Номер Соглашения о предоставлении субсидии: 14.578.21.0259

Тема: «Создание маломерного научно-исследовательского судна для комплексных исследований морской прибрежной акватории с применением инновационной методологии проектирования, разработкой системы управления жизненным циклом изделия (судна) и внедрением режима безэкипажного управления движением»

Приоритетное направление: Транспортные и космические системы

Критическая технология: Технологии создания высокоскоростных транспортных средств и интеллектуальных систем управления новыми видами транспорта

Период выполнения: 26.09.2017 – 30.06.2020

Индустриальный партнер: Акционерное общество «Центр судоремонта «Звездочка»

Цель проекта: разработка прототипа маломерного научно-исследовательского судна прибрежной зоны плавания с элементами безэкипажного управления движением.

В процессе реализации проекта будут решаться следующие задачи:

- исследование возможности имплементации инновационной методологии проектирования судна, основанной на технологии сквозной электронной модели изделия на этапах проектирования, производства и сервисного обслуживания;

- исследование и синтез цифровых радиоэлектронных систем и систем управления маломерным безэкипажным морским судном.

Этап № 1: 26.09.2017 – 29.12.2017

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 26.09.2017 № 14.578.21.0259 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» на этапе № 1 в период с 26.09.2017 по 29.12.2017 выполнялись следующие работы:

- аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-технические проблемы создания системы управления жизненным циклом судна по управляемым параметрам эксплуатации и готовности, технологий дистанционного управления транспортными средствами (в том числе безэкипажными судами), контроля мореходности судна, алгоритмов беспилотного управления движением судов, в том числе обзор научных информационных источников;

- исследование вариантов построения структурных схем и алгоритмов функционирования цифровых радиоэлектронных систем дистанционного управления безэкипажным судном;

- проведение патентных исследований;

- разработка технического задания на проектирование прототипа судна НИС «ПИОНЕР-М»;

- разработка эскизного проекта на прототип судна НИС «ПИОНЕР-М».

При этом были получены следующие результаты:

  1. Проведен анализ состояния вопроса по созданию систем управления жизненным циклом судна по управляемым параметрам эксплуатации и готовности. Предлагаемые формулировки и решения, применяемые к созданию электронной модели судна в отличие от зарубежных стран, не имеют широкого распространения в экономике Российской Федерации при создании такой высокотехнологичной продукции, как объекты морской инфраструктуры.
  2. Разработана обобщенная структурная схема цифровой радиоэлектронной системы дистанционного управления судном в безэкипажном режиме. Разработаны варианты структурных схем береговой и судовой подсистем, цифровой радиоэлектронной системы дистанционного управления судном в безэкипажном режиме. Разработаны структурные схемы и алгоритмы подпрограмм работы устройства формирования, обработки и передачи видеоизображений в системе дистанционного управления судном в безэкипажном режиме. Выполнен анализ систем роботизированного зрения для задач дистанционного управления подвижными объектами. Исследованы варианты структурной схемы цифровой радиоэлектронной системы дистанционного управления судном в безэкипажном режиме с использование WiFi канала связи и с использованием канала связи по стандарту IEEE 802.22.
  3. Выполнен обзор существующих методов автоматического управления судами различного назначения, в т.ч. проанализированы современные запатентованные решения, а также решения, основанные на классических методах управления. Предложен способ управления угловой скоростью судна при так называемом «сильном маневре», которые представляет собой развитие известного подхода и позволяет достичь лучших (с точки зрения качества управления) результатов.
  4. Выполнена постановка задачи автоматического обнаружения препятствий на водной поверхности с борта беспилотного суда, а также задачи их автосопровождения; предложены усовершенствованные алгоритмы построения границ морской поверхности, обнаружения и автосопровождения объектов в реальном масштабе времени; разработан соответствующий математический аппарат для описания модели судна и модели препятствий, а также модели измерений; предложен алгоритм обхода препятствий; предложенные алгоритмы и методы были протестированы, как на реальных, так и модельных данных.
  5. Выполнен анализ существующих методов мореходности; приведен сравнительный анализ классических методов контроля мореходности с решениями на основе оптимального управления; приведено решение задачи Лагранжа-Понтрягина для бортовой качки на продольном волнении; сформулированы основные положения для разработки алгоритмов контроля мореходности на основе асимптотических методов анализа больших уклонений, позволяющие реализовать контроль в бортовых условиях вплоть до управления в безэкипажном режиме.

Этап № 2:01.01.2018 – 31.12.2018

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 26.09.2017 № 14.578.21.0259 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» на этапе № 2 в период с 01.01.2018 по 31.12.2018 выполнялись следующие работы:

- разработка формата представления электронной модели судна на этапах проектирования, производства и сервисного обслуживания, обеспечивающей переход на 100% цифровую модель на всех этапах жизненного цикла;

- разработка регламента взаимодействия участников процесса на основе дата-центричной электронной модели между конструкторским бюро, заводом-строителем и сервисно-эксплуатирующей организацией;

- разработка методологии системы управления жизненным циклом изделий судостроения на основе управляемых параметров эксплуатации и готовности;

- разработка и оптимизация технико-экономической модели жизненного цикла проектируемого научно-исследовательского судна;

- разработка и исследование методов повышения различимости объектов на цифровых телевизионных изображениях, полученных в сложных метеоусловиях;

- экспериментальные исследования характеристик каналов связи цифровых радиоэлектронных систем при дистанционном управлении безэкипажным судном;

- разработка концепции системы контроля мореходности, основанной на новой технологии, связывающей построение типовых критических траекторий (профилей) движения судна с оценкой вероятностей наступления критических ситуаций;

- разработка алгоритмов идентификации, фильтрации и вычисления вероятностных оценок мореходности (алгоритмов контроля мореходности);

- разработка макета, имитирующего различные режимы качки судна;

- разработка концепции информационной системы беспилотного управления движением судна по маршруту;

- разработка алгоритмов автоматической прокладки маршрута судна;

- синтез законов управления системы динамического позиционирования судна при движении по маршруту;

- разработка алгоритмов предотвращения столкновений судна с объектами на морской поверхности по информации, поступающей с видеокамеры;

- разработка алгоритмов анализа видеоизображений с обнаружением объектов на морской поверхности и определения их характеристик;

- разработка технического проекта на прототип судна НИС «ПИОНЕР-М».

При этом были получены следующие результаты:

  1. Разработан технический проект на прототип судна НИС «ПИОНЕР-М» с применением инновационных композитных материалов корпуса судна – трехслойных сендвич-панелей с использованием конструкционных пенопластов и судостроительного полипропиленового сотового материала, имплементацией специфических элементов конструкции и судового оборудования.
  2. Разработана новая методология проектирования маломерных судов, а именно: формат представления электронной модели судна на этапах проектирования, производства и сервисного обслуживания, обеспечивающей переход на 100% цифровую модель на всех этапах жизненного цикла; регламент взаимодействия участников процесса на основе дата-центричной электронной модели между конструкторским бюро, заводом-строителем и сервисно-эксплуатирующей организацией; методология системы управления жизненным циклом изделий судостроения на основе управляемых параметров эксплуатации готовности; технико-экономическая модель жизненного цикла научно-исследовательского судна.
  3. Разработаны и исследованы методы повышения различимости объектов на изображениях, полученных в условиях недостаточной видимости, предложены варианты аппаратной реализации методов; структурные и функциональные схемы устройства повышения различимости объектов на изображениях. Проведены экспериментальные исследования характеристик каналов связи на основе технологий GSM и Wi-Fi. Разработана компактная антенна судовой подсистемы.
  4. Разработана концепция системы контроля мореходности, основанная на новой технологии, позволяющей в реальном времени прогнозировать возможное развитие процесса в направлении критических ситуаций. Эскизная программная документация на алгоритмы контроля мореходности может быть представлена на рынке как средство предотвращения аварийных ситуаций при движении судна.
  5. Получены новые решении задач поиска кратчайших путей между точками обсервации, автоматического обнаружения препятствий и их автосопровождения при сложном фоне. Результаты исследований позволят осуществить движение судна в безэкипажном режиме посредством применения алгоритмов автоматической прокладки маршрута судна, синтеза законов управления системы динамического позиционирования судна при движении по маршруту, алгоритмов предотвращения столкновений судна с объектами на морской поверхности.

По результатам исследований и разработок поданы патентные заявки:

  1. Заявка на патент на изобретение «Способ управления угловой скоростью судна-катамарана при «сильных» маневрах». Уведомление ФИПС от 11.09.2018 № 2018132564.
  2. Заявка на патент на полезную модель «Устройство преобразования яркости цифрового телевизионного изображения». Уведомление ФИПС от 19.11.2018 № 2018140812.

Проект по созданию НИС «ПИОНЕР-М» формирует один из наиболее перспективных рынков морской техники – безэкипажные суда. Создание научно-исследовательского комплекса, включающего судно, береговой пункт управления и робототехнический комплекс, способный выполнять заданную программу измерений параметров морской среды в автономном режиме, дают опережающее заполнение ниши будущего рынка безэкипажных (малоэкипажных) судов и морских РТК в рамках дорожной карты MariNet Национальной технологической инициативы.

Направления и тренды инновационного судостроения определяют необходимость увеличения специализации судов при повышении уровня их автоматизации с целью уменьшения постоянного присутствия человека. Использование безэкипажных судов по сравнению с традиционными судами позволяет снизить риска смертности экипажей судов, работающих в опасных условиях (например, при обслуживании и мониторинге нефтегазовых месторождений, сейсморазведке, мониторинге погодной и экологической обстановки, мониторинге рыбных ресурсов, а также в процессе обеспечения безопасности акваторий), способствует повышению безопасности судоходства.

Этап № 3: 01.01.2019 – 31.12.2019

В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 26.09.2017 № 14.578.21.0259 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» на этапе № 3 в период с 01.01.2019 по 31.12.2019 выполнялись следующие работы:

- разработка информационной системы, реализующей единое проектно-производственное пространство между участниками жизненного цикла;

- выбор и обоснование методов представления и форматов описания данных для технологической подготовки производства и строительства судна;

- разработка электронных форматов и регламентов сервисного обслуживания судна;

- моделирование структурных схем и алгоритмов функционирования цифровых радиоэлектронных систем дистанционного управления безэкипажным судном;

- разработка основных технических требований к элементам структурных схем цифровых радиоэлектронных систем дистанционного управления безэкипажным судном;

- создание математических и компьютерных моделей для проведения испытаний разрабатываемых методов и алгоритмов системы беспилотного управления движением судна по маршруту;

- проведение лабораторных испытаний программного обеспечения, реализующего предложенные алгоритмы беспилотного управления движением судна по маршруту;

- разработка вариантов аппаратной реализации бортовой и береговой подсистем системы дистанционного управления безэкипажным судном;

- разработка и изготовление макета радиоэлектронной системы дистанционного управления безэкипажным судном НИС «ПИОНЕР-М»;

- создание математических и компьютерных моделей критических ситуаций мореходности;

- изготовление макета, имитирующего различные режимы качки судна;

- проведение лабораторных испытаний программного обеспечения алгоритмов контроля мореходности на компьютерных моделях и имитационном макете;

- анализ результатов, полученных в ходе лабораторных испытаний системы контроля мореходности, разработка предложений по модернизации алгоритмов работы системы контроля мореходности;

- обобщение и оценка полученных в ходе ПНИЭР результатов, в том числе: анализ выполнения требований ТЗ; оценка полноты решения задач и достижения поставленных целей ПНИЭР; технико-экономическая оценка полученных результатов ПНИЭР в сравнении с современным научно-техническим уровнем;

- разработка предложений и рекомендаций по реализации (коммерциализации) результатов ПНИЭР, вовлечению их в хозяйственный оборот с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера.

При этом были получены следующие результаты:

- в части разработки новой методологии проектирования маломерных судов разработана информационная система, реализующая единое проектно-производственное пространство между участниками жизненного цикла, обоснован выбор методов представления и форматов описания данных для технологической подготовки производства и строительства судна, разработаны электронные форматы и регламенты сервисного обслуживания судна;

- построена модель сети радиоэлектронной системы дистанционного управления безэкипажным судном, разработана ip адресация сети берегового и бортового комплексов, проведено моделирование берегового и бортового комплексов системы управления безэкипажными судами;

- разработаны основные технические требования к элементам структурных схем цифровых радиоэлектронных систем дистанционного управления безэкипажным судном;

- созданы математические и компьютерные модели для проведения испытаний методов и алгоритмов системы беспилотного управления движением судна по маршруту, проведены лабораторные испытания программного обеспечения, реализующего предложенные алгоритмы;

- изготовлен макет, имитирующий различные режимы качки судна;

- разработаны варианты аппаратной реализации бортовой и береговой подсистем системы дистанционного управления безэкипажным судном;

- разработан и изготовлен макет радиоэлектронной системы дистанционного управления безэкипажным судном НИС «ПИОНЕР-М».

По результатам исследований и разработок получены следующие охраноспособные РИД:

  1. Изобретение, патент № 2693403 от 03.07.2019, «Способ управления угловой скоростью судна-катамарана при «сильных» маневрах», РФ.
  2. Полезная модель, патент № 190476 от 02.07.2019, «Устройство преобразования яркости цифрового телевизионного изображения», РФ.
  3. Программа для ЭВМ, свидетельство о государственной регистрации № 2019662838 от 03.10.2019, «Комплексная программа стенда имитации качки судна», РФ.
  4. Полезная модель, заявка № 2019120148 от 26.06.2019, «Система оперативного контроля крена», РФ.
  5. Изобретение, заявка № 2019138118 от 25.11.2019, «Способ оценки дневной оптической дальности видимости по цифровым изображениям», РФ.