On the basis of statistical data the EMERCOM of Russia on emergency situation the authors come to the conclusion about the need to create a complex system of intellectual-term monitoring of dynamic objects of industrial facilities and residential buildings. The article describes the composition and operation of the monitor system of complex the monitor.
Keywords: innovation, safety, security complex, ecology
В настоящее время в промышленности, транспорте, энергетике и других сферах деятельности человека существует потребность в контроле за состоянием различных сложных технических систем, в том числе и для обеспечения их экологической безопасности. При этом в зависимости от сферы, в которой работает то или иное предприятие или организация, могут выдвигаться различные требования к средствам мониторинга и обеспечения комплексной безопасности. Одна из важнейших причин создания универсальной платформы комплексного мониторинга и обеспечения комплексной безопасности, это необходимость создать систему способную без существенных изменений осуществлять централизованный контроль состояния различных технических и экосистем, а также осуществлять сбор, анализ информации и выдачу рекомендаций эксплуатирующему ее персоналу.
Классические мониторинговые системы с каналами управления могут быть представлены следующей структурной схемой (рис. 1). Причем, группа элементов 1 определяется спецификой объекта мониторинга, а группа элементов 2 — спецификой обработки и представления результатов мониторинга.
Рис. 1. Структура системы мониторинга
Силами специалистов кафедры и технологической площадки НПП «Кедр-М» в настоящий момент глубоко проработаны вопросы обработки и представления результатов мониторинга. На этой базе в настоящее время ведется разработка системы комплексной безопасности многоквартирных домов и сооружений промышленного назначения на основе применения гидросенсоров, датчиков утечки газа (метан, угарный газ) и электрических кабелей с огнестойкой оболочкой.
Актуальность разработки данной системы определяется большим количеством пожаров на объектах промышленного и жилого назначения (145 686 в 2015 г.), большим количеством жертв (погибло 9 377 человек в 2015 г.) и материальным ущербом (18 814 077 тыс. руб. в 2015 г.). Основными причинами пожаров, по данным МЧС России, являются: нарушение правил установки и эксплуатации электрооборудования (27,89 %), нарушение правил установки и эксплуатации печей (14,36 %) и неосторожное обращение с огнем (30,59 %). Растет стоимость причиненного ущерба и в случае аварий на системах водо- и теплоснабжения.
Система комплексной безопасности в этом случае будет выглядеть следующим образом (рис. 2).
Рисю 2. Система комплексной безопасности промышленных объектов и жилых домов
Однако, возможности применения подобной системы не ограничиваются только домами или предприятиями. С учетом модульности системы и взаимозаменяемости элементов, одним из основных назначений системы комплексной безопасности (СКБ) может стать мониторинг лесных пожаров. Ведь экологические последствия от лесных пожаров довольно значительны: происходит загрязнение атмосферного воздуха углекислым газом и продуктами пиролиза лесных горючих материалов, выгорания кислорода. С лесными пожарами в воздух попадают частицы сажи, состоящие из углерода и продуктов неполного сгорания древесины. Задымление воздуха приводит к ухудшению микроклимата земли; увеличению числа туманных дней, уменьшению прозрачности атмосферы и обусловленному им снижению видимости, освещенности, ультрафиолетовой радиации. И даже очень малые концентрации некоторых веществ являются весьма опасными.
Немного статистики: ежегодно в России регистрируется от 10 тысяч до 35 тысяч лесных пожаров, охватывающих площади от 500 тыс. до 2 млн 500 тыс. га. По данным Федеральной службы государственной статистики (Росстат), всего с начала 1992 года по конец 2015 года в России произошло около 600 тысяч (!) лесных пожаров.
По данным Федерального агентства лесного хозяйства, в среднем размер ущерба от лесных пожаров в год составляет около 20 млрд рублей.
В этом случае дополнительным элементом системы комплексной безопасности будут беспилотные летательные аппараты (БПЛА) и система комплексной безопасности примет вид как на рисунке 3.
Рис. 3. Система комплексной безопасности жилых объектов и окружающей среды
Использование беспилотных летательных аппаратов обеспечивает патрулирование больших территорий без опасности для людей. БПЛА сегодня эффективно используют в двух основных направлениях с целью (рис. 4):
1.Патрулирования лесных массивов на предмет наличия очагов пожара.
2.Безопасного сбора информации о характеристике пожара и её передачи в центр оперативного реагирования.
Беспилотные летательные аппараты имеют одно значительное преимущество — недосягаемость для огня и возможность работы в интенсивном режиме на протяжении длительного времени. С помощью специального программного обеспечения ведется обработка больших объемов информации, что способствует повышению эффективности надзора за лесными массивами.
Кроме того, подобные БПЛА могут быть использованы для:
‒ борьбы с браконьерами (в Мексике власти используют дронов для борьбы с браконьерами, угрожающими популяции морских черепах. В некоторых районах использование БЛА позволило сократить число преступлений на 96 %);
‒ выявления миграционных путей животных и наблюдение за редкими видами животных;
‒ выявления нарушений норм экологического законодательства (в Китае дроны используются для мониторинга загрязнения воздуха над электростанциями, очистительными заводами и другими потенциальными нарушителями);
‒ мониторинга почвы и посевов.
Рис. 4. Использование БПЛА в мониторинге экологической обстановки
Уникальность системы комплексной безопасности (СКБ) заключается в обеспечении унификации формирования и компактности представления результатов оценки состояния объектов, по осуществляемым видам контроля независимо от типов объектов, количества, физической сущности и единиц измерения их характеристик.
Удобство использования СКБ заключается в следующем:
‒ обеспечение наглядности представления результатов мониторинга;
‒ простота эксплуатации средств СКБ;
‒ представление результатов мониторинга объекта на любые средства отображения: мобильный телефон, планшетный или стационарный компьютер и т. д., а также при необходимости на бумажном носителе;
‒ обеспечение оперативного формирования рекомендаций и предложений органам управления и эксплуатирующим организациям;
‒ голосовое сопровождение рекомендаций и предложений органам управления и эксплуатирующим организациям;
‒ обеспечение доступа должностных лиц к информации о состоянии объектов мониторинга (ОМ) в любое время и в любом месте;
‒ обеспечение слежения за состоянием ОМ в режиме реального времени;
‒ обеспечение своевременного информирования органов государственного управления о состоянии ОМ;
‒ обеспечение своевременного SMS информирования жителей и персонала предприятий (организаций) о нештатных ситуациях.
Схема формирования образа состояния объекта представлена на рис. 5.
Основными отличиями от аналогичных систем являются:
‒ минимальный трафик — в каналы связи передаются только значения отклонений от нормы;
‒ обеспечение защиты информации — в каналы связи передаются только абсолютные безразмерные значения приращений параметров;
‒ высокая помехозащищенность — применяется помехоустойчивое безызбыточное кодирование;
‒ минимальная нагрузка на оператора — система реагирует только на событие;
‒ масштабирование информации для различных уровней управления — руководители и исполнители;
‒ оперативное информирование населения и сотрудников о нештатных ситуациях по общедоступным каналам.
Рис. 5. Схема формирования образа состояния объекта
Применение системы комплексной безопасности на основе инновационных разработок дает следующие конкурентные преимущества:
‒ определение места утечки жидкости и скорости ее утечки;
‒ упрощение и удешевление процедуры монтажа системы комплексной безопасности;
‒ создание единой системы безопасности в рамках сооружения;
‒ реакция аварийных служб на событие в реальном масштабе времени и информирование жителей (персонала) [1].
Одним из направлений обеспечения комплексной безопасности является уменьшение значений наведенной мощности электромагнитных полей радиочастотного диапазона в высотных домах и офисах из-за размещения на крышах зданий (или рядом со зданием) ретрансляционного и усилительного оборудования сотовых и телекоммуникационных компаний. С этой целью разработаны композитные полимерные материалы, отражающие СВЧ излучения. На их основе разрабатываются специальные материалы, поглощающие СВЧ излучения за счет интерференции. Для этого слои диэлектрика и токопроводящие слои чередуются через расстояние равное λ/4, с помощью трех токопроводящих слоев (центральный заземлен) можно получить резонансный поглотитель [2]. Большую перспективу имеют эти технологии и для создания специальных корпусов радиоэлектронной аппаратуры, обеспечивающих одновременно эффективный теплоотвод и подавление электромагнитных излучений.
Еще одним направлением применения систем комплексной безопасности может быть экологический мониторинг окружающей среды, который позволит выполнять непрерывный автоматизированный мониторинг состояния окружающей среды и обеспечивать своевременное информирование ответственных лиц достоверной информацией для принятия эффективных управленческих решений в области природоохранной деятельности.
Рис. 6. Структурная схема системы экологического мониторинга
В состав такой системы должны входить (рис. 6):
‒ стационарные посты контроля (ПКЗ);
‒ передвижные экологические лаборатории (ПЭЛ);
‒ станции контроля вертикального профиля температур (инверсии атмосферы);
‒ автоматизированные системы контроля организованных промышленных выбросов (АСКПВ);
‒ система мониторинга качества воды (СМКВ);
‒ программное обеспечение указанных измерительных звеньев (для хранения, обработки и передачи информации);
‒ средства связи;
‒ центры приема информации (ЦМ);
‒ информационные табло и терминалы для вывода и представления информации.
Подобные системы экологического мониторинга в состоянии в автоматическом режиме контролировать более 50 различных параметров.
В автоматическом режиме в атмосфере контролируется содержание CO, NO, NO2, NOx, NH3, CnHm, CH4, O3, H2S, SO2, предельных углеводородов (С1-С5 и суммарно С1-С10), непредельных углеводородов (С6-С10 и суммарно С2-С5), непредельных ароматических углеводородов (бензол, толуол, этилбензол, ксилолы, стирол), пыли, с высокой чувствительностью в диапазонах измерения от 0,2 до 10 ПДК.
В полуавтоматическом режиме в воздухе рабочей зоны до 60 веществ органического происхождения проходят проверку на соответствие ПДК.
В ручном режиме выполняется забор проб воздуха для последующего определения загрязнения компонентов в стационарной аналитической лаборатории.
В автоматическом режиме контролируются также и метеопараметры (температура, давление, относительная влажность, скорость и направление ветра, осадки), радиационный фон, вертикальный профиль температур до высоты 1000 м.
В промышленных выбросах в автоматическом режиме проверяется содержание CO, NO, NO2, SO2, О2, СО2, Н2S и горючих газов, а также температура и расход газа.
Параметры водных объектов — температура, водородный показатель, электропроводность, растворенный кислород, ХПК, специфические загрязнители (например, ионы металлов, нитриты, фосфаты, аммоний и другие) контролируются автоматически.
Измеренные и обработанные данные от всех технических средств и точек контроля круглосуточно поступают в центр экологического мониторинга для окончательной обработки с целью формирования общей базы данных, предоставления отчетов в табличном и графическом виде. Программные обеспечения всех звеньев системы совместимы между собой, что обеспечивает бесперебойную работу и позволяет наращивать состав технических средств без ограничения.
Еще одним направлением применения систем комплексной безопасности является разработка систем мониторинга текущего состояния транспорта с возможностью прогноза. В настоящее время практикуется оценка фактического состояния транспорта в ходе технического осмотра и обслуживания. Однако, в зависимости от условий и стиля эксплуатации транспорта, износ деталей и механизмов изменяется в широком диапазоне, а значит и сроки технического обслуживания также могут различаться в каждом конкретном случае. Замена узлов и деталей проводится, в этом случае, не по наработке, а по фактическому состоянию [3]. Определение фактического состояния транспортного средства, и, что более важно, прогноз его состояния на какой-либо интервал является актуальной задачей.
Так, например, широчайшее внедрение компьютеризации в транспортную отрасль требует принципиального изменения не только технологии производства и технического обслуживания, но и предоставляет неограниченные возможности управления самим транспортным средством, создаёт инновационное пространство для внедрения сервисной культуры обслуживания автомобилей на новом уровне.
Если говорить о современных автомобилях, то они оснащены системами самодиагностики, которые информируют водителя о появлении некоторых неисправностей (пример — индикатор Check Engine). В случае возникновения некоторых неисправностей во время движения индикатор загорается, при однократной мелкой неисправности — гаснет (сохранив ошибку в памяти для последующего считывания), если он продолжает гореть, требуется — более глубокая диагностика и ремонт.
Автомобиль — это набор сложных устройств и агрегатов и его состояние зависит от огромного числа параметров и возможных взаимовлияний их друг на друга. Таким образом, даже незначительная на первый взгляд неисправность может вызвать целую комбинацию кодов, но в то же время ни один из них не даст ответа на вопрос о том, что же в действительности сломалось. Следовательно, для установления точного диагноза требуется диагностическое оборудование и соответствующая инженерная квалификация специалистов, а также наличие довольно длительного периода времени.
Основным недостатком существующих систем автомобильного мониторинга является отсутствие прогноза развития ситуации с состоянием автомобиля, сложность интерпретации водителем фиксированных буквенно-кодовых сообщений о неисправности, кроме небольшого набора символов (перегрев охлаждающей жидкости, давления масла и т. п.), невозможность приема обоснованного решения о возможности продолжать или прекратить движение с данной неисправностью. Система не способна помочь водителю при выходе из строя каких-либо устройств и агрегатов автомобиля на дороге, особенно, вне населенных пунктов или в ночное время.
Кроме того, любая неисправность автомобиля на дороге может привести к серьезным дорожно-транспортным происшествиям, которые вполне можно было бы предотвратить при оперативном информировании водителя о реальном состоянии автомобиля. Особенно это важно для автомобильного транспорта специальных служб.
Система комплексного мониторинга состояния автомобиля реализует способ комплексного мониторинга состояния любых автомобильных систем, узлов и агрегатов, включающих распределенные в пространстве разнородные по сущности и информационной размерности элементы контроля. Мониторинг проводится вслед за запуском двигателя и до начала движения выполняет проверку состояния автомобиля. Результаты мониторинга выводятся на экран бортового компьютера в виде диаграммы (рис. 7) и таблицы 1.
Рис. 7. Результаты мониторинга в виде диаграммы
Таким образом, водитель перед началом движения автомобиля получает возможность узнать прогноз о наиболее вероятном пробеге по фактическому состоянию.
При наступлении критических ситуаций во время движения водитель получает информацию о необходимых действиях, а сервис-центр — информацию о неисправности автомобиля (таблица 2).
Таблица 1
Результаты мониторинга ввиде таблице
|
Протокол результатов мониторинга 07.04.2016г. 10.00 |
||||
|
№пп |
Узел (агрегат) |
Фактическое состояние |
Отклонение от расчетных значений |
Прогноз |
|
1. |
Тормозные колодки (передние) |
Износ 30 % |
5 % |
8000 км |
|
2. |
Тормозные колодки (задние) |
Износ 50 % |
7 % |
8000 км |
|
3. |
Уровень масла в двигателе |
3,5 л |
3 % |
12000 км |
|
4. |
Уровень масла в КП |
1,2 л |
2 % |
15000 км |
|
5. |
Уровень охлаждающей жидкости |
5,5 л |
5 % |
15000 км |
|
6. |
Состояние АКБ |
12,2 В |
2 % |
11000 км |
|
7. |
Рулевое управление |
|||
|
8. |
Фильтр питания |
|||
|
9. |
Масляный фильтр |
|||
|
10. |
Воздушный фильтр |
|||
|
11. |
Износ подшипников ступицы (передняя подвеска) |
|||
|
12. |
Износ подшипников ступицы (задняя подвеска) |
|||
Таблица 2
Критические события
|
Критические события |
||||
|
1 |
Внимание: Вода в картере двигателя |
3 % |
50 мл/мин |
Через 10км прекратить движение выключить двигатель! |
Для обнаружения такого критического события и прогноза развития ситуации также используется инновационный сенсор, проводимость которого изменяется в соответствии с увеличением объема воды в трансмиссионном масле.
Основные технические эффекты, ожидаемые при внедрении системы комплексного мониторинга технического состояния автомобиля:
‒ обеспечивается комплексная оценка соответствия установленным нормам состояния и динамики характеристик узлов и агрегатов автомобиля по результатам различных видов мониторинга в масштабе времени, близком к реальному, с возможностью расчета пробега до достижения терминального состояния узлов, агрегатов, исполнительных устройств и других компонентов автомобиля;
‒ обеспечивается повышение точности распознавания вида фактического состояния автомобиля, определения причин и моментов перехода в терминальные состояния его узлов и агрегатов;
‒ уменьшается время анализа и уяснения данных о состоянии узлов и агрегатов и минимизируется влияние человеческого фактора на достоверность информации представляемой в процессе формирования результатов мониторинга;
‒ обеспечивается создание единой информационно-методической платформы для обеспечения оперативного семантического сопряжения существующих и перспективных информационно-управляющих, диагностических систем различной брендовой принадлежности автомобилей;
‒ обеспечивается унификация формирования и компактность представления результатов оценки состояния автомобилей по всем видам мониторинга, независимо от типов автомобилей, количества, физической сущности, единиц измерения их параметров и ведомственной принадлежности автотранспортных средств с целью передачи результатов мониторинга в сервисный центр;
‒ снижается уровень требований по пропускной способности к разрабатываемым средствам информационного обмена и уменьшается загрузка используемых (арендуемых) линий связи для передачи данных о состоянии контролируемых объектов и команд управления.
Основные экономические эффекты, ожидаемые при внедрении системы комплексного мониторинга технического состояния автомобиля:
‒ возможность создания центров удалённого мониторинга технического состояния автомобилей, находящихся на гарантийном или абонентском обслуживании центров продаж автотранспорта, для информирования владельцев автомобилей текущей информацией о состоянии и износе узлов, агрегатов, исполнительных устройств и других компонентов автомобиля с целью производства своевременного технического обслуживания или замены;
‒ снижение аварийности и стоимости сервисного (гарантийного, постгарантийного) обслуживания автомобилей, за счёт возможности дистанционного определения характера неисправности автомобиля клиента и предупреждения водителя о возможном наступлении неисправности в режиме времени, близком к реальному в виде СМС информирования;
‒ снижение стоимости сервисного (гарантийного, постгарантийного) обслуживания автомобилей, за счёт оперативности принятия решения о характере неисправности и мерах по ее устранению: доставки конкретных запчастей и оборудования для производства ремонтных работ на месте или выбора транспорта достаточной мощности для осуществления эвакуации автомобиля к месту ремонта с доставкой туда запчастей и оборудования;
‒ наличие навигационного приёмника позволит снизить время на определение местонахождения неисправных автомобилей, с целью определения оптимальных путей доставки конкретных запчастей и оборудования для производства ремонтных работ на месте или для осуществления эвакуации автомобиля к месту ремонта;
‒ существенное сокращение временных затрат и финансовых ресурсов при развертывании корпоративных, ведомственных систем комплексного мониторинга технического состояния автотранспортных средств, особенно оперативных, специальных и диспетчерских служб.
Для передачи информации о состоянии объекта мониторинга разработана система безызбыточного помехоустойчивого кодирования [4].
Представление числа в системе безызбыточного помехоустойчивого кодирования основано на понятии вычета и китайской теоремы об остатках. Система остаточных классов определяется набором взаимно простых модулей. Для кодирования информации, необходимо числовую последовательность разделить на эти модули. Полученный результат и будет являться образом — остатком. Информацию в таком виде можно передавать по каналу связи, т. к. в случае перехвата информации злоумышленником, он не сможет ее восстановить, не зная ключевые параметры.
Взаимно простые модули являются ключом для обратного преобразования. Возможны несколько вариантов обратного преобразования в зависимости от условий. Ниже рассмотрим алгоритм кодирования и преобразования на примере.
Примеры преобразования измерительной информации осуществляются согласно приведенным ниже алгоритмам.
Алгоритм кодирования
Формализованная запись преобразования:
(1)
Для представления 8 Бит информации оптимальными модулями сравнения
(2)
Алгоритм восстановления
Для случая
(3)
наиболее прост. Вычисляется разность
(4)
-
Если
, то
(5)
Выполнение второго равенства является свидетельством того, что восстановление выполнено правильно.
-
Если
, то
(6)
Алгоритм восстановления для случая
(7)
приведен в виде трехзвенной формулы:
(8)
Литература:
- Дюндиков Е. Т., Белов А. Н., Чепелев А. В. Метод адаптации функциональных возможностей средств мониторинга технического состояния объектов нефтегазового комплекса // Научно-технический вестник ОАО РОСНЕФТЬ, 1–2015, выпуск № 38 (Патент на изобретение № 2574083).
- Munk, Benedikt A (2000). Frequency Selective Surfaces: Theory and Design. New York: John Wiley & Sons. pp. 315–317. ISBN 0–471–37047–9.
- Жуковский Ю. Л., Котелева Н. И. Разработка структуры модуля контроля технического состояния, диагностики и оценки остаточного ресурса электромеханического оборудования комплексной интегрированной информационно-аналитической системы // Современные научные исследования и инновации, 2015, № 5 (49)
- Кукушкин С. С., Скиба Н. П. Основополагающие научно-методические подходы к повышению эффективности систем передачи информации на основе формирования сжатых структурно-кодовых конструкций // Двойные технологии, 2014, № 3.
- Трубиенко О. В. и др Модульная система интеллектуального комплексного мониторинга динамических объектов. //Сборник МИРЭА в рамках гранта на конференции “Умная Граница”
