ЛАРС

Аннотация:

Одной из основных научных проблем в области применения киберфизических систем (КФС) на открытых территориях в условиях неподготовленного окружения является необходимость в формировании комплексной технологической инфраструктуры, обеспечивающей работоспособность КФС, что сопряжено со значительными временными и ресурсными затратами и тем самым делает невозможным быстрое развертывание КФС на открытых территориях. Кроме того, данные территории подвержены динамическим изменениям, что зачастую требует реорганизации и модернизации инфраструктуры системы с целью обеспечения безаварийного функционирования КФС. Таким образом, на сегодняшний день практически отсутствуют КФС, способные к быстрому развертыванию и оперативной адаптации собственной инфраструктуры к изменяющимся условиям окружения, что не только ограничивает применение таких систем на изменяющихся, открытых территориях, но и практически полностью устраняет возможности ситуативного краткосрочного использования КФС, поскольку в таких случаях время развертывания КФС будет в значительной мере превышать время их целевого функционирования. В рамках проекта разрабатывается оригинальная мобильная КФС, где в качестве основы будут использованы группы современных гетерогенных робототехнических средств (РС), обладающих значительным уровнем автономности и способностью функционировать в условиях неизвестного окружения. Для ее создания также будет разработан новый подход к адаптивному управлению инфраструктурой КФС, ориентированный на обеспечение отказоустойчивости системы в изменяющейся среде, в основу которого будет положено применение специальных методов организации децентрализованных самоорганизующихся сетей, технологий репликации данных и методов децентрализованной обработки больших данных гетерогенной природы, что позволит реализовать мобильную КФС, обладающую возможностью по оперативному развертыванию и пригодную для ситуативного использования на открытых территориях в условиях динамического окружения. Кроме того, в рамках проекта планируется осуществить проектирование модели РС, позволяющей реализовать автоматизированную замену отдельных модулей РС посредством других роботизированных агентов, что позволит дополнительно повысить отказоустойчивость КФС в случае потери работоспособности отдельными РС.

Апробация предложенного подхода, методов, структурно-параметрической модели и программных средств КФС будет проводиться на тестовых сценариях решения прикладных задач в условиях динамического окружения, выполняемых посредством согласованного взаимодействия групп мобильных агентов, представленных гетерогенными РС. В рамках проекта заявлены довольно амбициозные цели по обеспечению мобильности и адаптивности КФС к изменяющемуся окружению. Реализация поставленных целей возможна благодаря имеющемуся научному заделу и наличию у исполнителей следующих разработок: программно-аппаратное обеспечение для управления мобильными модульными РС, решения на основе технического зрения и нейронных сетей направленные на анализ свойств окружающей среды, а также ведущимся параллельно исследованиям в области сервисных КФС, роевых алгоритмов и модульных РС.

Итоговый отчет за весь срок выполнения проекта:

В 2020-2021 гг (в ходе выполнения первого этапа проекта) были проанализированы исследовательские работы, посвященные вопросам функционирования киберфизических систем (КФС) в условиях динамической среды, стратегиям поведения КФС в условиях временной потери связности системы, а также проблемы самоорганизации КФС при отказе отдельных её узлов и/или компонентов. Были выделены основные ограничения существующих подходов. На основе проведенного анализа были сформированы рекомендации и предложения для построения КФС, отвечающих поставленным в проекте требованиям. Кроме того, были выделены принципы построения сети, обеспечивающие функционирование КФС в условиях динамической среды. КФС, способные к быстрому развертыванию и оперативной адаптации собственной инфраструктуры к изменяющимся условиям окружения, на сегодняшний день практически отсутствуют. С точки зрения самоорганизации КФС при отказе отдельных её узлов и/или компонентов в литературе очень мало внимания уделяется обеспечению отказоустойчивости автономных мобильных робототехнических платформ, входящих в состав КФС. Актуальной проблемой является отсутствие возможности быстрой замены полностью или частично неисправных частей мобильной платформы. Для обеспечения отказоустойчивости робототехнических устройств, работающих в группе, предлагается разработать модель автономной мобильной платформы, ориентированной на взаимодействие группы мобильных агентов, представленных гетерогенными роботами и способными осуществлять замену неисправных или неподходящих модулей на отдельных устройствах в зависимости от стоящих перед группой в данный момент задач.

В ходе выполнения проекта был разработан метод автономного распределения инфраструктурных ролей между множеством компонентов киберфизической системы, представленных гетерогенными робототехническими средствами, в условиях изменяющегося окружения и возможного выхода из строя отдельных узлов КФС. Предлагаемый метод учитывает характеристики узлов КФС и их инфраструктурные роли на разных уровнях функционирования КФС, определяет поведение системы при выходе отдельных узлов из строя и включает сценарии перераспределения ролей для устойчивого функционирования в условиях изменяющегося окружения. Выполненная формализация состава, свойств и поведения КФС позволяет выполнить синтез структурно-параметрической модели автономной мобильной КФС, ориентированной на функционирование на открытых территориях в условиях динамического окружения. В качестве входных данных для этой модели используется конечное множество гетерогенных робототехнических средств и их типов, которые характеризуются набором параметров, связанных с наличием у роботов физических и логических компонентов, датчиков и исполнительных механизмов. Синтезируемая модель позволяет определить набор недостающих функциональных компонентов КФС для дальнейшего уточнения состава системы в целях её устойчивого функционирования. Разработанный метод позволяет сформировать перечень недостающих функциональных компонентов для устойчивого функционирования КФС и скорректировать её состав.

На основе предложенного метода была разработана структурно-параметрическая модель автономной мобильной КФС, ориентированной на функционирование на открытых территориях в условиях динамического окружения и решение прикладных задач, выполняемых посредством согласованного взаимодействия групп мобильных агентов, представленных гетерогенными робототехническими средствами. В общем случае автономная мобильная КФС может быть представлена как конечный набор гетерогенных робототехнических средств различных типов, каждое из которых состоит из физических компонентов: датчиков, исполнительных механизмов и инженерных модулей и определяется их параметрами. Это обеспечивает полноту представления аппаратных компонентов в модели и позволяет описать процессы их автоматизированной замены в случае выхода из строя какого-либо узла. В терминах компонентов автономная мобильная КФС в процессе функционирования может быть определена набором активных и резервных (дублирующих) физических компонентов, датчиков, исполнительных механизмов, набором логических компонентов, а также набором лиц, вовлеченных в процессы функционирования КФС, находящихся внутри киберфизического окружения или являющихся конечными пользователями системы. Логические компоненты модели включают в себя все уровни программного обеспечения, сети и сетевое окружение логического уровня, а также сведения на уровне данных, информации и знаний, что обеспечивает полноту описания процессов сбора, агрегации, обработки и анализа данных, а также процессов создания, получения, хранения, поиска и распространения информации.

В предлагаемой модели определен набор функциональных компонентов КФС как набор совокупностей логических и физических компонентов системы, которые при взаимодействии формируют базовые единицы функциональности. При этом каждый функциональный компонент обладает аппаратными и вычислительными мощностями, необходимыми для реализации собственных функций, достаточным объемом памяти для хранения данных; прямой или опосредованной связью между составляющими компонентами на физическом и информационно-логическом уровнях; способностью устанавливать сетевые соединения с другими компонентами системы и обеспечивать целевую передачу данных; способностью получать необходимую информацию о состоянии окружающей среды и других компонентов системы; способностью самодиагностики и информирования связанных компонентов в случае возникновения неисправности. Каждый функциональный компонент ассоциирован с набором преобразователей, что обеспечивает взаимодействие с внешней средой и пользователями КФС, включая как обмен и преобразование энергии на физическом уровне, так и обмен, преобразование и синтез информации на логическом уровне. Особенностью предлагаемой модели является то, что элементы любого преобразователя потенциально могут быть интероперабельными, т.е. наборы элементарных компонентов КФС, входящие в состав некоторого преобразователя, могут входить в состав неограниченного числа иных преобразователей функциональных компонентов. Согласованное взаимодействие наборов функциональных компонентов КФС и ассоциированных с ними преобразователей позволяет обеспечить предоставление сервисов КФС потребителям, в качестве которых могут выступать как иные функциональные компоненты, так и пользователи. Приведена динамическая модель функционирования автономной мобильной КФС, которая обеспечивает представление взаимодействия функциональных компонентов КФС с внешней средой, включая регистрацию изменения среды наборами датчиков и исполнительных механизмов КФС, а также способы замены неисправных компонентов КФС. Непрерывная циклическая реализация описанных в представленной модели процессов изменения структуры КФС, состояния её компонентов и внешней среды в полной мере отражает процесс функционирования автономных мобильных КФС в динамических средах.

В ходе выполнения проекта были разработаны тестовые сценарии апробации предложенной структурно-параметрической модели КФС для решения прикладных задач в условиях динамического окружения, выполняемых посредством согласованного взаимодействия групп мобильных агентов, представленных гетерогенными робототехническими средствами. Для наглядности реализации сценариев различного типа функционирования КФС в условиях динамического окружения была выбрана сфера экологического туризма, в частности, обслуживание туристов на территории крупных туристических парков, заповедников, заказников. Рассматриваемые сценарии включают задачи по доставке полезных грузов (продуктов питания, оборудования); быстрое реагирование для оказания медицинской помощи (вызов спасательной бригады, доставка медикаментов, обеспечение мультимедийного канала связи с врачом для удаленного консультирования); мониторинг состояния инфраструктуры парка (детектирование людей в неположенных местах, детектирование несанкционированной деятельности, например разведения костров, купания); поиск и уборку мусора; замену неисправных модулей КФС.

Заданные параметры рабочего пространства КФС в предложенных сценариях обеспечивают полноту представления различных условий динамического окружения, включая многообразие и неоднородность обрабатываемых данных, высокий уровень помех и препятствий естественного характера, затрудняющих развертывание и функционирование КФС, а также высокие риски выхода из строя компонентов КФС. Предлагаемые сценарии обеспечивают апробацию оперативного развертывания узлов КФС для обеспечения связи на обширной территории, что позволяет оценить стратегии поведения КФС при нарушении целостности данных в случае временной потери связности системы. Сценарий доставки продуктов питания и снаряжения для группы туристов позволяет апробировать решения, минимизирующие количество энергетических ресурсов, используемых КФС при выполнении ресурсоемких задач. Сценарий оперативного реагирования КФС для оказания медицинской помощи предполагает усложнение задачи обеспечения связи между компонентами КФС, поскольку требует организации устойчивого канала передачи мультимедийных данных для наиболее полного оценивания ситуации персоналом парка и принятия решения о дальнейших действиях. Данный сценарий позволяет апробировать стратегии приоритезации и экстренного переназначения задач компонентами КФС, а также оценить функционирование КФС с точки зрения времени их выполнения. Сценарий мониторинга состояния инфраструктуры парка предполагает сбор, агрегирование, обработку и анализ больших объемов разнородных данных средствами КФС. Данный сценарий позволяет апробировать метод автономного распределения инфраструктурных ролей между множеством компонентов КФС, а также подходы к организации децентрализованного сбора, анализа и хранения данных. Сценарий поиска и уборки мусора позволяет оценить стратегии самоорганизации КФС при решении прикладных задач, выполняемых посредством согласованного взаимодействия групп гетерогенных робототехнических средств. Сценарий замены неисправных модулей робототехнических средств, входящих в состав КФС позволяет апробировать стратегии самоорганизации КФС при отказе отдельных узлов, а также модель автономной мобильной платформы, способной к автоматизированной реконфигурации. Реализация представленных сценариев позволяет сформировать принципы проектирования КФС, отличающихся высокой степенью универсальности, способных к автоматическому развертыванию и функционированию на открытых территориях в условиях изменяющегося окружения за счет мобильности и автономности ее основных компонентов.