Лаборатория № 22 «Информационного обеспечения управления движущимися объектами»

Основатель и первый зав. лаб. № 22 Дмитрий Викторович Тюкавкин

Лаборатория создана доктором физико-математических наук, профессором Дмитрием Викторовичем Тюкавкиным в январе 1998 г. Д.В. Тюкавкин был известным математиком в области регулярных колец и внёс большой вклад в становление и развитие лаборатории.

С 1 марта 2004 г. лабораторию возглавил доктор технических наук, профессор Александр Иванович Алчинов.

Основные научные результаты лаборатории

Благодаря выполненным исследованиям, разработаны:
  –  Система оперативного расчёта и визуализации в реальном времени модели местности по материалам аэрокосмической съёмки. Полученная модель местности может применяться для решения задач навигации и наведения движущегося аппарата, в том числе в автоматическом режиме, для:
а) воспроизведения на компьютере пройденного в реальности маршрута;
б) выбора маршрута и наведения при визуализации модели местности с использованием модели движущегося аппарата и дальнейшего применения полученных данных в реальности для движущегося аппарата;
в) навигации и наведения с помощью сравнения рассчитанной на борту во время движения аппарата модели местности с определённой заранее моделью.
  –  Алгоритмы интерполирования двумерной функции по набору значений в известных точках на основе двумерного варианта фильтра Калмана, которые обеспечивают улучшенное построение горизонтальных сечений по сравнению с известными ранее методами.
  –  Алгоритмы автоматического построения рельефа по взаимно ориентированным изображениям. При этом предложен принципиально новый метод идентификации соответствующих точек двух изображений. В результате создан алгоритм повышенной надёжности: он позволяет распознавать и не использовать в базисе рельефа малоинформативные участки (покрытые водой, снегом, ровным песком и др.), то есть участки, на которых отношение сигнал/шум мало и возникающие помехи могут привести к появлению «выбросов» или ложных идентификаций поверхности.
  –  Способы автоматического построения областей допустимых деформаций горизонталей в процессе редактирования карты, автоматической и высоконадёжной расстановки бергштрихов на оригинале рельефа, автоматического нанесения надписей горизонталей на оригинале рельефа и назначения положений маркировочных знаков протяжённых линейных объектов.
  –  Способ расстановки точечных объектов с заданными верхней и нижней границами плотности.
  –  Алгоритм распознавания форм рельефа местности, использующий только горизонтали и не использующий точечные объекты уровня земли.
  –  Способы формирования изображения частей ломаной линии, лежащих внутри или вне многоугольной области, и границ областей, полученных в результате применения логических операций к двум многоугольным областям, которые обеспечивают повышение надёжности формирования изображений.
  –  Интерфейс автоматизации кодирования, обеспечивающий повышение достоверности результатов выполнения работ по кодированию изображений и снижение требований к квалификации операторов.
  –  Специальный формат хранения регулярной структуры пространственных данных с поддержкой возможности хранения неограниченного объёма данных, с уровневым хранением данных, с поддержкой быстрого доступа к данным каждого уровня и возможностью хранения данных на область произвольной формы. Это позволяет получать информацию в реальном времени независимо от объёма и сложности системы в целом. Повышенная скорость алгоритма обработки данных создаёт возможность его применения для разработки новых систем поддержки принятия оперативно-тактических решений.
  –  Технология создания многооконного стереоинтерфейса, не требующая специализированных видеоконтроллеров.

Зав. лаб. № 22 Александр Иванович Алчинов

Прикладные результаты

  –  Результаты выполненных исследований нашли практическое применение при создании цифровой фотограмметрической станции (ЦФС), которая позволяет проводить оперативную обработку материалов аэрокосмической съёмки с последующей её визуализацией в виде трёхмерных моделей местности. На их основе проводятся исследования по оптимизации управления полётами над сложным рельефом местности с использованием цифровых картографических данных. С учётом того, что современные средства доставки высокоточного оружия существенно используют особенности рельефа местности, обеспечивающие максимальную скрытность средств доставки, дискретизация всей области театра возможных боевых действий должна производиться с учётом автоматического распознавания форм рельефа.
  –  Разработанная в Институте ЦФС является одним из лучших в мире программных продуктов по функциональным возможностям, оперативности обработки больших объёмов информации (до 264 точек). Программа обеспечивает значительную степень автоматизации технологических процессов фотограмметрической обработки и составления карт. В развитие ЦФС разработан аппаратно-программный комплекс для обработки и отображения трёхмерной информации, что обеспечивает расширение функциональных возможностей технологической поддержки процессов управления.
  –  Проводятся исследования и разработка новых алгоритмов и методов оперативной обработки аэрокосмической съёмки с визуализацией трёхмерной цифровой информации о рельефе местности и о текстуре объектов. Используемые алгоритмические решения дают возможность выполнения оперативной обработки аэрокосмических материалов с последующей визуализацией её результатов в виде трёхмерных моделей местности, что представляет огромный интерес к ним при решении задач управления.
  –  В настоящее время в лаборатории ведутся работы по исследованию и разработке методов обеспечения полётов над местностью со сложным рельефом на базе оцифрованных картографических данных. Это позволяет разработать новые информационные технологии для решения специальных задач создания оптимальной конфигурации помех с использованием средств маскировки, которые минимизируют вероятность поражения особо важных объектов (за счёт искажения видимой картины окрестности объекта, используемой противником в вероятных системах наведения высокоточного оружия).
  –  Продолжается интенсивное развитие геоинформационных технологий. Новые алгоритмы и технические решения отличаются высокой оперативностью и точностью обработки трёхмерных изображений. Это позволяет значительно сократить трудовые и временные затраты при создании карт и планов для информационного обеспечения управления движущимися объектами.
  –  Создан научно-технический задел для разработки перспективных автоматизированных средств разработки планов и проведения операций пассивной защиты (маскировки) особо важных объектов (стационарных, передвижных/гражданских и подвижных/военных) от высокоточного оружия в современных военных операциях, включая  модели сетецентрических войн.
  –  Во многих угледобывающих компаниях на данный момент выполняются работы (с участием ИПУ РАН) по созданию цифровой картографической основы для территории деятельности своих предприятий. В рамках этих работ в последние годы лабораторией выполнены научные исследования по совершенствованию методов и технологий получения геопространственных данных с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Новая технология обработки этих данных реализована при создании и обновлении цифровых топографических карт и планов для Сибирской угольной энергетической компании (СУЭК).
  –  Проведены исследования по совершенствованию технологий получения геопространственных данных методами дистанционного зондирования Земли, по определению состава и полноты геопространственной информации при её использовании в администрациях муниципальных образований (данных для управленческих задач в градостроительной деятельности и землеустройстве поселений).
  –  Существующие в настоящее время программные продукты, реализующие геоинформационные технологии в горном деле, классифицируются по применениям:
    –  горные системы общего назначения;
    –  специализированные горные программы;
    –  системы управления производством;
    –  системы регистрации производства.

Десятки фирм предлагают более 1000 программных продуктов различного класса, в то же время на рынке отсутствуют программы, позволяющие производить трёхмерное моделирование горных предприятий как сложных земельно-имущественных комплексов. На основе выполненного анализа в лаборатории разработаны:
  –  теоретические основы, алгоритмы и программа построения трёхмерных моделей земельно-имущественного комплекса СУЭК;
  –  3D-модель земельно-имущественного комплекса (ЗИК) угледобывающего предприятия.

3D-модель экскаватора

Созданная 3D-модель базы данных картографического представления ЗИК предназначена для решения задач управления, связанных с планированием и контролем выполнения планов горных работ, проектированием строительства объектов инфраструктуры, размещением объектов инфраструктуры, использова¬нием лицензионных земельных участков, горных отводов и объектов недвижимости. Разработаны методики создания 3D-моделей лицензионных участков, горных отводов, планов горных работ, месторождений на территории, занимаемой СУЭК, по открытым горным работам и объектов недвижимости. Все вышеперечисленные 3D-модели создаются, хранятся и редактируются в разработанном лабораторией программном пакете SUEK3D.

Программная система SUEK3D установлена на предприятиях СУЭК. Только в 2016–2017 гг. получено 10 актов о её внедрении.

Подъезд к угольному разрезу

В апреле 2016 г. Институт (совместно с головным офисом АОА «СУЭК» и с представителями предприятий СУЭК) провёл семинар в г. Минске, на котором состоялась презентация программной системы SUEK3D и обучение работе с этой системой. Индивидуальное обучение специалистов предприятий в настоящее время осуществляется на вебинаре.

Вышеизложенная технология позволяет строить 3D-модели местности, которые могут использоваться для решения задач моделирования низковысотных полетов БПЛА над местностью с расположенными на ней зданиями, крупногабаритной техникой и растительностью. Технология была отработана на примере нескольких угольных разрезов для получения качественных материалов аэрофотосъемки.

Решена задача разработки многооконного стереоскопического интерфейса, в котором качество стереоскопической визуализации зависит от текущей конфигурации окон и от направления взгляда пользователя, что обеспечивает экономию вычислительных ресурсов.

Большинство современных систем (как аппаратных, так и программных) предъявляет высокие требования к соблюдению горизонтальности плоскости взгляда пользователя (для исключения потери стереоэффекта), поэтому при разработке программного обеспечения был реализован (программно) механизм, позволяющий сохранять стереоэффект при любом наклоне оптической базы глаз. Таким образом, реализован принципиально новый подход к решению проблемы сохранения стереоэффекта.

Большой вклад в развитие геоинформационных систем (ГИС) и их использование в задачах управления вносит Научно-внедренческий отдел (НВО) № 73 «Управляющие задачи в цифровой картографии», который был создан в октябре 2000 г. Ю.Д. Воробьёвым. В настоящее время отделом руководит В.В. Каменев.

Юрий Дмитриевич Воробьёв

Основные направления деятельности отдела – разработка и внедрение ГИС «НЕВА» для решения задач управления. ГИС «НЕВА» предназначена для создания (обновления) и обработки векторных, растровых, матричных карт и подготовки их к изданию цифровыми методами. Результаты становятся исходной информацией при последующей печати топографических, авиационных и морских карт и планов городов, а также могут служить входами системы управления базами данных электронных карт.

Владимир Васильевич Каменев

ГИС «НЕВА» обеспечивает:
  –  создание (обновление) и обработку векторных карт с использованием материалов космической съёмки, аэрофотосъёмки, тиражных оттисков и других исходных материалов;
  –  цифровое составление топографических карт по базовому масштабу с последующей подготовкой к изданию;
  –  построение трёхмерных моделей местности для решения прикладных задач;
  –  подготовку созданных векторных карт к изданию в соответствии с действующими нормативами или требованиями заказчика для последующей полиграфической печати;
  –  возможность совмещения электронных топографических и морских карт, например, для прибрежной полосы.

ГИС «НЕВА» применяется в учреждениях и организациях Министерства обороны РФ (Военно-топографическое управление Генштаба, Главное управление навигации и океанографии МО, Главный штаб ВВС МО), МВД РФ, «Росреестре», российских сотовых компаниях и на картографических фабриках.

ГИС «НЕВА» использована при разработке комплексной геоинформационной системы для нужд городов с целью расширения спектра решаемых управленческих задач в рамках градостроительной деятельности и земельных отношений с опорой на методы и технологии получения геопространственных данных с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

С 2006 г. начались разработка, совершенствование и использование миниатюрных БПЛА. Особенностью БПЛА является наличие возможности автономного полёта по заранее заданному маршруту. В этом случае БПЛА самостоятельно выполняет содержательную функцию, связанную c наблюдением, фотографированием или исследованием местности.

В состав комплекса БПЛА входят: собственно, БПЛА со съёмным модулем полезной нагрузки (фотокамера не менее 12 Мпкс, работающая как в режиме фотосъёмки, так и в режиме видеокамеры) и наземная станция управления и приёма информации на базе защищённого ноутбука.

Несколько экземпляров БПЛА переданы в «Службу спасения» МЧС Якутии. Институтом организовано обучение пилотов.

На основе ГИС «НЕВА» при использовании современных БПЛА реализован геоинформационный портал для дорог Московской области, с помощью которого можно в интерактивном режиме наблюдать за состоянием дорог. Портал позволяет оценивать качество ремонта дорог (на базе сравнения цифровых изображений, полученных аэрофотосъёмкой до и после ремонта).