Eдиный универсальный магазин для роботизированного цифрового агробизнеса

21 Мая, 2024

Антон Егорчев, кандидат технических наук Казанского федерального университета, заместитель директора Института вычислительной математики и информационных технологий (ИВМиИТ-ВМК). В своем интервью молодой ученый доказывает, что сегодня автоматизированные системы - это уже доступные технологии, которые не только помогают автоматизировать трудоемкие процессы, но и облегчают труд механизатора. Хотя человек по-прежнему остается главным во всей цепочке автоматизированной системы. Сегодня мы познакомим наших читателей с проектом "Деметра", информация о котором впервые публикуется в СМИ. - Антон Александрович, цифровизация активно внедряется в агропромышленный комплекс. Какими разработками сегодня занимаются ученые вашего института?

- Да, цифровизация добралась и до агропромышленного комплекса. В условиях истощения плодородных земель мировой агропромышленный комплекс претерпевает значительную технологическую трансформацию, превращаясь из традиционной отрасли в высокотехнологичную. Сегодня в России это востребованное направление, которое активно развивается, и в последние десятилетия в этом направлении есть успехи.

В Казанском федеральном университете по инициативе Института вычислительной математики и информационных технологий (ИВМиИТ-ВМК) разработан проект Demetra или "Роботизированные цифровые агрофермы".

Ключевыми направлениями технологического развития агропромышленного комплекса являются создание ресурсных карт агрохозяйств, решение задач точного земледелия, автоматизация и роботизация сельскохозяйственной техники и основных технологических операций. Объем существующей и производимой техники, требующей роботизации и автоматизации, исчисляется десятками тысяч единиц. Для России решение задач по автоматизации и роботизации сельского хозяйства особенно актуально в связи с большими площадями плодородных земель, ведь 10 % мировых сельскохозяйственных угодий находится на территории нашей страны.

Поэтому цифровизация и роботизация сельскохозяйственной техники должны помочь сельскому хозяйству. С внедрением современных технологий автоматизации можно повысить урожайность различных видов культур в 2,5-3 раза.

Первое направление - автоматизация и роботизация сельскохозяйственной техники и основных технологических операций. В прошлом номере мы рассказали о беспилотном тракторе, который был роботизирован учеными института в рамках программы "Приоритет-2030", но это лишь малая часть проекта. Речь идет об автоматизации всей техники - тракторов, комбайнов, грузовиков, самосвалов, поливочных станций. Это не просто беспилотное оборудование, а общие технологии цифровизации самой фермы для ее автономной работы.

Функциональность - автопилотирование и автоуправление сельскохозяйственной техникой - это культивация, кошение травы, распознавание типов культур, оптимизация опрыскивания, посадка культур, транспортировка грузов и урожая. И многое другое - все, что может и должно быть автоматизировано, чтобы постепенно двигаться к этому.

- И каковы могут быть значимые эффекты?

- Увеличение до 25% общей производительности техники за счет сокращения простоев из-за обеденных и ночных перерывов, смен, устранения ошибок механиков (из-за усталости, отсутствия опыта, сложных климатических условий и т.д.). Оборудование способно справиться с этим.

Повышение ритмичности и общего качества работы - за счет использования цифровых ресурсных карт агроферм и автоматизации процессов проверки.

Это снижение затрат в сельскохозяйственном производстве, связанных с необходимостью наличия рабочего персонала на каждую единицу сельскохозяйственной техники, сокращение расходов на посевные материалы и горюче-смазочные материалы. И самое главное - снижение риска для здоровья механизаторов при длительной работе на ряде участков, в том числе при внесении химических удобрений.

Второе направление - "Сверхточное" земледелие, для реализации которого привлекаются ученые не только института, но и университета. Оно направлено на разработку новых методов агрохимической съемки, выбор метода интерполяции, построение интерполированных картограмм обеспеченности питательными веществами, построение интерполированных картограмм перед внесением удобрений, построение карт-заданий для используемой техники, уточнение и мониторинг карт с помощью беспилотников для повышения эффективности точного земледелия.

И, как результат, - увеличение урожайности на 10% за счет улучшения условий уборки, снижения затрат на минеральные удобрения. Эта цифровизация направлена не на беспилотную технику, а на повышение производительности труда, урожайности и фермерства.

И третье направление проекта - цифровизация агробизнеса: цифровые технологии для сохранения почвы от неблагоприятных процессов и повышения ее плодородия.

- Как обеспечивается цифровизация агробизнеса?

- Реализуется за счет карты развития современной овражной сети и ее динамики (дистанционное зондирование, ГИС-технологии). Это многомасштабная количественная оценка потерь от эрозии почвы с разработкой интеллектуальной технологии поддержания и восстановления плодородия почвы (через интегрированную цифровую платформу в пахотной технике для точечного внесения удобрений на каждом элементарном участке поля).

Это направление также включает в себя построение внутрихозяйственных землеустроительных планов по сохранению плодородия пахотных почв, пространственное размещение севооборотов для предотвращения деградации почв и технологические приемы обработки почвы. Это построение динамики развития сельскохозяйственных культур, оценка реакции культур на агротехнические мероприятия, выделение участков с угнетенной растительностью и прогнозирование урожайности.

Все вышеперечисленное должно происходить в автоматическом режиме, благодаря аппаратным средствам, установленным на технике.

- Расскажите, пожалуйста, подробнее о проекте Demeter.

- Мы не ставим перед собой цель создать автопилот специально для сельскохозяйственной техники, чем сегодня занимаются некоторые производители.

Главной фишкой и основной целью автоматизации сельскохозяйственной техники является разработка модернизированных комплексов - это универсальные комплекты автоматизации для любой сельскохозяйственной транспортной техники.

Эти модульные программно-аппаратные комплексы устанавливаются на любую сельскохозяйственную технику, которая может быть автоматизирована при небольшом объеме работ. В качестве универсального блока устанавливается на машину. Также на него навешиваются датчики системы сенсорики, в зависимости от комплектации это могут быть видеокамеры, камеры оптического диапазона, радары, лидары. А также датчики типа "Санар".

- Что такое универсальная единица измерения?

- Это вычислительный модуль, который получает данные от сенсорных видов, выполняет расчеты выполнения задач, обработку машинного зрения и, соответственно, принимает решения. Целью проекта является достижение научно-технического лидерства в области создания систем искусственного интеллекта для комплектов дооснащения и подсистем БТС в целом на колесном, гусеничном, железнодорожном и комбинированном шасси.

Устройства универсальны, мы используем логику антропоморфного автопилота, что является ноу-хау.

- Антропоморфная логика автопилотирования?

- Он построен на основе мышления человека и разделен на 3 контура. Первый - контур управления высокого уровня, обеспечивает стратегическую оценку и управляющие воздействия, работает аналогично человеческому сознанию. Второй - сенсорный контур, соответствующий органам чувств, коре головного мозга.

Третий контур - это низкоуровневый контроль, обеспечивающий быстрое принятие решений, аналогичное человеческому подсознанию и рефлексам.

- Чем отличается автопилот, разработанный учеными вашего института?

- Уникальность нашей разработки заключается в универсальности разработанных технологий для колесных, гусеничных, железнодорожных и комбинированных шасси. Масштабируемая аппаратная структура комплекта дооснащения, позволяющая подключать дополнительные датчики и исполнительные механизмы для решения различных типов задач. Экономически эффективная роботизация существующей техники: стоимость комплекта модернизации не превысит 15 % от стоимости несущей платформы. Стоимость последующих НИОКР минимизируется за счет разработки единой САПР проектирования BTS и унифицированных комплектов дооснащения BTS.

Ученые встраивают современные разработки в этот универсальный комплекс.

Также из ноу-хау технологий - биоинспирированная система управления, стиксельное (2,5D) представление окружающей действительности, когда быстро моделируется карта местности, определение характеристик подстилающей поверхности с помощью виброанализирующих (инерциальных) систем, высокоточные спутниково-инерциальные навигационные системы без базовых станций.

- Что это значит?

- Мы разработали инерциальную навигационную систему, которая позволяет нам двигаться до 15 минут с высокой точностью при отсутствии спутниковой связи.

Это может быть езда по закрытым территориям, в ангаре, под мостом или просто потеря связи со спутником, и оборудование будет продолжать двигаться по инерциальной системе.

- В чем еще заключаются преимущества универсального магазина?

- Одним из преимуществ является то, что система масштабируема, может наращиваться в зависимости от решаемых задач, позволяя подключать дополнительные сенсоры и актуаторы для решения различных типов задач.

В рамках этих решений возможно проектирование отечественных элементов со степенью локализации более 80%. И, конечно, основной упор делается на отечественные контроллеры и микроэлектронные компоненты. Это особенно важно сегодня.

- Что-то уже было реализовано?

- Специально для сельскохозяйственной техники пока находится на стадии разработки. Команда имеет многолетний опыт разработки беспилотных автомобилей всех видов - от беспилотников до колесной техники. У нас есть уникальные технологии искусственного интеллекта и машинного зрения для автоматизации сельскохозяйственной техники.

Над автоматизацией и роботизацией сельскохозяйственной техники работала команда из более чем 40 человек, а второе и третье направления разрабатывает большее количество специалистов, ученых, это крупные проекты.

- Являются ли такие события чем-то из области фантастики?

- Да, это ноу-хау, но в современных реалиях это доступная технология. Это современный тренд фермерских хозяйств, который невозможно обойти стороной. Сегодня аграрии отходят от классических схем.

- И где это ноу-хау будет востребовано?

- В первую очередь, в крупных хозяйствах Российской Федерации. Мы рассчитываем, что сможем осуществить первое внедрение в Республике Татарстан. В настоящее время ведутся переговоры о развитии проекта.

- Как вы представляете себе ферму будущего?

- Это централизованный пункт управления, где находится оператор, который контролирует и следит за тем, как выполняются технологические операции. Он смотрит на карту, как движется техника, например, вспашка, какие операции были выполнены. Или операции автоматического полива: как машины поехали, запустили и выполнили задание. В случае непредвиденных ситуаций оператор принимает решение. Автоматизация ферм не означает сокращения персонала. Они станут более квалифицированными, водители, механики и другие специалисты по-прежнему будут нужны.

"Деметра" - проект, о котором мы рассказываем впервые. В последние десятилетия активно ведется работа по автоматизации отдельных элементов и технологических операций, но таких единых блоков, как разработала наша команда, еще никто не предлагал. Ученые стремятся к тому, чтобы цифровизация в нашей стране вышла на более высокий уровень. И они предлагают автоматизировать не каждый объект, а создать такой общий универсальный комплекс автоматизации.