28 июня 2021 года
Новое направление морского образования
С 2021 года в МГУ им. адм. Г.И. Невельского начинается практическая работа по организации Центра подготовки операторов беспилотных воздушных судов (БВС). Существенной поддержкой в создании технической базы такого Центра являются гранты, которые получают научные сотрудники Научно-инновационный комплекс (НИК) «Морской технопарк»:
– Проект #ЭкоДрон при поддержке автономной некоммерческой организацией «Центр содействия развитию молодежи Приморского края» Федерального агентства по делам молодежи. Руководитель – аспирант Коровецкий Денис Андреевич.
– Проект РНФ № 19-72-00107 «Разработка технологий элементов искусственного интеллекта обработки спектральных данных метода лазерной индуцированной флуоресценции и их реализации в аппаратно-программном комплексе идентификации растворенных следов нефтепродуктов в морской воде», руководитель – кандидат физико-математических наук, заведующий лаборатории «Морской робототехники» Дмитрий Юрьевич Прощенко.
– Грант НК «Роснефть» – «Исследование перспективных методов мониторинга и ликвидации локальных загрязнений морской поверхности в ледовых условиях с использованием беспилотных воздушных средств (БВС)», руководитель – профессор, доктор физико-математических наук Букин Олег Алексеевич.
Эти проекты позволяют привлечь для создания технической базы Центра подготовки операторов БВС порядка двух миллионов рублей.
Необходимость создания такого Центра подготовки логически вытекает из тенденций использования БВС в морской отрасли. В университет уже поступили запросы от ряда организаций с просьбой провести подготовку операторов БВС для решения тех задач, с которыми они сталкиваются. Это довольно широкий спектр организаций и компаний. Прежде всего, это МЧС, на вооружение которых поступили квадрокоптеры для проведения мониторинга чрезвычайных ситуаций на морских акваториях. Это администрации портов, которые видят значительный эффект применения таких средств для мониторинга загрязнения акваторий портов и ведения хозяйственной деятельности. Ряд заявок поступает от компаний, которые испытывают трудности с использованием БВС в ежедневной практике, есть заявки от частных лиц. Технические средства БВС относятся к высоким технологиям, которые возникли благодаря использованию самых новых разработок сразу на нескольких направлениях науки. Это, прежде всего, в авионике, робототехнике, электротехнике, в разработке новых материалов, и, конечно же, благодаря формированию новой науки, связанной с созданием искусственного интеллекта.
Сочетание научных достижений с новыми техническими разработками позволяют создавать автономные малогабаритные, «умные» дроны. Не будет преувеличением утверждение, что сейчас мы наблюдаем настоящий «бум» в расширении сфер использования дронов. Сельское хозяйство, археология, геодезия, экология, урбанистика – это те сферы деятельности, где просто появляются новые профессии и с приходом новой технологии дронов отмирают некоторые из уже существующих. На первом месте стоят изменения в военной сфере, где дроны меняют не только тактическое мышление, но и являются фактором появления новых стратегических доктрин.
В морской отрасли существует ряд проблем, которые можно эффективно решать, используя БВС: прежде всего проведение автономной ледовой разведки. Такой опыт уже существует в Канаде, где малогабаритные дроны используются при проводке судов в порты при наличии ледового покрова. Наличие на судах, работающих в ледовой обстановке, малогабаритных, доступных по стоимости и не требующих специального обслуживания БВС, значительно поможет обеспечить безопасное плавание во льдах. В настоящее время нами решается задача создания искусственного интеллекта БВС для анализа снимков ледовых полей на уровне самых квалифицированных специалистов в этой области.
МГУ им. адм. Г.И. Невельского является явным пионером во внедрении технологии БВС в морскую деятельность в Арктике. Ещё в 2013 году мы одними из первых использовали дроны для отработки методов ледовой разведки во время экспедиции «Дальневосточного плавучего университета» на УПС «Профессор Хлюстин» в Арктику. Результаты получили высокую оценку и проект «Дальневосточный плавучий университет» был удостоен премии Русского географического общества. К настоящему времени сотрудники Научно-инновационного комплекса «Морской технопарк» продолжают разработки в этом направлении. В частности, успешно решается задача создания аппаратно-программной оболочки БВС автономной навигации и управления движения БВС. Эта оболочка обладает искусственным интеллектом и сенсорами, которые обеспечивают возможность принятия решений по корректировке навигации БВС и смены режимов движения во время полётов в зависимости от условий полёта и той информации, которая поступают от сенсоров. Если для выполнения миссии полёта БВС должен приводниться или изменить маршрут движения, то искусственный интеллект должен не только просчитать новую траекторию движения, но и учесть силу ветра, расстояние до объекта, определить местоположение посадки, оценить остаток энергии аккумуляторов и т.д. Словом, решить очень быстро целый спектр задач. Объём решения и необходимое время решения такие, что даже опытный оператор не в силах справиться с ними. Т.е. использование БВС для решения задач морской отрасли требует более высокой квалификации искусственного интеллекта, чем решение задач на континенте. Любая ошибка здесь может привести к потере БВС. Наиболее сложным является вопрос навигации. Как правило в высоких широтах или морских акваториях, расположенных вдали от портов, качество связи GNSS не позволяет устанавливать координаты с требуемой точностью. Поэтому, систему навигации морских БВС необходимо дополнять и локальной системой навигации, которая основана на анализе изображений местности. Это значительно усложняет элементы искусственного интеллекта и создаёт дополнительные требования к техническим элементам, обеспечивающим компьютерное зрение. Нами уже разработаны отдельные элементы искусственного интеллекта, которые обеспечивают автономное приводнение БВС и его автономную посадку на движущийся объект. Максимальная скорость движения объекта, на который проводится автономная посадка, пока не превышает 2 м/с. Сегодня увеличение скорости приводит к значительному удорожанию БВС, поэтому мы ищем решения, которые позволили бы автономную посадку на объекты, движущиеся с большими скоростями при незначительном возрастании цены БВС. Видео по ссылке демонстрирует автономную посадку дрона на движущуюся платформу. Искусственный интеллект БВС самостоятельно находит объект посадки, сближается и в нужный момент производит посадку.
Аналогичная задача решена нами и для автономного приводнения БВС и его взлёта с поверхности. Для обеспечения соответствующей приводнению конструкции БВС был разработан и изготовлен (с использованием аддитивной технологии) специализированный БВС. При необходимости приводниться и провести мониторинг подводной среды, дрон принимает такое решение.
Можно отметить и ещё одно приложение БВС, которое активно начинает использоваться на море. Это мониторинг загрязнения морских акваторий нефтепродуктами. Наиболее часто локальные загрязнения наблюдаются на рейде во время бункеровки судов или в местах сброса льяльных вод. В странах ЕС уже используется целый «флот» беспилотников, которые осуществляют мониторинг морских акваторий на предмет факта загрязнения нефтепродуктами. Мы ставим задачу более высокого уровня. Во-первых, сделать процесс мониторинга акватории полностью автономным, а это значительно упрощает использование БВС на обычных судах, не требует соответствующей инфраструктуры и квалифицированных кадров для обслуживания.
И во-вторых, не только установить факт загрязнения, но и определить его объёмы и установить тип нефтепродукта, который является загрязнителем. Последнее фактически определяет источник загрязнения. Однако это требует разработки соответствующих методов мониторинга и необходимости приводнения дрона в некоторых ситуациях. Так, если наблюдается плёнка на поверхности воды, то нет необходимости приводняться и мониторинг проводится с использованием элементов искусственного интеллекта, которые обеспечивают работу компьютерного зрения (распознавание нефтяной плёнки на поверхности, её классификацию и сегментацию, определение площади и толщины плёнки) и работу лазерного спектрометра, который определяет какие нефтепродукты образуют плёнку. В некоторых случаях сброса льяльных вод плёнка может и не образовываться, наблюдается только изменение цвета морской воды (при малых концентрациях нефтепродуктов и в тёплой воде). В этом случае, необходимо приводниться, измерить концентрацию и определить тип нефтепродукта, с использованием лазерного спектрометра.
На протяжении последних трёх лет в НИК «Морской технопарк» проводится выполнение государственного задания Росморречфлота по разработке экспериментального образца «умного» БВС, который предназначен для автономного мониторинга нефтяных загрязнений морских акваторий. К настоящему времени отдельные элементы аппаратно-программной оболочки проходят испытания и не только в лабораторных условиях. Элементы оболочки, которые обеспечивают детектирование нефтяной плёнки, измерение её площади и толщины, автономную навигацию БВС прошли испытания при мониторинге морской акватории бухты при проведениях ходовых испытаний БПК «Маршал Шапошников».
По договору с администрацией Федерального государственного бюджетного учреждения «Администрация морских портов Приморского края и Восточной Арктики» осуществляется регулярный мониторинг акваторий бухт Золотой Рог, Диомид, Улисс и Амурского залива на предмет регистрации загрязнения нефтепродуктами, проходят испытания элементы искусственного интеллекта навигации, управления движением дрона и классификации нефтяных плёнок. Это, пожалуй, первый пример использования технологии БВС для регулярного мониторинга морских акваторий в РФ. Наличие таких средств контроля у администрации портов значительно расширяет их возможности по установлению самих фактов загрязнения и определению виновников загрязнений.
Специфика города Владивостока подсказала нам ещё одно направление разработки БВС – обнаружение терпящих бедствие на море и доставки к ним самых необходимых средств. Не редки случаи, когда рыбаков или заигравшихся детей на льдине уносит в море. Причём на начальных стадиях отрыва, возможна доставка на льдину самого необходимого, что поможет им выбраться на берег. Элементы искусственного интеллекта и технические средства разрабатываются нами для решения этой задачи. Элемент искусственного интеллекта должен определить наличие чрезвычайной ситуации по анализу изображений компьютерного зрения и сбросить человеку, терпящему бедствие, спасательный круг, или фал. Надувной спасательный круг в упаковке весит 500 грамм, при попадании на воду происходит его автоматическое наполнение воздухом.
На следующем видео показаны результаты испытания искусственного элемента по распознаванию человека, подающего сигналы бедствия руками, и сброс ему фала, при возникновении необходимости подтащить льдину к берегу или помочь человеку выплыть на берег.
Результаты научных и технических разработок НИК «Морской технопарк» создали интеллектуальную и техническую базу для организации Центра подготовки операторов БВС. Опыт создания центра IMCA на базе НИК «Морской технопарк» по подготовке операторов подводной робототехники, который успешно работает уже на протяжении 10 лет, позволяет надееться на хорошие перспективы и этого проекта. Научные разработки по подводной робототехнике обеспечили мировой уровень образовательного центра IMCA. На сегодняшний день он является единственным центром, работающим в государственном учреждении в РФ, и большинство клиентов образовательного центра приезжают из европейской части РФ, минуя частные центры подготовки в Москве и Санкт-Петербурге.
Успешный результат любого нового проекта в научно-образовательной сфере связан, прежде всего, с двумя факторами: первый – это уровень и востребованность научных разработок, которые используются в проекте, и второй – насколько молодые люди, школьники, студенты, аспиранты проявляют интерес к этому проекту и принимают в нём участие. Проект по подводной робототехнике демонстрирует два этих фактора. Ежегодно молодые сотрудники НИК «Морской технопарк» получают поддержку своих проектов со стороны различных научных фондов (РФФИ, РНФ, РГО, Росмолодежь), публикуют результаты работ в высокорейтинговых журналах (включая журналы Q1), что показывает востребованность этих результатов и их уровень. И с другой стороны, соревнования по подводной робототехнике стали визитной карточкой МГУ им. адм. Г.И. Невельского. А студенческие команды не раз становились призёрами международных соревнований.
Аналогичная ситуация наблюдается сейчас и в отношении беспилотной авиатехники. Активность в этой области вызывает неподдельный интерес у молодых людей в разной категории возрастов и довольно быстрое продвижение молодых исследователей университета в решении задач, связанных с дронами. Такой центр будет привлекать молодых людей к освоению высоких технологий, и служить площадкой для отработки новых научных идей. Уже два года в инициативном порядке Денис Андреевич Коровецкий проводит соревнования по дрон-рейсингу на стадионе университета. Пока это статус неформального мероприятия, но в нем участвуют операторы из многих городов Приморья (Спасск-Дальний, Находка, Уссурийск, Большой Камень, Артём).
Организация Центров подготовки операторов морской робототехники (центра подготовки операторов подводной робототехники и подготовки операторов беспилотных летательных аппаратов) в университете – это необходимые мероприятия, которые позволят МГУ им. адм. Г.И. Невельского находиться в числе лидеров морского образования и международной образовательной среды.
НИК «Морской технопарк»
28 июня 2021 года
