CC BY
61
УДК 004.5; 614.7
Е.А. Хлебус, В.Я. Дурновцев
Распределенный аппаратно-программный комплекс мониторинга радиационной обстановки с Web-базированным доступом
Ставится задача предоставления публичного коллективного доступа к результатам мониторинга радиационной обстановки. Предлагается решение поставленной задачи с использованием Web.
Ключевые слова: радиационный мониторинг, Web-базированный доступ.
Введение
На территориях, находящихся под потенциальной угрозой радиационного заражения, необходимо осуществлять непрерывный мониторинг состояния среды обитания человека. Одним из основных требований, выдвигаемых к подобному мониторингу, является требование актуальности и максимальной публичности данных. В условиях обширного географического разброса производственных мощностей и сложного, многофакторного их влияния на состояние окружающей среды, обеспечение и поддержание актуальности информации о результатах мониторинга может быть осуществлено лишь автоматизированными средствами.
Построение комплексной автоматизированной системы мониторинга территорий представляет собой весьма сложную проблему. Ее решение, как и для большинства сложных проблем, может быть найдено декомпозицией на отдельные задачи. В рамках данной работы предпринимается попытка решения одной из наиболее важных задач в подобных системах - предоставление публичного, непрерывного доступа населения к результатам мониторинга.
В настоящее время текущая задача либо не решена вовсе, либо решена не полностью, и в первую очередь из-за применяемых методов построения таких систем.
Методы построения
Основным методом, применяемым в эксплуатирующихся системах [1], является метод закрытой централизованной архитектуры аппаратно-программного комплекса. Суть данного метода состоит в использовании специализированных, закрытых по типу аппаратных и программных решений с централизованным управлением проведением измерений, считыванием и хранением информации из диспетчерского поста. Применение подобной архитектуры делает задачу предоставления публичного доступа и одновременной актуальности данных фактически не разрешимой, либо требующей крупных капитальных затрат.
Формирование публичной отчетности в системах с подобной архитектурой происходит посредством составления ежемесячных сообщений, распространяемых через средства массовой информации.
Помимо низкой актуальности данных, предоставляемых населению территорий, в ряде случаев аппаратная архитектура измерительной части в существующих системах организована таким образом, что при продолжительном отсутствии считывания информации с измерительных блоков происходит переполнение их разрядной сетки с полной дальнейшей потерей достоверности результатов мониторинга.
Перечисленные выше недостатки возможно исключить применением метода, который может быть условно назван распределенным (в плане вычислительных ресурсов) с открытой аппаратно-программной архитектурой. Исходя из постановки задачи, необходимо организовать либо выбрать среду, позволяющую представить данные в удобной для передачи, распространения и восприятия неподготовленным пользователем форме. Одной из сред, обеспечивающих довольно простой доступ, колоссальный и все увеличивающийся информационный охват населения территорий, является World Wide Web -Всемирная паутина. Для организации доступа к результатам мониторинга в системе на базе Web достаточно организовать ссылку на ресурс посредством указания URL - универсального локатора ресурсов.
Также важной особенностью Web является применение открытой аппаратной и программной архитектуры, т.е. оборудование, работающее в рамках Интернет, и реализующие парадигму Web программные средства строятся по принципу открытых стандар-
тов, что позволяет легко масштабировать и модифицировать распределенную систему для обеспечения унифицированного доступа к ресурсам [2].
Аппаратная реализация
В реализацию приведенного выше условия для системы мониторинга радиационной обстановки может быть предложена следующая концептуальная аппаратная схема (рис. 1).
Нижний уровень
Верхний уровень
Измерительный блок 1
Измерительный блок N
Пост мониторинга
Свободно-программируемый контроллер
Аппаратура передачи данных
Диспетчерский пост
ЭВМ Диспетчера
Измерительный блок 1
Измерительный блок N
Пост мониторинга
Свободно-программируемый контроллер
Аппаратура передачи данных
память
Табло
Коллективный доступ
ЭВМ локального пользователя ЭВМ локального пользователя
Аппаратура передачи данных Аппаратура передачи данных
ЭВМ удаленного пользователя ЭВМ локального пользователя
Аппаратура передачи данных Аппаратура передачи данных
ЭВМ Пользователя ЭВМ Пользователя
Аппаратура передачи данных Аппаратура передачи данных
1
Рис. 1. Аппаратная архитектура
Аппаратная архитектура системы имеет двухуровневую структуру. На нижнем уровне в составе постов мониторинга оборудование представлено наборами измерительных модулей. Измерительные модули могут быть как на основе микропроцессоров, в которых реализованы методики проведения измерений, так и иметь вид первичных измерительных преобразователей.
В первом случае по заданному временному алгоритму происходит опрос из контроллерного модуля, также входящего в состав аппаратурной части. Во втором случае на контроллерном модуле реализуется еще и методика измерения, а связь осуществляется через нормализаторы сигнала. Помимо этого, контроллерный модуль отвечает за общее управление проведением измерений, временное хранение информации на энергонезависимом носителе в составе поста, а также за передачу данных на информационное табло и верхний уровень системы.
Например, в рассматриваемой системе для мониторинга радиационной обстановки основными параметрами, подлежащими контролю, являются: мощность эквивалентной (экспозиционной) дозы, скорость и направление ветра, а также температура, влажность и давление атмосферного воздуха. Таким образом, в системе задействованы измерительные блоки, состав и характеристики которых приведены в таблице.
Для используемой метеорологической станции производителем реализованы методики проведения измерения, и необходимо лишь программно реализовать их периодический опрос.
Что касается блока детектирования гамма-фона, то его показания считываются посредством программируемого 32-разрядного пересчетного блока ADAM-4080D по алгоритму «бегущее среднее».
Информационный обмен ведущего микроконтроллерного модуля и обоих измерительных модулей осуществляется по протоколу ASCII.
Измерительные блоки аппаратного обеспечения
Тип измерительного прибора Основные характеристики
Блок детектирования мощности дозы гамма-излучения БДМГ-08Р (плюс программируемый пересчетный блок с последовательным интерфейсом) Измеряемые параметры: Мощность экспозиционной дозы гамма-фона: от ~ 10 мкР/ч до 10 мР/ч Погрешность измерения: не более 25%
Метеостанция Vaisala Измеряемые параметры:
WXT-520 Температура Диапазон -52...+60C
Точность При +20°C: ±0,3°C
Разрешение 0,1°C
Влажность Диапазон 0...100%
Точность ±3% при 0...90%
Разрешение 0,1%
Атмосферное Диапазон 600...1100 гПа
давление Точность ± 0,5 гПа при 0...30 °C, ± 1 гПа при -52...+60 °C
Разрешение 0,1 мм рт. ст.
Ветер: Скорость:
Диапазон: 0...60 м/с
Точность Не более ±0,3 м/с для диапазона 0-35 м/с, ±5% для 36-60 м/с
Направление:
Азимут 0...360°
Точность ±3,0°
Разрешение 1°
Осадки: Дождь
Площадь сбора 60 см2
Точность су- Не более 5%
точного
накопления
Град
Разрешение 0,1 удара/см2/ч, 1 удар/ч
Диапазон суммарного объема информационного пакета Vs с измерительной информацией для однократного циклического опроса (1 мин - в штатом режиме) приведенных модулей составляет:
= Vr + Vmmin = 16 + 126 = 132 байта, Vsmax = Vr + Vmmax = 16 + 138 = 144 байта, где Vm - объем информации от метеостанции (19 параметров); Vr - объем информации счетного блока (после предобработки).
Приведенный выше объем измерительной информации предварительно сохраняется во встроенную Flash-память программируемого GSM-терминала, используемого для передачи информации и опроса измерительных модулей на нижнем уровне системы. С заданной периодичностью информация передается на диспетчерский уровень.
Аппаратура верхнего уровня может быть разделена на две составляющие - постоянную (диспетчерский пост) и подключаемую (аппаратура пользователей публичного, коллективного доступа).
Состав оборудования диспетчерского поста представлен группой ЭВМ с сетевыми аппаратными интерфейсами в своем составе либо с внешней аппаратурой передачи данных. Каждая ЭВМ в составе диспетчерского поста выполняет определенный набор функций, и, в принципе, конфигурация ЭВМ и их количество могут быть различными. Единственным требованием, предъявляемым к конфигурации, являются надежность приема, хранения данных мониторинга, а также обеспечение приемлемого времени отклика на запросы о Web-доступе к результатам мониторинга, поступающие от групп ЭВМ пользователей подуровня коллективного доступа.
Физическое расположение аппаратуры диспетчерского уровня в случае использования Интернет не играет решающей роли. Доступ диспетчера может осуществляться так же, как и коллективный доступ, посредством обычного терминального ЭВМ в любой точке планеты из Web-браузера.
Программная реализация
Программное обеспечение (ПО), вслед за аппаратным, архитектурно может быть поделено на две составляющие (рис. 2.) - нижнего и верхнего уровней. Так как в нашей системе для взаимодействия используется Web-среда, то для обмена информацией применяется стек протоколов TCP/IP. Протоколы нижнего уровня TCP/IP обычно реализуются аппаратно либо в виде набора стандартных библиотек.
Помимо организации межуровневого взаимодействия, ПО нижнего уровня отвечает за реализацию методики измерения (в случае микропроцессорных измерительных модулей необходимо реализовать лишь опрос модулей) групп параметров (например, таких, как значения экспозиционной дозы, температуры, направления и скорости ветра). Также оно отвечает за передачу информации на хранение в энергонезависимую память с последующей передачей на информационное табло.
ПО верхнего уровня системы представлено инструментами, позволяющими организовать Web-базированный доступ. В их состав, помимо операционной системы, входят Web-сервер (например, в данной работе нами использовался Apache), система управления реляционной базой данных (MySQL) и инструмент для обработки динамических запросов на сохранение и выборку данных из базы пользователями различных категорий (например, препроцессор гипертекста PHP).
Нижний уровень
Верхний уровень
Алгоритм измерения
Простое измерение
Алгоритм измерения
Простое измерение
Пост мониторинга
Интерфейсы Приложение в контроллере
Аппаратура передачи данных
Flash-память
Табло
Command Command ! HTTP.GET
TCP CSD ? TCP
IP [ IP
MÄC RF 1 MÄC
_ LLC/RF L LLC/RF
ЭВМ Web-b пользователя rowser 1
' ОС
Коллективный доступ
ЭВМ Web-b пользователя owser 1
' ОС
Mo6i We льное устройство b-browser
' Мобильная ОС
Сот Web-br овый телефон owser
Прошивка
Рис. 2. Архитектура программного обеспечения
На уровне коллективного доступа ПО представлено разнородными по составу ядра и функциям операционными системами, располагающимися на различных аппаратных платформах, и Web-браузерами как составляющей для взаимодействия на уровне протокола передачи гипертекста и преобразования данных к виду страниц в разметке таких языков, как HTML и XML.
Тестовые результаты
После разработки алгоритмов взаимодействия между постами мониторинга и диспетчерским уровнем последнее, что необходимо сделать для организации доступа пользователей 2-й категории к системе, это создание визуального оформления результатов мониторинга в виде отдельного Web-сайта (Web-дизайн). Web-дизайн в ответственных измерительных системах представляет собой отдельную проблему, однако в простейшем случае вполне достаточно организовать материал в виде таблиц и графиков по отдельно-
сти для каждого поста мониторинга с помощью языка гипертекстовой разметки HTML и языка сценариев PHP, который позволяет сформировать данные не только в виде табличных форм, но и в графическом виде (например, используя библиотеку JpGraph).
Для рассматриваемой нами системы графический интерфейс может выглядеть подобно Web-сайту, страница которого представлена на рис. 3.
^Автоматизированная система радиационно-метеорологического мониторинга - Mozilla Firefox
JnJxJ
Главная Пост №1 Пост №2 Пост №3
Пост №5
Пост №6
Пост №9
Пост №10
Данные с автоматизированного поста №1 Экспозиционная доза, мкР/ч
Пост №4 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00
Температура, град. Цельсия
Пост №7 -2i
Пост №8
Скорость ветра, км/ч
14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 00:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00
Copyright © 2010 Кафедра ЭиАФУ
Рис. 3. Web-доступ к данным автоматизированного поста мониторинга №1
Заключение
В работе ставится задача организации коллективного, публичного доступа к результатам мониторинга радиационной обстановки на территориях, находящихся под угрозой заражения.
Решение обеспечивается применением метода построения, который может быть назван открытым с распределенной архитектурой. Это позволяет организовать доступ к данным с применением Web-технологий. Этим, в конечном счете, обеспечивается наглядный, привычный для большей части населения доступ к информации посредством вызова Web-сайта из окна Web-браузера. Переход к ресурсу осуществляется по URL (через ссылку либо вводом в адресную строку). Все эти операции не требуют особых навыков, а также установки дополнительного ПО.
Литература
1. Государственная корпорация «Росатом». Данные АСКРО [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://www.rosatom.ru/ru/safety/askro/, свободный (дата обращения: 20.05.2010).
2. Таненбаум Э. Распределенные системы. Принципы и парадигмы / Э. Таненбаум, М. ван Стеен. - СПб.: Питер, 2003. - 877 с.
Хлебус Евгений Александрович
Аспирант каф. электроники и автоматики физических установок Северского технологического института Эл. почта: hlebus@rambler.ru
Дурновцев Василий Яковлевич
Канд. техн. наук, доцент, зав. каф. электроники и автоматики физических установок
Северского технологического института
Тел.: (382-3) 78-02-35
Эл. почта: vasiliev@ssti.ru
Khlebus E.A., Durnovtsev V.Y.
Distributed hard- and software monitoring complex for environmental radiation with a Web-based access
In the paper, the problem of public access to the radiation monitoring system is stated. The Web-based
decision of the problem is suggested.
Keywords: radiation monitoring,Web-based access.
