В лонгриде подробно рассматриваются четыре технологических процесса, в опоре на один из которых должен быть разработан ваш модуль

Технологические процессы и системы

О процессе ориентации на примере движения подводного робота

Рисунок 1. Процессы движения, навигации и ориентации

Ориентация технических систем в пространстве – один из базовых процессов, который связан с движением в пространстве. Процесс движения подразумевает изменение положения системы в пространстве в течение времени, для этого технической системе требуется (см. рисунок 1): 

во-первых, непрерывно определять и уточнять свое местоположение, что называют процессом навигации;
во-вторых определять, уточнять и изменять направление движения, что называют процессом ориентации.

Процесс ориентации подразумевает, что техническая система в состоянии не только изменять свое направление, но и иметь заданные представления о пространстве, позволяющие определять и корректировать отклонения от цели движения.

Процессы ориентации организуются по-разному при движении в различных средах — при движении колесного робота по плоской поверхности, полете самолета в небе, движении спутника по орбите или плавании аппарата под водой.

Это связано и с физическими ограничениями самих сред, и с доступными техническими системами для ориентации. К примеру, подводный робот может легко поворачиваться при помощи встроенных винтов, а спутник при движении по орбите не может вращаться, отталкиваясь от окружающего пространства, что требует куда более сложных систем изменения направления.
Рассмотрим подробнее пример ориентации робота, движущегося под водой (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Условия ориентации подводного аппарата

Подводная среда имеет ряд принципиальных отличий с точки зрения движения и управления движением, в том числе:

Вода представляет собой вязкую среду, которая затрудняет движение за счет трения.

Как правило, водная среда содержит течения, в том числе турбулентные, из-за чего аппарату нужно непрерывно динамически удерживать свое положение и корректировать движение.

Водная среда слабо проницаема для большинства радиоволн, в т.ч. ограничивает распространение световых лучей, что усложняет визуальную навигацию, связь и т. д. При этом водная среда хорошо проницаема для колебаний, в т.ч. ультразвуковых сигналов, что дает возможность использовать сонары и другие системы гидролокации.

Ориентирами при движении в водной среде могут служить поверхность воды, особенности геометрии дна, а также другие подводные объекты.

1.

2.

3.

4.

Таким образом, техническая система, которая должна обеспечивать ориентацию под водой должна учитывать и ограничения среды, и доступные технологические возможности.

Рассмотрим, примеры значимых характеристики для процесса ориентации аппарата, которые можно выделить при проектировании технической системы:

Положение в пространстве относительно поверхности воды, дна или специальных маяков

Аппарат находится на поверхности
Аппарат находится в секторе 8-6

Углы наклона вектора движения аппарата относительно заданных сторон света или других ориентиров

Аппарат направлен в сторону дна
Аппарат под углом 30 градусов к поверхности
Отклонение курса на 15 градусов

Скорость изменения положения заданной точки аппарата (как правило – его центра масс)

Аппарат движется со скоростью 1 узел

Скорость изменения углов наклона

Аппарат вращается со скоростью 10 градусов в секунду вокруг вертикальной оси

Размеры и вес аппарата, которые могут влиять на управление движением и, в частности, ориентацией

Аппарат имеет размеры куба со стороной 30 сантиметров, вес аппарата в надводном положении 8 кг

Как и в каких точках происходит воздействие на среду для перемещения и изменения положения

Винты аппарата расположены в трех плоскостях по центру каждой из шести поверхностей куба.
Ходовой винт расположен в хвосте торпеды

Механические системы, которые позволяют менять направление движения за счет изменения геометрии

Вертикальный руль повернуть на 10 градусов вправо

Связан ли аппарат с поверхностью кабелем, ограничивающим движение, но дающим ориентир, или полностью автономен

Аппарат питается по кабелю, связанному с буем на поверхности воды
Аппарат имеет аккумуляторную батарею для автономного хода на 2 часа

Данные характеристики можно объединить и построить модель процесса ориентации для подводного робота. Два противоположных подхода могут помочь выйти на построение модели.

Название характеристики

Описание характеристики

Примеры принимаемых значений

Первый подход

Первый подход заключается в опоре на уже выработанные в физике модельные представления о среде и движении в ней. Так, движение в водной среде, как правило, описывается трехмерной декартовой системой координат, подразумевающей как перемещение в пространстве, так и вращение вокруг каждой из осей. Помимо локальной системы координат вводится глобальная система координат, привязанная к линии поверхности воды или трехмерной карте поверхности дна, что позволяет выбрать для ориентира «низ», «верх» или стороны света, а также возможности измерения расстояний и углов. Таким образом модель может быть представлена в виде схемы и соответствующих математических выражений.

Второй подход

Второй подход подразумевает опору на возможности доступных технических систем для ориентации. Разработанные инженерами технические системы такие как гидролокаторы, гирокомпасы, двигатели, а также используемые программные пакеты уже содержат в себе определенные модели, в т.ч. заданные в математических выражения. Так, гирокомпас создан исходя из определенной модели Земли, в т.ч. системы координат, точности измерений и т. д. Конструируя сложную техническую систему из доступных приборов и систем, инженеру необходимо проанализировать их возможности и объединить вместе доступные представления приборов о пространстве, возможностях ориентации и т. п. Как правило эта задача решается системой управления, в т.ч. программой, которая должна привести все системы аппарата к общей модели процесса ориентации.

В завершении рассмотрим, как процесс ориентации подводного аппарата может быть реализован в каждой из двух сценариев использования, предложенных в рамках конкурса.

Номинация 1. «От моделирования в игре к моделированию в реальности»

Номинация 2. «Цифровое управление процессами и системами в реальном мире»

В данной номинации занятия должны касаться общей модели, представленной в виртуальной среде и реальной технической системе. Это можно сделать, если вместе с учащимися изучить какую-то из доступных видеоигр про подводные путешествия (например, Deep Dive, Subnautica, Explore Deep и др.), а затем провести занятия по работе с движением робота под водой. Сопоставляя представления о движении в воде в игре и в реальности, можно выделить общие моделируемые характеристики. Еще один вариант реализации занятий связан с использованием образовательных или промышленных симуляторов, таких как MUR IDE, вместе с образовательными конструкторами подводных роботов.

Эта номинация предполагает воссоздание целостного процесса управления ориентацией, включающего моделирование и программное управление. Примером таких занятий может быть инженерное соревнование, в рамках которого подводный аппарат, программируемый участниками,  должен сориентироваться по направлению  к дну. В этом случает занятия можно построить по следующей схеме: выработать модель ориентации, запрограммировать ее и испытать на технической системе в водоеме. Альтернативный сценарий может строиться на задаче обратного инжениринга. К примеру, аппарат с известной программой, обеспечивающей ориентацию, помещают в новые условия: в емкость с течением. Необходимо определить, что в действующей логике управления ориентацией дает сбой.

Процесс передачи энергии на примере лазерной передачи энергии

Передача энергии

Энергия — это основной ресурс, гарантирующий работу технической системы.

При этом энергия должна быть распределена и доставлена между потребителями. Именно на этом этапе возникает задача передачи энергии. На данный момент существует множество технологий, позволяющих решить эту задачу, но выбор конкретного решения необходимо принимать исходя из общих целей и условиях внедрения проектируемой технической системы. 

Когда мы рассматриваем передачу энергии для сети распределенных устройств, необходимо выделить 3 основных компонента: передатчик, канал передачи/связи и приемник. Причем в некоторых случаях устройств, которые будут являться приемником в системе может быть несколько

Способы передачи энергии можно разделить на две большие группы: проводные и беспроводные. Внутри каждой группы существуют свои технологии, которые имеют ряд особенностей и ограничений.
Рассмотрим, примеры значимых характеристик для процесса передачи энергии, которые можно выделить при проектировании такой технической системы:

Показатель, выражающий отношение полезной энергии, достигшей потребителя к общей затраченной энергии на передачу

Количество энергии, потерянной при передаче. Потери возникают при преобразовании одной энергии в другую, при распространении, при обратном преобразовании

Материал проводника, его свойства, которые влияют на передачу энергии.

Стоимость передачи одной единицы энергии в выбранной инфраструктуре. Учитывает стоимость материалов, инфраструктуры, КПД и срок службы

Степень воздействия на окружающую среду: выбросы при производстве, использование редких или токсичных материалов, тепловое загрязнение, электромагнитное излучение, утилизация компонентов.

Устойчивость к внешним помехам, перехвату, повреждению или несанкционированному доступу. Проводные системы защищены физически, но уязвимы к обрыву; беспроводные — к перехвату, рассеянию, атмосферным помехам.

Необходимость в строительстве ЛЭП, кабельных трасс, вышек, наземных станций, систем наведения, охлаждения, экранирования и т. д. Беспроводные системы часто требуют меньше «жёсткой» инфраструктуры, но больше интеллектуальных систем управления.

Максимальный объём энергии, который система может передать за единицу времени (обычно в ваттах или киловаттах). Определяет применимость технологии: от микроватт (питание сенсоров) до мегаватт (промышленные сети или космические станции).

Отношение мощности излучаемого лазерного луча к электрической мощности, потребляемой передающей станцией

Отношение электрической мощности, выдаваемой фотоэлектрическим преобразователем, к мощности падающего на него лазерного излучения

Название характеристики

Описание характеристики

Наведение лазера и передача энергии на спутник

В современных инженерных проектах все чаще возникают технические системы, которые должны работать распределенно или разнесены на большое расстояние друг от друга, или вообще должны работать в среде, где нет инфраструктуры. В связи с этим сильно развиваются технологии, позволяющие передавать энергию беспроводным способом.

Передающая станция представляет из себя мощный лазер (часто инфракрасный), систему формирования и коллимации пучка, а также высокоточную систему наведения и слежения за объектом, которому должна быть передана энергия.

Канал передачи представляет собой свободное пространство — вакуум, атмосферу или (сильно реже) водную среду, через которую проходит лазерный луч.

Приёмная станция (фотоэлектрический приёмник) должна быть оснащена панелью из фотоячеек, оптимизированных под конкретную длину волны лазера. 

Для реализации подобной передачи энергии основные компоненты системы энергообеспечения должны обладать следующими параметрами:

В контексте лазерных и оптических систем речь идёт о преобразовании электричества в направленный поток световой энергии — обычно в виде когерентного лазерного излучения, — его транспортировке через пространство и последующем преобразовании обратно в электричество на приёмной стороне с помощью специализированных фотоэлектрических элементов.

Этот метод отличается от других форм беспроводной передачи высокой направленностью пучка, способностью работать на больших расстояниях и возможностью передавать значительную мощность.

Главное преимущество беспроводной передачи — преодоление физических и логистических ограничений, присущих проводной инфраструктуре.

Беспроводная передача энергии — это процесс, выстроенный на основе физических явлений и инженерных решений.

Такая передача позволяет переносить энергию от источника к потребителю через пространство без использования проводников. В основе этого процесса лежит преобразование электрической энергии в другую форму, позволяющую распространять энергию в окружающей среде. Такими формами могут быть электромагнитное поле, радиоволны, свет или акустические колебания. 

Эта технология особенно востребована в случаях, когда:

расстояния слишком велики (вплоть до межпланетных масштабов);

прокладка проводов невозможна или нежелательна (космос, подводная среда, герметичные системы);

требуется исключить механический контакт (медицинские импланты, стерильные зоны);

обслуживание затруднено или связано с риском.

1.

2.

3.

Примером практической реализации может служить технология компании PowerLight Technologies, которая продемонстрировала подзарядку беспилотных летательных аппаратов на расстоянии до 1,5 км. В других испытаниях удалось передать 800 Вт энергии на расстояние 8,6 км.

их геометрию;

тепловые режимы;

спектральную чувствительность;

динамику перемещения и взаимную ориентацию

Только комплексное моделирование всех этих факторов позволяет спроектировать надёжную, эффективную и безопасную систему, способную функционировать в реальных условиях

Плотность мощности и дальность передачи задают практические границы применения: они определяют, сколько энергии можно доставить и на какое расстояние это возможно сделать. Не менее важна и безопасность: для эксплуатации в атмосфере обязательно использование невидимого инфракрасного излучения в сочетании с надёжными системами аварийного отключения, которые мгновенно прекращают генерацию луча при появлении любого постороннего объекта в его траектории. Наконец, узконаправленность пучка, хотя и обеспечивает высокую концентрацию энергии и снижает риски для окружающих, одновременно предъявляет жёсткие требования к точности и стабильности систем наведения, делая их одним из самых сложных элементов всей конструкции.

Из-за высокой чувствительности к внешним условиям техническая система, которая включает в себя лазерную передачу энергии, обязательно должна иметь интеллектуальную систему управления, выполняющую две ключевые функции.

Регулирование мощности

Эффективная работа лазерной передачи энергии возможна лишь при соблюдении ряда критических условий.

Прежде всего, между передатчиком и приёмником должна быть обеспечена прямая видимость, поскольку любое препятствие прерывает луч и останавливает передачу. В случае наземного применения особую роль играет стабильность атмосферы: турбулентность, облачность, дождь или пыль не только рассеивают и поглощают излучение, но и могут полностью нарушить связь. Кроме того, подобная передача энергии требует исключительно высокой точности наведения — даже минимальное отклонение лазерного луча на больших расстояниях приводит к полной потере сигнала и прекращению подачи энергии.

Эти условия напрямую влияют на ключевые характеристики конкретных компонентов и системы в целом. Эффективность преобразования, определяющая, какая доля входной электроэнергии доходит до потребителя, зависит от:

совокупного КПД лазера;

уровня потерь в канале передачи;

эффективности фотопреобразователя на приёмной стороне.

Для реализации динамического регулирования мощности и контроля безопасности управляющая система должна адаптировать выходную мощность лазера в зависимости от текущих потребностей приёмника и состояния канала передачи, а также непрерывно мониторит целостность луча. При малейшем нарушении — например, при появлении постороннего объекта в зоне прохождения луча — система мгновенно отключает излучение, предотвращая потенциальную угрозу для людей, животных или окружающего оборудования.

При проектировании реальных систем с использованием лазерной передачи энергии необходимо учитывать не только параметры самих устройств, но и особенности пространства, в котором будет осуществляться передача. Это означает, что каждая система — будь то наземная установка для подзарядки дронов, орбитальная станция или лунная база — требует индивидуального подхода к моделированию и расчёту. Инженеры должны создавать цифровые модели среды (включая атмосферные условия, рельеф местности, уровень радиации или гравитационные особенности), а также детально прорабатывать характеристики как передатчика, так и приёмника: 

Наведение с последующим слежением за целью

Для задачи наведения и слежения за целью важно постоянно удерживать лазерный луч точно на центре панели на устройстве-приемнике, компенсируя любые относительные смещения между передатчиком и приёмником. Для этого используются прецизионные сервоприводы и замкнутые контуры обратной связи, часто дополняемые слабым лазерным «маяком», который позволяет в реальном времени отслеживать положение приёмника и корректировать направление основного луча.

В завершении рассмотрим, как процесс передачи энергии с помощью лазерных технологий может быть реализован в каждой из двух номинаций, предложенных в рамках конкурса.

Номинация 1. «От моделирования в игры к моделированию в реальности»

В данной номинации занятия могут быть построены вокруг сопоставления принципов беспроводной передачи энергии в виртуальных мирах и в реальных инженерных системах. Например, учащиеся могут проанализировать игровые проекты, где реализованы технологии дистанционного питания — такие как Space Engineers, Oxygen Not Included или Surviving Mars, — в которых персонажи используют лазерные или лучевые линии для передачи энергии между модулями, станциями или роботами. На основе этих игровых механик можно перейти к проектированию физической модели: с помощью лазерного диода, фотопреобразователя и простого потребителя (например, светодиода или микромотора) учащиеся собирают миниатюрную установку лазерной передачи энергии. Сравнивая поведение системы в игре (где часто игнорируются атмосферные помехи, точность наведения или безопасность) и в реальности (где даже небольшое отклонение луча приводит к сбою), школьники выявляют ключевые физические ограничения и формируют более точную инженерную модель процесса.

Номинация 2. «Цифровое управление процессами и системами в реальном мире»

Эта номинация предполагает реализацию целостного цикла проектирования, моделирования и управления системой лазерной передачи энергии. В рамках инженерного задания учащиеся разрабатывают автоматизированную установку, в которой лазерный передатчик должен самостоятельно находить и удерживать луч на мобильном приёмнике. Занятие строится по следующей схеме: сначала формулируется модель процесса (включая условия прямой видимости, требования к точности и безопасность), затем разрабатывается алгоритм управления (с использованием, например, платформ Arduino или Raspberry Pi), который обрабатывает сигналы с датчиков положения и управляет сервоприводами наведения. После этого система тестируется в реальных условиях — например, при перемещении приёмника или изменении освещённости. Альтернативный сценарий может включать задачу обратного инжиниринга: учащимся даётся готовая система с базовым алгоритмом слежения, которая работает в спокойной обстановке, но теряет луч при появлении препятствия или вибрации. Их задача — проанализировать логику управления, выявить уязвимости и модифицировать программу так, чтобы система стала устойчивой к новым условиям.

О процессе выращивания растения на примере анализа полей из космоса

Для мониторинга полей чаще всего используется аэрофотосъемка и космическая съемка поверхности Земли

Инженерам приходится думать над управлением не только техническими системами, но и процессами, связанными с живыми организмами.

Процесс выращивания растения зависит от культуры, целей выращивания и условий произрастания.

Ярким примером такого процесса является процесс выращивания растений (см. рисунок 1). Процесс выращивания растений может быть связан с сельским хозяйством, например, быть подчиненным процессам производства определенных биоматериалов – зерна, кормов и пр. Но выращивание растений может быть частью и более сложных процессов, таких как украшение жилища, поддержание экосистем, выстраивание определенных ландшафтов и т. д. 

Ключевой целью процесса выращивания является обеспечение роста и развития растения, доведения его от стадии прорастания до стадии зрелости. Так как живой организм не может быть непосредственно сконструирован, процесс выращивания подразумевает создание условий для самостоятельного роста и развития растения. Поэтому инженеру принципиально важно знать эти условия и понимать, как их создавать и поддерживать.

Рассмотрим подробнее пример масштабного промышленного производства  сельскохозяйственной продукции, для которого характерны посадки монокультур (таких как кукуруза, рапс и др.) на больших площадях — в полях, измеряемых в гектарах и обрабатываемых с помощью тракторов и других машин. В промышленном сельском хозяйстве огромную роль играет мониторинг состояния растений: стадий роста, влажности, цветения или поражения вредителями и т. п. В зависимости от состояния растений в поле, бывает необходимо срочно принимать меры: в нужный момент распахивать землю и сажать, поливать, бороться с вредителям и т. д.

Сейчас, благодаря так называемому цифровому сельскому хозяйству, огромные площади могут обрабатываться небольшим числом работников, оснащенных роботизированными системами (полива, сбора урожая и т. д.) и специальными системами мониторинга. 

Рисунок 3. Принцип работы сложной технической системы для промышленного сельскохозяйственного выращивания растений

Рисунок 2. Анализ растений с помощью мультиспектральной космической съемки

Рисунок 1. Процесс выращивания растений

При этом используется не только оптическая съемка местности, но мультиспектральная съемка — съемка одного и того же участка местности производится одновременно в нескольких различных спектрах с помощью нескольких камер или фильтров. Так, благодаря сопоставлению оптических и инфракрасных диапазонов (см. рисунок 2) можно сделать выводы о стадии созревания растения, его состоянии с точки зрения насыщенности влагой, достаточности минералов и т. д. Это становится возможным благодаря фундаментальным физическим свойствам взаимодействия света с материей — радиоволны разной длины по-разному отражаются и поглощаются поверхностью земли и объектами на поверхности. Это позволяет сделать выводы о состоянии поверхности.

Обобщим ключевые отличия промышленного выращивания растений:

Выращиваются монокультуры, при этом от побочных культур, насекомых и многих других живых организмов избавляются – это позволяет работать с более простой моделируемой живой системой.

Огромные объемы производства не позволяют учитывать состояния отдельных растений, требуют массовых решений.

Требуется регулярный мониторинг больших площадей (десятки и сотни гектаров, большая протяженность полей и т. д.) с точным позиционированием (до кв. метра) отдельных участков – для точечного применения роботизированной техники.

Необходимо поддерживать рост растений на всех стадиях их жизни, максимально автономно.

1.

2.

3.

4.

Таким образом, техническая система, которая должна обеспечивать выращивание растений должна учитывать и описанные выше ограничения, и доступные технологические возможности. Такая техническая система может быть достаточно сложной (см. рисунок 3) и включать в себя как мониторинговую часть (например, космические спутники), так и обрабатывающую часть (трактора, в т.ч. роботизированные, беспилотники для точечного полива, распылители, доступ к воде, специальные химические вещества и т. д.). 

Рассмотрим, примеры значимых характеристики для процесса выращивания растений, которые можно выделить при проектировании такой технической системы:

Ключевая целевая характеристика, поскольку промышленное с/х ориентировано прежде всего на объемы производства

Суммарная масса урожая составляет 30 тонн.
Средняя масса стебля с листьями составляет 400 грамм.

Стадия выращивания растения – от семени до появления плодов

Побег, цветение и т.п.

Уровень насыщенности растения влагой

Увлажнение 80% от нормы.

Уровень наличия необходимых минералов

Сниженное содержания калия

Наличие живых организмов: насекомых, грибов, бактерий, препятствующих выращиванию растений

Картофель поражен колорадским жуком

Наличие побочных растений и сорняков (или процент от выходной массы продукта)

5% урожая рапса составляет сурепка.

На какой территории выращивается растение

Поле имеет площадь 5 га.

Как часто мы можем обновлять обозначенные выше характеристики, тем самым реагировать на возникающие изменения

Частота обновления – 2 суток.

Минеральный и органический состав почвы в месте выращивания

Дерново-подзолистая почва
Содержание минералов в почве:

Рельеф в месте расположения поля, бывает важно учитывать при расчетах и автономной обработке

Перепад высоты в поле составляет 4 метра на 100 метров

Географическое положение поля

Координаты центра поля широта/долгота в градусах: 55.3 634 472, 35.8 010 528

Данные характеристики можно объединить и построить модель выращивания растений для промышленного сельского хозяйства. Два противоположных подхода могут помочь выйти на построение модели.

Название характеристики

Описание характеристики

Примеры принимаемых значений

Первый подход

Первый подход заключается в опоре на уже выработанные в биологии и сельском хозяйстве модельные представления о растениях и их выращивании. Так, в биологии вводятся модели, описывающие строение растения на каждой из стадий развития, вводятся определенные нормы роста и развития (высота растения, длина корня, площадь поверхности листьев и т. п.). Для долгосрочных процессов выращивания, особенно в открытом грунте и с естественным освещением, становятся климатические модели, связывающие между собой освещенность, влажность и др. В почвоведении вводятся модели почв, описывающие ключевые необходимые для роста растений параметры и т. д.

Второй подход

Второй подход подразумевает опору на возможности доступных технических систем, которые обеспечивают выращивание растений. Например, анализ доступных для гражданского использования космических аппаратов (как отечественных, так и зарубежных) и производимых ими снимков позволяет увидеть, какие типы съемки и с какой точностью в принципе возможны, какие спектры и длины волн будут доступны для анализа. Количество спутников и их траектории пролета могут дать информацию о частоте обновления данных. Существуют различные системы обработки растений, удобрения, химические вещества для обработки и т. д. Помимо этого в настоящий момент широко распространены специальные генномодифицированные виды растений, выращивание которых происходит с особенностями, позволяющими упрощать технические системы, обеспечивающие выращивание. Например, такие растения могут обладать устойчивостью к определенным вредителям, что позволяет избавиться от отдельных процедур обработки полей химикатами.

В завершении рассмотрим, как процесс ориентации подводного аппарата может быть реализован в каждой из двух сценариев использования, предложенных в рамках конкурса.

Номинация 1. «От моделирования в игры к моделированию в реальности»

Номинация 2. «Цифровое управление процессами и системами в реальном мире»

В данной номинации занятия должны касаться общей модели, представленной в виртуальной среде и реальной технической системе. В качестве виртуальной среды можно взять какую-то из популярных игр, представляющих процесс выращивания растений, например, в жанре симулятора фермы (Stardew valley, Farming Simulator, Modern Farming и др.). Работу с реальной ситуацией можно построить на анализе реальных космических снимков сельскохозяйственных полей в регионе проведения занятий. Сопоставление моделей, необходимых на каждом из этих занятий, позволит сформулировать модель выращивания растений, необходимую для промышленного сельского хозяйства.

Эта номинация предполагает воссоздание целостного процесса управления ориентацией, включающего моделирование и программное управление. Поскольку школьники вряд ли смогут выстроить процесс управления сельскохозяйственным предприятием, в данном случае можно рассмотреть симуляционную задачу – про прохождение полного цикла управления в виртуальной среде (например, в профессиональных системах управления фермой с открытым кодом, таких как LiteFarm). Другой вариант – самостоятельно создать с учащимися простую самостоятельную игру/симуляционную среду в опоре на открытые данные космических снимков.

О процессе массового перемещения людей в общественных местах

1. Теория, основанная на законах физики

2. Теория социального взаимодействия

Кроме этого с помощью теории графов решается задача маршрутизации

Моделирование массового перемещения важно при проектировании навигации или разработке планов эвакуации.

3. Теория массового обслуживания или теория очередей

Городские улицы не справляются с транспортными потоками

Рассмотрим сам процесс перемещения людей

Процесс массового перемещения людей с каждым годом становится все актуальнее, особенно в современных мегаполисах, где количество транспорта как личного, так и общественного неуклонно увеличивается.

В общественных транспортных артериях, таких как метро, в часы пик возникают пробки из людей. Эскалаторы или фуникулеры не справляются со своей задачей — если желающих им воспользоваться слишком много, то перед этими устройствами может скопиться большая очередь. Режим работы лифтов в небоскребах строится на сложных алгоритмах, учитывающих часы пик, и не всегда справляется с ситуациями повышенного спроса.

Какой бы тип процесса мы не  рассматривали — однонаправленный поток идущих по дороге людей, движущиеся по трассе автомобили или люди, которые используют иные средства массового перемещения (лифты, фуникулеры, эскалаторы и пр...), для его описания используются разные подходы — инженерные, организационные, экономические, социальные и др., которые опираются на разные науки их теории и законы, и что важно, требуют разных моделей.

Используется в моделировании, при проектировании городского общественного транспорта, потоков внутри вокзалов и аэропортов, больших офисных зданий и кластеров.

«Где будет затор?»

«Сколько времени люди будут ждать?»

«Сколько нужно ресурсов (дверей, поездов, эскалаторов), чтобы этот затор ликвидировать?»

Поток можно описать законом движения жидкости или газа. Если коридор (дорога) широкий — частицы потока текут спокойно и быстро (ламинарное течение). Если возникает сужение (например, турникет или сужение дороги) — образуются завихрения, давление растет, скорость падает. Если паника — жидкость становится турбулентной, частицы могут резко тормозить или сталкиваться, поведение становится хаотичным.

При анализе давки в Мекке был обнаружен закон критической массы

Если плотность людей превышает 6-7 человек на квадратный метр, толпа перестает быть предсказуемой «жидкостью». Возникают волны давления, которые расходятся сквозь толпу с большой скоростью, люди начинают метаться, что приводит к давке. 

Используется в моделировании, например, при проектировании дорожно-транспортной сети.

Сила цели — у каждого человека есть цель попасть из, А в Б как можно скорее.

Сила отталкивания — люди стараются сохранять дистанцию для собственного комфорта и безопасности. Эта сила не дает людям в потоке слишком близко приближаться друг к другу.

Сила притяжения — если люди перемещаются группой, они стремятся не смотря ни на что держаться вместе. В панике эта сила может стать сильнее силы отталкивания, что приводит к давке.

Используется в моделировании при проектировании мест массового посещения: например, метро, стадионы, концертные залы, площади.

Эта теория описывает массовое перемещение людей не как физический или социальный процессы, а как поток требований (заявок), которые нуждаются в обслуживании. При таком подходе люди — это не пешеходы или пассажиры, а заявки, дороги, транспортные узлы (аэропорты, вокзалы, стадионы и пр.), сам транспорт — это обслуживающие каналы. 

Теория массового обслуживания рассматривает перемещение людей как нагрузку на пропускную способность системы. Она помогает ответить на вопросы:

Первостепенной задачей, послужившей развитию моделирования потоков, стал анализ пропускной способности пути. Под пропускной способностью понимают максимально возможное число элементов, которое могут пройти через сечение пути за единицу времени. В настоящее время пропускная способность является важнейшим критерием оценки качества функционирования путей сообщения.

Такси, как средство массового перемещения людей, подчиняется  в первую очередь законам рынка (экономический подход), где встречаются спрос и предложение в режиме реального времени, между которыми должен быть установлен баланс. 

В городе всегда есть точки, где машин много (предложение), и точки, где людей много (спрос). Цифровые платформы анализируют плотность заказов и машин на карте. Если спрос превышает предложение (например, в час пик или при снегопаде), алгоритм повышает цену, так работает динамическое ценообразование. Это делается, чтобы ограничить спрос (люди откажутся от поездки, разгружая дороги), привлечь предложение (водители с соседних районов поедут в «горячую» точку, чтобы заработать), восстановить баланс на дорогах.

Маршрут - это не просто кратчайший путь в графе, алгоритм должен учитывать текущие пробки (скорость потока), качество дороги, одностороннее движение на маршруте. Также алгоритм должен учитывать статус водителя, запрос на перевозку (дети,  питомцы) и пр.

В современном городе процесс массового перемещения людей подчиняется разным законам, которые работают одновременно, образуя сложную, иерархическую транспортную систему. Разобранные примеры показывают, что базовый пешеходный поток работает по законам физики, включение в систему техники (эскалатор/лифт) требует инженерной логистики, а использование такси добавляет математику рыночных алгоритмов.

Для моделирования процесса массового перемещения нужно:

выделить  определенный поток (перемещение людей из А в Б с определенной целю с помощью движущихся средств или без них);

определиться с подходом, который будет положен в основу, — инженерный, организационный или экономический, с помощью каких теорий описывается данный поток;

выделить характеристики потока;

понять, какие алгоритмы потребуются.

Разберем пример частного процесса массового перемещения людей из аэропорта в город с помощью такси как инженерную систему (инженерный подход). 

Сколько пассажиров прибывает в единицу времени (например, чел/мин). Важно учесть неравномерность: поток зависит от расписания прилетов и вместимости воздушных судов

Входящий поток (пассажиры, выходящие из зоны прилета и желающие взять такси)

Скорость посадки (сколько машин загружается и уезжает в минуту). Количество свободных такси в очереди на стоянке

Каналы (стоянка такси,  сами автомобили)

Длина очереди пассажиров и такси (сколько машин и людей находятся одновременно в ожидании)

Очередь.
1) Пассажиры ждут такси (если машин мало).
2) Такси ждут пассажиров (если машин много)

Для упрощения моделирования будем считать, в данном процессе действует принцип FIFO (First In, First Out — первый пришел, первый ушел), который означает, что заказ получает водитель, который раньше всех прибыл в зону ожидания. Водители занимают место в «физической» очереди на стоянке и получают заказ по очереди. Школьники могут создать компьютерную модель, которая симулирует процесс перемещения пассажира на такси из аэропорта в город во времени.

Концептуальная схема показывает, из каких частей состоит система, где находятся очереди, и как циркулируют ресурсы:

характеристика

значение

Прилетающие пассажиры,  важно знать их количество (интенсивность), если превышается порог, то управляющая система направляет свободные машины из города в аэропорт.

Пассажиры заказывают такси и выходят в зону ожидания. Если в очереди пассажиров нет — садятся в первую подошедшую машину и уезжают в город, если очередь есть — встают в конец очереди.

Как только машина освобождается в городе, она либо берет другой заказ, либо снова едет в аэропорт.

Очередь такси в аэропорту действует также, как и очередь пассажиров — кто первый тот и везет. Если пассажиров мало, тогда свободные машины система направляет в город.

1.

2.

3.

4.

место в смо

Моделирование такого процесса — это задача, которая решается с помощью алгоритмов теории массового обслуживания (ТМО). По сути, мы имеем дело с системой массового обслуживания (СМО), где пассажиры — это входящий поток заявок, а такси — это обслуживающие каналы,

Ключевые характеристики процесса массового перемещения людей из аэропорта на такси:

При моделировании важно исследовать параметры: максимальная длина очереди и среднее время ожидания как для такси (простой водителя), так и для пассажиров (могут не дождаться и использовать другие транспортные средства). Можно включить в схему время, затрачиваемое на посадку и  пропускную способность (сколько машин уезжает в минуту). Для программирования можно использовать Python и его библиотеки.

В завершении рассмотрим, как процесс перемещения людей может быть реализован в каждом из двух сценариев использования, предложенных в рамках конкурса.

Номинация 1. «От моделирования в игре к моделированию в реальности»

1.

2.

Номинация 2. «Цифровое управление процессами и системами в реальном мире»

В данной номинации занятия должны касаться общей модели.

Можно моделировать:

Эта номинация предполагает воссоздание целостного процесса управления перемещением людей с помощью такси из аэропорта в город, включающего моделирование и программное управление. Создается компьютерная модель, которая симулирует процесс перемещения пассажиров на такси из аэропорта в город во времени по принципу FIFO.

Через ролевую игру имитирующую взаимодействие пассажир→сервер→водитель*

С помощью программы AnyLogic**, которая позволяет создавать агентные модели и динамический дашборд,  Можно создать "агентов-пассажиров" и "агентов-такси", которые взаимодействуют по заданным правилам.