Development of a virtual environment for monitoring underwater electrical cables by an autonomous underwater vehicle based on fuzzy cellular automata

Abstract

The object of the study is to enhance operational efficiency and reduce fuel consumption of autonomous underwater vehicles during the monitoring of underwater electrical and optical cables based on FCA under conditions of uncertainty. To achieve the goal of the research fuzzy cellular automata are used, combining the advantages inherent in traditional cellular automata and provided by the capabilities of fuzzy sets and fuzzy logic. The cable location uncertainty is caused by possible earthquakes, turbulent currents, random impacts of anchors or fishing gear, cable fouling by marine vegetation and terrorist attacks. The developed approach allows to synthesise a Pareto-optimal vehicle route along the estimated coordinates of the object of study, providing minimum fuel consumption for minimum cable inspection time and satisfying the given system of constraints. Formal models are based on the use of fuzzy cellular automata, which are used to describe the three-dimensional model of the operating environment, zones and objects that hinder or limit the movement, and the behaviour of the underwater vehicle. The most significant results are the formal description of the problem solution space, and the method of modelling the route of an autonomous underwater vehicle in space to improve the efficiency and quality of the solution of the problem of monitoring the state of the object of interest. The significance of the results obtained is the possibility of solving a complex multi-criteria optimisation problem of finding the route of an autonomous underwater vehicle to monitor the cable system in three-dimensional space.

Obiectul cercetării este planificarea timpului minim de monitorizare a cablurilor electrice și optice subacvatice pe o anumită zonă a fundului mării de către un vehicul subacvatic autonom la costuri operaționale minime. Scopul lucrării este de a crește eficiența și de a reduce consumul de combustibil al vehiculelor subacvatice autonome în procesul de monitorizare a cablurilor electrice și optice subacvatice pe baza automatelor celulare fuzzy în condiții de incertitudine. Aparatele celulare fuzzy au fost utilizate pentru a atinge scopul studiului. Incertitudinea localizării cablurilor este cauzată de posibile cutremure, curenți turbulenți, impacturi aleatorii ale ancorelor sau uneltelor de pescuit, murdărirea cablurilor de către vegetația marină și atacuri teroriste. Abordarea dezvoltată permite sintetizarea unui traseu Pareto-optimal al deplasării vehiculului de-a lungul coordonatelor estimate ale obiectului de studiu, care asigură un consum minim de combustibil pentru un timp minim de inspecție a cablurilor și satisface sistemul de constrângeri dat. Modelele formale se bazează pe utilizarea automatelor celulare fuzzy, care sunt utilizate pentru a descrie modelul tridimensional al mediului de operare, zonele și obiectele care împiedică sau limitează mișcarea, precum și comportamentul vehiculului subacvatic. Cele mai semnificative rezultate sunt descrierea formală a spațiului de soluționare a problemei și metoda de modelare a traseului unui vehicul subacvatic autonom în spațiu pentru a îmbunătăți eficiența și calitatea soluționării problemei de monitorizare a stării obiectului de interes. Semnificația rezultatelor obținute constă în posibilitatea de a rezolva o problemă complexă de optimizare multicriterială a găsirii traseului unui vehicul subacvatic autonom pentru monitorizarea sistemului de cabluri în spațiul tridimensional.

Объект исследования – планирование минимального времени мониторинга подводных электрических и оптических кабелей на заданном участке морского дна автономным подводным аппаратом при минимальных эксплуатационных расходах. Цель работы – повышение оперативности и снижение расхода топлива автономными подводными аппаратами в процессе мониторинга подводных электрических и оптических кабелей на основе нечетких клеточных автоматов в условиях неопределенности. Для достижения цели исследования использованы нечеткие клеточные аппараты, сочетающие преимущества, заложенные в традиционных клеточных автоматах и предоставляемые возможностями нечетких множеств и нечеткой логики. Неопределенность местоположении кабеля вызвана возможными землетрясениями, турбулентными течениями, случайными воздействиями якорей или орудий лова, обрастанием кабелей морской растительностью и террористическими атаками. Разработанный подход позволяет синтезировать Парето-оптимальный маршрут движения аппарата вдоль предполагаемых координат залегания объекта исследования, обеспечивающий минимальный расход топлива за минимальное время контроля кабеля и удовлетворяющий заданной системе ограничений. Формальные модели базируются на использовании нечетких клеточных автоматов, с помощью которых описываются трехмерная модель среды функционирования, зоны и объекты, затрудняющие или ограничивающие перемещение, поведение подводного аппарата. Наиболее существенными результатами является формальное описание пространства решения задачи, и метод моделирования маршрута автономного подводного аппарата в пространстве для повышения оперативности и качества решения задачи мониторинга состояния объекта интереса. Значимость полученных результатов состоит в возможности решения сложной задачи многокритериальной оптимизации по нахождению маршрута передвижения автономного подводного аппарата для мониторинга кабельной системы в трехмерном пространстве. Таким образом, исследование свидетельствует об эффективности использования нечетких клеточных автоматов для построения маршрутов в процессе мониторинга подводных электрических и оптических кабелей в различных условиях, что позволит создать эффективную систему мониторинга за состоянием объектов наблюдения.