Промышленное зрение: отечественные лидары для развития безлюдных технологий

Рост эффективности и безопасности во многих отраслях сегодня невозможен без автоматизации и развития безлюдных технологий. А они, в свою очередь, стимулируют спрос на лидары — своеобразные органы чувств, которые помогают роботам и людям, управляющим процессами, лучше ориентироваться в пространстве и получать необходимую информацию о различных параметрах сырья, продукции и производственной среды. Долгое время мы зависели от импорта таких приборов и необходимого программного обеспечения. Однако сейчас в России появляются собственные решения, не уступающие зарубежным аналогам. Что такое лидары, каковы главные возможности и ограничения этой технологии и почему горнорудная отрасль — лучший полигон для тестирования и внедрения подобных решений, рассказывает Андрей Горохов, руководитель направления цифровых решений DCLogic.

Что такое лидары и где их применяют?

Лидар — технология определения расстояний по отраженному световому (лазерному) лучу, а также устройство, которое использует такую технологию. Чтобы установить расстояние до объекта, измеряют время, за которое свет достигает его поверхности и, отразившись, возвращается назад.

Лидары позволяют строить трехмерные отображения объектов в пространстве, отслеживать их изменения и перемещения в реальном времени. Но, конечно, для этого недостаточно иметь только лишь прибор, состоящий из лазерного источника, зеркал, линз и фотоприемного устройства. Потребуется также программное обеспечение, которое анализирует поступающие сигналы и на их основе рисует картинку.

Лидары используют для сканирования местности, когда нужно получить топографические данные, построить 3D-модель рельефа, карьера или городской застройки и отслеживать их изменения. Их применяют также для исследования атмосферных явлений, для навигации и позиционирования транспортных средств, контроля за процессом строительства, создания цифровых двойников зданий и других крупных объектов.

Каковы препятствия и ограничения для использования лидаров?

Сложность задачи возрастает, если сам лидар размещен на движущемся объекте, например, беспилотном транспортном средстве, а условия вокруг далеки от идеала: дорога неровная, обзор ограничен, вокруг множество движущихся объектов, а видимость затруднена.

Однако такие обстоятельства не редкость, когда речь идет о промышленных объектах. Особенно если это подземная горная выработка, где идет добыча руды. Поэтому внедрение подобных решений — при всей их привлекательности именно для добывающей промышленности и других отраслей со сложными условиями работы — пока не носит в нашей стране массового характера.

Несколько реализованных пилотных проектов в условиях подземных горных работ, показали, что это достаточно серьезное испытание для технологии. Влияние на работу лидара оказывают запыленность, вибрации, стесненные условия в выработке.

Особые требования к характеристикам приборов могут существенно отразиться на их стоимости. Это касается дальности их действия и уровня разрешения получаемой картинки. Качество работы недорогих лидаров может страдать и от фоновой засветки.

Большие проблемы есть в области программного обеспечения. Всё, что вы снимаете лидаром, необходимо как-то интерпретировать. А это достаточно сложная задача: необходимо отслеживать не только точки, которые снимает лидар, но и его положение относительно этих точек. Чтобы адекватно интерпретировать данные, требуются сложные вычисления. И создание такого ПО представляет собой наукоемкую задачу.

Почему эта технология оказалась востребована именно сейчас?

Актуальный тренд развития промышленности — безлюдные технологии. У этого есть целый ряд причин, среди которых и запрос на повышение эффективности производственных процессов, запрос на снижение затрат и дефицит кадров, и рост требований к безопасности. Люди продолжают заниматься квалифицированным трудом и выполнять сложные задачи. Но то, что раньше делали многочисленные подвергавшиеся серьезным рискам рабочие, сегодня все чаще стремятся поручить машинам. И для горнорудной промышленности все это особенно актуально.

Каковы основные составляющие безлюдного производства или безлюдной выработки? Это беспилотные устройства, самоходные машины, которые позволяют исключить присутствие человека в наиболее опасных зонах, снизив таким образом риски вреда для здоровья и жизни людей. Это и автоматизированный мониторинг процессов и качества продукции: "умные" системы постоянно отслеживают ключевые параметры сырья и продукции, а в случае отклонений подают сигнал человеку о том, что нужно вмешаться. Автоматизация процессов позволяет свести к минимуму человеческий фактор, повысить скорость выполнения операций и увеличить эффективность.

Лидары — настоящие глаза автоматизации. Они помогают ориентироваться на производственной площадке как роботам, которые там работают, так и людям, которые управляют процессами издалека.

Как горнорудная отрасль осваивает безлюдные технологии?

Мировые лидеры горнорудной индустрии активно внедряют решения для безлюдных производств, потому что они позволяют повысить безопасность и снизить издержки, сократить простои. Компания Rio Tinto первой в мире начала использовать беспилотные грузовики для перевозки железной руды на своих рудниках в Западной Австралии еще более 10 лет назад. В настоящее время у компании уже несколько сотен роботов-грузовиков, а также автоматизированная железная дорога для транспортировки руды.

Rio Tinto внедряет и лидары для решения различных задач на своих активах, включая измерение уровня запыленности воздуха, наблюдение за сближением кровли и почвы пласта и др. Компания BHP использует лидары, установленные на дронах, для сканирования своих горных выработок и использования полученных данных в дальнейшем проектировании.

В России беспилотные карьерные и шахтные самосвалы активно внедряют такие компании, как СУЭК и "Норникель". "Газпром нефть" использует беспилотные КАМАЗы для перевозки грузов на арктических месторождениях.

Однако автоматизация работы в подземных выработках — самая сложная задача. Из-за их ограниченного пространства всегда приходится искать компромисс между мощностью, эффективностью и компактностью используемых решений.

Каковы возможные сценарии использования лидаров?

Для российской горнорудной отрасли одно из наиболее перспективных направлений применения лидаров — это контроль грузопотока, его качества и безопасности. Лидары устанавливаются на машины и помогают оператору в маневрировании в стесненном пространстве, где зазор между машиной и бортом выработки может составлять около десяти сантиметров. За всем уследить самому в таких условиях невозможно, едва ли помогут в этом и камеры.

Другая область применения — мониторинг грузопотока на конвейерах. Конвейер не должен быть перегружен, так как это чревато слишком быстрым износом. С помощью лидара можно сканировать породу, которая лежит на конвейере и моделировать процессы ее перемещения. Это позволит выбрать наиболее правильный режим использования оборудования.

Благодаря использованию лазерного зрения можно заметно усовершенствовать работу по оценке состояния выработок. Обычно маркшейдер ездит по выработкам, делает съемку, потом заносит в компьютер, формируя 3D-модель, по которой можно понять, насколько реальность соответствует проекту. Это длительный, трудоемкий и не очень эффективный процесс. Если установить лидар на машину и проехать по выработкам, можно сделать эту работу в разы быстрее.

Конечно, горнорудной отраслью область применения лидаров не ограничивается. Множество аналогичных сценариев использования могут быть предложены для других отраслей промышленности — особенно там, где существуют сложные, опасные условия работы, задачи, связанные с перемещением в пространстве грузов, машин и людей, строительство сложных объектов, особенно под землей или в других труднодоступных местах. Однако именно проекты по подземной добыче полезных ископаемых — тот полигон для испытания и развития технологии, который позволит получить действительно универсальное и безотказное решение. То оборудование, которое хорошо зарекомендовало себя на подземной горной выработке, сможет успешно применяться и в других сценариях.

Есть ли альтернативы? Лидары vs. видеоаналитика

Еще одно направление, которое сегодня активно развивается, позволяя решать во многом близкие или связанные задачи, это видеоаналитика. Она использует возможности машинного обучения для анализа изображений, получаемых с камер. Такие решения уже широко применяются и в горных работах, например, для оценки фракции разрушенной породы.

Можно предположить, что по мере развития технологий машинного обучения лидары постепенно могут быть вытеснены видеоаналитикой, так как она более универсальна. Однако в обозримой перспективе этого не произойдет. Преимущество видеоаналитики в том, что она позволяет сравнивать измеряемый объект с другим, параметры которого известны. Однако для прямых измерений расстояний и размеров объектов она не годится. Использование лазерного луча при решении таких задач обеспечивает значительно более высокую точность.

Еще одно важное преимущество лидаров — способность работать в условиях с плохой освещенностью или в полной темноте, в запыленном или задымленном пространстве, где не справится никакая видеоаналитика, какими бы продвинутыми алгоритмами она не пользовалась.

Скорее всего, на автоматизированных горных выработках будущего эти технологии будут сосуществовать и дополнять друг друга. А искусственный интеллект может использован в том числе и для совершенствования анализа данных, получаемых с лидаров.

Насколько технология доступна в России?

Еще одним сдерживающим фактором для распространения технологии лидаров в нашей стране стали санкции. Долгое время мы использовали импортные решения из коробки, включавшие, как сами приборы, так и софт, необходимый для обработки получаемых данных. Однако санкционные ограничения сделали многие импортные продукты труднодоступными.

Сейчас чаще применяются недорогие китайские лидары, которые позволяют решать разнообразные базовые задачи, но со сложными производственными условиями не справляются. Но есть и российские разработки, которые по своим параметрам уже не уступают передовым образцам. У них хорошие показатели дальности действия, высокое разрешение, они устойчивы к фоновой засветке. Однако говорить о полностью готовых для внедрения решениях пока рано. Устройства выпускаются небольшими тестовыми партиями, а потому все еще достаточно дороги. А главное, необходимо закончить разработку специализированного российского ПО, без которого их полноценное использование будет невозможно.

Работа над российским лидаром для горнорудной промышленности должна завершиться уже в этом году. Ключевой фактор успеха — широкомасштабные полевые испытания в реальных условиях и на разных площадках. Поэтому чем больше предприятий смогут принять участие в пилотных проектах по применению российских лидаров, тем более совершенным получится итоговый продукт.