Poza dronami i sztuczną inteligencją: przemyślenie przyszłości humanitarnego rozminowania

Pracuję z dronami od 2014 roku, ale wybuch wojny na Ukrainie oznaczał punkt zwrotny w mojej karierze. Od 2022 roku moja uwaga skierowana jest na badanie, w jaki sposób drony mogą być wykorzystywane do zautomatyzowania humanitarnego rozminowania – jakie możliwości posiadają i jak technologia może uczynić te wysiłki bezpieczniejszymi i bardziej efektywnymi. W ramach tej pracy ściśle śledzę Genewskie Międzynarodowe Centrum Rozminowania Humanitarnego (GICHD), uczestniczę w ich wydarzeniach i regularnie współpracuję z ich ekspertami.

Rozważając rozwiązania oparte na dronach w połączeniu z sztuczną inteligencją, okazują się one pomocne jedynie na etapie nietechnicznego rozpoznania (NTS) procesu humanitarnego rozminowania. Oznacza to, że drony skanują duże obszary i zbierają dane. Następnie model uczenia maszynowego analizuje te dane, aby oznaczyć obszary, które można zawierać miny. Nie są to dokładne miejsca, w których znajdują się miny.

Techniczne rozpoznanie (TS), które potwierdza i mapuje skażone obszary, nadal opiera się na personelu z wykrywaczami metali, wyszkolonych psach i maszynach do rozminowania. Wchodzą oni do zaminowanego obszaru, aby dokładnie określić położenie niebezpieczeństw.

Proces ten nadal jest długi, ryzykowny i drogi:

• W 2023 roku odnotowano 15 ofiar wśród rozminowaczy w trzech krajach
• Przy obecnej szybkości usunięcie wszystkich niebezpiecznych przedmiotów zajmie ponad 100 lat
• Koszt usunięcia jednej miny lądowej wynosi 50 do 100 razy więcej niż koszt jej produkcji

Miny nadal stanowią zagrożenie dla cywilów – w 2023 roku odnotowano co najmniej 5757 ofiar min i niebezpiecznych przedmiotów.

W tym poście wyjaśniam, dlaczego obecne rozwiązania oparte na dronach nie działają dla technicznego rozpoznania (najbardziej czasochłonnego i kosztownego etapu) i przedstawiam, co uważam za najlepszy sposób, aby to naprawić.

Wykrywanie min pod ziemią lub roślinnością jest prawie niemożliwe

Drony z standardowymi kamerami optycznymi lub termalnymi zwykle rejestrują obrazy z jednego kąta patrzenia w dół. Ten sposób działania dobrze sprawdza się w przypadku wykrywania anomalii na powierzchni, ale nie jest w stanie wykryć zakopanych lub ukrytych min. Z tego powodu drony są głównie wykorzystywane do nietechnicznego rozpoznania w humanitarnym rozminowaniu.

Jedno z czołowych rozwiązań – Safe Pro AI – zgłasza, że mają tylko 5-procentową skuteczność wykrywania w regionach z drzewami i krzakami.

Chociaż jest to mniej istotne w przypadku Ukrainy, gdzie większość min leży na powierzchni, sytuacja jest zupełnie inna (np.) w Kambodży:

• 4-6 milionów min lądowych pozostało z konfliktów w latach 70. i 90.
• 64 000+ ofiar od 1979 roku, przy czym dzieci są głównymi ofiarami

Miny nie metalowe i stare miny metalowe są trudniejsze do wykrycia, nawet na powierzchni

Miny nie metalowe stanowią znaczącą część min lądowych w obecnych i byłych strefach konfliktów. Są one celowo zaprojektowane, aby ominąć wykrywanie przez konwencjonalne wykrywacze metali.

Wizualnie, miny nie metalowe są trudne do wykrycia. Nie świecą, nie wyróżniają się na zdjęciach, ani nie są dobrze widoczne na kamerach termalnych. Wykrywacze metali i magnetometry albo ich nie wykrywają, albo wywołują zbyt wiele fałszywych alarmów.

W związku z tym, obecne narzędzia do wykrywania oparte na dronach często całkowicie pomijają miny nie metalowe.

Jeśli chodzi o stare miny metalowe, korozja zmienia ich wygląd i zachowanie, dzięki czemu łączą się z ziemią i słabo reagują na narzędzia wykrywania. Miny zdeformowane są jeszcze trudniejsze do identyfikacji na zdjęciach.

A ponieważ te miny są trudniejsze do zauważenia, zajmuje to znacznie więcej czasu, aby je znaleźć i usunąć, lub pozostają one ukryte i narażają na niebezpieczeństwo zarówno rozminowaczy, jak i cywilów.

Zależność od pogody i dnia

Jeśli mówimy o dronach z kamerami RGB i multispektralnymi, wymagają one światła dziennego. W przypadku zachmurzonego, słabego światła lub zacienionych obszarów (lasów, ruin) jakość obrazu i wykrywanie obiektów maleje.

Wykrywanie termalne, z kolei, działa najlepiej o świcie lub zmierzchu, kiedy ziemia i mina różnią się temperaturą. W południe słońce nagrzewa wszystko równomiernie, zmniejszając kontrast.

Deszcz i mokra ziemia rozmywają szczegóły powierzchni, zmieniają kolor ziemi i temperaturę, oraz mogą ukryć zaburzenia gleby lub anomalie termalne. Śnieg po prostu zakrywa widoczne znaki i wyrównuje temperaturę powierzchni, sprawiając, że miny stają się niewykrywalne.

Latanie dronów tylko w określonych godzinach znacznie spowalnia nawet etap NTS rozminowania, szczególnie w obszarach o nieprzewidywalnej pogodzie.

Technologia jest bardzo droga

W 7 dotkniętych krajach szacowany obszar zaminowania przekracza 100 km².

Zgodnie z testami na Ukrainie, rozminowanie z nową technologią może obniżyć koszty z 3000-5000 do 600-800 dolarów za hektar, co nadal stanowi 70 000 dolarów za kilometr kwadratowy. A w niektórych obszarach może to przekroczyć cenę samej ziemi.

Głównym powodem wysokich kosztów są liczne fałszywe alarmy traktowane jako prawdziwe zagrożenia. Średnio zespół rozminowuje ponad 50 podejrzanych min, aby znaleźć tylko jedną prawdziwą minę lądową.

Najbardziej zanieczyszczone obszary znajdują się w krajach rozwijających się. Nie mogą one pozwolić sobie na rozminowanie bez finansowania ze strony organizacji międzynarodowych lub rządów.

Koszty są również zbyt wysokie, aby firmy mogły się do tego zaangażować. Gdy rozminowanie stanie się wystarczająco tanie, firmy mogą wynająć zaminowane tereny pod warunkiem, że je rozminują. W zamian otrzymają długoterminowe prawo do korzystania z nich za symboliczną cenę i pewne ulgi podatkowe.

Czy jest rozwiązanie?

Wraz z moim zespołem badaliśmy metody, które pozwalają na zebranie większej ilości danych, mogą przeniknąć przez liście i ziemię, a jednocześnie utrzymać wystarczającą rozdzielczość.

Przykładem obiecującego kierunku rozwoju jest projekt badaczy z Uniwersytetu w Oviedo. Testują oni system radaru syntetycznej apertury (GPR-SAR) zamontowany na bezzałogowym statku powietrznym (UAV).

Ich walidacja w locie w realistycznych scenariuszach wykazała, że technologia rozwiązuje następujące problemy:

1) Radar precyzyjnie wskazuje położenie miny, pozostawiając do wykonania tylko rozbrojenie lub zniszczenie.

Wykorzystując wszystkie możliwe ścieżki radarowe (pełna konfiguracja wielostatyczna), uzyskali wysokiej rozdzielczości obrazy, na których zakopane cele były jaśniejsze i wyraźniejsze. I byli w stanie wykryć z precyzją trudne cele, takie jak małe, nie metalowe i płytko zakopane obiekty, jak miny przeciwpiechotne z tworzywa sztucznego, drewniane płyty naciskowe i rury PVC.

2) Rozwiązanie może działać w dzień i w nocy, w różnych warunkach pogodowych, a nawet przy umiarkowanym zalesieniu.

Jak to działa:

• Wysyła impulsy radarowe do ziemi.
• Wykrywa odbicia od zmian podziemnych (np. tworzywa sztucznego, metali, pustych przestrzeni).
• Buduje trójwymiarowe obrazy podziemne z dokładnością na poziomie centymetrów, łącząc sygnały radarowe z wielu par nadajnik-odbiornik (Tx-Rx) i pozycji lotu.

Rozwiązanie to nadal ma swoje ograniczenia, ale biorąc pod uwagę moje doświadczenie, jest to najbardziej istotny kierunek badań i rozwoju w tej chwili.

Jedną z głównych zalet GPR jest ilość danych, które może zbierać. Im więcej danych, tym lepsza może być dokładność na etapie rozpoznania/klasyfikacji z wykorzystaniem sztucznej inteligencji. To z kolei prowadzi do bardziej efektywnej pracy rozminowania i obniża ogólne koszty o 50% lub więcej.