CC BY
10УДК 62-503.57: 631.171
Технические науки
Кувшинов Алексей Николаевич, к.т.н., доцент кафедры «Мобильные энергетические средства и сельскохозяйственные машины имени профессора А.И. Лещанкина» Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им.
Н.П. Огарева»
Кувшинова Ольга Александровна, к.т.н., доцент кафедры «Механизация переработки сельскохозяйственной продукции» Института механики и
энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарева» Мельников Владимир Александрович, студент Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарева» Курносов Евгений Витальевич, магистрант Института механики и энергетики ФГБОУ ВО «МГУ им. Н.П. Огарева»
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА И КОНТРОЛЯ МОБИЛЬНЫХ
МАШИН
Аннотация: Проведен анализ оборудования для мониторинга и контроля мобильных машин. Определен состав систем для мониторинга и контроля мобильных машин. Описаны преимущества и недостатки данных систем. Сформированы практические рекомендации по использованию систем мониторинга и контроля мобильных машин.
Ключевые слова: мониторинг, мобильные машины, транспорт, передача данных, сервер, интернет, эффективность, анализ.
Abstract: The analysis of equipment for monitoring and control of mobile machines was carried out. The composition of systems for monitoring and controlling mobile machines is determined. The advantages and disadvantages of these systems are described. Practical recommendations on the use of monitoring and control systems for mobile machines have been formed.
Keywords: monitoring, mobile machines, transport, data transmission, server, internet, efficiency, analysis.
Введение
Дальнейшее развитие цифровизации всех отраслей народного хозяйства позволяет объединить технологии GNSS и BIG DATA в сфере логистики транспорта и мобильных машин [1]. Большой сложностью в реализации этой технологии является обязательное наличие беспроводных коммуникаций по передачи данных, так как в этой сфере отсутствует концентрация производства и техника находится на большом расстоянии друг от друга [2; 3].
Наличие большого парка машин и большие расстояния ставят научные проблемы по правильной организации и диспетчеризации данной сферы, которой занимается транспортная логистика.
Транспортной логистикой называют систему по правильной доставке грузов точно в срок или с определенными условиями. Основными переменными являются маршруты, определяющие минимальные затраты с минимальными воздействиями при гарантированной безопасности доставки.
Массовая автомобилизация, перенасыщение автомобильного трафика в крупных городах ставит задачи оптимизации и совершенствования методов оперативного контроля перевозок [4].
Развитие сотовой связи (3G, 4G и в дальнейшем 5G) с высокой скоростью передачи данных и большой зоной покрытия устойчивого сигнала делает возможным применение цифровых технологий в транспорте и мобильных машинах. Объединение технологий телекоммуникации (сотовая связь) и информационных технологий (информатика) привела к созданию телематики -системы мониторинга и контроля транспорта и мобильных машин. Также данную технологию называю спутниковым мониторингом.
Спутниковый мониторинг работает на принципах отслеживания и анализа пространственно-временных координат, что в условиях практического применения исключает незапланированные рейсы и позволяет оптимально
загружать машинно-тракторный парк.
Спутниковый мониторинг является основой в системах управления перевозками TSM (Transportation management System) и автоматизированных системах управления автопарком FMS (Fleet Management System) для мониторинга пройденных маршрутов и их контроля [5; 6].
В Европе, в США, в Японии все эти системы реализовывались и развивались под государственным контролем этих стран в рамках развития автомобильной инфраструктуры. В нашей стране развитие систем спутникового мониторинга осуществляется в рамках развития Федеральных целевых программ «Глобальные навигационные системы» и «Повышение безопасности дорожного движения». Поэтому же принципу работает «ЭРА-ГЛОНАСС» - Российская государственная автоматизированная информационная система (ГАИС) экстренного реагирования при авариях. И если задачи ГАИС, это обеспечение оперативной информацией о ДТП и аварийных событиях на автомобильных дорогах, то задачи телематики в эксплуатации гораздо шире и включают в себя целый круг вопросов.
Для транспортных средств это:
1) контроль за соблюдением водителями скоростного режима;
2) контроль за транспортным средством;
3) контроль за режимом работы водителей;
4) снижение аварийности;
5) контроль режимов перевозки ответственных грузов.
Для мобильных и технологических машин этот перечень будет еще больше, так учитывает еще и технологическую составляющую работы с биологическими объектами [7]:
1) контроль местонахождения машины в конкретной геозоне (геометки);
2) контроль заправок, уровня топлива и других эксплуатационных материалов;
3) контроль соблюдения скорости технологических операций;
4) отчет количества моточасов и планирование технического
обслуживания (ТО);
5) учет рабочего времени смены, транспортных и рабочих режимов;
6) контроль работы на холостом ходу, под нагрузкой, работы с перегрузкой;
7) мониторинг прицепного оборудования;
8) функция видеонаблюдения за технологическими операциями и контроля несанкционированной отгрузки зерна.
Если представить в обобщенном виде, телематика рассчитана на повышение эффективности машинно-тракторного парка (МТА). Под эффективностью в данном случае понимается высокая производительность при низких затратах. Так как общая эффективность складывается из эффективности работы каждой машины, то снижение влияния человеческого фактора в управлении трактором или комбайном, увеличение рабочего времени за счет организации и логистики и постоянный мониторинга позволяют это сделать без увеличения капиталовложений в основные средства.
Все системы мониторинга и контроля машин по технологии работы с данными можно условно разделить на две группы:
1) офлайн (offline) системы (первого поколения и где нет покрытия сотовой связи);
2) онлайн (online) системы (самые распространенные).
Первые системы появились в 1970-х годах на транспорте и в качестве канала передачи данных использовалась телефонная сеть и специальные каналы радиосвязи. Недостатком таких систем было отсутствие автоматизированной обработки и передачи, отсутствие единых стандартов, слабое покрытие сигнала, низкая скорость передачи по сетям, отсутствие должной инфраструктуры. Только появление программного обеспечения в этой сфере в 1990-х годах привело к созданию полностью работоспособной системы.
Такие системы были с передачей данных отсроченного времени, т.е. данные записывались на устройство хранения контроллера мобильной машины и данные о работе считывались по приезду в диспетчерский пункт. Данные
также перезаписывались с магнитного устройства хранения, что также было неудобно и отнимало много времени.
Все современные системы мониторинга и контроля машин программного уровня и включают в себя клиентскую часть, контролер (модуль, железо, черный ящик) и серверную часть (программное обеспечение, хранение, обработка данных) [8].
Такая структура позволяет перенести вычислительные мощности на облачные технологии (серверы компании), что дает общий доступ ко всем машинам из любой точки, а также объединяет все машины в единую сеть (рисунок 1).
Рисунок 1 - Иерархия (схема построения) облачной технологии работы с данными в системах мониторинга и контроля мобильных машин
Система, с точки зрения иерархии построения алгоритмов, представляет собой мобильный Web клиент, который посредством сети Интернет и
мобильной сети позволяет получать данные о технике из любой точке мира.
Конечные пользователи (руководители и инженерные службы) получают доступ к данным через единый сервер.
Центры обработки данных компании (ЦОД) позволяют сконцентрировать вычислительные ресурсы и средства хранения информации, что позволяет получить рабочие места как услугу и программное обеспечение как услугу SaaS (англ. software as service, SaaS) (рисунок 2). Облачная технология SaaS позволяет не только перенести сложные вычисления на сервер, но и снижает технические и вычислительные требования к конечному устройству пользователя.
GPS GLOYVSS
Машивно тракторный парк
ОПЕРАТОР С ОТОВОЙ С ВЯ Ш
ОПЕРАТОР СПУТНИКОВОЙ СВЯЗИ
(Услуги передаче данных I
(Услуги передачи данных)
ОПЕРАТОР УСЛУГ ТЕЛЕМАТИКИ
(Ус тугн ооработкн. хранения и анализа данных)
АБОНЕНТ (Предприятия организации)
Рисунок 2 - Иерархия (схема построения) сервиса SaaS в системах мониторинга и контроля мобильных машин
Подключение к нему может осуществляться с любого устройства,
имеющего доступ в Интернет через Web клиент с помощью браузера или же через мобильное приложение.
Данные о машинах пользователь может получить из приложения или веб версии системы с помощью стандартного браузера.
С точки зрения построения схем существует множество других систем. Как правило, они используются там, где нет устойчивого покрытия сотового сигнала. Эти схемы используют в качестве сетей передачи данных WI FI или радиосети (например, УКВ диапазоны). В этом случае используют локальные сервера. Это отдельные компьютеры, которые используются в диспетчерских и логистических пунктах транспортных компаний. Реже эти системы вообще не связаны с общими сетями Интернет и все данные передаются в пределах локальной обособленной сети. Существует множество ограничений таких схем, как на общее использование данных, так и на дальность работы таких систем, помехоустойчивость и т.д. Поэтому эти системы заменяют на современные (с мобильным модемом и единым сервером). Сейчас они менее распространены, сложные в эксплуатации и обслуживании и в данном учебном пособии они подробно не рассматриваются.
По конструктивному исполнению устройство спутникового мониторинга можно представить в виде двух основных блоков. Это GNSS трекер, который определяет местоположение (геопозицию) машины и модуль передачи данных.
GNSS трекер обычно выполняют в виде единого моноблока с выходами внешней антенны GPS/GLONASS для повышения точности позиционирования. Модуль передачи данных обычно выступает GPRS или 3G модем сотовой связи с SIM картой единого оператора мониторинга или с дополнительной SIM картой коммерческого оператора сотовой связи.
Наиболее сложные системы, работающие в суровых районах, не имеющие устойчивого покрытия сотовой связи дополнительно могут оснащаться спутниковым модулем, передающим закодированные пакеты данных через оператора спутниковой связи. Эти системы наиболее дорогие, необходимо подключать 2 подписки (абонентская плата за сотовый и
спутниковый сигнал), к тому же тарифы спутниковой связи значительно дороже тарифов сотовых операторов.
Пример наиболее распространенной общей схемы блока телематики представлен на рисунке 3.
I ^
БЛОК КОНТРОЛЛЕРА
1'
МОДЕМ СПУТНИКОВЫЙ
СР118/3 С/4 С ЬТЕ ТРЕКЕР
ПРОЦЕССОР
БЛОК ПИТАНИЯ
Рисунок 3 - Общая схема блока телематики мобильных машин
По конструкции все системы мониторинга и контроля мобильных машин можно условно разделить на [9]:
1) мобильные GPS-трекеры;
2) OBD трекеры;
3) встраиваемые контроллеры.
Мобильные СР8-трекеры представляют собой законченные устройства с собственным источником питания. К ним можно отнести все мобильные устройства с отслеживание перемещения. Это могут быть как мобильные GPS-маяки, так и персональный гео-трекинг (смарт часы, приложения для смартфона).
Эти устройства не имеют подключения к бортовой электрической сети
автомобиля и полностью автономны. SIM карта вставляется в корпус устройства, подзарядка осуществляется через порт USB сетевым зарядным устройством. Как правило, небольшого размера, имеют магнит для удобства крепления на кузове машины (рисунок 4).
Рисунок 4 - Автомобильный GPS-трекер Рисунок 5 - Автомобильный OBD-трекер
Второй разновидностью таких устройств являются ОББ трекеры. Не требуют постоянной подзарядки, питание осуществляется через стандартный диагностический разъем OBD II автомобиля (рисунок 5). В случае подключения к трактору или комбайну, из-за отсутствия OBD II разъема требуется подключение переходников.
Их преимуществом является небольшие габаритные размеры, возможность установить скрытно. Недостатками устройств первого и второго типа является то, что они не имеют интеграции с машиной, поэтому не могут показывать параметры эксплуатации. Обычные трекеры требуют периодической подзарядки.
Встраиваемые контроллеры также можно разделить на две большие группы:
1) встраиваемые от завода-изготовителя штатно;
2) навесные встраиваемые от стороннего производителя.
Первый тип систем представляет собой решения заводов - изготовителей мобильной техники. Обычно это отдельный блок - контроллер системы
дистанционного мониторинга и контроля мобильных машин или дооснащаемая штатная система управления. В этом случае используется единый контроллер для управления и для всех других технических решений точного земледелия (единая экосистема программных продуктов компании). Пример встраиваемых штатных систем это CLAAS TELEMATICS для тракторов и комбайнов фирмы CLAAS, JDLink для техники компании JOHN DEERE, AGROTRNIC RSM для комбайнов и тракторов фирмы Ростсельмаш, GAZ Connect для автомобилей группа компаний «ГАЗ», AFS Connect для техники фирмы CASE IH, PLM Coonect для техники фирмы New Holland и другие.
Преимущества данных систем:
1) устанавливается на заводе - изготовителе;
2) гарантия завода - изготовителя;
3) единый интерфейс программ;
4) широкие возможности интеграции в системы машин;
5) возможность диагностики и ТО;
6) легкость установки и дооснащения;
7) ничего не нужно сверлить, все устанавливается в штатные места.
Недостатками данных систем являются:
1) нет поддержки контроллеров других производителей;
2) ограничение по маркам машин (только одной фирмы);
3) невозможность охвата всего парка машин и их анализа (транспортные, самоходные машины, комбайны, трактора и т.д.)
Системы дистанционного мониторинга и контроля машин от сторонних производителей обычно представляют собой программное решение, серверную часть и блок телематики [10]. Чаще всего кроме своего блока они зачастую поддерживают большинство контроллеров сторонних производителей. Зачастую библиотека устройств включает в себя более тысячи наименований контроллеров различных исполнений. Также такие решения позволяют их устанавливать на технику различных производителей, что удобно при анализе данных всего парка машин. Данные можно выгружать из единого приложения.
Преимущества данных систем:
1) открытая архитектура и возможность модернизации;
2) выбор степени интеграции с машиной;
3) дополнительные каналы подключения датчиков;
4) поддержка большинства контроллеров сторонних производителей;
5) экспорт данных в разные форматы;
6) установка на машины разных производителей.
Недостатками данных систем являются:
1) требуется «врезка» в штатную систему электроснабжения машины;
2) невозможность глубокой диагностики по шине CAN штатных систем;
3) иногда возникает «конфликт» со штатным оборудованием при подключении к общим цифровым каналам.
Примером таких систем являются Рухавик, Wialon, Автограф и другие.
Выводы. Проведенный анализ оборудования и открытых научных источников, опыт использования на предприятии по техническому обслуживанию и ремонту тракторов и автомобилей ООО МИП «ЭФФЕКТ ГАРАНТИЯ» (г. Саранск), позволил сформировать следующие практические рекомендации по использованию таких систем:
1) дешевле использовать серверный тип оборудования;
2) обязательно нужно смотреть частоты, на которых работает оборудование (для Американского рынка идут свои частоты, для Европейского свои);
3) поддержка большинства контроллеров сторонних производителей;
4) экспорт данных в разные форматы;
5) установка на машины разных производителей;
6) выбор степени интеграции в машину, чтобы в случае возникновения непредвиденных ситуаций (санкции, хакерская атака), невозможно было дистанционно «глушить» машину;
7) должна присутствовать функция анализа и экспорта данных в различные программы открытого типа (1С, Текстовые и офисные программы).
Библиографический список:
1. Купреева Е. Н. Инженерно-геодезические изыскания и методы геодезических съемок с применением GNSS-технологий / Е. Н. Купреева, В. П. Колевинская, А.А. Морозова // Академический журнал Западной Сибири. 2019. Т. 15. № 1 (78). С. 4-7.
2. Киселев С. К. Оценка достоверности данных спутниковой навигационной системы при управлении движением наземных мобильных роботов / С. К. Киселев, В. Т. Чан // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2021. Т. 10. № 2 (54). С. 12-15.
3. Plaksin I. E., Trifanov A. V. Plaksin S. I. (2018). Survey of agricultural application of automated and robotic complexes. AgroEcoEngineering, 4 (97), 74-83. (in Russian).
4. Розов Д. В. Транспортная логистика и управление качеством в транспортной сфере // Д. В. Розов // Вестник Тверского государственного технического университета. Серия: Науки об обществе и гуманитарные науки. 2021. № 3 (26). С. 77-80.
5. Vougioukas, S. G. (2019). Annual review of control, robotics, and autonomous systems. Agricultural robotics, 2:15.1-15.28.
6. Барамия Д. А. Система одновременной локализации и построения карты на основе подхода CORESLAM / Д. А. Барамия, М. С. Дьяков, С. А. Кузиковский, М. М. Лаврентьев // Автометрия. 2017. Т. 53. № 6. С. 77-82.
7. Santos L. C., Santos F. N., Solteiro Pires E. J., Valente A., Costa P. & Magalhaes S. (2020). Path planning for ground robots in agriculture: a short review. 2020 IEEE International Conference on Autonomous Robot Systems and Competitions (ICARSC), Ponta Delgada, Portugal, 61-66.
8. Serebrennyiy V. V., Metasov I. E., Shereuzhev M. A. (2017). Structure and algorithms of functioning of control systems for mobile robots for agricultural purposes. News of the Kabardin-Balkar scientific center of RAS, 6 (80), II, 210-220. (in Russian).
9. Na L., Gerasin O., Topalov A., & Karpechenko A. (2021). Analysis of tasks of monitoring and automatic control of agricultural mobile robot. Управлшня розвитком складних систем, (47), 174-179. https://doi.org/10.32347/2412-9933.2021.47.174-179.
10. Пономарев Д. А. ^стема реального времени для управления мобильным роботом / Д. А. Пономарев, Т. О. Кузьмина // Международный научно-исследовательский журнал. 2019. № 12-1 (90). С. 51-59.
