Принципы функционирования беспроводных нодальных сейсмических систем под управлением группы беспилотных воздушных средств на труднодоступных территориях со сложным рельефом местности

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-69-00231

НазваниеПринципы функционирования беспроводных нодальных сейсмических систем под управлением группы беспилотных воздушных средств на труднодоступных территориях со сложным рельефом местности

Руководитель Ронжин Андрей Леонидович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук" , г Санкт-Петербург

Конкурс №75 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по поручениям (указаниям) Президента Российской Федерации» (междисциплинарные проекты)

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые слова Нодальные сейсмические системы, автономные сейсмические модули, аэромониторинг, сегментация аэрофотоснимков местности, модели глубокого обучения, алгоритмы группового планирования путей, методы векторной сейсморазведки, подходы к миграции в обратном времени, сенсоры на основе молекулярно-электронного переноса, анализ внешнего окружения, динамическая среда, роевая робототехника, геологоразведка недр, автономное управление

Код ГРНТИ28.19.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из научных проблем в области наземных сейсмических систем (СС) является формирование и поддержание функционирования комплексной технологической инфраструктуры, обеспечивающей их работоспособности в условиях неподготовленной окружающей среды. В случае проводных систем данная потребность сопряжена со значительными временными и ресурсными затратами и тем самым не позволяет осуществлять быстрое развертывание СС. Современная тенденция при создании наземных СС состоит в постепенном отказе от кабельных решений и переходе к автономно функционирующим цифровым нодам, в едином устройстве, объединяющем первичный сейсмический датчик с системой регистрации. Преимущество нодальных систем состоит в более простом развертывании и «робастности», выраженной в устойчивости нодов к нарушению каналов передачи данных между ними и центральным узлом СС. Недостатком существующих решений в данном направлении является недоступность оперативной информации о качестве получаемых экспериментальных данных, а также недостаток возможностей по управлению сейсмическим экспериментом в режиме реального времени. Таким образом, на сегодняшний день практически отсутствуют СС, способные к быстрому развертыванию на местности и при этом позволяющие в полной мере осуществлять контроль и управление экспериментом в реальном времени. В ходе реализации проекта планируется сформировать принципы проектирования и разработать прототип беспроводной нодальной СС, в рамках которой взаимодействие нодов и передача данных обеспечивается за счет использования группы беспилотных воздушных систем (БВС), функционирующих в районе проведения операции. Планируемая к разработке система будет отличаться способностью к автономному развертыванию и функционированию, и ориентирована на применение в труднодоступных территориях. Для создания такой системы планируется разработать специализированные прототипы БВС, позволяющие реализовать автоматизированное размещение и сбор сейсмических модулей (СМ), а также прототипы СМ, пригодных к размещению и сбору посредством БВС. Кроме того, планируется разработать методы автономного построения и развертывания СС, а также методы решения задач двумерной и трехмерной векторной сейсморазведки, на основе применения подходов к миграции в обратном времени и угловой декомпозиции волн, отличающиеся повышенной устойчивостью к рельефу исследуемой местности и динамическим изменениям внешней среды. Дополнительно в рамках проекта будет разработано решение задачи сегментации исследуемой местности, обеспечивающее идентификацию зон, пригодных для размещения СМ. Предложенное решение, основанное на применении моделей глубокого обучения, позволит дополнительно повысить уровень автономности разрабатываемой в рамках проекта СС. На основе данных методов и подходов планируется реализовать программные и аппаратные компоненты соответствующей беспроводной СС. Апробация планируемых к разработке подходов, методов, а также программных и аппаратных средств будет проводиться на тестовых сценариях решения прикладных задач из области сейсморазведки в условиях динамического окружения, выполняемых посредством согласованного взаимодействия групп разработанных БВС и высокомобильных СМ. Целью проекта является повышение автономности и адаптивности разрабатываемой СС к функционированию на труднодоступных территориях в условиях динамического окружения. Реализация поставленной цели возможна благодаря имеющемуся междисциплинарному научному заделу и наличию у трех команд исполнителей следующих разработок: программно-аппаратное обеспечение для управления группами БВС в автономном режиме, решения на основе средств технического зрения и нейросетевых моделей, направленные на анализ свойств окружающей среды. Успешной реализации проекта будет способствовать наличие у партнеров проекта значительных наработок в сферах разработки нодальных СС и специализированных СМ, а также в области векторной сейсморазведки труднодоступных территорий и территорий со сложным рельефом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Зайцев Д.Л., Брыскин В.М., Белотелов К.С., Компаниец Ю.И., Яковлев Р.Н. Алгоритмы и измерительный комплекс классификации источников сейсмических сигналов, определения расстояния и азимута до пункта возбуждения поверхностных волн Информатика и автоматизация, выпуск 21, том 6, стр. 1211–1239 (год публикации - 2022)
10.15622/ia.21.6.5

2. Лебедева В.В., Яковлев Р.Н., Брыскин В.М., Агафонов В.М. Method for Planning a Coverage Trajectory for a Group of UAVs Marking out Zones for Installing Seismic Modules Interactive Collaborative Robotics, Lecture Notes in Artificial Intelligence, Springer (год публикации - 2022)

3. Яковлев Р.Н., Лебедева В.В., Егоров И., Брыскин В.М., Ронжин А.Л. Method for Searching Deployment Zones of Ground Seismic Sensors by a Heterogeneous Group of UAVs in an Environment with a Complex Topography Frontiers in Robotics and Electromechanics, Springer Singapore (SIST, volume 329) (год публикации - 2023)

4. Агафонов В.М., Бугаев А.С., Ерохин Г.Н., Ронжин А.Л. Векторная сейсморазведка в обращенном времени: состояние и перспективы Геофизика, номер 5, стр. 77-83 (год публикации - 2022)

5. Астапова М., Уздяев М. Classification and Segmentation of Agricultural Land Using Linear Discriminant Analysis for Soil Sensors Installation Agriculture Digitalization and Organic Production. ADOP 2023. Smart Innovation, Systems and Technologies, Vol. 362, pp. 247-256 (год публикации - 2023)
10.1007/978-981-99-4165-0_23

6. Лебедева В., Ерашов А. Algorithm for Interaction of UAVs and Ground-Based Robotic Systems for Collaboration Operations over Vast Territory Proceedings 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), pp. 525-531 (год публикации - 2023)

7. Агафонов В.М., Бугаев А.С., Ерохин Г.Н., Ронжин А.Л. Векторная декомпозиция сейсмических данных методами волнового обращения во времени Russian Journal of Earth Sciences, Том 23, № 3 (год публикации - 2023)
10.2205/2023ES000837

8. Васюнина Ю.Г., Аникин Д.А., Савельев А.И. Algorithm of UAV Trajectory Creation for Data Collecting from Seismological Sensors Proceedings 2023 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), pp. 747-752 (год публикации - 2023)

9. Ерашов А.А., Аникин Д.А., Черских Е.О., Савельев А.И., Брыскин В.М., Агафонов В.М. Алгоритмы оценивания параметров неоднородной поверхности и управления беспилотным летательным аппаратом при установке сейсмического датчика Научный журнал «ТРУДЫ МФТИ», том 15, № 4(60) (год публикации - 2023)

10. Астапова М.А., Уздяев М.Ю., Агафонов В.М., Брыксин Онтологоориентированная методика зонирования местности и размещения сейсмических модулей робототехническими средствами Сборник трудов 34-й Международной научно-технической конференции "Экстремальная робототехника" (год публикации - 2023)

11. Савельев А.И., Аникин Д.А., Агафонов В.М., Ерохин Г.Н. Моделирование траекторий движения группы беспилотных летательных аппаратов на основе алгоритма ADRRT-Connect в задаче расстановки сейсмических датчиков Робототехника и техническая кибернетика (год публикации - 2024)

12. Аникин Д.А., Рябинов А.В., Савельев А.И., Ерохин Г.Н., Агафонов В.М. Investigation of the Influence of External Conditions on the Process of Automated Landing of an UAV on a Seismic Sensor Using Technical Vision Proceedings of the 13th Computer Science On-line Conference 2024 (год публикации - 2024)

13. Горчаков И.В., Неешпапа А.В., Антонов А.Н., Авдюхина С.Ю., Савельев А.И., Сергеев С.Н. Малогабаритный радиолектронный цифровой модуль для построения нодальной сейсмической системы, взаимодействующей с БПЛА Журнал радиоэлектроники, №12, c. 30-49 (год публикации - 2023)
10.30898/1684-1719.2023.12.14

14. Агафонов В.М., Горчаков И.В., Егоров И.В., Авдюхина С.Ю., Ронжин А.Л. Широкополосный сейсмический узел на основе малошумных высокочувствительных молекулярно-электронных датчиков Журнал "Нефтегазовое дело", Т. 22, № 4., С. 226-238 (год публикации - 2024)
10.17122/ngdelo-2024-4-226-238

15. Савельев А.И., Аникин Д.А., Ронжин А.Л., Агафонов В.М., Ерохин Г.Н. Method for Positioning a Group of UAVs for Organizing Stable Wireless Communication with Seismic Modules International Journal of Intelligent Unmanned Systems (год публикации - 2025)

16. Уздяев М.Ю., Астапова М.А., Ронжин А.Л., Савельев А.И., Агафонов В.М., Ерохин Г.Н., Ненашев В.А. A methodology for automated labelling a geospatial image dataset of applicable locations for installing a wireless nodal seismic system Журнал «Компьютерная оптика» (год публикации - 2025)

17. Крестовников К.Д. Aerial Manipulation System for Automated Installation Seismic Activity Sensors Lecture Notes in Computer Science. - International Conference on Interactive Collaborative Robotics., vol. 14898, pp. 368-380. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-71360-6_28

18. Савельев А.И., Аникин Д.А., Ронжин А.Л., Ерохин Г.Н., Агафонов В.М. System for Placing Seismic Sensors Based on Actions of UAVs Group with Optimized Flight Plan.System for Planing Seismic Sensors Based on Actions of UAVs Group with Optimized Flight Plan Lecture Notes in Computer Science. - International Conference on Interactive Collaborative Robotics., vol. 14898, pp. 334-343. (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-71360-6_25

19. Агафонов В.М., Брыскин В.М., Ерохин Г.Н., Ронжин А.Л. Stochastic acquisition systems based on RTH method Journal of Applied Geophysics, Vol. 230(3):105520, pp. 1-8 (год публикации - 2024)
10.1016/j.jappgeo.2024.105520

20. Ронжин А.Л., Астапова М.А., Ерохин Г.Н., Агафонов В.М. Управление беспроводной нодальной сейсмической системой с применением группы беспилотных воздушных средств Сборник трудов ВСПУ-2024, С. 1712-1716 (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе текущего отчетного периода были разработаны 5 новых методов построения сейсмических атрибутов для двумерной и трехмерной векторной сейсморазведки с использованием разработанных подходов миграции в обратном времени и угловой декомпозиции волн: Diffraction Reflection Ratio (DRR), Depth Imaging Scattering Vector-based Seismic Exploration (DI SVSE), RTH Velocity SVSE, Relative Impedance SVSE, Opening Angle SVSE. Все пять методов являются составляющими одного общего подхода в сейсморазведке рассеянных волн, который носит название Reverse Time Holography Approach (RTH). Для формирования сейсмических данных, необходимых для обработки подходом Reverse Time Holography Approach (RTH), была произведена доработка конструкции и изготовлены пяти конечных прототипов высокомобильного малогабаритного цифрового сейсмического модуля. В каждый модуль интегрированы молекулярно-электронные геофоны MTSS-1001, установленные на специализированных кронштейнах, которые обеспечивают стабильность работы независимо от ориентации прибора. В цифровую плату встроен трёхкомпонентный акселерометр-магнитометр, позволяющий на этапе обработки учесть погрешности, связанные с некорректной установкой устройства относительно вертикали. Кабели USB, модуля GPS и Wi-Fi модуля вкручиваются на соответствующие разъемы на защитном корпусе с целью вывода наружу GPS и Wi-Fi антенны, а также порта USB, обеспечивающего возможность считывания данных с прибора, без съема корпуса. Проведенные лабораторные испытания пяти модулей показали соответствие предварительно заявленным характеристикам. Для доставки сейсмических модулей и сбора данных был разработан прототип БВС, обладающий следующими характеристиками: полезная нагрузка 5 кг (сейсмодатчик с устройством захвата); полетное время с полезной нагрузкой 19 минут; дальность работы бортовой системы связи и телеметрии до 1,2 км в условиях прямой видимости; повышенная стабильность в сложных погодных условиях (стабильное удержание точки при боковом ветре не более 12 м/с); наличие бортового высокоуровневого вычислителя интегрированного в систему управления для осуществления посадки и считывания данных с сейсмических модулей; наличие цифровой камеры для системы автоматизированной посадки, расположенной на двухосевом гиростабилизирующем подвесе. Для функционирования группы БВС с целью решения задач по векторной сейсморазведке были разработаны следующие методы: - Метод размещения сейсмических датчиков на грунте; - Метод оценки качества сейсмического контакта с грунтом; - Метод идентификации датчиков на основе технического зрения при взаимодействии с БВС; - Метод идентификации датчиков на основе приема радиосигнала при взаимодействии с БВС; - Метод оптимизации траектории перемещения БВС для исключения повторного тестирования датчиков; - Метод определения оптимального положения мультироторного БВС в воздушном пространстве для сбора данных с наземных датчиков. В ходе апробации на учебно-производственной партии АО «Башнефтегеофизика» удалось задействовать разработанные ранее и на данном этапе алгоритмы, методы, подходы, прототипы программно-аппартного обеспечения, которые позволили проанализировать технологические процессы проведения сейсморазведочных работ с использованием БВС, а также выявить существующие ограничения. Профиль наблюдения составил 200 метров с шагом регистрации приемников 25 метров. В ходе работ использовалось 5 автономных сейсмических нодов. В ходе работы вибратора производилась запись данных с сейсмических нодов. Для доставки сейсмических нодов использовался БВС с захватом. Ноды размещались в конструкции захвата БВС за счет креплений и корпуса для сейсмических модулей. Также на самом ноде был размещен ArUco-маркер, который обеспечивает идентификацию объекта для осуществления посадки БВС. Проведенные испытания по посадке на сейсмический модуль с целью его захвата показали, что в 80% случаях посадка и захват осуществляются успешно. В ходе полевых испытаний была протестирована беспроводная связь между нодом и БВС, что позволило определить предельную высоту зависания БВС с целью сбора данных с сейсмодатчика – 25 метров, которая удовлетворяет специфике функционирования БВС для выполнения всех задач по взаимодействию с нодами. Одновременно с проводимым экспериментом с нодами на профиле была расположена стандартная сейсмическая коса. Полученные от различных типов датчиков данные были обработаны на основе разработанного подхода RTH. Собранные на полигоне данные позволили подтвердить преимущество результатов глубинной миграции Depth Imaging Scattering Vector-based Seismic Exploration перед традиционной миграцией Кирхгофа в части информативности и разрешенности. Также полученные результаты подтвердили, что распределение 7 датчиков на 1 кв. км. обеспечивает необходимое количество данных для обработки и не уступает по качеству, а в ряде параметров с учетом разработанных решений даже улучшает, общепринятым решениям по обработке сейсмических данных. Результаты апробации на полигоне показали эффективность объединения усилий для достижения единого результата посредством цепочки действий: размещения сейсмических модулей с использованием БВС (СПб ФИЦ РАН), сбора сейсмических данных (ООО «Р-сенсорс»), съема данных при помощи БВС (ООО «Р-сенсорс» и СПб ФИЦ РАН), обработки полученных данных (ФГАОУ ВО «БФУ им. И. Канта»). Полученные совместные результаты работ и сформированные выводы на следующем этапе проекта позволят повысить результаты проводимых исследований, связанные с точностью посадки БВС на сейсмический модуль, качеством контакта сейсмического модуля с поверхностью, а также учесть особенности, связанные с планированием, размещением, съемом данных и транспортировкой сейсмических модулей для объединения отдельных процессов исполнителей проекта в циклограммы работ по развертыванию, эксплуатации и обработке данных беспроводных нодальных сейсмических систем. Коллективом были опубликованы совместные научные статьи в журналах и трудах конференций. Четыре научные работы опубликованы в изданиях, входящих в «Белый список» научных журналов и во второй квартиль (Q2) по импакт-фактору JCR Science Edition/JCR Social Sciences Edition по SJR: «Компьютерная оптика», Journal of Applied Geophysics, Lecture Notes in Computer Science. - International Conference on Interactive Collaborative Robotics, International Journal of Intelligent Unmanned Systems.

Публикации