ИРН AP08856412 «Разработка интеллектуальных моделей обработки данных и планирования полетов для решения задач точного земледелия с применением БПЛА»

Цель проекта:

Разработка моделей обработки данных и планирования полетов технически разнородных БПЛА для решения задач точного земледелия на базе методов искусственного интеллекта.

Актуальность:

Актуальность:

Применение БПЛА для решения широкого спектра задач мониторинга и управления в отраслях хозяйствования Казахстана ограничивается не только отдельными техническими особенностями данной мобильной платформы, но и недостаточной разработанностью практически применимых интеллектуальных методов, алгоритмов и систем управления движением и анализа поступающих с борта БПЛА данных. Проект направлен на разработку практически применимых методов, обеспечивающих решение задач управления полетом (том числе группой аппаратов), идентификации и классификации объектов наблюдения, с помощью современных методов машинного обучения для решения задач точного земледелия. Ожидаемые результаты применимы и в других отраслях производства для решения задач мониторинга.

Ожидаемые результаты

В результате выполнения проекта будут

  • Опубликованы не менее 3 (трех) статей и (или) обзоров в рецензируемых научных изданиях по научному направлению проекта, входящих в 1 (первый), 2 (второй) либо 3 (третий) квартили в базе Web of Science и (или) имеющих процентиль по CiteScore в базе Scopus не менее 50 (пятидесяти).
  • Опубликованы не менее 1 (одной) статьи в рецензируемом зарубежном и (или) отечественном издании с ненулевым импакт-фактором (рекомендованном КОКСОН);
  • Получен акт внедрения либо разработаны рекомендации по внедрению;
  • Разработана научно-техническая документация на программное обеспечение;
  • Получены свидетельства регистрации интеллектуально собственности на программное обеспечение.

Научные результаты могут быть применены или коммерциализованы в виде части конечного продукта в задачах управления и мониторинга в сельском хозяйстве и других сферах хозяйственного применения БПЛА.

Завершен первый этап проекта. Выполнены задачи 1.1, 2.1, 3.1, 4.1, 5.1, 6.1.

Публикации

1.   Ravil I. Mukhamediev , Adilkhan Symagulov , Yan Kuchin , Elena Zaitseva, Alma Bekbotayeva, Kirill Yakunin , Ilyas Assanov , Vitaly Levashenko, Yelena Popova , Assel Akzhalova, Sholpan Bastaubayeva and Laila Tabynbaeva. Review of Some Applications of Unmanned Aerial Vehicles Technology in the Resource-Rich Country //Applied Sciences. – 2021. – Т. 11. – №. 21. – С. 10171. https://doi.org/10.3390/app112110171 (CiteScore highest quartile = Q2, JCR — Q2, CiteScore =3.0, CiteScore highest percentile=71%, WoS IF=2.679)

Использование беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в различных сферах человеческой деятельности — перспективное направление для стран с разными типами экономик. Это утверждение относится и к богатым ресурсами странам. Особенности таких стран связаны с зависимостью от цен на ресурсы, поскольку их экономика отличается низкой диверсификацией. Использование новых технологий — один из способов повышения устойчивости развития таких экономик. В этом контексте использование БПЛА является перспективным направлением развития в разных отраслях, так как они относительно дешевы, надежны и для их использования не требуется высокотехнологичная база. Чаще всего использование БПЛА связано с различными типами задач мониторинга. Кроме того, БПЛА можно использовать для организации связи, поиска, доставки грузов, обработки полей и т. Д. Использование элементов искусственного интеллекта (ИИ) совместно с БПЛА помогает решать задачи в автоматическом или полуавтоматическом режиме. Такие технологии уместно назвать технологиями интеллектуальных беспилотных летательных аппаратов (IUAVT), и их использование позволяет повысить эффективность БПЛА. Для адаптации IUAVT в отраслях экономики необходимо преодолеть ряд ограничений. Исследование посвящено анализу возможностей и препятствий в адаптации IUAVT в отраслях экономики. Возможный экономический эффект оценивается для Казахстана как одной из богатых ресурсами стран. Обзор состоит из трех основных частей. В первой части описаны области применения IUAVT и задачи, которые она может решать. Рассмотрены следующие области применения: точное земледелие, мониторинг опасных геофизических процессов, мониторинг загрязнения окружающей среды, разведка полезных ископаемых, мониторинг дикого животного мира, мониторинг технических и инженерных сооружений, мониторинг дорожного движения. Экономический потенциал оценивается по сферам применения IUAVT в Казахстане примерно в 500 млн долларов в год, из которых более половины связано с применением IUAVT для решения задач точного земледелия, что должно способствовать снижению сырьевой зависимости экономики. Вторая часть статьи содержит обзор технических, юридических и программно-алгоритмических ограничений IUAVT и современных подходов, направленных на их преодоление. Наряду с техническими ограничениями БПЛА (ограниченные: емкость аккумулятора, время полета, полезная нагрузка, чувствительность датчика; зависимость от погодных условий и т. д.), имеются юридические (невозможность некоторых вариантов использования в пределах города) и программно-алгоритмические ограничения в планировании, управлении полетом и обработке данных. Малая высота полета и большой поток данных, поступающих с БПЛА, вызывают специфические проблемы обработки больших объемов гиперспектральных данных. Неоднородность задач и технических характеристик БПЛА инициирует поиск новых решений в области планирования полетов и управления группами аппаратов. Усилия научного сообщества направлены на решение этих проблем. Существуют решения для планирования оптимальных маршрутов для групп БПЛА, для разработки систем компьютерного зрения и формирования необходимой инфраструктуры доступных наборов данных для обучения глубоких нейронных сетей. Тем не менее, некоторые технические задачи остаются нерешенными. К ним относятся, прежде всего, задача увеличения продолжительности полета, а также целый комплекс задач управления и обработки данных для конкретных условий использования БПЛА. Необходимо преодолеть ограничения в обработке больших данных собираемых БПЛА, разработать новые архитектуры нейронных сетей и наборы данных для их тренировки. Необходима также дальнейшая разработка алгоритмов планирования полетов для решении задач поиска, покрытия, организации связи и доставки грузов с учетом широкого спектра ограничений возникающих в задачах применения БПЛА. Третья часть статьи — обсуждение – классифицирует ограничения применения и нерешенные задачи использования IUAVT в упомянутых сферах деятельности, а также суммирует оценку общего экономического эффекта. View Full-Text

2.   Mukhamediev RI, Symagulov A, Kuchin Y, Yakunin K, Yelis M. From Classical Machine Learning to Deep Neural Networks: A Simplified Scientometric Review//Applied Sciences. – 2021. – Т. 11. – №. 12. – P. 5541. — https://doi.org/10.3390/app11125541(CiteScore highest quartile = Q2, JCR — Q2, CiteScore =3.0, CiteScore highest percentile=71%, WoS IF=2.679).

Рисунок. Классификация разделов AI

3.    Ravil Mukhamedyev, Yan Kuchin, Kirill Yakunin, Adilkhan Symagulov, Maryam Ospanova, Ilyas Assanov, Marina Yelis. Intelligent unmanned aerial vehicle technology in urban environments//International Conference on Digital Transformation and Global Society. – Springer, Cham, 2020. –  16 p. (publication process),  (in Communications in Computer and Information ScienceQ3, Scopus Cite Score = 32%) https://www.dropbox.com/s/5kiex8t1cb6krkn/paper_84%2B.pdf?dl=0

Аннотация

Устойчивое развитие мегаполисов требует перехода на новые методы и технологии управления, основанные на широком использовании большого количества разнородных данных. При управлении городской экономикой необходимо учитывать экологические ограничения, решать задачи мониторинга окружающей среды, инженерных сооружений и транспорта. Оперативный контроль над городской средой и прилегающей территорией может производиться с помощью беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), а собранные данные могут обрабатываться с использованием широкого спектра программных и аппаратных технологий, относящихся к области искусственного интеллекта. Однако, как и любые достаточно новые технологии, интеллектуальные беспилотные технологии имеют как преимущества, так и недостатки. Сильные стороны — мобильность и эффективность, относительная дешевизна, возможность высокой степени автоматизации, а слабые стороны — короткое время полета, зависимость от погодных условий, некоторые нерешенные задачи управления и обработки данных. В статье рассматриваются возможности использования интеллектуальных беспилотных технологий на базе БПЛА для решения задач мониторинга городской среды мегаполисов Казахстана. Также рассматривается возможность расширения возможностей применения этих технологий в области мониторинга окружающей среды, мониторинга опасных геологических процессов, технических сооружений и транспортных средств. Кроме того, обсуждаются технологические и экономические вопросы, а также необходимые технологии обработки данных. Экономический эффект от использования IUAVT в упомянутых сферах применения оценивается в 70-200 млн долларов, но требует решения комплекса задач обработки данных, контроля и технических проблем.

4.    P. Sedlacek, M Ospanova, M Yelis. Sensitivity analysis of MVL Systems by the Logic Derivatives of MVL Functions //CERes Journal.- 2021.- Vol.6.- Issue 2.- 2020. P.1-7 — http://ceres-journal.eu/download.php?file=2020_02_01.pdf

5.    Mukhamediev R. I. et al. Rapid bibliometric analysis in deep learning domain //2021 International Conference on Information and Digital Technologies (IDT). – IEEE, 2021. – С. 206-211. — https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9497591

6.    R Muhamedyev, K Yakunin, Y Kuchin, A Symagulov, S Murzakhmetov, M Ospanova, I Assanov, M Yelis. Intelligent unmanned aerial vehicle technologies // The 18th INTERNATIONAL CONFERENCE INFORMATION TECHNOLOGIES AND MANAGEMENT 2020 April 23-24, 2020, ISMA University of Applied Science, Riga, Latvia.-  c. 21-22.

7.    Assanov I. Multi UAV simulator in Unity // The 19th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE INFORMATION TECHNOLOGIES AND MANAGEMENT 2021 April 22-23, 2021, ISMA University of Applied Science, Riga, Latvia.- c. 46-47.

8.    A Bekbaganbetov, M Ospanova, M Yelis, J Rabcan, R Muhamedyev. Experiments to identify changes in synthesized images // The 19th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE INFORMATION TECHNOLOGIES AND MANAGEMENT 2021 April 22-23, 2021, ISMA University of Applied Science, Riga.- c. 54-55.

9.    M Ospanova, M Yelis, A Bekbaganbetov, J Rabcan, R Muhamedyev Image generation for solving problems of precision farming // The 19th INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE INFORMATION TECHNOLOGIES AND MANAGEMENT 2021 April 22-23, 2021, ISMA University of Applied Science, Riga.- c. 64-65.

10. R Muhamedyev, K Yakunin, Y Kuchin, A Symagulov, S Murzakhmetov, M Ospanova, I Assanov, M Yelis. Intelligent unmanned aerial vehicle technologies // The 18th INTERNATIONAL CONFERENCE INFORMATION TECHNOLOGIES AND MANAGEMENT 2020 April 23-24, 2020, ISMA University of Applied Science, Riga, Latvia.-  c. 21-22

Рабочая группа проекта

Равиль Мухамедиев
Научный руководитель
Scopus ➔ ORCID ➔ Publications ➔

mukhamediev.ravil <Ω> gmail.com

Ян Кучин
Старший научный сотрудник
Scopus ➔ ORCID ➔ Publications ➔
Кирилл Якунин
Старший
научный сотрудник Scopus ➔ ORCID ➔ Publications ➔
Санжар Мурзахметов
Инженер-программист

ORCID ➔
Publications ➔
    Сымагулов Адилхан
Инженер
Scopus ➔
ORCID ➔
Publications ➔
Марина Елис
Младший научный сотрудник
Scopus ➔
ORCID ➔
Publications ➔
    Ильяс Асанов
Младший научный сотрудник

ORCID ➔
Publications ➔