Очистка водоемов с помощью роботов-мусоросборщиков МУС-МР

На сегодняшний день проблема загрязнения водных ресурсов России стоит достаточно остро. Росгидромет в своих ежегодных отчетах приводит неутешительную статистику: так, в период с 2015-го по 2017 год количество отходов в водоемах России выросло на 6%, а в докладе Федеральной службы по гидрометеорологии процент качества воды за последние пять лет стабильно находится на критически низком уровне. 70% мусора приходится на крупные реки России, такие как Волга, Обь и Амур. Водоемы в центральной части России также подвержены риску загрязнения вследствие развитой промышленной инфраструктуры. При этом городские водоемы и реки страдают в большей мере от твердого мусора сбрасываемого жителями и гостями населенных пунктов. Так во время отдыха и прогулок по городам, и особенно туристическим достопримечательностям, до 78% людей оставляют за собой неорганический мусор. Отходы выбрасывают не только на твердую поверхность, но и в водоемы. При этом такие отходы жизнедеятельности крайне трудно убрать с водной поверхности, из-за особенностей данного процесса. В связи с этим из-за легких пластиковых бутылок, целлофановых пакетов, железных банок и иного потребительского мусора, накапливающихся на поверхности, в воду не попадает кислород и солнечный свет. Страдают обитающие в данной местности животные и рыбы. Пластиковые, целлофановые пакеты принимаются животным за пищу, также отходы создают двигательные препятствия, которые приводят его к гибели. Помимо вреда фауне, портится эстетический вид, и туристическая привлекательность локации. Часть мусора уноситься течением, что приводит к загрязнению мирового океана, а часть остаётся на поверхности рек немым показателем потребительского отношения людей к окружающей локации.

Мероприятия по очистке городских акваторий должны проводится комплексно в каждом регионе. Важно создать многоуровневые очистительные системы и внедрить меры, направленные на создание преград для попадания загрязнителей в воду. Для устранения человеческого фактора нужно подключить личностную инициативу самого субъекта, а затем принять меры по информированию о запрете загрязнения мест и создания качественных мусоросборочных систем административными объектами.

Для решения данной задачи издавна используются суда мусоросборники. Технологический процесс сбора мусора с поверхности воды судами мусоросборщиками включает следующие операции:
– Захват мелкого плавающего мусора с поверхности воды с помощью специального устройства.
– Перемещение мусора в накопительный контейнер.
– Подъем на судно крупногабаритного (плавающего мусора).
– Размещение на палубе крупногабаритного мусора.
– Измельчение мусора.
– Прессование мусора.
– Сдача на берег.

Наиболее распространенное мусоросборное устройство представляет собой ловушки для плавающего мелкого мусора, а именно один или несколько гидроманипуляторов, используемых для подъема из воды крупных фракций (бревна, баллоны и т.п.). Ловушка располагается в носовой части судна и имеет форму сетчатого совка, один конец которого заглублен в воду. При движении судна ловушка захватывает плавающие предметы, накапливает их, с последующей передачей в накопительное устройство.

При этом имеется ряд негативных факторов их применения, базирующихся на том, что это полноценное судно с пропульсивной системой двигателя внутреннего сгорания, экипажем, габаритами необходимыми для ведения полноценного рабочего периода времени и отвечающими всем стандартам безопасности судоходства: своей осадкой, ограничением по климатическим показателям и разрядности акватории. Тем самым использование данных судов зачастую не целесообразно, либо невозможно.

В связи с пониманием данной проблемы во многих странах применяют свои решения очистки акваторий, в том числе и населенных пунктов, вот некоторые из них:

- Судно с приводом силой течения вместе с солнечными батареями и водным колесом Mr.Trash Wheel. С помощью конвейера судно очищает водоем от мусора в Балтиморе, США.



- В Азии используют Interceptor от проекта Ocean Cleanup. Сборщик мусора представляет из себя катамаран с плавучим барьером, с помощью которого пластиковый мусор автоматически направляется к специальному отверстию в корпусе судна. Барьер перекрывает часть русла реки, не создавая препятствий для навигации и перемещения речных обитателей. Собранный мусор попадает на конвейер, который складирует отходы в расположенные на борту мусорные контейнеры, оснащенные сенсорами. Когда контейнеры заполняются, местный оператор по обращению с отходами получает сигнал о необходимости вывоза накопившегося мусора.



- В Голландии разработали менее затратный и более универсальный, но при этом самый малогабаритный принцип сбора мусора - это роботы-охотники за морским мусором от проекта RanMarine. Робот WasteShark имеет форму небольшого катамарана с электрическим приводом. Между понтонами катамарана расположен совок "рот", которым робот собирает плавающий мусор, далее попадающий (и который затем попадает)во внутренний бункер. Источником энергии для него служит электрическая батарея. Двигаясь по водам гавани, WasteShark собирает отходы с поверхности и отправляет их во внутренний накопитель, откуда они могут быть удалены по окончанию работы. Размер корпуса робота WasteShark без учета плавников составляет 1 метр в длину. Изготовлен корпус из особого биосодержащего материала. Это по сути, саморазлагающийся пластик. Поэтому, сами роботы сборщики мусора в океанах, после выхода их из строя не станут объектами дополнительного загрязнения окружающей среды. Устройство оснащено гидролокаторами, которые позволяют ему не сталкиваться под водой с морскими судами и лодками. Для обнаружения мусора робот оснащен лидарными датчиками. Устройство с помощью специального совка подхватывает плавающий объект и отправляет его в специальный бункер. Когда робот насобирает в акватории мусора такое количество, что его резервуар будет полностью заполнен, он отправится на базу. Там автоматически сбросит собранные отходы, подзарядится и вновь отправится исследовать акваторию. WasteShark также оснащен датчиками, служащими для ориентации в пространстве и обнаружения отходов. Помимо этого, на нем установлена аппаратура для мониторинга качества воды, температуры и метеорологических условий. Эти данные робот передает на базовую станцию. Также он их использует в своих целях для составления маршрута.



- В Китае компания Wuhan Greenbay Marine Technology Co., Ltd создала более бюджетный вариант мусоросборщика с сетью-ловушкой на небольшом беспилотном катере, с возможностью внесения координат акватории и самостоятельного составления маршрута постоянной чистки данной локации. Лодка может управляться дистанционно оператором, имеет на борту техническое зрение и способно перевозить до 3-х килограмм мусора. При установке дополнительных элементов полезной нагрузки способно очищать водоем от нефти, масла и иных загрязнений.


На данном этапе развитие безэкипажного судовождения достигла того потенциала, который позволяет судам самостоятельно проводить следующие операции:

- Патрулирование акваторий надводной, воздушной и подводной обстановки.

- Автоматическое возвращение в определенную точку.

- Освещение надводной, воздушной и подводной обстановки путем технического зрения.

- Перевоз грузов и сброс их, как в определенной точки, так и по внешним командам.

- Проведение мониторинга климатических условий и принятия постоянного решения по продолжению деятельности на основе реальной поступающей информации.

- Передача телематической информации с данных своих приборов, а также с внешних источников.

- Несение дополнительной полезной нагрузки, её питание и эксплуатация.

- Сканирование акватории и инициализация локации, с составлением её плана.

- Подъем из воды предметов и размещение их на своей поверхности и прочие функции.

На основании вышеуказанного существует необходимость создания автоматичного, безэкипажного, малогабаритного, судна мусосросборщика с возможностью самостоятельного избавления от мусора.

Данное судно может представлять собой катамаран длиной 90-100 см., шириной 70 см. и высотой 30-40 см, а корпус выполняться из современных легких и устойчивых материалов к механическому воздействию, агрессивным средам, соли и прочим, такому как ПНД с молекулярной массой 100 или 500. С выступающей частью для органов управления и технического зрения, на верхней части. Спереди судна на всю ширину можно расположить максимально технологическое отверстие с вращающимися щетками для забора мусора и сетью, через которую очищенная вода будет уходить из-под днища. Вверх по сетке с помощью щеток мусор перемещается в специальный бак с прессом и выдающим устройством. Верхняя часть заполнена АКБ и специализированным оборудованием. В поплавках размещены двигатели, движители и приводная система судна. Также, по периметру возможно разместить бесконтактные датчики определения препятствий, состоящие из источника инфракрасного излучения и измерителя величины отраженного сигнала.

Использовать электромотор с рекомендуемой тягой 60 lbs, и 12 Вольт питания. Выбранный тип мотора даст преимущества по надежности, массе, маневренности, шуму. Он прост в эксплуатации, дешевле, имеет более хорошее тяговое усилие, более ремонтопригоден и пр. Но основные плюсы электродвижения - это экологичность, так как он не загрязняет внешнюю среду и автоматическая подзарядка, которая минимизирует человеческий ресурс при её эксплуатации. Винтами с изменяемым направлением движения, судно будет задавать и менять ход, а также производить маневрирование. Саму винтовую группу целесообразно убрать в поплавки и закрыть решеткой, при этом оставить возможность менять положения на 360 градусов внутри отсека, для максимальной возможности маневрирования, сам привод так же сделать электрическим.

АКБ возможно разместить в верхней крышке судна, максимально заняв пространство для большей автономности робота. При этом посредством автоматического переключения заряжать их от панелей солнечных батарей, располагающихся на верхней части робота, либо от станции при автоматической зарядке. При этом вполне возможно использование аккумуляторов как AGM, GEL, LiPo и иных типов. При необходимости возможно оснащать судно динамо-машиной, для зарядки АКБ посредством течения. Систему охлаждения АКБ возможно использовать посредством забора воды из водоема.

Управление, возможно осуществить за счет синергии внешних центров приема, обработки информации и собственных датчиков судна. Основной системой приема информации и ее анализа будет центр обработки информации, с серверной частью, распознаванием обстановки вокруг робота или судна, нейронными сетями определения обстановки вокруг судна и центром принятия решений. Данный центр сможет управлять как одним, так и несколькими десятками роботов, при их расположении в действиях станций мобильной связи, приемопередатчики ШПД дадут достаточный канал для осуществления мониторинга и управления роботами. Оснастить судно картой местности, с точными координатами очищаемой акватории, и алгоритмом её чистки и удержания судна на заданном пути с учетом действия внешних факторов (течения, ветра, волны и пр.). Так же расположить радиолокационную станцию для обнаружения навигационной опасности, и передачи её параметров в центр обработки информации для расчетов элементов движения цели, определения статуса, как опасного или нет, выдачи данных для маневрирования с целью безопасного расхождения. Оснащение лидаром позволит проводить анализ поверхности и близлежащего окружения судна и создание трехмерного плана, происходящего на его основании. В центре обработки информации возможно посредством нейросетей определять изменения количества мусора, его скопление, тип и пр. Это позволит действовать судну в условиях ограниченной видимости и давать дополнительную информацию по изменению положения объекта относительно неподвижных маяков. Оснащение видеокамерой повышенной чувствительности с анализом нейросетей будет основой технического зрения и вторым каналом получения информации об окружающей обстановке вместе с лидаром. Ультразвуковые датчики по краям робота дадут информацию о сближении с иными объектами, не замеченными лидаром и видеокамерой, то есть робот будет оснащён еще одним каналом безопасного движения судна по акватории. А эхолот даст сведения об изменении глубины под килем поплавков катамарана. При этом возможно дистанционное и местное управление роботом по средством подключения к его системе через используемый ШПД канал и перевод управлением судном в ручной режим с пульта оператора.

Внутренняя автоматика основана на расчетной составляющей центра обработки информации: на датчиках температуры, остатка энергии в аккумуляторах, автоматики пропульсивной системы, полноты наполнения контейнера, крена, дифферента, состояния органов управления и датчики контроля за поступлением воды в поплавки судна. Вместе с поступающей информацией об окружающей обстановке данные будут обрабатываться и приниматься решение о состоянии робота, его технической исправности и пр.

Базовая станция будет представлять из себя унифицированный лифт под разные береговые линии. С лифтом или конвейером для очищения контейнера робота и его замены на новый. Специальными захватами при установке робота на базу будет производиться снятие контейнера и замены его на новый. В последствии, специализированный транспорт будет очищать заполненные контейнеры. Станция будет иметь либо питание от сети электрического тока, либо заменяемой емкой АКБ, для зарядки собственных батарей робота.

Экономическая эффективность в отношении эксплуатации иных средств очистки будет иметь качественное отличие. Данные суда будут просты в эксплуатации, надежны, крайне легко ремонтопригодны и иметь модульную замену элементов. Экологический эффект сложно оценить, так как в масштабах большого количества использования данных систем возможно полное очищение акваторий городов от мусора практически без участия человека, лишь с затратами на электроэнергию. Чем могут быть привлечены города всех стран мира с учетом отсутствия конкуренции и эксклюзивности данного проекта. Возможна продажа систем без ограничений во все заинтересованные туристические центры. На первых этапах сама система будет привлекать туристов чистотой и красотой облика местности.

В итоге проведенная работа позволит создать экологическую систему сбора мусора с акваторий, повысит туристическую привлекательность центров и создаст коммерческий интерес у потенциальных покупателей – администрации локаций. Тем самым создается инфраструктура, в которой не иметь данную систему будет считаться недобросовестным подходом к охране окружающей среды, а её наличие не только очистит локацию, но и визуально продемонстрирует заботу об окружающей местности. Сложность работ дает возможность долгое время оставаться монополистом и устанавливать собственную нормо-прибыль на систему, а так же проводить платный сервис системы, получать коммерческий эффект от продажи запасных элементов и обновления парка роботов.