Details

Данная работа посвящена преодолению информационной и протокольной изоляции между робототехническими комплексами (БПЛА на базе ROS 2) и распределенными компонентами O-PAS-совместимых управляющих систем (АСУТП) на базе стандарта OPC UA, развертываемых на объектах нефтегазового сектора. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1. Анализ ограничений традиционных АСУТП и преимуществ открытой архитектуры O-PAS при интеграции БПЛА в процессы мониторинга нефтегазовых месторождений. 2. Проектирование и программная реализация шлюза данных для двунаправленной семантической трансляции потоков DDS (ROS 2) в объектно-ориентированное адресное пространство OPC UA. 3. Разработка и интеграция граничных алгоритмов пороговой фильтрации нейросетевых данных и механизмов семантической отказоустойчивости межпротокольного обмена. 4. Создание многопоточного модуля визуализации и операторского интерфейса (HMI) с конвейером асинхронного рендеринга видеопотока. Работа проведена на базе имитационной среды Gazebo и фреймворка ROS 2, где собиралась значительная часть фактического материала в ходе интеграционных испытаний со стандартизированным промышленным клиентом UaExpert. Анализ производительности проводился методом оценки задержек передачи информации и утилизации системных ресурсов вычислительного узла. В результате был разработан и успешно протестирован программный шлюз данных, обеспечивающий сквозную передачу навигационной телеметрии и видеопотока с задержкой 500–700 мс, что полностью удовлетворяет критериям сценариев нежесткого реального времени (Non-hard real-time). Внедренные алгоритмы изоляции сбоев при потере навигационных полей (маркер -999.0) подтвердили высокую живучесть системы. Разработанное решение полностью реализует концепции «Plug-and-Play» и аппаратно-программного разделения, позволяя бесшовно интегрировать БПЛА в контур управления цифрового месторождения без модификации существующих верхнеуровневых систем SCADA. Для достижения данных результатов в работе были использованы следующие информационные технологии, в том числе программное обеспечение: язык программирования Python, фреймворк ROS 2 (библиотека rclpy), асинхронная библиотека asyncua, графический фреймворк Tkinter, библиотеки OpenCV и NumPy, а также промышленное ПО UaExpert.

The given work is devoted to overcoming the information and protocol isolation between robotic complexes (ROS 2-based UAVs) and distributed components of O-PAS-compliant control systems (SCADA/DCS) based on the OPC UA standard deployed at oil and gas fields. The research set the following goals: 1. Analysis of the limitations of traditional industrial control systems and the advantages of the open O-PAS architecture when integrating UAVs into oil and gas field monitoring processes. 2. Design and software implementation of a data gateway for bidirectional semantic translation of DDS streams (ROS 2) into the object-oriented OPC UA address space. 3. Development and integration of edge algorithms for threshold filtering of neural network data and mechanisms for semantic fault tolerance of cross-protocol exchange. 4. Design of a multithreaded visual monitoring module and operator interface (HMI) with an asynchronous video stream rendering pipeline. The work was fulfilled on the premises of the Gazebo simulation environment and the ROS 2 framework, which included the collection of factual material during integration testing with the standardized UaExpert industrial client. The analysis was conducted by the method of software modeling of end-to-end data transmission and evaluation of system resource utilization. The study resulted into the development and successful testing of a software data gateway providing deep semantic translation of telemetry and video streams with an end-to-end latency of 500–700 ms, which fully satisfies the criteria of non-hard real-time scenarios. The implemented fault isolation algorithms for coordinate loss (the -999.0 marker) confirmed the high survivability of the system. The developed solution fully implements the concepts of "Plug-and-Play" and hardware-software decoupling, allowing seamless integration of UAVs into the digital oilfield control loop without modifying existing upper-level SCADA systems. To achieve these results, the following information technologies were used/developed in the work: Python programming language, ROS 2 framework (rclpy library), asynchronous library asyncua, graphical framework Tkinter, OpenCV and NumPy libraries, and UaExpert industrial software.