Когда вам нужно доставлять сырьё на большое производство, сложно остановиться.

Как вы знаете из компьютерных игр, для этого нужна большая железная дорога.

У нас она своя. В 1933 году было 10 километров рельсов, 10 вагонов и два паровоза.

Сейчас — 136 локомотивов, 3 065 вагонов, 19 станций, 580 километров путей и 1 585 стрелочных переводов. 130 миллионов тонн грузов в год.

А машинистами у нас теперь становятся роботы.

Почему так? Потому что условия труда довольно суровые, а манёвры в цехах нужны очень точные, на грани человеческих способностей. Сначала это были ассистирующие устройства с алгоритмами машинного зрения, а потом мы пришли и к автоматизации.

Важная ремарка: всю информацию, о которой дальше пойдёт речь, рассказал Александр Ермохин, главный специалист локомотивного цеха. Именно он стоял у истоков проекта и долгое время тянул эту тему на себе. Он много лет был в самом эпицентре изменений и до недавнего времени лично вёл тему автоматизации на НЛМК.

Зачем металлургическому комбинату своя железная дорога

Железную дорогу на большом производстве можно сравнить с кровеносной системой организма: она обеспечивает нам жизнедеятельность и закрывает большинство хозяйственных нужд. Автотранспорт у нас тоже, конечно, есть, но и содержать его намного дороже, и многие задачи просто невозможно решить только с его помощью. Например, обработку нужд доменных печей и горячие перевозки. Да и 130 миллионов тонн грузов на машинах не увезти физически.

Мы перевозим по комбинату очень разные продукты — от руды и извести до металлолома и шлака. Некоторые — совершенно уникальные. Например, жидкий чугун от доменной печи до конвертерных цехов и миксерных отделений. Или жидкий шлак.

Наименований грузов много, как и разных видов вагонов для каждого из них: это цистерны, ковши, полувагоны, платформы и так далее. Некоторые из них — у нас в собственности, некоторые — арендованы. Одномоментно на площадке может находиться более семи тысяч вагонов.

Наш металл может доставляться как угодно: хоть по морю, хоть автотранспортом, хоть на поезде. У нас есть универсальный вид подвижного состава, который позволяет просто переместить груз, например, с платформы на машину: это зависит от того, как у клиента организованы разгрузка и получение грузов. Но из цеха вообще всё уезжает по внутренней железной дороге.

От паровозов — до «умных» тепловозов: немного — про наш парк

Железная дорога на НЛМК развивалась одновременно с увеличением производства. Машины постоянно становились «умнее» и комфортнее. Сначала грузы перевозили с помощью паровозов.

Потом их заменили современными на тот момент тепловозами ТЭМ1 и ТГМ6. Мы, кстати, используем их до сих пор: ТГМ6 — вообще основной наш локомотив почти для всего. Таких тепловозов в нашем парке — 73 единицы. Недавно за счёт программы поддержки у нас появилось по три тепловоза из серий ТЭМ10. Под строительство новой станции недавно мы купили два новых современных тепловоза ТЭМ18 со встроенными микропроцессорными системами, автоматическим учётом топлива и мелкими бытовыми радостями типа кондиционера.

А ещё у нас есть большая вывозная машина ТЭМ14, а также 20 локомотивов ТЭМ7. Все машины, кроме этих двух серий, — небольшие маневровые и взаимозаменяемые.

Всего мы используем семь серий тепловозов. Для каждой из них нужны свои умения, поэтому все работники нашей железной дороги — универсальные мастера на все руки. Каждый машинист должен уметь водить любой из семи серий тепловозов, а каждый техник — любой из них обслуживать.

Предпосылки к автоматизации

Идея запустить локомотив на дистанционном управлении витала в воздухе уже довольно давно: стоят же у нас краны, работающие в таком режиме. Но поначалу было не вполне понятно, насколько применима эта технология к железной дороге.

Мы начали разбираться с машинным зрением в 2020 году и выбрали для пилотного запуска второй конвертерный цех. Выбирали по нескольким параметрам:

• Во-первых, это не очень большой и несложный цикличный участок железной дороги, на котором 50 % времени тепловозы просто стоят, ожидая, пока не закончится тот или иной процесс, или маневрируют с одного пути на другой. Например, пока металл обрабатывается в доменной печи или перемешивается в миксерном отделении.

• Во-вторых, это закрытая относительно небольшая территория, которую легко покрыть датчиками и картографировать. А значит, и беспилотные решения тут внедрять намного проще.

• В-третьих, здесь действительно было нужно это машинное зрение, потому что у нас уже бывали ситуации, когда поезд сталкивался с каким-то препятствием, так как просто не успевал затормозить. Локомотивы едут вперёд вагонами, и в хвосте банально может выйти человек, которого будет не видно из кабины.

До начала экспериментов на этом участке работали локомотивные бригады из двух человек — машиниста и его помощника: машинист вёл тепловоз, а помощник на определённых участках выходил из кабины и контролировал хвост состава. Схема рабочая, но далёкая от идеала.

Первым делом мы оборудовали системой дистанционного управления старенький локомотив ТГМ6 и начали с ним экспериментировать.

Как устроены беспилотные локомотивы

Саму конструкцию локомотива мы не меняли, но поставили на него компьютер и навесное оборудование. Чтобы придумать, как всё это разместить эргономично и оборудование не мешало работе, пришлось поломать голову, но мы справились. В итоге тепловоз спереди и сзади был оборудован сенсорами машинного зрения. Ещё мы поставили специальные датчики в его тормозную систему, а также оборудование для воздействия на тормозную систему и органы управления.

Система работает так: сенсоры воспринимают картинку в трёхмерном формате и передают её компьютеру для анализа данных нейронной сетью. Если компьютер видит, что на путях в габарите подвижного состава находится какой-то объект или появляется человек, то подаётся сигнал на торможение, и тепловоз тормозит. Плюс вся информация от камер видеонаблюдения передаётся машинисту на монитор.

Весь комбинат уже давно покрыт нашей собственной сетью промышленных pLTE. Это сильно облегчило нам контроль хвостовой части поезда при движении вагонами вперёд: не нужно было тянуть никаких проводов, а просто вставить видеокамеру в автосцепку хвостового вагона. У машиниста есть выносной пульт дистанционного управления, с которого он может управлять локомотивом на расстоянии.

Первые испытания прошли успешно. На тех участках, где работа не слишком интенсивна, машинист выходил с пультом из локомотива. Он управлял составом и переводил стрелки, находясь вне кабины локомотива. На этом этапе помощник машиниста в принципе перестал быть нужен.

Неожиданности на старте: два неудобных метра

Раньше у нас была такая потенциальная опасность — на миксерной площадке конвертерного цеха КЦ-2 тепловозы могли въехать в большой ковш. И нужно было сделать так, чтобы тепловоз без участия машиниста, если он даже отвлечётся, сам начал тормозить перед препятствием.

Поначалу мы настроили систему так: камеры видели, что впереди в 20 метрах появилось какое-то препятствие (например, ковш или человек), тепловоз останавливался и начинал сигналить. То есть с точки зрения машинистов мы рассчитали, что 20 метров — это оптимальное расстояние, которое позволяет спокойно затормозить перед препятствием. Рабочие цеха попросили уменьшить зону, мы всё пересчитали и перепрограммировали компьютер с 20 метров на 18. Это вписывалось в ограничения, потому что скорости на этом участке небольшие, около пяти километров в час, и тепловоз всё равно успевал затормозить, а для конвертерщиков эти два метра оказались важными в их производственных условиях.

Потом мы ещё раз перенастраивали систему, когда выяснилось, что она плохо реагирует на графитную пыль. И продолжаем периодически изменять настройки: производство — организм живой, и надо подстраиваться. Например, когда в цеху идёт ремонт и где-нибудь в поле видимости, ещё в габаритах, но уже на грани, лежит оборудование, система может начать реагировать на него, как на препятствие, хотя фактически проехать составу возможно.

От радиоуправляемого локомотива — к беспилотному и безопасному

Первые камеры мы испытывали самостоятельно, а дальше вместе с внешним партнёром поставили задачу, чтобы под наши потребности испытали новые устройства у нас на площадке.

Затем мы попробовали сделать так, чтобы не только машинист управлял тепловозом дистанционно, но и сам тепловоз мог «видеть», какие перед ним препятствия, и самостоятельно перед ними останавливаться, даже если машинист отвлечётся. Эту систему мы установили пилотно в 2023 году и приступили к её калибровке. То есть от радиоуправляемого локомотива мы перешли к беспилотному.

На третьем этапе мы повесили камеру в хвостовой вагон, чтобы диспетчер мог дистанционно проверить, что происходит в хвосте состава.

И вот, когда мы собрали воедино все три системы, у нас получилась единая безопасная система дистанционного управления — БСДУ.

Мы поставили такие БСДУ на два наших локомотива и начали интенсивно обкатывать их в замкнутом пространстве миксерного отделения конвертерного цеха. На этом участке поезда по одному и тому же пути привозят и увозят ковши с жидким металлом, а пустые ковши ставят под налив. Риск для людей свёлся к минимальному: машинист перемещался рядом с тепловозом с пультом управления в руках, а тепловоз тормозил самостоятельно, если в 18 метрах перед ним появлялся какой-то предмет вне габарита или на пути выходил человек.

На конец 2024 года у нас было уже пять локомотивов с компьютерным зрением. В 2025 году мы планируем оснастить этой системой ещё три. В ближайшем будущем мы перенесём всё управление в диспетчерскую, и тогда выносной пульт будет нужен машинисту в начале смены для приёмки локомотива и его обслуживания в каких-то нештатных ситуациях.

Сейчас мы разрабатываем стационарное рабочее место с пультом дистанционного управления и двумя мониторами. На один из них будет выводиться изображение с камер, которые установлены на локомотиве. На второй — с камер, которые стоят в цеху. Чтобы беспроводной канал управления внутри цеха был более стабильным и надёжным, мы устанавливаем дополнительные антенны. А ещё мы сделали дополнение к программному обеспечению, которое отображает на интерфейсе пользователя мнемосхему цеха и реальное положение локомотива с ковшами. В 2025 году мы будем тестировать все эти нововведения уже из помещения диспетчерской.

Жизнь машинистов кардинально изменилась

На самом деле беспилотные технологии — не дань моде, а необходимость. Она продиктована в том числе и заботой о здоровье рабочих, потому что та же вибрация — это вредный производственный фактор. Отработать 12 часов на тепловозе с включёнными дизелем и компрессором и те же 12 часов в административно-бытовом помещении — это две очень большие разницы. С беспилотными решениями условия работы значительно улучшаются.

Ну и ещё приятно, что у наших сотрудников повышается квалификация. Они становятся более грамотными, продвинутыми и учатся работать с программами.

К работе с пультом машинистам нужно, конечно, приспособиться и разобраться, как он работает в разные моменты времени. На мониторе есть вся необходимая информация, но к тому, что какие-то вещи нужно начинать делать чуть раньше, чем прежде, чтобы сигнал успел дойти до тепловоза, нужно привыкнуть. А ещё — к тому, что задавать позиции и делать операции с краном машиниста теперь надо с помощью джойстика, а не контроллера и рукоятки крана машиниста. Всё это работает исключительно в рамках ощущений, на кончиках пальцев. Впрочем, для опытного машиниста, который хорошо представляет, какие процессы происходят в тепловозе, приспособиться к дистанционному управлению не составит большого труда.

На будущее у нас большие планы

Во-первых, мы будем масштабировать технологии диспетчеризации управления и распространять их на другие участки железной дороги.

Когда происходит какая-то нештатная ситуация, человеку, какая бы быстрая реакция у него ни была, всё равно нужно время для того, чтобы осознать, что происходит, и затормозить. Поэтому мы хотим убрать из этого процесса человеческий фактор: машина оцифровывает и анализирует всё, что видит, намного быстрее.

В течение ближайшего года мы планируем закончить тестирование системы и окончательно перенести в диспетчерскую управление всеми тепловозами, которые работают в миксерном отделении. И перейти к автоматизации других участков работы. Следующий на очереди у нас — шлаковый двор. Автоматизировать его будет несколько сложнее, потому что оснастить датчиками нужно будет не только локомотив, но и инфраструктуру. На этой станции — несколько другие условия, и решение тоже будет немного другое.

Там камерам нужно будет определять, в каком положении находится стрелочный перевод, каким светом горит светофор и какой у него номер. Плюс при помощи RFID-меток нам обязательно нужно будет контролировать позиционирование и ограничивать автоматические передвижения.

Проект разделится на две части. Первая — система, которая будет установлена на локомотивы. А вторая — инфраструктура, которая будет стоять непосредственно на станции. Нам понадобятся звуковое и визуальное оповещение персонала, а также кнопки аварийного отключения и остановки подвижного состава. В общем, это будут совсем другой проект и другие локомотивы.

Мы продумали в общих чертах, что будем делать для автоматизации движения на разных станциях и участках работы. Я, конечно, не могу сделать прогноза, что через 20 лет мы совсем откажемся от машинистов, но считаю, что вполне реально автоматизировать до 50 % тепловозного парка. И управлять ими будут уже не машинисты, а диспетчеры. Скорее всего, их понадобится намного меньше. То есть, если на определённой станции есть пять локомотивов, то ими может управлять всего один диспетчер, который работает на этой станции.

Это вполне реальная задача, если заглядывать на 10–20 лет вперёд. Но и сейчас мы уже лидируем в области промышленных железнодорожных беспилотных перевозок.

Всё, что вы сейчас прочитали, — в первую очередь заслуга Александра Ермохина. Он не просто знал всё о проекте — он в нём жил. Без его внимания к деталям, упорства и инженерного упрямства беспилотные тепловозы могли бы остаться в будущем. А они у нас уже есть.