Нейросеть не дремлет: уникальный "ВОРОН" защищает госграницу

В России самообучающуюся программу подчинили армейским нуждам - она используется для распознавания сигналов периметровой охранной системы.  2 Сентябрь 2016, 07:37
О нейронных сетях сегодня слышал, наверное, каждый. Программы от Google научились писать картины и побеждать чемпионов мира по логической игре Го; американские разработчики создали нейросеть для публикации в Twitter. В России самообучающуюся программу подчинили армейским нуждам - она используется для распознавания сигналов периметровой охранной системы. О том, как нейросеть помогает ловить нарушителей на важных военных объектах - в интервью генерального директора компании "Прикладная радиофизика".

Справка 

Система "ВОРОН" (Волоконно-Оптический Регистратор Охранного Назначения), предназначенная для охраны протяженных периметров, относится к классу вибрационных средств. В качестве сенсора используется оптический кабель, физический принцип работы которого базируется на фотоупругом эффекте. В случае попытки преодоления заграждения, на котором смонтирован кабель "ВОРОНа", происходит небольшая деформация последнего, вследствие чего изменяются характеристики проходящего по оптоволокну излучения. Эти изменения фиксируются опто-электронной аппаратурой и передаются на обработку нейронной сети, которая и должна определить, настоящей или ложной является тревога.


Собеседником Военное.РФ стал Юрий Александрович Русанов, кандидат физико-математических наук, генеральный директор ООО "Прикладная радиофизика". 
Русанов Юрий Александрович, генеральный директор ООО "Прикладная радиофизика" 
Волоконно-оптические системы охраны периметра известны с 1970-х годов, то есть технология уже не нова. Тем не менее, сегодня ваше предприятие - один из лидеров в этой области. Закономерный вопрос: ценность "ВОРОНа" обусловлена его аппаратной или программной частью? 

История развития волоконно-оптических систем не только в России, но и в мире, достаточно драматична, как это часто бывает с новыми изобретениями. Драматична в том смысле, что новые идеи зачастую подхватывают люди, которые мало что в них понимают, для которых важно сорвать куш сейчас и побольше. А развитие волоконно-оптических сенсоров является очень наукоемким направлением и без специального образования там нечего делать. 

В 1980-х и в начале 1990-х мы обратили внимание на возможность создания сенсорных распределенных волоконно-оптических систем для контроля механических напряжений, и сразу же стало ясно, что это будут системы охранных сигнализаций большой протяженности. Вы получаете сенсор, который радиопрозрачен, не зашумляется электромагнитным излучением в принципе, не боится гроз, молний, разрядов, локаторов. Казалось бы, давайте ставить везде, где только можно. Но до того момента, пока Жорес Алферов не создал свои знаменитые полупроводниковые структуры, проблема ограничивалась ресурсом тех лазерных технологий, которые были в то время, с длиной волны 0,85 мкм. Они жили недолго и были очень нестабильны. 
Производственное оборудование ООО "Прикладная радиофизика" 
Вторая проблема возникла в 1990-е годы. Только в России я знаю 5 - 6 организаций, которые имели такие же технологии, как и мы. Это были две коробочки - приемник и передатчик, между которыми располагался оптический кабель. Когда его трогаешь, звучит сигнал тревоги. В это время мы работали в музеях России, опутывали подобными системами картины, в результате чего снять их и украсть было попросту невозможно. А потом в министерстве культуры кончились деньги и пришлось "выходить на улицу". Оказалось, что за это время конкуренты столкнулись с серьезными проблемами, связанными с тем, что оптическая система могла 2 - 3 дня стоять спокойно, а потом внезапно выдавала тысячи ложных срабатываний. 

Мы стали изучать это явление более подробно и увидели, что существует целая область нестабильности с точки зрения температурного воздействия на оптический кабель, шумовых характеристик полупроводниковых лазеров и так далее. На это напоролись и другие фирмы по всему миру. В результате, к 2000-м годам в России осталась только одна фирма - наша, называвшаяся тогда Лабораторией оптических систем Московского Института связи, которую я возглавлял. Пара фирм сохранилась в США, одна - в Великобритании. К началу 2000-х годов больше никто это направление не развивал. Но, пока конкурентов было много, они успели так наследить, что когда я потом приходил в серьезное учреждение и говорил, что предлагаю волоконно-оптические системы охраны, в меня только что ведрами не кидали. 
Кабель системы "ВОРОН" с монтажем на временных хомутах 
В конце 1990-х мы поняли, что вышеупомянутые шумы можно подавить, используя только какие-то новые методы. Стали лихорадочно искать и в результате встретились с математиками, которые занимались элементами искусственного интеллекта, но имели самое смутное представление о том, как его применить. Это знакомство привело к тому, что мы создали совместный продукт прямо на границе тысячелетий, в 2000-м году. Мы говорили, какие алгоритмы должны обрабатываться, а они программировали свою нейросетевую часть. Одновременно шло "вылизывание" аппаратной части для подавления другого типа шумов. В итоге в России появился серийный продукт с уникальными характеристиками. 

Возвращаясь к вопросу о важности аппаратной или программной части, подчеркну, что важны обе эти части. Не стоит забывать и про сам оптический кабель-датчик, который мы с нашими партнерами создавали целых восемь лет. Это не просто датчик, он оптимизирован специально под задачи фиксации механического воздействия на забор и выдерживает на разрыв почти 850 кг. 

Я бы оценил ценность программной части в 75%, в 20 % - аппаратной части, и где-то 5% - кабельной части. К моему величайшему изумлению, за последние 16 лет с момента создания этого продукта, хотя сам метод в мире известен, никто не продвинулся по этому пути дальше нас. 

Предпринимались ли попытки скопировать ваш продукт? 

Да, такие случаи известны. Были даже привлечены крупнейшие в России специалисты по нейросетям для вскрытия программы. Они мне откровенно звонили с изумлением: "Как работает ваша программа, у нас не получается ее повторить!" Но все это привело к уголовным делам, поскольку подделки под наши устройства оказались установлены на нескольких объектах Минобороны. Мошенники очень быстро поняли, в чем главная ценность нашей системы - это искусственный интеллект, вернее, его элементы на основе обучаемых сетей. Но давайте поговорим о более интересных вещах!
На заре нашего сотрудничества с математиками самый главный из них сказал, что в будущем появится новая профессия - учитель нейронных сетей, учитель искусственного интеллекта. На рынке охранных систем, наверное, я - один из первых учителей искусственного интеллекта. Пришлось преодолеть очень много сложностей, прежде чем мы поняли, как научить наши системы распознавать ветровые нагрузки, нагрузки от действий человека или животных. Сейчас уже достаточно нажать одну кнопку и система сама учится.
Сигнал тревоги на мониторе системы "ВОРОН" 
Если сейчас злоумышленники получат в руки копию вашей программы, смогут ли они получить знания для преодоления системы охраны "ВОРОН"? 

Нет. Мы изначально строили систему "ВОРОН" на постулате , что "нарушитель" знает максимально много о принципах ее работы. Даже я сам, который знает всю кухню, не сумею преодолеть сигнализационное заграждение с нашим изделием. 

Возвращаясь к ценности элементов "ВОРОНа", можно сказать, что главное для вас - сохранить коллектив программистов, создавших систему? 

Вопрос очень серьезный. Те, кто делают программу, являются совладельцами фирмы. Эта часть нашей компании работает даже не в Москве, она спрятана в Сибири по личному желанию этих людей. К сожалению, и здесь на них была охота, им даже угрожали. Раньше таких спецов, как мы, защищало государство, а сейчас спасение утопающих - дело рук самих утопающих. Вот ребята и уехали. И, кстати, очень довольны!

Жизненный цикл систем охраны периметра, в силу их специфики, должен исчисляться десятками лет. Обеспечиваете ли вы подобные сроки гарантии? 

Да, и сейчас по этому вопросу поступают приятные нам сообщения. Предприятия по внутрикорпоративным нормативам устанавливают жизненный цикл охранных систем в 12 лет. И ведомства, закупавшие нашу продукцию в начале пути "ВОРОНа", не демонтируя существующей системы, которая продолжает работать, закупают новые образцы и устанавливают параллельно. Сами мы гарантируем 20 лет работоспособности кабеля и 7 лет - на определенные узлы аппаратуры. Недавно нас приглашали, например, на 12-летний юбилей безотказной работы нашей продукции на одном из военных объектов ВКС РФ (СПРН) в Барановичах (Белоруссия) и выражали искреннюю благодарность за отличное качество системы "ВОРОН". 

Каким образом модернизируются системы, установленные в 2000-х годах? 

Программный продукт, при необходимости, обновляется бесплатно. Остальные части, слава богу, работают до сих пор. Единственное, что ломалось, это несколько вентиляторов охлаждения в компьютерных блоках. И даже на этот случай блоки обработки сигнала резервируются, то есть в случае сбоя запасной блок перехватывает управление на себя. Конечно, если монтажная организация допускала брак при заделке оптических муфт, то это со временем сказывается на системе. Поэтому мы очень жестко отбираем партнеров для монтажа и пусконаладки системы. 

Как "ВОРОН" адаптируется под конкретную модель поведения нарушителя? 

Изначально одной из главных задач разработки программной части "ВОРОНа" была ее адаптивность. Помимо этого, требования к системе были следующие: большая протяженность, отсутствие необходимости обслуживания линейной части, минимизация ложных срабатываний. Все эти требования были выполнены. Это 30 км протяженности, а при необходимости и все 60. Далее, на периметре располагаются только оптические кабели и зарытые в землю пассивные муфты, поэтому периметр не требует обслуживания.
Кабель системы "ВОРОН" 
Чтобы сделать систему адаптивной и снизить количество ложных срабатываний, нужна мощная вычислительная техника. За счет того, что мы используем волоконную оптику как сенсор и как среду передачи сигнала, мы можем без промежуточных звеньев собрать и обработать всю информацию в одном месте, в отличие от других систем охраны, где стоят шкафчики с аппаратурой по периметру. Адаптация заключается в следующем: когда система смонтирована на периметре, хозяин объекта в соответствии с моделью угроз или моделью нарушителя должен производить действия, которые максимально, а лучше полностью имитируют действия нарушителя. Например, личный состав при помощи приставных средств или инструментов пытается пересечь ограждение, перекусить, пытается под ним подкопаться, проползти. То есть нужно попробовать все возможные способы проникновения нарушителя на объект.
Далее записывается файл существующих ложных срабатываний, например, если рядом с периметром пролегает железнодорожное полотно или дорога, по которой ездят грузовики. Фактически, мы формируем учебник, показываем программе, что вот так действует нарушитель, а вот так - это подошел мальчишка и провел палкой по забору, то есть ложная тревога. Можем даже зафиксировать, что на вибрацию от проходящего поезда реагировать не надо, а если на фоне грохота составов пытается пролезть человек - бить тревогу.
По большому числу параметров нейросети формируют вероятностные облака "тревожных" сигналов и облака "ложных", в одно из которых попадает входящий сигнал. Если какой-то новый тип сигнала вызвал тревогу, но тревога оказалась ложной, этот тип сигнала можно нажатием одной кнопки внести в "помеховую" базу данных и нейронная сеть сама научится более на такой класс раздражителей не реагировать. Таким образом система может обучаться в течение всего жизненного цикла, сводя число "ложных" срабатываний до минимума. 
Модуль для приема/передачи релейных сигналов типа "сухой контакт" 
Все системы охраны, настраиваемые вручную, где можно регулировать необходимую амплитуду сигналу, произошли из систем измерений. Но "заборные" системы, с точки зрения физики, измерительными системами быть не могут, так как нарушитель не может два раза одинаково пересечь периметр, плюс все секции забора по упругости отличаются друг от друга, кабель закреплен по-разному, да и сам кабель имеет ненормированную чувствительность. И многие охранные системы до "ВОРОНа", где не было, естественно, нейронных сетей, при практическом использовании, либо загрублялись, либо вообще выключались из-за большого количества ложных срабатываний. И, к сожалению, это происходит и сегодня. Многообразие ложных сигналов не может быть компенсировано 3 - 4 ручками настройки. У нас другой подход, вероятностный, который и позволяет успешно решить поставленные задачи, а число ложных срабатываний может быть в сотни раз меньше, по сравнению с традиционными вибрационными средствами охраны периметров.

Возможно ли в случае пропущенной угрозы обратиться к архиву сигналов за прошедший период и усовершенствовать систему? 

Все тревоги, произошедшие в системе, записываются не только как факт, но и в виде исходного сигнала. Эта запись не занимает больших объемов памяти. Даже через пять лет можно увидеть сигнал и проанализировать его. У нас был случай: попытка хищения боеприпасов на одном из складов, который охраняли пожилые женщины, поленившиеся пойти на сигнал тревоги из-за большой протяженности периметра. Когда нарушители попались на торговле патронами, был следственный эксперимент, в результате которого установили место и время проникновения. Тогда мы открыли журнал событий и увидели совершенно явный, откровенный сигнал тревоги, по которому нужно было бежать и задерживать этих людей. 

Планируется ли расширять ассортимент продукции под брендом "ВОРОН"? 

"ВОРОН" нельзя назвать моно-продуктом. У нас есть системообразующий извещатель с искусственным интеллектом, который, во-первых, позволяет адаптировать его для самых разных задач охраны, во-вторых, "ВОРОН" имеет много вариантов исполнения в зависимости от специфики объекта. Например, нам пришлось создать оптические датчики открытия ворот и калиток - фактически это оптические герконы, аналогичные обычным герконам. Они не являются отдельными изделиями, а входят в один из вариантов построения "ВОРОНа". Затем, реализуя программу импортозамещения, создали датчики передачи "сухих контактов" от систем других производителей. В основном все охранные системы заканчиваются "сухими контактами", то есть передающими либо сигнал "тревога", либо "не тревога". Эти сигналы мы можем передавать по оптоволокну и отображать на том же пульте охраны. 
Волоконно-оптический блокиратор системы "ВОРОН" 
Также разработали медиаконверторы для преобразования оптического сигнала на медный провод и обратно; IP-коммутаторы. Наконец, по просьбе погранслужбы одной из среднеазиатских стран мы сделали фланговую оптическую связь вдоль нашей системы периметровой охраны. Теперь можно патрулировать периметр и переговариваться без рации, потому что есть регионы, где обстановка на границах не позволяет использовать радиосвязь из-за высокой вероятности перехвата. Сейчас изготавливаем в России и переговорные устройства, и даже системы видеонаблюдения вплоть до корпусов камер. C камер видеопоток сразу идет в оптическом диапазоне, поэтому он защищен от помех и перехвата. 
Камера видеонаблюдения с передачей сигнала по оптоволокну Прикладная радиофизика
В результате реализации этих усовершенствований мы пришли к еще одному решению, которое не встречается у конкурентов. Всю аппаратуру, находящуюся на периметре, помещаем не в шкафы, требующие в зависимости от времени года охлаждения или обогрева, а опускаем в землю, являющуюся естественным термостатом. Некоторые наши потребители, просчитав экономию электроэнергии, сказали, что система себя окупает только за счет отказа от шкафов. Сам "ВОРОН" протяженностью до 30 км потребляет не более 300 Вт, и это с резервированием питания до 24 часов. 
Выносное переговорное устройство системы "ВОРОН" 

Получается, что большинство усовершенствований "ВОРОНа" делается по запросу заказчиков? 

В основном, да. Сейчас для малых объектов мы сделали "миниВОРОНа", блок управления которого помещается в маленький шкафчик на стене. При этом он обеспечивает охрану 2 - 3 км периметра, разбитых на 16 участков. Инициатором выступил наш крупный заказчик - "Башнефть", где "ВОРОН" охраняет не только нефтеперерабатывающие заводы, но и небольшие станции перекачки нефти. У изделия "ВОРОН-2М-Компакт 16" энергопотребление вообще не превышает 80 Вт. И это, тем не менее, полноценный "ВОРОН" с искусственным интеллектом, только компактный. 

Сейчас мы сделали еще один новый продукт, который выведем на рынок в ближайший месяц. Это система контроля открытия люков в колодцах, которые в разных городах могут скрывать не только канализацию, но и спецсвязь. Датчики открытия люков в нержавеющем корпусе с расчетным сроком службы порядка 20 лет. 
В каких погодных условиях можно эксплуатировать "ВОРОН"? Возможно ли его применение в Арктике? 

Работоспособность линейной части мы гарантируем до минус 70 градусов. В арктическом регионе "ВОРОН" уже давно, скоро будет 10 лет, как успешно эксплуатируется. Аппаратная часть более нежная и работает в помещении при температурах от минус 5 до плюс 70. 

Есть ли опыт эксплуатации "ВОРОНа" в сейсмоактивных районах? Это актуальный вопрос, например, для Дальнего Востока. 

Наши системы стоят на Дальнем Востоке на многих объектах Минобороны. Отдельно вопрос применимости в районах с возможными подземными толчками не прорабатывался, так как частотные диапазоны этих толчков известны и систему можно легко обучить не воспринимать их как тревогу. У нас был случай, когда на периметр падало дерево, ломало забор, повисало на кабеле. Однако при попытке по этому дереву перейти через забор поступал сигнал тревоги. 
Периметровая аппаратура системы "ВОРОН"
Как обеспечивается вандалоустойчивость системы? Что будет, если перекусить кабель линейной части "ВОРОНа"? 

Это очень важный вопрос, на котором мы постоянно заостряем внимание наших потребителей. Сам кабель - это 12 закаленных проволок вокруг оптического модуля, которые обычным инструментом не перекусишь. Во-вторых, в отличие от пришедших с запада новомодных систем, "ВОРОН" отличается тем, что у него чувствительный и информационный кабель принципиально разделены. Последний зарыт глубоко в землю на охраняемой территории и к нему не подобраться. Если же будет поврежден чувствительный кабель, выйдет из строя участок длиной всего 150 - 250 метров. В альтернативных "ВОРОНу" волоконных системах охраны периметров применяется всего один кабель, который является и чувствительным элементом и информационным проводником одновременно. Если его перекусить в одном месте, выходит из строя весь фланг объекта, например, граница. Если в двух местах - то весь объект при закольцовывании кабеля. К моему удивлению и сожалению, подобная система с импортной оптоэлектроникой, запрещенной к поставке в Россию, была в авральном порядке в 2015 году принята на снабжение Вооруженных Сил России. Кстати, Пентагон, по моим данным, такую технологию не применяет, а использует волоконную систему со сходной топологией построения, т.е. информационные и сенсорные кабели разделены. 

Как обеспечивается масштабируемость системы, если требуется удлинить периметр в его средней части? 

Для нас это стандартная процедура. Если нет свободных оптических каналов в системе, ставится дополнительное приемопередающее устройство. Был случай на одном из объектов, когда локальная зона была на удалении 5 км и кабель проложить было невозможно из-за сплошного бетонного покрытия. Тогда мы предложили использовать те же жилы оптического кабеля, который уже был проложен, но с уплотнением в спектральном диапазоне. Поставили приемник и передатчик, работающий в немного другом оптическом диапазоне, которые при помощи определенных устройств разделяются и соединяются, использовали эти жилы для передачи энергии и приема обратного сигнала, не прокладывая новый кабель. Или другой пример. Есть одна воинская часть, у которой половина объекта на одном конце города, а половина - на другом. И местная власть запретила прокладывать новые линии связи. И, вот, на одном конце мы смонтировали нашего "ВОРОНа", но без основного блока обработки сигнала, чтобы не удорожать систему. Поставили там приемо-передатчик и аналого-цифровой преобразователь, который перенес эти сигналы в "цифру". А дальше "цифру" по существующей телефонной линии, используя Ethernet прогнали через весь город и отобразили на мониторе основного блока обработки, а обратно, на оставшуюся часть, передавали изображение с пульта, чтобы они могли реагировать на тревоги по периметру своей части. 
Блок приемопередатчиков системы "ВОРОН"
Кто является вашими конкурентами на рынке периметровых охранных систем? Производители других типов извещателей, например, линейных радиоволновых датчиков, которые часто встречаются на военных объектах? 

Не совсем так. Дело в том, что "ВОРОН" относится к классу вибрационных средств. Очень часто на наших объектах после "ВОРОНа" стоят как раз радиоволновые датчики. И их сигналы срабатывания "сухих контактов" мы и вытаскиваем с помощью наших IP-устройств, отображаем на общем периметре, то есть работаем параллельно. Дело в том, что вибрационные системы имеют преимущества перед другими типами. Радиоволновые датчики, к примеру, не могут работать в густой траве, снежном покрове. Периметровые системы вибрационного типа всепогодны, не боятся близко растущих кустов, травы и т.д. Когда впервые белорусские пограничники пришли в часть под Барановичами в начале 2000-х годов, где был установлен "ВОРОН", они увидели забор, заросший травой и бурьяном. Они засомневались, так как привыкли видеть аккуратно выкошенную траву вдоль ограждений, однако с разрешения командования решили попробовать преодолеть периметр. Потом посмотрели журнал срабатываний и поняли, что система обнаружила их попытки. Тогда по решению руководства был закуплен для испытаний комплект, а с 2007 года мы оснащаем всю западную границу Союзного государства Россия-Белоруссия. 

В России объем заказов столь же обширен?
Мы закрыли уже достаточно большое количество объектов по линии министерства обороны. Прежде всего, это арсеналы. На ряд частей наши изделия запроектированы, проведены экспертизы, выделено госфинансирование. Сейчас, например, в работе оснащение полигона Ашулук (Астраханская область - ред.).
Насколько нам известно, сегодня коллектив "Прикладной радиофизики" работает над системами защиты акватории от диверсионных сил. Насколько сложнее разрабатывать морские системы охраны относительно "сухопутных"? 

В море все сложнее и проще одновременно. У наших вероятных противников существуют системы защиты акваторий на основе оптических сетей, опускаемых на глубину. В России такого нет. Мы владеем этой технологией, понимаем, как это можно сделать. С нами аффилированно предприятие, которое разрабатывает оптические кабели, так что все для серийного производства мы имеем. 

Наша организация изначально не берет государственные деньги, то есть мы не тратим госбюджет на НИРы и ОКРы, делаем все за счет собственных средств. Если у заказчика есть техническое задание, то мы по нему проводим разработку и испытания, а потом уже предлагаем готовый продукт. Естественно, если изделие не апробировано, то мы проводим, как полагается, испытания с заказчиком. Но если все возможные испытания проведены, изделие принято на снабжение, например, Минобороны, выпускается серийно и за много лет эксплуатации подтвердило свои характеристики, то и другие потребители, как правило, устанавливают наши средства и высоко оценивают их качество. Однако и у нас возникают проблемы. Вот, например, российская погранслужба 16 лет "не замечала" наше изделие "ВОРОН", а теперь выразила большую заинтересованность и хочет за наш счет оборудовать 30 км границы и провести эксплуатационные испытания средства "ВОРОН". Хотя финансово для такой службы это не стало бы большим затруднением. Для больших объектов цена "ВОРОНа" с учетом всего оборудования и материалов составляет порядка 500 рублей за метр. 
Кабель "ВОРОНа", установленный на ограждении периметра
Планируете ли вы поставлять "ВОРОН" частным заказчикам для охраны небольших объектов? 

Сейчас в качестве частных заказчиков у нас есть несколько коттеджных поселков большой протяженности, сельскохозяйственные объекты. Совсем маленькие периметры длиной 300-400 метров - это не наш профиль. Когда мне звонят такие заказчики, я рекомендую установить охранные средства другого типа, которые окажутся в данных условиях эффективнее и дешевле. К примеру, мы никогда не поставим "ВОРОН" заказчику, который смонтирует его на колючую проволоку. 

Это связано с тем, что система не будет работать из-за недостаточной упругости колючей проволоки? 

Вибрации не будут передаваться от одной секции колючей проволоки к другой. По этой же причине не рекомендуем установку на сетку-рабицу. Мы очень тяжело "протискивались" на рынок периметровых охранных систем, где со времен СССР и до сих пор политику во многом определяют очень крупные государственные предприятия. Мы стали конкурентноспособными только благодаря качеству и передовым технологиям. Эти требования распространяются и на монтаж наших изделий. Поэтому до сих пор сохраняем очень жесткую политику продаж. Поставляем либо конечному потребителю, либо фирме, которая документально гарантирует установку "ВОРОНа" на конкретный объект и имеет специалистов с нашим сертификатом. Это необходимо, чтобы не плодить брак.
Как мы проверяем все элементы "ВОРОНа", промораживая их до минус 70 градусов в камере холода, также проверяем и монтажные организации, устанавливающие нашу продукцию. Именно поэтому за 16 лет существования бренда "ВОРОН" у нас не было ни одной рекламации.