Разработка алгоритмического и программного обеспечения наземной компоненты системы компьютерного зрения беспилотных летательных аппаратов

В настоящее время в России и за рубежом существует актуальная проблема мониторинга и выявления противоправных действий на опасных технологических объектах. Для её решения предлагается использовать беспилотные летательные аппараты (БПЛА) с интеллектуальными системами компьютерного зрения (СКЗ), позволяющими решать задачи распознавания на изображениях земной поверхности объектов различной физической природы в режиме реального времени.
Магистерская диссертация посвящена созданию алгоритмического и программного обеспечения (ПО) информационной системы (ИС) наземной компоненты СКЗ. Разработанное ПО ИС позволяет управлять полетами БПЛА и оперативно принимать данные с БПЛА о фактах обнаружения инцидентов на технологических объектах.

Введение …………………………………………………………………………………………………. 11

1. Проектирование ИС наземной компоненты СКЗ ……………………………. 12

1.1 Требования к функциям наземной компоненты СКЗ………………………… 12

1.2 Концепция создания ИС наземной компоненты СКЗ ……………………….. 15

1.3 Модель SOA информационного пространства центра управления БПЛА
1.4 Особенности специализированной ESB …………………………………………… 19

1.5 Структура программного обеспечения центра управления БПЛА ……. 23

1.5.1 Выбор базового программного обеспечения…………………………….. 23

1.5.2 Выбор системы управления бизнес-процессами ………………………. 25

1.5.3 Системы автоматизированной интерпретации снимков с БПЛА . 27

1.5.4 Особенности структуры ПО центра управления ………………………. 28

1.6 Проектирование структуры базы данных…………………………………………. 30

1.7 Проектирование модуля «Активные БПЛА» и его взаимодействия с
ГИС QGIS……………………………………………………………………………………………… 32

2. Алгоритмическое обеспечение ИС наземной компоненты ……………… 34

2.1 Алгоритм кодирования данных ……………………………………………………….. 34

2.2 Алгоритм декодирования данных ……………………………………………………. 36

2.3 Алгоритмы взаимодействия модуля «Активные БПЛА» с БПЛА …….. 37

3. Разработка и апробация программных средств ИС НК ………………….. 43

3.1 Средства разработки модуля «Активные БПЛА» …………………………….. 43

3.2 Создание базы данных …………………………………………………………………….. 44

3.3 Проектирование и реализация графических интерфейсов и функций
просмотра снимков БПЛА …………………………………………………………………….. 46

3.4 Создание веб-сервисов кодирования и декодирования данных ………… 50
3.5 Методика и результаты анализа работы веб-сервисов кодирования и
декодирования данных ………………………………………………………………………….. 51

3.6 Способ взаимодействия модуля «Активные БПЛА» с БД при работе со
снимками ………………………………………………………………………………………………. 57

3.7 Отображение маршрутов БПЛА на карте ………………………………………… 58

3.8 Апробация взаимодействия ИС наземной компоненты с макетом
коптера …………………………………………………………………………………………………. 59

3.9 Внедрение результатов работы………………………………………………………… 61

4. Финансовый менеджмент и ресурсоэффективность ……………………….. 63

5. Социальная ответственность …………………………………………………………… 81

Заключение …………………………………………………………………………………………….. 98

Список публикаций ……………………………………………………………………………… 100

Список использованных источников ………………………………………………….. 101

Приложение A Разделы на иностранном языке ………………………………….. 106

Приложение Б Требования к интеллектуальной СКЗ ………………………… 123

Приложение В Руководство пользователя…………………………………………… 126

Приложение Г Акт внедрения результатов магистерской диссертации138

Для мониторинга опасных технологических объектов все чаще
используют БПЛА с соответствующими СКЗ. Для взаимодействия с
бортовой компонентой СКЗ необходимо создавать ее наземную компоненту.
В рамках НИР велась разработка алгоритмического и программного
обеспечения наземной компоненты СКЗ. При этом были получены
следующие научные и практические результаты.
1. Сформулирована концепция создания информационной системы
наземной компоненты СКЗ; предложена с использованием принципов SOA
архитектура единого информационного пространства центра управления
БПЛА, включающего информационную систему наземной компоненты СКЗ.
2. Осуществлен анализ подходящего для решения поставленных
задач стороннего программного обеспечения и выбраны базовые компоненты
программного обеспечения наземной компоненты СКЗ.
3. Разработаны алгоритмы взаимодействия ИС НК с БПЛА. В среде
геоинформационной системы QGIS создан функциональный модуль
«Активные БПЛА», реализующий данные алгоритмы. Разработаны
графические интерфейсы этого модуля для выполнения функции просмотра
принятых с БПЛА снимков.
4. Разработаны структуры БД для хранения данных о полетах БПЛА
и данных о нештатных ситуациях; осуществлено взаимодействие модуля
«Активные БПЛА» с БД при реализации просмотра снимков нештатных
ситуаций и отображения маршрутов БПЛА на карте.
5. Разработаны алгоритмы кодирования/декодирования данных и
осуществлена их реализация в виде веб-сервисов. Проведен анализ
работоспособности созданных веб-сервисов кодирования/декодирования
данных и приведено исследование эффективности различных способов
декодирования данных. Анализ полученных результатов позволил выбрать
оптимальные настройки веб-сервисов, а также показал, что веб-сервисы
работают корректно и с требуемой скоростью обработки данных.
6. Успешно проведена апробация ПО НК связи разработанного
модуля «Активные БПЛА» с макетом коптера на предмет передачи на борт
БПЛА команд и выполнения их коптером.
7. Основные результаты НИР внедрены в ООО «Центр
нефтегазовых технологий» (г. Томск), о чем свидетельствует акт внедрения.
8. Выполнена оценка экономической эффективности научно-
исследовательской работы. Разработка проведена в соответствии с
действующими нормами и стандартами безопасности.
9. Результаты исследований докладывались на XVII
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» и
опубликованы в виде двух статей.
Список публикаций

1. Кузнецова Т.В., Марков Н.Г.; Программное обеспечение
наземной компоненты системы компьютерного зрения // Молодёжь и
современные информационные технологии: сборник трудов XVII
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов,
молодых учёных (г. Томск, 17-20 февраля 2020 г). / Томский
политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического
университета, 2020. – С. 310-311.
2. Рыжова С.Е., Кузнецова Т.В.; Программная реализация веб-
сервисов кодирования и декодирования информации и методика их
тестирования // Молодёжь и современные информационные технологии:
сборник трудов XVII Международной научно-практической конференции
студентов, аспирантов, молодых учёных (г. Томск, 17-20 февраля 2020 г). /
Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета, 2020. – С. 117-118.