Bachelor's Thesis

Model Train Controlled by Computer

Final Thesis 5.27 MB

Author of thesis: Matouš Havlíček

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Dr. Ing. Pavel Zemčík, dr. h. c.

Reviewer: Ing. Jakub Liška

Abstract:

This bachelor thesis focuses on the design and implementation of an autonomous control system for a model railway based on the digital twin concept. The primary contribution of this solution is the elimination of traditional hardware sensors embedded in the tracks, which are replaced by non-contact tracking using a webcam and computer vision methods. ArUco fiducial markers and motion tracking are utilized for precise real-time locomotive localization. The control software, developed in Python using the OpenCV and PySide6 libraries, processes image data and sends DCC-standard instructions to the locomotive via the Arduino platform. The resulting system enables smooth visualization, manual control, and schedule automation with high positional accuracy without the need for intrusive modifications to the railway infrastructure.

Keywords:

computer simulation, model train track, computer vision, digital twin, Python, OpenCV, ArUco markers, Arduino, DCC

Date of defence

18.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Student nejprve prezentoval výsledky, kterých dosáhl v rámci své práce. Komise se poté seznámila s hodnocením vedoucího a posudkem oponenta práce. Student následně odpověděl na otázky oponenta a na další otázky přítomných. Komise se na základě posudku oponenta, hodnocení vedoucího, přednesené prezentace a odpovědí studenta na položené otázky rozhodla práci hodnotit stupněm C.

Topics for thesis defence

  1. Uvažovali ste pri návrhu detekčného modulu aj o prístupoch založených na neurónových sieťach (napr. odľahčené varianty YOLO)? Z akého dôvodu ste zvolili čisto analytický prístup cez OpenCV?
  2. Simulovaná logika výhybiek nie je prepojená s fyzickým hardvérom. Čo by bolo technicky potrebné doplniť, aby táto integrácia fungovala?
  3. Zadanie explicitne požadovalo zvažovanie mobilného zariadenia ako prostriedku používateľského rozhrania. Prečo ste túto možnosť v práci nerealizovali ani nezdôvodnili jej zamietnutie?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Information Technology (BIT)

Composition of Committee

prof. Ing. Lukáš Sekanina, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Ondřej Lengál, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Marta Jaroš, Ph.D. (člen)
Ing. Libor Polčák, Ph.D. (člen)
Ing. Tomáš Milet, Ph.D. (člen)

Jedná se o práci, která je poměrně solidní, ale šlo ji "dotáhnout" podstatně dále. Realizační část práce se zaměřila na simulaci v "digitálním dvojčeti" i jeho řízení, je v zásadě funkční, i když by šla ještě podstatně rozvinout. Textová část práce je na odpovídající úrovni, i když i ta by bývala šla zlepšit. Celkově proto hodnotím stupněm dobře (C).

Evaluation criteria Verbal classification
Informace k zadání

Zadání práce bylo zaměřeno na řízení vláčku počítačem. Bylo průměrně náročné a mělo potenciál k vlastnímu tvůrčímu přístupu k řešení a rozvoji tématu, kterého student zčásti využil a zaměřil se kromě řízení vláčku zejména na vytvoření "digitálního dvojčete" a simulace vláčku v počítači. Tím se od původního záměru sice poněkud odchýlil, ale se směrem práce a vlastně i s výsledkem práce jsem v principu spokojen, i když student mohl realilzaci "dotáhnout" mnohem dále.

Práce s literaturou

S literaturou pracoval student samostatně a iniciativně, sháněl si samostatně i studijní podklady a materiál pro experimenty.

Aktivita během řešení, konzultace, komunikace

Během práce byl student střídavě aktivní. Na konzultace docházel zpočátku práce intenzivně, poté se poněkud odmlčel a ke konci se zase "aktivizoval". Na konzultace býval připraven.

Aktivita při dokončování

Práce byla dokončena poměrně těsně před termínem. Bylo sice možné provést konzultace a korekce práce, ale bylo by bylo práci "pomohlo" kdyby byla dokončena dříve.

Publikační činnost, ocenění

-

Points proposed by supervisor: 70

Grade proposed by supervisor: C

Reviewer’s report
Ing. Jakub Liška

Evaluation criteria Verbal classification Points
Náročnost zadání

Evaluation level: průměrně obtížné zadání

Zadanie hodnotím ako priemerne obtiažné. Študent sa musel zorientovať v problematike strojového videnia, užívateľských rozhraní, nízkonapäťovej elektroniky, mikrokontrolérov a digitálneho riadenia modelových železníc. Taktiež bolo potrebné, aby výsledná aplikácia dokázala bežať v reálnom čase a dokázala správne reagovať na nekonzistentnosť reálneho sveta a správne reflektovať realitu pomocou digitálneho dvojčaťa.

Prezentační úroveň technické zprávy

Technická správa má logickú a prehľadnú štruktúru. Kapitoly na seba navzájom prirodzene nadväzujú (od rešerše cez návrh až po implementáciu a testovanie). Text je písaný zrozumiteľne aj pre čitateľa bez hlbokých znalostí modelových železníc, pričom odborné pojmy sú vždy vysvetlené. Kladne hodnotím konzistentné používanie diagramov a obrázkov na doplnenie textu. Mierne negatívne vnímam nižší celkový rozsah práce a skutočnosť, že niektoré kapitoly (najmä kapitola 5 – Testovanie) sú spracované pomerne stručne a mohli by byť informačne bohatšie.

82
Formální úprava technické zprávy

Typografická úprava práce je na dobrej úrovni, formátovanie je konzistentné a číslovanie kapitol aj obrázkov je správne. Z jazykovej stránky pôsobí text väčšinou plynulo a odborne, autor však na niektorých miestach (najmä v úvode a závere) skĺzol do neformálneho, esejistického štýlu nevhodného pre odbornú technickú správu. Jazyková revízia pomocou nástroja Gemini sa pozitívne prejavila na celkovej čitateľnosti, no neodstránila všetky štylistické neobratnosti.

89
Realizační výstup

Implementačnú časť hodnotím ako funkčnú v základnom až stredne pokročilom rozsahu. Študent vytvoril modulárnu aplikáciu spájajúcu simulačný engine, grafické používateľské rozhranie (GUI), lokalizáciu pomocou kamery a DCC komunikáciu. Pozitívne hodnotím, že v simulačnej vrstve je riešená aj logika výhybiek a prepínanie vetiev trasy.
Limitom riešenia je však absencia integrácie výhybiek s fyzickým koľajiskom (t. j. chýba prepojenie simulovanej logiky výhybiek s reálnym prestavovaním výhybiek v hardvéri). Ďalším významným nedostatkom je správanie pri vjazde na slepú koľaj, kde namiesto plynulého dojazdu dochádza k skokovému nastaveniu nulovej rýchlosti a následnému resetu digitálneho dvojčaťa na štartovací uzol. Takéto správanie nezodpovedá fyzikálnej realite prevádzky a v reálnom nasadení by analogická situácia predstavovala kolíznu situáciu, resp. potenciálnu haváriu súpravy na konci slepej koľaje.
Z hľadiska detekcie je riešenie založené na analytickom spracovaní obrazu pomocou knižnice OpenCV (najmä sledovanie ArUco markerov, doplnené sledovaním pohybu). Študent nevyužil alternatívne prístupy založené na moderných neurónových detektoroch (napr. odľahčené varianty YOLO), ktoré by mohli zvýšiť robustnosť detekcie v premenlivých podmienkach. Súčasne je riešenie výrazne závislé od ArUco markera umiestneného na lokomotíve, čo môže byť v modelárskej praxi problematické, nakoľko niektoré modely nemajú na streche dostatok vhodného miesta, prípadne by nalepením markera došlo k estetickému znehodnoteniu modelu.
Slabšia je aj formálna verifikácia — testovanie je prevažne praktické a popisné, bez automatizovaných testov a reprodukovateľných metrík.

Celkovo ide o funkčný a technicky zaujímavý prototyp, ktorý však má rezervy v prepojení s fyzickou infraštruktúrou, v robustnosti hraničných scenárov a v praktickej použiteľnosti detekčnej metódy.

71
Využitelnost výsledků

Práca nie je kompilačného charakteru. Autor navrhol a implementoval vlastný funkčný prototyp digitálneho dvojčaťa pre modelovú železnicu s praktickým potenciálom nasadenia. Plnému využitiu v praxi však bránia nedostatky identifikované v predchádzajúcej sekcii, najmä absencia fyzickej integrácie výhybiek a obmedzená robustnosť detekčnej metódy.

Rozsah splnění požadavků zadání

Evaluation level: zadání splněno s drobnými výhradami

Zadanie bakalárskej práce považujem za splnené s drobnými výhradami – body 1, 3, 4 a 5 boli splnené v plnom rozsahu, bod 2 však len čiastočne, keďže autor síce navrhol funkčné desktopové používateľské rozhranie, no možnosť využitia mobilného zariadenia ako explicitne požadovanú súčasť zadania v práci vôbec neadresoval.

Rozsah technické zprávy

Evaluation level: splňuje pouze minimální požadavky

Predložená technická správa dosahuje približne 44,5 normostrán (vrátane obrázkov), čo síce spĺňa stanovené minimum 40 normostrán, avšak pohybuje sa na jeho dolnej hranici a nedosahuje obvyklého rozmedzia 60–80 normostrán. Samotný text je vecný a informačne konzistentný, pričom obrazová zložka tvorí približne 20% rozsahu, čo je v norme.

Práce s literaturou

Prevzaté prvky sú v texte riadne odlíšené od vlastných výsledkov a úvah, citačná etika nebola porušená. Zoznam literatúry v zásade spĺňa požiadavky normy ČSN ISO 690. Číselné odkazovanie v hranatých zátvorkách je korektné, online zdroje majú uvedené URL aj dátum citácie, záznamy sú konzistentné. Mierne negatívne možno hodnotiť nižší počet vedeckých článkov v pomere k online zdrojom a dokumentáciám, čo je však vzhľadom na praktický charakter práce čiastočne pochopiteľné.

80
Topics for thesis defence:
  1. Uvažovali ste pri návrhu detekčného modulu aj o prístupoch založených na neurónových sieťach (napr. odľahčené varianty YOLO)? Z akého dôvodu ste zvolili čisto analytický prístup cez OpenCV?
  2. Simulovaná logika výhybiek nie je prepojená s fyzickým hardvérom. Čo by bolo technicky potrebné doplniť, aby táto integrácia fungovala?
  3. Zadanie explicitne požadovalo zvažovanie mobilného zariadenia ako prostriedku používateľského rozhrania. Prečo ste túto možnosť v práci nerealizovali ani nezdôvodnili jej zamietnutie?
Points proposed by reviewer: 74

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová