Статья опубликована в №35 (июль) 2016
Разделы: Информационные технологии, Электротехника, Медицина, Техника, Электроника
Размещена 26.07.2016. Последняя правка: 30.07.2016.
Просмотров - 4820

БПЛА ВОЕННО-МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ РОЕВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Беспальчук Денис Юрьевич

-

Военно-медицинская академия им. С.М. Кирова

оператор

Шахов Павел Александрович, оператор, Военно-медицинской академии им. С.М.Киров

УДК 629.73

Введение

Научные достижения и открытия в производстве микропроцессорной техники, нанотехнологиях позволили создавать новейшие устройства, приборы, датчики и т.п. Произошла минимизация элементной базы во всех областях, в том числе и авиации, которая открыла возможность для создания беспилотных летательных аппаратов

В конце прошлого века широкое применение стали получать беспилотные летальные аппараты (БПЛА, далее БЛА) как военного, так и специального назначения. Стремительный прогресс в разработке и производстве БЛА военного назначения в XXI веке стимулировал разработку и интенсивное развитие БЛА многоцелевого применения, что создало предпосылки для их применения в интересах медицины, в частности, военной.

Технологический прогресс повлиял на совершенствование разработки сенсорных датчиков и специализированных двигателей, использование аппаратов автономного действия, высокоточное оружие и миниатюризация компонентов и электронной базы, позволяет повысить перспективность новых способов функционального применения БЛА в ходе военных операций.

В данный момент использование БЛА – влечет за собой существенные затраты по сравнению с традиционными технологиями и методами, а их эффективность в реальных условиях не всегда соответствует ожиданиям. И все же значительное количество экспертов сходятся во мнении, что при планировании военных операций в будущем БЛА следует рассматривать в качестве одной из важных альтернатив для решения боевых задач.

Подтверждена перспективность применения БЛА, несмотря на их выявленную высокую уязвимость от грамотно применяемых средств ПВО. Они активно используются армиями развитых стран мира для логистического обеспечения и сопровождения военных операций.

Основными функциональными задачами БЛА в ходе военных операций являются разведка, наблюдение и распознавание, целенаведение, нанесение ударов, оценка нанесенного урона, детекция и мониторинг реагентов и материалов, увеличение пропускной способности каналов связи, тыловое обеспечение и материально-техническое снабжение (логистика). Следовательно, является актуальным вопрос о возможности применения БЛА также и в интересах медицинской службы в условиях ведения боевых действий.

Актуальность

Увеличению возможностей БЛА способствует быстрый прогресс используемого навесного оборудования для БЛА. Такой быстрый прогресс возможностей привлекает к ним медицинских работников, как военных, так и гражданских.

Первые попытки использования БЛА в интересах медицинской службы проводились в конце 1970-х годов, когда пытались осуществлять поиск раненых военнослужащих с воздуха с помощью оптики. В настоящее время появились современные технологии, позволяющие создавать новые композитные материалы, нанотехнологии, микропроцессоры, солнечные батареи, сверхъемкие аккумуляторы, гиростабилизированные оптико-электронные системы, эффективные средства приема и передачи информации, навигации, радиолокации и др., что значительно увеличило возможности БЛА. [1]

Так, за счет использования на БЛА тепловизоров, лазерных дальномеров, новых цифровых технологий и новой оптики удалось повысить эффективность поиска раненых и пострадавших в труднодоступных местах. [2]

Одним из возможных вариантов применения БЛА для медицины - их использование для ретрансляции аудио- и видеосигналов в зону видимости в интересах медицинских работников. Многие проекты роботизированных мобильных комплексов для телемедицины и телехирургии предусматривают наличие в данном комплексе БЛА-ретранслятора.

В настоящее время в мире существуют десятки БЛА, которые могли бы осуществлять следующие операции в интересах медицины:

- поиск раненых и пострадавших в труднодоступных районах локальных конфликтов и ЧС;

- доставку раненым, пострадавшим и медицинским формированиям, находящимся в труднодоступных (опасных для доставки) местах, различных грузов;

- разведку мест предполагаемого развертывания сил и средств медицинской службы;

- определять границы зоны ЧС (очага массовых санитарных потерь);

- осуществлять мониторинг радиологической, токсикологической, пожароопасной обстановки и т.д., в зоне ЧС;

- осуществлять экстренную доставку людей в медучреждения.

Реализация системы мониторинга мобильных объектов, позволила вести мониторинг состояний контролируемых объектов - определять местоположение военнослужащих при использовании ими датчиков, при ранении подающих определенный сигнал о повреждении пользователя. Данные системы дублирует спутник. [2]

Также определяется направление и скорость движения объекта, возможен прием сообщений от него, в т.ч. с кодом "Тревога", означающим ранение или получение травмы военнослужащим (или выходом строя из техники). При этом количество объектов, подключаемых к системе, неограниченно. Кроме того, возможно отслеживать перемещения наблюдаемого объекта на электронной карте местности в реальном времени; мгновенно получать сигнал тревоги с координатами местоположения объекта на карте.

Для безопасной и своевременной эвакуации раненых с поля боя, а также своевременной доставки медицинского имущества под огнем противника, была сформулирована концепция применения беспилотной платформы medUAV.

Существует модернизированный военный БЛА, способный перевозить медицинские образцы для испытаний или редкие лекарства (антидот змеиного яда). [3] Это экономически целесообразно для удаленных регионов, особенно в сезон дождей.

Такие БЛА находятся под управлением оператора, используя GPS и микроэлектронные гироскопы для навигации. БЛА могут сбрасывать свой груз в определенную точку и возвращаться назад по заданному маршруту, но могут и приземляться автоматически или под удаленным контролем оператора. 

Роевое взаимодействие

Технология роя (англ. swarm) использует БЛА роевого типа LOCUST (Low-Cost UAV Swarming Technology, "саранча").

Роевое взаимодействие (swarm intelligence) это коллективное взаимодействие децентрализованной самоорганизующейся системы. Системы роевого интеллекта, как правило, состоят из множества исполнителей – программных объектов, которые могут анализировать текущую ситуацию, выполнять определённые действия, взаимодействовать между собой и с окружающей средой. Взаимодействие между БПЛА осуществляется за счет мобильной одноранговой сети с использованием недорогих приемо-передающих модулей.

Основные особенности агентов роевого взаимодействия:

- коллегиальность, т.е. коллективная целенаправленность для решения определенной задачи;

- автономность, т.е. самостоятельное решение поставленной задачи;

- активность, т.е. достижение конкретных целей за счет применения активных действий;

- информационная и двигательная мобильность, т.е. активное перемещение и целенаправленный поиск информации, объектов и т.д., необходимых для выполнения задачи;

- адаптивность, т.е. автоматическое приспособление к изменениям внешних факторов. [4]

Быстрое (до 30 единиц в минуту) развертывание роя автономных БЛА возможно с помощью многоствольной трубной пусковой установки (пневматической пушки). Групповая система состоит из недорогих аппаратов (к примеру, квадро- или оптокоптеров).

Запуск может быть произведен с кораблей, самолетов, тактических машин за счет слабой отдачи, потенциально возможна работа в движении.

Одной из основных задач в разработке технологии "роя" является создание системы обмена информацией между отдельными БЛА. Для осуществления координации БЛА друг с другом между ними развертывается мобильная одноранговая сеть на основе недорогих приемо-передающих модулей (ППМ), к примеру, на основе использования модулей беспроводной связи Wi-Fi. Правильная настройка Wi-Fi позволит реализовать широковещательную сеть для всех БЛА, что имеет отличия от стандартной системы управления.

Одноранговая - пиринговая, децентрализованная, Р2Р-сеть (peer-to-peer, peer-2-peer) основывается на равноправии участников (пир, peer - участник). На основе децентрализованной одноранговой сети также может быть создана и централизованная одноранговая сеть, в которой один агент координирует работу других агентов. Таким образом, следующие дроны смогут получать указания от ведущего БЛА, а также действовать как "камикадзе", выделяя одного из членов "роя" для «вскрытия» вражеской ПВО и затем уничтожая ее огнем ударных беспилотников.

Наиболее сложной задачей является создание интегрального массива управления работой ДПЛА (дистанционно-пилотируемых летательных аппаратов). На данный момент один оператор может управлять 50 БЛА.

Оператор сможет в любой момент вмешиваться в управление или просто следить за выполнением летного задания. Задачи по созданию строя из дронов, маневры внутри роя и другие будут выполняться полностью искусственным интеллектом.  

Актуальной задачей является управление полетом группы БЛА в строю с соблюдением дистанции и интервала в пределах 30-120 метров, для чего разрабатывается алгоритм оценивания вектора состояния, по результатам относительного движения аппаратов в группе. [5]

Правила для формирования роя [6]:

1) правило связи - обеспечивает связь между БЛА;

2) правило выравнивания – движение БЛА в строю с соблюдением заданных пределов;

3) правило разделения – соблюдение дистанции между БЛА для эффективного функционирования датчиков;

4) правило избегания целей – соблюдение заданного расстояния от цели.

Применение данных правил для составления алгоритмов управления БЛА позволит: контролировать группу во время полета, вести поиск цели, выстраивать необходимый строй, осуществлять выполнение поставленной задачи. По результатам моделирования можно судить о том, что при использовании такой модели рой БЛА демонстрирует поведение, которое достигается за счет самоорганизации и адаптации к внешним условиям, что значительно упрощает процесс планирования в традиционном его понимании.

Основные преимущества использования БЛА роевого типа по сравнению с использованием одного БЛА:

- с помощью полученных данных от разных БЛА появляется возможность оптимизации маршрута полета и изменение задания;

- повышение гарантии успешного исполнения задания;

- уменьшение затрат времени на поиск;

- возможность сканирования определенной местности несколькими дронами;

- возможность постановки разных задач для разных участников группы БЛА.

Основываясь на приведенных выше принципах, можно сделать вывод, что применение БЛА роевого типа в интересах медицинской службы увеличит эффективность ее работы.

В настоящее время для решения задач по поиску раненых в интересах военно-медицинской службы в большинстве случаев используется один БПЛА. В связи с этим выполнение задачи требует значительного времени, имеет ограничения исследуемой территории, вероятность вывода из строя БПЛА внешними воздействиями (погодные, климатические условия) и средствами радиоэлектронной борьбы, а также существенных денежных затрат. Предлагаемая схема роевого взаимодействия позволяет использовать несколько недорогостоящих БПЛА для выполнения одной задачи. Это позволяет расширить площадь обследуемой территории за счет обмена информацией между участниками группы и сократить время обследования, в случае потери связи между агентами или выхода некоторых из них из строя функционирующие БПЛА продолжают работу в автономном режиме, делая возможным дальнейшее выполнение задачи.

Управление группой БПЛА с помощью роевого взаимодействия.  

Для управления несколькими БПЛА используется роевой подход. Множество дронов X x_i(i=1,2,…,M)_, одновременное взаимодействие ко­торых позволяет решить некоторое множество задач Q = (q₁,q₂,...,q_c) будем называть роем. При этом предполагается:

1. Все дроны  x_i(i=1,2,…,M)_, одинаковы.

2. Состояние каждого дронаxiÎ X описывается некоторым вектором

b_i = {b_i1, b_i2,…, b_ij,}.

3. Каждый дронxi Î X может выполнять определённое количество простейших действий, определяемых вектором

C_i = {с_i1, с_i2,…, с_iq,}.

4. Дрон x_iможет обмениваться информацией с некоторым подмножеством дронов X_iÎ X, находящихся в зоне, ограниченной радиусом D, которую будем называть «зоной видимости» дрона x_i. С помощью этого информационного обмена дрону xi Î X может быть открыт доступ к информации о текущем состоянии и действиях дронов подмножества X_i.

5. Дронуxi Î X известны законы изменения собственного состояния в зависи­мости от своих действий, а также действий и состояний других дронов из подмножества X_iÍ X, т.е.  , где  b_ij с_ij(j = 1,2,…,D) – текущее состояние и действие дрона x_ijÎ X_i, попадающего в зону видимости дрона x_i

6. Под задачей Q_a Î Q, стоящей перед роем, будем понимать достижение роем такого состояния , где M – число дронов в рое,   – целевое состояние дрона x_i, необходимое для решения задачи Q_a , при котором достигается минимум некоторого функционала Y = F_b (b₁, b₂, …, b_M).

С учетом введенных определений задачу управления роем дронов можно сформулировать следующим образом:

Последовательность определенных действий всех дронов роя C = ( C₁, С₂,..., С_M), которая преобразует текущее с состояние роя B₀ =(B₁₀,B₂₀,...,B_N0) в такое целевое состояние, соответствующее поставленной перед роем задаче Q_a Î Q ,  в котором достигается минимум функционала Y = F_b (b₁, b₂, …, b_M) при связях

  , где b_ij с_ij(j = 1,2,…,D) – состояния и действия дронов подмножества X_iÍ X, попадающих в зону видимости дрона x_i.

Алгоритм взаи­модействия:

1. Все дроны, получают от управляющего пункта тип (номер) k задачи, стоящей перед роем.

2. Каждый дрон Xi , изучает информацию о дронах входящих в рой в зоне видимости.

3. На основании полученных данных дрон Xi определяет состояние , в котором функция  принимает минимальное значение.

4. Дрон Xi определяет действие ci , направленное на преобразование его текущего состояния Si в состояние ,

5. Дрон Xi реализует локальное действие ci, после чего переходит к пункту № 2.

Выводы

1. Использование БПЛА медицинского назначения (военно-медицинского) является перспективным направлением.

2. При применении БПЛА в ЧС и районах боевых действий важны следующие характеристики:

- простота в использовании;

- возможность применения при различных климатогеографических и погодных условиях;

- наличие автоматического управления от взлета до посадки с возможностью управления также в ручном режиме;

- возможность экстренной доставки раненым и пострадавшим в труднодоступных местах грузов медицинского назначения, наличие систем поиска раненых и пораженных.

3. Для поиска раненых и пораженных БПЛА могут быть оборудованы:

- тепловизионными системами (двух- или трехканальными, малых размеров, работающими в различных спектральных диапазонах, охватывающими видимую, ближнюю инфракрасную и дальнюю инфракрасную области спектра). Наиболее перспективным представляется применение комбинированных телетепловизионных систем;

- гиростабилизированными комбинированными системами (видеокамера, целеуказатель, инфракрасная камера);

- системами приема команд и передачи видеоинформации и телеметрии в реальном времени, а также системами автоматизации и навигационными системами ГЛОНАСС/GPS.

4. Применение БЛА роевого типа позволяет увеличить эффективность поиска раненых на поле боя и работы медицинской службы в целом.

 

1. Солдатов, Е. А. Перспективы использования беспилотных летательных аппаратов в интересах медицинской службы в ходе ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций / Е. А. Солдатов [и др.] // Мед..биол. и соц..психол. пробл. безопасности в чрезв. ситуациях. 2010. № 2. С. 50 – 54.
2. Белевитин, А. Б. Информационные технологии на службе военной медицины / А. Б. Белевитин, А. М. Шелепов, Е. А. Солдатов // Воен. мед. журн. 2009. № 5. С. 4 – 12.
3. [Электронный ресурс] http://infuture.ru/article/1130
4. Скобелев П.О. Открытые мультиагентные системы для оперативной обработки информации в процессах принятия решений // Автометрия. № 6. С. 45—61.
5. Baxter J.W., Horn G.S., Leivers D.P. Fly-by-Agent: Controlling a Pool of UAVs via a Multi-Agent System. — QinetiQ Ltd Malvern Technology Centre St Andrews Road. Malvern. UK. 2007.
6. Cheng H., Page J., Olsen J. Dynamic Mission Control for UAV Swarm via Task Stimulus Approach // American Journal of Intelligent Systems. – 2012. – № 2(7). – P. 177-183.

Рецензии:

27.07.2016, 16:59 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Тема работы актуальна. Автор видимо является специалистом в практике данной области. К недостаткам работы следует отнести следующее: нужно показать, чем предлагаемая схема лучше существующей. После этого работу можно будет рекомендовать к публикации.

29.07.2016, 17:06 Лобанов Игорь Евгеньевич
Рецензия: Если автор отразит свой ответ в статье, то её можно будет окончательно рекомендовать к публикации.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий