В МГТУ им. Н.Э.Баумана силами молодежного коллектива разработан прототип энергоэффективной ad-hoc-сети передачи телеметрии, включающей в себя данные о ранней фиксации источников возникновения лесных пожаров с применением нейросетевых моделей. При этом создан стационарный и мобильный, в том числе с применением различных видов беспилотных авиационных систем, программно-аппаратный комплекс обнаружения не только лесных пожаров на труднодоступных территориях, но и иных объектов и событий. О реализации проекта рассказывает Данила Посевин, доцент кафедры ИУ-9 «Теоретическая информатика и компьютерные технологии» факультета «Информатика и системы управления» МГТУ и номинант на премию Data Award.

- Что стало причиной реализации проекта? Каковы решаемые проблемы?

Началось все с интереса к различным решениям по управлению устройствами интернета вещей на базе микроконтроллеров ESP32 и ESP8266. В рамках выпускной квалификационной работы была выполнена разработка собственного протокола передачи сообщений BOROMIR (Based On Roles Open Mesh Interaction Routing) для сети MANET, построенной на базе модулей NodeMCU под управлением операционной системы FreeRTOS. В ходе работы был проведен анализ уже существующих решений, которые по некоторым параметрам превосходили BOROMIR, но не обладали функциональностью, необходимой для передачи изображений, — что и представляло основной интерес.

В итоге был разработан простейший прототип протокола передачи как текстовых данных, так и изображений, принимаемых с веб-камеры персонального компьютера. Это позже легло в основу работ по исследованию возможности и разработке аппаратно-программного комплекса раннего обнаружения лесных пожаров в интересах темы № FSFN-2024-0073 государственного задания Минобрнауки. Таким образом, студенческая работа, вызванная интересом к современным беспроводным сетевым технологиям, в дальнейшем стала основой для одного из этапов научно-исследовательской работы.

- Какой подход был выбран для реализации проекта?

На начальном этапе развития проекта, когда участие в госзадании еще не предполагалось, для уточнения требований и демонстрации концепции был создан рабочий прототип протокола, а также минимальная версия информационной системы передачи изображений. Система обеспечивала связь между двумя ноутбуками посредством ad-hoc-сети, состоящей из ESP-отправителя, ESP-получателя и ESP-ретранслятора.

На более поздних этапах, когда наработки начали применяться в рамках темы № FSFN-2024-0073, использовался Lean-подход: сначала создавались работающие базовые версии программных компонентов с последующим наращиванием минимально необходимой функциональности в соответствии с задачами этапов работ. При этом проектирование архитектуры информационной системы всегда осуществлялось с применением модульного подхода, что позволило обеспечить независимую разработку отдельных компонентов аппаратно-программного комплекса. В свою очередь, разработка протокола передачи данных в ad-hoc-сети велась с использованием инкрементального подхода.

- Какие принципы пытались заложить в создаваемое решение?

Архитектура проекта построена на принципе разделения ответственности (Separation of Concerns): каждый компонент отвечает только за свою функциональную область. При этом ad-hoc-сеть продолжает работу при выходе из строя отдельных компонентов, поскольку является децентрализованной. Расширение системы предполагается производить путем горизонтального масштабирования: добавление новых ESP-узлов в сеть увеличивает покрытие ad-hoc-сети и ее отказоустойчивость, однако не влияет на пропускную способность. В процессе разработки и сопровождения мы придерживались подхода YAGNI (You Aren’t Gonna Need It) — не добавлять новую функциональность, пока она не становилась необходимой, что позволяло гибко корректировать процесс разработки в зависимости от результатов экспериментов.

- Какими силами реализованы работы?

Проект реализован группой молодых энтузиастов — студентов — как в рамках учебного процесса и различных видов практик, так и в рамках НИР. Началом этой работы стала инициативная разработка, выполняемая на собственные средства, а ход работы был интегрирован в учебный процесс и образовательные дисциплины кафедры ИУ-9 «Теоретическая информатика и компьютерные технологии» МГТУ. В каком-то смысле данный проект можно считать педагогическим экспериментом, подтвердившим свою эффективность.

- Что представляет собой созданное решение?

Система состоит из набора компьютеров-отправителей и компьютеров-получателей, объединенных децентрализованной ad-hoc-сетью на базе энергоэффективных модулей-ретрансляторов NodeMCU.

Компьютер-отправитель реализован в трех версиях: стационарный персональный компьютер; полевой стационарный блок для вышки на основе микрокомпьютеров линейки Raspberry Pi и отечественного аналога Repka Pi; мобильный блок-адаптер для летательного аппарата мультироторного и самолетного типа. Компьютер-получатель реализован в двух вариантах: стационарный блок и модуль-получатель для рабочего места оператора в полевом режиме на базе тех же Raspberry Pi и Repka Pi.

На компьютере-отправителе ведется видеонаблюдение с применением алгоритмов машинного зрения и нейросетевых моделей для детектирования возгораний, автомобилей и других объектов и событий. Результаты детектирования в виде строки данных посредством разработанного протокола прикладного уровня передаются на компьютер-получатель.

Важной особенностью является то, что ретрансляторы, обеспечивающие работу ad-hoc-сети, и компьютеры-отправители, находящиеся на местности, работают от солнечных панелей и являются энергонезависимыми, что позволяет применять данный комплекс в условиях отсутствия энергетической инфраструктуры и стабильных каналов связи.

- Что «под капотом» системы?

В ходе работы была проведена оценка и подобран оптимальный состав электронно-компонентной базы для обеспечения наилучшего соотношения между потребляемой электроэнергией, дальностью и стабильностью передачи данных, что в том числе обеспечивается разработанным в ходе работы протоколом на основе библиотеки painlessMesh. Исследована специфика классификации изображений с помощью классических и нейросетевых алгоритмов, в частности для обнаружения задымлений и лесных пожаров, что имеет практическую ценность для реализации задач, выполняемых командой проекта в рамках темы № FSFN-2024-0073 государственного задания Минобрнауки, посвященного разработке аппаратно-программной распределенной информационной системы мониторинга лесных территорий на основе машинного зрения, искусственного интеллекта и беспилотных летательных аппаратов.

- Каких результатов уже удалось достичь?

Нами проведены первые полевые испытания, подтверждены основные гипотезы и жизнеспособность продукта. Кроме того, предложены варианты существенного увеличения дальности передачи телеметрии на базе радиоканала LoRa, в том числе с применением летательных аппаратов мультироторного и самолетного типа.

Прототип доведен до седьмого уровня готовности технологии (TRL 7), что подразумевает, что технология близка к готовности или находится на грани ее реализации. Готовится регистрация результатов интеллектуальной деятельности.

- Какова роль этого решения в будущем?

Комплекс предназначен для обеспечения безопасности протяженных объектов с ограниченной энергетической инфраструктурой, находящихся в труднодоступных и опасных местах, а также в условиях отсутствия проводных и беспроводных каналов связи. Дополнительно прототип тестировался в закрытых помещениях. Программное обеспечение может быть модифицировано под задачи заказчика для автоматизации обнаружения как типовых, так и специфических объектов и событий. В частности, решение применимо для раннего обнаружения лесных пожаров.

Таким образом, для государства это снижение рисков экологических катастроф. Для бизнеса — обеспечение безопасности своих объектов на удаленных территориях, мониторинг и контроль, в том числе за персоналом.

- В чем ваш проект уникален?

Можно выделить энергонезависимость и энергоэффективность разработанного комплекса. Изучены и применены на практике современные сетевые технологии на базе низкоресурсных аппаратных средств. Результатом является возможность применения системы на труднодоступных территориях.

Кроме того, важно развитие кружкового движения среди молодежи, привлечение будущих специалистов к исследовательской работе. Данный проект является результатом инициативной работы по интеграции отдельных исследовательских задач в образовательные процессы: лабораторный практикум, курсовые работы, учебную и производственную практику. Другими словами, удалось показать, что мотивацию можно обеспечить и в условиях отсутствия бюджетов, а также подтвердить силу кружкового движения — в гаражах, общагах и на кухне! Но без денег и необходимого финансирования «кружководы» проект не вытянут на более высокие уровни готовности технологии. Поэтому моя цель участия в конкурсе, в том числе — найти инвесторов для укрепления наших результатов.

- Каковы дальнейшие направления развития проекта?

Планируются работы по завершению испытаний ad-hoc-сети, необходимо как определить максимальное расстояние между отдельными ретрансляторами, так и оценить возможную длину всей линии, по которой осуществима передача посредством полученного прототипа.

В ходе работы над проектом дополнительно были созданы экспериментальные образцы энергоэффективных ретрансляторов, позволяющих передавать данные по радиоканалу на гораздо большие расстояния по сравнению с расстояниями передачи, на которые может передаваться информация с помощью ad-hoc-сети. Необходимо провести натурные испытания созданного аппаратно-программного комплекса и далее развивать информационную систему автоматизированной обработки и анализа информации, провести модернизацию протокола передачи сообщений. На текущий момент информация передается в одном направлении от компьютера-отправителя до компьютера-получателя по цепочке ретрансляторов, но в дальнейшем планируется реализация двунаправленной связи, в том числе с возможностью переключения между типами и форматами принимаемых и передаваемых сообщений, а также увеличение дальности радиосвязи за счет доработки конструктивных особенностей ретрансляторов.

Дополнительно планируется активный поиск возможностей дальнейшего финансирования разработки и адаптации ее под различные потребности индустриальных партнеров университета, а результаты, полученные в ходе выполняемых работ, будут использованы в учебном процессе.