Създадохме цифров двойник на пристанищния комплекс и на Варненския залив
проф. д-р инж. Тодор Ганчев, професор по дисциплината „Изкуствен интелект“ към катедра „Компютърни Системи и Технологии“, Факултет по „Изчислителна Техника и Автоматизация“ на Технически Университет - Варна
Уважаеми проф. Ганчев, бихте ли представи накратко проекта ILIAD. Какви са неговите основни цели и какво представлява „Digital Twin of the Ocean“?
Проектът ILIAD e съвместна инициатива на 56 партньора от Европа, Африка, и Близкия изток, обединени от общата цел да създадат цифров двойник на световния океан и практически приложения, които да покажат полезността му в 12 различни сфери на синята икономика. Измежду тези тематични направления са добиване на енергия от възобновяеми източници (вълни, вятър), опазване на околната среда (мониторинг за качество на водите, замърсявания, нефтени разливи, ерозия на бреговата линия), безопасност на корабоплаването (морски транспортни коридори, пристанищна сигурност, наблюдение на акваторията за изхвърляне на баластни води, морско застраховане), водна флора и фауна (рибарство, отглеждане на аквакултури, струпвания на медузи, биоразнообразие) и др. В резултат от успешното сътрудничество, партньорите проектираха и създадоха агломеративна система от системи, която обединява голям брой цифрови двойници разработени за конкретни части на света и с различни нива на технологична зрялост – от концептуални модели и симулатори до системи които решават действителни проблеми. Цифровите двойници използват информация постъпваща в реално време от множество източници, моделират важни аспекти на реалния свят, моделират и прогнозират бъдещо развитие на процеси, въздействието на реализуеми действия в конкретния контекст, подпомагат вземането на решения с цел постигане на ефективно управлението на обекти и събития в реалния свят.
Какви конкретни предизвикателства адресира проекта ILIAD и каква е ползата от решенията, които предлага?
Ще се огранича само до българската част от проекта. Всеизвестно е, че основните предизвикателства за ефективното функциониране на пристанищата са неблагоприятните метеорологични условия, които могат да станат причина за затрудняване или дори спиране на входящия и изходящ трафик. Последствията от това са директни загуби за пристанищните оператори, но също така и забавени доставки на суровини и износ на готова продукция за регионалната индустрия, което може да и има значителни социални и екологични последствия за крайбрежните градове.
Да вземем за пример пристанище Варна, където често се налага корабите да изчакват допуска до пристанището в продължение на няколко дни. При неблагоприятни метеорологични условия, престоят им може да се удължи значително, което води и до струпване на множество кораби във Варненския залив. Докато изчакват на рейд, корабите използват дизелови генератори на електричество за поддържане работата на бордовите системи, при което се отделят вредни емисии. Понякога престоят на рейд води и до други замърсявания.
В тази връзка, българската част от проекта ILIAD e насочена към подобряване на ефективността и сигурността на дейностите в пристанище Варна, чрез използване достиженията на най-съвременните технологии. Екипите на Технически университет – Варна, с ръководител в мое лице, и на Дирекция „Ръководство на корабния трафик - Черно море“ в гр. Варна, с ръководител к.д.п. Милен Тодоров, подразделение на ДП „Пристанищна инфраструктура“ съвместно създадоха цифров двойник на Варненския залив и Пристанищен комплекс – Варна. Цифровият двойник събира информация от множество източници (метеорологични станции, хидрологични сензори, наблюдения подадени от гражданите или заетите в синята икономика), обработва я в реално време и с помощта на съвременни AI-технологии отчита, предсказва и визуализира важни аспекти на реалния свят, имащи отношение към безопасността на корабоплаването, с което подпомага морските специалисти при изпълнение на служебните им задължения.
Новите възможности, които цифровият двойник създава, са демонстрирани чрез две високотехнологични приложения: (i) система за сляпа навигация при ограничена видимост в помощ на капитани и пилоти на плавателни съдове и (ii) софтуерна среда за подпомагане оценката на риска при маневриране, в помощ на диспечерите управляващи корабния трафик. Проведени са изпитания на двете приложения с цел оценка за полезността им в реални експлоатационни условия. Основните резултати от изпитанията и мненията на крайните потребители са достъпни онлайн.
Ще бъде интересно да научим повече за конкретни технологии и модели, ползвани в проекта. Бихте ли разказали по-подробно за някои от тях?
Основните рискове за безопасността при маневриране в пристанището произлизат от намалена видимост (напр. през нощта, при мъгла, силни снеговалежи или проливни дъждове) или силен вятър (отчита се средната скорост и посока на вятъра, поривите и др.). Конкретно, Пристанищен комплекс – Варна използва множество терминали, като разстоянието между някои от доковете на Варна-Изток и Варна-Запад е над 25км. Разнородната метеорологична обстановка в различните части на пристанището се дължи на различната топология на прилежащата брегова линия и обстоятелството, че някои от терминалите са разположени във Варненския залив, Варненското езеро, Белославското езеро или каналите които ги свързват. За съжаление съществуващите публично достъпни модели за прогнозиране на метеорологичната обстановка са с недостатъчна резолюция във времето (обикновено 1 час) и пространството (обикновено 5-10км), което ги прави не особено полезни за разнородните условия във Варненското пристанище. Поради това управлението на корабния трафик до голяма степен разчита основно на текущите данни за метеорологичната обстановка, получавани в реално време чрез метеорологични станции разположение на ключови места в пристанището.
За подобряване на ситуационната осведоменост на диспечерите на корабния трафик, екипа на ТУ-Варна създаде нова функционалност за локализирано предсказване на метеорологичните параметри в отделните части на пристанището с висока резолюция във времето (15 мин) и пространството (~1.5км). Реализирането на тази функционалност беше възможна благодарение на натрупани дългогодишни данни от метеорологичните станции на ДППИ и напредъка в AI-базирани методи за моделиране на информация. Изпитанията показаха, че така създадените локални AI-модели предсказват метеорологични параметри по-точно от публично достъпните сайтове.
Отделно от това, в рамките на проекта ILIAD в пристанището бяха инсталирани нови сензори, създадени от естонски партньор TalTech, които позволяват да се оценяват в реално време хидрологичните параметри на морската среда за конкретните локации. Измежду тези, най-голямо значение при извършване на маневрите в плавателните канали имат силата и посоката на водните течения, поради което наличието на тази информация е важен нов елемент за подобряване на ситуационната осведоменост както на диспечерите, така и на капитаните и пилотите на плавателни съдове.
Най-зрелищната разработка по проекта обаче си остават създадените висококачествени 3D модели и среда с виртуална реалност и добавена реалност на Варненския залив, Варненското и Белославско езеро и прилежащата им инфраструктура. За целта бяха използвани високотехнологични летящи дронове за заснемане на пристанището и фотограметрична обработка на стотици хиляди изображения. Резултатът е създаването на 3D модели с безпрецедентно високо качество, като визуално дигиталните модели са почти неразличими от истинските обекти в реалния свят. Интересно е да се отбележи, че на определени места 3D моделите дори позволяват да се погледне на повече от метър под водната повърхност.
Какви практически приложения очаквате да видите след успешното приключване на проекта?
Една от новосъздадените прототипни системи интегрира технологии позволяващи проследяване скоростта на водните течения в определени части на пристанището, локално прогнозиране на видимостта, силата на вятъра и неговите пориви в конкретни части на пристанищния комплекс (до три часа напред във времето), подпомага ситуационната осведоменост на диспечерите управляващи корабния трафик и по този начин улеснява обективната оценка на риска при вземане на решение за допускане на всеки отделен плавателен съд. Експерименталният прототип на тази система е в процес на дългосрочни изпитания за определяне на полезността в реална работна среда и нуждата от евентуални бъдещи подобрения.
Втората прототипна система създадена от екипа на ТУ-Варна интегрира технологии за виртуална и добавена реалност, високоточна локализация на плавателните съдове във времето и пространството, среда за моделиране на маневри на плавателни съдове и други инструменти подпомагащи ситуационната осведоменост на капитаните и пилотите на кораби при намалена видимост. Тази система, която използва специални очила с добавена реалност и прозрачни монитори, създава необходимата информация за сигурно преминаване на плавателните съдове през навигационните канали на Пристанищен комплекс – Варна дори при неблагоприятни метеорологични условия. Изпитанията в реални експлоатационни условия показаха, че новосъздадените функционалности значително облекчават навигацията на плавателни съдове. Бъдещи подобрения в точността на локализацията до ниво сантиметри ще отворят възможност за създаването на системи за автономно приставане на док и изцяло автономни плавателни съдове.
Специално внимание заслужава и приложението I-See-Sea (ICC). Това е друга разработка, създадена от екипа на ТУ-Варна, която позволява събиране на информация, която автоматичните метеорологични станции и хидрологичните сензори не могат да дадат. Чрез това приложение гражданите могат да подават сигнали (снимки, текст, локация) за замърсявания с нефтопродукти, пластмаси или други отпадъци, да докладват за забелязани предмети във водата, представляващи опасност за хората, морските организми, или корабоплаването, да предупреждават за странни обстоятелства, или да подават информация за чистота на водата или метеорологичните условия на конкретен плаж, като струпвания на медузи или други организми, вълнение на морето, температура, вятър, видимост и др. Тази информация се обобщава и визуализира в средата с добавена реалност за капитаните и пилотите на плавателни съдове (напр. замърсяване с нефтопродукти, струпване на медузи, опасни предмети във водата), може да бъде използвана от диспечерите управляващи морския трафик, при оценка на риска свързан с провеждане на маневра на плавателен съд, за конкретната локация и времеви интервал.
Важно е да се акцентира, че приложението I-See-Sea представлява много полезен инструмент, който ако бъде широко използван от хората им дава възможност ежедневно да допринасят за опазване на околната среда, или дори да се възползват от дребни битови удобства, напр. когато решават на кой плаж да отидат днес, поглеждайки актуалните данни от приложението. Така, активността и ангажираността на хората допринася за по-голяма полезност на приложението, по-висока актуалност и надеждност на информацията и съответно по-значителен принос за обществото. Активността на хората е трансформиращата сила, която позволява да се съхранява природата и да се подобри качеството на живот за настоящите и идни поколения.
В заключение, какви очаквания имате и как виждате развитието на дигиталните технологии в близко бъдеще?
Посоката на развитие на технологиите очевидно е към пълна автоматизация на процесите, чрез използване на интелигентни автономни системи, които самостоятелно решават локално дефинирани проблеми. Това означава, че със сигурност ще ни се наложи да живеем и работим в свят, в който колаборираме с интелигентни автономни машини, които успешно се справят с предизвикателствата на околната среда и се стремят към подобряване на ефективността на взаимодействие с човека, където това е необходимо.
Ролята на човека в бъдещия нов свят ще бъде различна – от оператор на машини, човекът ще се превърне в организатор на едно по-високо ниво на абстракция, задаващ дългосрочните цели и границите в които те трябва да се реализират. Автономните машини от своя страна ще имат задачата да намират оптималните решения и последователности от действия, които водят до постигане на зададените цели. В този контекст, създаването на цифрови двойници на световния океан, градовете и инфраструктурата е ключов етап от създаването на такива автономни системи.
Някои съвременни учени са по-смели в прогнозите си допускайки, че постепенно хората и машините ще се слеят и в едно далечно бъдеще хомо сапиенс ще се трансформира до нов вид същество, с много по-солидни възможности да разбира света около себе си и да постига по-високи цели.