Плавающие роботы используют смартфоны с поддержкой GPS для отслеживания потока воды.

Флотилия из 100 плавающих роботов отправилась в путешествие по реке Сакраменто сегодня (среда, 9 мая) в ходе полевых испытаний, организованных инженерами Калифорнийского университета в Беркли.

Проект сети плавающих датчиков, возглавляемый доцентом Александром Байеном, исследователем Центра исследований информационных технологий в интересах общества (CITRIS), предлагает сеть мобильных датчиков, которые могут быть быстро развернуты для предоставления данных в режиме реального времени с высоким разрешением на водных путях, которые трудно нанести на карту. Одним из районов, который может извлечь выгоду из этой технологии, является дельта реки Сакраменто-Сан-Хоакин с ее сложной сетью каналов, которые обеспечивают питьевой водой две трети населения Калифорнии и орошением 3 миллионов акров сельскохозяйственных угодий.

По словам исследователей, наличие большого количества датчиков, перемещающихся по воде, может пролить свет на процессы, на которые влияет движение воды, такие как распространение загрязняющих веществ, миграция лосося или смесь соленой и пресной воды в экосистеме дельты. Сегодняшнее полевое испытание дало исследователям картину того, как вода движется через разветвление в реке с разрешением, которого никогда ранее не достигали.

"Мы подключаем воду к сети", - сказал Байен, который проводит совместные встречи на факультетах электротехники и компьютерных наук Калифорнийского университета в Беркли, а также гражданского строительства и охраны окружающей среды. "Мониторинг водоснабжения штата имеет решающее значение для широкой общественности, исследователей водных ресурсов и правительственных учреждений, которые сейчас полагаются на дорогостоящие стационарные станции датчиков воды, которые не всегда генерируют достаточные данные для моделирования и прогнозирования. Используемые нами мобильные зонды потенциально могут расширить зону покрытия в Дельте - по требованию - до сотен миль естественных и искусственных каналов, которые в настоящее время находятся под контролем, и помочь агентствам, ответственным за управление ограниченным водоснабжением штата".

Исследователи отметили, что такая гибкая система может иметь решающее значение в случае чрезвычайной ситуации, включая прорыв дамбы или разлив нефти. Датчики могут быть приведены в действие с причала, берега, лодок или даже вертолетов.

"Если что-то разливается в воде, если есть загрязняющее вещество, вам нужно знать, где это сейчас, вам нужно знать, куда это направляется, вам нужно знать, где это будет позже", - сказал Эндрю Тинка, доктор философии. кандидат в области электротехники и компьютерных наук и ведущий аспирант проекта. "Проект сети плавающих датчиков может помочь, отслеживая поток воды с уровнем детализации, который в настоящее время невозможен".

Запуск 9 мая в Уолнат-Гроув, Калифорния, стал важной вехой в проекте, который поддерживается CITRIS и Национальной лабораторией Лоуренса Беркли (Berkeley Lab). Впервые исследователи использовали весь свой арсенал поплавков, каждый из которых оснащен мобильными телефонами с поддержкой GPS, заключенными в водонепроницаемые капсулы длиной 12 дюймов, помеченные флуоресцентной лентой. Исследователи написали специальные программы для запуска на платформах с открытым исходным кодом, используемых в роботах и смартфонах.

Проект является развитием более ранних исследований под руководством Байена под названием Mobile Century и Mobile Millennium, в которых смартфоны с поддержкой GPS используются для мониторинга транспортного потока. Вместо карты движения мобильные зонды Floating Century создали карту потока воды.

Каждые несколько секунд телефоны в поплавках передавали данные о местоположении обратно на серверы в Научно-вычислительном центре национальных энергетических исследований лаборатории Беркли (NERSC), где данные обрабатывались с использованием компьютерной модели под названием REALM (река, эстуарий и модель суши). Информация была обработана для создания карты, которая позволила исследователям отслеживать устройства на своих компьютерных мониторах.

"Этот проект интересен не только с точки зрения сбора данных, но и представляет для нас новую задачу в области обработки данных", - сказал Шейн Кэнон, глава группы интеграции технологий в NERSC. "Хотя общий объем данных не является чем-то необычным, скорость потоковой передачи выше, чем мы обычно видим, и исследователи стремятся получить доступ к данным практически в режиме реального времени".

Модель REALM была разработана исследователями из лаборатории Беркли и Калифорнийского департамента водных ресурсов. Позже Цинфан Ву, аспирант Калифорнийского университета в Беркли по специальности "Гражданское строительство и экологическая инженерия", расширил его для интеграции данных с мобильных роботов.
    
"Частью новизны этого проекта является использование компьютерного кластера NERSC для решения крупномасштабных задач ассимиляции данных", - сказал Ву. "Проект с плавающим датчиком требует возможности обрабатывать сотни параллельных версий REALM и интегрировать результаты в оценку гидродинамики дельты".

Хотя датчики в тесте были настроены для мониторинга скорости водных течений, исследователи заявили, что поплавки могут быть оснащены датчиками для различных измерений, включая температуру, соленость или интересующие загрязняющие вещества.

Из 100 плавучих роботов во флоте 40 были автономными устройствами, оснащенными пропеллерами, помогающими им обходить препятствия или целевые зоны.

"Основным ограничением для плавающих датчиков во внутренних средах является их склонность застревать на берегах", - сказал Тинка. "В настоящее время использование плавающих датчиков требует тщательного наблюдения со стороны человека. Мы разрабатываем автономные датчики с приводом, которые могут использовать движение, чтобы избегать препятствий ".

Парк роботов Floating Sensor Network включает прототипы с расширенными возможностями, включая модели, которые могут погружаться под поверхность воды, версии, оснащенные датчиками солености для измерения качества воды в реках, и версии с датчиками глубины, которые могут отображать форму каналов, в которых они плавают.

"Наши усилия по разработке показывают универсальность этой технологии и то, как она может адаптироваться к вызовам, с которыми сталкиваются различные приложения", - сказал Байен. "Например, возможность измерения глубины особенно важна в ситуациях, когда непрактично или опасно отправлять персонал для выполнения работы, например, при военных операциях в зонах боевых действий. Флотилии плавучих датчиков также предоставляют возможности, которые могут быть использованы для улучшения нашего понимания формы внутренних рек и дельт ".

Сеть плавающих датчиков была протестирована в сотрудничестве с Министерством внутренней безопасности США и Инженерным корпусом армии США для оценки расхода воды ниже по течению от разрушенных дамб. Исследователи также планируют развертывание для мониторинга экосистемы озера Тахо в ближайшие месяцы.

Поплавки извлекаются в конце экспериментов, но исследователи признали возможность того, что устройства могут потеряться. Исследователи заявили, что ожидают снижения затрат на отдельные датчики с продолжающимися достижениями в области мобильной связи, чтобы система могла лучше переносить определенный уровень отключения устройств.

"В будущем стоимость и размеры снизятся, в то время как производительность и автономность возрастут, что позволит осуществлять мониторинг в беспрецедентных масштабах", - сказал Байен. "Мы ожидаем, что это станет бесценным инструментом для будущего управления важнейшим ресурсом в этом штате и во всем мире".