О чем материал
Рассказываем о цифровизации судоходства в Арктике: от прокладки безопасных маршрутов до экологического мониторинга
Почему, несмотря на все очевидные сложности, судоходство в Арктике активно развивается?
Первая причина — скорость доставки грузов. Суда в Арктике идут довольно медленно, но сам маршрут при этом намного короче альтернатив, поэтому в итоге выходит быстрее. Следующий важный момент — безопасность: здесь нет ни пиратства, ни военных действий. Наконец, в Арктике нет денежных сборов за проход по маршруту, как в случае того же Суэцкого канала. Заплатить придется разве что за сопровождение ледоколом.
Как результат, сегодня через акваторию идет крупный поток грузов. В первую очередь промышленных: нефть, газ, металлы, руда, оборудование и т. д. Всего — около 40 млн тонн в год. Кроме того, для некоторых регионов это единственный способ получения жизненно важных хозяйственных грузов. Так, в рамках федеральной программы «Северный завоз» осуществляется доставка продовольствия и товаров первой необходимости в труднодоступные приполярные регионы. В сумме — около 4 млн тонн в год.
Таким образом, арктическое судоходство — в каком-то смысле вынужденная мера. Из-за климатических условий оно всегда было не только сложным, но и по-настоящему опасным. Ну а там, где есть опасность, сразу возникает масса юридических, технических и других ограничений...
С какими именно ограничениями и проблемами сталкивается судоходство в Арктике?
Во-первых, чтобы выйти на Северный морской путь, нужно подать заявку по электронной почте и получить официальное разрешение от Главсевморпути. Для сравнения: в Черном море достаточно отправить уведомление контролирующим органам при выходе из порта.
Во-вторых, технические трудности. Когда акватория покрыта льдом, идти можно только за ледоколом либо на судне с высоким ледовым (арктическим) классом, которое самостоятельно прокладывает себе дорогу. Количество ледоколов, само собой, ограниченно, а число судов, идущих за ними в караванах, обычно невелико, потому что ледовый канал быстро сужается. Размер судна тоже имеет значение: если мы с вами не побоимся судьбы «Титаника», скинемся и арендуем небольшую яхту ледового класса, это будет одна история. Совсем другое дело, если нужно доставить большой груз. Например, в позапрошлом году на полупогружном судне перевозили большие модули для «Арктик СПГ-2» — для прокладки пути потребовалось сразу два ледокола. К слову, справились за полтора месяца: это довольно быстро, учитывая, что коммерческая скорость в Арктике составляет всего 12 узлов (против 15–25 в других регионах), а у ледоколов и того меньше — около 10.
Третья проблема — информационная. Чтобы планировать рейсы, нужно понимать, куда предстоит идти, с какой скоростью и при какой погоде. Но с данными в Арктике туго: их вечно не хватает, и они быстро устаревают. Оптические спутники здесь почти не помогают: снимки получаются низкого разрешения, а иногда и вовсе оказываются бесполезными из-за постоянной облачности. Кроме того, полгода тут ночь. Чтобы добыть нужные данные, приходится использовать радиолокационные спутники, а у России для нужд Арктики их пока мало.
Следующий проблемный фактор — экология. В Арктике масса природоохранных ограничений, вокруг островов находятся ООПТ (особо охраняемые природные территории), а многие участки закрыты из-за специальных объектов или мероприятий. К тому же есть ограничения при хождении на тяжелом топливе — мазуте или обычном дизеле. Нужно использовать легкое топливо или газ, чтобы не загрязнять море. Иногда суда, которые везут газ, на нем же и идут — получается довольно символично :)
Наконец, в Арктике есть очевидные проблемы с инфраструктурой. Она слабо развита, потому что хозяйственной деятельности здесь всегда было мало, да и людей тоже. На сегодняшний день у нас всего девять портов и несколько ремонтных баз, а проводить технические осмотры и чинить суда нужно чаще, чем в других регионах. Людей не хватает, логистика сложная — все происходит медленно и стоит дорого.
В Арктике никто не любит воду, даже ледоколы: их сильно качает при попутной волне. Хотя они, между прочим, двухосадочные — то есть умеют менять осадку, чтобы подстраиваться под глубину. Ледокол может сбросить балласт и подняться выше над водой, чтобы, к примеру, пройти по довольно мелкому каналу Обской губы. Или наоборот — немного погрузиться, чтобы стать устойчивее, тяжелее и лучше ломать лед. Это уникальное решение, которое используется только в Арктике — в других регионах такие технологии попросту не нужны
Какую роль в решении этих проблем играет Единая платформа цифровых сервисов Северного морского пути?
Наша главная цель — обеспечить безопасность судоходства через цифровизацию и автоматизацию всех сопутствующих процессов. Сейчас платформа состоит из девяти модулей (подсистем). Например, у нас есть модули «Эффективность» (содержит всю информацию о грузопотоке) и «Экология». Всего в рамках платформы функционируют 33 самостоятельных сервиса.
Отмечу, что мы уже агрегируем данные из более чем 80 источников. У той же «Экологии» их порядка 15, у гидрометеорологических модулей — более 40, еще семь нужно для осуществления разрешительной деятельности и т. д. Информация поступает от кораблей, со спутников, из портов — мы ее аккумулируем и обрабатываем. Причем речь идет о совершенно разных организациях, с каждой из которых нужно отдельно выстраивать взаимодействие. Таким образом мы создаем вокруг Северного морского пути единое информационное поле.
Расскажите подробнее об основных направлениях вашей работы.
Первое — автоматизация бюрократических процессов. Сейчас работаем над интеграцией с «Госуслугами»: скоро там можно будет оперативно получить разрешение на плавание в акватории СМП. Параллельно ведется контроль нарушителей и сопутствующих бумажных процессов.
Второе направление — консолидация данных о судах. Мы разрабатываем для Главсевморпути наглядные дашборды и интерактивные карты, где отображается вся красотища: кто и где идет, с какой скоростью, есть ли у судна разрешение, какой там ледовый класс — вплоть до имени капитана. Кроме того, в системе централизована информация об ограничениях, связанных с экологией, специальными объектами и всевозможными государственными мероприятиями. Туда же поступают все диспетчерские сообщения — за сутки набегает несколько сотен.
По принципу работы наша платформа напоминает Flightradar и MarineTraffic — открытые онлайн-карты, которые показывают движение самолетов и судов по всему миру. Но у нас гораздо больше источников данных и мы концентрируемся не на мониторинге, а именно на управлении судоходством и обеспечении его безопасности. К слову, MarineTraffic на Северном морском пути работает значительно хуже нашей системы ;)
Третье направление — разработка сервисов, которые позволяют получать гидрометеорологическую информацию и данные о состоянии льда (толщине, траектории, скорости движения и др.). К примеру, мы прогнозируем мезомасштабные полярные циклоны, которые в Арктике возникают особенно часто. Они зарождаются там, где есть крупные полыньи, и сопровождаются сильным ветром и высокими волнами, что создает опасность для судов. Гидрометеорологи, конечно, меня за такое объяснение съедят, но я специально говорю простыми словами, чтобы не уходить в профессиональные термины :)
Другой пример: наш «ледовый» сервис анализирует спутниковые снимки и предоставляет информацию о том, где находится тяжелый и старый лед, а где молодой и тонкий, в каких местах встречаются опасные образования и как они дрейфуют. Северный морской путь неглубокий (акватория в целом мелководная), поэтому айсберги и торосы нередко застревают на дне: зацепился и стоит. При этом торосы зачастую непроходимы, а айсберги опасны — мы отмечаем такие объекты на интерактивной карте, чтобы их обходили суда.
При создании платформы мы делали упор на общедоступность, поэтому доступ к ней можно получить через обычный браузер (также есть PWA). Но только если вы авторизованы или как минимум находитесь в России: система автоматически отсеивает внешних пользователей из нежелательных стран по IP и другим параметрам.
Да, браузерный формат накладывает ряд ограничений, но дает главное — универсальность. Пользователи видят данные, которые успели закешироваться, даже если пропадает связь. Такие случаи не редкость, ведь расстояния в Арктике огромные, а покрытие связью нестабильное. Более того, связь со спутником может пропасть даже если мачта, рубка или другая конструкция ненадолго загородит антенну при повороте судна.
На кого вы ориентировались при создании платформы?
Честно говоря, у нас не было времени глубоко изучать зарубежный опыт и что-то копировать, хотя в целом конкурентоспособные западные продукты и их плюсы/минусы нам известны. Например, в Windy.com реализован отличный интерфейс, которого не хватает нашей системе. Сроки были сжатыми, поэтому мы вынужденно фокусировались на доступности и защищенности. В итоге мы завершили основную часть проекта буквально за три года, а теперь занимаемся доработкой системы.
У нас высокие требования к информационной безопасности, ведь речь идет о важных данных. Аналогично — с резервным копированием информации и общей катастрофоустойчивостью платформы. Подробности по понятным причинам раскрыть не могу, но все хранится децентрализованно
«Ты туда не езжай — давай по-другому езжай»
Расскажите подробнее о сервисе для прокладывания маршрутов судов.
Одна из особенностей Северного морского пути заключается в наличии рекомендованных маршрутов. Суда, заходящие в акваторию, сообщают нам не только точки А/Б и предполагаемое время в пути, но и конкретный маршрут: «Поеду вот здесь и вот так». В свою очередь, Главсевморпуть может вносить в него корректировки.
При прокладке маршрутов для судов наша система учитывает разные факторы, например:
- бизнес-потребность: когда судно хочет стартовать и прибыть в пункт назначения;
- характеристики судна: технические параметры и ледовый класс;
- осадка судна (не забываем, что акватория неглубокая);
- и т. д.
Сначала мы вычисляем кратчайший маршрут, затем корректируем его с учетом параметров конкретного судна и получаем интегральную оценку проходимости по выбранному пути. То есть мы не просто говорим капитану: «Подожди, ты туда не езжай — давай по-другому езжай», а выводим на карту оптимальный маршрут, построенный с учетом всех возможных переменных. Каждая его точка анализируется так, чтобы судно двигалось как можно более эффективно.
Какие именно ограничения вы учитываете при построении маршрутов?
- Гидрометеорологические: ветер, волны, температура, состояние льда (в том числе наличие опасных образований — айсбергов и др.).
- Природные: есть ли на пути судна ООПТ.
- Навигационные: регулярные бюллетени о временных ограничениях.
- Государственные, которые публикуются на официальных сайтах ведомств.
Все эти данные поступают из разных источников, в том числе от Минобороны, Минприроды, Минтранса и подведомственных структур. Также в системе предусмотрено взаимодействие с другими ведомствами, например с ФМБА (Федеральное медико-биологическое агентство). Но пока у нас не было кейсов, когда медицинские ограничения повлияли бы на планирование маршрутов.
Вода и ветер — главные причины смещения льда и зарастания ледовых каналов. Прорубленный ледоколом путь всегда довольно быстро затягивается, и это тоже нужно учитывать
Как вы прогнозируете опасные погодные явления?
Арктика — крайне сложный регион, поэтому мы используем сразу две гидрометеорологические модели: Cosmo и «Плав». С их помощью мы рассчитываем высоту волн, скорость ветра и т. д. Также прогнозируем параметры атмосферы с учетом высоты конкретной точки над уровнем воды/льда (показатели на высоте десяти метров и одного километра могут значительно различаться).
В совокупности со спутниковыми снимками эти данные позволяют составлять ледовые прогнозы. Причем мы отслеживаем не только льдообразование, но и движение льда: на него влияют течения, ветер и надводные волны, которые в Арктике бывают очень сильными. Лед в Арктике — вообще отдельная стихия, для прогнозирования которой нужно много вычислительных ресурсов. Чтобы получить сценарий на конкретную дату, мы загружаем в систему данные за прошедший год и более (спутниковые снимки и всю гидрометеорологию), верифицируем полученные результаты и на их основе формируем актуальный прогноз.
Но даже с таким подходом прогноз более чем на три дня вперед всегда звучит примерно как «Вероятность встретить динозавра составляет 50%» :) Что будет на четвертый день, не знает никто, а уж прогноз на 10 дней — это вообще сказки. Отмечу, что долгосрочные ледовые прогнозы существуют: их составляет Институт Арктики и Антарктики (ААНИИ) в Петербурге, но они всегда имеют значительные обобщения. Это не режим онлайн, но мы все равно загружаем данные в систему и учитываем при расчетах.
Откуда еще вы берете данные для составления прогнозов?
Вдоль Северного морского пути рассыпаны метеорологические датчики и измерительные станции, но их совсем мало, поэтому сеть наблюдений довольно редкая. Часть данных получаем со спутников, но основной источник информации — сами суда, которые находятся в акватории. В морской практике принято, что корабли всегда передают актуальные данные о температуре и ветре. В Арктике к этому списку добавляется информация о ледовой обстановке, которую наблюдает команда. Кроме того, существуют специальные измерительные приборы на судах, которые автоматически собирают и передают данные в нашу систему.
В чем особенности ML-решений, которые вы применяете для прогнозирования?
Я скептически отношусь к ИИ, поэтому мой ответ, возможно, прозвучит немного непривычно :) Начнем с того, что у нас не трендовая самообучающаяся модель-трансформер вроде ChatGPT. Наш ИИ не разговаривает, и он не универсален, а решает конкретную задачу — создание предиктивных математических моделей, которые выдают необходимые прогнозы (в основном о погодных условиях и состоянии льда) и обеспечивают задачи по детектированию и классификации льда, а также опасных ледовых образований.
Проще говоря, мы обучаем нейросеть генерировать математические модели и следим за тем, чтобы она не начинала выдавать ерунду. А такое тоже бывает: в качестве примера приведу историю с жадным алгоритмом. Представьте: ледоколу нужно собрать три корабля в караван. Алгоритм должен рассчитать, в какой последовательности лучше это сделать (с учетом метеорологических данных). В итоге жадный алгоритм умудрялся пройти мимо ближайшего судна, хотя было очевидно, что его нужно брать первым. Так на примере адаптивной маршрутизации мы поняли, что модель требует доработки и большей прозрачности вычислений. Неочевидные решения, выдаваемые чистым ИИ или черным ящиком, нам не подходят.
Для обучения модели мы используем гидрометеорологическую информацию (около 100 параметров) и данные со спутников. Важно отметить, что это именно спутниковые данные, а не просто снимки: амплитуда, частота, угол отражения сигнала и др. То есть наш ИИ обучается не на картинках, а на предварительно обработанных наборах данных
«Ребята, вы отклонились от маршрута — уходите оттуда»
Как вы отслеживаете состояние экосистемы в Арктике?
За экологический мониторинг и визуализацию данных отвечает одноименная подсистема «Экология». На интерактивной карте можно отследить динамику зоологических видов, их миграцию, состояние окружающей среды и т. д. В подсистему можно загружать собственные данные, а также подключать и анализировать информацию из внешних источников. В первую очередь это инструмент для профильных специалистов, поэтому мы настроили автополучение данных из нескольких экологических организаций. Все загруженные исследования визуализируются в едином интерфейсе.
После введения санкций мы постарались переключиться на российские источники экоданных — например, национальные ассоциации по мониторингу птиц. Но нужно понимать: в Арктике полно эндемиков, поэтому значительная часть полезной информации приходила от международных организаций. После ввода ограничений экологический блок работает в ограниченном объеме, но ситуация постепенно меняется к лучшему
Кроме того, сейчас мы работаем над функционалом детектирования пленочных загрязнений. Допустим, у судна происходит утечка топлива и на поверхности воды появляется пленка. Система должна автоматически это фиксировать и сообщать, что с определенной вероятностью произошло загрязнение окружающей среды. При этом алгоритм сразу определяет предполагаемого нарушителя, а оператор оценивает, насколько ситуация критична. Если нарушение будет верифицировано, капитану судна может прийти запрос с просьбой сфотографировать акваторию вокруг корабля. Фото можно отправить прямо в нашу систему.
Сейчас мы работаем над тем, чтобы сократить количество ложных срабатываний. Например, алгоритм может принять за пленочное загрязнение скопление саргассовых водорослей на поверхности или мелкие ледяные чешуйки, которые образуются в соленой воде (так называемый слеш-эффект).
Главная проблема с детектированием загрязнений — это нехватка исторических данных для обучения алгоритма. Дело в том, что люди стараются скрывать экологические происшествия — особенно масштабные, следы которых видны на спутниковых снимках. Если такие кадры попадут в открытый доступ, это может вызвать серьезный общественный резонанс. Поэтому найти выверенные данные не так-то просто: никто не хочет делиться изображениями разливов в акваториях. Чтобы собрать хоть что-то пригодное для анализа, приходится закапываться в архивах
Как вы контролируете нарушения, связанные с ООПТ?
Особо охраняемые природные территории — это своего рода константы. Их статус утверждается на федеральном уровне, поэтому границы подобных зон редко меняются. Соответственно, мы по умолчанию учитываем эти данные при прокладке маршрутов. Но бывают и временные ограничения от Минприроды: грубо говоря, «в связи с миграцией белых медведей». Если информация об этом появляется в официальных источниках, она сразу отображается и на нашей платформе.
Что касается контроля нарушений: на всех судах есть геопозиционные маячки, которые транслируют координаты в режиме реального времени. Если корабль зашел не туда, наша система сразу это фиксирует: команде позвонят или напишут: «Ребята, вы отклонились от маршрута — уходите оттуда». Этот подход используется для управления судоходством по всему миру, но Северный морской путь — особенная акватория, поэтому здесь все немного строже. Конечно, пограничный корабль ФСБ не сорвется выгонять нарушителей из природного заповедника, но когда судно зайдет в порт, его встретят специальные люди — мало не покажется...
Помимо нарушений, связанных с ООПТ, мы также отслеживаем случаи входа в акваторию СМП судов без разрешений. Данные сразу передаются в соответствующие ведомства: они тоже пользуются нашей платформой, но с особенным уровнем доступа
***
Поделитесь планами по развитию платформы.
В ближайшем году мы сосредоточимся на двух направлениях. Во-первых, будем совершенствовать интерфейс платформы с учетом обратной связи от пользователей. Во-вторых, займемся поиском новых надежных источников данных. Западные партнеры все сильнее крутят гайки, а восточные пока не спешат сотрудничать, но мы уже работаем в этом направлении. Параллельно планируем выстроить более тесное сотрудничество с «Роскосмосом»: коллеги вводят в эксплуатацию все больше новых спутников и постепенно улучшают интерфейсы для взаимодействия с ними.
