Мультиагентный программно-аппаратный комплекс сбора, передачи, обработки, отображения данных для выполнения гидрографической съемки водоемов и оперативного мониторинга изменения рельефа дна
MULTI-AGENT SOFTWARE AND HARDWARE COMPLEX FOR COLLECTING, TRANSMITTING, PROCESSING, DISPLAYING DATA FOR HYDROGRAPHIC SURVEY OF WATER RESERVOIRS AND OPERATIONAL MONITORING OF CHANGES IN BOTTOM RELIEF

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системам автоматизированной интеграции периферийных устройств в составе программно-аппаратных комплексов, предназначенных для получения оперативной информации о рельефе дна на участках шельфа, в зонах акваторий портов и близлежащих участках внутренних водных путей (ВВП) и на участках ВВП различной протяженности.
Уровень техники
Наиболее востребованным видом работ, осуществляемых в процессе гидрографической съемки, является батиметрическая съемка, результатом которой является карта глубин в зоне исследования.
Традиционно съемку глубин акватории выполняют промерными гидрографическими эхолотами, отличающиеся большей точностью от эхолотов, предназначенных для рыбалки. Эхолоты - это гидроакустические инструменты (гидролокаторы, сонары), предназначенные для исследования рельефа дна водного бассейна и локации подводных объектов. Действие эхолота основано на измерении промежутка времени, прошедшего с момента посылки зондирующего ультразвукового импульса до момента приема отраженного сигнала, и пересчета его в расстояние, пройденное звуковым импульсом.
Существуют различные модели эхолотов и в настоящее время появляются различные технические решения, обеспечивающее удобство проведения гидрографической съемки (https://southsurvey.ru/de-28s-south). Как правило, это специализированные комплексные устройства, ориентированные на применение на одном судне, выполняющем съемки. Такие устройства сложны, содержат много составных частей, требующих особых условий для их установки на судне, требуют привлечения высококвалифицированного персонала. Это значительно удорожает и замедляет гидрографическую съемку, что особенно критично для постоянного оперативного мониторинга изменения рельефа дна.
Наиболее близким техническим решением к заявленному мультиагентному программно-аппаратному комплексу является гидрографический эхолот, включающий средства настройки, формирования и излучения зондирующих импульсов, средства приема, обработки, хранения и отображения отраженных зондирующих импульсов, а также средства, обеспечивающие взаимодействие с навигационно-гидрографическим оборудованием и персональным компьютером, с отображением на персональном компьютере сведений о параметрах отраженного сигнала и профиле дна, причем средства формирования и настройки зондирующих импульсов включают первый одночастотный излучатель и второй двухчастотный излучатель, подключаемые к эхолоту раздельно, и обеспечивают возможность установки верхней и нижней границ измерения глубины; средства обработки, хранения и отображения отраженных зондирующих импульсов учитывают физические свойства водной среды, обеспечивают разбиение диапазона сканирования на интервалы времени и/или дальности, в которых последовательно выделяют наибольшую интенсивность отражения, и формируют изображение профиля дна и осциллограммы отраженного сигнала. Это позволяет повысить качество работ по определению рельефа дна, сочетающее точность измерений и удобство работы с оборудованием, а также удобство принятия решения по результатам измерений (RU 2552120, 10.06.2015). Однако данное устройство не обеспечивает достаточный охват и скорость получения оперативной информации о рельефе дна в зонах акваторий портов и близлежащих участках внутренних водных путей и на участках ВВП различной протяженности вследствие того, что измерения выполняются непосредственно по траектории движения плавсредства. Для получения необходимого количества данных для построения карты глубин акватории требуется длительное выполнение съемок по сетке промерных галсов.
Сущность изобретения
Технический результат заявленного изобретения заключается в увеличении скорости и объема получения оперативной информации о рельефе дна на участках шельфа, в зонах акваторий портов и близлежащих участках внутренних водных путей, получения данных для оперативной корректировки электронных батиметрических карт акваторий.
Технический результат достигается тем, что создан мультиагентный программно-аппаратный комплекс для выполнения гидрографической съемки водоемов и оперативного мониторинга изменения рельефа дна, содержащий базовый комплекс, выполненный в виде функционала для контроля, приема, обработки, отображения, сохранения и анализа поступающей информации и снабженный автоматизированным рабочим местом (АРМ), модемами Wi-Fi, УКВ, GSM и антеннами Wi-Fi, УКВ и GSM, соединенных с АРМ сетью передачи данных, причем АРМ представляет собой программно-аппаратный блок на основе персонального компьютера (ПК) с установленным в нем программным обеспечением (ПО), предназначенным для управления функционированием мультиагентного программно-аппаратного комплекса и двумя или более судовыми комплексами, каждый судовой комплекс содержит три блока, соединенных между собой электрическими кабелями: антенный блок, набортный блок и погружный блок, при этом антенный блок содержит, выполненные в защищенном морском исполнении, антенну Глобальной Навигационной спутниковой Системы (ГНСС), антенны Wi-Fi, УКВ, GSM, набортный блок содержит модуль интеграции и присоединенные к нему через входы и выходы блок питания, приемник ГНСС, модемы Wi-Fi, УКВ, GSM, блок архивации для сохранения данных глубины в энергонезависимой памяти, дисплей, модуль гидрографического эхолота, модуль определения заглубления, датчик атмосферного давления, при этом набортный блок выполнен в виде прочного защищенного от внешних воздействий корпуса с электрическими разъемами, дисплеем, кнопками питания и перезагрузки встроенного ПО, электрическими разъемами для подключения антенного блока и погружного блока, который в свою очередь содержит приемопередающую антенну эхолота, датчик положения и датчик гидростатического давления, причем погружной блок выполнен в виде прочного герметичного подводного пластикового корпуса и устанавливается на конце закрепляемой на плавсредстве и погруженной в воду штанги, или стационарно устанавливается на корпусе судна или в специализированной шахте, вмонтированной в корпус судна, датчик положения через вход и выход соединен с модулем интеграции, датчик гидростатического давления через вход соединен с модулем определения заглубления, соединенного с датчиком атмосферного давления, информация из которых по кабелю поступает в модуль интеграции набортного блока, приемопередающая антенна эхолота соединена через модуль гидрографического эхолота с модулем интеграции, спутниковые сигналы принимаются антенной ГНСС, поступают в приемник ГНСС, предназначенный для выработки на их основе текущих географических координат и единого времени, которые затем поступают в модуль интеграции, данные от модуля интеграции через последовательно соединенные модем Wi-Fi, антенну Wi-Fi антенного блока судового комплекса, антенну Wi-Fi, модем Wi-Fi базового комплекса или через последовательно соединенные модем УКВ, антенну УКВ антенного блока судового комплекса, антенну УКВ, модем УКВ базового комплекса или через последовательно соединенные модем GSM, антенну GSM антенного блока судового комплекса, береговую GSM-инфраструктуру и антенну GSM, модем GSM базового комплекса из судового комплекса, отображаясь на дисплее, передаются в АРМ.
В предпочтительном варианте судовые комплексы размещают на различных плавсредствах, перемещающихся по контролируемой акватории.
В предпочтительном варианте АРМ базового комплекса размещают в любой точке на берегу или на базовом судне.
В предпочтительном варианте мультиагентный программно-аппаратный комплекс содержит один и более однотипных береговых серверов, предназначенных для получения данных от модулей интеграции судовых комплексов по одному из каналов связи Wi-Fi, УКВ и GSM.
В предпочтительном варианте береговые сервера связаны с АРМ базового комплекса по каналам связи Wi-Fi, УКВ, GSM, спутниковая связь для передачи данных в АРМ базового комплекса.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена структурная схема взаимодействующих базового комплекса и одиночного судового комплекса.
На фиг. 2 представлена структурная схема варианта ПАК с базовым комплексом и несколькими однотипными судовыми комплексами.
На фиг. 3 представлена структурная схема варианта ПАК с базовым комплексом, несколькими однотипными береговыми серверами и судовыми комплексами.
Мультиагентный программно-аппаратный комплекс содержит базовый комплекс (1), судовой комплекс (2) и береговую GSM-инфраструктуру (3) (см. фиг. 1 и фиг. 2).
ПАК представляет собой автоматизированную систему по сбору, обработке, хранению, выдаче и визуализации гидрографических данных от распределенных по различным плавсредствам судовых комплексов (СК) (2).
Базовый комплекс (1) состоит из размещенных в прочных, защищенных от внешних воздействий (механические воздействия, пыль, вода), корпусах, составных частей. Это позволяет устанавливать его в любом удобном месте в зданиях, автомобилях судах и т.п. В состав базового комплекса входят следующие его элементы: автоматизированное рабочее место (АРМ) (7), модем Wi-Fi (8), модем УКВ (9), модем GSM (10), антенна Wi-Fi (11), антенна УКВ (12), антенна GSM (13), соединенные между собой сетью передачи данных. Базовый комплекс (1) выполнен в виде функционала для контроля, приема, обработки, отображения, сохранения и анализа поступающей информации. АРМ (7) представляет собой программно-аппаратный блок на основе персонального компьютера (ПК) с установленным в нем программным обеспечением (ПО), с помощью которого осуществляется управление функционированием ПАК. ПО имеет полный функционал для контроля работы большого количества СК (2), приема, обработки, отображения, сохранения и анализа поступающей информации. АРМ (7) устанавливается в удобном для работы операторов месте. К АРМ (7) через модем Wi-Fi (8) подключена антенна Wi-Fi (11) для обеспечения обмена данными с СК (2) по каналу связи Wi-Fi. Так же к АРМ (7) через модем УКВ (9) подключена антенна УКВ (12) для обеспечения обмена данными с СК (2) по каналу связи УКВ. Кроме того, к АРМ (7) через модем GSM (10) подключена антенна GSM (13) для обеспечения обмена данными с СК (2) по каналу связи GSM.
Судовой комплекс (2) содержит три блока, соединенные между собой электрическими кабелями: антенного блока (4), набортного блока (5) и погружного блока (6). При этом антенный блок (4) содержит, выполненные в защищенном морском исполнении, антенну Глобальной Навигационной спутниковой Системы (ГНСС) (14), антенны Wi-Fi (15), УКВ (16) и GSM (17) устанавливаемые на возвышенных точках плавсредства. Антенна ГНСС (14) может быть установлена на штангу погружного блока (6).
Набортный блок (5) содержит модуль интеграции (18) и присоединенные к нему через входы и выходы блок питания (19), приемник ГНСС (20), а также модемы Wi-Fi (21), УКВ (22), GSM (23), блок архивации (24) для сохранения данных глубины в энергонезависимой памяти, дисплей (25), модуль гидрографического эхолота (26), модуль определения заглубления (29) и датчик атмосферного давления (31). Причем набортный блок (5) выполнен в виде прочного защищенного от внешних воздействий корпуса с электрическими разъемами, кнопками питания и перезагрузки блока питания (19), электрическими разъемами для подключения антенного блока (4).
Судовые комплексы (2), в неограниченном количестве, установленные на плавсредствах, измеряют глубину с привязкой к географическим координатам, отображают эти данные на встроенном дисплее и с помощью одного из нескольких беспроводных каналов (Wi-Fi, УКВ-радиосвязь или GSM-сотовый канал) передают их на базовый комплекс (1). GSM-сотовый канал реализуется с помощью представляемой сотовым оператором береговой GSM-инфракструктуры (3) (распределенная сеть антенн на вышках GSM-связи сотового оператора). Беспроводные каналы дополняют друг друга, передача данных осуществляется по тому каналу, который наиболее стабилен к моменту передачи.
Погружной блок (6) содержит приемопередающую антенну эхолота (27), датчик положения (28) и датчик гидростатического давления (30). Причем погружной блок (6) выполнен в виде прочного герметичного подводного пластикового корпуса и устанавливается на конце, закрепляемой на плавсредстве и погруженной в воду, штанги или стационарно устанавливается на корпусе судна или в специализированной шахте, вмонтированной в корпус судна.
Датчик положения (28) через вход и выход соединен с модулем интеграции (18), датчик гидростатического давления (30) через вход соединен с модулем определения заглубления (29), соединенного с датчиком атмосферного давления (31), информация из которых по кабелю поступает в модуль интеграции (18) набортного блока (5). Приемопередающая антенна эхолота (27) соединена через модуль гидрографического эхолота (26) с модулем интеграции (18), спутниковые сигналы принимаются антенной ГНСС (14), поступают в приемник ГНСС (20), предназначенный для выработки на их основе текущих географических координат и единого времени, которые затем поступают в модуль интеграции (18). Данные от модуля интеграции (18) через последовательно соединенные модем Wi-Fi (21), антенну Wi-Fi (15) антенного блока (4) судового комплекса (2), антенну Wi-Fi (11), модем Wi-Fi (8) базового комплекса (1) или через последовательно соединенные модем УКВ (22), антенну УКВ (16) антенного блока (4) судового комплекса (2), антенну УКВ (12), модем УКВ (9) базового комплекса (1) или через последовательно соединенные модем GSM (23), антенну GSM (17) антенного блока (4) судового комплекса (2), береговую GSM-инфраструктуру (3) и антенну GSM (13), модем GSM (10) базового комплекса (1) из судового комплекса (2), отображаясь на дисплее (25), передаются в АРМ (7).
Мультиагентный программно-аппаратный комплекс (см. фиг. 3) дополнительно содержит однотипные береговые сервера (32), предназначенные для получения данных от модулей интеграции (18) судовых комплексов (2) по одному из каналов связи Wi-Fi, УКВ и GSM. Также береговые сервера (32) связаны с АРМ (7) базового комплекса (1) по каналам связи Wi-Fi, УКВ, GSM, спутниковая связь. Это позволяет собирать данные глубины с привязкой к географическим координатам от модулей интеграции (18) судовых комплексов (2) сначала в береговых серверах (32), а затем в АРМ (7) базового комплекса (1).
Подробное описание осуществления изобретения
Мультиагентный программно-аппаратный комплекс функционирует следующим образом:
После подачи питающего напряжения на базовый комплекс (1) включаются все входящие в его состав составные части. В АРМ (7) начинает выполняться рабочий алгоритм ПО, то есть проводится начальное самотестирование, а далее запускается функционал для контроля работы большого количества судовых комплексов (2), приема, обработки, отображения, сохранения и анализа поступающей информации. АРМ (7) приводится в готовность к приему гидрографической информации (глубины с географическими координатами) от всех работоспособных судовых комплексов (2). Прием данных возможен либо через модем Wi-Fi (8) и антенну Wi-Fi (11) для канала Wi-Fi; либо через модем УКВ (9) и антенну УКВ (12)для канала УКВ; либо через модем GSM (10), антенну GSM (13) и береговую GSM-инфраструктуру (3) для канала GSM.
Работа мультиагентного программно-аппаратного комплекса также может быть основана на использовании одного базового комплекса (1) и одного или нескольких однотипных береговых серверов (32), соединенных между собой и базовым комплексом (1) по каналам связи Wi-Fi, или УКВ, или GSM, или спутниковая связь, устанавливаемых вдоль участков внутренних водных путей значительной протяженности (см. фиг. 3). При этом береговые сервера (32) по каналам связи Wi-Fi, УКВ и GSM получают информацию о глубинах от судовых комплексов (2), установленных на проходящих плавсредствах и передают ее на базовый комплекс (1) для оперативной обработки и корректировки гидрографической информации.
Каждый судовой комплекс (2) работает автономно сразу после включения питания. После подачи питания блок питания (19) начинает вырабатывать питающее напряжение для питания набортного блока (5) и всех входящих в него элементов, а в набортном блоке (5) вырабатывается напряжение для погружного блока (6) и всех его элементов. Затем включается модуль интеграции (18), в микроконтроллере которого выполняется алгоритм работы судового комплекса (2):
1) измерение глубины. Производится модулем гидрографического эхолота (26) через подключенную к нему приемопередающую антенну эхолота (27) с корректировкой измерений глубины по измеряемому крену/курсу/дифференту приемопередающей антенны эхолота (27). Корректировка глубины производится модулем интеграции (18) по данным датчика положения (28), являющимся инерциальным и магнитным датчиком крена/курса/дифферента. Датчик положения (28) за счет совместной с приемопередающей антенной эхолота (27) установки в одном пластиковом корпусе фактически выдает величины крена/курса/дифферента приемопередающей антенны эхолота (27), которые поступают в модуль интеграции (18) для корректировки измерения глубины;
2) определение заглубления приемопередающей антенны эхолота (27). Производится модулем определения заглубления (29) с помощью подключенных к нему высокоточных датчика гидростатического давления (30), расположенного в погружном блоке (6) на уровне приемопередающей антенны эхолота (27), и датчика атмосферного давления (31), расположенного в набортном блоке (5). Определяются показания этих двух датчиков и по разнице показаний вычисляется текущее заглубление приемопередающей антенны эхолота (27), которое передается модулем определения заглубления (29) в модуль интеграции (18). Использование модуля определения заглубления (29) позволяет исключить требование к ручному вводу заглубления оператором, исключить ошибки при ручном вводе, автоматически вводить поправки на изменение атмосферного давления, упростив тем самым эксплуатацию судового комплекса (2);
3) получение географических координат для привязки к ним измеренной глубины. Спутниковые сигналы выбранных Глобальных Навигационных спутниковых Систем принимаются антенной ГНСС (14), поступают в приемник ГНСС (20), где на их основе вырабатываются текущие географические координаты и единое время, которые затем поступают в модуль интеграции (18). При этом могут использоваться режимы работы с получением дифференциальных поправок различными способами;
4) вычисление текущего значения глубины. Вычисляется по показаниям эхолота и по вычисленным в п. 2 значениям модулем определения заглубления (29) приемопередающей антенны (27);
5) отображение текущего измеренного скорректированного значения глубины. Данные глубины передаются из модуля интеграции (18) на встроенный дисплей (25) набортного блока (5) и могут наблюдаться заинтересованными лицами (например, судоводителем);
6) запись и передача данных о температуре;
7) архивация данных. Данные о глубине, температуре, атмосферном давлении, с привязкой к географическим координатам и единому времени, передаются из модуля интеграции (18) на блок архивации (24), где сохраняются в энергонезависимой памяти;
8) передача данных о глубине, температуре, атмосферном давлении в базовый комплекс (1). Данные, с привязкой к географическим координатам и единому времени, передаются от модуля интеграции (18) по одному из дуплексных каналов Wi-Fi, УКВ и GSM в АРМ (7) базового комплекса (1).
Передача данных от модуля интеграции (18) к АРМ (7) осуществляется следующим образом:
- по Wi-Fi: через последовательно соединенные модем Wi-Fi (21), антенну Wi-Fi (15), антенну Wi-Fi (11), модем Wi-Fi (8);
- по УКВ: через последовательно соединенные модем УКВ (22), антенну УКВ (16), антенну УКВ (12), модем УКВ (9);
- по GSM: через последовательно соединенные модем GSM (23), антенну GSM (17), береговую GSM-инфраструктуру (3), антенну GSM (13), модем GSM (10);
- передача данных также может осуществляться через однотипные береговые сервера (32), соединенные между собой и базовым комплексом (1) по любому из каналов связи Wi-Fi, или УКВ, или GSM, или спутниковой связи. При этом данные модулей интеграции (18) поступают в береговые сервера (32) по каналам связи Wi-Fi, УКВ, GSM.
В каждый момент времени алгоритмы работы АРМ (7) и модулей интеграции (18) динамически отслеживают какие из каналов Wi-Fi, УКВ или GSM или спутниковая связь обеспечивают наилучшую стабильность передачи данных, далее передача данных ведется по выбранным каналам.
Так как между АРМ (7) и модулем интеграции (18) установлена дуплексная связь, потери данных не происходит даже при потере связи. При отсутствии связи данные продолжают накапливаться в блоке архивации (24) и при появлении связи неотправленные данные пересылаются на АРМ (7).
Работа всех систем судового комплекса (2) запускается автоматически после подачи внешнего электропитания на его блок питания (19), выполняется самодиагностика, начинают выполняться измерения глубины, крена/курса/дифферента, определение заглубления приемопередающей антенны эхолота (27), получение географических координат. Полученные данные отображаются на дисплее (25) и начинают передаваться на АРМ (7) по каналам беспроводной связи Wi-Fi, УКВ, GSM и спутниковая связь.
Программное обеспечение АРМ (7) является кросс-платформенным и функционирует как под управлением операционной системы Windows, так и под ОС Linux. Это освобождает пользователей от необходимости устанавливать на АРМ (7) ОС Windows и зависеть от обновлений и функционирования данной ОС с периодическим выходом в сеть и существенно повышает безопасность работы и сохранность информации. В ПО реализована поддержка одновременной работы большого количества плавсредств под управлением одного АРМ (7). Использование собственного формата данных PAKARG позволяет существенно уменьшить объем передаваемых и архивируемых данных.
Основной функционал, реализованный в программном обеспечении АРМ (7):
• регистрация в цифровой и визуальной форме информации, поступающей с плавсредств (ПС);
• оперативная обработка и запись поступающей информации (как в формате NMEA, так и в собственном формате PAKARG);
• визуализация полученных данных в режиме реального времени и в режиме постпросмотра (отображение положения, траектории, курса, выбранных или всех ПС, отображение профиля дна по траектории выбранного ПС);
• запись данных со всех ПС в текстовый файл/группу текстовых файлов;
• просмотр профиля дна, скорости движения, курса для каждого ПС в режиме реального времени и в режиме постпросмотра;
• нанесение обстановки на карту (установка отметок с комментариями);
• отображение координатной сетки;
• вывод состояния доступных ПС в строке состояния;
• автомасштабирование отображаемого участка карты в зависимости от месторасположения отображаемых на экране ПС;
• отображение информационных окон с показаниями необходимых данных;
• поддержка растровых карт;
• поддержка векторных карт;
• переключение между разными видами карт в режиме реального времени;
• отображение шкалы масштаба;
• построение батиметрической карты с учетом полученных с ПС данных;
• проверка качества и взаимной сходимости данных.
Таким образом, заявленный мультиагентный программно-аппаратный комплекс для выполнения гидрографической съемки водоемов и оперативного мониторинга изменения рельефа дна обеспечивает увеличение скорости и объема получения оперативной информации о рельефе дна, на участках шельфа, в зонах акваторий портов и близлежащих участках внутренних водных путей различной протяженности и оперативную корректировку электронных батиметрических карт акваторий с автоматизированным вводом поправок на заглубление приемо-передающих антенн эхолотов и на атмосферное давление. Кроме того, элементы комплекса, устанавливаемые на судах, при своей работе не требуют привлечения высококвалифицированных специалистов, так как монтаж их погружных частей выполняется на готовых штангах, или путем стационарной установки на корпусе судна или в специализированной шахте, вмонтированной в корпус судна, а набортное оборудование максимально автоматизировано.