ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА КОМПЬЮТЕРНОГО ЗРЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРЕДПРИЯТИЙ НЕФТЕГАЗОВОЙ ОТРАСЛИ

Abstract

Актуальность исследования обусловлена необходимостью создания современных компьютерных систем для мониторинга опасных технологических объектов предприятий нефтегазовой отрасли. Цель: создание интеллектуальной системы компьютерного зрения беспилотных летательных аппаратов, позволяющей вести мониторинг опасных технологических объектов и анализ данных мониторинга в режиме реального времени на борту беспилотных летательных аппаратов. Объекты: концепция построения интеллектуальной системы компьютерного зрения; новые архитектуры свёрточных нейронных сетей, аппаратно-реализованные на программируемых логических интегральных схемах; метод унификации вычислительных блоков и способы параллельных вычислений в аппаратных свёрточных нейронных сетях; алгоритмы помехоустойчивого кодирования/декодирования данных при обменах сообщениями между наземной и бортовой компонентами интеллектуальной системы компьютерного зрения. Методы: методы классификации и детектирования объектов на изображениях с помощью свёрточных нейронных сетей; методы глубокого обучения свёрточных нейронных сетей; методы проектирования программно-аппаратных систем. Результаты. Проведён анализ современного состояния исследований в области систем мониторинга опасных технологических объектов предприятий нефтегазовой отрасли; разработана концепция создания интеллектуальной системы компьютерного зрения на основе беспилотных летательных аппаратов для мониторинга опасных объектов. Базовой в концепции является идея анализа изображений, полученных при мониторинге технологических объектов и прилегающих к ним территорий, непосредственно на борту беспилотных летательных аппаратов в режиме реального времени. Более того, показано, что для обеспечения такого анализа в реальном времени необходимо применять аппаратно-реализованные свёрточные нейронные сети. Для интеллектуальной системы компьютерного зрения разработаны архитектуры свёрточных нейронных сетей из перспективных подклассов LeNet5 и YOLO; предложены алгоритмы помехоустойчивого кодирования/декодирования данных при обмене сообщениями между наземной и бортовой компонентами системы компьютерного зрения; разработан оригинальный метод организации вычислений в аппаратных свёрточных нейронных сетях на программируемых логических интегральных схемах, отличающийся от известных использованием унифицированных вычислительных блоков; предложены новые способы параллельных вычислений в слоях таких свёрточных нейронных сетей. Разработана архитектура вычислительного устройства беспилотных летательных аппаратов, включающего блоки аппаратной свёрточной нейронной сети и кодер/декодер данных. Устройство создано на основе системы на кристалле Cyclone V SX компании Altera; получены первые результаты исследования эффективности этого устройства; разработано программное обеспечение наземной компоненты системы компьютерного зрения.