Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В ходе выполнения 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. Результаты исследования опубликованы в сети Интернет по адресу: http://robotics.nw.ru/servis/project_detail.php?ID=449

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В рамках проекта был разработан подход к адаптивному управлению инфраструктурой киберфизических систем (КФС), сформированной на базе множества гетерогенных робототехнических средств (РС), ориентированный на обеспечение отказоустойчивости системы в изменяющейся среде. При разработке данного подхода были предложены решения по применению средств виртуализации и контейнеризации, по организации подсистем хранения и обработки данных, а также сетей передачи данных в рамках КФС, базирующиеся на использовании разработанных ранее методов автономного распределения инфраструктурных ролей между компонентами КФС. Предложенные решения позволяют архитектурно разделить прикладные задачи компонентов КФС и роли хранения, обработки и передачи данных, и, соответственно, осуществлять перераспределение и переназначение инфраструктурных ролей между компонентами КФС, представленными гетерогенными РС. Таким образом, предложенный подход позволяет, в случае потери работоспособности некоторым РС, входящим в состав КФС, переназначить соответствующие инфраструктурные роли другим агентам, что позволяет оперативно восстановить корректное функционирование прикладных и внутренних системных сервисов КФС. В ходе реализации проекта был предложен новый метод построения маршрутов для перемещения группы наземных РС по неоднородной местности, который позволяет строить бесколлизионные траектории движения для каждого робототехнического средства внутри группы с учетом неоднородности рельефа местности. Разработанный метод позволяет экономить энергетические ресурсы РС благодаря тому, что учитывает перепады высот при построении маршрутов и обеспечивает движение РС с одной стороны по наиболее плоским и с другой стороны максимально коротким участкам местности. Благодаря данному методу достигается сокращение удельных затрат энергетических ресурсов и увеличение времени функционирования РС. В случае беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) был проведен обширный анализ алгоритмов построения траекторий движения. Для решения задач проекта было выделено два типа траекторий движения БпЛА – покрывающая траектория, которая позволяет производить мониторинг выбранного участка местности и траектория, обеспечивающая перемещение БпЛА из одной точки в другую. Для решения задач движения по покрывающей траектории был разработан новый алгоритм, который позволяет строить оптимизированные траекторий, сокращающие количество манёвров БпЛА и сгладить кривизну таких траекторий, что позволяет экономить энергетические ресурсы БпЛА и в среднем сохранять до 6% ресурсов аккумуляторной батареи по сравнению с решениями без соответствующей оптимизации. В качестве траекторий, соединяющей две точки, в ходе сравнительного анализа и ряда экспериментов был выбран алгоритм A*, как наиболее эффективный для решения данного рода задач. При выполнении работ по проекту также был разработан новый метод распределения прикладных задач между множеством гетерогенных РС, учитывающий оценки стоимостей путей РС до точек выполнения задач. Предложенное решение осуществляет группировку РС по кластерам и последующее распределение РС по задачам таким образом, чтобы обеспечить наиболее эффективное с точки зрения временных затрат выполнение поставленных задач. В рамках данного метода был предложен новый алгоритм кластеризации РС, учитывающий не только текущее местоположение РС в пространстве, но и траектории их движения по неоднородной поверхности для выполнения задач, находящихся на определенном удалении. В рамках проекта также была разработана модель робототехнической платформы с возможностью автоматизированной замены отдельных модулей, оборудованная четырьмя устройствами сопряжения. Устройства сопряжения имеют контактные группы для передачи энергии и информации, что позволяет расширять функционал базовой робототехнической платформы различными модулями. В каждое из устройств сопряжения возможна установка сенсорных или электромеханических исполнительных устройств. При автономной реконфигурации сопряжение платформы и модуля проходит успешно более, чем в 98 % случаев. Электротехническое оснащение платформы выполнено по принципу распределенной централизованной системы управления с двухуровневой архитектурой. Собственный вычислитель каждого модуля системы позволяет организовать вычисления в каждом исполнительном устройстве, сенсоре или подключаемом модуле, что значительно ускоряет работу системы, снижает вероятность ошибок и увеличивает надежность и отказоустойчивость данного решения. На текущем этапе реализации проекта также было разработано программное обеспечение (ПО), предназначенное для локализации и навигации на местности гетерогенной группы РС. Разработанное ПО выполняется одновременно на нескольких роботах-агентах, которые совместно осуществляют анализ характеристик внешней среды и построение карты местности. Использование нескольких агентов, функционирующих совместно, позволяет ускорить построение карты местности и увеличить точность локализации каждого РС в отдельности. Предложенное решение представляет собой программную реализацию распределенной модификации SLAM-алгоритма CORB-SLAM на основе пакета «Cartographer» в системе ROS с применением клиент-серверной архитектуры. Данное решение отличается высокой пропускной способностью, повышенной устойчивостью в случае нестабильных каналов передачи данных и способно функционировать до тех пор, пока все клиентские агенты не утратят соединение с сервером. Результаты исследования опубликованы в сети Интернет по адресу: https://robotics.nw.ru/servis/project_detail.php?ID=449

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе заключительного этапа выполнения работ над проектом научным коллективом была успешно разработана методика тестирования и критерии оценки выполнения сценариев апробации мобильной кибер-физической системы, предназначенной для решения прикладных задач в условиях динамического окружения. К числу указанных сценариев апробации относятся: 1. Развертывание узлов КФС для обеспечения связи с группами пользователей; 2. Доставка грузов и оборудования к месту дислокации пользователей; 3. Быстрое реагирование для оказания медпомощи; 4. Мониторинг состояния окружения и инфраструктуры (детектирование людей в неположенных местах, детектирование несанкционированной деятельности); 5. Поиск и сбор целевых объектов с учетом грузоподъемности роботизированных агентов; 6. Замена неисправных модулей робототехнических средств, входящих в состав КФС. Согласно предложенной методике, оценка эффективности КФС при решении прикладных задач, отраженных в представленных выше сценариях, может производиться исходя из доли успешно выполненных сценариев в условиях различных смоделированных динамических сцен. При этом в качестве варьируемых параметров могут выступать: 1. Параметры симуляции (рельеф, размер территории, специфика местности, число вредоносных динамических объектов); 2. Спецификация системы (число роботизированных агентов различного типа) – в данном случае следует рассматривать исключительно вариации системы, выполняющие минимальные требования к поддержанию отказоустойчивости (см. расширенный отчет: https://lk.spiiras.nw.ru/command.php?a=DownloadFilePublic&t=TProject&p=f_report&id=487300); В свою очередь, оценка уровня отказоустойчивости системы при решении прикладных задач, отраженных в представленных выше сценариях, может производиться исходя из: 1. Доли успешно выполненных сценариев в условиях возникновения внешних воздействий и неисправностей в рамках различных смоделированных динамических сцен; 2. Доли случаев успешного перераспределения инфраструктурных ролей с учетом изменения функциональной полноты агентов КФС. При этом в качестве варьируемых параметров могут выступать: 1. Параметры симуляции (рельеф, размер территории, специфика местности, число деструктивно воздействующих динамических объектов); 2. Спецификация системы (число роботизированных агентов различного типа) – в данном случае следует рассматривать исключительно вариации системы, выполняющие минимальные требования к поддержанию отказоустойчивости; 3. Тип внешнего воздействия / неисправности. Следует рассматривать прикладные сценарии внешних воздействий, которые приводят к нарушению отдельных выходных функций отдельных агентов КФС (либо напрямую постулировать соответствующие нарушения) в рамках текущей конфигурации системы. Результирующая оценка эффективности и отказоустойчивости системы должна производиться путем взвешенного сопоставления результатов исполнения прикладных сценариев с учетом способности КФС к самовосстановлению и реконфигурации в условиях нарушения работы модулей отдельных агентов, выхода из строя отдельных агентов, а также нарушения инфраструктурной целостности системы. Предложенная коллективом методика позволяет не только оценить эффективность функционирования мобильной КФС на примере набора типовых сценариев, но и провести комплексную оценку отказоустойчивости системы к внешний деструктивным воздействиям различной природы. Кроме того, в процессе исполнения методики также могут дополнительно быть идентифицированы конкретные спецификации КФС, как наиболее адаптированные к функционированию в условиях определенных внешних деструктивных воздействий, так и наиболее приспособленные к решению определенной группы типовых задач. Предложенная методика имеет высокий уровень универсальности и может быть использована для тестирования широкого класса мобильных КФС как гражданского, так и военного назначения (см. расширенный отчет: https://lk.spiiras.nw.ru/command.php?a=DownloadFilePublic&t=TProject&p=f_report&id=487300). Также в ходе заключительного этапа реализации проекта был разработан прототип мобильной кибер-физической системы (КФС) с использованием предложенных на предыдущих этапах реализации данного проекта методов, подходов и программных средств, отличающейся устойчивостью к отказу компонентов системы, представленных множеством гетерогенных робототехнических средств (РС) четырех типов, а также способностью функционировать на открытых территориях в условиях динамического окружения. Разработанный прототип КФС базируется на нескольких типах роботизированных агентов наземного и воздушного базирования, обладающих отличающимся программно-аппаратными возможностями. Указанный прототип мобильной КФС в ходе заключительного этапа работ над проектом был подвергнут комплексному экспериментальному тестированию с точки зрения его функциональных возможностей. Тестирование научным коллективом проводилось в соответствии с предложенной в рамках проекта «методикой тестирования функциональных возможностей мобильной КФС при решении прикладных задач в условиях динамического окружения». В рамках тестирования прототипа КФС была проведена оценка эффективности множества спецификаций разработанного прототипа КФС в моделируемой среде по результатам которой усредненная доля успешно завершенных миссий по реализации базовых сценариев в отсутствии деструктивных воздействий составила 77,4%, а в случае их наличия, снизилась до уровня в 73,5%. В рамках эксперимента были успешно идентифицированы оптимальные варианты распределения роботизированных агентов при исполнении тех или иных базовых сценариев, а также определены конкретные спецификации КФС, продемонстрировавшие наиболее высокую эффективность функционирования по результатам их апробации на примере всех базовых сценариев функционирования КФС. Таким образом, предложенный прототип мобильной КФС по результатам комплексного тестирования продемонстрировал высокие показатели отказоустойчивости и эффективности функционирования в динамическом окружении при наличии деструктивных воздействий со стороны внешней среды. В рамках выполнения заключительного этапа работ над проектом, научным коллективом был подготовлен проект монографии, посвященной анализу проблем разработки мобильных кибер-физических систем, предназначенных для работы в условиях динамического окружения и повышенных рисков выхода из строя отдельных компонентов системы, и решениям, предложенным в результате выполнения проекта: "Мобильные киберфизические системы", Яковлев Р.Н., Савельев А.И., Черноусова П.М., Черских Е.О., Летенков М.А., Лебедева В.В., Лебедев И.В., 97 стр., 23 ил. Подготовленная научным коллективом монография "Мобильные киберфизические системы" рекомендована к публикации Ученым советом СПб ФИЦ РАН (выписка из протокола заседания Ученого совета СПб ФИЦ РАН №4 от 27.04.2023 г. представлена в приложении к настоящему отчету), планируется подача заявки в конце 2023 года на включение данной монографии в план изданий Российской академии наук 2024 года.