NVIDIA^®. Con este módulo es posible ejecutar inferencia de IA directamente sobre la transmisión en vivo de una cámara. Esto permite a los desarrolladores ejecutar los algoritmos más recientes de visión por ordenador para la detección, clasificación y análisis de comportamiento en el borde, sin necesidad de recurrir al desvío hacia la nube, que introduce latencia. Se trata de una ventaja clave, especialmente en el ámbito de la detección de obstáculos.
El AIR-030 está certificado conforme a la norma IEC 61000-6-4 para entornos industriales. Ofrece tres interfaces Ethernet de 2,5 Gbit, varios puertos USB 3.2, interfaces RS-232/RS-422/RS-485, entradas y salidas digitales y dos interfaces de bus CAN. Se pueden conectar periféricos adicionales mediante ranuras M.2 B o E, o a través de una interfaz PCIe x16 opcional. Por tanto, el AIR-030 también cumple los requisitos necesarios en cuanto a ancho de banda.

Con más de 8600 empleados en todo el mundo y una trayectoria de 40 años, la empresa es líder mundial de productos, sistemas, servicios y soluciones innovadores en torno al mundo de la A-IoT embebida. Nuestros puntos fuertes incluyen la integración integral de sistemas de hardware y software embebido, así como servicios de diseño orientados al cliente para, por ejemplo, aplicaciones de Industria 4.0, carga de vehículos eléctricos y energía verde, dispositivos médicos, señalización digital o plataformas de juego. Otro de los objetivos son las soluciones a medida específicas para cada cliente (Advantech DMS), que a menudo permiten un plazo de comercialización especialmente corto, entre otras cosas, al aprovechar la más amplia gama de productos estándar integrados de todo el mundo.

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Como proveedor líder, Advantech Europe BV no sólo dispone de la más amplia gama de productos integrados, soluciones y servicios de diseño. Con más de 25 años de presencia local en Europa, la empresa también ofrece arquitecturas integradas embebidas, personalización y desarrollo para soluciones de A-IoT, que abarcan desde nodos sensores hasta PC embebidos y pasarelas para plataformas IoT en la nube. Más de 550 empleados trabajan in situ para nuestros clientes en los distintos países europeos. 

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