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 24-21-20116
НазваниеОптический датчик наличия и уровня загрязнённости нефтепродуктами и тяжелыми частицами жидкостей
Руководитель Черненькая Людмила Васильевна, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург
Конкурс №90 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-213 - Обработка и анализ изображений и сигналов
Ключевые слова Компьютерное зрение, датчик загрязнения, экологический мониторинг, предотвращение аварий, непрерывный контроль, математическое моделирование, система безопасности
Код ГРНТИ90.27.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Направлением исследования является разработка методов, аппаратных, программных средств и создания датчика для анализа видеопотока и подсчета концентрации примесей.
Актуальность работы обусловлена возникновением возможности создания датчиков, основанных на оптическом принципе, благодаря появившимся доступным аппаратно-программным средствам, способным проводить в реальном времени необходимые вычисления. Также актуальность работы обусловлена потребностями промышленности в проведении мониторинга окружающей среды с применением оптических методов.
Выявление содержания примесей основано на эффекте вторичного флуоресцентного свечения нефтепродуктов после воздействия ультрафиолета. Концентрация рассчитывается на основании количества выявленных примесей (вычисленного объема нефтесодержащих пузырей) и общего объема жидкостей, прошедшей через датчик, рассчитанного на основании данных датчика скорости потока. Оптический метод позволяет проводить классификацию примесей на нефтепродукты (с вторичным флуоресцентным свечением в определенном цветовом диапазоне), твердые частицы и другие примеси. Также датчик позволяет осуществлять контроль величины и изменения прозрачности жидкости. Для создания датчика используются следующие технологии: машинное (компьютерное) зрение, методы обнаружения границ объектов, методы цветокоррекции, методы цифровой обработки изображений, методы поиска и классификации уровней вложенностей контуров, методы анализа массивов контуров для рассчета геометрических размеров объектов контуров. Применяемые в работе аппаратные и программные средства не зависят от достижений научных и производственных центров, расположенных в западных странах, основаны на собственных алгоритмах и методиках или на общедоступных (свободно распространяемых) программных комплексах.
Один из исполнителей под руководством руководителя проекта развивает научную новизну работы, разрабатывая и применяя математические и программные методы анализа видеопотока в своей кандидатской диссертации по направлению научной специальности 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ.
В рамках предварительных научных изысканий, авторами получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2023662132 «Программа определения объемной концентрации примесей в жидкости по оптическим данным» и патент на полезную модель №216826 «Фотометрическое устройство обнаружения нефтепродуктов в воде». По материалам исследований опубликовано 5 работ, из них одна в журнале, входящим в SCOPUS, и две - в рецензируемых журналах ВАК.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработан и собран стенд для тестирования датчика, а также прототип датчика. В датчик интегрирована разработанная модель определения контуров изображения, а также расчета объема примесей. Проведена работа по проверке работоспособности стенда, по результатам которого сделаны первые снимки с применением прототипа датчика, что подтверждает его работоспособность. Разработана программа, на основе которой работает прототип датчика и подготовлены документы для регистрации программы для ЭВМ.
Публикации
1. Пипия Г. Т., Салех Л.О.А., Сушников В.А., Хлопин С.В., Черненькая Л.В ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК НАЛИЧИЯ И УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЁННОСТИ НЕФТЕПРОДУКТАМИ И ТЯЖЕЛЫМИ ЧАСТИЦАМИ ЖИДКОСТЕЙ Международная научно-практическая конференция «Системный анализ в проектировании и управлении. (год публикации - 2024)
2. САЛЕХ Л.О.А., ХЛОПИН С.В. ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД-ДАТЧИК НАЛИЧИЯ И КОНЦЕНТРАЦИИ ПРИМЕСИ Международная научно-практическяа конференцая «Системный анализ в проектировании и управлении., Салех, Л. О. А. Лабораторный стенд-датчик наличия и концентрации примеси / Л. О. А. Салех, С. В. Хлопин // Системный анализ в проектировании и управлении : сборник научных трудов XXVII Международной научно-практической конференции. В 2 ч., Санкт-Петербург, 13–14 октября 2023 года. – Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2024. – С. 166-169. – DOI 10.18720/SPBPU/2/id24-160. – EDN AUWEOQ. (год публикации - 2024)
3. Пипия Г.Т. , Хлопин С.В., Салех Л.О.А. , Черненькая Л.В. , Сушников В.А. Оптический датчик наличия и концентрации нефтесодержащих примесей 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева. (год публикации - 2024)
4.
Пипия Г. Т., Салех Л.О.А., Хлопин С.В., Черненькая Л. В.
Модель оптического датчика контроля уровня загрязнений нефтепродуктами
Известия высших учебных заведений. Приборостроение (год публикации - 2024)
10.17586/0021-3454
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Разработана методика и модели поиска иерархии и вычисления замкнутых контуров с применением технологий машинного (компьютерного) зрения, методов обнаружения объектов, методов цветокоррекции, методов поиска контуров и методов цифровой обработки изображений.
Разработана методика, модель и алгоритм вычисления геометрических размеров объектов контуров. Основным достоинством новой методики вычисления геометрических размеров объектов контуров является применение модели глобальной оптимизации путем решения задачи двухуровневой оптимизации поиска. Модель позволяет вычислять геометрические размеры контуров изображения быстрее чем классическая модель полного перебора точек контуров изображения.
Предложенный алгоритм позволяет фильтровать контуры таким образом, чтобы они содержали только внешние контуры, не нарушая при этом обнаружение объектов на бинарных изображениях, и аппроксимировать размер кадров цифрового изображения по предполагаемому физическому объему установочного кадра.
Разработана оптимизационная модель для решения задачи максимального и минимального расстояния между точками окружности. Оптимизационная модель позволяет находить точки в контурах изображения примесей за более быстрое время чем n*n и с учетом формы контуров и фигуры примесей.
2. Разработан и изготовлен прототип датчика. Разработана схема компоновки узлов датчика, схема подключения датчика к лабораторному стенду. На корпусе датчика размещены узлы датчика и компоненты лабораторного стенда. Предложено и реализовано улучшение датчика (вертикальное размещение) для получения капельной формы пузырьков воздуха и нефтепродуктов. Проведена полная герметизация всего корпуса. В датчик интегрирована разработанная модель определения контуров изображения, а также расчета объема примесей. Для обработки полученной с датчика информации разработана программа и поданы документы для регистрации программы для ЭВМ.
Разработан и собран стенд для тестирования датчика, состоящий из емкости жидкости, трубки для перемещения жидкости, дозатора нефтепродуктов, камеры корпуса датчика со смотровым окном, циркуляционного насоса, фотокамеры, источника света, платы управления, компьютера для обработки данных Проведена работа по проверке работоспособности стенда, проведены испытания с применением прототипа датчика, что подтверждает его работоспособность.
3. Сформирована выборка сделанных фотографий и снимков примесей нефтепродуктов, обеспечивающих адекватное тестирование программного обеспечения датчика.
4. Для обработки полученной с датчика информации разработано программное обеспечение датчика. Программа предназначена для обнаружения, выделения замкнутых контуров (пузырьков нефтепродуктов) в жидкости на видеофрагменте (серии фотографий), выявлению объектов в заданном цветовом диапазоне (спектре), вычислению площади, занимаемой контурами и подсчетом суммарной концентрации выявленных объектов на всем кадре. Поданы документы на получение Свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Полученные результаты опубликованы в ведущих российских и зарубежных изданиях, а также докладывались на конференциях и были представлены на выставках. На Международном газовом форуме 2025 был представлен разработанный стенд исследования загрязненности вод различными примесями, в том числе нефтепродуктами, и получено благодарственное письмо за вклад в работу форума и высокий уровень представленной экспозиции.
https://www.spbstu.ru/media/announcements/science-and-innovation/politekh-snova-v-avangarde-unikalnye-tekhnologii-spbpu-na-innoprom-2025/
https://www.spbstu.ru/media/announcements/science-and-innovation/politekh-predstavit-unikalnye-razrabotki-na-peterburgskom-mezhdunarodnom-gazovom-forume/
Публикации
1.
Пипия Г.Т., Черненькая Л.В.
Solution to the Problem of Finding the Smallest Radius of Coverage of an Irregular Ellipse for the Problem of Calculating the Volume of Oil-Containing Impurities
Proceedings 2025 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russia ,May 12-16, 2025, Pipiay G., Chernenkaya L. Solution to the Problem of Finding the Smallest Radius of Coverage of an Irregular Ellipse for the Problem of Calculating the Volume of Oil-Containing Impurities //2025 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM). – IEEE, 2025. – С. 425-430. (год публикации - 2025)
10.1109/ICIEAM65163.2025.11028509
2.
Г.Т. ПИПИЯ, Л.В. ЧЕРНЕНЬКАЯ, С.В. ХЛОПИН
Оценка чувствительности задач смешанно-целочисленной оптимизации на примере сложных систем
ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ. УПРАВЛЕНИЕ, КОНТРОЛЬ, ДИАГНОСТИКА (год публикации - 2025)
DOI: 10.25791/pribor.11.2025.1632
Возможность практического использования результатов
Загрязнение окружающей среды в настоящее время считается одной из самых больших проблем, от которых страдает человечество. На сегодняшний день нефть и нефтепродукты признаны одними из главных загрязнителей окружающей среды. Экологическая проблема от нефтезагрязнений приобретает большую остроту из-за сложности их оперативного обнаружения, удаления и дороговизны, применяемых в настоящий момент методов.
Приоритетное направление субъекта РФ: 90-Противодействие техногенным, биогенным, социокультурным угрозам, терроризму и идеологическому экстремизму, а также киберугрозам и иным источникам опасности для общества, экономики и государства.
Выявление наличия и содержания примесей нефтепродуктов в настоящее время проводят лабораторными исследованиями путем забора определенного объема жидкости, отстаивания этого объема и подсчета числа нефтепродуктов легких фракций на поверхности воды и тяжелых фракций в осадке. Используемый метод не позволяет проводить непрерывный контроль наличия и концентрации примесей. При сбросах теплоносителя из охлаждающего контура крупных промышленных объектов с расходом в десятки кубометров в минуту экспресс контроль классическими методами не представляется возможным. Предлагаемая авторами проекта методика основана на оптическом принципе. Разрабатываемый датчик позволяет в режиме реального времени выявлять наличие примесей в водной среде, классифицировать и производить количественный расчет и определение массовой и объемной концентрации примесей. Датчик может быть установлен как в закрытых каналах (магистральные трубопроводы), так и в открытых каналах, коллекторах, реках, на борту исследовательского судна, то есть везде, где есть возможность организовать течение исследуемой жидкости через датчик. Санкт-Петербург - город рек и каналов, также это город энергетики и промышленности. Развитие производства должно быть тесно связано с развитием методов экологического контроля и мониторинга.
Наличие обширной водной акватории требует непрерывного контроля параметров загрязнённости. Предлагаемый проект позволит проводить диагностику стоков промышленных предприятий и стоков ливневых коллекторов в режиме реального времени и выявлять ситуации возникновения опасности экологического загрязнения акватории Невы и Финского залива. Внедрение в систему мониторинга датчиков наличия примесей позволит улучшить экологическую обстановку в Санкт Петербурге.