Полеты под водой: борьба за автономию

[mary_spiri]

Океанология, она же океанография, наука исключительно дорогая. Один день использования научного корабля стоит от 15 до 20 штук зеленых, и эти деньги идут на оплату горючего, зарплаты команде, продуктов, всяческих портовых взносов, и общее поддержание судна в рабочем состоянии. Естественно, технический прогресс пытается заменить корабли всевозможными роботами разной степени автономности. Самые распространенные на данном этапе это глайдеры.

Выглядят они как игрушечные самолетики от полутора до двух метров длиной, все как положено, крылья и хвост, а внутри - электрические батареи максимально доступной мощности, и целая гора разнообразных сенсоров мерить соленость, температуру, концентрацию кислорода в воде, флюоресценцию пигментов типа хлорофилла, и т.д. и т.п., чем больше, тем лучше. Еще глайдеры несут систему спутникового телефона (Иридиум), и спутниковые навигаторы. Будучи выпущены в океан, глайдеры двигаются по синусоиде от поверхности до океанического дна, они погружаются и всплывают по тому же принципу, что подлодки: наполняют цистерны, чтобы пойти вниз, спускаются до 2-3 метров ото дна (по радару), и потом сбрасывают воду из цистерн, чтобы подняться на поверхность. Скорость движения у них небольшая, пол-узла, поэтому они обычно не могут выплыть против даже слабого течения. И тут-то кончается их автономность: условия в океане меняются постоянно, течения усиливаются или наоборот, поэтому каждый раз, когда глайдеры поднимаются на поверхность, они должны получить команду о дальшейшем движении по спутниковому телефону от оператора на берегу. На обычных глубинах, где летают глайдеры, до 1000 метров, один шаг синусоиды занимает от 20 мин до часа. Стало быть все то время, что глайдер летает, а батарей им нынче хватает на 3 недели, на берегу сидит оператор и ждет звонка от своего глайдера, контролирует его траекторию, и поправляет ее с учетом течений и прочих движений воды. Занятие это крайне нервное, требует нескольких человек, и еще команду, которая занимается моделированием обстановки в раионе, где летает глайдер. И еще нужен хороший прогноз погоды: глайдер после завершения миссии надо отлавливать. Если погода хорошая, а заряд в батареях остался, то проблем нет, глайдер ведут к научному кораблю, он всплывает, и его поднимают на борт лебедкой. Однако же местное Орегонское побережье не балует хорошей погодой, и например зимой бывают периоды, когда месяцами волны слишком велики не только для доставания глайдера из воды, но и просто для выхода научного корабля в океан (больше 7-8 метров). А если в это время у глайдера закончится заряд в батареях, то найти его будет невозможно, и эти вот 150-200  штук зеленых, которые ушли на покупку самолетика и начинки, будут просто потеряны. Да и не только зимой бывает непогода, тут давеча в апреле научный рейс отменили после одного дня в океане, когда волны поднялись до 11 метров. Так что пилотирование глайдеров - занятие не для слабонервных. Поэтому постоянно появляются идеи создания полностью автономного глайдера, которого можно отправить в океан без надзора, задать ему миссию, а он все сделает, и сам вернется. И при этом системе нужно самой решать возникающие проблемы, самообучаться, если условия меняются, находить выход из положения, не контактируя с оператором.  Идея-то конечно привлекательная, но вот что касается осуществления, то тут первый блин вышел комом.

Первый полностью автономный глайдер сделали около 2003 года, и принялись его тренировать для самообучения: он должен был сам определять себе траекторию из пукнта А в пункт Б, сам находить объекты рельефа на дне (какой-нибудь подводный хребет, остров), сам корректировать курс, встречая течение, сам отслеживать глубины и рельеф дна, а так же появляться на поверхности в строго определенное время. И все шло прекрасно и замечательно до тех пор, пока не решили, что глайдер уже обучился, и можно его отправлять в первую серьезную миссию. И под большие фанфары запустили умный глайдер под лед в Северном Ледовитом Океане, чтобы он промерил несколько сотен синусоид между дном и поверхностью. Причем запустили его весной, когда льда было очень и очень много, решивши, что миссии подо льдом, это круто. Вот только не осознали то, что плавающий лед сильно меняет свойства поверхности, до полной неузнаваемости. Так что бедный глайдер, когда он принялся определять свое положение в толще воды, внезапно выявил два дна, и ни одной поверхности. А его знание, запрограммированнное и приобретенное обучением, не предусматривало, что может быть более одного дна. И тут проявилась типично американская черта, которую американские ученые осознанно или неосознанно, но привили бедному глайдеру: ни шагу назад, только вперед, даже если миссия невыполнима, то Том Круз справится. Вместо того, чтобы обнаружив два дна, вернуться обратно в точку начала, к кораблю-матке, глайдер отправился в поиск, найти места, где дно всего одно, и есть поверхность. И искать он отправился  на север, ибо в конечном счете там лежало его задание, но отправился не напрямую, а зигзагом, чтобы покрыть побольше расстояния, как положено, когда что-то ищешь. Прошло несколько дней, пока на корабле осознали, что-то не то проиходит. Глайдер разок нашел -таки небольшую полынью, и позвонил по телефону, сообщил, что пошел дальше на север искать места, где всего одно дно, чтобы там выполнить свое задание. Так как подразумевалась полная автономия, то передав сообщение, глайдер опять ушел под лед, не ожидая команд. И тут-то океанологи осознали, что этот упорный Том Круз будет пытаться сделать невыполнимое, пока у него не кончатся батареи, а после этого окончательно затеряется подо льдом в Арктике. Корабль был большой, у него была пара вертолетов, и следуюшие недели вертолеты летали надо льдом, садились в определенных местах, бурили лед, опускали вниз электронное ухо/сонар/радар и прочее, и пытались определить, нет ли где поблизости глайдера. Нашли его примерно за 4 часа до окончательной разрядки батарей, успели загнать в него команду никуда не плыть, и ждать, и все-таки смогли его как-то извлечь из подо льда. Ура, спасли четверть миллиона зеленых американских бабок. И похоже осознали, что спешить с автономией не надо, пусть лучше глайдеры слушаются своих операторов, в конце концов, даже Том Круз не смог бы выполнять свои невыпоплнимые миссии без команды.

Comments

[z361.livejournal.com]

Я ни разу не специалист, но неужели в этом случае с глайдером не было предусмотрено именно возможности дать аварийную стоп-команду для оператора при каждом сеансе связи? И второе, батарея для спутниковой связи должна быть автономна от остальных батарей и с запасом перекрывать время задания, разве нет? (это я не ум задним числом демонстрирую, а интересуюсь, без подковырок). Видимо, после этого инцидента полная автономность в течении всего задания наступит нескоро. Очень хочется ссылок и имён собственных в конце таких историй, если они в этом журнале будут ещё (не, в гугле пока не забанили), именно потому что случай интересный, хотя, кмк, нехарактерный для Америки (но Вам лучше знать, как живущей и продвигающей науку там давно). Здорово пишете и про Японию, и про океанологов. Спасибо Вам!

[mary-spiri.livejournal.com]

Спасибо за комментарий, попробую ответить: главная проблема в случае с глайдером была в том, что его программированием занимались несколько "юношей бледных со взором горящим", которые сразу надеялись совершить прорыв, считая себя умнее всех. А идея была именно в полной автономии: в наличие имеется множество глайдеров, которых гоняют операторы, каждый раз, как он всплывает, то получает команду, что делать дальше, тут ничего нового нету, и стоят они недорого ($150-250К, в зависимости от начинки). Конечно вы правы, надо было предусмотреть аварийное прерывание миссии по команде оператора, но ведь они хотели вообще от оператора отказаться, типа глайдер сам летает, а мы сидим у себя в универе и не паримся. Насчет батареи: это самое слабое звено, хорошие батареи очень дороги, и я не знаю ни одного агрегата, который имел бы больше 3 недель автономии без подзарядки. Там сделана другая система: когда в батарее остается заряда меньше критической величины, он начинает выключать наименее важные функции, по очереди. Естественно, спутниковая связь остается последней, ее не выключают до конца. Сначала затыкаются сенсоры, потом потихоньку навигация, в конце концов, глайдер последний раз всплывает, вырубает навигацию до конца, и раз в определенные интервалы времени выходит на спутниковую связь и сообщает свои координаты. Но во время затяжных штормов все это мало помогает, вытащить глайдер можно только, когда погода позволит. Поэтому иногда, когда надвигается окошко в непогоде, народ устраивает очень рискованные миссии по спасению глайдера, а на берегу сидит на связи и тихо седеет от непомерной ответственности. Наш Директор уже почти совсем седой. Либо же, если окошка погоды нету, все надеются, что глайдер выбросит на берег, здесь полно длинных песчаных пляжей, либо что он попадет к рыбакам в сети, откуда его нам потом вернут. Наша контора называется CMOP: Center for Coastal Observation and Prediction (Oregon Health and Science University).

[z361.livejournal.com]

Прочёл о проекте SATURN, Ольхе, Стике, Кэти Рэсмелл и её Фебе, даже отрывок кода с данными погружения на экране ноута рассмотрел; жаль только, что данные со страницы глайдера (насколько я понял, он в океане с конца апреля) не получилось сгенерировать - выдаётся "no data available for specified time range" на любой интервал с 23.4.12 по 6.6.12 (независимо от браузера и OS), видимо, дело в IP или не особо прямом скрипте. Карта дна тихоокеанского побережья и течений заполняется не в последнюю очередь благодаря вашему центру, так? Раньше только из книги Городницкого океанология обтретала смутные черты для неспециалиста, теперь ракурс куда более наглядный, пишите, если найдёте время, ещё! И благодарю за подробные пояснения.

[mary-spiri.livejournal.com]

Данные не выдаются без регистрации. Если отправить запрос на регистрацию и доступ к данным с указанием имени и института, то скорее всего вам этот доступ дадут без ограничений. Как региональный центр, мы должны помогать всем, кто хочет данных. Наше финансирование идет от Национального Фонда Науки, и для этого нашим нужна подробная регистрация пользователей, для статистики. Центров таких здесь несколько, есть в Сиэттле, Калифорнии и на Гаваиах, поэтому мы в основном занимаемся своим куском побережья и рекой Колумбия. наши глайдеры (включая Фиби) не автономны, летают по команде. Вся эта история с програмированием автономного глайдера случилась не с нами, а с Woods Hole Oceanography Institute. Не думаю, чтобы ее кто-то где-то описывал из журналистов, она ходит как анекдот (всеми любимый) в океанологических кругах и на научных кораблях, без упоминания конкретных имен (типа кому надо, тот знает, а так нечего мусор из избы выносить).