УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ КАЧЕСТВА СРЕДЫ
DEVICE AND METHOD OF DYNAMIC MEASUREMENT OF ENVIRONMENTAL QUALITY INDICATOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к системе бытового мониторинга качества среды посредством совместной детекции различных параметров среды, таких как, например, электромагнитные поля с частотами в диапазоне от 100 кГц до 3 ГГц, низкочастотные электромагнитные поля, радон, состав воды, мелкая пыль, CO2, шум.
В частности изобретение относится к системе мониторинга, динамически интегрирующей локальные измерения среды и информацию, которая может быть получена удаленно, имеющих отношение для количественного определения бытового показателя качества бытовой среды, понимаемого как значение, определяющее общее качество бытовой среды, подвергаемой мониторингу.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из текущего уровня техники известны системы мониторинга для детекции среды и для измерения окружающих параметров среды, а также способы и датчики, которые уже доступны на рынке.
Указанные системы, однако, не подходят для бытовой среды. Как правило, на самом деле, они детектируют данные вне помещения или при определенных условиях, и, кроме того, они используются отдельно для детекции одного параметра среды.
Наконец, обработка данных не выполняется динамически, при этом указанная обработка не принимает во внимание ни новой общей информации, которая определяет новые оценки полученных результатов, ни хронологическую память этой информации, ни, опять таки, информацию, имеющуюся на месте эксплуатации в данный момент времени.
В принципе, известные системы основаны на устройствах, которые являются автономными по отношению к соответствующей информации, доступной в интернете, или в любом случае не привлекают информацию из других доступных в режиме реального времени баз данных датчиков и устройств или из интернета и из социальных сетей.
Кроме того, для доступных на рынке сетей датчиков очень трудно обеспечить специальный режим надежной детекции данных в той мере, что не представляется возможным точно определить, что детекция произведена при подходящих и воспроизводимых условиях измерения, если только не обеспечено присутствие специального оператора.
Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы преодолеть недостатки уже известных технических решений и предложить аппарат мониторинга бытовой среды, который является надежным и может быть улучшен с течением времени благодаря динамической детекции и интерпретации значимых данных.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Решение вышеуказанных задач достигнуто путем создания устройства и аппарата согласно по меньшей мере одному пункту приложенной формулы изобретения.
Устройство и аппарат согласно изобретению предусматривают, в частности, интегрированную обработку данных локального измерения и данных, внешних по отношению к подвергаемой мониторингу среде, посредством адаптивного/генетического алгоритма, который детектирует данные надежным способом, обрабатывает их в соответствии с хронологической памятью, в соответствии со специальными данными, доступными в режиме реального времени, такими, например, как медицинские исследования и исследования среды, которые могут определять факторы риска, социально-рекламные данные, доступные в интернете, например, в отношении «социального репутации» в интернете по вопросам, относящимся к мониторингу среды.
Первое преимущество заключается в том, что изобретение предусматривает функциональную архитектуру и соответствующий алгоритм анализа данных, что обеспечивает открытым образом наилучшее качество информации для пользователя и онлайн обновление системы, при этом обеспечивается возможность вмешательства посредством функциональных модификаций на основании информации, имеющейся на вебсайте (медицинские данные и данные среды, данные из других сетей датчиков, данные из интернета и из социальных сетей и т.д.). Таким образом, изобретение интегрирует различные датчики в одной измерительной системе и определяет способ измерения, специализированный для конкретной бытовой среды и основанный на данных, полученных от различных датчиков.
Второе преимущество заключается в том, что устройство согласно изобретению может быть установлено для объединения различных типов датчиков, которые уже могут иметься на рынке, при этом группировать их вместе посредством центральной системы, выполненной с возможностью детекции всех данных и их сбора на основе комплексного подхода.
Третье преимущество заключается в создании системы для контроля данных локального измерения, которая обеспечивает их эффективную достоверность и воспроизводимость без необходимости в присутствии на месте квалифицированного специалиста, а именно посредством автоматизированной детекции ситуаций неудовлетворительного измерения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеуказанные и другие преимущества будут лучше понятны специалисту в области техники из нижеследующего описания и из прилагаемых чертежей, которые приведены в качестве не ограничивающего примера и на которых:
- фиг. 1 показывает схематический вид устройства согласно изобретению;
- фиг. 2 показывает схематический вид локального устройства согласно изобретению; и
- на фиг. 3 показана блок-схема работы и обмена данными между компонентами аппарата, показанного на фиг. 1.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Электронное устройство D для измерения и мониторинга бытовой среды описано со ссылками на прилагаемые чертежи и, в частности, на фиг. 2.
Устройство D содержит множество датчиков S1-Sm для измерения локальных параметров FQP1-FQPm среды, которые могут быть связаны с локальным показателем FQ качества среды, под которым понимается переменная во времени величина, которая определяет текущее общее качество бытовой среды или помещения, измеряемое с помощью устройства D1-Dn, находящегося в указанной бытовой среде, подвергаемой мониторингу.
Предпочтительно, датчики S1-Sm являются датчиками для измерения
- электромагнитных полей с частотами в диапазоне от 100 кГц до 3 ГГц;
- низкочастотных электромагнитных полей;
- радона;
- состава воды;
- мелкой пыли;
- CO2;
- шума
и в целом каждого параметра, который является существенным для качества бытовой среды.
Предпочтительно, устройство снабжено электронной платой SCS, которая может соединяться с датчиками S1-Sm, использующими даже неоднородные способы измерения, и может обрабатывать данные измерения интегрированным образом посредством одного интегрирующего программного обеспечения и одного аппаратного оборудования через различные стандартные соединения (электронные соединители, серийные соединители, соединители USB).
Датчики S1-Sm соединены с программируемым электронным блоком MB обработки, который в свою очередь подключен к интерфейсу MODEM обмена данными, предпочтительно через защищенный коммуникационный модуль СОМ.
Кроме того, блок MB подключен к источнику INFO удаленных данных, содержащему данные, которые могут быть связаны с локальным показателем FQP качества среды в отношении среды, подвергаемой мониторингу, а также к системе СХ контроля, выполненной с возможностью мониторинга текущих локальных условий среды, которые влияют на измеренные локальные параметры среды.
Согласно изобретению программируемый блок MB запрограммирован для повторного во времени получения данных измерения локальных параметров, измеренных датчиками S1-Sm, удаленных данных, связанных с показателем FQP и получаемых от источника INFO данных, и данных, относящихся к текущим локальным условиям среды и получаемых системой СХ контроля, а также для динамической обработки указанных данных посредством адаптивного алгоритма и для вычисления значения показателя FQP.
Предпочтительно адаптивный алгоритм обеспечивает пользователя информацией с максимально возможным качеством и постоянным обновлением устройств с соответствующими необходимыми функциональными изменениями (например, изменения в важности определенного параметра или состоянии среды), которые могут быть извлечены из доступной информации.
Предпочтительно источник INFO данных содержит имеющийся в интернете контент (например, медицинские данные и данные среды, данные из других сетей датчиков, данные из сети и из социальных сетей и т.д.), при этом он может содержать данные, имеющиеся или не имеющиеся в различных частных базах данных.
Средства СХ контроля могут содержать поворотную вебкамеру (WEBCAM) и средства LOG сбора хронологических данных для определения эффективной достоверности и воспроизводимости выполненных результатов измерений. В частности, вебкамера установлена для анализа локальных изображений среды и детекции эффективной надежности способов измерения по точкам по меньшей мере во время этапов измерения, для выявления всех возможных сбоев в работе и ошибок, а также для локальной обработки данных и отправки информации, предпочтительно по независимому каналу обмена данными, на удаленный центральный блок SER управления. Центральный блок управления может, таким образом, анализировать полученные данные и детектировать любые возможные аномалии измерения.
Более подробно, во время этапов измерения поворотная вебкамера осуществляет сбор изображений на 360° и их обработку с помощью способов детектирования движения, которые определяют эндогенные и экзогенные явления, предотвращающие надлежащую детекцию параметров измерения платой SCS датчиков и самими датчиками. Указанные явления могут быть детектированы на месте путем обработки данных посредством блоков MB обработки устройств и могут быть замечены и обработаны также центральным блоком SER управления для того, чтобы собрать всю информацию о специфических условиях неисправности.
Локально устройству может быть доступна вся информация о событиях, которые искажают измерения, имеющаяся в центральной базе данных и, следовательно, может непосредственно обрабатывать информацию локально.
Периодически (при каждом обновлении) центральная система SER может обновлять информацию на устройстве.
На фиг. 1 схематически показан аппарат согласно изобретению, содержащий локальные устройства D1-Dn вышеописанного типа, соединенные через интерфейс MODEM с удаленным центральным блоком SER управления, который, в свою очередь, коммуницирует с удаленным источником INFO, содержащим данные измерения локальных параметров среды.
Ниже приведен пример расчета показателя FQP качества, относящегося к показанному примеру, т.е. для аппарата, содержащего устройства D1-Dn, оснащенные датчиками SD11-SDnm.
Пример расчета FQP
k
k
х
Показатель FQP(t) качества устройства k (во время измерения t=Т) представляет собой сумму показателей FQP(t) качества каждого отдельного датчика устройства, взвешенных с помощью коэффициентов α(t), значение которых определяет относительно более высокую или низкую df;ность конечного результата
,
,
где:
N - количество датчиков для каждого отдельного устройства;
М - количество используемых устройств;
N=М;
t - время в виде дискретной переменной;
Т - время последнего проведенного измерения;
k
FQP - показатель качества для устройства k;
kx
FQP - показатель качества для датчика х устройства k.
kx
атчика
Показатель качества устройства k, является, таким образом, величиной, которая находится в диапазоне от 0 до N, где 0 представляет собой нижний уровень качества среды и N - высокий уровень качества среды, и задается суммой показателей качества отдельных датчиков х для каждого устройства. Указанные показатели задаются соотношением между значением параметра Vsd(t) д и максимальным значением указанного параметра по всем имеющимся датчикам.
,
где
kx
Vsd(t) - значение параметра (датчика) х устройства k в момент t времени;
- максимальное значение параметра (датчика) х, которое является постоянной, полученной из калибровочных расчетов конкретного датчика
,
a
x
(t) является коэффициентом качества датчика х по отношению к другим N-1 активным датчикам на устройстве k в момент времени Т
a
x
0≤(t)≤N?
Таким образом, коэффициент качества является величиной, которая также определяет другие величины устройства k. В действительности сумма всех коэффициентов устройства k всегда равна N.
а
а
х
х
х
(T)=(Т-1)+Δ(T)
х
x
х
х
а
а
Δ(T)=f((T),(T-1), количество проведенных измерений (Т, Т-1), количество релевантных проверенных медицинских отзывов (Т, Т-1), количество отзывов на информационно-поисковых системах (Т, Т-1), медицинские данные (Т), данные (Т) об среде, географическое положение)
,
Kx
Δ(t) - коэффициент вариации Дарвина устройства k
MAX
Δ(t)=t(медицинские данные, данные среды, географическое положение t, t-1) представляет собой максимальное значение вариации.
х
x
Дельта Δ(T) Дарвина представляет собой поправочный коэффициент коэффициента качества, который изменяет указанный показатель в зависимости от набора параметров посредством применения адаптивного алгоритма f. Указанный алгоритм определяет преобладание доминирующих значений из числа тех, которые получены в моменты времени Т и Т-1 и в зависимости от конкретных переменных и постоянных величин, заданных системой.
MAX
Максимальное значение Δ(t), с которым коэффициенты качества могут варьироваться, является переменной в зависимости от информации, получаемой из рисков и опасностей данного параметра в данном географическом районе.
Пример адаптивного алгоритма, который может использоваться в системе согласно изобретению, представляет собой следующую адаптивную функцию
где:
Kxy
Pr(t) представляет собой параметр у датчика х устройства k;
Kxy
xy
PrTot(t) представляет собой сумму величин Pr всех датчиков:
,
Ky
β(t) представляет собой коэффициент адаптации для индивидуального параметра датчика k.
Например, эти параметры могут представлять собой:
Kx1
Pr(T) - количество измерений, проведенных в моменты времени Т и Т-1;
Kx2
Pr(T) - количество датчиков, функционирующих в моменты времени Т и Т-1;
Kx3
Pr(T) - количество отзывов по ключевым словам в моменты времени Т и Т-1;
Kx4
Pr(T) - количество отзывов пользователей на специализированных сайтах в моменты времени Т и Т-1;
Kx5
Pr(T) - медицинские данные и данные среды в моменты времени Т и Т-1;
Kx6
Pr(T) - данные отдельных датчиков каждого устройства от момента времени 0 до момента времени Т.
Приведенные выше параметры в любом случае будут непрерывно эволюционировать и модифицироваться в зависимости от различных применений изобретения.
Подразумевается, что тип адаптивного алгоритма можно в любом случае изменить зависимости от эволюции приложений и количества датчиков.
В одном варианте осуществления изобретения адаптивный алгоритм также основан на «социальных» данных, поступающих из интернета, таких, например, как число отзывов по данной теме, для заданных ключевых слов или элемент оценки качества измерения.
Описанный аппарат подходит для применений разных типов.
Типичное использование системы заключается в использовании распределенной сети датчиков и измерений, которые собирают данные от индивидуальных датчиков, находящихся в различных местоположениях на территории, чтобы лучше охарактеризовывать информацию, поступающую от локального датчика.
В этом смысле можно выделить два типа типичных приложений:
- устройство точечного измерения в случае, когда измерения производятся в различные дискретные моменты времени;
- устройство распределенного измерения в случае, когда измерения производятся непрерывно.
В первом случае измерения могут быть сделаны способом измерения по точкам в разных местах, при этом полученные данные могут быть обработаны удаленно блоком SER и сделаны доступными для отдельных устройств D для улучшения адаптивного алгоритма, используемого в последующих измерениях.
В последнем случае измерения выполняются непрерывно и в то же время на всех датчиках аппарата и, таким образом, данные используются все вместе для улучшения адаптивного алгоритма, используемого в последующих измерениях.
Указанный алгоритм можно, кроме того, улучшить на основе информации, полученной от сети датчиков с обоими типами приложений.
Кроме того, указанные два типа приложений требуют использования различных типов датчиков для обнаружения одного и того же параметра.
В первом случае, если измерение представляет собой точечное измерение, т.е. оно выполнено только один раз в данной точке, тип используемого датчика должен быть низкокачественным датчиком с тем, чтобы обеспечить достоверную детекцию и не исказить все множество данных.
В последнем случае, вместо этого, при условии, что измерения производятся непрерывно в данном местоположении, можно использовать датчики низкого качества постольку, насколько обеспечивается доступность хронологических данных измеряемого пространства.
Предпочтительно в одной и той же системе можно, таким образом, применять низкокачественные датчики или датчики низкого качества, т.е. датчики, которые определяют лучшее или худшее качество точечного измерения, поскольку адаптивному алгоритму известно об этом аспекте и он будет взвешивать уровень точности измерения по шкале важности, заданной для этого измерения в рамках адаптивного алгоритма.
Динамический расчет, производимый с использованием указанного алгоритма, может, кроме того, содержать расчет данных, извлекаемых из хронологической памяти предыдущих измерений, поступающих из уже установленных датчиков.
При помощи адаптивного алгоритма, кроме того, также обеспечивается возможность модификации методологий измерения и соответствующих датчиков или возможность добавления новых датчиков. Обрабатываемые данные в любом случае будут представлять собой сумму различных параметров и будут также адаптированы в зависимости от количества проведенных измерений и качества датчика.
Пример 1: устройство точечного измерения
Это испытательное устройство для квалифицированных операторов.
С помощью данной системы оператор подготавливает измерительную установку, позиционирует датчики в помещении в соответствии со спецификациями, предусмотренными в соответствии с процедурой измерения, и начинает само измерение. В этот момент активируется система измерения и контроля. Если детектированные данные являются подходящими, то они отправляются в сеть, анализируются и обрабатываются центральной системой. Затем центральной системой выдается сертификат анализа и качества среды, который, возможно, отправляется конечному пользователю.
С помощью этой системы можно обеспечить услуги домашнего скрининга, которые выполняются квалифицированными операторами с использованием устройства, реализующего изобретение.
Пример 2: Устройство распределенного измерения
Это устройство предназначено для размещения в помещении для круглосуточного контроля загрязняющих веществ в среде.
Вышеописанное устройство также можно интегрировать во время строительства или перепланировки здания, при этом посредством вывода данных на экран или посредством предусмотренной домовой системы можно обеспечить возможность вывода на экран данных точечного измерения.
Устройство детектирует точечные данные с помощью измерительных датчиков, проверяет, что измерения были сделаны правильно, и обрабатывает данные на месте, чтобы обеспечить уровень качества для среды, в которой оно расположено. Далее, через соединение с интернетом оно передает данные в интернет и получает от центральной системы обратную связь относительно уровня общего качества. Затем указанные данные предоставляются конечным пользователям в соответствии с различными возможностями (SMS, интернет, дисплей и т.д.)
Фиг. 3 схематически иллюстрирует работу аппарата и обмен данными между устройствами и центральным блоком управления.
Предпочтительно подвергаемая обмену информация должна быть обработана локально блоками MB устройств и отправлена обратно в центральный блок SER управления через интернет-соединение асимметричной цифровой абонентской линии (ADSL)/WiFi/3G/4G в защищенном виде, например, в режиме защищенного кодирования на основе стандартных алгоритмов безопасности и в режимах передачи типа виртуальной корпоративной сети (VPN). В предпочтительном варианте осуществления имеется две VPN, которые отличны друг от друга в зависимости от того, являются ли данные данными, которые относятся к измерениям, выполненным с помощью датчиков SD или данными, переданными с помощью системы СХ контроля в отношении операций контроля.
Различные устройства системы взаимодействуют друг с другом в соответствии с операционной схемой, показанной на фиг. 3.
В частности при периодической активации материнской платой MB устройств по отношению к времени измерения, датчики SD и система Сх контроля активируются для детекции данных измерения и данных, относящихся к правильной конфигурации самой измерительной среды. Эти данные передаются на материнскую плату MB через различные коммуникационные порты и обрабатываются материнской платой на месте. Указанная обработка является целесообразной для предотвращения проблем соединения к центральной системе SER, искажения по меньшей мере первой локальной оценки данных, а также для предотвращения проблем приватности контрольных данных, которые не отправляются обратно в сеть в случае, когда они не нужны пользователю сервиса. Данные передаются в центральную систему SER в защищенном режиме, при этом они обрабатываются и окончательно заносятся в файл в базе данных системы. Периодически на основе полученных данных центральная система SER может отправлять данные для активации процедур калибровки, технического обслуживания и модернизации системы.
Изобретение описано в соответствии с предпочтительными вариантами его осуществления, при этом могут быть разработаны эквивалентные варианты осуществления без выхода из предоставляемого объема правовой охраны.