Роль беспилотных авиационных технологий в развитии системы роботизированных и автономных решений

Беспилотные авиационные технологии (БАТ) в настоящее время являются одними из наиболее перспективных решений, которые находят широкое внедрение в различных отраслях экономики, позволяя решать широкий спектр задач и достигая существенных экономических эффектов. Их изучение особенно важно в контексте роботизированных и автономных решений, поскольку в настоящее время именно БАТ играют ключевую роль в создании высокоэффективных автономных систем, способных работать в различных условиях, в том числе посредством интеграции с существующими решениями.

Практическое применение данной группы технологий приводит к значительному росту производительности, оптимизации бизнес-процессов и снижению затрат, что в целом имеет важное значение для

ГРНТИ 06.73.15

EDN CTYOLF

Глеб Игоревич Турканов – соискатель кафедры экономики промышленности РЭУ им. Г.В. Плеханова (г. Москва). ORCID 0009-0001-2199-2681

повышения конкурентоспособности и устойчивости предприятий. Однако БАТ также обладают значительным потенциалом, благодаря которому данная группа технологий в ближайшей перспективе будет являться одним из драйверов экономического развития и технологического прогресса, что, несомненно, свидетельствует об актуальности рассматриваемой темы.

Целью данного исследования является изучение роли БАТ как составляющей системы роботизированных и автономных технологий, а также выявление перспективных направлений их дальнейшего развития. Структура данной работы представлена следующими разделами: в разделе 2 выделены основные характеристики системы роботизированных и автономных решений, в разделе 3 отражено место БАТ в данной системе, включая анализ основных сходств и различий с ее компонентами и основных преимуществ БАТ, в разделе 4 представлены основные перспективные направления развития БАТ, в разделе 5 приводятся выводы по результатам исследования.

Основные характеристики современной системы роботизированных и автономных решений.

Система роботизированных и автономных решений представляет собой комплекс взаимосвязанных технологических компонентов, состоящий из роботизированных систем (устройства, выполняющие физические действия, определенные манипуляции с объектами, а также механические операции), автономных технологий (интеллектуальные системы, способные к самостоятельному принятию решений без постоянного контроля со стороны человека), а также программно-аппаратных средств (включают сенсоры, программное обеспечение, алгоритмы искусственного интеллекта (ИИ), системы управления и связи). Подобные технологические решения обеспечивают высокую эффективность и точность проводимых операций, снижают затраты и риски, а также повышают уровень безопасности и производительность процессов.

Несмотря на то, что роботизированные и автономные решения образуют единую систему, в то же время они в значительной мере отличаются как с точки зрения применяемых технологий, так и целей практического применения. В частности, использование роботизированных решений в основном направлено не столько на автоматизацию процессов, сколько на физическое взаимодействие с окружающей средой, а также манипулирование объектами. Основная цель их практического использования -замена человеческого труда в повторяющихся (монотонных) и/или опасных производственных процессах [7]. В настоящее время существует значительное количество разнообразных роботов [3]. Например, на многих промышленных предприятиях используются роботизированные манипуляторы, которые выполняют повторяющиеся задачи (сварка, сборка, покраска) по заранее запрограммированным алгоритмам. В целом применение роботизированных систем с экономической точки зрения направлено на рост производительности, повышение качества продукции и снижение операционных расходов.

Автономные решения часто используются для оптимизации процессов, снижения затрат и повышения эффективности работы. Подобные решения подразумевают достаточно высокий уровень самостоятельности системы, включая способность принимать решения в режиме реального времени и адаптироваться к изменяющимся условиям, что качественно отличает их от группы автоматизированных решений, которые направлены исключительно на выполнение рутинных процессов. В целом применение автономных систем приводит к расширению функциональности, гибкости и созданию новых бизнес-моделей. Автономные системы часто активизируют инновации за счет внедрения новых алгоритмов и ИИ, что может влиять на рыночную динамику и структуру занятости. Примерами автономных решений являются: автоматизированные линии на заводах, системы управления данными и технологическими процессами.

Внедрение роботизированных и автономных решений оказывает существенное влияние на экономику. В целом, использование подобных решений в разных отраслях экономики приводит к следующим положительным эффектам:

• •    снижение затрат и повышение эффективности за счет сокращения расходов на рабочую силу, снижения операционных издержек, а также роста точности выполнения как рутинных, так и сложных задач, что особенно важно в производственных и логистических процессах, где роботы и автономные системы могут работать быстрее и стабильнее, чем люди;

• •    рост производительности и качества за счет уменьшения длительности производственных циклов, улучшения систем контроля качества, а также оптимизации систем управления технологическими

процессами. Это в целом приводит к повышению общей производительности предприятий и росту конкурентоспособности;

• •    рост уровня безопасности за счет применения роботизированных и автономных решений в опасных для человека условиях, что снижает вероятность травм и способствует сохранению человеческих ресурсов;

• •    расширение инновационных возможностей за счет внедрения новых подходов в управление и анализ данных (например, использование ИИ, машинного обучения), что открывает новые рынки и создает дополнительные возможности для коммерциализации;

• •    повышение гибкости и адаптивности: автономные решения могут адаптироваться к изменяющимся условиям, принимать решения в режиме реального времени и работать в условиях неопределенности. Так, в настоящее время некоторые производственные системы могут перестраивать производственные линии в зависимости от типа и объема заказов.

В то же время, в работе З. Мирхамидовой упоминаются и отрицательные эффекты от внедрения автономных и роботизированных решений [10]. В частности, к ним следует отнести безработицу (потерю работы в секторах, которые могут быть легко автоматизированы), неравенство (более уязвимыми при распространении этих процессов являются определенные слои населения, например люди, не имеющие высшего образования), а также социальные проблемы (рост уровня преступности и социальной напряженности вследствие безработицы). Негативное влияние от внедрения роботизированных и автономных решений в производственные процессы было эмпирически подтверждено в [1; 2], в то же время, существуют работы, в которых выявлено положительное влияние роботизации на показатели производительности труда [15].

БАТ как составляющая системы автономных и роботизированных решений

Важной частью системы роботизированных и автономных решения на современном этапе технологического развития являются БАТ, которые объединяют как роботизированные (поскольку включают механические системы управления), так и автономные решения (за счет внедрения интеллектуальных алгоритмов управления, которые позволяют устройствам действовать автономно или полуавтономно). При этом, как часть системы роботизированных и автономных решений, БАТ во многих случаях используют те же базовые технологические решения, что и роботизированные и автоматические системы (например, сенсоры, системы навигации, машинное зрение, ИИ).

Как часть системы роботизированных и автономных решений, важно выделить основные сходства БАТ с основными ее составляющими, среди которых: автоматизация и автономность (это связано с использованием алгоритмов управления, ИИ и сенсорных технологий для автономного или полуавто-номного выполнения задач); возможность удаленного управления (наземные, морские и воздушные роботизированные системы могут управляться удаленно, обеспечивая безопасность операторов и минимизируя человеческие риски); способность интегрироваться в мультиагентные системы (в рамках таких систем дроны, наземные и морские роботы могут действовать совместно, образуя единые системы для выполнения сложных задач).

Например, в работе Liu et al. приведены примеры успешного взаимодействия между БАС и наземными роботами, в рамках которого дроны, например, могут быстро проводить воздушный обзор большой территории, выявлять участки с повреждениями или потенциальными проблемами в инфраструктуре, а наземные роботы – выполнять детальный осмотр, ремонт или мониторинг этих участков [8]. Такое взаимодействие сокращает время реагирования, а также снижает затраты на проведение мониторинга объектов инфраструктуры.

БАТ также существенно отличаются от системы роботизированных и автономных решений. Это связано в том числе с их большей мобильностью и более широким охватом территории. Так, использование дронов является наиболее эффективным решением для мониторинга инфраструктуры в горных и труднодоступных районах, где доступ ограничен [11]. Благодаря способности покрывать большие площади, БАТ эффективно используются для обследования обширных территорий в сельском хозяйстве с целью мониторинга состояния посевов, оценки урожайности, а также для выявления болезней и вредителей [16]. При этом БАТ лучше других технологических решений подходят для выполнения ряда специфических задач. Так, в работе Michael et al. показано, как микро-беспилотники, могут эффективно использоваться для проведения поисково-спасательных операций в чрезвычайных ситуациях [9]. Возможность быстрого и точного обследования малодоступных зон позволяет существенно снижать риски для людей и ускорять оперативное реагирование на нестандартные ситуации.

При этом, также важно выделить ряд ключевых преимуществ БАТ, которые в дальнейшем обеспечат их развитие и повысят уровень практического использования в экономике. Так, эта группа технологий в целом обладает высокой скоростью и оперативностью выполнения поставленных задач. В частности, БАС могут быстро перемещаться в воздушном пространстве, обеспечивая практически мгновенный сбор информации даже над обширными или труднодоступными территориями. Это особенно важно при выполнении таких задач, как мониторинг стихийных бедствий, аварий на крупной промышленной инфраструктуре или наблюдение за протяженными объектами (линии электропередач, трубопроводы). Развитие БАТ позволяет оснащать БАС современными каналами связи (например, 4G/5G), что обеспечивает передачу данных в режиме реального времени. Операторы и центры управления могут получать актуальные сведения о ситуации и своевременно реагировать на изменения обстановки.

Кроме того, использование БАТ позволяет получать доступ к удаленным и опасным зонам. Современные БАС могут успешно заменять пилотируемую авиацию во время работ в зонах с повышенной опасностью (пример: химически загрязненные районы), поэтому жизнь и здоровье людей не подвергаются неоправданному риску. В то же время, при наступлении стихийных бедствий (наводнения, пожары, землетрясения) БАС обеспечивают быстрый сбор данных о масштабах разрушений, помогая планировать спасательные операции и распределять ресурсы.

Использование БАТ приводит к сокращению расходов на рабочую силу. Например, применение дронов для контроля инфраструктурных объектов (мосты, трубопроводы, линии электропередач) исключает или значительно снижает потребность в экипажах инспекционных судов, вертолетов и других пилотируемых средств, что в итоге уменьшает затраты на оплату труда. Кроме того, сокращение количества людей, непосредственно вовлеченных в рискованные или сложные технические работы (например, на морских нефтяных платформах, в подводных или горных районах), также приводит к снижению расходов на страхование и компенсации.

Использование БАТ обладает высокой адаптивностью и гибкостью. Благодаря конструктивным особенностям, многие модели БАС имеют стандартные крепления и интерфейсы, что позволяет в короткие сроки заменять или устанавливать новые модули полезной нагрузки (фото- и видеокамеры, тепловизоры, лидары, спектральные датчики и т.д.). Это означает, что один и тот же дрон может применяться в разных отраслях – от сельского хозяйства (анализ состояния посевов) до энергетики (контроль ветроэнергетических установок).

В целом, гибкость БАС проявляется как в возможности универсального применения (одна платформа обслуживает несколько типов задач), так и в создании узкоспециализированных дронов (к примеру, для инспекции туннелей или определения уровней загазованности). Это представляет компаниям и организациям свободу выбора: либо использовать один тип системы для разных миссий, либо оптимизировать дрон под конкретную задачу.

Кроме того, развитие БАТ также приводит к созданию новых бизнес-моделей и даже сегментов рынка. Например, недавно появились услуги по доставке грузов и посылок с помощью дронов. Среди наиболее известных проектов по внедрению беспилотной доставки – Amazon Prime Air (компании Amazon), Parcelcopter (DHL), Project Wing (Google) и Matternet (Swiss Post) [4]. Их целью является использование дронов для доставки небольших посылок (до нескольких килограммов) непосредственно клиенту в кратчайшие сроки, что приводит к снижению расходов и упрощению доставки в рамках «последней мили» (last mile). Кроме того, многие компании также начали предлагать услуги по сбору, анализу и обработке данных, получаемых беспилотными летательными аппаратами (БПЛА). Такие услуги включают мониторинг состояния полей, оценку ущерба от стихийных бедствий, осмотр зданий и сооружений, а также топографическую съемку.

Ключевые перспективные направления развития БАТ

В настоящее время БАТ продолжают стремительно развиваться, что в дальнейшем будет способствовать их еще более активному внедрению в новые отрасли и позволит решать большее количество задач с их помощью. Следует выделить ряд перспективных направлений, которые окажут наибольшее влияние на развитие БАТ в ближайшей перспективе. Так, более активная интеграция БАТ с ИИ и машинным обучением позволит создавать автономные системы, способные к обучению и адаптации в режиме реального времени, что приведет к улучшению навигации, повышению качества принятия решений и эффективности выполнения задач [6].

Важным направлением также является интеграция БАТ с сетями поколения 5G (в перспективе – 6G), что приведет к росту скорости передачи данных. Это критически важно для задач, требующих обработки информации в режиме реального времени (например, дроны, использующие сети 5G, могут мгновенно передавать изображения/видео в высоком разрешении в центр управления, что повышает точность принятия решений и снижает риски ошибок/аварий). Сети стандарта 5G обеспечивают стабильную, устойчивую связь с минимальным риском прерываний, что повышает безопасность использования БАС в сложных условиях (например, беспилотники, интегрированные с сетями 5G, способны безопасно и эффективно выполнять полеты в городских условиях, избегая столкновений с препятствиями и другими воздушными судами).

Использование стандарта 5G также позволяет одновременно поддерживать большое количество подключенных устройств, что открывает возможности для одновременного управления целым флотом беспилотников. В то же время, в работе Geraci упоминается, что переход к стандарту 6G позволит активнее интегрировать БАТ в систему городского воздушного транспорта за счет развития воздушных такси [5]. Это в целом может привести к снижению нагрузки на транспортные системы мегаполисов и уровня потребления топлива.

Перспективным для БАТ также является направление изменение используемых для производства БПЛА материалов. Например, применение новых легких и прочных материалов (углеродное волокно, графен, полимеры с углеродными нанотрубками) позволяет значительно снизить вес БПЛА, что приводит к снижению уровня энергопотребления, увеличивает продолжительность и дальность полета. В работе П. Путилиной и др. показано, что в настоящее время в производстве более 80% БПЛА используются полимерные композитные материалы [13].

При этом перспективным является использование при производстве дронов самовосстанавливаю-щихся покрытий (self-healing materials) – инновационных материалов, способных автоматически восстанавливать структуру дрона после получения механических повреждений (царапины, трещины, микроповреждения), возникающих из-за погодных факторов, механического износа или контакта с препятствиями [12]. Использование подобных материалов в ближайшей перспективе приведет к более активному развитию алгоритмов мониторинга состояния поверхности дрона в режиме реального времени и сокращению количества сервисных проверок, что делает беспилотные технологии более рентабельными.

Еще одним важным направлением развития БАТ является совершенствование систем безопасности и предотвращения столкновений, что обеспечит интеграцию дронов в общее воздушное пространство с максимальным уровнем безопасности [14]. В густонаселенных районах любое столкновение может привести к серьезным последствиям не только для самого БПЛА, но и для наземных объектов и людей. Надежные системы обнаружения и предотвращения столкновений позволяют дронам безопасно выполнять миссии, минимизируя риск инцидентов. В целом повышение уровня безопасности может быть достигнуто за счет более активного использования компонент систем обнаружения (радиолокационные датчики, оптико-электронные системы, лидары и ультразвуковые сенсоры), алгоритмов обработки данных и принятия решений (современные системы используют технологии ИИ для анализа данных с различных сенсоров с целью прогнозирования их траектории), а также интеграции с авиационными системами (например, ADS-B и TCAS).

Заключение

В данной работе было показано, что БАТ как части системы автономных и роботизированных решений присущи автономность и автоматизация, возможность удаленного управления, а также способность интеграции в мультагентные системы. В то же время, данная группа технологий по сравнению с другими составляющими анализируемой системы обладает большей мобильностью и более широким охватом территории, а также является более эффективной при выполнении ряда специфических задач (например, проведение поисково-спасательных операций).

В исследовании были выделены преимущества БАТ по сравнению с другими технологическими решениями: высокая скорость и оперативность выполнения поставленных задач, возможность получения доступа к удаленным и опасным зонам, сокращение расходов на рабочую силу, высокая адаптивность и гибкость, а также способность создавать новые бизнес-модели и сегменты рынка. Таким образом, БАТ обладают уникальными преимуществами, дополняя и расширяя функциональные возможности наземных и морских роботизированных и автономных систем, что в перспективе может значительно увеличить экономическую эффективность и инновационный потенциал интегрированных мультиагент-ных решений.

Кроме того, в работе также были выделены ключевые перспективные направления развития БАТ, среди которых: более активная интеграция с ИИ, машинным обучением и сетями поколения 5G, внедрение новых материалов для производства БПЛА, а также совершенствование систем безопасности и предотвращения столкновений.