Рой дронов для поиска людей в зоне бедствия, группа автономных грузовиков на трассе или микросеть из солнечных панелей, которая сама балансирует нагрузку, — всё это примеры систем, где множество устройств работают сообща, принимая решения на основе локальной информации, без единого командного пункта. Учёные Научно-технологического университета «Сириус» разработали технологию управления такими системами, которая позволяет группе устройств достигать согласованности при минимальном обмене информацией, сохранять работоспособность системы при отказе части механизмов и решать ресурсоёмкие задачи в реальном времени с помощью математических моделей.
Современная робототехника, распределённая энергетика и интеллектуальные системы управления всё больше нуждаются в переходе от централизованных архитектур к децентрализованным. Когда решения принимает один центр, система становится уязвимой: если центр откажет, то перестанет работать всё. Когда же каждое устройство само решает локальные задачи и договаривается с соседями, система становится устойчивой к отказам, гибкой и масштабируемой. Особенно это важно в условиях, когда приборы не могут получить необходимый для корректной работы объём информации или же функционируют в условиях изменчивой среды, где часть устройств может внезапно выйти из строя.
Преимущество подхода, предложенного специалистами Научного центра информационных технологий и искусственного интеллекта Университета «Сириус», заключается в сочетании децентрализованного управления с применением биомиметических решений, то есть заимствованием принципов, необходимых для работы механизмов, у живой природы. В ходе работы над проектом «Мультиагентные технологии в робототехнических и распределённых вычислительных сложных системах» специалистам уже удалось создать и проверить на практике ряд алгоритмов. Разработанная ими система синхронизации логического времени работает на микроконтроллерах с точностью до микросекунд, а алгоритмы совместного отслеживания целей позволяют группе устройств сообща определять положение движущихся объектов.
Один из уже полученных результатов — система синхронизации логического времени на микроконтроллерах, дешёвых и распространённых чипах, которые используются в самых разных электронных устройствах, от датчиков движения до бытовой техники. Испытания показали, что устройства синхронизируются с точностью до микросекунд и быстро восстанавливают связь после потери сигнала. Эта часть работы уже проверена на реальном оборудовании.
Ещё одно направление проекта — наблюдения за муравьями — пока впереди. Учёные планируют создать экспериментальные стенды, чтобы понять, как насекомые без центрального управления согласованно решают сложные задачи. Полученные закономерности лягут в основу новых математических моделей и алгоритмов для робототехники.
«Наблюдения за муравьями помогут понять, как из действий отдельных особей возникает согласованная работа всей колонии и что заставляет её менять поведение при изменении условий. Нас особенно интересует, как личная память, контакты между насекомыми и оставленные ими следы вместе обеспечивают переход от поиска пищи к её регулярной доставке. По экспериментальным данным мы сможем проверить, какие механизмы действительно определяют эту динамику, и уточнить математические модели. Это также позволит искать общие принципы для создания систем, в которых группа роботов сама перестраивает совместную работу в ответ на изменения среды», — рассказывает заместитель руководителя группы Научного центра информационных технологий и искусственного интеллекта Научно-технологического университета «Сириус» Иван Ломакин.
Сфера практического применения технологии очень широка. В мобильной робототехнике разработанные технологии помогут координировать рои дронов и наземных роботов при поисково-спасательных операциях, мониторинге территорий и сельскохозяйственных работах. В энергетике — управлять микросетями с возобновляемыми источниками и балансировать нагрузку. В транспорте и логистике — координировать автономные транспортные средства и оптимизировать загрузку и маршруты. Для обычных людей внедрение этих технологий обернётся повышением безопасности автономного транспорта, более надёжным энергоснабжением и оперативным реагированием спасательных служб.
Автор: Денис Новиков