Tecnicall® - čtvrtletník Českého vysokého učení technického v Praze

Interakce člověk-stroj | Platformy v aplikované kybernetice

Kybernetika je vědní obor, který se zabývá principy komunikace, vnímání a řízení ve strojích a živých organismech. Aplikovaná (nebo technická) kybernetika využívá mechanismů, které probíhají v živých organismech k vytváření nových a lépe fungujících strojů a systémů. Tento obor zažívá v posledních letech nebývalý rozmach, zejména díky rozvoji počítačových věd a informačních technologií.

Na kybernetických principech je založena čtvrtá průmyslová revoluce Průmysl 4.0. K její realizaci bude zapotřebí integrovat výzkumný potenciál různých oborů a těsně spolupracovat s průmyslovými podniky. K tomuto účelu v Českém institutu informatiky, robotiky a kybernetiky ČVUT (CIIRC) vzniklo oddělení vědeckého řízení platforem, které podporuje a koordinuje výzkum mezi různými odděleními nebo skupinami uvnitř tohoto institutu, mezi ním a dalšími součástmi ČVUT a také mezi CIIRC a externími pracovišti. Platformu typicky tvoří rozsáhlé projekty nebo výzkumné aktivity, jejichž odborný záběr přesahuje do několika oddělení.

V současné době existují tři platformy: Centrum aplikované kybernetiky, Centrum pro statistické modelování a analýzy a Centrum výpočetní inteligence a zpracování signálů. Další dvě platformy se připravují: Prototypová dílna a půjčovna přístrojů a Znalostní podpora při využívání informačních zdrojů.


Centrum aplikované kybernetiky
Centrum aplikované kybernetiky vzniklo již v roce 2000 s podporou Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy ČR v rámci programu Výzkumná centra. Do projektu se postupně zapojily nejlepší univerzitní týmy a výzkumně orientované firmy v oboru aplikované kybernetiky v České republice. V současné době je centrum podporováno Technologickou agenturou České republiky jako projekt TE01020197 v rámci programu Center kompetence. Strategická výzkumná agenda je formulována na roky 2012–2019 a je rozdělena do 23 pracovních balíčků.

Pro řešení projektu bylo vytvořeno konsorcium 16 subjektů. Řešitelem projektu a hlavním příjemcem dotace je ČVUT, jehož partnerem jsou tři veřejné vysoké školy (VUT v Brně, Západočeská univerzita v Plzni a Vysoká škola báňská – Technická univerzita Ostrava) a řada velkých, středních i malých podniků (AIS spol. s r.o., CAMEA spol. s r. o., CertiCon, a.s., ČEPS a.s., GABEN spol. s r.o., LTR spol. s r.o., Merica s.r.o., Neovision s.r.o., PEDICO Machinery s.r.o., PT SOLUTIONS WORLDWIDE spol. s r.o., SpeechTech s.r.o., TG Drives, s.r.o.). V rámci ČVUT projekt zajišťuje CIIRC a na řešení se podílejí Fakulta strojní a Fakulta elektrotechnická.

Projekt má čtyři konkrétní cíle/ aplikační oblasti:

  • „Modelování a řízení výroby, distribuce a konverze elektrické energie“ poskytne plně parametrizovaný model chování účastníků trhu s elektřinou v celoevropské přenosové síti, kompletní softwarový nástroj pro celoplošné monitorování sítě a vysoce účinný inteligentní systém řízení konverze elektrické energie v elektrických pohonech.
  • „Inteligentní interakce člověk– stroj“ poskytne integrované systémy a nástroje pro realizaci robotů se schopnostmi inteligentní interakce člověk–stroj. Systémy budou schopné získávat relevantní data z prostředí, vytvářet adekvátní dynamické vnitřní modely situace v reálném prostředí jako podklad pro inteligentní interakci a jejich součástí budou i systémy komunikace člověk–stroj v přirozeném jazyce.
  • „Strojové vnímání a analýza obrazů v průmyslových aplikacích“ vytvoří technologie a řešení, které umožní vizuální měření rozměrů, třírozměrné vidění pro nalézání polohy robotu, detekci a rozpoznávání objektů, využití taktilních senzorů v robotice a dále rozšíří systémy počítačového vidění do zcela nových oblastí monitorování a bezpečnosti dopravy.
  • „Optimalizační nástroje pro průmyslovou informatiku“ vytvoří množinu softwarových nástrojů založených na modelování průmyslových procesů a na sofistikovaných algoritmech umožňujících automatizaci rozhodování operátora. Tyto přístupy budou implementovány ve formě softwarových modulů pro rozhodování, řízení a monitorování systémů.

Na řízení projektu se podílí tým zkušených profesorů. Manažerem projektu je prof. Ing. Vladimír Kučera, DrSc., dr.h.c. Jednotlivé aplikační oblasti koordinují prof. Ing. Michael Šebek, DrSc., prof. Ing. Vladimír Mařík, DrSc., dr.h.c., prof. Ing. Václav Hlaváč, CSc., a prof. Dr. Ing. Zdeněk Hanzálek. Projekt tvoří platformu, která odborně přesahuje do několika oddělení ústavu: Kyberneticko-fyzikální systémy, Průmyslová informatika, Robotika a strojové vnímání a Průmyslová výroba a automatizace.

Centrum vytváří národní platformu a je prototypem mezioborové spolupráce v oboru aplikované kybernetiky. Prof. Ing. Pavel Václavek, CSc., z VUT v Brně k jeho významu říká: „Není pochyb, že vznik Centra aplikované kybernetiky je významným milníkem ve výzkumu v oblasti řídicích systémů, instrumentace a robotiky. Svým způsobem se od samého počátku jednalo o průkopnický projekt, který nesl a nese řadu atributů, které i dnes hledáme u úspěšných ambiciózních projektů – rozsáhlou spolupráci mezi akademickou a průmyslovou sférou, koncentraci výzkumných kapacit, které ve spolupráci mají potenciál dosáhnout významných výsledků, ale i jasně danou odpovědnost za kvalitu a kvantitu získaných výsledků. Ani po více než šestnácti letech neztrácí toto uskupení předních pracovišť v oblasti kybernetiky na svém významu, centrum zůstává velmi efektivní platformou.“


Centrum pro statistické modelování a analýzy
Stát se mezioborovým pracovištěm sdružujícím jak odborníky s etablovaným vědeckým a aplikačním potenciálem, tak i mladší vědecké pracovníky i studenty z mnoha různých oblastí, zabývajících se analýzou dat, pravděpodobnostním a statistickým modelováním. Takový cíl má Centrum pro statistické modelování a analýzy, které vede prof. Ing. Emil Pelikán, CSc. Představuje teoreticko-aplikační výzkumnou platformu působící napříč výzkumnými skupinami a týmy v rámci ČVUT i mimo ně, které jsou schopny vzájemně komunikovat a vytvářet strategická partnerství pro podávání grantových přihlášek, provádění interdisciplinárního výzkumu a aplikaci získaných poznatků do praxe. Hlavním výzkumným směrem centra je rozvoj metod, které jsou zásadní pro porozumění určitým třídám složitých systémů spojených s fyzikálními, biologickými či společenskými procesy, průmyslovou výrobou, výrobou energií, zpracováním surovin nebo životním prostředím. Složitost analyzovaných procesů a tudíž i složitost datových struktur, které je popisují, je stále vyšší a je třeba se vypořádat s datovými typy různých druhů, jež pocházejí z různých zdrojů a mají odlišnou přesnost měření. Metodicky je výzkum zaměřen na techniky matematického (stochastického) modelování, na metody moderní semiparametrické regrese, detekce změn ve sledovaném procesu, klasifikační metody, a to včetně analýzy rizik a nejistot a s nimi spojených otázek bezpečnosti, které jsou v souvislosti se vzrůstající automatizací stále aktuálnější.


Centrum výpočetní inteligence a zpracování signálů
Obecnou platformu zaměřenou na metodologii inženýrské informatiky a číslicového zpracování signálů a obrazů představuje Centrum výpočetní inteligence a zpracování signálů, vedené prof. Ing. Alešem Procházkou, CSc. Cílem je integrace mezioborového přístupu k analýze vícekanálových a vícerozměrných dat a využití podobných matematických metod v rozdílných aplikačních oblastech. Teoretické oblasti zájmu této mezioborové platformy zahrnují vybrané matematické metody, funkcionální transformace pro analýzu dat, číslicovou filtraci pro potlačování nežádoucích komponent signálu, segmentační a klasifikační metody, optimalizaci a geometrické metody pro třírozměrné modelování.

Úzká mezioborová spolupráce s dalšími výzkumnými skupinami, vědeckými společnostmi a prestižními univerzitami ve světě umožňuje detailní koordinaci výzkumných aktivit, PhD projektů a organizaci společných odborných seminářů a konferencí. Vybrané projekty jsou zaměřené na adaptivní metody výpočetní inteligence při zpracování GPS dat a prostorovém modelování pohybu a chůze, při analýze a zpracování videosekvencí v inženýrských a biomedicínských aplikacích, při analýze neurologických dat, EEG signálů a polysomnografi ckých záznamů a při segmentaci, identifikaci, registraci a číslicovém modelování objektů. Součástí obecného zájmu platformy jsou sensorové systémy, bezdrátový přenos dat, internet věcí a programové prostředky (paralelního) zpracování rozsáhlých dat.


prof. Ing. VLADIMÍR KUČERA, DrSc., dr. h. c.

vladimir.kucera@cvut.cz

Robot MORPHEUS, který představuje univerzální mobilní robotickou platformu pro široké využití například při 3D skenování a CBRN průzkumu. Robot byl vyvinutý v těsné spolupráci VUT v Brně a firem TG Drives s.r.o. a LTR s.r.o. v rámci  projektu Centrum aplikované kybernetiky.

Robot MORPHEUS, který představuje univerzální mobilní robotickou platformu pro široké využití například při 3D skenování a CBRN průzkumu. Robot byl vyvinutý v těsné spolupráci VUT v Brně a firem TG Drives s.r.o. a LTR s.r.o. v rámci projektu Centrum aplikované kybernetiky.