В последнюю неделю ноября в Переславле-Залесском прошёл Национальный Суперкомпьютерный Форум. Три дня люди рассказывали и показывали, как обстоят дела с разработкой суперкомпьютеров в России и как технологии, обкатанные на суперкомпьютерах, превращаются в товары.

Член-корреспондент РАН Сергей Абрамов рассказал о проекте «Чуткий дом» (27 ноября). Развивая понятие «умного дома», он предлагает наблюдать за домашним оборудованием, строить и запоминать шаблоны его поведения, учиться на его ошибках, загодя предсказывать его состояние и проблемы.

Созданием «чутких домов» Институт программных систем РАН под руководством Сергея Абрамова занялся в 2014 году, когда реформа Академии наук потребовала вывести академические проекты на коммерческий рынок. К этому времени ИПС РАН располагал хорошими разработками по сенсорным сетям и контролю за оборудованием, развивал облачные технологии и машинное обучение.

По словам Сергея Абрамова, жилые и промышленные здания наполнены оборудованием, от которого зависит благополучие жилища и спокойная работа людей. Хотя это «умное» оборудование складывается в «умный дом», однако за ним нет автоматического контроля. Владельцы не знают о состоянии устройств, не могут удобно следить за ними. Остаётся вручную ухаживать за всей инфраструктурой, словно за огромным тамагочи, регулярно проверяя и настраивая машины.

Чуткая розетка измеряет электрические параметры и сообщает их на сервер / («Чуткий дом», Wikimedia Commons, CC-BY)

Правильно ли работает «умный дом»? Или пора вмешаться? Скоро ли будет авария? Само по себе никакой «умный дом» эту проблему не решает, для ответа на такие вопросы нужен автоматический надзор и анализ. Поэтому компьютерная система, созданная в Институте, собирает статистику с датчиков, строит шаблоны поведения бытовых машин и учится распознавать эти шаблоны. Отличая нормальное поведение от проблемного и обнаружив ненормальную работу, искусственный интеллект вовремя предупредит домовладельца о потенциальной угрозе.

«Чуткий дом» — это «умный дом», к которому добавлена чуткость, способность к самообучению, способность накапливать шаблон исправного поведения, способность к прогнозу и реакции. – Сергей Абрамов, член-корреспондент РАН/

Мы привыкли к тому, как «умный дом» поддерживает свои параметры: заданную температуру и освещённость, постоянную влажность воздуха, стабильное напряжение электросети. «Умный дом» может работать по сценарию в зависимости от времени суток или от события (например, закроет газовый кран по команде газоанализатора). «Чуткий дом» делает следующий шаг — анализирует сенсорные данные и строит новые сценарии для классификации: всё идёт по-прежнему или есть неожиданности.

Он реагирует на перемену внешней среды и прогнозирует возможные сбои, угадывая аномалии в одновременных действиях разных устройств. «Чуткий дом» следит за результатом своей работы, предупреждает о проблемах и меняет сценарий, давая подсказки владельцу и позволяя отключить неисправные приборы.

Мы решаем проблему атипичного поведения оборудования. – Сергей Абрамов, член-корреспондент РАН.

Предложенная система опирается на сенсорную сеть, которая выдаёт замеры с привязкой ко времени. Например, дизельный котёл эпизодически включается и подогревает воду, циркуляционный насос гоняет горячую воду по трубам отопления, а первичные датчики сообщают о том, как эти устройства потребляют электричество. Опираясь на серию показаний, вторичный сенсор (программа) сравнивает их с нормальным профилем и диагностирует сбои. Третичный сенсор (программа) получает температуру уличного воздуха и предсказывает будущую работу системы, оценивает её загруженность и эффективность — как соотносятся нагрев котла и погода. Может быть, распахнуты окна и котёл греет улицу, а может быть, упал КПД и подходит время профилактического ремонта. По дрейфу производных параметров можно предсказать, в какое время они выйдут из нормы.

Чуткая розетка состоит из отдельных модулей-планок / («Чуткий дом», Wikimedia Commons, CC-BY)

Оценив одновременные показания датчиков, «чуткий дом» способен заметить, что водяная помпа не отключается, потому что переливает воду обратно в колодец (через неисправный клапан) или прямо на пол (через лопнувшую трубу). Ещё достовернее будет диагноз, если датчики движения молчат и помпа качает воду в пустой дом.

Сенсорные сети есть и в «умных домах». Облачная инфраструктура есть и в «умных домах». Но чего нет в «умных домах» — это искусственного интеллекта, машинного обучения, накопления шаблонов исправного поведения, классификации и прогноза. – Сергей Абрамов, член-корреспондент РАН/

В основе облачной части «чуткого дома» лежит NoSQL база данных Riak или база данных Akumuli, где хранятся временные ряды показаний. Приём и выдача данных сделаны на платформе Erlang/OTP, она позволяет развернуть базу на многих узлах. Над нею развёрнута программа для мобильных приложений и web-интерфейса, чтобы информировать заказчика по интернету и телефону, а рядом — программа для анализа данных и поведенческого контроля. Сюда можно подключить любой анализ временных рядов, в том числе на базе нейронных сетей. Таким образом, весь контроль за системами «чуткого дома» вынесен в отдельный слой управления. Доступ к нему обеспечен через личный кабинет в облачном сервисе.

Чуткий контроллер собирает сигналы датчиков и термометров / («Чуткий дом», Wikimedia Commons, CC-BY)

Язык Erlang даёт все преимущества функционального подхода. В нём есть механизмы распределённой работы, и самый простой способ сделать параллельную распределённую программу — это использовать Erlang. В нашей архитектуре заложены программные «вторичные сенсоры», их может быть несколько на один физический сенсор, и если мы рассчитываем на десятки тысяч клиентов с десятками устройств — нам придётся обработать огромный поток данных. Там нужны легковесные процессы, которые можно запустить в огромном количестве. На одном ядре Erlang позволяет запустить десятки тысяч процессов, эта система хорошо масштабируется. – Сергей Абрамов, член-корреспондент РАН.

По словам разработчика, на Erlang легко организовать разнородную команду программистов, в которой студенты и корифеи создают одну систему. Отдельные фрагменты программной системы падают с ошибкой, но вся она продолжает работу, что позволяет исправить ошибочные места на лету.

Чуткий контроллер передаёт данные по WiFi или RS-485 / («Чуткий дом», Wikimedia Commons, CC-BY)

Система «чуткий дом» использует все технологии, которые ИПС РАН применял для управления суперкомпьютерами. Сюда входят электронные сенсоры, системы мониторинга и удалённого управления. Сейчас чуткая программа работает на собственных датчиках и умеет подключаться к шлейфам пожарной охраны, однако есть план собирать данные от сенсоров любых «умных домов».

«Чуткий дом» интересен тем, что на передний край выходят комплексные интеллектуальные решения для города, квартала и дома. Тут интересно не строить суперкомпьютер, а конструировать социально-компьютерный комплекс, вводя суперкомпьютер в ежедневный быт, чтобы машина меняла жизнь людей. – Ольга Колесниченко, к. м. н., старший преподаватель Сеченовского университета.

К весне 2020 года разработчики подготовят базовый комплект программ и оборудования, чтобы собирать системы разного масштаба в зданиях и квартирах. Обещают, что результат получится лёгким в настройке, не сложнее робота-пылесоса. Базовый комплект будет поддерживать любое поднадзорное оборудование: отопительные котлы, нагреватели воды, холодильники, водяные помпы и септики.

Затем наступит очередь малосерийной продажи, затем fabless производство, дополнение новыми сенсорами и модулями. А в перспективе возможна самая разная диверсификация и адаптация — чуткая ферма, чуткая больница, чуткий корабль и даже очень чуткий танк.