Цель проекта: экспериментальная верификация на морском полигоне разработанной комплексной технологии практического применения межсредных робототехнических комплексов (МРТК) в составе ТНПА, АНПА, OFOS, МАНС, БПЛА, радиоретранслятора для решения задач инспекции подводных объектов, экологического мониторинга, картографирования дна, манипуляционных операций, роевого взаимодействия и обеспечения связи с получением комплексных количественных характеристик и гидрофизических данных для дальнейшей разработки проекта национального стандарта (ГОСТ) или руководящего документа (РД) по методике испытаний и применению МРТК в морских, в том числе, ледовых условиях.

Задача 1. Инспекционный контроль (осмотр подводной части корпусов судов, поиск биоресурсов)

Результат: методика и протокол инспекционного обследования подводной части корпусов судов, поиска и скоплений биоресурсов с использованием ТНПА/АНПА/OFOS; количественные показатели: разрешающая способность видео, скорость обследования подводных объектов, допустимое волнение и скорость течений, процент выявления контрольных целей, эффективность классификации биообъектов.

Раздел стандарта: «Методы инспекционного контроля подводных объектов».

Проверяемая гипотеза для Задачи 1 «Инспекционный контроль»

Процент выявления контрольных целей и эффективность их классификации при инспекционном обследовании подводной части корпуса судна и других объектов с использованием ТНПА/АНПА/OFOS нелинейно снижаются при превышении определённого порога скорости обследования (движения аппарата вдоль корпуса (объекта)). Качество получаемых видеоизображений критически зависит от прозрачности водной среды (наличия взвешенных частиц) и условий освещения.

Формулировка зависимости «параметр - показатель»: скорость движения аппарата вдоль обследуемой поверхности (м/с) – обнаружения контрольных целей (%) и точность классификации биообъектов (%) при идентичных настройках системы регистрации изображений, фиксированной дистанции до объекта и схожих гидрологических условий (волнение, течение, мутность).

Проверка на полигоне:

1. Размещение на подводной части корпуса судна набора контрольных целей (маркеры, макеты биообрастания) с известными геометрическими и визуальными характеристиками.

2. Последовательное проведение серии проходов обследования с варьированием скорости движения (например, 0,2 / 0,5 / 1,0 / 1,5 м/с) при фиксированной дистанции до объекта и идентичных настройках видеосистемы.

3. Построение зависимости «скорость обследования - процент выявления» и определение порогового значения скорости, при котором показатель обнаружения падает ниже приемлемого уровня (критерий задается исходя из предполагаемых требований практической эксплуатации).

Вероятность обнаружения контрольных целей P_обн и точность классификации биообъектов Pкл при обследовании подводных объектов с помощью различных подводных комплексов (ТНПА, АНПА, OFOS) находятся в нелинейной обратной зависимости от скорости их движения v. Рост скорости v сокращает время экспозиции регистрирующей аппаратуры на единицу площади. В условиях ограниченной видимости и повышенной мутности среды это приводит к динамическому размытию и падению соотношения сигнал/шум. При этом характер функции P = f(v) и координата критического порога скорости v(кр) (после которого качество инспекции падает ниже допустимого) может различаться для различных типов используемых подводных систем (ТНПА, АНПА, OFOS).

Экспериментальные данные которые планируется получить

Независимая переменная - скорость движения аппарата вдоль поверхности v, м/с.

Зависимые переменные - вероятность обнаружения целей P(обн), % выявленных объектов от общего числа. Точность классификации объектов P(кл), %.

К контролируемым и учитываемым параметрам относятся: характеристики видеосистемы (разрешение), геометрию съемки (дистанция до объекта) и гидрологические факторы (волнение, скорость течения, мутность воды).

Задачи для проверки гипотезы. Моделирование функций: построить эмпирические зависимости P(обн) (v) и P(кл) (v) для используемого типа носителя. Определение порога - найти критическое значение скорости v(кр), при котором показатели эффективности падают ниже допустимого уровня. Сравнительный анализ - сопоставление значений v(кр) с целью определения чувствительности результатов съемки к воздействию внешних факторов.

Верификация гипотезы позволит определить количественные критерии допустимой скорости обследования для различных типов подводных необитаемых комплексов. Полученные результаты могут лечь в основу руководящих документов (РД) по инспекционному контролю подводных объектов.

Задача 2. Экологические испытания нефтесборных систем (скиммеров)

Результат: протокол определения основных эксплуатационных характеристик скиммеров (производительность сбора нефти, коэффициент нефтезахвата, работоспособность в ледовых условиях и на чистой воде); формирование рекомендаций по расчёту достаточного состава сил и средств для планов ЛРН.

Раздел стандарта: «Технические требования и методы испытаний нефтесборного оборудования».

Проверяемая гипотеза. Эксплуатационная производительность нефтесборных систем (скиммеров), выраженная через фактическую производительность сбора нефти (м³/ч) и коэффициент нефтезахвата (отношение объёма собранной нефтеводяной смеси к объёму чистой нефти в ней, %), находится в статистически значимой нелинейной зависимости от толщины слоя нефти на поверхности воды, степени её эмульгирования, ветрового волнения и температуры окружающей среды. Характер и теснота указанных зависимостей существенно различаются между типами скиммеров (пороговый, вакуумный, др.) и резко снижают качественные показатели при переходе от испытаний на чистой воде к испытаниям в присутствии ледовых образований (битый лёд, шуга). Это обусловлено механическим блокированием заборных устройств и снижением эффективной площади контакта рабочего органа с нефтяной плёнкой.

Данные, которые планируется получить: независимые переменные: толщина слоя нефти на поверхности (мм); степень обводнённости эмульсии (%); волнение на акватории в баллах; ледовая обстановка (чистая вода, редкий лёд (сплочённость льда 3–5 баллов)); температура воды и воздуха (°C); тип рабочего органа скиммера. Зависимые переменные: фактическая производительность сбора нефти Qф (м³/ч); коэффициент нефтезахвата K(нз) (%); коэффициент восстановления номинальной производительности при переходе к ледовым условиям - Q(лёд), Q(чист.вода).

Существует статистически значимая нелинейная, с участком насыщения и участком резкого спада зависимость Qф = f(h) (нефть, обводнённость, волнение, ледовая обстановка), при этом коэффициент детерминации модели для условий чистой воды статистически значимо превышает соответствующий показатель для ледовых условий, а межтиповые различия (пороговый, олеофильный, вакуумный) в значениях K(нз) и в устойчивости к ледовой обстановке статистически значимы.

Методика верификации на полигоне проводится на тестовом участке полигона с контролируемым нефтеразливом имитационного типа состоит из следующих блоков: организация тестового разлива. Формирование контролируемых пятен модельной нефтепродуктовой смеси заданного объёма и толщины (0,5; 2; 5; 10 мм) на выделенном участке акватории полигона, ограниченном боновым заграждением. Варьируемые сценарии испытаний: чистая вода, штиль (0 баллов волнения); чистая вода, волнение 1–2 балла; искусственно созданная ледовая обстановка (мелкобитый лёд, сплочённость 3, 5 баллов) при отрицательных температурах воды; варьирование обводнённости эмульсии (0%, 30%, 60%) путём предварительного механического перемешивания. Регистрируемые экспериментальные данные (протокол испытаний) - объём и масса собранной нефтеводяной смеси за фиксированный интервал времени (л, кг) - расчёт Qф; - объём чистой нефтепродукта в собранной смеси (лабораторный анализ проб методом отстаивания или центрифугирования) - расчёт K(нз); время непрерывной работы скиммера до забивания рабочего органа льдом/мусором (мин), а также число остановок на прочистку за цикл испытания; толщина остаточной нефтяной плёнки после прохода (мм), измеряемая контрольными индикаторами; скорость течения и параметры волнения на акватории (по данным датчика буя ли анемометра) в момент каждой итерации; температура воды и воздуха, толщина и сплочённость льда (по данным ледомерной рейки и визуального протокола); энергопотребление приводного механизма скиммера (кВт·ч) и производительность насосной системы (по показаниям штатных датчиков расхода); видеофиксация процесса нефтесбора с надводной и подводной камер (для визуальной оценки эффективности захвата и характера обледенения рабочего органа.

Задача 3. Манипуляторные испытания и получение термодинамических параметров водной среды

Результат: отработка практического применения различной полезной нагрузки, интегрированной в элементы МРТК, в частности CTD-зондов, флуориметров, HD-камер с системами машинного зрения, гидрофизических сенсоров с последующей обработкой массива получаемых данных (температура, электропроводность, солёность, концентрация хлорофилла, локальная скорость звука и т.д. с привязкой к координатам района исследуемой акватории и глубине погружения).

Раздел стандарта: «Требования к модульным манипуляторным комплексам и инструментальным системам МРТК».

Проверяемая гипотеза (Задача 3) Локальная плотность биомассы целевых видов морской биоты, детектируемая с помощью системы видеорегистрации, снабженной программным компонентом с элементами искусственного интеллекта, прямо пропорциональна градиенту концентрации хлорофилла a в зоне термоклина. При превышении порогового значения флуоресценции хлорофилла а, характерной для акваторий залива Петра Великого, значительно повышается вероятность обнаружения скоплений интересующей биомассы (до N раз). Реализация предполагается путем автоматического подсчета плотности биоресурсов. В перспективе предполагается модификация системы для определения видовой принадлежности. Данные исследования позволят реализовать математическую модель для оценки вероятности распределения появления биоресурсов на основе физико-оптических маркеров среды.

Независимые переменные эксперимента: гидростатическое давление, определяющий вертикальную зональность, освещенность и плотность воды, температура, определяющая положение сезонного термоклина, время суток, режим работы подсветки искусственного освещения, (интенсивность, спектральный диапазон излучения и т.д.), скорость перемещения носителя, географическая локация проведения измерений.

Зависимые переменные: концентрация хлорофилла а, измеряемые параметры среды, частота встреч объектов, расчетная биомасса, видовой состав, скорость движения гидробионтов.

Параметры, фиксируемые в протоколе испытаний: давление, глубина, температура, градиент температуры, флуоресценция хлорофилла, концентрация хлорофилла а, координаты, локальная плотность объектов, частота встреч, расчетная биомасса, скорость движения, скорость носителя, режим освещения, частота опроса датчиков, разрешение видеопотока, частота кадров, дата, время, волнение моря, метеоусловия.

Гипотеза проверяется методом многомерного статистического анализа данных, собранных в ходе натурных испытаний.

ЗАДАЧА 4. РОЕВЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГИПОТЕЗА 4

Роевые испытания (взаимодействие трёх и более аппаратов)

Результат: методика группового управления и синхронизации действий МРТК (ТНПА+АНПА+МАНС/БПЛА); количественные показатели - время формирования и удержания строя, устойчивость к потере связи с одним из членов группы, скорость выполнения совместной задачи.

Раздел стандарта: регламентирующий комплексные испытания систем автономного и дистанционного управления морскими автономными (безэкипажными) судами и взаимодействующими с ними робототехническими средствами. Внесение дополнений в основной документ - «Правила классификации и постройки морских судов» (НД № 2-020101-174). специальных испытаний конструкций/материалов: Правила по оборудованию морских судов (раздел 1.3.4.2).

Задача соотносится со следующими подразделами НД:

- «Испытания систем управления, навигации и связи МАНС» в части проверки алгоритмов группового (роевого) управления и синхронизации действий нескольких комплексов, способных, в частности, действовать автономно (ТНПА, АНПА, МАНС/БПЛА) в составе единого МРТК.

- «Испытания на устойчивость и отказоустойчивость» в части оценки устойчивости группы к потере связи с одним из членов (частичная потеря управляемости).

- «Методы и программы специальных испытаний», раздел, где для новых типов оборудования и нестандартных технологий (в т.ч. роевого взаимодействия) предусматривается риск-ориентированный подход к разработке технической документации (согласно общим принципам НД РС для автономных судов, где типовые методики неприменимы из-за новизны техники).

- «Требования кибербезопасности» - отдельный раздел/подраздел РД (соответствующий главам по информационной безопасности МАНС), защита от несанкционированного вмешательства.

Проверяемая гипотеза. Автономное целеуказание в случае обнаружения на морской поверхности визуальных и термических индикаторов скопления биоресурсов от беспилотного воздушного судна (БВС) к МАНС сокращает время допоиска и верификации подповерхностных скоплений биоресурсов подводных комплексов, снабженных специализированной полезной нагрузкой, в N раз по сравнению с классическим сетчатым поиском (галсированием). В рамках данного концепта комплекс работает как единая двухсредная поисковая система, где БВС выполняет роль первоначального «разведчика», а БЭК с погружным модулем— «верификатора».

Независимые переменные: площадь обнаруженной аномалии, характер поверхностного признака биоты, скорость ветра, волнение моря, скорость и направление течения, коэффициент успешности верификации скоплений, истинная плотность биоресурсов под водой.

Зависимые переменные: удаленность БПЛА от БЭК время реакции комплекса, точность выхода МАНС в целевую точку, время развертывания подводного модуля, скорость буксировки БЭК

Параметры, фиксируемые в протоколе: высота и скорость полета БВС, координаты обнаруженной аномалии, текущие координаты БЭК, глубина погружения подводного модуля, температура воды, гидростатическое давление, уровень флуоресценции хлорофилла a, количество зафиксированных подводным гидробионтов, уровень сигнала радиоканала (RSSI), дата, время, метеоусловия.

Задача 5. Система связи (ретрансляция, телеметрия через БПЛА)

Результат: технические решения по многоканальному радиоретранслятору на БПЛА; протокол испытаний дальности и устойчивости канала передачи данных/телеметрии между надводными, подводными и воздушными элементами МРТК; руководство системного программиста и руководство оператора для управления системой передачи и приема данных.

Раздел стандарта: «Требования к системам связи и ретрансляции данных многосредных робототехнических комплексов».

Проверяемая гипотеза. Дальность и устойчивость канала передачи данных/телеметрии между надводными, подводными и воздушными элементами МРТК статистически значимо зависят от высоты барражирования БПЛА-ретранслятора, числа используемых радиоканалов (частотных литеров) и метео и гидрологических условий на акватории, причём применение многоканального ретранслятора с автоматическим переключением канала обеспечивает вероятность доставки телеметрии не ниже Pmin и задержку не выше tmax на дальностях, где прямой канал Пункт управления-аппарат теряет связность ниже порога. Экспериментальные данные (полигон) Независимые переменные: высота и положение БПЛА-ретранслятора, дальность между элементами (0,5–10 км, ступенями), число активных радиоканалов (1/2/N), состояние моря (волнение, осадки), заглубление АНПА (для гидроакустического всплывающего звена). Фиксируемые параметры: Задержка передачи данных (мс), процент потери пакетов (PDR), BER по каждому радиоканалу. Реальная дальность устойчивой связи (по достижении PDR ниже порога) для каждой пары «элемент-ретранслятор-ПУ». Скорость переключения между каналами ретранслятора при снижении качества сигнала (мс). 4. Логи телеметрии (координаты, курс, скорость, timestamp UTC) с каждого борта и с ретранслятора. Уровень принимаемого сигнала (RSSI/SNR) в зависимости от дальности и высоты БПЛА. Энергопотребление ретранслятора и приёмо-передающей аппаратуры за цикл барражирования Вт/·ч, время автономности. Видеозаписи и скриншоты интерфейса оператора (индикация качества связи, переключение каналов). Логи попыток помех/ глушения и реакция системы (для проверки требований по устойчивости к РЭБ). Время восстановления связи после кратковременного пропадания (обрыв/выход из зоны видимости). Повторяемость: Количество запусков 5 на каждую дальность/сценарий метеоусловий для статистической значимости (регрессионный анализ, дисперсионный анализ, уровень значимостиα = 0,05).

Типы применения беспилотного аппарата (эксперимент). Сценарии:
Экологический (например, мониторинг, отбор проб, поиск загрязнений);
Инспекционный (например, осмотр подводной части корпусов судов, поиск биоресурсов);
Манипуляторный (захват, перемещение объектов, работа с инструментом);
Роевой (взаимодействие двух, трех и более аппаратов);
Связной (например, ретрансляция, передача данных, телеметрия);

Характеристика Морского полигона с береговой инфраструктурой для многосредных робототехнических комплексов

Акватория и береговая часть Место проведения испытаний: бухта Фёдорова, Амурский залив, г. Владивосток, Приморский край. Географическое положение и общие сведения. Полигон расположен в северо-восточной части Амурского залива (Японское море), в границах бухты Фёдорова - полузакрытой акватории, примыкающей к материковому побережью Приморского края. Зона испытаний ограничена квадратом акватории размером «миля на милю» (≈1852 × 1852 м, площадь около 3,4 км²), что обеспечивает достаточное пространство для отработки дальностей 0,5-10 км с учётом манёвров и участков перекрытия зон связи. Гидрологические характеристики. Тип акватории: открытая, с умеренным волновым воздействием со стороны Амурского залива; частично защищена от прямого волнения открытого моря конфигурацией берега бухты. Глубины: прибрежная зона от 0,5 до 5 м (мелководье, зона спуска/подъёма АНПА), центральная и мористая часть полигона от 5 до 15–20 м, что позволяет отрабатывать заглубление подводных аппаратов в реальных условиях. Волнение моря: сезонно от 0 до 3-4 баллов; в летний период преимущественно слабое волнение (0-2 балла), осенью возможны усиления до 3-4 баллов, что позволяет тестировать устойчивость связи в разных гидрометеорологических условиях. Течения: слабые и умеренные, преимущественно приливо-отливного и стокового характера, не создающие значительных помех для навигации надводных и подводных элементов. Ледовый режим: акватория подвержена сезонному ледоставу (декабрь-март. Метеорологические условия Муссонный климат умеренных широт: летом повышенная влажность, туманы, осадки; зимой сухая ясная погода с сильными ветрами. Ветровой режим: возможны порывы до 15–20 м/с в осенне-зимний период, что критично для оценки устойчивости канала связи БПЛА-ретранслятора при барражировании. Туманы (ов июне–июле) значимый фактор снижения видимости для оптических каналов и визуального контроля, актуален для проверки надёжности радиоканала в условиях ограниченной оптической видимости. Осадки (дождь, морось) учитываются как отдельный фактор при анализе деградации радиосигнала (затухание, повышение BER). Береговая часть полигона. Инфраструктура: наличие пологого берега бухты Фёдорова с удобными подходами для развёртывания пункта управления (ПУ), стартовых/причальных площадок для спуска АНПА и катеров обеспечения. Возможность размещения оборудования: береговая площадка пригодна для установки стационарных антенно-мачтовых сооружений, ретрансляционного оборудования, а также точки старта/посадки БПЛА.

Зона видимости: открытый створ бухты в сторону Амурского залива обеспечивает прямую радиовидимость на дальностях до 10 км без существенных препятствий (отсутствие высоких мысов и застройки в секторе испытаний). Судоходство и ограничения: акватория частично пересекается с путями маломерного и рыболовного флота, требуется согласование временного режима ограничения судоходства (навигационное предупреждение) на период проведения испытаний. Навигационно-технические особенности полигона. Открытость акватории в сторону моря обеспечивает возможность прямой радиолинии ПУ-аппарат на предельных дальностях без переотражений от рельефа берега. Размер полигона позволяет контролируемо моделировать сценарии деградации связи путём вывода элементов МРТК за пределы прямой видимости при комбинировании с рельефом мысов бухты. Наличие открытой воды достаточной площади и глубины обеспечивает корректность испытаний гидроакустического/всплывающего звена связи АНПА без искажений от мелководных эффектов и берегового шума. Данная характеристика акватории и берега позволяет считать полигон бухты Фёдорова пригодным для комплексной проверки гипотезы в части зависимости дальности и устойчивости связи от высоты барражирования ретранслятора, числа радиоканалов и метео и гидрологических условий на реальной морской акватории с контролируемыми и повторяемыми условиями испытаний.