Studentská grantová soutěž - předchozí roky

Vývoj algoritmů a systémů pro řídicí, monitorovací a bezpečnostní aplikace VIII

SP2022/11

Stankuš Martin Ing., Ph.D.

01. 01. 2022 - 31. 12. 2022

Předmět výzkumu v rámci projektu: Projekt je zaměřen na aplikovaný výzkum v oblasti využití mikroprocesorových vestavěných systémů pro zpracování signálů a implementaci řídicích systémů, systémů pro robotiku a funkčně bezpečné aplikace, implementaci řídicích algoritmů a jejich simulace. Projekt navazuje na problematiku řešenou v předcházejícím projektu (Vývoj algoritmů a systémů pro řídicí, monitorovací a bezpečnostní aplikace VII, SP2021/29) a dále ji rozšiřuje. Řešitelský tým v průběhu řešení projektu SP2021/29 dosáhl v uvedené oblasti výsledků, které vedly k:  Vytvoření hodnocených vědeckých výsledků.  Podání projektů do výzev grantových agentur.  Provedení výzkumných prací pro komerční partnery. Základním účelem navrženého projektu je podpora doktorandů při zapojení se do výzkumné činnosti v některé z cílových oblastí projektu s cílem přechodu k pozdějšímu samostatnému řešení grantových projektů a realizaci smluvního výzkumu. Projekt Vývoj algoritmů a systémů pro řídicí, monitorovací a bezpečnostní aplikace VII si klade za úkol rozvoj výzkumných aktivit zejména v následujících oblastech: 1. Zpracování signálů v průmyslových a řídicích systémech Výzkum zasahující do oblasti zpracování signálů dále pokračuje v analyzování a optimalizování obrazových signálů pro strojové vidění v průmyslových aplikacích. Výzkum bude zaměřen na aplikování a testování vyvinutých algoritmů pro autonomní vyhodnocování a detekci optimálního nastavení zejména pro aplikace s využitím robotických systémů. Při výzkumu bude využito inteligentních metod a zároveň bude kladen důraz na objektivitu analytického vyhodnocování. Zkoumány budou známé metody z hlediska volby kamer, světel a celkové kompozice scény dle rozhodovacího algoritmu s implementací sofistikovaných algoritmů pro rozpoznání součástky a identifikaci její polohy v prostoru. Budou zkoumány možnosti 3D skenování a Bin Pickingu. 2. Výzkum a vývoj v oblasti senzorových sítí a technologií IoT Práce jsou zaměřeny na výzkum a vývoj systémů senzorických sítí a senzorů pro tyto sítě. Cílem je monitorování neelektrických fyzikálních veličin s důrazem na výzkum efektivních možností napájení a vzájemnou komunikaci měřicích bodů. Aktivita je zaměřena zejména na:  Výzkum v oblasti aplikací senzorických MESH sítí autonomních měřicích bodů se zaměřením na geotechnické a environmentální monitorování. Práce budou kontinuálně navazovat na rok 2021. Oblast vývoje a implementace bezdrátových monitorovacích systémů a senzorů bude zaměřena zejména na problematiku sledování stability skalních masívů, svahů, břehových pásem a budov. Partikulárně budou vyvíjeny monitorovací systémy implementovatelné pod hladinou vody. Budou analyzována data z pilotních verzí těchto systémů, které jsou již instalovány v terénu. Budou navrženy další úpravy, zejména v oblasti použití různých typů akumulátorů a způsobů jejich dobíjení, resp. analyzována možnost použití a výdrže primárních článků. Budou také pokračovat vývojové práce v oblasti implementace bezdrátového inklinoměru v lokalitě Příbor s použitím IoT technologie LoRa resp. Nb-IoT. Veškeré vývojové práce budou probíhat v úzké spolupráci s průmyslovými partnery. Vývoj bude probíhat s použitím IoT technologií IQRF, Sigfox, LoRa, Nb-IoT. Plánované je také komplexní testování veškerých komponent monitorovacích systémů v tzv. klimakomoře, zejména s ohledem na použití těchto komponent v extrémních přírodních podmínkách.  Vývoj subsystémů pro aplikace v oblasti IoT. Práce budou kontinuálně navazovat na rok 2021. Oblast vývoje bude zaměřen na problematiku implementace IoT řešení pro Smart Cities. Řešení se bude zabývat pokračováním vývoje a implementací bezdrátových systémů pro tzv. Chytré Lodžie, zejména pro měření environmentálních veličin a veličin spojených s bezpečností lodžií a budov. Budou použity IoT technologie LoRa, SigFox, NB-IoT a IQRF. Budou také probíhat vývojové práce na zcela nové koncepci IoT komunikační brány, která bude provozována v ostrovním režimu, tedy bez externího napájení. V rámci vývoje bezdrátových monitorovacích a řídicích systémů ve spolupráci s významnou mezinárodní firmou bude také činnost zaměřena na oblast řízení vnitřního osvětlení pomocí LED světel. V souvislosti s epidemií COVID-19 bude také vývoj zaměřen na implementaci bezdrátových senzorů zajišťujících bezpečnost na covidových jednotkách v nemocnicích. V rámci řešení SGS v roce 2022 bude také pokračovat rozvoj aktivit spojených se členstvím v IQRF Alianci a s tím související aktivní účasti v programu Smart School, který je zaměřen na propagaci technologie IQRF mezi studenty. Současně bude řešena koncepce IoT úložiště. Bude pokračovat vývoj serverové aplikace pro agregaci dat z různých IoT platforem (IQRF, LoRa, Sigfox, NB-IoT). 3. Výzkum a vývoj v oblasti vestavěných a průmyslových řídicích systémů V rámci tohoto tématického okruhu budou prováděny výzkumné aktivity týkající se vestavěných a průmyslových řídicích systémů. Bude se jednat především o následující oblasti:  Moderní řídicí algoritmy pro vestavěné systémy. Jedná se o navazující výzkum, který je zaměřen na oblast návrhu specializovaných řídicích algoritmů s použitím zařízení typu SoC (mikroprocesory a mikrokontroléry). Možnosti uživatelských a servisních zásahu do nasazeného vestavěného systému typicky bývají omezené, je proto vhodné, aby funkce celého vestavěného systému byla autonomní. Tzv. energeticky nezávislá zařízení zahrnují alespoň jeden technický prostředek schopných získávat energii z prostředí (tzv. energy harvesting – jde např. o solární články, větrné zdroje, vibrační zdroje, termočlánky). Optimální pracovní režim vestavěného zařízení s energy harvestingem je režim tzv. energetické neutrality, který předpokládá, že energetické nároky zařízení odpovídají objemu energie získané z vnějšího prostředí. Optimální chod zařízení implementujícího režim energetické neutrality předpokládá, že algoritmus řídící chod zařízení zohledňuje dvě základní pravidla. Algoritmus musí být na základě historických či aktuálních dat schopen predikovat množství energie, které je v krátkém časovém horizontu získatelné z prostředí. Dále musí být algoritmus na základě stanovených priorit schopen stanovit, jaká část funkcionality bude s dostupným objemem energie realizována.  Vývoj v oblasti moderních technologií a informačních systémů zaměřených na spojení s vestavěnými systémy, měřením a diagnostikou. Výzkum bude plynule navazovat na rok 2021. Vývoj je zaměřen na využití moderních programovacích jazyků (např. C#, Java, Kotlin, JavaScript) pro vývoj vestavěných systémů v oblasti měření a diagnostických aplikací s použitím mobilních i stacionárních platforem. Vývoj dále předpokládá využití moderních přístupů PaaS (Platform as a Service), který se jeví jako moderní trend v oblasti informačních technologií. Perspektivním řešením je v tomto ohledu využití cloud služeb jako je Microsoft Azure.  Vývoj v oblasti Optimalizace výpočetní zátěže IoT zařízení pomocí metod Mobile Edge Computing. Cílem této oblasti je výzkum metod MEC (Mobile Edge Computing) a jejich aplikace do oblasti IoT senzorů a monitorovacích zařízení. Pomocí MEC je možné provádět výpočty mimo zařízení s energeticky omezenými možnostmi a přesunout je na blízké zařízení, které je typicky napájeno s distribuční soustavy a z tohoto pohledu má nekonečné množství energie. Aby bylo možné výpočet přesunout na takovýto server (servery), je nutné provést bezdrátovou komunikaci. Taková komunikace spotřebovává energii. V rámci tohoto tématu lze nalézt mnoho výzkumných výzev jako jsou: optimalizace výpočetního času úlohy, optimalizace energetické náročnosti z pohledu IoT senzoru, optimalizace počtu přenesených dat a kombinace optimalizačních kritérií.  Implementace výpočetních algoritmů pro řešení úlohy typu NLP (Nonlinear programming problem). Bude vyvíjen algoritmus lokálního řešiče nekonvexních úloh nelineárního programování přístupem SQP (sequential quadratic programming), který bude možno integrovat do prostředí řídicího systému REXYGEN, určeného pro pokročilé řízení nelineárních systémů. Důvodem vývoje tohoto řešiče je následná aplikace na úlohy optimálního řízení (OCP-optimal control problem), které mohou být přímými metodami převedeny právě na NLP a řešeny numericky. Rovněž je tímto řešičem možné řešit úlohu online identifikace parametrů nelineárních systémů, a to metodou RHC (receding horizon control-metoda ustupujícího horizontu). Důvodem použití řídicího systému REXYGEN je potřeba provozování řídicích algoritmů v reálném čase na zvoleném vestavěném systému, například na průmyslovém PC, jednodeskovém PC, minipočítači Raspberry Pi, nebo na vybraných PLC (např. Wago, TECO, Pigeon). Přepokládá se ověření funkcionality vytvořeného řešení na případových studiích typu optimální řízení soustavy tažného vozidla a většího množství přívěsů a vleček (n>=3), což spadá do kategorie řízení neholonomických systémů. Využití spočívá v návrhu autonomních parkovacích asistenčních systémů, které mají být schopny se automaticky přemisťovat ze zadané do cílové pozice, navíc za ztížených podmínek daných přítomností překážek na trase. Dále bude předmětem výzkumu a optimální řízení procesů biologické části čistírny odpadních vod. Matematické modelování těchto procesů je rovněž součástí řešení tohoto dílčího tématu.  Návrh a realizace řešení pro sběr, vizualizaci a analýzu dat se zahrnutím vlastností Průmyslu 4.0. Základním úkolem je sběr dat, který bude proveden s použitím různých typů snímačů (např. vibrace, otáčky, tlak, teplota). Přenos dat bude realizován s využitím průmyslových komunikačních protokolů (např. Profinet, Powerlink nebo EtherCat). V rámci Průmyslu 4.0 je nezbytné realizovat veškeré operace s daty s použitím infrastruktury IoT (resp. Industrial IoT). To znamená, že je možné získávat i data prostřednictvím zařízení, které lze připojit do internetu (PLC, různé IIoT brány, platforma Arduino nebo podobné systémy). Následně jsou dosud nezpracovaná (tzv. raw) data vložena do vybrané cloud platformy (např. IBM MindSphere), v rámci které je možné využít různé metody pro analýzu dat. Jsou k dispozici i metody preventivní a prediktivní údržby. Pro zlepšení výsledků jednotlivých metod v rámci analýzy dat je možné využít tzv. preprocessing, který umožňuje posílat do cloudu předzpracovaná data, tím dojde ke zlepšení výsledných modelů.  Řídicí algoritmy pro vestavěné systémy. Pokračování výzkumu v oblasti optimalizace a vyvíjení vestavěných systémů pro metrologické účely s propojením s využitím bezdrátových komunikačních sítí a IoT infrastruktury. Výzkum je zaměřen na vývoj vestavěných systémů schopných získávat energii z prostředí metodou energy harvesting, tedy systémů schopných získávat energii ke svému provozu z okolí těchto systémů.

doc. Ing. Štěpán Ožana, Ph.D.
doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D.
Ing. Zdeněk Macháček, Ph.D.
Ing. Zdeněk Slanina, Ph.D.
prof. Ing. Jiří Koziorek, Ph.D.
Ing. Blanka Filipová, Ph.D.
Ing. Martin Pieš, Ph.D.
doc. Ing. Michal Prauzek, Ph.D.
doc. Ing. Jaromír Konečný, Ph.D.
Ing. Radim Hercík, Ph.D.
Ing. Martin Mikolajek, Ph.D.
Ing. Martin Stankuš, Ph.D.
Ing. Jakub Hlavica
Ing. Tomáš Dočekal
Ing. Jan Velička, Ph.D.
Ing. Miroslav Mikuš
Ing. Tomáš Ondraczka
Ing. Adam Vůjtek
Ing. Karolína Gaiová
Ing. Monika Adamíková, Ph.D.
Ing. Filip Krupa
Ing. Jakub Němčík
Ing. Miroslav Schneider
Ing. Tereza Kučová
Ing. Melvin Alexis Lara de Leon
Ing. Jan Choutka
Ing. Radek Byrtus
Ing. Adam Bátrla
Ing. Jiří Konečný
Ing. Alfons Václavík
Ing. Kamil Bančík

Specifikace výstupů výzkumu (cíl projektu):
Cílem projektu je rozvoj aktivit aplikovaného výzkumu v oblasti průmyslových a vestavěných měřicích/řídicích systémů. Důraz bude kladen na zapojení studentů magisterského a doktorského studia do řešení specifikovaných témat s cílem motivace talentovaných studentů k spolupráci na VaV činnosti. Kromě realizace dále uvedených výstupů bude vedlejším cílem projektu také personální rozvoj a rozšíření odborné skupiny tak, aby byla schopna řešit připravované projekty aplikovaného výzkumu ve spolupráci s průmyslovými partnery.
Projekt vychází z dlouhodobé výzkumné činnosti odborné skupiny Průmyslové automatizace a počítačů pro řízení (Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství, FEI, VŠB-TU Ostrava). Projekt navazuje na v minulosti dosažené výsledky a dále je rozvíjí. Při řešení projektu bude kladen důraz na podporu publikačních aktivit v časopisech s impaktním faktorem a další hodnocené výsledky.
Předpokládaným výsledkem projektu budou publikace v časopisech s impaktním faktorem, konferenční příspěvky, podání přihlášek průmyslového vlastnictví a podání projektových přihlášek do grantových agentur dle aktuálních výzev (MPO, TAČR, GAČR).