WAGS – elementem systemu ochrony morskiej podwodnej infrastruktury krytycznej

Zakłócenie funkcjonowania jakiejkolwiek z tych instalacji skutkować może poważnymi utrudnieniami dla dużej rzeszy odbiorców zarówno w skali mikro (użytkownicy końcowi), jak i makro (państwa, firmy i przedsiębiorstwa). Niekiedy uszkodzenie lub zniszczenie najistotniejszego elementu takiej infrastruktury może być postrzegane jako krytyczne dla funkcjonowania całej gałęzi gospodarki lub struktury bezpieczeństwa państwa. Paradoksalnie łatwość uszkodzenia podwodnej infrastruktury wynika z faktu, że jej umiejscowienie jest prezentowane na morskich mapach nawigacyjnych, co miało zapobiegać przypadkowym uszkodzeniom np. poprzez wleczenie kotwicy po dnie w rejonie posadowienia kabla czy rurociągu. Niestety, jak pokazują wydarzenia z ostatnich kilku lat, wiedza ta może być i jest wykorzystywana do realizacji działań o charakterze sabotażowym lub hybrydowych prowadzonych poniżej tzw. progu wojny. Świadczą o tym dość liczne sytuacje rzekomo „przypadkowego” i „niezamierzonego” uszkodzenia elementów morskiej infrastruktury podwodnej na akwenach Morza Bałtyckiego. Wymagają one podjęcia zdecydowanych działań mających na celu minimalizację ewentualnych zagrożeń dla morskiej infrastruktury podwodnej oraz zbudowania odpowiedniego i skutecznego systemu jej ochrony.

System ochrony morskiej infrastruktury podwodnej. Zadania. Elementy.

Projekt każdego systemu ochrony powinien w pierwszej kolejności uwzględniać cel funkcjonowania i źródła potencjalnych zagrożeń oraz realne możliwości zapobiegania tym zagrożeniom. Nie wdając się w szczegóły, celem przedmiotowego systemu powinno być zapewnienie możliwości sprawnego i nieprzerwanego funkcjonowania całej infrastruktury podwodnej zlokalizowanej na dnie morskim w danym obszarze zainteresowania. Aby tego dokonać w pierwszej kolejności niezbędne jest dysponowanie technicznymi i programowymi środkami umożliwiającymi między innymi realizację takich zadań jak: - prowadzenie stałego monitorowania sytuacji podwodnej i nawodnej w rejonie posadowienia tej infrastruktury w celu detekcji i lokalizacji potencjalnych zagrożeń; - realizowanie działań kontrolnych i sprawdzających w sytuacjach wykrycia prób naruszenia obszarów podlegających ochronie przez jednostki nieuprawnione.

W dalszej perspektywie będzie to także dysponowanie siłami i środkami pozwalającymi na przeciwdziałanie zagrożeniom oraz ich fizyczną eliminację. Oczywistym jest to, że istotnym utrudnieniem jest tutaj specyfika środowiska morskiego, obejmująca takie cechy jak duża zmienność warunków hydrometeorologicznych akwenu, wzrost ciśnienia hydrostatycznego wraz z głębokością, czy ograniczenia w zakresie pozycjonowania łączności podwodnej oraz zasięgu podwodnej detekcji hydroakustycznej i optycznej. Nie bez znaczenia jest też fakt znacznej wielkości obszarowej i liniowej rejonów posadowienia elementów przedmiotowej infrastruktury oraz często dużej odległości od linii brzegowej.

Biorąc pod uwagę powyższe okoliczności celowe jest zastosowanie w systemie ochrony elementów bezzałogowych, które w miarę możliwości funkcjonowałyby z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. Powinny one obejmować zarówno środki stałe (umiejscowione na dnie lub w toni wodnej), jak i mobilne, mogące operować na dużym obszarze z różnym zanurzeniem, wyposażone w sensory pozwalające na ciągłe dostarczanie informacji przydatnej dla osiągania pełnej świadomości sytuacyjnej w rejonie ochrony. Mogą to być sensory pasywne (hydrofony, mierniki zmian pola magnetycznego) i aktywne (sonary, echosondy wielowiązkowe), jak również kamery wizyjne. Końcowym elementem, łączącym wszystkie ogniwa systemu ochrony powinno być centrum zarządzania, wyposażone w zintegrowane systemy transmisji, przetwarzania i analizy danych, wspierane najnowszymi rozwiązaniami programowymi bazującymi na AI.

Z obecnej perspektywy osiągnięć technologicznych w zakresie wyposażenia technicznego przeznaczonego do prac podwodnych najodpowiedniejszymi elementami mobilnymi mogą być pojazdy podwodne typu AUV (Autonomous Underwater Vehicle – autonomiczny pojazd podwodny). O ich skuteczności świadczą liczne przykłady wykorzystywania przez komercyjne firmy z branży off-shore, zarówno w procesie przygotowania projektowego inwestycji podmorskich (tworzenie numerycznego modelu dna, poszukiwanie i lokalizacja przeszkód na dnie) jak i prowadzenia kontroli stanu morskich instalacji podwodnych. Należy jednak wyraźnie zaznaczyć, że wykorzystywanie typowych cywilnych wersji pojazdów AUV w systemie ochrony morskiej infrastruktury podwodnej może być nie do końca efektywne. Stąd też obserwuje się dążenie wielu państw do opracowania\ i stworzenia bardziej wyspecjalizowanych pojazdów AUV, które oprócz zadań związanych z ochroną infrastruktury podwodnej mogą wypełniać także bardziej skomplikowane zadania rozpoznawcze i wywiadowcze typu ISR (Intelligence, Surveillance and Reconnaissance). Kluczowe znaczenie, przy tego typu zadaniach, ma tutaj także skrytość i długotrwałość działania oraz zdolność przetwarzania i analizy danych w miejscu ich pozyskiwania.

Mobilny element systemu ochrony morskiej podwodnej infrastruktury krytycznej. Wyzwania technologiczne.

Dynamiczny rozwój technologii systemów sensorycznych i efektorowych oraz wykorzystujących sztuczną inteligencję powoduje, że możliwe staje się opracowanie coraz bardziej zautomatyzowanych i autonomicznych platform podwodnych. Dlaczego zastosowano tutaj określenie „platforma”? Odpowiedź jest w miarę prosta – termin ten obejmuje nie tylko coś, co do tej pory było określane jako pojazd podwodny AUV, ale także zintegrowane elementy wsparcia, jak stacje dokowania umożliwiające uzupełnianie energii baterii akumulatorowych pojazdów i transfer danych oraz centrum zarządzania z oprogramowaniem pozwalającym na szybką analizę danych, dynamiczne korygowanie parametrów aktualnie wykonywanej misji podwodnej i wprowadzanie scenariusza nowej misji. 

Nad bezzałogowymi autonomicznymi pojazdami, platformami i okrętami podwodnymi pracują firmy z całego świata. Eksperci studzą oczekiwania. Zdaniem specjalistów z Politechniki Gdańskiej i firmy TELBUD S.A. z Poznania przed tego typu rozwiązaniami jest jeszcze wiele wyzwań, zanim zostaną stworzone w pełni funkcjonalne i niezawodne modele. Kluczem do sukcesu jest pokonanie wszystkich barier technologicznych w zakresie doboru materiałów konstrukcyjnych, systemów autonomicznych, systemów sensorycznych i efektorowych, systemów napędowych i źródeł zasilania oraz systemów sterowania, nawigacji i kodowanej komunikacji podwodnej.

Nawet jeśli przyjmiemy, że programowana bezzałogowa platforma podwodna będzie wyposażona w autonomiczny system sterowania z wykorzystaniem elementów sztucznej inteligencji AI oraz bardzo zaawansowane podsystemy sensoryczne, to pojawiają się kolejne problemy do rozwiązania, w tym konieczność szybkiej zmiany decyzji w sytuacjach zagrażających bezpieczeństwu infrastruktury krytycznej. System sterowania bazuje najczęściej na zaplanowanych programowo procesach decyzyjnych. Ale w aktualnie realizowanym scenariuszu misji podwodnej nie uda się wszystkiego przewidzieć. Kluczowym będzie uzyskanie odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób nauczyć platformę podwodną, a właściwie jej autonomiczny system sterowania, podejmowania decyzji przy braku kontaktu z centrum zarządzania. Zakładając, że praca platformy powinna odbywać się najczęściej w sposób skryty, bez możliwości wynurzenia i kontaktu z systemami nawodnymi, powietrznymi i lądowymi, problemy ogólnie pojętego sterowania bezzałogowymi autonomicznymi pojazdami podwodnymi urastają do zagadnień pilnych do rozwiązania z praktycznego punktu widzenia.

Docelowo, bezzałogowa autonomiczna platforma podwodna do ochrony morskiej infrastruktury krytycznej nie będzie rozwiązaniem podobnym do obecnie znanych rozwiązań pojazdów typu AUV. Autonomiczne platformy do monitoringu i rozpoznania zagrożeń dla takiej infrastruktury będą jednymi z najbardziej zaawansowanych rozwiązań, które kiedykolwiek były używane przez człowieka w działaniach na morzu. Nie będą tylko pojazdami, które znamy z dalszej lub bliższej przeszłości. Będą w pełni zintegrowanymi elementami zdolnymi do wykorzystania zakodowanych - zaprogramowanych i udostępnionych baz danych oraz informacji polegających na rozpoznaniu kilku pól fizycznych (w tym hydroakustycznych) i uzyskiwanych z systemów sensorycznych i efektorowych do autonomicznej realizacji misji w trójwymiarowej przestrzeni podwodnej. Platformy te będą także umożliwiały wymianę informacji z urządzeniami znajdującymi się w przestrzeni nawodno-powietrznej oraz być może kosmicznej.

Platforma WAGS jako wyzwanie najbliższej przyszłości.

Mając na uwadze wcześniej omówione zagadnienia, specjaliści konsorcjum Politechniki Gdańskiej i TELBUD S.A. podjęli działania mające na celu opracowanie i stworzenie platformy podwodnej bazującej na WAGS - Wielozadaniowej Autonomicznej Głowicy Sensorycznej, która będzie propozycją mobilnego elementu systemu ochrony morskiej podwodnej infrastruktury krytycznej. Celem całego projektu jest stworzenie programowalnej platformy sensorycznej typu AUV do wykonywania skrytych misji monitoringu rozpoznania podwodnej infrastruktury własnej i obcej na obszarze Bałtyku Południowego. Proponowane rozwiązanie będzie łączyć cechy i zalety pojazdu AUV z szeroko rozumianym procesem automatyzacji wraz z podejmowaniem autonomicznych działań związanych z bieżącymi danymi pozyskiwanymi z pokładowych zestawów sensorycznych. Będzie także uwzględniać specyficzne potrzeby zachowania skrytości działań (np. dla potrzeb ISR), co będzie możliwe dzięki obniżonym poziomom szumów własnych podczas przemieszczania się WAGS oraz obniżonej wykrywalności obecności WAGS (podobieństwo do cech stealth) w odniesieniu do aktywnych środków hydroakustycznych. W przyszłości platforma ta może stanowić podstawę zwalczania zagrożeń w omawianym zakresie. System zostanie oparty o pojazdy podwodne o różnym stopniu autonomiczności oraz o bardzo zaawansowany kodowany system sterowania, nawigacji i komunikacji podwodnej. Z operacyjnego punktu widzenia praca z całością systemu będzie oparta na wykorzystaniu dynamicznej bazy wiedzy WAGS pracującej w trybie on-line i bazującej na szybkich komputerach konwencjonalnych i kwantowych.   

Istotnym novum w platformie WAGS będzie z pewnością uwzględnienie potrzeby zachowania skrytości działań podwodnych. Będzie to możliwe dzięki unikatowej konstrukcji, która w istotny sposób powinna obniżyć poziom wykrywalności przez systemy hydroakustyczne. Dodatkowo konstrukcja WAGS, będzie modułowa i skalowalna, co powinno ułatwić efektywny dobór i dopasowanie wyposażenia do rodzaju misji podwodnej oraz sposobu realizacji danego zdania.

Eksperci konsorcjum Politechniki Gdańskiej i TELBUD S.A. zakładają, że platforma WAGS będzie przeznaczona do realizacji przedsięwzięć związanych z następującymi pierwszoplanowymi obszarami zadań:

• nadzór i kontrola stanu morskich budowli i instalacji hydrotechnicznych takich jak gazociągi i ropociągi, kable energetyczne i telekomunikacyjne, wieże wiertnicze i wydobywcze wraz z ich infrastrukturą techniczną znajdującą się pod powierzchnią wody i na dnie na obszarach morskich RP, zaliczanych do morskiej infrastruktury krytycznej (MIK);
• prowadzenie rozpoznania podwodnego w rejonach występowania MIK na akwenach Bałtyku Południowego;
• wykrywanie śladów działalności podwodnej obcej na akwenach Bałtyku Południowego;

Powyższe obszary zadań będą mogły być w przyszłości rozszerzone o elementy rozpoznania podwodnego prowadzonego w sposób skryty. Główną funkcją WAGS będzie zapewnienie możliwości uzyskiwania danych pomiarowych o wysokiej dokładności i jakości, które po zakończeniu danej misji podwodnej będą odpowiednio przetwarzane z wykorzystaniem oprogramowania własnego, third party software i modułów ATR (Automated Target Recognition) oraz analizowane przez przeszkolony personel w odpowiednio wyposażonych ośrodkach przetwarzania i analizy danych związanych z ochroną elementów MIK. Dane te posłużą następnie do aktualizacji dynamicznej bazy wiedzy posiadającej zarówno warstwy aktywne jak i archiwalne.

Realizacja przez WAGS wyżej wymienionych obszarów zadań będzie sprowadzać się w praktyce do wykonywania określonych misji podwodnych, które będzie można wstępnie przygotować poprzez wybór gotowego schematu działań zaimplementowanego w oprogramowaniu planowania misji. Schemat ten będzie uwzględniać między innymi takie zadania szczegółowe jak: kontrola stanu rurociągu lub kabla znajdującego się na dnie morskim, kontrola i nadzór elementów posadowienia morskiej platformy wydobywczej lub wiertniczej, elementów zakotwiczenia i instalacji przesyłowej w rejonie posadowienia boi przeładunkowej typu CALM, wykrywanie i lokalizowanie śladów obecności nurków ze szczególnym uwzględnieniem nurków z zamkniętym obiegiem czynnika oddechowego, wykrywanie i lokalizowanie obecności pojazdów podwodnych typu AUV/UUV (Unmanned Underwater Vehicle), ROV (Remote Operated Vehicle) , ROTV (Remotely Operated Towed Vehicle).

Planowane prace badawcze i projektowe posłużą do stworzenia wielozdaniowych autonomicznych platform podwodnych, które będą umożliwiały prowadzenie programowalnych lub/i w pełni autonomicznych misji związanych z ochroną morskiej podwodnej infrastruktury krytycznej. Nie ulega wątpliwości, że platformy WAGS będą mogły towarzyszyć jednostkom załogowym, albo je zastępować w różnych scenariuszach misji.

Z oczywistych względów szczegółowe informacje na temat proponowanego rozwiązania platformy WAGS nie mogą zostać ujawnione.

Artykuł sponsorowany