Григорий Болотин, Председатель Совета “Машиностроительный кластер”
Михаил Болотин, эксперт в области создания инновационных моделей промышленной техники
Андрей Гиценко, эксперт в области разработки промышленных ИТ-решений
Скачать в формате PDF статью "Готовы ли российские технологии к роботизации дорожно-строительной техники?"
Концепция беспилотной строительной техники: задачи и особенности.
Беспилотная строительная техника – эта концепция находится на повестке технологических форумов последние 15 лет. Внимание широкой общественности, как правило, приковано к дорожному автомобильному транспорту. Все мировые технологические компании, включая производителей смартфонов, сформировали подразделения для создания своих беспилотных автомобилей. Основной проблемой с беспилотными авто остаются вопросы безопасности на дорогах общего пользования, и пока только начинается дискуссия о юридических аспектах. В то же время существует целый рынок, где миллионы единиц техники зачастую круглосуточно работают в закрытой среде с минимальным присутствием людей дорожно-строительная техника (ДСТ). Можно ли перенести технологии беспилотных авто на строительную технику? Когда мы увидим, как бульдозеры, экскаваторы и самосвалы самостоятельно, без участия человека, готовят котлован для фундамента очередного небоскреба или траншеи для многокилометрового трубопровода?
Следует отметить, что автономность и электрификация – два конкурирующих тренда, которые давно соперничают за ключевую роль в технологической повестке. При этом технологии часто идут бок о бок, так как техника на электротяге легче поддается роботизации. Непосредственно проекты роботизации получили широкое распространение еще в начале 2000-х. Однако из уровня макетов к опытным образцам технология подошла к началу 2010-х, когда более доступными стали серийные комплектующие для роботизации и ориентации машин в пространстве, а также на рынке появились специалисты с опытом в беспилотной автомобильной технике. Электрификация ДСТ развивается в первую очередь посредством гибридизации крупной техники, когда ДВС на борту машины выполняет роль генератора. Привод машины осуществляется посредством электрических тяговых двигателей.
Прежде чем мы перейдем к техническим подробностям роботизации ДСТ, следует выделить основные отличия задач автономности в дорожной и специальной технике от задач в автомобильной тематике:
Экскаватор должен обеспечить правильные движения стрелы и ковша, чтобы выкопать траншею так, как это заложено в проектной документации. Бульдозер должен не просто сам переместиться из одной точки в другую, но при этом еще выставить правильные углы наклона и высоту отвала, чтобы переместить материалы согласно проектной задаче. Фронтальный погрузчик должен выбирать правильное расположение ковша по нескольким параметрам, чтобы захватить максимально допустимое количество материала, но при этом не допустить перегруза. Самосвал должен встать под загрузку материала в четкой координации с действиями экскаватора или погрузчика, а точка разгрузки самосвала постоянно смещается.
Из вышесказанного можно сформулировать несколько простых требований к технологии автономной строительной техники.
Технология перехода к беспилотной технике должна быть сквозной, интегрировать в себя смежные технологии, которые позволят:
Следует отметить, что автономность и электрификация – два конкурирующих тренда, которые давно соперничают за ключевую роль в технологической повестке. При этом технологии часто идут бок о бок, так как техника на электротяге легче поддается роботизации. Непосредственно проекты роботизации получили широкое распространение еще в начале 2000-х. Однако из уровня макетов к опытным образцам технология подошла к началу 2010-х, когда более доступными стали серийные комплектующие для роботизации и ориентации машин в пространстве, а также на рынке появились специалисты с опытом в беспилотной автомобильной технике. Электрификация ДСТ развивается в первую очередь посредством гибридизации крупной техники, когда ДВС на борту машины выполняет роль генератора. Привод машины осуществляется посредством электрических тяговых двигателей.
Прежде чем мы перейдем к техническим подробностям роботизации ДСТ, следует выделить основные отличия задач автономности в дорожной и специальной технике от задач в автомобильной тематике:
- Строительная техника работает в условиях постоянно изменяющегося ландшафта. Рельеф местности постоянно видоизменяется, что не позволяет использовать такие проверенные в автомобильной тематике решения, как, например, графы дорог. Даже дороги в карьерах, которые на первый взгляд чем-то похожи на некоторые типы автомобильных дорог, при интенсивном ходе работ могут изменяться в течение нескольких дней.
- Строительная техника работает на ограниченных объектах с минимальным присутствием человека, что значительно облегчает, но при этом не снимает полностью решение задачи безопасности.
- Строительная техника выполняет значительно более сложные задачи, чем автомобильный транспорт. Задача автомобильного транспорта – переместиться из точки А в точку Б в пределах ровной дороги с разметкой и знаками, соблюдая при этом правила дорожного движения и избегая столкновения с другими участниками дорожного движения. При выполнении своих задач строительная техника имеет значительно меньше ограничивающих параметров и более сложные условия, о которых было сказано выше.
- Другое важное отличие - каждый вид техники выполняет специфический вид работ, которая принципиально отличается от других по кинематике, использованию рабочих органов и метриках постановки задач. Вместо того, что совершить движение из точки А в точку Б, пусть и с множеством ограничений, строительная техника должно не только перемещаться по площадке с постоянно изменяющимся рельефом, но и с помощью своих рабочих органов этот самый рельеф менять. При этом рельеф может сильно меняться в течение дня, и нет возможности пользоваться общими картами дороги, как в дорожной технике.
Экскаватор должен обеспечить правильные движения стрелы и ковша, чтобы выкопать траншею так, как это заложено в проектной документации. Бульдозер должен не просто сам переместиться из одной точки в другую, но при этом еще выставить правильные углы наклона и высоту отвала, чтобы переместить материалы согласно проектной задаче. Фронтальный погрузчик должен выбирать правильное расположение ковша по нескольким параметрам, чтобы захватить максимально допустимое количество материала, но при этом не допустить перегруза. Самосвал должен встать под загрузку материала в четкой координации с действиями экскаватора или погрузчика, а точка разгрузки самосвала постоянно смещается.
Из вышесказанного можно сформулировать несколько простых требований к технологии автономной строительной техники.
Технология перехода к беспилотной технике должна быть сквозной, интегрировать в себя смежные технологии, которые позволят:
- постоянно отслеживать изменяющийся ландшафт и условия работы,
- формулировать и исполнять управляющие сигналы для разных типов техники, исходя из поставленной человеком задачи верхнего уровня
- иметь централизованное звено постановки задач для обеспечения взаимодействия разных типов техники друг с другом и обеспечения высокой эффективности технологической цепочки выполнения работ.
Что уже сделано в России и в мире?
Все проекты в сфере автономной или роботизированной строительной техники имеет смысл рассматривать с точки зрения создания верхне уровневой технологии, которая бы решала 3 обозначенные выше задачи.
Задача 1.
Первоочередная Задача 1 - постоянно отслеживать изменяющийся ландшафт и условия работы – по сути решена за счет применения двух технологий – 1.а использования БВС (беспилотных воздушных судов) для мониторинга строительных объектов и 1.б использование систем компьютерного зрения и лазерных радаров непосредственно на самой технике.
Технология использования БВС для мониторинга строительных объектов, в свою очередь, состоит из двух смежных задач:
Применительно к общей задаче роботизации техники, решение задачи 1 позволит с высокой частотой (при необходимости до 1 часа) обновлять информацию о высокоточном рельефе местности. Получение такой информации позволит не только прокладывать оптимальные маршруты передвижения техники по строительному объекту, но также создаст условия для формирования рабочего задания по изменению рельефа поверхности для непосредственной работы каждого типа машин.
Задача 2.
Ключевой шаг от техники с дистанционным управлением к роботизированной технике заключается в функционале генерации управляющих сигналов для передвижения техники и для работы ее рабочих органов. Причем для каждого типа техники эти управляющие сигналы могут быть разные.
Базой для реализации данного функционала является техника, которая имеет приводы рабочих органов и может управляться человеком дистанционно. Такие машины уже разработаны, апробированы и доступны как за рубежом (например, различные виды техники Caterpillar, Doosan) так и в России (например, бульдозеры ДСТ-Урал и Четра). Данная техника также должна быть оборудована интегральной системой телематики, позволяющей отслеживать все рабочие параметры не только агрегатов техники, но и ее рабочих органов для получения обратной связи и тонкой регулировки управляющих программ в режиме реального времени.
Функционал Задачи 2 должен учитывать как полученные в рамках решения Задачи 1 данные о рельефе местности, так и параметры рабочих органов техники, а также целевую задачу всего процесса. На основе данной информации и должна создаваться индивидуальная для каждой ситуации рабочая задача для техники. Отдельные элементы логики подобных алгоритмов заложены в так называемые системы поддержки принятия решений цифровые ассистенты оператора техники, такие как системы подруливания и системы точного позиционирования техники.
В мировой практике полноценные решения по роботизации техники реализованы только для отдельных видов узкоспециализированной техники. Например, компания Built на протяжении нескольких лет вела проект роботизации экскаватора как самого многочисленного вида строительной техники. Однако в 2022 г. компания решила сфокусироваться на продаже решений для роботизации сваебойных машин на базе экскаватора. Этот пример подтверждает сложность реализации данного функционала даже в виде экспериментальных образцов.
Компания Honda длительное время тестирует автономные грузовые тележки. Аналогичные разработки тестируются компаниями Volvo и Doosan. В России лидером в данном направлении разработок на данный момент являются компании Камаз, которая готовит к тестированию автономный беспилотный самосвал в текущем году. Компания Цифра, которая создала несколько единиц автономных карьерных самосвалов. Однако данные разработки пока что не получили серийного применения.
Задача 3.
Как и на любом строительном проекте, парк роботизированной техники должен иметь централизованное управление, которое обеспечивает своевременную постановку задач для каждой единицы техники, алгоритмы взаимодействия машина-машина, но также и синхронизацию этих задач для выстраивания эффективного сквозного производственного процесса. Ключевой особенностью такого функционала является то, что данный алгоритм должен иметь обратную связь с алгоритмами, выполняющими Задачу 2, и постоянно обновлять информацию о состоянии строительной площадки в рамках Задачи 1.
Реализация подобных алгоритмов управления группой машин предполагает элементов искусственного интеллекта, так как по мере реализации проекта будет накапливаться большое количество разнородных данных: о состоянии строительной площадки, о состоянии и режимах работы техники и ее рабочих органов, о взаимной увязке нескольких машин, которые необходимо будет консолидировать в массивы данных и использовать в том числе в качестве инструментов так называемых систем поддержки принятия решения.
Задача 1.
Первоочередная Задача 1 - постоянно отслеживать изменяющийся ландшафт и условия работы – по сути решена за счет применения двух технологий – 1.а использования БВС (беспилотных воздушных судов) для мониторинга строительных объектов и 1.б использование систем компьютерного зрения и лазерных радаров непосредственно на самой технике.
Технология использования БВС для мониторинга строительных объектов, в свою очередь, состоит из двух смежных задач:
- Обеспечение мониторинга с помощью БВС. Широко доступны как в мире, так и в России, БВС различных типов (DJI, российский производитель Геоскан и пр.), а также системы автоматизированных полетов БВС – так называемые, «дронопорты» (также DJI, российский производитель Русдронопорт).
- Обработка и анализ полученных данных для получения и работы с цифровым двойником строительной площадки. Решение данных задач также общедоступно. Помимо иностранных компаний, таких как Pix4D, Propeller, доступны и широко используются и российские разработки, например, платформа Skyeer.
Применительно к общей задаче роботизации техники, решение задачи 1 позволит с высокой частотой (при необходимости до 1 часа) обновлять информацию о высокоточном рельефе местности. Получение такой информации позволит не только прокладывать оптимальные маршруты передвижения техники по строительному объекту, но также создаст условия для формирования рабочего задания по изменению рельефа поверхности для непосредственной работы каждого типа машин.
Задача 2.
Ключевой шаг от техники с дистанционным управлением к роботизированной технике заключается в функционале генерации управляющих сигналов для передвижения техники и для работы ее рабочих органов. Причем для каждого типа техники эти управляющие сигналы могут быть разные.
Базой для реализации данного функционала является техника, которая имеет приводы рабочих органов и может управляться человеком дистанционно. Такие машины уже разработаны, апробированы и доступны как за рубежом (например, различные виды техники Caterpillar, Doosan) так и в России (например, бульдозеры ДСТ-Урал и Четра). Данная техника также должна быть оборудована интегральной системой телематики, позволяющей отслеживать все рабочие параметры не только агрегатов техники, но и ее рабочих органов для получения обратной связи и тонкой регулировки управляющих программ в режиме реального времени.
Функционал Задачи 2 должен учитывать как полученные в рамках решения Задачи 1 данные о рельефе местности, так и параметры рабочих органов техники, а также целевую задачу всего процесса. На основе данной информации и должна создаваться индивидуальная для каждой ситуации рабочая задача для техники. Отдельные элементы логики подобных алгоритмов заложены в так называемые системы поддержки принятия решений цифровые ассистенты оператора техники, такие как системы подруливания и системы точного позиционирования техники.
В мировой практике полноценные решения по роботизации техники реализованы только для отдельных видов узкоспециализированной техники. Например, компания Built на протяжении нескольких лет вела проект роботизации экскаватора как самого многочисленного вида строительной техники. Однако в 2022 г. компания решила сфокусироваться на продаже решений для роботизации сваебойных машин на базе экскаватора. Этот пример подтверждает сложность реализации данного функционала даже в виде экспериментальных образцов.
Компания Honda длительное время тестирует автономные грузовые тележки. Аналогичные разработки тестируются компаниями Volvo и Doosan. В России лидером в данном направлении разработок на данный момент являются компании Камаз, которая готовит к тестированию автономный беспилотный самосвал в текущем году. Компания Цифра, которая создала несколько единиц автономных карьерных самосвалов. Однако данные разработки пока что не получили серийного применения.
Задача 3.
Как и на любом строительном проекте, парк роботизированной техники должен иметь централизованное управление, которое обеспечивает своевременную постановку задач для каждой единицы техники, алгоритмы взаимодействия машина-машина, но также и синхронизацию этих задач для выстраивания эффективного сквозного производственного процесса. Ключевой особенностью такого функционала является то, что данный алгоритм должен иметь обратную связь с алгоритмами, выполняющими Задачу 2, и постоянно обновлять информацию о состоянии строительной площадки в рамках Задачи 1.
Реализация подобных алгоритмов управления группой машин предполагает элементов искусственного интеллекта, так как по мере реализации проекта будет накапливаться большое количество разнородных данных: о состоянии строительной площадки, о состоянии и режимах работы техники и ее рабочих органов, о взаимной увязке нескольких машин, которые необходимо будет консолидировать в массивы данных и использовать в том числе в качестве инструментов так называемых систем поддержки принятия решения.
Проект Горизонт.
Проект Горизонт, который мы планируем запустить в 2023 г. ставит своей целью реализацию и отработку функционала для решения Задачи 2 (формирование управляющих сигналов для различных видов техники) с последующим переходом к созданию универсальной интеллектуальной платформы Горизонт, которая позволит объединить в единую производственную цепочку различные типы техники и будет представлять собой единый центр мониторинга и управления парком ДСТ, то есть реализовать решение Задачи 3.
Реализация проекта будет предполагать не только отработку индивидуальных алгоритмов работы различных типов дорожно-строительной техники, но и разработку унифицированных протоколов обмена данными для всех машин, а также систему телеметрии и точного геопространственного позиционирования техники на строительной площадке.
В мировой практике подобный проект Concept X с 2022 г. реализуется консорциумом компаний Hyundai и Doosan под названием с ожидаемой датой реализации коммерческого решения к 2025 г. По нашему мнению, объединение усилий ведущих российских компаний могут обеспечить реализацию подобного проекта в аналогичные сроки, с учетом того, что отдельные базовые технологии в российских компаниях уже разработаны и не уступают зарубежным аналогам.
С точки зрения встраивания проекта Горизонт в технологическую повестку в рамках государственных программ развития различных отраслей, Проект Горизонт полностью соответствует Стратегии развития беспилотной авиации, принятой в июне 2023г. Реализация данной стратегии позволит полностью обеспечить Проект Горизонт необходимыми технологиями в части непрерывного мониторинга ландшафта и условий работы ДСТ.
Непосредственно интеллектуальная платформы Горизонт, в свою очередь, полностью, соответствует концепции сквозных цифровых технологий, принятой в качестве ключевого инструмента поддержки в рамках федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации».
Реализация проекта будет предполагать не только отработку индивидуальных алгоритмов работы различных типов дорожно-строительной техники, но и разработку унифицированных протоколов обмена данными для всех машин, а также систему телеметрии и точного геопространственного позиционирования техники на строительной площадке.
В мировой практике подобный проект Concept X с 2022 г. реализуется консорциумом компаний Hyundai и Doosan под названием с ожидаемой датой реализации коммерческого решения к 2025 г. По нашему мнению, объединение усилий ведущих российских компаний могут обеспечить реализацию подобного проекта в аналогичные сроки, с учетом того, что отдельные базовые технологии в российских компаниях уже разработаны и не уступают зарубежным аналогам.
С точки зрения встраивания проекта Горизонт в технологическую повестку в рамках государственных программ развития различных отраслей, Проект Горизонт полностью соответствует Стратегии развития беспилотной авиации, принятой в июне 2023г. Реализация данной стратегии позволит полностью обеспечить Проект Горизонт необходимыми технологиями в части непрерывного мониторинга ландшафта и условий работы ДСТ.
Непосредственно интеллектуальная платформы Горизонт, в свою очередь, полностью, соответствует концепции сквозных цифровых технологий, принятой в качестве ключевого инструмента поддержки в рамках федерального проекта «Цифровые технологии» национальной программы «Цифровая экономика Российской Федерации».