Русский | English

RailBreak

Задача. Беспилотный трамвай маршрута № 10 в Москве определяет положение сравнением с лидарной картой (сообщение мэрии). Кейс хакатона «Резервная одометрия по модели» просит второй канал на штатных сигналах вагона: двух скоростях тележек, положении ручки контроллера и известной геометрии пути. GNSS в городской застройке пропадает и прыгает, поэтому резервный канал берёт его только на старте и в редкие окна RTK на оси пути.

Что делает RailBreak. Превращает эти три сигнала в продольную скорость, 3D-положение точки base_link в MGRS и карточку достоверности — с задержкой 0.20 мс, без IMU, лидара и камер. Пакет railbreak_backup_odometry — ROS 2 Humble, C++17, собирается без сети.

Звено	Что держит	RailBreak
Основная локализация	Лидарная карта	—
Резервный канал	Скорость, положение и доверие, когда основной канал деградирует	Фильтр вдоль пути на тележках, ручке и карте
Потребитель	Решение о движении	Получает оценку, её интервал и статус use_position

Что уже работает

• Лучшая скорость среди опубликованных решений трека: 0.024691 м/с на официальном checker организатора после дедлайна; другие команды в своих отчётах дают 0.026–0.055 м/с (C-01, C-02).
• Положение 1.157702 м по 3D RMSE с максимумом 3.67 м; после отбора ошибка снижена с 2.151 м на 46 % (C-01, C-03).
• Поперечная ошибка 7 см: состояние живёт на оси пути, и оценка не сходит с рельса (C-04).
• Задержка 0.20 мс по медиане, p99 1.09 мс, максимум 100.7 мс при пороге ТЗ 100 мс и пике 250 мс; дольше 100 мс — 2 пары из 24 388. 24 МБ памяти и меньше 1 % одного ядра (C-05, C-06).
• Точность на отложенных рейсах: медиана 1.47 м вдоль пути и дрейф 0.024 % пройденного на 21 рейсе val (C-08).
• Отказ одной тележки почти не виден в метриках: пропуск 20 с — 1.60 м против 1.47 м без сбоя; ни один прогон сбоев не дал NaN или Inf (C-10).
• Общая мода обнаруживается: синхронный юз обеих тележек помечен в 95 % рейсов, доверие к положению снимается до якоря станции (C-11).
• Объяснимая карточка состояния advisory_class, раздельное доверие к скорости и положению, эмпирическая граница вдоль пути — 97.2 % фиксов val внутри (C-13).
• Воспроизводимо: приёмка одной командой с кодом возврата; C++-ядро и Python-двойник совпадают до 0.37 мм; ядро чисто под AddressSanitizer + UndefinedBehaviorSanitizer (C-12, C-15).
• Аудит 2026-10-25: привязка GNSS к кольцу точна до долей сантиметра, некорректная конфигурация и повреждённые assets отклоняются до первого шага (C-16, C-17, отчёт).

Каждое число — в реестре утверждений с командой воспроизведения; границы — в LIMITS.md. Числа официального checker сняты 2026-10-03, до исправления привязки GNSS 2026-10-25 и до сетки положения 0.04 с; повтор на текущем дереве — первый пункт плана.

Содержание

• Запуск для жюри
• Как работает решение
• Устойчивость к сбоям
• Эволюция точности
• Сравнение с треком и литературой 2025–2026
• Границы и план
• Документация
• Сценарии запуска
• Официальный checker и замер задержки
• Контракт топиков
• Сборка без Docker
• CI и права

Запуск для жюри

Нужен Docker (Docker Desktop на Windows и macOS, Docker Engine с Compose на Linux). Из корня клона:

scripts/jury.sh play --bag <каталог rosbag2> --msgs <tram_vehicle_msgs>
.\scripts\jury.ps1 play -Bag <каталог rosbag2> -Msgs <tram_vehicle_msgs>

Контейнер собирает пакет вместе с пакетом сообщений организатора и проигрывает запись; после загрузки базового образа Humble сеть не нужна. Записи rosbag2 и tram_vehicle_msgs приходят с датасетом, карта маршрута (assets/) встроена в пакет.

Используйте полный tram_vehicle_msgs из датасета. В архиве check-code-with-bag.zip нет DriverControllerCommand.msg; с таким пакетом нода сама собирается в режиме двух тележек при нулевой ручке (notch_input = type_absent) и даёт 1.325 м и 0.027 м/с на той же записи (C-14).

На выходе:

• /result/velocity (tram_vehicle_msgs/VelocitySensor) — с первого сообщения тележки, продольная скорость в м/с;
• /result/position (nav_msgs/Odometry) — после 3-секундного стартового окна GNSS: frame_id = map, child_frame_id = base_link, x в квадрате MGRS 37U CB около 99–103 км;
• /result/diagnostics (diagnostic_msgs/DiagnosticArray) — режим, целостность, доверие каналов; после стартового окна gnss = correcting (по умолчанию) или gnss = closed при gnss_correction: false.

Автоматическая приёмка с кодом возврата (0 — все проверки пройдены):

scripts/jury.sh acceptance --bag <каталог rosbag2> --msgs <tram_vehicle_msgs>
.\scripts\jury.ps1 acceptance -Bag <каталог rosbag2> -Msgs <tram_vehicle_msgs>

acceptance записывает выходные топики, считает метрики score_ros.py и завершается ненулевым кодом, если нода упала, нет скорости или положения, штамп шагнул назад, частота уникальных штампов ниже 10 Гц, разрыв больше 0.25 с, кадры отличаются от map / base_link или стартовое окно GNSS не закрылось. На учебной записи 30618_e9a34502: код 0, 3D 0.773 м, 29.2 Гц, 10 якорей станций.

Как работает решение

flowchart TB
  bf[Front bogie] --> q[Stamp queue]
  br[Rear bogie] --> q
  cmd[Driver notch] --> q
  q --> nf[Notch guard]
  nf --> ekf[Schmidt-Kalman]
  ring[Route 10 ring] --> ekf
  gnss[GNSS] --> ekf
  ekf --> out[Speed, pose, diagnostics]

Loading

1. Одна координата вдоль рельсов. Трамвай связан колеёй, поэтому фильтр оценивает дугу s вдоль геодезического кольца маршрута № 10 (assets/ring.csv, 10 945.6099 м в WGS84), а x, y, z и курс берёт из карты с пересчётом от антенны master к base_link (+9.873 м вдоль пути, −3.0 м по высоте). Ковариация положения проецируется касательной t = (p(s+2) − p(s−2)) / 4: Σ_xyz = Var(s_pub) · t tᵀ.
2. Фильтр Шмидта — Калмана [s, v, k, b_a]. Между отсчётами тележек скорость интегрируется по таблице тяги и торможения a_tab(n, v) (assets/notch.csv, снята с train) за вычетом уклона g · i(s) со смещением b_a. По двум колёсам наблюдаемо только отношение v / k, поэтому на колёсном шаге усиление по масштабу обнулено (K_k = 0, форма Джозефа): погрешность таблицы тяги не утекает в радиус колеса. Масштаб k уточняют однозначные стоянки у станций (assets/stops.csv, разброс ≤ 3 м, ворота 3σ, ZUPT) через ковариацию P_sk.
3. Мягкое снижение веса вместо отключения датчика. Тележка, разошедшаяся с моделью (ν² / S > 16) или с соседней, остаётся в фильтре с R = 25 (м/с)²; траекторию ведут здоровая тележка и модель тяги.
4. Защита знака ручки (notch_fault). Если согласованные тележки быстрее 1 м/с дольше 0.5 с ускоряются при тормозной ручке (notch ≤ −4) или замедляются сильнее 1.0 м/с² при ходовой (notch ≥ +4), модель переходит на выбег.
5. Выход на сетке 0.04 с. Пока обе тележки свежие и согласны, /result/velocity публикует их среднее на сетке 0.04 с со сдвигом штампа output_stamp_offset_s = +0.105 с (измеренный лаг эталона /localization/kinematic_state относительно тележек; параметр). При расхождении или обрыве выход за 0.5 с переходит на скорость фильтра. Положение выходит со штампом тележки и между штампами — по сохранённой дуге с шагом 0.04 с.
6. Контроль общей моды. Две тележки на одном рельсе ошибаются вместе: при синхронном юзе они согласны друг с другом и расходятся с моделью. Через 3 с фильтр переходит в COMMON_MODE_UNOBSERVABLE, замораживает k и b_a и ждёт станцию или пачку RTK на оси; через 5 с или 100 м без якоря — LOST, положение публикуется с σ = 1 км и integrity_use_position = false. Карточка advisory_class (input_quality, common_mode, one_bogie_residual, both_residual, nominal) отделяет плохой вход от физической невязки.
7. GNSS: старт и редкие якоря. Окно 3 с ставит вагон на кольцо (среднее дуг двух антенн и азимут master→rover). Затем при gnss_correction: true каждое окно master RTK один раз корректирует s, не трогая k, если фикс не дальше 1.5 м поперёк оси и продольная невязка не больше max(5 м, 4σ_s). gnss_correction: false оставляет после старта колёса, модель тяги и карту.

Подробно: модель, допущения и параметры, архитектура, граница целостности, карточка модели.

Устойчивость к сбоям

Отложенная выборка val, 21 рейс; сбой накладывается на ходу (скорость > 20 км/ч, после 25 % рейса).

Сбой	RMSE вдоль пути, медиана (p95)	RMSE скорости	Поведение
Без сбоя	1.47 м (5.83)	0.032 м/с	—
Передняя тележка молчит 20 с	1.60 м (5.7)	0.032 м/с	Путь ведёт задняя тележка
Обе тележки молчат 20 с	1.76 м (6.6)	0.061 м/с	Путь ведёт модель тяги по ручке и уклону
Передняя тележка NaN 10 с	1.60 м (5.8)	0.032 м/с	Отсев на входе
Передняя +10 % на 30 с (боксование)	1.94 м (10.5)	0.035 м/с	Флаг в 95 % рейсов, R = 25 (м/с)²
Обе −20 % на 8 с (юз)	6.46 м (868.5)	0.156 м/с	Флаг в 95 % рейсов; хвост p95 — рейсы без однозначной станции до конца, там LOST

Якоря станций — главный источник точности: без них медиана 12.6 м (C-09). Полная матрица — в results.md §4.

Эволюция точности на проверочной записи

Официальный hackathon_solution_checker (metrics.py, ApproximateTimeSynchronizer, очередь 100, допуск 0.05 с), запись 30618_88aea4d9, --rate 1:

Этап	Что изменилось	Положение, м (макс.)	Скорость, м/с
Сдача к дедлайну, checker на 5cd35fa	Выход на каждый вход, сферическая дуга, скорость фильтра	2.151 (5.649)	0.051
Pathgraph и окна RTK	Ось pathgraph в кольце, медиана каждой пачки master RTK на оси	1.615 (4.899)	0.035
Среднее согласных тележек	wheels_mean, штамп +0.105 с, лаг дуги 0.05 с	1.372506 (4.922128)	0.026633
Геодезическое кольцо WGS84	Точная длина ring.csv, k0 = 1.001378 по train, сетка скорости 0.04 с	1.163029 (3.682215)	0.024695
2026-10-03, поза на штампе тележки	Ручка больше не публикует позу	1.157702 (3.674567)	0.024691

Тот же бинарник при --rate 10 — 1.159811 м и 0.024686 м/с. Полный журнал из 18 прогонов и разложение по 120-секундным окнам — в results.md §9. Карта и k0 строились только по train.

Сравнение с треком и литературой 2025–2026

Числа других команд на записи 30618_88aea4d9 — из их README и отчётов (references.md).

Решение	Подход	Скорость, м/с	Положение 3D, м
RailBreak	Шмидт — Калман [s, v, k, b_a], геодезическое кольцо, среднее тележек, notch_fault, монитор целостности	0.024691	1.157702 (макс. 3.67)
67-time-to-win-hack	GPB1 на пяти режимах, CUSUM, западный тупик в карте	0.026	0.60
ekimlichenko-mt	Одномерный оцениватель с GNSS по ходу рейса	0.0324	1.111 (макс. 14.02)
VECTRA	UKF [s, v, d, k_т, k_б], сопротивление Дэвиса	0.042	1.43
tram-backup-odometry	Эхо-сеть и Калман [v, b]	0.051	1.209
dub-otrezkov	Проекция на путь	0.055	1.053 (макс. 13.17)
FunnyRepo	Таблица 31×16, задержка тяги 0.4 с	0.033	5.13

Среди опубликованных решений у RailBreak самая низкая ошибка скорости и наименьший максимум ошибки положения: 3.67 м против 13–14 м у двух команд, опубликовавших максимум. Лучшее опубликованное среднее положение — 0.60 м у 67-time-to-win-hack (M-03); резерв RailBreak виден в разложении ошибки: 0.07 м поперёк и 0.80 м вдоль пути между якорями.

Место в литературе.

1. Одномерное состояние вдоль пути — магистральное направление рельсовой навигации. Одномерный фильтр INS/одометр ION GNSS+ 2026 получает 1.335 м пробега и 0.0132 м/с на 30 км — с IMU (M-01); метропоезд в IEEE T-ITS 2025 уточняет положение по геометрии пути. RailBreak выходит на метровую точность без IMU: второй канал — модель тяги и якоря станций.
2. Раздувание дисперсии по невязке следует Palmer, Nourani-Vatani (IROS 2018) и residual-aware DR-EKF (arXiv:2604.02749, 2026) в виде O(1)-правила по NIS для цикла 30 Гц.
3. Целостность. Точность и целостность разделены, как в обзоре Sensors 2025; следующий шаг — онлайн- и многоисточниковая конформная калибровка (2026).
4. Сцепление. Обученные предикторы юза (Urban Rail Transit 2026, M-04) и наблюдатели μ (ETAE 2026) опираются на тормозное усилие или момент; RailBreak публикует объяснимую карточку невязок.

Практики, перенесённые из соседних репозиториев автора, — docs/PORTING.md.

Границы и план

Область	Сейчас	Следующий шаг
Синхронный юз обеих тележек (L-01)	Обнаружение, снятие доверия к положению до якоря, LOST по слепому бюджету	Третий канал скорости: радар, IMU или магнитная подпись пути (M-02)
Коэффициент сцепления (L-02)	Карточка невязок, mu_estimate = null	Момент тяги или IMU во входном контракте
Граница целостности (L-03)	Эмпирическая по train, 97.2 % val внутри	Онлайн-конформная калибровка по вагонам
Топология (L-04)	Одно кольцо регулярного маршрута	Банк гипотез пути (прототип)
Масштаб вагона (L-05)	k0 вагона 30618	Калибровка по вагону

Первый пункт плана — повтор официального checker на текущем дереве с сеткой положения 0.04 с и исправленной привязкой GNSS. Сводный план — tz-audit.md.

Документация

Документ	Содержание
Пакет railbreak_backup_odometry	Входы и выходы, сборка без интернета, параметры, диагностика, поведение при сбоях
Математическая модель	Состояние [s, v, k, b_a], таблица тяги, фильтр, наблюдаемость, якоря
Допущения и параметры	Единицы, геометрия base_link, MGRS 37U CB, полная таблица параметров
Методика и результаты	Официальный checker, val, абляции, сбои, реальное время, журнал прогонов
Соответствие ТЗ и план	Построчная сверка с кейсом и план развития
Реестр утверждений, границы, карточка модели	Каждое число с источником; границы и что их снимает
Аудит 2026-10-25	Находки в коде и документах, исправления, регрессионные тесты
Источники	Литература 2012–2026 и что взято из каждой работы
Инженерный журнал	Изменения после отбора: что вошло, что проверено и отклонено
Демо и питч	Три акта живой демонстрации и пятиминутный доклад
Карта документации, правила для участников	Все документы; проверки перед PR

---

Сценарии запуска (jury.sh / jury.ps1)

scripts/jury.sh  <сценарий> --bag <каталог rosbag2> --msgs <tram_vehicle_msgs>
scripts/jury.ps1 <сценарий> -Bag <каталог rosbag2> -Msgs <tram_vehicle_msgs>

Сценарий	Что проверяет
play	Полный прогон записи в кадре mgrs, без /clock
smoke	Быстрая проверка первых 25 секунд записи
acceptance	Запись выхода, метрики score_ros.py и fail-closed проверки (код 0 — всё прошло)
record	Запись выхода и расчёт метрик в интерактивном режиме
clock	Запуск с use_sim_time:=true и ros2 bag play --clock
fast	Ускоренное воспроизведение --rate 10 (логика, не замер задержки)
frame	Локальная сетка от старта (output_frame:=mkrs_start)
no-gnss	Прогон без топиков GNSS (относительная одометрия от точки старта)
no-assets	Без каталога карт (assets_dir:=/nonexistent): нода жива, выдаёт пройденный путь по x, y = z = 0
arc	Старт без GNSS с заданной дуги (--initial-s / -InitialS)
core	Сборка CMake и модульные тесты ядра C++17 без Docker, ROS и rosbag2

Официальный checker и замер задержки

Пакет hackathon_solution_checker из архива check-code-with-bag.zip собирается в одном рабочем пространстве с нодой (tram_vehicle_msgs для полного прогона — из датасета):

colcon build --packages-select tram_vehicle_msgs railbreak_backup_odometry hackathon_solution_checker
ros2 run railbreak_backup_odometry backup_odometry_node       # терминал 1
ros2 run hackathon_solution_checker metrics                   # терминал 2, итог после Ctrl+C
ros2 bag play <каталог rosbag2> --rate 1                      # терминал 3

Задержка вход→выход: запишите три входных топика, /result/position и /result/velocity через ros2 bag record при --rate 1, затем:

python3 tools/organizer/latency_probe.py --bag <записанный_bag> --output-topic /result/position

Скрипт считает разность времени приёма выхода и входа с тем же header.stamp. Поле callback_max_us в /result/diagnostics — длительность одного колбэка внутри процесса.

Контракт топиков ROS 2

Направление	Топик	Тип	Описание
Вход	/vehicle/front_bogie_velocity, /vehicle/rear_bogie_velocity	tram_vehicle_msgs/msg/VelocitySensor	Скорости тележек (в записях — км/ч; нода делит на 3.6)
Вход	/vehicle/driver_position_cmd	tram_vehicle_msgs/msg/DriverControllerCommand	Позиция ручки −15..+15 (отрицательная — торможение, положительная — тяга)
Вход	/sensing/gnss/master/fix, /sensing/gnss/rover/fix	sensor_msgs/msg/NavSatFix	Стартовое окно 3 с и редкие окна master RTK на оси пути
Выход	/result/velocity	tram_vehicle_msgs/msg/VelocitySensor	Продольная скорость, м/с (сетка 0.04 с, штамп +0.105 с)
Выход	/result/position	nav_msgs/msg/Odometry	Точка base_link в MGRS 37U CB (map → base_link), скорость в twist.twist.linear.x; при запрете целостности σ = 1 км
Выход	/result/diagnostics	diagnostic_msgs/msg/DiagnosticArray	Режим, целостность, доверие каналов, advisory_class, notch_fault, GNSS, очередь штампов

Сборка без Docker: Ubuntu 22.04 и ROS 2 Humble

Нужен установленный ROS 2 Humble (rclcpp, nav_msgs, sensor_msgs, diagnostic_msgs, ament_index_cpp, launch_ros, ros2 bag). Интернет и rosdep для сборки пакета не нужны.

1. Сборка рабочего пространства

mkdir -p ~/ws/src
cp -a railbreak_backup_odometry ~/ws/src/
cp -a <датасет>/tram_vehicle_msgs ~/ws/src/
# В выданном package.xml нет тега <maintainer>, обязательного для catkin_pkg в Humble
source scripts/ensure_maintainer.sh
ensure_maintainer ~/ws/src/tram_vehicle_msgs/package.xml
cd ~/ws
source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build --packages-select tram_vehicle_msgs railbreak_backup_odometry \
  --cmake-args -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
source install/setup.bash
ros2 pkg executables railbreak_backup_odometry   # backup_odometry_node, replay_events

2. Штатный прогон записи

Запускайте ноду до проигрывателя, чтобы не пропустить стартовое окно GNSS (если окно пропущено, нода захватит абсолютную дугу на первой пачке master RTK на оси):

# Терминал 1
ros2 launch railbreak_backup_odometry backup_odometry.launch.py
# Терминал 2 — после строки "assets ...: ring ... m" в логе
ros2 bag play /путь/к/каталогу_bag --rate 1
# Терминал 3
ros2 topic hz /result/velocity
ros2 topic echo /result/position --field pose.pose.position
ros2 topic echo /result/diagnostics --field status[0].values

3. /clock и ускоренный прогон

По умолчанию use_sim_time выключен: интегратор работает по header.stamp входов. С /clock:

ros2 launch railbreak_backup_odometry backup_odometry.launch.py use_sim_time:=true
ros2 bag play /путь/к/каталогу_bag --clock --rate 1

--rate 10 подходит для проверки логики (очередь подписки 500); задержку по ТЗ меряют при --rate 1.

4. Оценка на учебных записях (score_ros.py)

В учебных записях нет /localization/kinematic_state, поэтому score_ros.py восстанавливает base_link по отрезку антенн master→rover (база 12.436 ± 2 м, разность высот ≤ 1 м):

ros2 bag record -o /tmp/result_bag /result/velocity /result/position /result/diagnostics
python3 tools/organizer/score_ros.py /tmp/result_bag /путь/к/исходному_bag --frame mgrs

5. Кадры и особые старты

• Локальная сетка от старта: output_frame:=mkrs_start (также mgrs, mkrs, grid_start, enu).
• Свой каталог карт без пересборки: assets_dir:=/путь/к/assets.
• Старт без GNSS: -p initial_lat_deg:=55.810417 -p initial_lon_deg:=37.462308 или -p initial_s_m:=1234.0. Если за 10 с нет ни GNSS, ни начальной точки, нода выдаёт относительный путь от нуля.
• Без карты (assets_dir:=/nonexistent): нода пишет assets not loaded и выдаёт скорость и пройденный путь по x.

6. Ядро C++17 без ROS 2

Математическое ядро в include/railbreak_backup_odometry/ не зависит от ROS 2 и собирается на любой ОС с CMake 3.14+:

cmake -S railbreak_backup_odometry/tools -B build/rbo -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
cmake --build build/rbo --config Release --parallel
ctest --test-dir build/rbo -C Release --output-on-failure

CI и права

• Публичный CI (.github/workflows/ci.yml): ядро пакета и исследовательский стенд в Release и под AddressSanitizer + UndefinedBehaviorSanitizer; Python-тесты двойника, скореров, монитора целостности, кампании сбоев, документации и реестра утверждений (lint_claims.py); сборка и colcon test пакета railbreak_backup_odometry в контейнере ROS 2 Humble с полным стабом ci/tram_vehicle_msgs и без DriverControllerCommand.msg.
• Исследовательский стенд tramDR-0.0.11: каталоги tram_dr_localization и standalone — 12-мерный UKF на синтетике (docs/verification.md); нода сдачи их не использует.
• Права: код передаётся организаторам по условиям хакатона; сторонние компоненты и данные — NOTICE и THIRD_PARTY_NOTICES.md; происхождение модулей — PROVENANCE.md; как цитировать — CITATION.cff.