Главное

• 
• 

Подробности

Опубликовано 20.01.2025 17:38

Необитаемые подводные аппараты: найти решения под водой на порядок сложнее, чем в воздухе

Александр Вячеславович Инзарцев, главный научный сотрудник Института проблем морских технологий им. академика М.Д. Агеева, ДВО РАН доктор технических наук и Валерий Александрович Бобков, заведующий лабораторией машинной графики Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, доктор технических наук – лауреаты премии ДВО РАН имени выдающихся учёных Дальнего Востока России в 2024 году. Им присуждена премия ДВО РАН имени академика А.А. Воронова за цикл работ «Методы навигации и управления автономными подводными роботами с использованием видео – и гидролокационной информации в задачах инспекции объектов донной промышленной инфраструктуры». Уважаемые читатели, вашему вниманию предлагаем беседу с А.В. Инзарцевым.

– Александр Вячеславович, расскажите, как вы пришли в подводную робототехнику?

– В начале восьмидесятых, на предпоследнем курсе обучения в Московском физико-­техническом институте, я устроился на работу в Институт автоматики и процессов управления (ИАПУ) ДВНЦ АН СССР, в отдел подводных технических средств и опытно­-конструкторских и экспериментальных работ доктора технических наук Михаила Дмитриевича Агеева. Под его руководством были созданы первые в стране автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА), получившие широкую известность благодаря практическим применениям в ряде глубоководных поисковых операций в районах аварий атомных субмарин.

Мне нравилось заниматься технической кибернетикой, радиотехникой. Диплом, как впоследствии и кандидатскую диссертацию, я выполнил под руководством доктора технических наук Льва Владимировича Киселёва – одного из основных теоретиков работ по созданию АНПА. Дипломная работа была посвящена изучению возможностей применения подводного аппарата для обследования протяжённых кабельных линий.  

В те годы компьютеры только-только начали внедрять на подводные аппараты, но молодые не знают страха, и мы взялись за разработку как самих компьютеров, так и программного обеспечения для систем управления аппаратов. Задачи осложнялись отсутствием операционной системы (ОС), крохотной, по нынешним понятиям, оперативной памятью (32 Кб), но мы создали оригинальную ОС, разработали систему хранения данных, алгоритмы управления. Всё программное обеспечение аппарата было разработано на ассемблере, и перед запуском оно в буквальном смысле «загружалось» в АНПА с перфоленты…

– Первый блин вышел комом?

– Нет, к 1986 году мы создали аппарат с компьютерной системой управления, и осенью начались его испытания. Той же осенью в Саргассовом море вблизи Бермудских островов на советской атомной подводной лодке стратегического назначения К­219 произошёл пожар. Лодка всплыла, экипаж эвакуировался на подошедшие советские суда, но во время буксировки трос лопнул, и субмарина затонула на глубине около 5500 метров.

Испытания АНПА были свёрнуты, и отдел почти в полном составе вылетел к месту аварии. Основные работы по обследованию затонувшей лодки выполнялись аппаратом Л­2, созданным нашими предшественниками (под руководством Юрия Геннадьевича Молокова и Николая Ивановича Рылова), а новый, с компьютерной системой управления, взяли, чтобы продолжить прерванную отладку в условиях реальной трудновыполнимой задачи. Эта экспедиция, продлившаяся до лета следующего года, дала большой опыт работы в непростых условиях.

 – Что было потом?

– А потом была серия аппаратов, оснащённых бортовыми компьютерами. Например, по заказу «Дальморгеологии» для оценки плотности залегания железо-марганцевых конкреций на больших глубинах. В то время это была «горячая» тема, поскольку позволяла закрепить за страной участок морского дна с полезными ископаемыми. Правда, сравнительно скоро эйфория прошла, поскольку себестоимость извлечённых с большой глубины конкреций оказалась запредельно высокой.

В 1988 году отдел вышел из состава ИАПУ, и на его базе был создан Институт проблем морских технологий (ИПМТ) ДВНЦ АН СССР. После распада СССР проявился интерес к нашей тематике со стороны соседних стран, начались совместные разработки и экспедиции с коллегами из Китайской Народной Республики и Республики Корея. Расширился доступ к разнообразной элементной базе, схемотехнике, компьютерам и программному обеспечению, что позволило вывести наши аппараты на новый уровень.

Со второй половины 1990-­х институт начал переориентироваться на заказы министерства обороны РФ (в частности, приступил к проекту «Клавесин»), и работы с зарубежными партнёрами постепенно отошли на второй план. В проекте было реализовано немало новых решений, что позволило получить интересные результаты. Аппарат распознавал объекты на дне, занимался обнаружением кабельных линий, погружался в Северном Ледовитом океане, на хребте Ломоносова, в окрестностях которого по оценкам может находиться до 25% имеющихся на Земле углеводородов, на Северном полюсе, в Курило­-Камчатском жёлобе.

Со временем номенклатура изготавливаемых институтом аппаратов, задачи, которые они решали, значительно расширились. Так в моей докторской диссертации освещались вопросы разработки методик проведения поисково­-обследовательских операций и архитектур управляющего программного обеспечения.

Дальнейшее развитие элементной базы, машинного интеллекта привело к значительному расширению сферы применения подводных роботов. В настоящее время более всего востребованы инспекция и обследование искусственных и естественных подводных объектов.

 – Каких именно объектов?

– Из искусственных в первую очередь – объекты подводной инфраструктуры нефтегазовой промышленности. Понятно, что поломки оборудования, утечки углеводородов могут привести и, к сожалению, иногда приводят к экологическим катастрофам. Вспомните хотя бы грандиозную катастрофу на нефтяных месторождениях в Мексиканском заливе в 2010 году. А профилактические работы и регулярные инспекции оборудования, напротив, предотвратят многие нежелательные процессы и события. И здесь большую роль могут сыграть (и играют) АНПА.

В этой связи возникает много новых и интересных задач, ряд из которых мы решили с Валерием Александровичем Бобковым – коллегой, с которым меня связывают многие годы плодотворного сотрудничества.

В частности, речь идёт об использовании компьютерного зрения, визуальной информации для осуществления навигации, управления аппаратом по отношению к обследуемым объектам и их распознавании.

Это очень наукоёмкая сфера деятельности. Взять, например, проблему распознавания подводного объекта. Для получения более надёжного результата нужен ком­плексный подход, предполагающий помимо машинного зрения также использование информации от гидроакустических и электромагнитных датчиков. Это и понятно, ведь в мутной воде или при значительном удалении от объекта одной визуальной информацией точно не обойтись!

Поэтому при инспекции объектов донной промышленной инфраструктуры, в частности, подводных трубопроводов, сначала нужно убедиться в том, что это точно трубопровод, определить положение аппарата по отношению к нему. Двигаясь вдоль трубопровода, проинспектировать его состояние в общем и конкретные его детали, к примеру – состояние анодной защиты. Для этого нужно зависнуть в нужном месте и произвести фотографирование. Иногда трубопровод оказывается погружён в ил или, напротив, течение вымывает из­-под него грунт и образуются так называемые «провисы» трубопровода.

Помимо протяжённых объектов требуется проведение инспекции локальных объектов. Например, манифольдов – элементов нефтегазовой арматуры, хабов из нескольких соединённых трубопроводов, закреплённых на одном основании. В нём углеводороды из нескольких скважин собираются в общем трубопроводе.

Манифольды, тройники, головки шахт, трубопроводы и другие объекты требуют регулярного обследования.

В настоящее время эту работу чаще выполняют телеуправляемые необитаемые подводные аппараты (ТНПА). Такой аппарат связан с судном кабелем, через который осуществляется электропитание и управление роботом, а на судно передаются видеоизображения и показания датчиков. ТНПА удобны: оператор видит общую картину, уточняет детали и при необходимости пользуется манипулятором. Но не всё так просто, поскольку работу должны обеспечивать дорогостоящие специализированные суда с возможностью динамического позиционирования, оборудованные лебёдками, другими специальными устройствами.

– Опять же зимой – льды.

– На месторождениях у Сахалина и к северу есть такая проблема. Зимой там обследование с ТНПА сопряжено с очень большими трудностями. В этом случае поможет АНПА.

– Пробурить лунку и запустить аппарат под воду?

– Можно и так. А в некоторых случаях можно отправить АНПА прямо от берега или подумать о долговременном подводном базировании.

Заказчики ищут компромисс, чтобы получилось оперативно и не очень дорого.

– Александр Вячеславович, беспилотные летающие роботы покоряют пространство за короткое время, координируют положения, совместные действия сотен и даже тысяч аппаратов. Не считаете ли вы, что их подводные «родственники» отстают в развитии?

– Не считаю. В водной среде всё значительно сложнее, поскольку физические среды (воздух и вода) очень различаются, и многое из того, что хорошо работает в воздухе, неосуществимо в воде. Начнём с позиционирования. Под водой нет GPS и, соответственно, точной координатной привязки. Нужны маяки или обес­печивающее судно, через которое робот будет привязываться к координатам. Или время от времени он должен всплывать, чтобы сбросить накопившуюся ошибку.

Вы говорите о «роях» летающих беспилотников, которые активно используют широкополосные каналы связи, видят друг друга, передают изображение оператору, но под водой это сопряжено с очень большими ограничениями и издержками. На глубине можно использовать «тонкий» акустический канал связи для создания группировки роботов, но ни о тысячах или сотнях аппаратов речь не идёт. Фрагмент подводного изображения, которое передаётся по акустическому каналу связи, очень сильно уступает по качеству изображениям, передаваемым по широкополосным каналам.

Мы занимаемся примерно теми же задачами, но добиться решения под водой на порядок сложнее, чем в воздухе. Например, океанологами давно ставится задача измерения параметров водной среды, снятых одномоментно в различных точках какого­-либо морского района. Добиться этого довольно сложно без использования группы АНПА, скоординированно выполняющей движения и измерения параметров среды в указанном районе.

– Может быть, вам поможет искусственный интеллект?

– Разве что отчасти. Заказчик хочет понимать, что именно происходит внизу, и почему аппарат ведёт себя именно так, а не иначе. Цена ошибки очень велика, поэтому отдать полностью контроль над ситуацией он не готов. Но для ИИ можно предоставить возможность принятия локальных решений, которые не могут радикально повлиять на общую картину.

Например, адекватно отреагировать на конкретные аварийные ситуации. По этому направлению мы активно сотрудничаем с ИАПУ ДВО РАН в лице заместителя директора по научной работе, заведующего лабораторией интеллектуальных систем имени А.С. Клещёва члена­-корреспондента РАН доктора технических наук Валерии Викторовны Грибовой.

– Как с Валерием Александровичем Бобковым распределены сферы интересов?

– Валерий Александрович акцентирует внимание на применении методов компьютерного зрения в решении задач визуальной навигации АНПА. Прежде всего, это распознавание объектов на изображениях и координатная привязка АНПА к подводному объекту, что необходимо для планирования рабочих миссий и обеспечения точного движения АНПА в координатном пространстве объекта. Также это задачи обнаружения провисов, определения положения аппарата по отношению к трубопроводу или к другому объекту (например, к объектам подводного добычного комплекса). Трубопровод, кстати, не всегда просто распознать. Например, он может обрастать или быть погружённым в грунт, на нём могут оказаться посторонние предметы и так далее.

После соответствующей обработки система распознавания передаёт данные в систему управления о том, что она зафиксировала определённым образом ориентированный, расположенный на таком-­то расстоянии трубопровод, скорость приближения аппарата к нему. Эта информация ставится в соответствие с миссией – заданием, полученным аппаратом. Управление – это наша зона ответственности.

На базе вычислительного кластера ИАПУ сотрудники наших с Валерием Александровичем лабораторий создали распределённый программный моделирующий комплекс для предварительной «обкатки» новых эффективных алгоритмических решений, применяемых в АНПА. Вообще следует сказать, что работами над этой проблематикой мы с Валерием Александровичем занимаемся не «в безвоздушном пространстве». Огромное количество времени потрачено сотрудниками наших лабораторий на подготовку и проведение разноплановых модельных и натурных экспериментов для подтверждения правильности разрабатываемых методик. Без их помощи все наши исследования носили бы схоластический характер.

– Вся «обкатка» осуществляется в «мозгах» компьютера?

– Да. Мы создаём виртуальную сцену: аппарат, то, что он видит, разные проблемы в его работе. Но при этом его система управления самая, что называется, настоящая, работающая на реальных аппаратах.

После того, как «погоняем» аппарат через моделирующий комплекс, переходим к натурным испытаниям. Одна из задач инспекции – регулярно проходить над трубопроводом и смотреть, что изменилось за прошедшее время. То есть нужно обследовать его состояние, выявить наличие посторонних объектов, провести идентификацию, определение возможной угрозы трубопроводу с их стороны.

– Всему этому аппарат нужно обучить?

– Да. При обнаружении постороннего объекта по умолчанию аппарат прерывает свою миссию и обследует его. При необходимости он может связаться с судном обеспечения, доложить о проблеме и получить команду для дальнейших действий.

– Поразительно, как быстро происходят изменения в вашей области!

– Действительно, первоначально аппараты занимались обзорно-­поисковыми задачами. Двигаясь по жёстко определённой траектории (часто это меандр), они производили гидролокационный обзор, фотографирование или другой вид съёмки донной поверхности. Затем их поднимали, анализировали информацию и, если требовалось, составляли новую миссию для уточнения ситуации, распознавания объектов. 

Сейчас все эти задачи переходят в сферу ответственности аппарата. Он проводит обследование в соответствии с моделью поведения, самостоятельно проводит распознавание.

– Возможно ли совместить преимущества АНПА и ТНПА?

– Работы в этом направлении ведутся. Появляются так называемые гибридные аппараты. Например, электропитание у них находится на борту, а управление осуществляется по лёгкому оптоволоконному кабелю. Причём управление такими аппаратами осуществляется на уровне целеуказания. Во многих случаях аппарат может этот кабель «отбросить» и действовать совершенно автономно.

Группа моих коллег под руководством директора ИПМТ ДВО РАН кандидата технических наук Александра Юрьевича Коноплина занимаются оснащением такого аппарата манипулятором. Это непростая задача. Работа манипулятора предполагает решение целого комплекса проблем: распознавание объекта, к которому следует применить воздействие, определение траектории и действий манипулятора, компенсацию возмущений, вызываемых работой манипулятора. В этих условиях отладку удобнее и эффективнее проводить на гибридном аппарате.

Направление деятельности, которым мы занимаемся, даёт массу интереснейших практических задач, которые теоретически трудно было предугадать, но они возникают в богатстве и разнообразии и требуют немалого времени для своего разрешения.

Так в процессе нашей работы на трубопроводе в Чёрном море открылось множество прикладных задач, о существовании которых мы даже не подозревали, но их решение назрело, и мы его найдём!

Александр КУЛИКОВ

Фото представлены А.В. Инзарцевым и В.А. Бобковым