Когда любишь свою работу, идея по ее улучшению может прийти в голову в любой момент. Так и произошло в 2016 году, когда я увидел обычный бытовой дрон, который соседи по даче купили своему ребенку. Я попробовал поуправлять квадрокоптером на участке, а он в какой-то момент улетел за сарай, где в узком проходе между забором лежали доски. С той точки, где я находился, их было не видно, но дрон их снял на камеру с отличным качеством. И вдруг я понял: коптеры можно использовать для осмотра и съемки труднодоступных конструкций на территории предприятия! 

Меня зовут Горбунов Михаил, я — главный инженер центра «Домнаремонт», который входит в дивизион «Северсталь». Сегодня я расскажу о применении беспилотников для сбора информации и контроля некоторых видов работ на комбинате.

Подготовка и первые шаги

Зачем металлургам дроны?

В «Северстали» любой проект начинается с оценки предполагаемой эффективности внедряемой технологии. Поэтому вначале мы всегда генерим идеи по полезному применению. В 2017 году мы проанализировали возможность использования для решения производственных задач беспилотных воздушных судов (БВС). По результатам мозгового штурма составили шорт-лист применимости:

• контроль и мониторинг общестроительных работ площадных объектов;

• сбор информации о существующих строениях и коммуникациях;

• определение объемов остатков на открытых складах;

• визуальное и тепловизионное обследование труднодоступных и высотных конструкций;

• фото- и видеосъемка.

Какой беспилотник выбрать?

При выборе мы опирались на особенности местности, где будем летать: это высокая степень застройки промышленной площадки, наличие магнитных полей (ЛЭП и металлоконструкции), объекты средней площадью 10-20 Га, загазованность и запыленность.
Мы рассматривали беспилотники самолетного (так называемое «летающее крыло») и вертолетного типа (мультироторный). Они могут быть с силовой установкой внутреннего сгорания или с электрической силовой установкой, а еще все дроны отличаются набором интеллектуальных вспомогательных подсистем. 

В итоге выбор пал на беспилотник мультироторного типа с электрической силовой установкой и системой предотвращения столкновений. Чтобы определиться с конкретной моделью, мы устроили пробные полевые работы с тремя претендентами: БВС Leica Aibot X6, Геоскан 401 и DJI Matrice M210 RTK. Сравнительный анализ — в таблице ниже.

Решено! Будем закупать DJI Matrice M210 RTK. По соотношению «цена / характеристики / оперативность работы» он устроил нас больше своих конкурентов.

Роем законодательную базу и учим матчасть 

Безопасность — главный приоритет нашей компании. Перед тем как начать летать над производственными объектами, важно было определить границы и правила использования дрона. В итоге мы разработали и утвердили «Регламент использования беспилотных воздушных судов над территорией ПАО “Северсталь”».

Основные постулаты регламента:

1. Запрещено летать в местах скопления людей, вблизи работающих механизмов.

2. БПЛА должен быть поставлен на учет.

3. Перед использованием необходимо получить разрешение на выполнение авиационных работ мэрии города Череповца, где находится комбинат.

4. На лиц, ответственных за запуск, должен быть оформлен полис страхования гражданской ответственности перед третьими лицами.

5. Все полеты выполняются с закрытием воздушного пространства для прочих воздушных судов в районе производства работ. Закрытие производится в Единой системе организации воздушного движения РФ (ЕС ОрВД).

Организуем сервис полетов БПЛА

На старте заявки на проведение работ дроном были не формализованы и носили характер скорее просьб в адрес инженеров, которые доходили до них через телефон, почтой или ногами. Про возможность использовать БПЛА сотрудники узнавали либо по сарафанному радио, либо из новостных публикаций.
Мы поняли, что дальше так нельзя, и стандартизировали процедуру: разработали единую электронную систему подачи заявок на выполнение работ и опубликовали ее на корпоративном портале. Это позволило и упорядочить поток заявок, и популяризировать использование БПЛА — люди при загрузке браузера видели эту опцию на домашней странице. Были определены ответственные, с которыми можно связаться для решения любых вопросов.
На текущий момент выполнено уже более 700 заявок только в Череповце. 

Дрон-маркшейдер

Фотограмметрия и Agisoft Photoscan

Возможности беспилотников могут позволить нам заменить некоторую работу маркшейдеров, которая в целом состоит из двух больших частей:

1. Выезд на площадку для сбора измерений. 

2. Обработка и выдача результатов измерений заказчику в специализированном ПО.

Выполняя первую часть работ, специалисту по геодезическим съемкам надо было встать с измерительным прибором на границу измеряемого объекта: штабеля шлака или край карьера. Это опасно и трудно. А еще долго — от начала измерений до выдачи результата проходили дни, за которые все могло сильно измениться. То есть данные устаревали еще до того, как придут заказчику. 

Но уже с 19 века существует такая научно-техническая дисциплина, как фотограмметрия. Благодаря ей по фотографиям можно определить форму и размеры сфотографированного объекта. 

В современном варианте фотограмметрии используются инструменты оптики, физики, геометрии, машинного зрения и цифровой обработки. Теперь это выглядит так:

Основные преимущества фотограмметрии:

• точность измерений;

• объективность результатов;

• возможность измерений в условиях, когда пребывание на объекте небезопасно для человека;

• производительность благодаря высокой степени автоматизации;

• относительно низкая стоимость.

Путем измерений, выполняемых по множеству цифровых фотографий, снятых с дрона из разных положений, определяются пространственные координаты точек объекта. Каждый луч зрения математически проводится от центра фотографирования до точки на объекте. Пересечение этих лучей и определяет расположение точки в пространстве. Из них составляют «облако точек» — оно и позволяет визуально представить внешнюю поверхность объекта в 3D. 

Обработку полученного массива фотографий мы выполняли в Agisoft Photoscan (Metashape) Pro. У этого ПО есть сертификат ПО на маркшейдерские работы. Мы провели множество тестов — брали за эталон маркшейдерские замеры и сравнивали с результатами обработки фотографий в Metashape. По объему сыпучих материалов в зависимости от условий съемки погрешность измерений составила менее 2%. Так мы получили аналог специализированного маркшейдерского ПО. 

Итак, теперь вместо уязвимого человека с измерителем у нас быстро и безопасно летает дрон, делая кучу качественных фоток за короткое время. Metashape строит из них облако точек, на котором потом можно проводить объемные и линейные измерения. Но мы продолжали думать, что можно улучшить.

Обработка и выдача результатов измерений заказчику в Metashape происходила на локальном компьютере инженера с последующей выгрузкой и оправкой результатов по электронной почте. Иногда заказчик просил поменять границы в отчете, приходилось все переделывать. Эти итерации отнимали время, и результаты снова устаревали. А ввиду большого количества заявок и объемов обрабатываемых данных такая схема работы и вовсе показала свою несостоятельность. 

Нужно было искать специальную платформу для общего доступа к результатам аэрофотосъемок, которая позволяла бы достичь целевых показателей. А конкретно: чтобы от измерения до результата проходило не больше одной рабочей смены. 

Геоинформационная платформа Sarex 

В 2019 году мы провели сравнительный анализ технико-экономических показателей и пробную эксплуатацию разных платформенных решений и выбрали отечественную разработку «Геоинформационная платформа Sarex». Она работает на мощном сервере с GPU — это позволяет ускорить обработку больших 3D-моделей. 

Sarex обеспечивает многопользовательскую работу с данными, хранящимися на сервере. Результатами обработки аэрофотосъемки являются облака точек (3D), ортофотопланы и карты высот (2D) в заданных пользователем системах координат.

Основные функциональные возможности платформы Sarex:

• пространственные и плановые измерения с возможностью совместной работы авторизованной группы пользователей; 

• автоматический анализ динамики земляных работ в указанных границах;

• построение профилей поверхностей;

• построение облаков точек с последующей выгрузкой в САПР;

• сравнение плана и факта строительства капитальных объектов.

 Как мы исполняем заказы на аэрофотосъемку теперь:

1. Заказчик из производства оформляет электронную заявку на выполнение аэрофотосъемочных работ на корпоративном портале.

2. Исполнители определяют техническую возможность исполнения заявки и отсутствие организационных ограничений, накладываемых «Регламентом использования», после чего принимают либо отклоняют ее.

3. После съемки результаты в виде сырых данных загружаются на сервер с последующим запуском фотограмметрической обработки.

4. По окончании обработки конечным пользователям (авторизованным участникам процесса внутри контура КСПД) предоставляется доступ к списку объектов с соответствующими правами на выполнение операций (просмотр, замеры, загрузка/выгрузка данных).

5. Заказчики получают результаты измерений в день съемки. Также пользователи могут: совместно работать с измерениями всем отделом (без формирования и пересылок отчетов); самостоятельно выставить границы 3D-объекта и получить требуемые измерения; вести историю, сравнивать с предыдущими измерениями и фиксировать разницу; строить тренды.

Цель по своевременной поставке результатов достигнута. Более того, мы тиражировали сервис и использование платформы на другие предприятия группы компаний — теперь в такой же парадигме работают площадки ресурсных активов: Карельский окатыш, Яковлевский и Оленегорский ГОКи.
Также мы сохранили связь между платформой SAREX и локальным ПО для решения специфических задач, которые требуют локальной обработки.

Про наш парк дронов и его тенденцию к минимализму 

Мы используем разные беспилотники. Первый — самый большой в парке — тот самый DJI Matrice M210 RTK. Вот он:

Основной эксплуатируемый — это DJI Inspire 2, он поменьше.

DJI Phantom 4 Pro — совсем компактный.

Каждый дрон имеет свои уникальные свойства, которые нужны для выполнения специфических задач. Например, самый маленький DJI mini 2 используется для сбора фактических данных ведения строительства и фото- и видеофиксации дефектов оборудования внутри и снаружи. Оператор полностью работает на нем в ручном режиме, так как на таких маленьких дронах возможности автоматизации крайне скудны.

В процессе эксплуатации и накопления опыта мы поняли, что лучше использовать небольшие дроны. Да, конечно, с уменьшением теряются некоторые свойства, но для выполнения основных (не специфических) задач их хватает. 

Тенденция к минимализму связана со сложностями работы на промплощадке:

• стесненными условиями работы;

• большим количеством магнитных волн от разного рода оборудования;

• большим количеством разных конструкций;

• не самыми лучшими погодными условиями;

• запыленностью промплощадки (особенно металлической или угольной пылью);

• слабой связью с дроном из-за большого количества помех.

Вот почему выбор падает на компактные дроны. К тому же они еще и недорогие, а значит потеря такого дрона менее критична для компании.

Чего мы добились, применяя дроны на промплощадке «Северстали» 

Предприятию удалось сократить стоимость и повысить качество строительного контроля за проведением земляных и общестроительных работ площадных объектов. Мы смогли этого добиться за счет высокой степени автоматизации процесса. Также мы наладили визуальное обследование высотных и труднодоступных объектов — это самые опасные виды работ, как для людей, так и для дронов.

Мы сократили сроки и стоимость определения объемов открытых складов. Это ускорение в 15–20 раз на 1 Га площади по сравнению с традиционным методом геодезических замеров. С увеличением площади замеров разница возрастает в разы. А чем больше площадь, тем преимущество беспилотников становится еще более явным.

 Теперь мы можем проводить тепловизионную диагностику ответственных конструкций. Преимущества этого метода заключаются в том, что тепловизоры позволяют выявлять дефекты на ранней стадии, показывать высокую достоверность результатов. При этом не требуется отключать оборудование и как-то готовить рабочее место. И еще — требуются малые затраты времени на диагностику и безопасность обследования оборудования.

Да и вообще дроны позволили нам обеспечить безопасность проведения замеров, поскольку отсутствует необходимость нахождения специалистов непосредственно на площадке. Приоритет компании — на безопасности труда. 

Хабравчане, какие еще варианты применения дронов вы посоветуете проработать? Что вы делали с беспилотниками?