Railways Augmented Multisensor Positioning System

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1 Roma, Railways Augmented Multisensor Positioning System Luca Sfarzo TRS SpA

2 SOMMARIO Descrizione Contesto Scopo del progetto Scenari operativi Caratteristiche e Struttura del Prototipo Sfida Compagine Opportunità Future Riferimenti

3 DESCRIZIONE DOMINIO Navigazione satellitare applicata al controllo del traffico ferroviario, in particolare dell Alta Velocità SCOPO Verificare l applicabilità della navigazione satellitare in situazioni operative che richiedono un altissimo livello di sicurezza del sistema di posizionamento posto a bordo del treno OGGETTO DI REALIZZAZIONE Prototipo SW di un futuro prodotto in grado di aumentare la sicurezza e le performance dei treni Alta Velocità permettendo la supervisione automatica del convoglio fin dalla partenza Durata 18 mesi Endorsed by COMPAGINE TRS S.p.A (Prime) DUNE s.r.l dune Università Roma Tre Dipartimento di Ingegneria Consorzio di Ricerca RadioLabs (collaborazione)

4 CONTESTO 1/2 ERTMS European Rail Traffic Management System importante standard industriale europeo con valenza mondiale, per rendere i trasporti ferroviari più sicuri e competitivi L Italia è precursore nell implementazione dell ERTMS di Livello 2: 2005, Linea AV Napoli-Roma I sistemi di controllo ferroviario devono essere certificati secondo le rigorose direttive CENELEC e alcuni sottosistemi «vitali» devono esibire un «Safety Integrity Level» -4 certificato A Livello 2 la segnalazione e la protezione del treno avvengono tramite scambi di messaggi digitali bidirezionali terra-treno La posizione del treno viene stabilita grazie al suo passaggio su transponder passivi disposti lungo la tratta ferroviaria, le balise fisiche

5 CONTESTO 2/2 Livello di safety SIL -4 Hazard Failure Rate: ~10-9 /h accensione o riaccensione del sistema di bordo del treno START OF MISSION STAFF RESPONSIBLE Marcia a bassa velocità FULL SUPERVISION Marcia treno gestita dal sistema ERTMS Passaggio su Balise Fisiche Determinazione della posizione

6 SCOPO DEL PROGETTO OBIETTIVO favorire lo Start Of Mission in modalità Full Supervision per tutti i treni ERTMS di Livello 2, inclusa l AV METODO aumentare la disponibilità della modalità completamente automatica di controllo treno e quindi ridurre il tempo in cui la guida del treno è affidata al macchinista STRATEGIA determinare la posizione del treno senza ricorrere alle balise fisiche disposte lungo la tratta ferroviaria riutilizzare, adattandole, le tecnologie oggi impiegate in ambito aeronautico, come la GBAS SOLUZIONE realizzare un prototipo di localizzazione multisensoriale autonomo che fonde le informazioni dai ricevitori GNSS multicostellazione con quelle dai sensori inerziali e quelle geografiche del tracciato ferroviario True position of the train Key concept VIRTUAL BALISE True Position of Virtual Balise Position computed by RAMPS Confidence Interval Computed by RAMPS Alert Limit for V.B. Binary

7 SCENARI OPERATIVI IN STAZIONE Durante lo stazionamento, visibilità del cielo compromessa da ostacoli Significativo contributo di multipath sul segnale GNSS Possibile presenza di interferenze elettromagnetiche (EMI) di origine antropica, intenzionali o non intenzionali Possibilità di disporre di più misure GNSS temporalmente indipendenti grazie al tempo di stazionamento del treno Problema della discriminazione del binario in presenza di binari multipli LUNGO LA TRATTA Mediamente, una migliore visibilità del cielo Contributo variabile di multipath sul segnale GNSS Minore probabilità della presenza e durata di fenomeni interferenti Ampia dinamica del treno un in mondo termini di più accelerazioni avanti e di oscillazioni del suo carrello Binario noto

8 CARATTERISTICHE DEL PROTOTIPO FUNZIONALITA Discriminazione del binario su cui giace il treno quando staziona su binari paralleli Livello di integrità adeguato al requisito SIL -4 richiesto Corretto interfacciamento con gli elementi già esistenti dei sistemi ERTMS/ETCS SOLUZIONE TECNOLOGICA Sistema di posizionamento a doppio layer (trainborne e ground) basato sul GNSS Multicostellazione: GPS e Galileo Multifrequenza: L1 ed L5 Aumentato: EGNOS (in generale SBAS) Ground Segment di derivazione avionica GBAS-like, dual function: Layer autonomo di valutazione dell integrità Calcolo e diffusione delle correzioni differenziali di fase Sensoristica inerziale a complemento del sistema di localizzazione trainborne Map Matching sfruttando le informazioni di posizione e quelle geografiche del tracciato Campagna di raccolta di dati reali acquisiti tramite un locomotore su un tratto di rete ferroviaria di 20 km in esercizio messo a disposizione da RFI ed Ansaldo STS attività di verifica degli algoritmi implementati

9 SFIDA Raggiungere gli obiettivi di integrità ed accuratezza, imposti dal livello di sicurezza SIL -4 alla funzione di localizzazione, che vanno ben oltre l attuale Stato dell Arte dei sistemi di localizzazione satellitare Hazard Failure Rate di circa 1x10-9 /h Accuracy: σ < 10 cm (equivalenza problema aeronautico) Evolvere le più avanzate tecnologie GNSS oggi usate in ambito avionico (GBAS) per soddisfare gli strettissimi requisiti di sicurezza imposti dallo standard ferroviario Estendere i layer di integrità GNSS al monitoring di più costellazioni e frequenze sia per il canale di codice che per quello di fase Impiegare le costellazioni GPS/Galileo e la multifrequenza in bande aeronautiche protette per aumentare la disponibilità del sistema e mitigare il problema delle interferenze Introdurre tecniche innovative di map matching e di fusione multisensoriale GNSS+IMU+mappe per discriminare il binario un mondo in stazione più avanti e localizzare il treno lungo la tratta

10 COMPAGINE 1/3 Fondata nel 1983 System & SW House Sedi: Roma (HQ), Fusaro Dipendenti: circa 150 Chiavi in mano Prodotti Consulenza Fact & Figures ISO 9001 AQAP 2100/160 CMMI Livello5 Principali Mercati e Competenze Elettronica della difesa: partecipazione a progetti internazionali di sviluppo di sistemi di gestione del combattimento navale e di gestione del traffico aereo Aeroporti: sistemi chiavi in mano per il monitoraggio e la sicurezza aeroportuale e per la rilevazione e presentazione di informazioni meteo Spazio: soluzioni tecniche nell ambito del GNSS in campo Controllo Traffico Aereo, sistemi ad alta integrità e dell Osservazione della Terra Trasporti ferroviari: analisi di sistema, sviluppo ed installazione operative con standard CENELEC EN 50128, per logica di veicolo e sistemi diagnostici Mobilità fornitore ufficiale della soluzione tecnologica per il Sistema di Car Sharing ICS e di Enjoy per eni SpA

11 Via Tracia 4, 00183, Roma (Italy) Tel: Fax: Laboratorio: Via Britannia, 54 RIFERIMENTI Ing. Fabio Andreucci Tel: MERCATI DI RIFERIMENTO Militare, industriale, ricerca applicata. DUNE è un Laboratorio di Ricerca qualificato dal MIUR COMPAGINE 2/3 ESPERIENZA un mondo più inerziali avanti Progetto e sviluppo di sistemi HW/SW operanti in tempo reale (con FPGA, CPU singole; schede con molti DSP operanti in parallelo). Analisi e sviluppo di algoritmi specifici AREE APPLICATIVE dune Comunicazioni digitali Sviluppo di Software operante in tempo reale su schede che impiegano processori in parallelo Controllo industriale Sviluppo di simulatori hardware Monitoraggio ambientale con sensori remoti, per microonde, elettroacustica e infrarosso Processamento di immagini per la visione artificiale e la guida robotica Sviluppo di sistemi di navigazione con sensori

12 COMPAGINE 3/3 Modellazione e Simulazione Modellazione delle Interdipendenze nelle Infrastrutture Critiche Controllo del traffico decentralizzato Critical Infrastructure Protection Valutazione del Rischio Vulnerabilità sistemi SCADA Data fusion Gestione ottimizzata dell energia Big Data Localizzazione e Posizionamento Reti di sensori wireless Localizzazione indoor Localizzazione treni ComLab Multimedia Comunicazioni Multimediali Elaborazione dell Informazione Codifica Comunicazioni Wireless 5a generazione Comunicazioni per le emergenze Internet Of Things Sicurezza Sicurezza nelle reti di telecomunicazioni Biometria Forensic Navigazione e Localizzazione Soluzioni per servizi GNSS Safety of Life High Integrity Augmentation Networks Sistemi ibridi Soluzioni per la navigazione-comunicazione indoor

13 OPPORTUNITA FUTURE Allo stato attuale, in ambito ferroviario, le tecnologie basate su GNSS sono considerate come potenzialmente sostitutive di quelle basate sulle balise fisiche ai fini della localizzazione del treno su un binario noto in ambito ERTMS Livello 2, prevalentemente per linee regionali e trasporto merci Lo sviluppo di tecnologie multisensoriali (GNSS+IMU) a basso costo, alta accuratezza ed elevata integrità, può estenderne il mercato potenziale con l inclusione delle linee ad alta velocità ed il monitoraggio continuativo dello stato delle linee, ed accelerare la transizione verso i futuri sistemi di controllo ERTMS Livello 3 I fattori chiave per il raggiungimento dei requisiti in termini di accuratezza ed integrità sono potenzialmente costituiti dall uso di ricevitori multicostellazione e multifrequenza La cost-effectiveness di tali soluzioni potrà trarre benefici dalla rapida riduzione dei costi di tali tecnologie indotta dalla loro adozione su vasta scala in campi applicativi limitrofi come l automotive

14 RIFERIMENTI Ing. Mario Mariotti Capo Programma - [email protected] Prof. Alessandro Neri Resp. Scientifico - [email protected] Dott. Luca Sfarzo Capo Progetto - [email protected] Ing. Paola Madonna Resp. Tecnico TRS - [email protected] Prof. Federica Pascucci Resp. Tecnico Univ. Roma Tre - [email protected] Dott. Enrico De Marinis - Resp. Tecnico Dune - [email protected]