Освоение Арктики и Мирового океана

Мировой океан — это непрерывная водная оболочка, которая составляет 94% от всей воды на поверхности нашей планеты. Остальные 6% — это воды суши, но и они связаны с Мировым океаном через круговорот молекул.
Мировой океан занимает 71% поверхности Земли. Конечно, от состояния этой огромной территории зависит благополучие всей планеты. На всех этапах развития человеческой цивилизации Мировой океан был одним из важнейших источников поддержания жизни на Земле. Хорошо известен его вклад в стабилизацию климата, круговорот веществ, обеспечение кислородом, поддержание биоразнообразия.

В обозримом будущем Мировой океан может стать основным источником ресурсов, включая энергетические, а также средой постоянного обитания части человечества. Основной путь решения проблемы использования Мирового Океана — рациональное природопользование, сбалансированный, комплексный подход к его богатствам, основанный на объединении усилий всего мирового сообщества. Спектр вызовов, для обеспечения такого подхода, обширен:

– Безопасное судоходство, включающая цифровую навигацию (E-navigation) и связь,
– Инновационное судостроение,
– Освоение подводных ресурсов: картирование рельефа морского дна для упрощения морской геологоразведки, разработка подводной робототехники, подводная связь,
– Экологический мониторинг поверхности Мирового океана,
– Аквакультура, эффективное рыбоводство и рыболовство.

По этим разделам школьникам предложены проекты, в результате выполнения которых будут найдены новые решения актуальных проблем освоения Мирового океана.

1. Нейронная сеть для черноморского планктона
2. Экофлот: беспилотные электрические суда и инфраструктура зарядных станций
3. Разработка программно-аппаратного комплекса для автономного управления судном при помощи методов машинного зрения
4. Aquabot Explorer — система комплексного визуального надводного и подводного мониторинга водных ресурсов
5. Модель глубоководного автономного дрейфующего буя для работы в высоких широтах
6. Электротермическая система на основе индукционных технологий для объектов Арктического шельфа

Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)

1. Нейронная сеть для черноморского планктона 

Руководитель проекта: Курков М.М.

Аннотация: Роль планктона в экосистеме любой акватории трудно переоценить, поскольку это необходимое звено биоценоза. Поэтому исследование планктона — необходимый компонент любой морской экспедиции. Этот проект имеет в своей основе создание технических средств, позволяющих выполнить это исследование в режиме интернета вещей. В рамках программы «Большие вызовы» планируется апробация приложения для взаимодействия с нейросетью. Для этого потребуется решить ряд междисциплинарных задач.

Одна из задач проекта — формирование голографических изображений планктона акватории Черного моря. Основным инструментом, формирующим поток данных для работы нейронной сети, является цифровая голографическая камера, которая является, по сути, павильоном для портретирования представителей планктона. Кроме экспериментальной работы с камерой, в проекте планируется сетный сбор планктонных проб акватории Черного моря и их обработка. 

Вторая задача — формирование обучающей и тестовой выборки. Обучающая и тестовая выборки будут сформированы из голографических изображений планктона, собранных сетным методом в акватории Черного моря. Инструментом для обработки данных этой съемки является нейросетевой алгоритм, реализованный в приложении. 

Третья задача — определение качества выбранной модели нейронной сети по результатам ее обучения и обработки тестовой выборки. 

Партнер проекта: Национальный исследовательский Томский государственный университет

2. Экофлот: беспилотные электрические суда и инфраструктура зарядных станций

Руководитель проекта: Бендер В.Е.

Аннотация: Задачи проекта:
1) Исследование эффективности внедрения электрических судов в морском транспорте
2) Исследование существующих решений электрических судов и систем зарядных станций
3) Разработка прототипа беспилотного электрического судна с модулем зарядки
4) Разработка прототипа автоматической зарядной станции 
5) Проведение натурных испытаний комплекса суда-станции на воде

Развитие электрических судов является актуальным направлением развития морского транспорта в настоящее время. Несколько факторов способствуют этому:

1) Растущее понимание необходимости снижения выбросов вредных веществ в атмосферу и борьбы с изменением климата, что требует перехода на экологически чистые технологии во всех отраслях экономики, в том числе в морском транспорте.
2) Развитие технологий батарей, позволяющих создавать более мощные и долговечные аккумуляторы, что позволяет увеличивать дальность плавания электрических судов и снижать затраты на эксплуатацию.
3) Повышение эффективности электромоторов, что позволяет создавать более мощные и быстроходные электрические суда.

Одной из главных проблем, связанных с использованием электрических судов, является необходимость создания инфраструктуры зарядных станций. Отсутствие достаточного количества зарядных станций приводит к ограничению дальности плавания электрических судов и увеличению времени простоя на станциях зарядки. Это ограничивает возможности использования электрических судов в морском транспорте и усложняет переход на экологически чистые технологии.

Проблемы, связанные с созданием инфраструктуры зарядных станций для электрических судов, включают в себя:

1) Высокие затраты на создание и обслуживание зарядных станций, что может быть неприемлемо для небольших портов и марин.
2) Необходимость обеспечения безопасности при зарядке судов, что требует соответствующей инфраструктуры и специальных технологий.
3) Ограниченная скорость зарядки, что может привести к увеличению времени простоя судов на станциях зарядки и, как следствие, снижению их производительности.
4) Необходимость установки зарядных станций на морских берегах или на плавучих объектах, что требует специальных инженерных решений и увеличивает сложность создания инфраструктуры.

Реализация проекта позволит создать новую технологически продвинутую систему зарядки для электрических судов, что обеспечит более эффективное и экологически чистое использование морского транспорта.

Проект реализуется совместно с направлением «Умный город и безопасность»

Партнеры проекта: ООО «НБИКС», Калининградский государственный технический университет, АО «Объединенная судостроительная корпорация», АО «Ситроникс», АНО «Национальный центр инженерных конкурсов и соревнований» 

3. Разработка программно-аппаратного комплекса для автономного управления судном при помощи методов машинного зрения

Руководитель проекта: Бабухин Н.И.

Аннотация: Проект программно-аппаратного комплекса включает систему навигации и детектирования объектов на воде. Платформа позволяет оценить окружающее пространство вокруг судна и построить траекторию его движения. Программное обеспечение платформы использует методы машинного зрения, основанные на алгоритмах SLAM.

Разработка проекта включает проработку дизайна интерфейса оператора, сборку «хардвара» и программного обеспечения, а также испытание комплекса в реальных условиях.  

Партнер проекта: ООО «СервисСофт»

4. Aquabot Explorer — система комплексного визуального надводного и подводного мониторинга водных ресурсов

Руководители проекта: Тамков П.И., Титов А.В.

Аннотация: Aquabot Explorer — это проект, направленный на создание системы надводной лодки с подключенным к ней мини-подводным роботом класса, предназначенной для исследования подводных областей и сбора данных для научных и коммерческих целей. Традиционные методы исследования подводных областей могут быть очень затратными и опасными для человека, а подводные роботы класса ROV имеют ряд ограничений в доступности и маневренности.

Aquabot Explorer использует комбинацию надводной лодки и мини-подводного робота, что позволяет исследовать большие глубины и малознакомые области. Система также может быть использована для сбора данных, необходимых для научных и коммерческих целей, таких как данные о качестве воды, состоянии морского дна, морских животных и растительности, а также для поиска затонувших кораблей и других объектов на морском дне. Aquabot Explorer предоставляет более безопасный, эффективный и доступный способ исследования подводного мира, что делает его потенциально полезным для научных исследований, охраны природы и морской промышленности.

Для управления надводной лодкой и подводным роботом используется высокотехнологичная система управления, которая позволяет оператору контролировать все аспекты работы системы и передавать команды на удаленное управление с помощью радиоуправления или интернета. Надводная лодка оборудована современными датчиками, такими как глубиномеры, камеры, GPS и компьютерными системами, которые собирают и обрабатывают данные в режиме реального времени. Подводный робот также оснащен камерами и датчиками, которые позволяют собирать данные из малознакомых областей под водой. Кроме того, система имеет потенциал для дальнейшего развития и усовершенствования, таких как улучшение энергоэффективности, добавление новых сенсоров и инструментов, увеличение глубины и дальности действия.

В целом, Aquabot Explorer является перспективным проектом, который может найти применение в различных областях, таких как наука, технологии, экология и морская промышленность. Aquabot Explorer может использоваться для многих задач, таких как обследование морской живности, изучение морской геологии, исследование морских рудных месторождений, поиск и исследование затонувших объектов, мониторинг состояния морской среды и многое другое. Благодаря своей гибкости и маневренности, система может быть использована как для работы на мелководье, так и для работы на больших глубинах, где традиционные методы исследования не могут быть применены.

Партнеры проекта: ООО «Смелком Роботикс», Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева

5. Модель глубоководного автономного дрейфующего буя для работы в высоких широтах

Руководитель проекта: Ловчиков Д.В.

Аннотация: Проект «Модель глубоководного автономного дрейфующего буя для работы в высоких широтах» – это увлекательная и актуальная идея. В рамках проекта участники познакомятся с различными датчиками и системами, используемыми в гидрологии, и научиться проектировать и создавать собственные устройства для сбора данных в глубоководных условиях. Кроме этого, команда пообщается с экспертом-океанологом и IT-специалистом по разработке онлайн-сервисов визуализации данных.

Ключевые задачи проекта включают:

- Разработка прототипа глубоководного буя с термокосой, датчиком ледяного покрова, датчиком солености, датчиком глубины, GPS-приемником и передатчиком.
- Изучение принципов работы датчиков и систем, а также их применения в гидрологических исследованиях.
- Проектирование и создание самостоятельно термокосы, датчика солености и датчика ледяного покрова, датчика концентрации растворенного углекислого газа.
- Тестирование и отладка готового прототипа, сбор и анализ данных.
- Построение модели поведения изучаемого участка акватории
- Написание веб-сервиса для визуализации получаемых данных.
- Обмен опытом и результатами проекта с другими школьниками, учеными и специалистами в области гидрологии и океанографии.

В рамках программы участники проекта получат навыки работы с различными инструментами и оборудованием, а также научатся применять свои знания и креативность для решения реальных задач в области науки и технологий. Попробуют свои силы в написании интерактивных веб-сервисов и анализе данных. Реализация проекта представляет собой уникальную возможность для школьников проявить себя в науке и сделать первый шаг на пути к будущей профессиональной деятельности.

Партнеры проекта: ООО «Марлин-Юг», Морской гидрофизический институт Российской академии наук

6. Электротермическая система на основе индукционных технологий для объектов Арктического шельфа

Руководитель проекта: Хлюпин П.А.

Аннотация: Проект направлен на создание системы электрического теплового нагрева на основе индукционных бесконтактных технологий.

Принцип индукционного нагрева основан на свойствах переменного магнитного поля, которое формирует в теле ферромагнитного металла вихревые замкнутые токи (токи Фуко). Благодаря этим токам происходит разогрев металла нагреваемого металлического объекта. И чем выше значение частоты, тем сильнее нагревается металл. Система состоит из индукционного кабеля, представляющего собой проводник состоящий из нескольких параллельных изолированных жил, который располагается на металлическом ферромагнитном трубопроводе. Кабель подключается к источнику питания, который преобразует электрическую энергию промышленной частоты 50 Гц в электрическую энергию частотой более 1000 Гц. Источник питания имеет встроенную систему управления, благодаря которой происходит изменение частоты и тем самым осуществляется регулирование температуры металла, а следовательно и температура воздействия на термозависимую жидкость.

Данная система позволяет предотвращаться застывания жидкости в пространстве трубопровода или резервуара за счет компенсации тепловых потерь, а также позволяет осуществить разогрев жидкости в случае застывания.

Партнер проекта: Уфимский государственный нефтяной технический университет