СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОНИТОРИНГА И КОНТРОЛЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ СООРУЖЕНИЙ
AUTOMATIC MONITORING AND CONTROL SYSTEM FOR INDUSTRIAL SAFETY OF HYDRAULIC STRUCTURES

Область техники, к которой относится изобретение
.
Данное изобретение относится к области обеспечения безопасности эксплуатации гидротехнических сооружений, которая включает в себя: контрольно-измерительную аппаратуру, устройство сбора данных, сервер, специальное программное обеспечение.
В данном описании используются следующие сокращения:
АРМ
- автоматизированное рабочее место;
АС
- аппаратный сервер;
БД
- база данных;
БСВ
- Балтийская система высот;
БСПД
- блок сбора и передачи данных;
БСПДт
- блок сбора и передачи данных уровня воды;
БСПДу
- блок сбора и передачи данных температуры воды;
БСПДП
- блок сбора и передачи данных пьезометрический;
БСПДТ
- блок сбора и передачи данных термометрический;
ГТС
- гидротехническое сооружение;
КИА
- контрольно-измерительная аппаратура;
МСК
- время часовой зоны, в которой расположена столица Российской Федерации - город Москва;
ОС
- операционная система;
ПО
- программное обеспечение;
ПСП
- программный сервер приложений;
ПСС
- программный сетевой сервер;
САМИК ГТС
- система автоматизированного мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений
СУБД
- система управления базами данных;
ТК
- точка контроля;
ТКОВ
- точка контроля уровня воды в открытых водоемах;
ТПК
- точка пьезометрического контроля;
ТТК
- точка термометрического контроля;
1-Wire
- (с англ. — «один провод») — двунаправленная шина связи для устройств с низкоскоростной передачей данных (обычно 15,4 Кбит/с, максимум 125 Кбит/с в режиме overdrive), в которой данные передаются по цепи питания (то есть всего используются два провода — один общий (GND), а второй для питания и данных;
DevEUI
- глобальный уникальный идентификатор LoRaWAN-модуля конечного устройства (8 байт, IEEE EUI64, аналог MAC-адреса), который однозначно его идентифицирует;
Ethernet
- (Локальная сеть) (англ. Ethernet от англ. ether — «эфир» и англ. network — «сеть, цепь») — семейство технологий пакетной передачи данных между устройствами для компьютерных и промышленных сетей;
LoRaWAN
- Long Range Wide Access Net –  энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия большой абонентской емкости;
PoE
- Power over Ethernet - технология, позволяющая передавать удалённому устройству электрическую энергию вместе с данными через стандартную витую пару в сети Ethernet;
Wi-Fi
- Wireless Fidelity - технология беспроводной локальной сети с устройствами на основе стандартов IEEE 802.11.
В данном описании используются следующие понятия:
Конечное устройство - предназначено для осуществления управляющих или измерительных функций. Содержит набор необходимых датчиков и управляющих элементов.
Шлюз (базовая станция) – устройство, принимающее данные от конечных устройств с помощью радиоканала и передающее их в транзитную сеть. Шлюз представляет из себя многоканальный приемомпередатчик LoRaWAN. В качестве транзитной сети могут выступать сеть Ethernet, WiFi или сети подвижной радиотелефонной связи. Шлюз и конечные устройства образуют сетевую топологию типа звезда. Обычно данное устройство содержит многоканальные приёмопередатчики для обработки сигналов в нескольких каналах одновременно или даже, нескольких сигналов в одном канале. Соответственно, несколько таких устройств обеспечивает зону радиопокрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными устройствами и сервером.
Сетевой сервер - предназначен для управления сетью: заданием расписания, адаптацией скорости, хранением и обработкой принимаемых данных.
Сервер приложений - удаленно контролирует работу конечных устройств и собирает необходимые данные с них.
Уровень техники.
В настоящее время существуют системы автоматизированного мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений. Так из уровня техники известна система автоматизированного мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений, включающая в себя множество автоматизированных мест оператора, соединенных посредством объединенной сети с удаленным сервером, который соединен посредством объединенной сети с множеством блоков мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений, расположенных на гидротехнических сооружениях. См. патент №2460127, опубликован 2011 году.
Данная система является наиболее близкой по технической сути и достигаемому техническому результату и выбрана за прототип предлагаемого изобретения как системы.
Недостатком этого прототипа также является сложность или невозможность установки элементов системы, в тех местах, где нет линий связи, электропитания.
Раскрытие изобретения.
Настоящее изобретение, главным образом, имеет целью предложить автоматизированную систему беспроводного мониторинга ГТС с накоплением данных для последующего анализа, позволяющую, по меньшей мере, сгладить, как минимум, один из указанных выше недостатков, а именно обеспечить возможность автономного функционирования системы при отсутствии инфраструктуры каналов связи и электропитания, при обеспечении высокой надежности работы, что и является поставленной технической задачей.
Для достижения этой цели блок мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений выполнен в виде базовой станции, имеющий блок автономного питания и модуль обмена сигналами по радиоканалу с устанавливаемыми на гидротехническом сооружении автономными модулями:
- точкой пьезометрического контроля,
- точкой термометрического контроля,
- точкой контроля уровня воды в открытых водоемах, причем каждая точка имеет свой блок автономного питания.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность автономного функционирования системы при отсутствии инфраструктуры каналов связи и электропитания, при обеспечении высокой надежности работы. Каждый модуль может быть установлен независимо от наличия инфраструктуры каналов связи и электропитания, данные с каждого модуля по радиканалу передаются на базовую станцию. Систему можно масштабировать, видоизменять, при этом каждый модуль не требует постоянного обслуживания. Достаточно менять источник питания, например, раз в 2-3 года.
В конечном итоге, сеть имеет топологию звезда из звёзд, имеет конечные устройства, которые через шлюзы, образующие прозрачные мосты, общаются с центральным сервером сети.
В первую очередь таким образом решается вопрос передачи данных по беспроводному каналу от модулей пьезометрического, термометрического мониторинга и контроля уровня воды в открытых водоемах до базовой станции (блока мониторинга и контроля промышленной безопасности) в радиусе 10 км. Беспроводной способ передачи избавляет от необходимости строительства инфраструктуры каналов связи, что существенно экономит ресурсы. Ведь есть места, где создание инфраструктуры просто невозможно, и отсутствует постоянное электропитание. Именно поэтому все модули выполнены автономными, оснащены индивидуальными элементами питания и выполнены в вандалоустойчивом исполнении. Таким образом, становится возможным установить необходимое количество базовых станций с периодичность 10 км, таким образом, чтобы довести радиосигнал до точки входа в постоянно действующую сеть Ethernet, где уже есть доступ к электропитанию, и далее передавать все на удаленный сервер, где специальное ПО отображает результаты мониторинга и выполняет аналитические расчеты, строит кривую депрессии.
Существует вариант исполнения системы, при котором точка пьезометрического контроля включает в себя корпус, в котором расположены:
- блок сбора и передачи данных, в состав которого входят:
i. блок сбора и передачи данных об уровне воды;
ii. блок сбора и передачи данных о температуре;
iii. литий-ионная батарея;
iv. герметичный корпус с кабельными вводами;
- датчик уровня воды и температуры;
- антенна штыревая
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность конкретного исполнения точки пьезометрического контроля.
Существует вариант исполнения системы, при котором точка термометрического контроля включает в себя корпус, в котором расположены:
- блок сбора и передачи данных, в состав которого входят:
i. аппаратный таймер с синхронизацией времени по сети LoRaWAN;
ii. плата конвертера интерфейсов 1-wire-RS-232 контроллера управления работой;
iii. плата радиомодема с интерфейсом RS-232;
iv. литий-ионная батарея;
v. герметичный корпус с кабельными вводами;
- термогирлянда, состоящая из температурных датчиков;
- антенна штыревая.
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность конкретного исполнения точки термометрического контроля.
Существует вариант исполнения системы, при котором базовая станция расположена в утепленном металлическом шкафу
Благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность повышения срока эксплуатации базовой станции.
Таким образом, благодаря данным выгодным характеристикам появляется возможность автоматизации контроля уровня и температуры воды в пьезометрических скважинах, открытых водоемах, температурных режимов на глубинах размещения термогирлянд в термоскважинах на ГТС и определение по этим данным положения кривых депрессии и температурных распределений на ГТС, позволяющих осуществить контроль критических рисков.
Также появляется возможность автоматизации управления доступом, регистрации и учета действий пользователей в системе, обеспечения безопасного межсетевого взаимодействия, криптографической защиты информации, антивирусной защиты, идентификации пользователей.
Совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения неизвестна из уровня техники для способов аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения в отношении способа. Кроме того, данное решение неочевидно для специалиста в данной области.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества данного изобретения ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылкой на фиг. 1, на которой изображена функциональная структура системы, согласно изобретению, система автоматизированного мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений включает такие элементы как:
- точку пьезометрического контроля (ТПК);
- точку термометрического контроля (ТТК);
- точку контроля уровня воды в открытых водоемах (ТКОВ);
- базовую станцию;
- аппаратный сервер (АС), в состав которого входят:
- программный сетевой сервер (ПСС);
- программный сервер приложений (ПСП) с установленным СПО;
- АРМ оператора.
Точка пьезометрического контроля (ТПК)
– пьезометрическая скважина, которая состоит из следующих компонентов:
- блок сбора и передачи данных БСПДП, в состав которого входят:
- блок сбора и передачи данных БСПДПу (измеряет уровень воды) – 1шт;
- блок сбора и передачи данных БСПДПт (измеряет температуру) – 1шт;
- Li-Ion батарея 3.6 В, 10 А-ч – 2 шт.;
- герметичный корпус с кабельными вводами – 1 шт.;
- датчик уровня воды и температуры – 1 шт.;
- антенна штыревая 868 МГц – 2 шт.;
- антенный корпус – 1 шт.;
- материалы для монтажа.
БСПДПу, измеряющий уровень воды, состоит из следующих компонентов:
- конвертер сигнала уровня воды 4-20 мА – 1шт;
- контроллер - устройство, определяющее логику работы БСПДПу – 1 шт.;
- радиомодем– 1 шт.
БСПДПт, измеряющий температуру, состоит из следующих компонентов:
- конвертер сигнала температуры 4-20 мА – 1 шт;
- контроллер - устройство, определяющее логику работы БСПДПт – 1 шт.;
- радиомодем– 1 шт.
Каждый БСПДП имеет идентификатор DevEUI, что позволяет однозначно идентифицировать и регистрировать его в сети.
БСПД передает информацию в сеть на частотах безлицензионного диапазона 863-870 МГц.
Максимальная мощность передатчика 100 мВт и может дистанционно ступенчато регулироваться. Чувствительность приемника -138 dBm.
Алгоритм измерений и передачи данных БСПДП:
При установленной периодичности измерений 1 раз в сутки измерения происходят в 00ч.00м.00с по встроенным часам БСПДП и по всем точкам контроля сети. Передача данных на сервер осуществляется в течение наступивших суток в случайные моменты времени. Это делается для предотвращения коллизий в эфире.
При других значениях периода времени алгоритм сохраняется с той разницей, что описанные события происходят в промежутки времени, соответствующие периоду. Для 12-ти часового периода измерений в 00ч.00м.00с., и в 12ч.00м.00с. и т.д.
Общее время измерения и передачи данных не превышает 4 сек.
БСПДП имеют встроенную энергонезависимую память на 200 измерений. Как правило, результаты измерений должны передаваться по указанной выше процедуре. Но в силу определенных обстоятельств передача данных может и не осуществляться. Недоступность сервера, неисправность базовой станции, помехи в эфире. После устранения таких проблем в сети данные немедленно передаются на сервер при условии использования подтверждений. Иначе пакеты просто передаются в эфир.
Синхронизация внутренних часов БСПДП осуществляется сервером с использованием радиоканала и отдельных сеансов связи.
Точка термометрического контроля (ТТК) -
термометрическая скважина, которая состоит из следующих компонентов:
- блок сбора и передачи данных БСПДТ – 1 шт., в состав которого входят:
- аппаратный таймер с синхронизацией времени по сети LoRaWAN – 1шт.;
- плата конвертера интерфейсов 1-wire-RS-232 контроллера управления работой БСПДТ – 1шт.;
- плата радиомодема с интерфейсом RS-232 – 1шт.;
- Li-Ion батарея 10,68 В – 1 шт.;
- герметичный корпус с кабельными вводами – 1 шт.;
- термогирлянда, состоящая из температурных датчиков – 1шт.;
- антенна штыревая 868 МГц – 2 шт.;
- антенный корпус – 1шт.;
- материалы для монтажа.
Каждый БСПДТ имеет идентификатор DevEUI, что позволяет однозначно идентифицировать и регистрировать его в сети.
Алгоритм измерений и передачи данных в ТТК отличается от алгоритма ТПК. В первую очередь это связано с большим объемом передаваемых от термогирлянд данных и относительно низкой скоростью передачи. Опрос одного датчика осуществляется в течение нескольких секунд.
Измерение происходит путем организации «прозрачного» соединения термогирлянды с сервером по радиоканалу, при котором сервер опрашивает каждый термодатчик по списку идентификаторов.
Включение по расписанию обеспечивает программируемый таймер. Таймер использует собственный модуль для синхронизации часов с сервером и приема новых настроек по расписанию.
Точка контроля уровня воды в открытых водоемах (ТКОВ)
предназначена для контроля уровней воды хвостохранилища и пруда-накопителя.
Данная точка контроля не имеет принципиальных отличий от ТПК. В состав ТКОВ входит БСПДВ, который, в свою очередь, состоит из БСПДПу и БСПДПт.
Особенности ТКОВ:
- повышенные требования к датчику уровня воды по точности измерений (0,1% при ВПИ 10 м составит 1 см);
- периодичность измерений и передачи данных 1 раз в час;
- ТКОВ имеет постоянное питание 220В (в качестве резервного питания предусмотрены батарейные блоки в количестве 4 шт.);
- размещение БСПДПу и БСПДПт в термозащищенном корпусе.
Базовая станция
предназначена для разворачивания сети сбора данных LoRaWAN и является шлюзом для связи БСПД с серверным оборудованием. Сеть строится по топологии типа «звезда» где каждое устройство взаимодействует с центральным оборудованием напрямую.
Базовая станция, как устройство внешнего размещения, находится в утепленном металлическом шкафу.
Связь базовой станции с сервером осуществляется по Ethernet. Питание устройства осуществляется по технологии РоЕ.
Базовая станция оснащается коллинеарной антенной диапазона 868 МГц и имеет повышенный коэффициент усиления.
Программный сетевой сервер (ПСС)
– специализированная программа - отвечает за работу сети, обеспечивая ее конфигурацию путем регистрации БСПД на основе DevEUI.
ПСС ведет обработку служебной информации, какой, в частности, являются остаточный ресурс батарей точек контроля, температура в точках контроля, уровень сигнала от точек контроля и др.
ПСС формирует и ведет базу данных (БД) и журнал логов – всех событий, происходящих в сети (включая ошибки и сбои), обеспечивает передачу данных (пакетов) БСПД, полученных от базовой станции, а также передачу данных в БСПД с организацией очереди пакетов на отправку.
Программный сервер приложений (ПСП)
выполняет обработку принимаемых от ПСС данных, разбор (интерпретацию) пакетов от БСПД, привязку результатов (показаний датчиков и технологических данных) к конкретным точкам контроля, реализует алгоритмы процедур измерений и синхронизации часов БСПД.
Формирует пользовательский интерфейс, предоставляет информацию конечному пользователю, осуществляя:
- визуализацию результатов измерений в графическом и табличном видах;
- отображение текущих (последних) результатов замеров;
- формирование отчетных документов путем экспорта результатов измерений в файлы различных форматов;
- оповещение в случае выхода результатов за указанные границы;
- информирование о состоянии сети, неисправностях ТПК и ТТК, остаточном заряде батарей, температуре в месте размещения устройств.
Специальное программное обеспечение системы автоматизированного мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений
состоит из следующих функциональных блоков:
1. Блок пользовательского интерфейса.
2. Блок встроенного веб-сервера.
3. Блок взаимодействия с сетевым сервером.
4. Блок реализации протоколов обмена.
5. Блок взаимодействия с ТК.
6. Блок доступа к хранилищу данных.
7. Блок формирования отчетов.
Функциональный блок пользовательского интерфейса
формирует графический пользовательский интерфейс оператора, предоставляющий интерактивный доступ к результатам работы системы и реализует следующий набор функций:
- отображение списка ТК на выбранном оператором объекте;
- отображение карты (плана) объекта с размещенными на объекте ТК;
- отображение текущего (последнего полученного) состояния выбранной оператором ТК;
- отображение изотерм по выбранному оператором створу;
- отображение кривой депрессии по выбранному оператором створу;
- отображение графика зависимости уровня воды от времени по выбранной оператором ТПК или ТКОВ;
- редактирование параметров створов и ТК;
- доступ к управлению настройками оконечных устройств;
- формирование отчетов (экспорт).
В отличие от остальных функциональных блоков СПО, работающих на сервере, данный блок выполняется на АРМ в браузере.
Функциональный блок встроенного веб-сервера
реализует встроенный в программу веб-сервер, обслуживающий обработку входящих запросов (соединений) по протоколам HTTP и WebSocket, и реализует следующий набор функций:
- обработку запросов на получение статического контента (файлов пользовательского интерфейса);
- обработку запросов на получение данных из хранилища (список и атрибуты объектов, створов, ТК, результаты измерений);
- поддержку протокола WebSocket для организации постоянного соединения с блоком пользовательского интерфейса для передачи уведомлений о событиях, возникающих на сервере.
Функциональный блок взаимодействия с сетевым сервером
обеспечивает взаимодействие с сетевым сервером и реализует следующий набор функций:
- проверку наличия связи с сетевым сервером;
- проверку наличия связи с точкой сбора данных;
- получение принятых пакетов от оконечных устройств;
- передачу сформированных пакетов для оконечных устройств.
Функциональный блок реализации протоколов обмена
выполняет преобразование полученных из сетевого сервера пакетов оконечных устройств в набор значений, а также обратное преобразование – формирование пакетов для оконечных устройств из входного набора значений и реализует следующий набор функций:
- определение типа пакета по служебным полям пакета;
- проверку целостности пакета и его пригодности для дальнейшей обработки;
- преобразование пакета в формат представления, используемым сетевым сервером;
- получение набора параметров, описывающих полное состояние оконечного устройства из принятого пакета состояния (уровень заряда батареи, температура внутри устройства, показатели качества приема радиосигнала, измеренное значение тока);
- получение набора параметров конфигурации оконечного устройства из принятого пакета;
- формирование пакета для изменения параметров конфигурации оконечного устройства;
- получение двоичного массива данных из принятого пакета от оконечного устройства с последовательным интерфейсом;
- формирование пакета с двоичным массивом данных, предназначенного для оконечного устройства с последовательным интерфейсом;
- определение значения времени встроенных часов оконечного устройства из принятого запроса корректировки времени;
- формирование ответа на запрос корректировки времени с указанной величиной корректировки;
- формирование команд для контроллера шины 1-Wire и датчиков температуры в составе ТТК;
- проверка корректности и интерпретация ответов датчиков температуры в составе ТТК.
Функциональный блок взаимодействия с ТК
реализует основные процедуры взаимодействия с оконечными устройствами в составе ТК. Для приема и передачи пакетов использует блок взаимодействия с сетевым сервером, для разбора и формирования пакетов использует блок реализации протоколов обмена. Блок реализует следующий набор функций:
- определение соответствующей ТК по идентификатору оконечного устройства в принятом пакете;
- проверку корректности значений данных в принятом пакете (время выполнения измерения, значение измеренного тока);
- формирование ответа на запрос корректировки времени с расчетом необходимой величины корректировки на основе значений системных часов сервера и часов оконечного устройства;
- выполнение процедуры измерений по ТТК – инициализацию шины 1-Wire, передачу команды старта измерений, последовательное получение результатов по каждому датчику термогирлянды в составе ТТК, привязку измеренного значения температуры к отметке высоты размещения датчика в БСВ и передачу сформированного результата в блок доступа к хранилищу данных;
- преобразование полученных значений измеренного тока в показания датчика и значение уровня воды в БСВ для ТПК и ТКОВ и передачу сформированного результата в блок доступа к хранилищу данных;
- формирование уведомлений, передаваемых в блок пользовательского интерфейса (через блок веб-сервера) после выполнения измерений по ТК;
- формирование списка предупреждений, неисправностей и тревог по результатам анализа последних полученных пакетов от оконечных устройств ТК и сравнения результатов измерений по ТК с заданными пороговыми значениями.
Функциональный блок доступа к хранилищу данных
обеспечивает взаимодействие с СУБД для чтения или модификации данных, хранящихся в БД, и реализует следующий набор функций:
- чтение полного списка объектов мониторинга, створов, ТК в составе системы;
- чтение атрибутов отдельного объекта, створа, ТК с указанным идентификатором;
- поиск ТК по значению отдельных атрибутов (по названию, идентификатору оконечного устройства, принадлежности к объекту, створу);
- модификация атрибутов отдельного объекта, створа, ТК с указанным идентификатором;
- добавление новых записей с результатами измерений по ТК (показания датчиков и технологические параметры) в соответствующие таблицы;
- чтение результатов измерений по ТК с указанным идентификатором  с дополнительными условиями (последнее по времени измерение, список измерений за указанный период).
Функциональный блок формирования отчетов
реализует формирование отчетных документов в стандартизованном формате Office Open XML (OOXML), которые могут быть открыты для последующей обработки на другом АРМ с использованием пакета Microsoft Office (Word, Excel) версии 2007 и выше (файлы с расширением .docx и .xlsx). Обеспечивается формирование следующих видов отчетов:
- зависимость температуры от глубины на выбранный момент времени для выбранной оператором ТТК;
- зависимость уровня воды от времени для выбранной оператором ТПК или ТКОВ.
Среда разработки: Microsoft Visual Studio 2017.
Аппаратный сервер
предназначен для размещения ПСС и ПСП.
Сервер функционирует в круглосуточном (постоянном) режиме и имеет связь по сети с базовой станцией и АРМ, на которых требуется доступ к результатам измерений.
АРМ
В качестве  используется рабочее место оператора системы автоматизированного мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооружений.
Подключение осуществляется посредством WEB-интерфейса (в браузере вписывается адрес сервера, при этом не требуется предустановки специального программного обеспечения на компьютер пользователя, все ПО находится на сервере).
БД
системы автоматизированного мониторинга и контроля промышленной безопасности гидротехнических сооруженийорганизована как набор взаимосвязанных таблиц, которые можно разделить на две группы:
Таблицы с постоянными, редко модифицируемыми данными:
- Объекты мониторинга;
- Створы;
- Параметры точек контроля (ТК).
Таблицы с регулярно обновляемой информацией:
- Результаты измерений, получаемые от ТК;
- Принятые и переданные пакеты оконечных устройств ТК.
Объем информации определяется количеством точек контроля в измерительной сети и выбранным периодом выполнения измерений.
Для хранения информации используется файловая система на жестком диске сервера. В качестве СУБД применяется компактная встраиваемая реляционная СУБД SQLite версии 3, БД представляет собой один файл.
В САМИК ГТС реализованы 4 вида отчетных документов (файлов MS Office) - 2 по состоянию ТТК на момент времени, 1 по состоянию ТПК по выбранному створу на указанный момент времени (день) и 1 график зависимости уровня воды от времени.
Осуществление изобретения.
В САМИК ГТС реализованы следующие технические решения:
- автономный вариант работы точек контроля (термометрических и пьезометрических скважин) путем применения батарей электропитания с максимально длительным временем эксплуатации до замены;
- передача данных с использованием радиоканала.
Данные решения предполагают периодический режим контроля. Измерения происходят в дискретные моменты времени, при которых блоки сбора и передачи данных (БСПД) активны, все остальное время находятся в состоянии «сна».
Регламент работы системы предусматривает следующие временные интервалы измерений:
- температурный замер – до 10 раз в 10 суток;
- уровень воды (пьезометрический напор) и температура воды в пьезометрических скважинах – до 10 раз в сутки;
- уровень воды в емкостях – до 6 раз в час.
При этом в САМИК ГТС предусмотрено дистанционное изменение периода измерений и передачи данных.
Схема организации связи построена по принципу «Звезда», при котором все оконечные устройства (точки контроля) поддерживают связь с центральным блоком приема – передачи (базовой станцией).
Радиосредства в составе САМИК ГТС обладают следующими характеристиками:
- работа в разрешенных, безлицензионных диапазонах радиочастот;
- минимальная мощность передатчика при максимальной дальности;
- минимальное время передачи данных (нахождения в эфире);
- высокая чувствительность приемника.
В САМИК ГТС применяется технология беспроводной передачи данных.
Для нее характерны помехоустойчивое и криптографическое кодирование, контроль целостности передаваемых пакетов данных, чрезвычайно малое время нахождения устройств в активном режиме.
Высокая чувствительности приёмника и специального вида модуляция радиосигнала обеспечивают устойчивую связь на расстоянии до 3- 5 км в городских условиях и до 15 км в зоне прямой видимости.
Сеть состоит из следующих элементов: конечное устройство, шлюз, сетевой сервер и сервер приложений.
Автоматизированная система беспроводного мониторинга ГТС с накоплением данных для последующего анализа обеспечивает автоматизированный контроль измерений следующих параметров:
- уровни воды в пьезометрических скважинах (интерфейс 4-20 мА);
- уровни воды в открытых водоемах (интерфейс 4-20 мА);
- температура воды в пьезометрических скважинах и водоемах от датчиков уровня с интегрированным датчиком температуры воды (интерфейс 4-20 мА);
- температурные распределения в термометрических скважинах от термометрических гирлянд (интерфейс 1Wire).
В технических решениях применительно к САМИК ГТС реализованы конечные устройства классов А и С.
Двунаправленные конечные устройства «класса А» (Bi-directional end-devices, Class A) позволяют организовать двунаправленный обмен. Причем связь может инициировать только конечное устройство, после чего выделяются два временных окна, в течение которых ожидается ответ от сети. Интервал передачи планируется конечным устройством на основе собственных потребностей в связи с небольшими случайными временными флуктуациями (протокол типа ALOHA). Конечные устройства «класса А» применяются в приложениях, где передача данных от сети возможна только как ответная реакция на получения данных от конечного устройства и требуется максимальное время работы от автономного источника питания.
Двунаправленные конечные устройства «класса С» с максимальным приемным окном (Bi-directional end-devices, Class C) имеют почти непрерывно открытое окно приема. Приемное окно закрывается только на время передачи данных. Этот тип конечных устройств подходит для задач, когда необходимо получать большие объемы данных и не требуется длительная работа от автономного источника питания.
В Российской Федерации соответствующими нормативными документами определен порядок применения данных устройств и выделены необходимые полосы радиочастот.
Для передачи данных по интерфейсу 4-20 мА применяются конечные устройства «класса А», так как объем передаваемых данных минимален.
Для передачи данных по интерфейсу 1-Wire применяются устройства «класса С».
Применение устройств «класса С» предполагает наличие постоянного электропитания. Поэтому для организации связи в этом классе устройств применена схема квазипостоянного электропитания, которое организуется с помощью таймера включения – устройства «класса А».
Таймер включения представляет из себя приемопередатчик – устройство «класса А», включающее конвертер сигналов 1-Wire для трансляции данных термогирлянд на сервер через шлюз – базовую станцию.
В САМИК ГТС реализованы следующие требования точности, надежности, достоверности и обеспеченности необходимых данных и характеристик при выполнении измерений:
1. Абсолютная погрешность измерений температуры в скважинах не хуже 0,1 °С.
3. Абсолютная погрешность измерений уровней воды в емкостях не более 0,01 м.
4. Диапазон измерений уровней воды в пьезометрической скважине в зоне гарантированного наличия воды (max 10 м).
5. Наличие графического режима отображения распределения уровней воды по времени, температуры в скважинах по глубине.
6. Вывод сообщений о превышении критериальных значений выше проектного.
7. Возможность изменения периодичности опроса измерительных скважин.
8. Архивация данных.
9. Гарантийный срок эксплуатации оборудования не менее 24 месяцев с даты пуска в промышленную эксплуатацию.
Приведем наиболее исчерпывающий пример реализации изобретения. Имея в виду, что данный пример не ограничивает применения изобретения.
САМИК ГТС включает в себя следующие виды информационных объектов:
- объекты мониторинга;
- створы;
- ТТК;
- ТПК;
- ТКОВ;
- состояние (результат измерения) ТТК;
- состояние (результат измерения) ТПК;
- состояние (результат измерения) ТКОВ.
Каждый информационный объект имеет ряд атрибутов, совокупность значений которых формирует отдельный экземпляр объекта (отдельная ТК, отдельное измерение).
- Объект мониторинга: название, изображение карты, границы изображения карты в МСК.
- Створ: принадлежность к объекту мониторинга, название, координаты линии створа на плане в МСК.
- ТТК: название, принадлежность к объекту и створу, высотное положение, координаты в плане (МСК), идентификаторы оконечных устройств, перечень датчиков термогирлянды.
- ТПК: название, принадлежность к объекту и створу, высотное положение, координаты в плане (МСК), идентификаторы оконечных устройств.
- ТКОВ: название, принадлежность к объекту, высотное положение, координаты в плане (МСК), идентификаторы оконечных устройств.
- Состояние (результат измерения) ТТК: принадлежность к ТТК, время выполнения измерения, значения температуры каждого датчика с привязкой к отметке высоты (БСВ), технологические параметры (уровень заряда батарей, температура внутри корпуса устройства, показатели качества приема сигнала).
- Состояние (результат измерения) ТПК: принадлежность к ТПК, время выполнения измерения, значение отметки уровня воды (БСВ) или температуры воды, технологические параметры (уровень заряда батарей, температура внутри корпуса устройства, показатели качества приема сигнала).
- Состояние (результат измерения) ТКОВ: принадлежность к ТКОВ, время выполнения измерения, значение отметки уровня воды (БСВ) или температуры воды, технологические параметры (уровень заряда батарей, температура внутри корпуса устройства, показатели качества приема сигнала).
На основе совокупности свойств информационных объектов построены алгоритмы и процедуры обработки информации в САМИК ГТС:
- получение полного списка объектов мониторинга, створов, ТК в составе системы;
- получение списка створов и ТК, принадлежащих определенному объекту;
- получение атрибутов отдельного объекта, створа, ТК с указанным идентификатором;
- получение набора результатов измерений по ТК с указанным идентификатором с дополнительными условиями (последнее по времени измерение, список измерений за указанный период);
- формирование набора результатов измерений по нескольким ТК в одном створе для построения графиков изотерм и кривой депрессии;
- определение соответствующей ТК по идентификатору оконечного устройства в принятом пакете;
- преобразование полученных значений измеренного тока в показания датчика и значение уровня воды в БСВ для ТПК и ТКОВ на основе значений высотного положения ТК.
Промышленная применимость.
Предлагаемая САМИК ГТС с накоплением данных для последующего анализа может быть осуществлена специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для изобретения.
САМИК ГТС является территориально локальной автоматизированной системой, функционирует в непрерывном круглосуточном режиме и находится в постоянной готовности к выполнению возложенных задач.
В автоматизированной системе беспроводного мониторинга ГТС с накоплением данных для последующего анализа реализованы следующие основные технические требования:
1. Надежность.
2. Функциональность.
3. Открытость сервера базы данных.
4. Самодиагностика: доступность контроллера скважины, контроль целостности пакетов информации, подтверждение доставки данных, информирование о неполучении данных от измерительной скважины в установленный срок.
5. Удобство при ремонте, возможность проведения ремонта аппаратуры путем ее блочной замены.
6. Обеспечение эксплуатационной проверки работоспособности датчиков и каналов связи.
7. Надежность результатов, получаемых при обработке измерительной информации.
8. Ремонтопригодность и возможность замены вышедших из строя контрольно-измерительной аппаратуры и отдельных элементов АСМБ.
9. Обеспечение безопасного проведения наблюдений, эксплуатационного и технического обслуживания контрольно-измерительных систем и аппаратуры, включая их ремонт и замену.
В качестве основного средства вычислительной техники может быть использован сервер с характеристиками не хуже:
- процессор с частотой 2.1 ГГц и числом ядер 8;
- оперативная память типа RDIMM DDR4 объемом 16 Гб;
- общий объем HDD 6 Тб;
- сетевой интерфейс (Ethernet 100/1000 Мбит/c) для подключения к локальной сети.
Рекомендуемые аппаратные характеристики АРМ:
- процессор класса Intel Core i3 / AMD Ryzen 3 или выше;
- оперативная память объемом не менее 8 Гб;
- системный диск SSD или HDD от 250 Гб, (для ОС и базового ПО);
- сетевой интерфейс (Ethernet 100/1000 Мбит/c) для подключения к сети.
Требования к каналам связи: пропускная способность не ниже 100 Мбит/сек.
Для обеспечения функционирования САМИК ГТС необходимо следующее предустановленное общесистемное программное обеспечение:
- на сервере:
- операционная система линейки Windows Server;
- на АРМ:
- операционная система семейства Windows;
- современный браузер с поддержкой стандартов HTML5.
- офисный пакет приложений Microsoft Office.
САМИК ГТС с накоплением данных для последующего анализа обеспечивает выполнение следующих процедур:
1. Автоматизированный опрос датчиков, сбор информации, ее хранение, обработку и передачу данных в компьютерную сеть.
2. Осуществление периодического автоматического опроса датчиков по заданному временному режиму:
- температурный замер – 1 раз в 10 суток (максимальный не чаще 1 раза в сутки);
- уровень воды (пьезометрический напор) и температура воды в пьезометрических скважинах – 1 раз в сутки;
- уровень воды в емкостях – 1 раз в час.
3. Обработка измерительной информации: пересчет отсчетов в показания, при необходимости усреднение данных по заданным правилам, визуализация результатов опроса КИА, сравнение показаний с пределами измерений.
4. Формирование информационного пакета данных наблюдений с сохранением всей информации в памяти сервера и в архивах на независимых электронных носителях; создание и хранение протоколов ошибок и сбоев в работе.
5. Сравнение полученных результатов опроса КИА с критериями безопасности и автоматический вывод сообщения в случае выхода контролируемого параметра за установленные пределы, с уведомлением оператора о повышенной акселерации изменений температуры и уровней, с возможностью установления порога акселерации вручную.
6. Беспрепятственная возможность масштабирования количества наблюдаемых объектов в 10 раз.
САМИК ГТС с накоплением данных для последующего анализа разработана с применением технологий беспроводного мониторинга параметров состояния термометрических, пьезометрических точек контроля и точек контроля уровня воды в открытых водоемах.
Функциональные возможности системы позволяет повысить уровень безопасности эксплуатации гидротехнических сооружений путем периодической оценки параметров точек контроля и их сравнения с критериями безопасности для конкретного объекта мониторинга.
Дополнительно достигаемый технический результат:
1. Автономность, обслуживание точек раз в 3-5 лет (зависит от периодичности измерений, которая настраивается) и это только замена батареек, при необходимости, поверка измерительного оборудования.
2. Отсутствие необходимости строительства инфраструктуры связи - все организуется без проводов, в т. ч. и на труднодоступных территориях.
3. Вандалозащищенность - все оборудование в скважинах, во вне находится только антенна, можно применять на неохраняемых объектах.