Разумный рой: как работает алгоритм управления групповой робототехникой

Роботы давно стали частью повседневной жизни людей, на улицах мегаполисов можно встретить роботов-доставщиков или роботов-гуманоидов, а в домах появились роботы-пылесосы и роботы-мойщики окон. Но как сегодня продолжают развиваться эти технологии, все больше трансформирующие представление о взаимодействии человека и машин?

Кандидат технических наук Андрей Куликов разработал алгоритм для управления группами разнотипных робототехнических средств, который не просто координирует действия роботов, но и позволяет интегрировать и учитывать в процессе базовые показатели человека. Доцент МИРЭА — Российского технологического университета (РТУ МИРЭА) рассказал Наука.РФ, как распределять задачи между дронами и людьми, почему искусственный интеллект не заменит ученых, и когда российские мультифункциональные роботы начнут убирать городские улицы.

 — Андрей, как получилось, что Вас заинтересовала робототехника?

 — Техническое направление я выбрал неслучайно, у меня в роду преобладали инженерные и военные специальности, история моей семьи известна мне до 1892 года включительно. Проанализировав эти факты, в 11 классе я выбрал профессию инженера и поступил в Московский государственный университет приборостроения и информатики (МГУПИ), вошедший впоследствии в РТУ МИРЭА. Окончив первые два курса на кафедре, специализирующейся на системах автоматизированного проектирования, меня заинтересовала работа кафедры специального приборостроения. Ее заведующий Владимир Константинович Ильков смог привить мне интерес к науке, среди предложенных им тем было направление робототехники. Я зажегся и стал развиваться в этой сфере, а на четвертом курсе принял участие в международном конкурсе ИННОСТАРТ (InnoStart), с разработкой многофункционального робототехнического средства. Некоторые направления этого проекта я развил уже при подготовке кандидатской диссертации.

 — Ваше исследование посвящено групповой робототехнике?

 — Да, меня интересовали те группы робототехнических средств, где воздушные и наземные объекты могут взаимодействовать в одной системе. Мое научно-исследовательское ноу-хау — это разработка концепции математического аппарата по возможности внедрения людей в управление группой робототехнических средств. В таких группах задачи могут распределяться как между роботами, дающими ориентиры по данным, так и между людьми. Моя программа позволяет учитывать в работе с робототехническими средствами и базовые показатели человека, его скорость бега, выносливость и прочее. Например, когда человек расслаблен, он свободно передвигается влево, вправо, вперед и назад, может подпрыгнуть. А в напряженном состоянии, когда есть какие-то ограничения, определенная задача и нацеленность на конкретный результат, ему необходимо срочное ускорение и следование по определенной дистанции. В связи с этим параметры «режимности» оператора тоже крайне важно учитывать при управлении группой робототехнических средств. Сейчас я продолжаю развивать некоторые аспекты этой работы уже при подготовке своей докторской диссертации.

 — На чем основана архитектура распределенного управления?

 — На сервер или обрабатывающее устройство мы получаем целевые показатели робототехнического средства в данный момент времени, поэтому мой алгоритм работает с различными системами управления. Как оператор я могу определить местоположение робототехнического средства, его уровень заряда и полезную нагрузку. Соответственно, распределение задач можно сделать централизованно или децентрализованно. Например, беспроводное сетевое управление предполагает децентрализацию процессов. На основе получаемых показателей оператор анализирует то, как ему оптимальнее распределить задания между робототехническими средствами, логирование происходит в режиме реального времени. Конечно, изначально составленный план работы с группой робототехнических средств может меняться в процессе выполнения заданий. Если робот выйдет из строя, его задачу оператор передаст другому объекту, и такой перенос можно распространять на десятки и сотни роботов.

 — Какие отрасли заинтересованы в применении Вашей разработки?

 — Сейчас в своей докторской диссертации я занимаюсь направлениями биотехнологий и автономных агропроизводств, работающих без непосредственного участия человека. Веду разработку датчиков и систем, с помощью которых можно будет управлять теплицами, например. От оборонно-промышленного комплекса предложений о сотрудничестве пока не поступало, но на данный момент есть проект в сфере коммунальных услуг. С компанией «Я Ж РОБОТ», соучредителем которой я являюсь, мы работаем в направлении робототехники с распределением задач, создаем мультифункциональные коммунальные робототехнические средства. То есть один такой робот может и стричь газон, и убирать снег. Сейчас мы как раз переходим к этапу первичного пилотирования, макет у нас уже готов. В скором времени убирать территории будут группы мультифункциональных робототехнических средств.

 — С какими техническими ограничениями Вы сталкиваетесь при разработке алгоритмов?

 — Проблемы возникают не на этапе проектирования и моделирования алгоритма, так как это не ресурсоемкий проект, а при внедрении и эксплуатации системы. Сложности связаны не только с передачей данных, но и с их качеством, обусловленным физическими ограничениями системы глобального позиционирования (GPS). Для компенсации этих дефектов мы планируем использовать бесплатформенную инерциальную навигационную систему и определение местоположения на основе локальных маяков. Что касается наших мультифункциональных коммунальных робототехнических средств, то здесь потребуется организовать стабильную локальную связь. Это позволит обеспечить синхронизацию между всеми модулями и передавать данные в реальном времени, что критически важно для работоспособности системы в целом.

 — Какие задачи Вашего исследования сможет решить искусственный интеллект?

 — В этом смысле можно обратить внимание на распределение задач. Во-первых, это модуль распознавания естественно-языковых команд, то есть запросов на человекоориентированном языке. Если использовать мой алгоритм при ведении боя роем дронов, то можно предположить возникновение сценариев, когда будет невозможно детально и четко описать задачу. В этом случае ИИ-модели можно обучить распознавать не только синтаксическую и семантическую составляющую команд, но и их эмоциональную окраску для корректной интерпретации намерений оператора. Из других аспектов можно применить функции распознавания среды (компьютерное зрение), распределение задач на конкретные действия с их поэтапным выполнением. ИИ позволит усовершенствовать и ускорить процессы детектирования аномалий или аварийных ситуаций, с его помощью можно значительно ускорить мониторинг и обработку полученных данных. Однако решения ИИ-моделей все равно должен верифицировать человек, поскольку робототехническое средство не может дать моральную оценку ситуации и действиям, а значит способно нанести вред или причинить ущерб.

 — Андрей, в числе Ваших достижений есть также регистрация восьми программ для ЭВМ, с какой целью Вы их создавали?

 — Некоторое время назад я был частью команды компании «Я у мамы инженер», где мы разрабатывали специальный комплекс с методикой для обучения и подготовки детей к инженерно-техническим соревнованиям. Проект был ориентирован на то, чтобы дети благодаря полученным навыкам и развитию своих способностей могли занимать призовые места. В разработанном нами наборе был «зашит» ряд программ для ЭВМ, эта методика и программы пользовались тогда большим спросом. На тот момент мы были одними из первых, кто заинтересовался этой темой, а сейчас такие программы успешно реализуют как на федеральном, так и на региональном уровнях.

 — А что мотивирует Вас к развитию, как получается каждый раз разрабатывать что-то новое?

 — Если говорить о периоде моего обучения, то это заслуга тех, кто направлял и поддерживал меня. На первое место я бы поставил наставничество руководителя кафедры, где я учился, затем поддержку моей семьи и только на третье место свои способности. Мой средний балл по дипломам студента, а затем аспиранта был 5.0. К тому же моя научная заинтересованность и научные разработки премировались, что тоже было определенным стимулом к развитию. Например, я получал стипендии Президента РФ, Правительства Москвы и Правительства РФ, были гранты Ученого совета и победа в конкурсе грантов «Акселератор РТУ МИРЭА».

 — Что это был за проект?

 — В нашем вузе есть классная венчурная инвестиция, на создание MVP (с англ. minimum viable product — «минимально жизнеспособный продукт»), то есть тестовой версии своей разработки для апробации на рынке. Студенты получают денежные премии, чтобы была возможность коммерциализировать свои изобретения. Мне удалось одержать победу в этом проекте по направлению робототехники. Затем я стал финалистом федерального конкурса «Умник», организованном Фондом содействия инновациям и Минэкономразвития России по федеральному проекту «Технологии» национального проекта «Эффективная и конкурентная экономика». Поэтому я как-то достаточно быстро осознал, что развитие и научное знание могут приносить материальное вознаграждение. Еще личным опытом для меня была стажировка менеджером по холодным продажам, мне тогда удалось заключить достаточно интересный контракт. И я понял, что если соотнести маржинальность, показатель прибыли в доходах компании, с человеческим потенциалом, то она будет выше у разработчиков новых технических средств, чем у тех, кто продает этот продукт.

 — Вас больше интересуют прикладные или фундаментальные исследования?

 — Я по-настоящему увлечен наукой, но считаю, что сегодня исследования должны быть практико-ориентированными, то есть должны быть в рынке. Поскольку я окончил обучение по направлению специального приборостроения, то считаю, что на созданный тобой прибор должен быть спрос, разработка должна давать экономический эффект. Мне кажется, что мотивация ученого заключается в том, чтобы твое изобретение работало и приносило миру пользу. Но без труда не вытащишь и рыбку из пруда, я свою рыбу еще ловлю. Именно нацеленность на результат дает мне энергию для развития.

 — Что помогает Вам успешно организовать свое рабочее время?

 — Кроме тайм-менеджмента, отмечу еще GTD (с англ. getting things done — «доведение дел до завершения»). Эта методика помогает мне лучше распределять и организовывать выполнение полученных задач. Поделюсь тем, как однажды я совершил ошибку, приведшую меня к выгоранию. Когда мы в университете выиграли грант на студенческий проект, я решил, что самостоятельно проведу исследования и подготовлю все отчеты, не прибегая к помощи других участников. Все получилось, мы успешно защитили наш проект, но я ощутил сильное недомогание. Одиночная работа привела меня к выгоранию, около двух месяцев у меня просто ни на что не было сил. Этот урок в каком-то смысле шокировал меня, зато я понял, как важно уметь распределять задачи в коллективе. Расставляя приоритеты, не стоит забывать об отдыхе.

 — Как Вы относитесь к делегированию задач искусственному интеллекту?

 — Думаю, что как ученые мы должны больше времени уделять обучению студентов и аспирантов, контролировать выполнение ими заданий. На данный момент преподавателю вуза благодаря развитию технологий, конечно, проще провести исследование, проверить какие-то гипотезы, используя ИИ. Это будет в разы быстрее, чем поручить эту работу студентам или аспирантам, контролировать их в процессе, а затем проверять полученные ими результаты. ИИ дает возможность ученым стать мастерами-одиночками, но тогда наука может потерять преемственность. Если мы сегодня не подготовим новое поколение ученых, умеющих работать, то кто придет нам на смену? Стратегия выгодной замены человека ИИ в долгосрочной перспективе может лишить науку квалифицированных кадров. Поэтому в вопросах обучения к делегированию задач ИИ нужно подходить с пониманием и ответственностью.

 — По Вашему мнению, как скоро в обиход россиян войдут роботы-помощники?

 — У нас уже достаточно активно используют роботов-пылесосов, хотя пока их ругают за то, что они могут где-то застрять, не туда уехать, не так почистить что-то. Но думаю, что эти проблемы разработчики смогут достаточно быстро устранить. Надо признать, что появляются достаточно доступные и хорошего качества роботы-мойщики окон, иногда они сильно гудят, но в большинстве случаев удовлетворяют запросам покупателей. А, например, китайская робототехническая компания создала роботов-собак, которые могут патрулировать территории, в свою очередь антропоморфные роботы Atlas американской компании разработаны для помощи аварийным службам в целях выполнения задач в опасных для жизни условиях. У другой американской компании есть человекоподобный универсальный помощник робот Optimus, использующий нейросети для анализа окружающей среды и автономно работающий на производстве, дома или в офисе. Нужно понимать, что роботы — мотивируемая система, сильно зависящая от инфраструктуры, это и определяет их скорость внедрения в нашу повседневную жизнь.

 — А какие изменения должны произойти в инфраструктуре?

 — Среда должна стать удобной для их функционирования, иначе будут дороже обходиться технические решения для адаптации роботов. Если говорить об антропоморфных роботах для быта, то здесь важно предусмотреть и меры безопасности. Например, робот на вашей кухне размахивает ножом, а в комнату зашли дети, чьи реакции и поведение могут быть непредсказуемыми для системы. То есть кухня должна быть обустроена, исходя из критериев безопасности. Думаю, что в скором времени образцы роботов-помощников начнут активнее заполнять рынок. Это может быть очень перспективная сфера для социальной робототехники, когда появятся помощники, способные перенести куда-то неходящего человека или вымыть его. У нас в России, в сфере коммунального хозяйства, мы в скором времени внедрим наши мультифункциональные робототехнические средства, о которых я рассказывал. Их качество будет на хорошем уровне, я трачу на эту работу много времени. Кстати, тех, кого заинтересовала наша сфера исследований, как доцент РТУ МИРЭА кафедры КБ-6 «Приборы и информационно-измерительные системы» Института кибербезопасности и цифровых технологий приглашаю поступать в наш вуз. Тогда вы сможете получить одну из самых интересных в мире профессий и станете частью научного сообщества!

Беседовала Светлана Минеева