Dronien ja tekoälynnän ulottuvilla: Ihmiskunnan miinaraivaamisen tulevaisuuden uudelleenarviointi

Olen työskennellyt dronien parissa vuodesta 2014, mutta Ukrainan sodan puhkeaminen merkitsi urani käännekohtaa. Vuodesta 2022 lähtien olen keskittynyt tutkimaan, miten dronit voivat automatisoida humanitaarista miinaraivaamista – mihin kykyihin niiden tarvitsee päästäkseen, ja miten teknologia voi tehdä näistä ponnistelusta turvallisempia ja tehokkaampia. Tämän työn puitteissa seuraan tiiviisti Geneven kansainvälistä humanitaarista miinaraivaamiskeskusta (GICHD), osallistun heidän tapahtumiinsa ja keskustelen säännöllisesti heidän asiantuntijoidensa kanssa.

Dronipohjaiset ratkaisut yhdistettynä tekoälyyn ovat todella hyödyllisiä ainoastaan humanitaarisen miinaraivaamisen ei-tekniikan tutkimuksen (NTS) vaiheessa. Se tarkoittaa, että dronit skannaavat laajoja alueita ja keräävät dataa. Sitten koneoppimismalli analysoi tätä dataa ja osoittaa alueita, jotka saattavat sisältää miinoja. Ei miinojen tarkkoja sijainteja.

Tekninen tutkimus (TS), joka vahvistaa ja kartoittaa saastutettuja alueita, riippuu edelleen henkilöstöstä, joka käyttää metallinilmaisimia, koulutettuja koiria ja mekaanisia miinaraivauskoneita. He menestyvät miinoitettuun alueeseen paikantamaan vaarojen tarkat sijaintit.

Prosessi on edelleen pitkä, riskiallinen ja kallis:

• Vuonna 2023 oli 15 uhria miinaraivauksessa kolmessa maassa
• Nykyisellä vauhdilla kaikkien maamiinojen raivaaminen kestää yli 100 vuotta
• Yhden maamiinan poistamisen kustannus on 50-100 kertaa suurempi kuin yhden valmistamisen kustannus

Miinat jatkavat uhkaamista siviilejä – vuonna 2023 oli vähintään 5 757 miina-/ERW-uhria.

Tässä kirjoituksessa selitän, miksi nykyiset dronipohjaiset ratkaisut eivät toimi teknisen tutkimuksen (nykyisin kallein ja aikaa vievin vaihe) kanssa, ja jaan näkemykseni siitä, miten parantaa tilannetta.

Miinojen havaitseminen maan alla tai kasvillisuuden alla on lähes mahdotonta

Dronit, joissa on standardi optiset tai termiset kamerat, kuvaavat yleensä kuvia ainoastaan yhdestä alaspäin suunnatusta kulmasta. Tämä lähestymistapa toimii hyvin pinnan tasolla olevien poikkeamien havaitsemisessa, mutta epäonnistuu haudattujen tai piilotettujen miinojen havaitsemisessa. Tästä syystä dronit ovat pääasiassa käytössä humanitaarisen miinaraivaamisen ei-tekniikan tutkimuksessa.

Yksi eturintamien ratkaisuista – Safe Pro AI – ilmoittaa, että heillä on vain 5 prosentin havaitsemisaste alueilla, joilla on puita ja pensaita.

Vaikka se on vähemmän relevanttia Ukrainaan, jossa useimmat miinat ovat hajaantuneet maanpinnalle sen sijaan, että ne olisivat haudattuna, tilanne on hyvin erilainen (esim.) Kambodžassa:

• 4-6 miljoonaa maamiinaa on jäljellä 1970- ja 1990-luvun konflikteista
• 64 000+ uhria vuodesta 1979 lähtien, ja lapset ovat ensisijaisia uhreja

Ei-metalliset ja vanhat metallimiinat ovat vaikeampia havaita, jopa pinnalla

Ei-metalliset miinat muodostavat merkittävän osan maamiinoista nykyisissä ja entisissä konfliktialueissa. Ne on tarkoituksella suunniteltu välttämään havaitsemisen perinteisten metallinilmaisimien avulla.

Visuaalisesti ei-metalliset miinat ovat vaikeita havaita. Ne eivät loista, erottuudu kuvissa tai näy hyvin termokameroissa. Metallinilmaisimet ja magnetometrit joko ohittavat ne tai laukaisevat liian monta väärää hälytystä.

Joten nykyiset dronipohjaiset havaitsemistyökalut usein ohittavat ei-metalliset miinat kokonaan.

Vanhojen metallimiinojen osalta korroosio muuttaa niiden ulkonäköä ja käyttäytymistä, joten ne sulautuvat maahan ja reagoivat huonosti havaitsemistyökaluihin. Epämuodostuneet miinat ovat vielä vaikeampia tunnistaa kuvissa.

Ja koska nämä miinat ovat vaikeampia havaita, ne vievät paljon kauemmin löytääkseen ja poistaa, tai ne piilevät ja asettavat sekä miinaraivajat että siviilit vaaraan.

Sää- ja päiväsaika-riippuvuus

Jos puhumme dronista, joissa on RGB- ja monispektrikamerat, ne vaativat päivänvaloa. Pilvisissä, heikossa valossa tai varjoisilla alueilla (metsät, rauniot) kuvan laatu ja objektin havaitseminen laskevat liikaa.

Termisen havaitsemisen osalta se toimii parhaiten aamulla tai illalla, kun maan ja miinan lämpötilaero on suurin. Keskipäivällä aurinko lämmittää kaiken tasaisesti, mikä vähentää kontrastia.

Sade ja märkä maa sumeavat pinnan yksityiskohtia, muuttavat maan väriä ja lämpötilaa ja voivat piilottaa maan häiriöitä tai termisiä poikkeamia. Lumipeite peittää visuaaliset merkit ja tasaa pinnan lämpötilan, mikä tekee miinoista havaitsemattomia.

Dronien lentäminen ainoastaan tiettyinä aikoina hidastaa jopa NTS-vaihetta miinaraivaamisessa, erityisesti alueilla, joilla on epävakaa sää.

Teknologia on erittäin kallista

7 maassa arvioidaan, että henkilökohtaisen miinan saastuttama alue kattaa yli 100 km².

Ukrainan kokeiden mukaan miinaraivaus uuden teknologian avulla leikkaa kustannukset 3000-5000 dollarista 600-800 dollariin hehtaarille, mikä on edelleen 70 000 dollaria neliökilometrille. Ja joissakin alueissa se voi ylittää itse maan hinnan.

Pääsyy kalliille kustannuksille on useat väärät hälytykset, jotka käsitellään oikeiden uhkien tapaan. Keskimäärin tiimi raivaa yli 50 epäiltyä miinaa löytääkseen vain yhden todellisen maamiinan.

Useimmat voimakkaasti saastutetut alueet ovat kehittyvissä maissa. He eivät voi maksaa miinaraivausta ilman kansainvälisten organisaatioiden tai hallitusten rahoitusta.

Kustannukset ovat myös liian korkeat yrityksille, jotta ne voivat osallistua. Kun miinaraivaus tulee halvemmaksi, yritykset voivat vuokrata miinoitettuja maa-alueita ehdolla, että he raivaavat ne. Vastineeksi he saavat pitkäaikaisen käytön symbolisella hinnalla ja joitakin verohelpotuksia.

Ratkaisu?

Tiimini kanssa olemme tutkineet menetelmiä, jotka keräävät enemmän dataa, voivat nähdä läpi kasvillisuuden ja maan, ja ylläpitävät silti riittävää resoluutiota.

Lupauksenvankka kehityssuunta on esimerkiksi Oviedon yliopiston tutkijoiden projekti. He testaavat maanpinnan läpäisevää syntetistä aukkoradaria (GPR-SAR) -järjestelmää, joka on asennettu UAV:lle.

Heidän lennokokeensa realistisissa skenaarioissa osoittivat, että teknologia ratkaisee seuraavat ongelmat:

1) Radar määrittää miinan sijainnin tarkasti, jättäen ainoastaan miinan purkamisen tai tuhoamisen manuaaliseen suorittamiseen.

Käyttämällä kaikkia mahdollisia radarireittejä (täysin monistatistinen konfiguraatio) he saivat korkearesoluutioisia kuvia, joissa haudatut kohteet näkyivät kirkkaammin ja selkeämmin. He pystyivät havaitsemaan tarkasti haastavia kohteita, kuten pieniä, ei-metallisia ja matalasti haudattuja esineitä, kuten muovisia jalkaväkimiinoja, puurunkoja ja PVC-putkia.

2) Ratkaisu toimii päivällä ja yöllä, vaihtelevissa sääolosuhteissa ja jopa kohtalaisen kasvillisuuden kanssa.

Miten se toimii:

• Lähettää radarpulssit maahan.
• Havaitsee heijastuksia maanpinnan muutoksista (esim. muovi, metalli, tyhjöt).
• Luo 3D-maanalaisia kuvia senttimetrin tarkkuudella yhdistämällä radarsignaaleja useista lähettimistä ja vastaanottimista (Tx-Rx) ja lentopositiosta.

Ratkaisulla on edelleen rajoituksia, mutta taustani perusteella se on tärkein tutkimuksen ja kehityksen suunta tällä hetkellä.

Yksi GPR:n tärkeimmistä vahvuuksista on se, kuinka paljon dataa se voi kerätä. Enemmän dataa tarkoittaa, että tutkijat voivat parantaa tarkkuutta tunnistus-/luokitteluvaiheessa tekoälyllä. Tämä johtaa tehokkaampiin tutkimus- ja raivaustöihin ja leikkaa kustannuksia 50 % tai enemmän.