Модельные параметры: как беспилотники развивают цифровое моделирование

Развитие моделирования – ​заслуга не только современности: отра­зить действительность с помощью моделей пытались еще античные архитекторы. В XIX веке моделирование стали использовать физики и химики, а с появлением кибернетики и ЭВМ без моделирования стало буквально не обойтись – ​и в прикладных областях знания, и в абстрактных. Сегодня моделирование встраивается в информационное общество, и больше всего цифровые модели распространены в строительстве, машиностроении, архитектуре, проектировании. Особую роль в производстве играют так называемые цифровые двойники: виртуальные копии устройств, связанные с реальным миром огромным количеством онлайн-датчиков, собирающих данные. С помощью двойников можно разрабатывать новые технологические схемы, оценивать экономический эффект, заранее «проигрывая» работу объекта. Они помогают принимать оптимальные решения в условиях сложных процессов, которые включают множество параметров, а иногда даже совсем исключить человеческий фактор.

Цифровые модели необходимы и современным городам. Как быстро и дешево заменить коммуникации, где лучше строить новую станцию метро, как повлияет на район появление небоскреба – ​чтобы ответить на подобные вопросы, можно вести долгую аналитическую работу, а можно сократить ее, используя цифровую модель города. Один из передовых примеров – ​Сингапур, чья 3D-карта охватывает территорию свыше 700 кв. км и содержит более 50 терабайтов данных: цифровые модели рельефа, поверхностей, зданий, дорог. А в Хельсинки первая подобная трехмерная модель города появилась намного раньше, еще в 1980-х, и с тех пор постоянно обновляется. Благодаря таким моделям повышается качество работы городских служб, специалисты принимают взвешенные решения по оптимизации пространства, ученые ведут научные исследования и разработки. Ну а горожане всегда в курсе, что происходит с их коммунальной и социальной инфраструктурой, и как перемены могут повлиять на их жизнь.

Трехмерная модель тестового полигонаОбнаружение «ям» на дорожном полотне

В ограниченном пространстве города особенно важны всевозможные «дорожные» изменения. С одной стороны, у нас появляется все больше транспорта, которому необходимо место. С другой – ​растет количество жителей, которым нужно комфортное пространство для работы, учебы, отдыха. С третьей – ​ужесточаются требования законодательства, которому должен соответствовать любой объект: и новый, и старый. Раньше огромный объем данных о транспортной инфраструктуре хранился в виде физических документов – ​чертежей и т. д. Если объект модернизировался, разрабатывалась новая чертежная документация.

Сегодня хранить и использовать огромный объем данных, которые постоянно обновляются, помогают цифровые модели: виртуальные двойники объектов. А сократить время на их создание помогают БАС и их полезная нагрузка: фото-, видеокамеры и лазерные сканеры – ​лидары.

От четкой работы этой аппаратуры зависит качество полученной информации, поэтому можно сказать, что создание цифровой модели начинается с подготовки беспилотника. Сначала нужно разработать полетное задание для летательного аппарата – ​заряда его аккумулятора должно хватить для облета нужного участка, а сделанных снимков – ​для построения модели. Учитывается множество факторов: направление и скорость ветра, характер рельефа и растительности, место взлета и посадки, разные помехи. Дальше разрабатывается полетная миссия и проводится аэрофотосъемка или лазерное сканирование. Полученные данные обрабатываются в специальных программах.

Ангелина Добровольская, аспирант Кафедры системного анализа и логистики ГУАП

«Конечно, важны характеристики беспилотника, которые определяются в зависимости от потребностей. Для линейно-протяженных объектов лучше взять беспилотник самолетного типа; если объект площадный, то проще взять квадрокоптер, который умеет зависать над объектом исследования и поможет собрать необходимые графические данные. У нас используется учебный конструктор квадрокоптеров COEX, – ​рассказывает Ангелина Добровольская, аспирант Кафедры системного анализа и логистики Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения. В рамках своего исследовательского проекта Ангелина создает цифровые модели объектов транспортной инфраструктуры. – ​Данные цифровой модели можно использовать в цифровой среде и применять для дальнейшего развития, введения новых объектов, мониторинга, строительства, совершенствования инфраструктуры и т. д.».

Магистерская диссертация Ангелины Добровольской предлагает пример применения цифровых моделей в транспортной инфраструктуре: это модель существующей транспортной системы, которую можно использовать для внедрения велосипедных дорожек.

Чтобы ее построить, потребовались данные о состоянии дорожного покрытия, пересечениях дороги с другими дорогами и т. д. Обычными измерительными методами такую информацию тоже можно получить, но вы себе представляете, как это долго. Беспилотник помог не только быстро собрать данные, но и построить цифровую транспортную модель. Проект был протестирован в лаборатории ГУАП и в принципе готов к применению в реальной жизни, нужно только отработать идентификацию объектов на дорожном полотне – ​препятствий, ям и т. д. В «полевых» условиях это процесс более сложный, чем в лабораторных.

«Построение цифровых моделей – очень актуальная тематика, – ​считает Ангелина Добровольская. – ​Мне кажется, беспилотники в этом смысле универсальны, потому что могут использоваться на разного типа объектах транспортной инфраструктуры, в том числе и специфических. Например, в рамках нашего исследования предлагается создание новой цифровой модели причалов. Такой инфраструктуре требуется перестройка, потому что современные суда увеличиваются в размерах. Цифровая модель причалов будет интегрироваться в единую информационную систему пассажирского порта и поможет понять, какие изменения потребуются в ближайшем будущем, оценить эффективность разных подходов».

Способы создания цифровых моделей будут совершенствоваться, но что в них незаменимо уже сейчас, так это элемент творчества. Фантазия, эксперимент, замена объекта его «образом» – ​если когда-то моделирование стало одним из способов познания мира, то сегодня это еще и способ его совершенствовать. И беспилотные летательные аппараты принесут еще немало пользы в этом деле.