1. No category

3. HydroNet Novice
07 – 02 – 2012
HydroNet
Plavajoči roboti s senzorji za
Plavajoč
nadzorne meritve v vodah
3. novice projekta HydroNet
Dobrodošli! Pred vami so tretje in hkrati zadnje novice projekta
HydroNet, ki jih izdajamo enkrat letno z namenom seznanjanja
širše javnosti o dosežkih projekta.
HydroNet je EU raziskovalni projekt (EC VII FP - STREP) v okviru
tematskega sklopa OKOLJE. Projekt je namenjen oblikovanju,
razvoju in testiranju nove tehnološke platforme, ki bo omogočila insitu monitoring vodnih teles v realnem času in sicer na podlagi
mreže senzorjev povezanih z avtonomnimi plavajočimi roboti
(boje in plovila), vpetimi v informacijsko infrastrukturo daljinsko
vodeno s pomočjo umetne inteligence.
In this Issue
• Cilji in funkcionalnost……………....2
• Opis konzorcija in vloge
partnerjev……..…….………………...4
• Opis pilotnih območij...……..………5
•Sodelovanje javnega sektorja…...…6
• Prototipi robotov…...……….….…...7
• Okoljsko inteligentni sistemi……….9
• Sestanki HydroNet …….…...........10
HydroNet je pravkar uspešno zaključen. Rezultat je flota robotov s
pripadajočimi komponentami. V zadnjem letu so bili izdelani ter v
robote integrirani miniaturni senzorji, vzorčevalni podsistemi ter
laserske/sonarske komponente. Izdelana je bila tudi pripadajoča
komunikacijska infrastruktura, ki povezuje posamezne module.
Testirana je bila programska oprema (Control Station) za pošiljanje
ukazov robotom ter zajem podatkov poslanih z njih. Izboljšana
verzija uporabniškega vmesnika Control Station je uporabniku
prijazna.
Vse aktivnosti so bile izvedene v okviru HydroNet konzorcija in v
sodelovanju z javnimi ustanovami ter potencialnimi prodajalci nove
platforme katere cilj je širjenje uporabnosti novega pristopa pri
spremljanju stanja okolja.
Pilotna območja v Italiji in Sloveniji (morje, laguna in rečno okolje)
so bila hidrodinamično okarakterizirana vključno z razvojem
modelov za disperzijo onesnažil.
Koordinator projekta: Prof. Dr. Paolo Dario
Scuola Superiore Sant’Anna - SSSA
P.zza Martiri della Libertà, 33 – Pisa (Italy)
Tel: +39-050883420 Fax: +39-050883497
Email: p.dario@sssup.it
www.hydronet-project.eu
3rd HydroNet Newsletter
Cilji in funkcionalnost
OBJECTIVES
Projekt je bil namenjen oblikovanju, razvoju in
testiranju odprte HW/SW platforme sestavljene iz
mreže avtonomnih plavajočih in fiksnih robotov,
opremljenih
z
miniaturnimi
senzorji
za
spremljanje kvalitete vodnih teles ter brezžično
povezanih v informacijsko infrastrukturo vodeno s
pomočjo okoljskega inteligentnega sistema (AmI).
Programski krmilnik omogoča spremljanje
kvalitete vode v realnem času ter posredovanje
informacij o prostorski in časovni porazdelitvi
onesnažil. Jedro platforme predstavljajo senzorji
(biološki, optični in kemični) vgrajeni v plavajoče
robote in fiksne boje, ki so zmožni daljinsko
komunicirati s kontrolno postajo.
Roboti opremljeni s senzorji vzorčijo in na samem
kraju analizirajo vrsto kemičnih in fizikalnih
parametrov. Na ta način se kontinuirano in v
realnem času zbirajo podatki o stanju vodnih
teles. Miniaturni senzorji posebej v ta namen
razviti v okviru HydroNet konzorcija detektirajo
različna onesnažila (živo srebro, kadmij, krom in
naftne derivate). Izboljšani matematični modeli
simulirajo transport in pretvorbe onesnažil v
rekah, jezerih in obalnih vodah.
Robote odlikujejo njihova majhna teža, plovnost,
energetska učinkovitost in okoljska prilagodljivost
(velikost, oblika, barva, materiali, napajanje). S
pomočjo brezžične radijske povezave roboti
komunicirajo z AmL kontrolno postajo. Boje
delujejo kot mreža vozlišč, ki omogoča razširitev
medsebojne komunikacije in lokalizacije robotov
med opravljanjem meritev. AmL zagotavlja
prijazen uporabniški vmesnik za upravljanje
robotov in predstavitev izmerjenih parametrov v
realnem času. Celotna mreža je povezana z
zunanjo enoto za upravljanje podatkov in
inteligentno analizo (fuzija baze podatkov z
novimi podatki) ter sistemom celotnega
upravljanja in uporabniškim portalom.
FUNKCIONALNOST
Roboti so zmožni navigacije v različnih vodnih
okoljih: obalnem morju, ustjih rek, naravnih in
umetnih jezerih ter lagunah. Robote vodene dol
vodno po rekah je možno ustaviti na prej
določenih mestih. Glede na težavnost navigacije
v različnih okoljskih scenarijih sta bila razvita dva
tipa plavajočih robotov:
• rečni robot: majhen, prilagodljiv, manjše tovorne
zmogljivosti;
• morski robot: večji, plavajoč, polno opremljen.
Glavne karakteristike:
• minimalni doseg
• 15 km po reki,
• 20 km po morju;
• hitrost: 3.5 vozla;
• minimalno 6 ur kontinuiranega dela;
Z uporabo inteligentnih algoritmov (Explorative
Particle Swarm Optimization) lahko flota robotov
opremljenih s senzorji prepozna vir onesnaženja.
Plavajoči roboti so opremljeni s sonarskimi in
laserskimi napravami, ki jim omogočajo, da se
samostojno izogibajo nepričakovanim oviram na
njihovi poti.
• maksimalna hitrost vetra 3 (7-10 vozlov);
• maksimalna globina vzorčenja 50 m;
• zmanjšana velikost (dolžina < 2 m, teža < 80 kg)
omogoča, da lahko robota preneseta ena ali dve
osebi.
2
3rd HydroNet Newsletter
Cilji in funkcionalnost
Vsi plavajoči roboti so t.i. samostojna površinska
plovila (ASV - Autonomous Surface Vehicle).
Edina dejavnost pod vodno gladino potrebna za
izvajanje vodnega monitoringa je odvzem vzorcev
vode. Vse druge naloge plovilo opravlja na gladini
(plovba, lociranje, komunikacija, analiza vzorcev
itd.). Plovilo je sposobno zaznati ovire v katere se
ne sme ujeti ali se na njih poškodovati. Območje
delovanja robotskega plovila obsega pas širine
nekaj kilometrov ob obali. Območje delovanja se
vsakodnevno
spreminja
zaradi
prisotnosti
različnih plovil ali drugih naravnih ovir. Robot se
po opravljeni nalogi vedno vrne v svoje
pristanišče oz. na kontrolno postajo.
Med površinsko navigacijo lahko pride do trčenj z
drugimi plovili. Možnost trčenja je zmanjšana s
sledenjem poti plovila, opozorili, obveščanjem in
plovbo s primerno nizko hitrostjo. Poleg tega
HydroNet roboti za potrebe navigacije in
vzorčenja uporabljajo obnovljive vire energije
(sonce in veter).
NALOGE PLOVILA
• Monitoring - Robotska plovila se gibljejo po
vnaprej določenem območju in kontinuirano
merijo izbrane parametre. Plovila o odstopanjih
meritev od pričakovanih vrednosti obvestijo
kontrolno
postajo
preko
visokonivojskega
vmesnika.
• Iskanje vira onesnaženja – Skupina plovil
sodeluje s kontrolno postajo na obali in tako
poišče morebitni vir onesnaženja.
• Kartiranje podatkov (v času in prostoru) –
Skupina plovil neprekinjeno izvaja meritve na
določenem območju in pošilja izmerjene podatke
v bazo podatkov AmI; plovila se pri tej nalogi
gibljejo po vnaprej določenih trajektorijah.
Za uporabo v morskem okolju je bila izbrana
dvotrupna oblika plovila (katamaran). To obliko
odlikuje velika varnost plovbe in dobra stabilnost
med vzorčenjem. Poleg tega je katamaran brez
gredlja in drugih štrlin, ki bi lahko predstavljale
potencialno onesnaženje.
Zaradi majhnih globin (<1 m), peščenih obal,
plavajočih in podpovršinskih ovir, zahtevanih
boljših
sposobnosti
manevriranja,
večje
vzdržljivosti baterij ter usklajenosti z rečnim
okoljem, je bila razvita posebna vrsta plovila za
reke in lagune. Plovilo je tiho in ima ravno dno, da
se lahko učinkovito premika tudi po obraslih
območjih.
DEMONSTRACIJA
Z namenom testiranja funkcionalnosti in
potenciala HW/SW HydroNet platforme so v
zadnjem mesecu trajanja projekta potekale
demonstracije v realnih okoljih.
Za testiranje in validacijo HydroNet platforme so
bila izbrana tri območja v Italiji in Sloveniji: reka
Soča (Slovenija), laguni Grado in Marano (Italija)
ter priobalno območje z ustji rek in v neposredni
bližini industrijskih izpustov (območje pri Livornu,
Toskana, Italija).
3
3rd HydroNet Newsletter
Opis konzorcija in vloge
posameznih organizacij
Projekt HydroNet je koordiniral prof. Paolo Dario
iz organizacije Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa
(Italija).
Konzorcij projekta HydroNet je sestavljalo 10
partnerskih organizacij, od tega pet javnih
institucij:
Scuola Superiore Sant’Anna (SSSA, Italija),
Hochshule Lucerne (HSLU, Švica), Inštitut Jožef
Stefan (IJS, Slovenija), Univerza v Ljubljani
(UOL, Slovenija), Hebrew University of Jerusalem
(HUJI, Izrael),
Institut Jožef Stefan (IJS) je bil
zadolžen za definiranje operativnih
scenarijev in zahtev končnih
uporabnikov ter za razumevanje
procesov prenosa in pretvorb
strupenih kovin na izbranih testnih
območjih.
Univerza v Ljubljani (UOL) je vodila
razvoj modelov za disperzijo
onesnažil.
In pet majhnih/srednjih podjetij:
Dedalus
SpA
(Italija),
LUMEX
(Rusija),
Norwegian Institute for Air Research (NILU,
Norveška), Inštitut za fizikalno biologijo (IFB,
Slovenija) in RoboTech srl (RT, Italija).
Sodelujoče organizacije v konzorciju so
posedovale vse potrebno znanje in izkušnje za
izvedboprojekta in so se pri delu in izmenjavi
izkušenj med seboj dopolnjevale.
Koordinator projekta je bila Scuola Superiore
Sant’Anna (SSSA). SSSA je vodila oblikovanje,
specifikacijo in razvoj robotskih plovil, sodelovala
je pri izvedbi več modulov avtonomne navigacije,
prav tako pa je vodila integracijo in preverjanje
celotnega sistema.
Dedalus SpA je razvijal programsko opremo za
sistem Ambient intelligence (Ami): vmesnike, s
katerimi je mogoče spremljati in krmariti robotska
plovila na daljavo.
Hochshule Lucerne (HTA) je izdelovala
podsisteme za komunikacijo (oblikovanje in
razvoj ustreznih protokolov), vmesnike med AmI
in plovili, ter skrbela za ustrezno varnost
brezžičnih povezav.
Hebrew University of Jerusalem
(HUJI) je oblikovala in razvijala
mikro-kemične
senzorje
za
zaznavanje živega srebra, kadmija
in kroma.
LUMEX je oblikoval in razvijal minisenzorje za zaznavanje naftnih
derivatov v vodi (raztopljenih
derivatov in površinskega filma).
Norwegian Institute for Air Research
(NILU) je izvajal analizo in presojo
cenovne
učinkovitosti
rešitev,
pridobljenih z monitoringom.
Inštitut za fizikalno biologijo (IFB) je
oblikoval in razvijal mikro-biosenzor
za zaznavanje živega srebra v vodi.
RoboTech srl (RT) je oblikoval
specifikacijo robotskih sistemov ter
izdelal in vodil robotska plovila.
4
3rd HydroNet Newsletter
Opis pilotnih območij
Vrednotenje učinkovitosti integriranega HydroNet
sistema je bilo izvedeno v različnih letnih časih v
treh izbranih področjih:
• Porečje Soče in Tržaški zaliv (Slovenija/Italija)
• laguna Marano (Italija)
• obalno področje okoli mesta Livorno (Italija)
Izbrana preučevana modelna področja se
nahajajo na treh različnih tipih okolij in so
omogočila preizkušanje in validacijo modelnega
sistema HydroNet platforme :
• reke
• umetna jezera in lagune
• obalne vode, vključno z izlivom reke in/ali
bližino industrijskih odplak
Za vsakega od preučevanih okolij
identificirani
različni
scenariji
v
zapletenosti in okoljskih težav.
so bili
smislu
Laguna Marano
Še eno preučevano področje, kjer je živo srebro
najbolj zaskrbljujoče onesnažilo, je laguna
Marano v Italiji. Laguna je izpostavljena
industrijskemu
živemu
srebru
preko
industrijskega kompleksa vzdolž reke, ki se izteka
v laguno. Področje je zelo ranljivo zaradi velikega
človeškega
vpliva,
prisotnosti
naselij
in
industrijskih kompleksov. Ocenjeno je bilo, da se
je v rečni sistem reke Aussa od leta 1949-50, ko
je začela delovati kloralkalna tovarna, pa vse do
leta 1984, ko so postavili čistilno napravo za
odpadne vode, v morje sprostilo okoli 20 kg
živega srebra na dan. Ocenjujejo, da je bilo v
celoti v reko sproščenih 186.000 kg živega
srebra, ki je verjetno doseglo okolje lagune.
Reka Soča in Tržaški zaliv
Obalno območje okoli mesta Livorno
V porečju Soče in v Tržaškem zalivu je glavno
zaskrbljujoče onesnažilo živo srebro (Hg). Vodni
sistemi (rečni kot tudi morski) pridobijo živo
srebro iz opuščenega rudnika živega srebra v
Idriji, ki se nahaja v zahodni Sloveniji, preko
atmosferskega odlaganja, razpršenih odlagališč
odpadkov in onesnaženih tal. Najbolj kritična
točka pri določevanju kvalitete okolja na tem
področju, onesnaženim z živim srebrom, je
nastajanje in bioakumulacija metilirane oblike
živega srebra (MeHg).
Tretje preučevano območje se nahaja v
Tirenskem morju, ob obali pri mestu Livorno
(Toskana, Italija). Za to območje, ki se razteza
približno 150 km vzdolž obale, je značilna
prisotnost petrokemijske in kemijske industrije.
Poleg tega se v Livornu nahaja pomembno
industrijsko pristanišče, zaradi katerega dnevno
poteka intenziven promet z velikimi tankerji in
posledično onesnaženje morske vode z nafto.
Natančneje, obalno območje je izpostavljeno več
dejavnikom onesnaževanja na račun prisotnosti:
• dveh pristanišč za naftne tankerje v Livornu in
Piombinu in zelo velikemu prometu z naftnimi
tankerji;
• petrokemijske tovarne v Livornu;
• kemijske tovarne v južnem delu Livorna
(Rosignano Solvay) za proizvodnjo sode (natrijev
bikarbonat) in ostalih kemijskih produktov;
• jeklarne v Piombinu;
• rek Cecina in Arno, kamor se iztekajo odplake
mnogih obrtnikov in kemijskih tovarn, in ki se obe
izlivata v tirensko morje.
5
3rd HydroNet Newsletter
Sodelovanje javnega sektorja
Vse od začetka projekta je konzorcij HydroNet
vzpostavljal stike in sodelovanja z glavnimi akterji
na področju spremljanja in vzdrževanja vodnih
teles. Neposredni uporabniki rezultatov projekta
bodo organi, povezani s sprejemanjem strategij
za prihodnost. Platforma je hkrati uporabna za
znanstvene študije na raziskovalnih inštitucijah.
Ustanovljen je bil uporabniški forum HydroNet, ki
pomaga pri določanju specifikacij platforme
HydroNet, namenjen pa je tudi sodelovanju vse
večje skupine strokovnjakov in potencialnih
uporabnikov s Konzorcijem. Obenem je
zagotavljal usklajenost izvajanja projekta z
resničnimi potrebami, ki bodo neposredno
uporabljene
pri
načrtovanju
prihodnjega
ekonomskega razvoja.
S konzorcijem HydroNet so sodelovale naslednje
ustanove:
• Občina Livorno (Italija), ki je projekt podprla z
opremo in storitvami, potrebnimi za razvoj in
testiranje sistema. Scuola Superiore Sant’Anna je
januarja 2009 v sodelovanju z občino Livorno v
Livornu odprla nov Raziskovalni center za
pomorsko robotiko in morske tehnologije
(Research Center on Marine Robotics and
SeaTechnologies). Center se nahaja zelo blv
neposredni bližini morja in predstavlja idealno
mesto za testiranje HydroNet robotov in
tehnoloških rešitev.
• Obalna straža Livorno, ki je zagotovila potrebna
dovoljenja za uporabo avtonomnih naprav v
obalnih vodah. Nudili so tudi komunikacijsko
napravo za sledenje robotom med navigacijo, s
čimer je bilo zagotovljeno varno delovanje, ostala
plovila pa je bilo mogoče tudi opozoriti na
prisotnost robota v obalnih vodah.
• ARPAT, Regionalna agencija za zaščito okolja
(Toskana, Italija), ki je zagotovila informacije o
okoljski zakonodaji na ravni Italije in Evrope.
Agencija je prispevala tudi informacije o
tradicionalnih načinih vzorčenja in metodologiji
analize vzorcev, kar je pripomoglo k optimizaciji
nalog robotov.
• LaMMa, Laboratorij za monitoring in okoljsko
modeliranje za trajnostni razvoj, ki je zagotovil
okoljsko karakterizacijo mesta delovanja (tokovi,
ovire, batimetrija, itd).
• ARPA FVG, Regionalna agencija za zaščito
okolja (Furlanija-Julijska krajina, Italija), ki je
Konzorciju zagotavljala podatke o hidrodinamiki
in transportu sedimentov v lagunah Gradež in
Marano, potrebne za modeliranje.
Otvoritev raziskovalnega centra za pomorsko robotiko
in morske tehnologije v Livornu (Italija, 13.1. 2009)
6
3rd HydroNet Newsletter
Prototipi robotov
(Katamaran)
Katamaran)
ROBOT ZA OBALNO MORJE (KATAMARAN)
Za obalno morje je bila sprejeta rešitev v obliki
katamarana. V dvojnem trupu je nameščena
večina potrebnih modulov, ostali moduli pa med
trupoma, kjer so zaščiteni pred vodo.
V lanskem letu sta bila popolnoma opremljena in
validirana dva robota. Oba trupa in paluba so
narejeni iz karbonskih vlaken.
Osnovni elementi robotov so:
• Nadzornik (glavni kontroler),
• Sistem za lokalizacijo (magnetni kompas, GPS),
• Modul za brezžično komunikacijo,
• Pogonski del (motor za levi in desni vijak),
• Krmili (po eno na trup),
• Sistem za vzorčenje,
• Biološki, optični in kemijski senzorji,
• Sistem za izogibanje oviram:
• Laserski skener
• Sonar
• Višinomer
• LiPo akumulator
Vzorčevalnik se nahaja na krmi katamarana, z
vitlom, ki omogoča potopitev sonde.
Sonda vključuje:
• komercialno sondo (YSI 6920V2) z naborom
senzorjev za vodo, kot so temperatura, motnost,
pH, raztopljeni kisik, redukcijski potencial in
prevodnost.
• pet vzorčevalnikov za vodo (vsak do 200 ml) na
različnih globinah (do 50 m).
7
3. HydroNet novice
Prototipi robotov
( Čoln z ravnim dnom)
ROBOT ZA LAGUNE IN REKE
Robotski čoln je lahek in z ravnim dnom, ki
zagotavlja malo upora za navigacijo v rekah in
lagunah.
Pogon robota zagotavljata dva vijačna motorja na
krmi. Sistem za nadzor in navigacijo (gonilniki za
motor in računalnike), ki dobiva podatke iz
senzorjev (laser, GPS, digitalni kompas in sezor
za hitrost vode) omogoča robotu, da se
avtonomno giblje in se izogiba oviram v svojem
delovnem okolju povezanih točk, določenih z
ambientalno inteligenco.
V robotu so nameščeni kemični in optični senzorji
(Hg, Cr, Cd in raztopljeni ogljikovodiki), ki jim
sistem fluidike (črpalke, merilec pretoka,
teflonske cevi) zagotavlja površinsko vodo za
meritve. Optični senzor za površinske naftne
madeže je nameščen eksterno.
Robota napajajo baterije in sončni paneli,
opremljen je z radijskim modulom za brezžično
komunikacijo z AmI in nadzorno postajo na
kopnem.
Trup je narejen iz karbonskih vlaken, njegova
neto teža je približno 25 kg. Celotna teža robota
je pribl. 90 kg, dimenzije pa so 2,29 m dolžine in
1,12 m širine.
Teža in oblika trupa zagotavljata največji upor 25
cm in največjo hitrost 4 vozle. Običajna hitrost je
2,5 vozla. Avtonomnost robota je okrog 6 ur.
Typical speed is 2.5 knots.
Laser
Antena
Senzor naftnih
madežev
GPS
Sončni
panel
Senzor
hitrosti vode
Vijačna
motorja
Baterije, računalnik, navigacijski
senzorji, kemični senzorji in sistem
za vzorčenje so v trupu.
8
3. HydroNet novice
Ambientalna inteligenca
UVOD
Ambientalna inteligenca (AmI) vključuje vso
programje, s katerim se Hydronet roboti
povezujejo z operatorji in računalniki, da lahko
upravljajo in vodijo skupino robotov, v realnem
času nadzirajo vse dogodke in poročajo o
opazovanem okolju.
UPRAVLJANJE IN VODENJE
Internetne aplikacije so posrednik med operaterji
in roboti, s katerimi robote nastavimo in jim
določimo naloge in ukaze za navigacijo, zvezne
in lokalizirane meritve, obveščanje o stanju in
nadzor konfiguracij. Vse misije so lahko
shranjene in ponovno naložene za kasnejšo
izvedbo.
SPREMLJANJE IN NADZOR
Spremljanje delovanja v realnem času in sistemi
za nadzor za vse dogodke na lokaciji so mogoči s
posredovanjem podatkov za spremljanje stanja in
napredka robotov, njihove lege, smeri, hitrosti in
rezultatov meritev.
Informacija o vseh dogodkih je lahko v formatu
ATOM in KML za interoperabilnost z orodji drugih
proizvajalcev, kot so programi za novičke, mobilni
telefoni in Google Earth.
UPRAVLJANJE S PODATKI
Za boljši izkoristek historičnih podatkov o lokaciji
smo vgradili močno orodje za modeliranje
podatkov. S tem je omogočena optimizacija
algoritmov umetne inteligence in upravljanja z
viri, ker pripravlja pomembne vmesne podatke o
stanju lokacije.
Podatki, ki jih generirajo roboti, se s strukturnim
poznavanjem, ki ga omogočajo modeli, ob
uporabi avtonomnih programskih modulov za
grafični prikaz pričakovanih razmer v morskem
okolju in vodenje skupine robotov proti viru
onesnaženja.
AmI DISTRIBUCIJA
Vsa funkcionalnost AmI programja je zapakirana
in distribuirana na instalacijskem CD, kar olajša
postavitev novih Hydronet lokacij.
9
3. HydroNet novice
HydroNet srečanja
Projekt Hydronet se je uradno začel 1.
decembra 2008.
Tekom drugega projektnega leta smo
pripravii več srečanj, kjer smo preverili
delovanje senzorjev in izvedli postavitev
podsistemov
za
robote
(električni,
mehanični, fluidični in informacijski).
Prvo programsko srečanje je bilo v Jeruzalemu (7.-8. aprila 2010); demonstracija delovanja je bila v
Mostu na Soči (12. januarja 2012) in v Livornu (28. januarja 2012).
Review Meeting Demo in Livorno
10