Autonomisista kiskopyöräkaivureista tehoa ja turvaa ratatöihin

Rautatiealan henkilöstö Euroopassa ikääntyy, ja fyysisesti raskas ja vaarallinenkin työ vaatii veronsa. Rautateiden kunnossapidossa työn laatu riippuu siitä, kuinka huolellisia, kokeneita ja osaavia yksittäiset työntekijät ovat. Tarkkuutta vaativa työ rasittaa ratakoneiden ohjaajia myös kognitiivisesti.

– Yksi ratkaisu rautatiealan haasteisiin on robotiikkateknologia. Teollisuusautomaation tapaan se voi parantaa laatua ja lisätä tuottavuutta, jolloin radanhuoltokatkot lyhenevät. Lisäksi robotiikka kohentaa turvallisuutta vähentämällä inhimillisistä virheistä johtuvia vakavia onnettomuuksia, sanoo professori Jouni Mattila Tampereen yliopistosta.

Tampereen yliopisto ja suomalainen Novatron oy kehittivät autonomisen kiskopyöräkaivurin Europe’s Rail -konsortion ja Euroopan Unionin H2020-ohjelman rahoittamassa Smart Tools for Railway work safEty and performAnce iMprovement (STREAM) -tutkimusprojektissa. Novatron on erikoistunut infrarakentamisen digitalisaatioon ja BIM-mallipohjaisiin koneohjausjärjestelmiin.

Kehitetyn autonomisen kiskopyöräkaivurin tehtäviä voivat esimerkiksi olla radan sorapohjan uudistaminen, BIM-mallipohjainen lumenluonti sekä uusien ratapölkkyjen ja -kiskojen asennus. Autonominen ohjausjärjestelmä ja sensoriteknologia mahdollistavat koneen liikkumisen rautatieverkostossa itsenäisesti ja tarkasti. Kaivuri on varustettu monipuolisilla antureilla, jotka tunnistavat esteet ja vaaratilanteet sekä mahdollistavat niihin reagoinnin reaaliajassa.

Autonomista kaivuutyötä turvastandardeja noudattaen

Lukuisat EN-ratatyöstandardit sekä niistä johdetut Väylän ratapidon turvallisuusohjeet (TURO) määrittävät tarkasti erilaisia ratatyöturvallisuusvaatimuksia, joita on noudatettava radalla tapahtuvissa kunnossapito- ja uudistustöissä. Tämä helpottaa ratatyötehtävien automatisointia, koska huomioitavat asiat on yksiselitteisesti määritelty alan standardeissa. Tallaisia ovat esimerkiksi kiskopyöräkaivurin suurin sallittu kiskopyörän normaalivoima ratakiskoon ja erilaiset turvaetäisyydet sähköjohtoihin ja viereisiin ratoihin.

Turvallisuussäädöksiin liittyen STREAM-tutkimusprojektissa kehitettiin muun muassa kauhankäytön aikaisten kiskopyörien normaalivoimien laskenta ja rajoitus, sekä GNSS-RTK paikannukseen ja rataympäristön BIM-tietomalliin perustuva ajonaikaisesti päivittyvä turva-alue, joka estää kaivurinpuomin törmäykset ratainfraan, voimalinjoihin ja viereisellä radalla kulkevaan liikenteeseen. Molemmat ovat yleispäteviä menetelmiä raskaille työkoneille, ja esimerkiksi ajonaikaista voimien laskentaa on jo käytetty hyvällä menestyksellä muidenkin työkoneiden ajonaikaiseen vakautukseen.

Autonomisen kiskopyöräkaivurin toimintaa ja ominaisuuksia esitelläänyleisölle projektin loppudemossa Espanjan Tarragonassa kesäkuussa. Aiemmin tänä keväänä Suomessa suoritetussa demossa kaivuri poistaa viereisen ratakiskon alla sijaitsevan 18 metriä pitkän sepelikerroksen täysin itsenäisesti ilman kuljettajaa. Tähän vaaditaan sekä automaattisia kauhan liikkeitä että kaivurivaunun itsenäistä liikkumista.

– Tämä tarkoittaa sitä, että kiskopyöräkaivuri pystyy itsenäisesti työskentelemään BIM-mallipohjaisesti ja samalla monitoroi, ettei törmäyksiä ratainfraan tapahdu eikä sallitut enimmäiskiskopyörävoimat ylity. Uskon, että demonstraatio osoittaa kehittämämme teknologian soveltuvuuden rautatiealan käyttöön uusissa käyttötapauksissa, Mattila sanoo.

Suomi edelläkävijänä ratatöiden automatisoinnissa

Suomi on edelläkävijä ratainfran digitalisoinnissa, mistä esimerkkinä Meeri-mittausvaunu, joka laserskannaa pääradat läpi säännöllisesti kunnontarkastusmielessä. Digitaalisiin BIM-malleihin perustuvat robotisoitujen kiskopyöräkaivurien käyttöönotto rautatiealalla on vasta alkuvaiheessa, mutta projektin tulokset ovat lupaavia.

Mattilan mukaan tutkimusprojekti osoitti, että autonomiset kiskopyöräkaivurit voivat tehdä työtä tarkemmin, tehokkaammin ja turvallisemmin kuin ihmiskäyttöiset kaivurit. Lisäksi suoritettu työ kiskopyöräkaivurilla voidaan päivittää suoraan muutoksena ratainfran BIM-malliin, jolloin perinteinen maamittaustyö laadunvarmistukseen poistuu.  

Rautatiealalla on vielä paljon automatisointipotentiaalia, johon BIM-pohjaiset kuljettajaa avustavat koneohjausjärjestelmät sekä työkonerobotiikkatutkimus voivat avata uusia markkinoita. Esimerkiksi kaivurin GNSS-RTK paikannus yhdistettynä BIM-mallipohjaiseen ohjaukseen voi estää törmäykset kalliisiin ratainfrakomponentteihin, jotka ovat lumen alla tai muuten vaikeasti havaittavissa.