На Севморпути заработает "ледовый навигатор"

– Александр Сергеевич, как вы стали участником проекта? 

– Мы решили поучаствовать в конкурсе, проводимом "Росатомом". Задача, поставленная корпорацией, звучала так: создать автоматизированный бортовой информационно-

измерительный комплекс (БИК) ледовой обстановки, работающий в режиме 24/7. Три основных параметра, которые должен измерять БИК: толщина льда и снега, сплоченность и ледовое сжатие.

Кроме того, комплекс должен подключаться к судовой метеостанции и навигационным системам, чтобы передавать на "берег" информацию о параметрах движения судна и "гидромет".

Опыт разработки систем наблюдения за состоянием льда имело несколько организаций: специалисты ААНИИ уже более пятнадцати лет проводят фиксацию ледового покрова в ручном режиме с помощью фото- и видеокамер. "Крыловский центр" в 2014 году выполнил большую ОКР по заданию Минпромторга, состоялись даже испытания измерительного комплекса, но дальше дело не пошло. 

Активное развитие лидарных технологий натолкнуло нас на мысль, а почему бы не использовать для измерений льдов этот метод? Обычный лидар или лазерный дальномер, как его еще называют. Сегодня лидары стали более доступными, ими оборудуют автомобили, беспилотники и даже смартфоны. Это устройство позволяет получить цифровую 3D-картинку объекта или местности. К тому же он хорошо работает ночью.

– Лидар измеряет расстояние до объекта, посылая луч лазера и принимая отраженный луч на приемник? 

– Да, с помощью лидара можно фиксировать степень интенсивности отражения сигнала, а любой материал (в нашем случае это вода, снег, лед) имеет свою отражающую способность. Но, главное, с помощью лидара мы можем получить цифровую картину окружающего пространства. 3D-форму, где у каждой точки есть точные координаты. Их можно обрабатывать с помощью математического и программного обеспечения.

– Когда начались работы по созданию измерительного комплекса?

– В мае 2022 года был объявлен официальный конкурс. Участвовало несколько крупных компаний, в том числе и ААНИИ. Мы на победу не рассчитывали. Все, что у меня было на тот момент – это идея и наша лаборатория ледокольной техники и ледовых качеств судов. Правда, перед конкурсом удалось сделать некий задел, испытать свою гипотезу на практике. Директор выделил из собственных средств института 1,5 млн рублей: "Лучше сейчас наломать дров, чем краснеть после конкурса". 

На эти средства мы закупили необходимое оборудование – самый простой китайский лидар Livox Horizon и необходимые комплектующие. Привлекли консультантом коллегу из ФГУП "КГНЦ" Александра Проняшкина, который участвовал в разработке 2014 года. Он понимал суть задачи, помогал нам работать с оборудованием. Нашли программистов, которые занимались беспилотным движением в автомобильной отрасли. Поняв задачу, ребята заинтересовались. Затем мы отправились на небольшом ледоколе "Невская застава" в Финский залив (спасибо коллегам из СПб ГКУ "ПИЛАРН"), посмотрели, как лидар видит лед.

Программисты разработали "логику" и написали тестовый вариант ПО, как распознавать льдины и ледовый канал, как считать. Стало понятно, что система работает. Итогом стал небольшой научный отчет. С ним мы и вышли на официальный конкурс корпорации "Росатом". Выиграли его совершенно случайно, просто потому, что конкурс не предполагал авансирование работ, и в нем мало кто хотел участвовать без аванса. ААНИИ, который, по идее, и должен был стать победителем, заявился "с авансом", и их сняли чисто по технической причине. 

– Затем настало время эксперимента на "Урале"?

– Да, войдя в проект, мы нашли подрядчика – ООО "БИК-Информ". Компания занимается разработкой и производством оборудования для видеонаблюдения и технического зрения, в том числе и для морского флота. Нам изготовили четыре специальных термокожуха со степенью защиты IP67 и подогревом: внутри поддерживалась определенная температура, и стекла подогревались. Термокожухи протестировали в криокамере при минус 50 °C. Все запустилось и заработало. На вибрацию испытывали устройства уже на ледоколе.

"Урал" к тому моменту готовился на Балтийском заводе к сдаче, и попасть на судно было просто нереально. В декабре 2022 года отправились в Мурманск, у нас было три дня до выхода "Урала" в первый рабочий рейс. За это время нужно было провести по судну кабельные трассы по временной схеме для подключения четырех измерительных блока: один в носу, другой в корме, и два по бортам. Измерительные блоки, которые планировалось расположиться по бортам, должны были измерять толщину выворотов льдин вдоль борта судна. 

Устройство в носу должно было фиксировать сплоченность, точнее, определять "количество" воды и льда на определенной площади, а сплоченность уже вычислять по этим данным. С кормы предстояло определять характеристики ледового канала: ширину, скорость схождения кромок и определять уровень ледового сжатия. 

30 ноября мы впервые поднялись на ледокол, протянули кабели, установили кронштейны, а второго декабря "Урал" ушел в рейс. Завершить монтаж измерительного комплекса и провести испытания предстояло в январе. 

Добирались на ледокол морем, долго, с пересадками. Весь испытательный рейс на борту ледокола "Урал" занял двадцать дней. Нам очень повезло с погодой. До этого в Арктике месяц было минус 35 °C, а с ветром по ощущениям все минус 45. И мы с ужасом представляли, как будем устанавливать измерительные блоки на судне: это ведь работа с гайками, болтиками и проводами.

Прибыли, завершили монтаж. Помимо измерительных блоков установили серверное оборудование, подключились к мостиковым системам (для работы системы требовались координаты, скорость). Все заработало. "Урал" в это время занимался своими делами, бегал по Енисею от Мыса Желания до Дудинки. Нам это не очень подходило для испытаний, в проложенном ранее канале измерений особо не проведешь: выворотов нет. Случалось, правда, что и в Карское море ходили, и в Енисее новый канал прокладывали. За 15 дней накопили значительную базу измерений. Не подвели и наши программисты! Отработали на отлично. Мы отправляли им "живые" лидарные снимки. И им удалось провести три обновления программного обеспечения.

Первый вариант ПО создавался на базе теории и "трех льдин", которые мы поймали в Финском заливе. Я, конечно, утрирую, но в этом есть доля правды. Данные, полученные в январе в Арктике, позволили приблизиться к тому, что нам было нужно на выходе. Поэтому следующей задачей стала разработка интеллектуальной системы первичной фильтрации и обработки данных, создание основы "нейросети". Система измеряет всегда и все в автоматическом режиме 24/7. Необходимо было сделать так, чтобы расчетные алгоритмы учитывали все нюансы движения судна во льдах и выдавали готовую информацию, которую можно отправлять в Штаб морских операций и передавать другим судам. 

– Т.е. нужно было научиться правильно обрабатывать данные...

– Да. Мы получили 600 ГБ данных. Чем хорош лидар и эта база? У тебя есть готовый лидарный снимок – цифровая 3D-модель, снимок. По-простому – это экселевский CSV-файл, 100 тысяч точек с координатами и определенной интенсивностью отражения. Плюс, у нас есть фотоснимок этого же объекта. Мы разработали эмулятор, через который прогоняли весь наработанный материал и корректировали логику работы программного обеспечения. Допустим, три часа мы шли по старому каналу. Задача алгоритма определить, что мы идем по каналу и в этот момент времени ничего не считать и не передавать. 

28 июля 2023 года мы сдали заказчику комплект рабоче-конструкторской документации для мелкосерийного производства на весь комплекс: измерительные блоки, аппаратно-программный комплекс, эксплуатационную документацию. 

– Информация с судов будут стекаться в штаб?

– Да, в техническом задании (ТЗ) было прописано, что мы должны передавать данные в Штаб морских операций. Когда писалось ТЗ, он находился еще в структуре "Атомфлота", а сейчас его передали в ведение ФГБУ "Главсевморпуть". В конце концов данные должны оказаться в ЕПЦС СМП – Единой платформе цифровых сервисов для Севморпути. В ней должны аккумулироваться все данные: спутниковые снимки, ледовые карты и прогнозы ААНИИ, информация с наших БИКов и пр. Конечная цель – это создание сервиса "ледового навигатора". Хотя мне не очень нравится этот термин.

– Он будет работать примерно, как автонавигатор?

– Да, примерно так: 10 машин проехало по улице с пробкой, и ты получил информацию, что там пробка. По всей трассе Севморпути от Карских ворот до Берингова пролива будут ходить суда с измерительными комплексами на борту. Они смогут оценивать фактическую ледовую обстановку, измерять и передавать ее. Да, ситуация в море изменчива, но пробки в городе тоже непостоянны. Все будет зависеть от того, сколько судов будет оборудовано БИК. Для тех районов, которые вообще не покрываются спутниками, или там, где спутниковые данные приходят с большой периодичностью, информация с БИК будет большим подспорьем. Но это все же не "навигатор", это вспомогательная информация о ледовой обстановке.

На ледовую обстановку влияет множество факторов, к примеру ветер. Судно прошло, передало информацию, изменился ветер, и уже там не полыньи и разряженный лед, а сжатие в 10 баллов, и не пройти. В Западном секторе Арктики потребность в таких измерительных комплексах не столь критична, как на Востоке. Но и здесь информация будет полезна судоводителям. Судно прошло, через несколько часов еще одно судно за тобой проследовало. И оно уже будет иметь какие-то данные, примерно понимать, что и как с ледовой обстановкой.

– Устанавливать комплексы на суда будете вы? 

– Пока не ясно, это предполагает большой объем работ. Условного говоря, необходимо с четырех точек на открытой палубе провести провод в рубку. Нужно выполнять расшивку внутренних переборок, врезку "стаканов", сварочные работы. По-быстрому это не сделаешь, нужен проект, специализированная подрядная организация. Необходимо, чтобы судно стояло у причала. Проект стационарной установки комплекса для новых ледоколов пр. 22220 уже существует, для нас его разработало ЦКБ "Айсберг". 

На данном этапе главные задачи выполнены. Мы боялись вибрации, чем выше на ледоколе поднимаешься, тем сильнее она становится. Но устройства отработали без проблем, с блоками и оборудованием ничего не случилось. А вот на сам процесс измерения вибрация накладывает это свой отпечаток. В лидаре есть система стабилизации, которая предназначена для работы в автомобиле или на беспилотнике. Наш лидар как раз предназначен для геодезических задач и обычно устанавливается на БПЛА.

Наверное, самым серьезным нашим "врагом" оказалась скорость. Ледоколы развивают значительную скорость, особенно когда не сопровождают суда. Но наши математики создали алгоритмы компенсации смазывания. У нас лидар набирает кадр (поле точек) за секунду. Можно отработать и за четверть секунды, но тогда точек в кадре будет мало. Набираешь полсекунды – получаешь 100 тысяч точек, секунду – 200 тысяч, а чем больше точек, тем качественнее картинка. И что мы сделали? Разбили общий кадр по времени на четыре части по 0,25 секунды и наложили с учетом скорости движения ледокола. Это если совсем упрощенно.

Результат впечатлил. Без алгоритма компенсации смазывания лидарный снимок при скорости около 8-10 уз – это нечто однообразное и смазанное. После алгоритмической обработки становятся видны отдельные льдины. Мне поначалу даже казалось, что эти льдины программисты своими руками нарисовали, настолько обработанная картинка отличалась от исходной. 

– Ограничения по скорости для системы есть? 

– Для себя мы уже определили, что скорость судна порядка 10 узлов – это предел. Если ледокол идет со скоростью в 14 узлов, то тут уже нет ни выворотов, ничего, а лед ломается чисто из-за волны, которую ледокол создает. Это набор ограничений, когда БИК может работать, а когда – нет.

– Кроме скорости, есть разница в том, на каком судне устанавливать комплекс?

– Конструкция ледокола самая неудобная для установки БИК. Во-первых, наклонный борт 15°. Пришлось ставить двухметровый кронштейн, чтобы видеть лед за бортом. У газовоза прямой борт, там вывесил устройство за леерное ограждение и готово. Нормально установить комплекс на корме мешает вертолетная площадка. Можно, конечно, поднять его повыше, но теряем около 100 м, а эффективная дистанция работы лидара – до 300 м. Вешаем ниже, в районе буксирной лебедки, угол маленький, лучики отражаются и обратно не возвращаются. 

– Довольны результатами работы? 

– Учитывая тот факт, что в мае прошлого года мы начали заниматься проектом практически с нуля, считаю результат хорошим, все сложные моменты мы отработали. Несмотря на то, что проект сдан заказчику, работы активно продолжаются. Сейчас исследуем возможность дополнительно к лидару использовать тепловизионную камеру. Она "видит" дальше, это будет полезно для оценки сплоченности и сжатия. С партнерами рассматриваем вариант использования на судах беспроводной связи cтандарта LTE, чтобы не тащить провода от измерительных блоков с палубы в рубку. На ледоколах беспроводная связь пока запрещена, а вот на газовозах и танкерах это то что надо! 

А главное, мы вернули опытный образец БИК на ледокол "Урал". Он как раз проходил доковый ремонт на Кронштадтском морском заводе. Согласовали с руководством "Атомфлота" установку и за пару недель установили оборудование по временной схеме. Конечное пришлось потрудиться, особенно в рубке, чтобы оборудование и провода не мешались экипажу, но с их же помощью и советами сделали все красиво и удобно. Теперь наш комплекс проведет в опытной эксплуатации всю ледовую навигацию 2023-2024 гг.

– Капитан судна будет видеть информацию своего БИК? 

– Задача была отправлять данные на берег, а капитан уже оттуда будет получать обобщенную информацию. Но при этом у нас предусмотрено автоматизированное рабочее место, и есть возможность вывести онлайн-показатели с БИК. Капитан сможет видеть эту информацию. Бывает полезным.

– Какие впечатления оставил "Урал"?

– В адрес проекта 22220 произнесено много слов, и мне ледокол понравился. Вызывает симпатию, и как работает команда. Молодые, но уже со знанием и опытом. Капитану 40 лет, помощники – еще моложе. Всем было реально интересно, что мы делали. Люди готовы к чему-то новому. Помню начало процесса создания и проектирования 22220. Мы хоть и не являлись проектантами, но участвовали в разработке концепции ледокола. Первые совещания проходили у нас в институте, и на них присутствовали капитаны ледоколов предыдущих серий. Они очень ревностно относились ко всему новому. Но и их понять можно, Арктика – это колоссальный труд и ответственность! 

А Капитану и экипажу ледокола "Урал" сердечная благодарность за оказанные гостеприимство и помощь!