Компактный дрон с автономной системой, разработанный немецкими исследователями, способен ускорить осмотр мостов, сделать его безопаснее и заметно дешевле — благодаря умению находить мельчайшие скрытые дефекты в бетоне.Для картографирования среды и установления собственных координат аппарат задействует технологию SLAM.
Евгения Васильева
Многие мосты в Германии постепенно приближаются к концу срока эксплуатации. Источник: Роберто Ширдеван / news.rub.de
Более интеллектуальные проверки мостов
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА) появился благодаря работе Дэвида Мюллера, магистра наук, и Рафаэля Дырски, доктора философии, — научных сотрудников Рурского университета в Бохуме — вместе с их коллективом. По утверждению ученых, автономная система умеет обследовать тесные и слабо освещенные зоны внутри мостовых сооружений, а также сканировать бетонные поверхности на предмет повреждений.
С помощью искусственного интеллекта аппарат выявляет микротрещины, которые легко пропустить при визуальном осмотре; более того, он способен сам выстраивать маршруты полетов и записывать результаты обследования прямо на SD-карту. Задача разработки — облегчить труд инспекторов, контролирующих состояние мостов, ведь старая инфраструктура подвергается все возрастающей нагрузке из-за транспортного потока и неблагоприятных погодных условий.
Сейчас система проверяется в лабораторных условиях. Коллектив рассчитывает показать ее возможности на действующем мосту. «Наш дрон может сделать проверки более безопасными, быстрыми и доступными», — пояснил Мюллер.
Ежегодного обследования в Германии требуют тысячи мостов: многие из них возводились с 1960-х по 1980-е годы и не рассчитаны на нынешние объемы трафика. Жара, мороз и прочие факторы окружающей среды способны серьезно повредить их бетонные поверхности.
Вместо человека с планшетом и камерой
Хотя выявление трещин как можно раньше критически важно для безопасности, традиционные методы проверки нередко отнимают много времени и зависят от человеческих ошибок. «Обычно инспекторы работают на объекте с планшетом и камерой. Такой подход требует больших усилий и чреват ошибками», — говорит Патрик Херберс, магистр наук, научный сотрудник университета и один из экспертов, участвующих в проекте.
Однако, как отметил Херберс, их дрон способен справиться с этими трудностями, поскольку может проникать туда, куда людям добираться сложно или опасно. Компактные размеры позволяют аппарату летать внутри узких полых секций бетонных мостов и сканировать окружающие стены на наличие трещин.
Одновременно устройство применяет технологию одновременной локализации и построения карты (SLAM): она дает автономным машинам возможность определять свое положение и параллельно картографировать незнакомую местность. Благодаря этому дрон ориентируется без внешних систем позиционирования.
Разработка базируется на нескольких технологических компонентах, которые исследователи объединили в единую компактную платформу. Помимо SLAM, дрон использует алгоритмы компьютерного зрения, обученные распознавать характерные признаки трещин на бетонных поверхностях, и систему планирования маршрута, которая позволяет аппарату самостоятельно обходить препятствия внутри полых секций моста.
Все вычисления выполняются без постоянной связи с оператором, что принципиально важно для работы в замкнутых пространствах, где радиосигнал нестабилен или отсутствует. Результаты обследования — изображения, координаты обнаруженных дефектов и данные о траектории полета — сохраняются на SD-карту, откуда их затем могут извлечь специалисты для дальнейшего анализа.
Отдельного внимания заслуживает вопрос энергопотребления и продолжительности полета. Компактные размеры аппарата накладывают ограничения на емкость аккумулятора, поэтому коллективу приходится искать баланс между вычислительной нагрузкой, массой сенсоров и временем автономной работы.
По словам разработчиков, архитектура системы проектировалась с расчетом на то, что дрон будет выполнять обследование участками, возвращаясь к точке старта или перемещаясь между зонами по заранее определенной логике. Это отличает его от аппаратов, управляемых оператором в реальном времени, и требует особенно тщательной проработки алгоритмов принятия решений.
Испытания и перспективы
Сейчас дрон испытывают в летной лаборатории кафедры теории управления и систем Рурского университета в Бохуме. Эта лаборатория находится в Центре разработки интеллектуальных систем производства и обслуживания (ZESS).
Лабораторные испытания позволяют исследователям отрабатывать сценарии, которые сложно воспроизвести на реальном объекте: имитацию узких полостей, слабое освещение, наличие пыли и неровных поверхностей. В таких условиях проверяется устойчивость SLAM-алгоритмов, точность распознавания трещин и надежность автономного планирования маршрута.
Отдельно оценивается, насколько корректно система отличает реальные дефекты от теней, стыков и других особенностей бетонной поверхности, которые могут давать ложные срабатывания. Именно качество такой фильтрации во многом определит практическую ценность разработки.
Далее коллектив намерен проверить технологию на настоящем мосту, чтобы оценить, насколько хорошо она работает в реальных условиях. «Мы хотим продемонстрировать, что наш дрон работает не только в лабораторных условиях, но и на практике», — сказал Марсель Нойхаузен, доктор философии, научный сотрудник кафедры искусственного интеллекта и формальных методов Рурского университета в Бохуме.
Хотя опасения возможны, исследователи подчеркивают: инспекторов-людей дрон не заменит. Его дело — собирать данные о проверках и помечать критические участки, тогда как окончательную оценку структурных повреждений по-прежнему будут давать квалифицированные специалисты.
По мнению научной группы, это способно ускорить цифровизацию проверок инфраструктуры и смягчить проблему растущей нехватки специалистов по инспектированию мостов. «Количество специалистов по инспектированию мостов сокращается, требования растут, а мосты не становятся моложе», — заключил Мюллер в пресс-релизе.
Экономический эффект, на который рассчитывают авторы проекта, связан не только со снижением трудозатрат, но и с возможностью проводить более частые обследования без пропорционального роста расходов. Регулярный мониторинг позволяет выявлять деградацию конструкций на ранних стадиях, когда ремонт обходится дешевле, а риск внезапного отказа снижается.
Для Германии с ее плотной транспортной сетью и значительным парком мостов, построенных в прошлом веке, такая модель обслуживания может оказаться особенно востребованной. При этом исследователи подчеркивают, что речь идет о дополнении существующих процедур, а не об их замене.
В более широкой перспективе проект вписывается в общий тренд на цифровизацию инфраструктурного надзора. Накопленные данные об обследованиях можно объединять в цифровые двойники сооружений, отслеживать динамику изменений и планировать работы на основе фактического состояния конструкций, а не только нормативных сроков.
Однако для перехода к такой практике потребуется решить вопросы стандартизации форматов данных, сертификации автономных систем и интеграции результатов в существующие регламенты инспекции.
Разработчики из Бохума видят свою задачу в том, чтобы предложить работающий инструмент, который пройдет проверку на реальном мосту и докажет свою пригодность для повседневного использования.
