СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОЙ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ И КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ОБЪЕКТА И СИСТЕМА, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩАЯ ДАННЫЙ СПОСОБ
METHOD FOR REMOTE RADIO-FREQUENCY IDENTIFICATION AND CONTROL OF OBJECT STATE AND SYSTEM IMPLEMENTING THIS METHOD

Группа изобретений относится к организации мониторинга защитных упаковок с опасными веществами (ОВ) (взрывчатыми, химическими, радиоактивными) и изделиями на их основе в процессе обращения с ними на всем эксплуатационном цикле с момента погрузки на предприятии-отправителе до момента получения заказчиком.
Задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является повышение безопасности эксплуатации и обращения с опасными веществами и повышение безопасности обслуживающего персонала.
Для транспортирования и временного хранения потенциально опасных грузов используются специальные защитные контейнеры, обеспечивающие сохранность упакованных веществ при эксплуатационных нагрузках и при возникновении нештатных (аварийных) ситуаций. Распространенным способом идентификации таких упаковок в настоящее время является применение штрих-кодов [Обзор автоматической идентификации. Доклады конференции. М., Совинцентр, 20-21 сентября, 1966 г., стр. 16], однако существенный недостаток такого способа идентификации заключаются в отсутствии информации о внешних воздействиях, кроме этого, в случае возникновения нештатных ситуаций может быть затруднен доступ к объекту, что не позволит осуществить его контроль, а также при возникновении пожара данная метка может быть уничтожена.
Существующие современные системы радиочастотной дистанционной идентификации [Балышева О.Л., Григорьевский В.И., Гуляев Ю.В., Дмитриев В.Ф., Мансфельд Г.Д. Акустоэлектронные устройства обработки и генерации сигналов. Принципы работы, расчета и проектирования // Под ред. академика РАН Гуляева Ю.В. - М.: Радиотехника» 2012. - С. 385-416], построенные на основе формирования информационного сигнала пассивными ответчиками (ПАВ-радиометками) при проведении их опроса посредством инициирующего радиоимпульса, позволяют идентифицировать контролируемый объект на заданном расстоянии. Недостатком данных систем является отсутствие информации о фактах физических и несанкционированных воздействий на контролируемый объект в процессе его эксплуатации, что значительно ограничивает возможную область их применения в части осуществления мониторинга состояния объекта.
Наиболее близкими по технической сущности и количеству сходных признаков к заявляемой группе изобретений выбраны автоматизированная система дистанционного контроля объектов в стационарных хранилищах по патенту РФ №2495489 [МПК G06K 7/00, G08B 25/10. Вережанский В.Ю., Князев И.А., Костюкевич О.Н., Юферев В.И., опубл. 10.10.2013, Бюл. №28] и способ дистанционной радиочастотной идентификации и контроля состояния объекта, который осуществляют с помощью этой системы, известный из описания к вышеуказанному патенту. Данные способ и система выбраны в качестве прототипа. Система дистанционного контроля объектов в стационарных хранилищах включает диспетчерский пункт, транспондер на основе ПАВ-радиометки с подключенными к ней датчиками контроля и антенны транспондера и считывающее устройство, расположенное на автоматизированном механизме его перемещения. Способ заключается в регистрации считывающим устройством сигнала, содержащего информацию об идентификационном номере объекта и параметрах его внутреннего состояния, который формируют с помощью транспондеров, выполненных на основе ПАВ-радиометки и размещенных на контролируемых объектах.
Недостатком способа, описанном в прототипе является: строгая локализация (определенное помещение/хранилище), не позволяющая осуществлять дистанционный мониторинг состояния объектов контроля при их перемещении в другое место (помещение/хранилище) или на пути их следования. Таким образом, за исходное состояние объекта принимается его фактическое состояние на момент размещения в хранилище. Отсутствие своевременно получаемой информации о произошедших в процессе перевозки и/или погрузочно-разгрузочных работах нерегламентированных воздействий на объект защиты не позволяет оценить его состояние и убедиться в безопасности содержимого для окружающей среды и обслуживающего персонала.
Недостатком системы, осуществляющей известный из прототипа способ, является отсутствие возможности получения информации о динамически изменяющихся во времени физических параметрах (температура, давление, влажность и т.д.) внутри контролируемого объекта в зоне особого контроля заданных величин. Также к недостатку прототипа относится ограничение возможности его использования, заключающееся в его исполнении в стационарном варианте, подразумевающем установку транспондера на контролируемом объекте, что накладывает на него (транспондер) эксплуатационные ограничения в части возможных несанкционированных и/или аварийных воздействий. Кроме этого, узкая диаграмма направленности антенн транспондеров значительно ограничивает возможную область проведения опроса с целью получения достоверной информации.
Техническим результатом предлагаемой группы изобретений является расширение функциональных возможностей, заключающееся в проведении дистанционного мониторинга состояния объектов защиты с ОВ во всем цикле обращения с ними, в том числе при транспортировании, повышении информативности получаемых данных, увеличении рабочей зоны проведения опроса с целью получения достоверной информации в случае возникновения нештатной ситуации.
Технический результат достигается тем, что в способе дистанционной радиочастотной идентификации и контроля состояния объекта, заключающемся в регистрации считывающим устройством сигнала, содержащего информацию об идентификационном номере объекта и параметрах его внутреннего состояния, который формируют с помощью транспондеров, выполненных на основе ПАВ-радиометки и размещенных на объектах, новым является то, что передачу информации осуществляют, как на местах хранения, так и на всем пути следования объекта, сравнивая результат каждого опроса с данными исходного состояния контролируемого объекта, причем полученные в момент проведения опроса данные заносят в память считывающего устройства с последующей передачей на диспетчерский пункт, при этом передаваемый сигнал дополнительно содержит информацию о текущем значении динамически изменяемого, по крайней мере одного, физического параметра, которое фиксируют в момент проведения опроса с отображением данных на дисплее считывающего устройства.
Технический результат достигается тем, что в системе дистанционной идентификации и контроля состояния объекта, включающей считывающее устройство с антенной, транспондер на основе ПАВ-радиометки с подключенными к ней датчиками контроля и антенны транспондера, установленной на внешней части контролируемого объекта, новым является то, что в состав транспондера дополнительно введен, по крайней мере один, акустоэлектронный датчик контроля динамики изменения, по крайней мере одного, физического параметра контролируемого объекта, выполненный в виде линии задержки на ПАВ, при этом транспондер имеет модульную компоновку, обеспечивающую пространственное разнесение по внутреннему объему контролируемого объекта входящих в транспондер элементов, включающую моноблок с ПАВ-радиометкой и датчиками контроля состояния и расположенный отдельно от моноблока акустоэлектронный датчик с обеспечением электрической связи элементов транспондера с его антенной, имеющей круговую диаграмму направленности.
Антенна транспондера может быть интегрирована в общую конструкцию контролируемого объекта посредством выполнения общего электрического контакта потенциальной обкладки с электропроводными элементами контролируемого объекта, причем считывающее устройство выполнено в переносном исполнении, снабжено дисплеем для отображения на нем данных в момент проведения опроса.
В системе может быть использовано более одного считывающего устройства.
Наличие отличительных признаков, обеспечивающих выполнение указанного технического результата, позволяет сделать вывод о соответствии заявленного изобретения условию «изобретательский уровень», так как свойства, которые придают изобретению данные признаки, в уровне техники не обнаружены.
Сущность группы изобретений иллюстрируется схемами и чертежами, представленными на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3.
На фиг. 1 приведена структурная схема построения системы, осуществляющей способ дистанционной радиочастотной идентификации и контроля состояния объектов.
На фиг. 2 приведена структурная схема транспондера.
На фиг. 3 приведена конструкция системы, осуществляющей способ дистанционной радиочастотной идентификации и контроля состояния защитного контейнера, предназначенного для хранения и транспортирования радиационно-, пожаро-, взрывоопасных грузов.
На приведенных схемах и чертеже представлены следующие позиции: 1 - считывающее устройство (считыватель); 2 - блок обработки сигналов; 3 - регистрирующее устройство; 4 - система вывода информации на дисплей; 5 - приемо-передающая антенна считывателя; 6 - приемопередающая антенна транспондера; 7 - объект защиты (контейнер); 8 - моноблок транспондера; 9 - ПАВ-радиометка; 10 - пороговый датчик физических воздействий; 11 - акустоэлектронный датчик контроля динамического изменения температуры и давления; 12 - зона особого контроля динамически изменяющего физического параметра объекта защиты; 13 - высокочастотный кабель антенны; 14 - высокочастотный кабель акустоэлектронного датчика; 15 - соединение контактное разъемное; 16 - соединение контактное с корпусом; 17 - защитный корпус контейнера; 18 - внутренняя ампула контейнера; 19 - упакованное ОВ.
На фиг. 1 показана структурная схема системы, осуществляющей способ дистанционной радиочастотной идентификации и контроля состояния объектов. Система дистанционной радиочастотной идентификации и контроля состояния объектов состоит из двух функциональных частей: считывающего устройства (считывателя) 1, в состав которого входят блок обработки сигналов 2, регистрирующее устройство 3, система вывода информации на дисплей 4, нриемо-лередающая антенна 5 считывателя и транспондера (фиг. 2), имеющего модульную компоновку и состоящего из приемо-передающей антенны 6 транспондера, электрически соединенной с расположенным внутри корпуса объекта защиты 7 моноблоком 8 транспондера, содержащим ПАВ-радиометку 9 с датчиками 10, и акустоэлектронным датчиком контроля 11, установленным в зоне особого контроля 12 объекта защиты 7. Приемо-передающая антенна 6 транспондера, моноблок 8 транспондера и акустоэлектронный датчик 11 контроля динамического изменения температуры и давления пространственно разнесены между собой в соответствии с требованиями их конструктивного размещения в объекте защиты 7. Кроме того, антенна 6 транспондера может быть интегрирована в общую конструкцию объекта защиты 7 посредством выполнения общего электрического контакта своей потенциальной обкладки с электропроводными элементами корпуса объекта защиты 7 через соединение контактное 16, что повышает ее эффективность (увеличивает коэффициент усиления антенны) и увеличивает рабочую зону проведения опроса.
Система работает следующим образом. Считыватель 1 излучает радиоимпульс опроса, который через приемо-передающую антенну 5 считывателя передается на приемо-передающую антенну 6 транспондера, установленную на объекте защиты 7. Транспондер (фиг. 2) формирует единый информационный сигнал, содержащий идентификационные данные с ПАВ-радиометки 9, данные о состоянии пороговых датчиков физических воздействий 10 и акустоэлектронного датчика контроля 11, отвечающего за регистрацию текущего значения контролируемых параметров (температура, давление, влажность и т.д.). Единый информационный сигнал, переизлучается приемо-передающей антенной 6 транспондера на приемопередающую антенну 5 считывателя. Антенна 6 транспондера имеет круговую диаграмму направленности, что позволяет идентифицировать объект защиты 7 с любой удобной точки пространства в радиусе действия системы. Далее единый информационный сигнал передается на блок обработки сигналов 2 считывателя 1. Обработанный кодированный информационный сигнал поступает на вход регистрирующего устройства 3, которое дешифрует единый информационный сигнал и фиксирует текущее значение параметров транспондера в момент проведения опроса, после чего системой вывода информации 4 результат транслируется на дисплей считывателя 1. Оператор делает оперативный вывод о состоянии объекта защиты 7 на основании показаний пороговых датчиков физических воздействий 10 и акустоэлектронного датчика контроля 11. После обработки единый информационный сигнал передается на диспетчерский пункт.
На фиг. 2 представлена структурная схема транспондера.
Транспондер состоит из приемо-передающей антенны 6 транспондера, размещенной на корпусе объекта защиты 7, моноблока 8 транспондера, высокочастотного кабеля 13 антенны, акустоэлектронного датчика 11 контроля температуры и давления, высокочастотного кабеля 14 акустоэлектронного датчика, В состав моноблока 8 транспондера входят ПАВ-радиометка 9» к которой подключены пороговые датчики физических воздействий 10. Во внутренней части моноблока 8 транспондера посредством распайки осуществляется электрическое соединение, обеспечивающее разветвление электрической цепи, одна из ветвей которой подсоединена к ПАВ-радиометке 9, а другая ветвь через высокочастотный кабель 14 акустоэлектронного датчика подсоединена к акустоэлектронному датчику 11 контроля динамического изменения температуры и давления. Электрическое соединение элементов транспондера осуществляется с помощью разъемных контактных соединений 15. Электрическое замыкание потенциальной обкладки приемо-передающей антенны 6 транспондера на корпус объекта защиты 7 осуществляется с помощью соединения контактного с корпусом 16.
Транспондер работает следующим образом. Приемо-передающая антенна 6 транспондера, установленная на внешней части охраняемого объекта защиты 7, принимает сигнал опроса, который посредством электрически присоединенного к ней высокочастотного кабеля 13 антенны и контактных разъемных соединений 15 передается на вход моноблока 8 транспондера и входной преобразователь ПАВ-радиометки 9. ПАВ-радиометка 9, посредством отражения ПАВ от отражательных структур (ОС), формирует информационный сигнал, содержащий идентификационные данные и данные о состоянии пороговых датчиков физических воздействий 10. Часть сигнала опроса, полученная от приемо-передающей антенны 6 транспондера, через контактное разъемное соединение 15 и высокочастотный кабель 14 акустоэлектронного датчика, поступает на акустоэлектронный датчик 11 контроля динамического изменения температуры и давления.
Принцип работы акустоэлектронного датчика контроля температуры и давления 11 основан на тепловом расширении материала используемой пьезоэлектрической подложки при внешнем температурном воздействии. Акустоэлектронный датчик динамического изменения температуры и давления 11 выполнен в виде линии задержки (ЛЗ) на ПАВ, которая устанавливается в защитный корпус и работает следующим образом; часть сигнала опроса, через высокочастотный кабель 14 акустоэлектронного датчика, поступает на входной преобразователь ЛЗ на ПАВ, выполненный в виде однонаправленного встречно-штыревого преобразователя (ВШП), который преобразует его в ПАВ, распространяющуюся в сформированном акустическом канале в заданном направлении. В акустическом канале расположено не менее одной ОС, обеспечивающей фиксированную временную задержку информационного импульса сигнализатора динамического изменения контролируемого физического параметра. Температурное воздействие в устройствах на ПАВ проявляется в виде теплового расширения материала подложки, вследствие чего изменяются длина пути акустической волны и значения упругих постоянных, влияющих на ее скорость. При этом зависимость времени задержки от вариации температуры может быть определена согласно выражению [Поверхностные акустические волны / под ред. А. Олинера. - М.: Мир» 1981. - 390 с.]:
2
0
0
где t(T) - время начальной задержки информационного сигнала, T - начальная (рабочая) температура (н.у.). Таким образом, по изменению времени задержки информационного импульса сигнализатора динамического изменения температуры можно сделать вывод о текущем значении температуры в области особого контроля данной величины внутри охраняемого объекта в момент проведения опроса.
Учитывая тот факт, что акустоэлектронный датчик может быть установлен в герметичном замкнутом объеме, и при условии, что заполнение данного объема не изменяет свой химический состав , из уравнения Менделеева-Клапейрона можно сделать вывод об изменении давления в месте установки регистрирующего устройства:
з
Предложенное соединение моноблока 8 транспондера, содержащего ПАВ-радиометку 9 с подключенными к ней датчиками физических воздействий 10, с акустоэлектронным датчиком динамического изменения температуры и давления 11, выполненного на основе ЛЗ на ПАВ, обеспечивает формирование единого информационного сигнала, содержащего идентификационный номер охраняемого объекта, информацию о состоянии пороговых или аналоговых датчиков физических воздействий 10 (формируется ПАВ - радиометкой), а также регистрационные данные с акустоэлектронного датчика, контролирующего изменение заданного физического параметра в момент проведения опроса. По изменению времени задержки Δt регистрирующего импульса сигнализатора температуры с фиксированной временной задержкой t, можно судить о текущем значении таких физических параметров, как температура и давление.
Полученные при первом опросе (после упаковывания ОВ 19 в упаковку данные заносятся в память считывающего устройства 1 (фиг. 1) и считаются исходными, при этом обеспечивается их передача на диспетчерский пункт. На пути следования объекта защиты 7 расположены контрольные точки и места проведения погрузочно-разгрузочных работ, каждое из которых оборудовано считывающим устройством, в которых проводятся обязательные опросы установленного на объекте защиты транспондера. Кроме этого, одно или несколько портативных считывающих устройств 1 могут перемещается с опасным грузом в транспорте сопровождения для обеспечения возможности проведения мониторинга состояния опасного груза, при необходимости экстренного оперативного опроса в случае возникновения нештатных или аварийных ситуаций. При этом все зарегистрированные воздействия физических факторов на упакованный груз фиксируются в момент проведения опроса, и результат отображается на дисплее считывающего устройства с последующей передачей на диспетчерский пункт, при этом сравнение получаемых данных с данными исходного состояния позволяет однозначно установить наличие или отсутствие нерегламентированных воздействий в процессе эксплуатации, В случае регистрации превышения допустимых показателей физических воздействий, которые привели упакованное ОВ в состояние повышенной опасности, вырабатывается специальный порядок дальнейших действий.
Оперативность получения информации о текущем состоянии упакованного опасного груза позволяет обеспечить повышение безопасности эксплуатации и обращения с ОВ, безопасность обслуживающего персонала и личного состава аварийно-технических формирований, поскольку для проведения оценки реальных показателей груза не требуется вскрытие защитной упаковки. Кроме этого, возможность максимально быстрого получения достоверной информации о текущем состоянии упакованных ОВ позволяет в кратчайшие сроки принять необходимые меры безопасности и выработать соответствующий регламент дальнейшего обращения с упакованным грузом.:
Работоспособность заявляемой группы изобретений проверена экспериментально.
Примером конкретного выполнения заявляемой системы может служить радиоэлектронная система идентификации и контроля защитного контейнера для хранения и транспортирования радиационно-, пожаро-, взрывоопасных грузов, представленном на фиг. 3.
Защитный корпус контейнера 17, внутренняя ампула контейнера 18, и упакованное ОВ 19 образуют в своей конструктивной совокупности объект защиты 7. Внутренняя ампула контейнера 18 с упакованным в нее ОВ 19 образуют в своей конструктивной совокупности зону особого контроля динамически изменяющегося физического параметра 12. На наружной поверхности защитного корпуса контейнера 17, установлена приемопередающая антенна 6 транспондера, корпус которой электрически связан с корпусом защитного контейнера 17. На внутренней поверхности корпуса защитного контейнера 17 установлен моноблок 8 транспондера» электрически связанный высокочастотным кабелем 13 антенны с приемопередающей антенной 6 транспондера. Во внутренней полости зоны особого контроля 12, образованной корпусом внутренней ампулы 18, установлен акустоэлектронный датчик контроля динамического изменения температуры и давления 11, электрически связанный с моноблоком 8 транспондера посредством высокочастотного кабеля акустоэлектронного датчика 14.
Внедрение способа дистанционной радиочастотной идентификации и контроля состояния объекта и системы, осуществляющей данный способ, используемой для контроля состояния опасных объектов, требующих выполнения особого регламента при обращении с ними, позволит осуществлять мониторинг состояния содержимого защитных упаковок без их вскрытия, что особенно важно в случае возникновения аварийной ситуации при отсутствии внешних повреждений упаковки, поскольку ее содержимое может перейти в состояние повышенной опасности. Применение группы изобретений во всем цикле эксплуатации опасных объектов позволит регистрировать наличие (или отсутствие) нарушений при их хранении и транспортировании, что обеспечит повышение технологичности обращения и сохранности ОВ, при повышении безопасности эксплуатации и условий работы обслуживающего персонала и личного состава аварийно-технических формирований.
Рассмотренный выше контейнер с радиоэлектронной системой мониторинга состояния его содержимого прошел необходимый объем лабораторно-конструкторской отработки и натурных испытаний, подтвердивших достижение технического результата, заявленного в настоящем изобретении.