Mudanças radicais – definindo um novo rumo para a investigação oceânica

Um navio autônomo tem a vantagem de ser construído especificamente para qualquer que seja sua função. O navio se torna uma máquina em vez de um hotel flutuante. "Se você tirar o fator humano dos navios, é possível reinventar completamente o projeto", diz Phaneuf. "Você pode se concentrar exclusivamente na mecânica e no funcionamento do navio."

No entanto, na prática, Phaneuf e a ProMare sabiam que a chave para colocar um navio autônomo no mar, sem humanos no comando, era uma tecnologia de computação que pudesse alimentar a inteligência a bordo. Para que o MAS fizesse a transição da ideia para a embarcação, a ProMare precisava de um parceiro de tecnologia com profundo conhecimento em IA, edge computing e pesquisa científica, bem como experiência no setor de transporte marítimo global.

No final de 2016, quando o arquiteto naval da ProMare apresentou o conceito do MAS em uma conferência na Suíça, representantes da IBM estavam presente na plateia – e ficaram intrigados com a visão de Phaneuf.

"Durante os primeiros dias do projeto Mayflower, eu disse ao meu CTO que precisava que ele construísse pra mim um 'Capitão Watson' porque cresci vendo a equipe do IBM Watson desenvolver uma IA cada vez mais poderosa", diz Phaneuf. "Era o que precisávamos para levar nosso navio pelo mar. Tivemos a sorte de conhecer um grupo incrivelmente generoso de pessoas na IBM que tinham ainda mais recursos e queriam ajudar."

Cobrindo 71% da superfície da Terra, o oceano gera mais da metade do oxigênio do mundo, regula o clima global e age como um dissipador de calor para reduzir os efeitos do aquecimento global. No entanto, apesar da grandeza do oceano, ele não está imune à atividade humana. Hoje, o oceano está mais poluído, mais quente, mais ácido e mais tempestuoso do que nunca.

Para ajudar a reverter o declínio dos oceanos, as Nações Unidas declararam o período de 2021 a 2030 como a Década da Ciência dos Oceanos para o Desenvolvimento Sustentável. Essa iniciativa global promoverá uma melhor compreensão do oceano para protegê-lo e gerenciá-lo de forma mais sustentável – e a chave para entender melhor os oceanos são os dados cada vez melhores.

No entanto, reunir dados sobre um sistema tão vasto e complicado quanto o oceano é extremamente caro. Realizar pesquisas em um ambiente tão implacável quanto o oceano também coloca navios e tripulações em alto risco. O impacto prático desse custo e risco é que vastas áreas da superfície do oceano ainda permanecem inexploradas. Ainda há muita falta de informação em relação às mudanças climáticas, à poluição por plásticos, à degradação dos habitats, à conservação da vida marinha e a outros assuntos igualmente importantes.

"A maior parte dos dados sobre os oceanos que temos está concentrada nas rotas de navegação comercial", diz Phaneuf. "Para explorar o restante, não podemos nos dar ao luxo, como sociedade, de continuar construindo navios de pesquisa gigantescos de 50 a 100 milhões de dólares. Mesmo que fizéssemos isso, nunca teríamos o suficiente. Mas, ao mesmo tempo, não podemos nos dar ao luxo de ignorar a crescente necessidade de pesquisas oceânicas."

Embarcações de pesquisa autônomas como o MAS – integradas a outras redes terrestres, de navios e satélites – podem coletar dados sobre o oceano em uma escala e custo-benefício muito além do que é possível com a relativamente pequena frota de embarcações de pesquisa tripuladas atualmente em uso. "Foi por isso que me interessei em usar robótica e autonomia na exploração do oceano. Elas nos permitem explorar áreas do oceano que normalmente não estão ao alcance dos seres humanos", afirma Phaneuf.

Conforme previsto pela ProMare e pelo projeto MAS, o futuro da pesquisa nos oceanos é uma combinação híbrida de embarcações tripuladas e não tripuladas, e dispositivos, grandes e pequenos, com graus variados de autonomia – todos trabalhando em conjunto para aumentar a quantidade e a qualidade dos dados.

Até recentemente, o objetivo de reunir mais dados sobre o oceano sem enviar mais marinheiros e cientistas em viagens caras e arriscadas parecia impossível. Tudo dependia de uma pergunta: será que a IA, a edge computing e as tecnologias relacionadas estão prontas e são robustas o suficiente para uma verdadeira autonomia?

"Ao longo da história, os navios estiveram na linha de frente do desenvolvimento tecnológico porque eram necessários para o comércio e para a movimentação de pessoas", diz Phaneuf. "E não é nenhuma surpresa que, com o MAS, isso esteja acontecendo nos navios. Eles sempre estiveram na vanguarda."

Com seu formato elegante, que lembra o Star Trek, o casco trimarã altamente estável do MAS pode deslizar sobre as ondas a mais de 10 nós, impulsionado por um sistema de propulsão híbrido-elétrico movido a energia solar. O MAS também está equipado com uma navegação inercial precisa, posicionamento por meio do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS), sensores de radar, comunicações por satélite e instrumentação meteorológica.

Construída na Polônia seguindo as especificações da ProMare, a embarcação de 5 toneladas e 15 metros de extensão foi projetada com inovações na arquitetura naval, todas pensadas para resistir às tensões das longas viagens pelo mar. Mas não há beliches ou cozinhas para o capitão ou tripulação neste Mayflower. Em vez disso, é a tecnologia de computação cognitiva da IBM, já comprovada em outros setores, que pilota esse novo tipo de navio e ajuda a mantê-lo estável.

"Foi necessário ir além da tecnologia existente para os navios não tripulados e criar um navio que não apenas é operado remotamente e não simplesmente reage ao ambiente, mas também aprende e se adapta de forma independente", diz Don Scott, diretor de engenharia do Submergence Group, afiliado da ProMare. "Quando projetamos essa embarcação há quatro anos, eu não tinha certeza se seria possível hospedar um sistema como este em um navio. Mas avanços recentes, especialmente na edge computing, tornaram isso possível."

O "cérebro" a bordo que dá autonomia total ao MAS – a capacidade de operar sem intervenção humana – é apelidado de "Capitão IA" pela equipe. Assim como qualquer capitão humano requer anos de treinamento antes de ser confiado a um navio, o Capitão IA do MAS passou por anos de treinamento para se familiarizar com tudo.

Usando algoritmos de inferência e modelos gerados a partir da tecnologia de computer vision IBM® Visual Insights, o Capitão IA foi treinado com mais de um milhão de imagens náuticas, para que pudesse reconhecer navios, detritos, pontes, pedaços de terra e outros perigos. Os servidores do IBM Power Systems foram usados para atender às demandas significativas de processamento de aprendizado de máquina necessárias para o treinamento do Capitão IA. Foi feita uma modelagem matemática adicional para auxiliar na tomada de decisões usando o IBM® CPLEX Optimizer.

Assim que o Capitão IA recebe dados práticos de câmeras a bordo, radar, sonar, AIS e outros equipamentos, ele se baseia no sistema automatizado de gerenciamento de regras da IBM, chamado IBM® Operational Decision Manager (ODM) para seguir as Normas Internacionais para Impedir Colisões no Mar (COLREGs) e outras convenções marítimas. Amplamente usado em todo o setor de serviços financeiros para aprovar empréstimos e personalizar ofertas aos clientes, o ODM fornece um registro transparente dos processos de tomada de decisão para evitar cenários de "caixa-preta" quando não fica claro o motivo de uma determinada decisão ter sido tomada.

Para entender o ambiente ao seu redor e tomar decisões inteligentes, de forma independente, sem precisar estar conectado a um computador em terra, o MAS está equipado com 15 dispositivos de edge computing para processar dados a bordo. A lógica de decisão, baseada no software ODM, também é executada como uma carga de trabalho de ponta no navio.

Todos os dispositivos de ponta são orquestrados de forma segura pelo IBM® Edge Application Manager, que implementa o software nos sensores posicionados na borda do navio. O IBM® Maximo Application Suite oferece gerenciamento e manutenção inteligentes de ativos. "Chamei o MAS de o dispositivo de ponta", diz Scott. "Todas as câmeras são dispositivos de ponta inteligentes. Até mesmo o sistema de gerenciamento de bateria é um dispositivo de ponta inteligente."

Uma vez em funcionamento, o Capitão IA do MAS confia nas recomendações do ODM e nas atualizações atuais e previstas da The Weather Company, uma empresa da IBM, para avaliar continuamente as opções, evitar perigos, tomar decisões de navegação e realizar a missão de pesquisa em questão.

Mantendo todos os dados e aplicações perfeitamente integrados, seguros e conectados de todos os edges da rede MAS, estão o IBM® Cloud e o IBM® Cloud Object Storage, projetados para suportar cargas de trabalho de missão crítica em todos os lugares, mesmo no meio do oceano.

Uma função de Safety Manager, executada no Red Hat Enterprise Linux (link externo), também apoia as decisões do Capitão IA para ajudar a garantir a segurança do MAS e das embarcações próximas.

À medida que o treinamento do Capitão IA continua e registra mais horas de autonomia no mar, a ProMare já está pensando no futuro dessa tecnologia, inclusive para além do projeto MAS. "O melhor do software que estamos desenvolvendo para o Capitão IA é que ele também pode ser implementado em navios tripulados", diz Phaneuf. "Ele pode aumentar a capacidade de executar uma tarefa e liberar o lado criativo das pessoas, tornando-as seres humanos melhores e, nesse caso, mais seguros também."

Fundada em 2001 para promover a pesquisa e a exploração marinhas, a ProMare (link externo ao site ibm.com) é uma corporação sem fins lucrativos e uma instituição de caridade 501 (c) (3) com sede em Chester, Connecticut. Sua equipe de arqueólogos experientes e profissionais marinhos realiza projetos de pesquisa de forma independente e com organizações acadêmicas, corporativas, públicas e governamentais para aprimorar o conhecimento da história e da ciência relacionadas ao oceano.