CC BY-NC
28Современные беспроводные технологии: проблемы применения для модернизации систем для внутритрубной диагностики газопроводов
Юрьева Радда Алексеевна
кандидат технических наук
аспирант, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных
технологий, механики и оптики
197701, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49, каб. 231
И raddayurieva@gmail.com
Ведерников Кирилл Александрович
магистр, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49
И vedernikov@diakont.com
Тимко Андрей Сергеевич
студент, кафедра СиТТБ, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кронверкский Проспект, 49
И timko.andrew@gmail.com
Перезябов Олег Аркадьевич
ассистент, кафедра СТТБ, Университет ИТМО 197900, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кронверкский, 49
ЕЗ nurmanity@yandex.ru Статья из рубрики 'Телекоммуникационные системы и компьютерные сети"
Аннотация.
В настоящее время основным методом контроля эксплуатируемых газопроводов, проложенных пол землей, стала внутритрубная диагностика, осуществляемая путем сканирования их внутренней поверхности. Использование автоматизированных киберфизических систем неразрушающего контроля газопроводов позволит повысить уровень техногенной безопасности. В статье рассматриваются виды беспроводных технологий, проводится анализ эффективности использования технологии W Fi для модернизации процесса неразрушающего контроля трубопровода в режиме реального времени. Выдвигается гипотеза о работе трубопровода в качестве волновода при беспроводной передаче данных. Для решения поставленной задачи используются методы теории передачи данных, теории графов, аналитическое и имитационное моделирование. Научная новизна заключается в выборе и обосновании выбора использования способа передачи данных результатов неразрушающего контроля по беспроводной линии связи в режиме реального времени на основе анализа
передаваемых данных и существующих технологий, а также модернизации конструкции киберфизической системы для внутритрубной диагностики газопровода, проложенного под землей.
Ключевые слова: киберфизическая система, W i F i , беспроводные технологии, внутрутрубная диагностика, неразрушающий контроль, передача данных,
роботизированная система, визуальный осмотр, WiMax, лазерная профилометрия
DOI:
10.25136/2306-4196.2018.4.27242
Дата направления в редакцию:
31-08-2018
Дата рецензирования:
26-08-2018
Киберфизическая система (КФС) для внутритрубной диагностики газопровода линия связи состоит из соединительного кабеля и берегового барабана с соединительным кабелем и обеспечивает подачу питания на оборудование передающей части и возможность дистанционного управления оборудованием передающей части КФС на расстоянии до 500 м.
В настоящее время информация передается по технологии доступа VDSL2 с использованием медных проводов соединительного кабеля. Несмотря на то, что VDSL2 является новейшим стандартом xDSL широкополосных проводных коммуникаций, скорость передачи информации не позволяет в полной степени эксплуатировать существующее оборудование и проводить модернизацию.
Пути решения этой проблемы заключаются в переходе на другую среду распространения сигнала - оптический кабель - или же на беспроводную технологию передачи данных -Ш.
Одной из главных проблем беспроводных сетей является невозможность локализации радиоволн в ограниченном пространстве. В случае с использованием КФС внутри трубопровода эта проблема может быть решена спецификой выполнения работ. Выдвигается гипотеза, что трубопровод будет служить экраном от электромагнитных помех, а геометрия трубопровода при этом не оказывает влияния на качество передачи информации. КФС для внутритрубной диагностики с применением беспроводной передачи данных теоретически может быть реализована, так как проблема электромагнитной совместимости может быть решена на этапах разработки системы.
Условия эксплуатации КФС могут оказаться критичными для использования оптического волокна в составе соединительного кабеля, так как во время выполнения работ кабель испытывает продольные и поперечные нагрузки. В связи с этим целесообразно перейти на беспроводную передачу данных, а передачу питающих напряжений оставить в соединительном кабеле, отказавшись от бортового аккумуляторного питания и не
усложняя аварийное извлечение из трубопровода Для модернизации КФС беспроводной передачей данной был проведен анализ существующих технологий беспроводной передачи данных (табл. 1).
Таблица 1 - Аналитический обзор беспроводных технологий
Технология Стандарт Использование Пропускная способность Радиус действия Частоты
Инфракрасный порт IrDa W PAN до 16 Мбит/с от 5 до 50 см
Bluetooth v. 1.1 802.15.1 W PAN до 1 Мбит/с до 10 метров 2,4 ГГц
Bluetooth v. 2.0 802.15.3 W PAN до 2,1 Мбит/с до 100 метров 2,4 ГГц
B lue tooth v. 3.0 802.11 W PAN от 3 Мбит/с до 24 Мбит/с до 100 метров 2,4 ГГц
UWB 802.15.3 a W PAN 110-480 Мбит/с до 10 метров 7,5 ГГц
ZigBee 802.15.4 W PAN от 20 до 250 Кбит/с 1-100 м 2,4 ГГц
Wi-Fi 802.11 a W LAN до 54 Мбит/с до 300 метров 5,0 ГГц
Wi-Fi 802.11 b W LAN до 11 Мбит/с до 300 метров 2,4 ГГц
Wi-Fi 802.11 g W LAN до 54 Мбит/с до 300 метров 2,4 ГГц
Wi-Fi 802.11 n W LAN до 450 Мбит/с до 300 метров 2,4 -- 2,5 или 5,0 ГГц
Wi-Fi 802.11ac W LAN до 1 Гбит/с до 300 метров 5 ГГц
WiMax 802.16 d W MAN до 75 Мбит/с 25-80 км 1,5-11 ГГц
WiMax 802.16 e Mobile W MAN до 40 Мбит/с 1-5 км 2,3-13,6 ГГц
Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом, по крайней мере, одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений.
Основным отличием Wi-Fi от WiMAX является радиус действия [6].
По стандарту 802.11n устройства могут использовать диапазоны 2,4 ГГц или 5 ГГц, что повышает надёжность связи, уменьшая влияние радиочастотных помех. Для возможности корректного выбора беспроводной технологии передачи данных из перечня, приведенного в сводной таблице 1, был проведен анализ трафика.
При помощи виджета по выводу данных учета исходящей и входящей скорости получаемого и отдаваемого трафика были получены значения необходимой скорости передачи данных для каждого модуля. Проверка показала, что для стабильной работы диагностических модулей максимальная пропускная способность должна быть не менее
70 Мб/сек. Измеренный объем данных, передаваемых по линии связи в единицу времени приведен в таблице 2.
Предполагается, что Wi-fi модемы обеспечит передачу видеоинформации с вспомогательных технических устройств и насадок, а также передачу результатов на оборудование приемной части при проведении контроля. Узконаправленная антенна будет обеспечит усиление сигнала передачи информации для возможности увеличения дальности контроля от места загрузки.
Таблица 2 - Объем данных, передаваемых по линии связи в единицу времени
№ п/п
Диагностический модуль
Внешний вид
Скорость
передачи,
Мб/сек
Модуль ЭМА
15
Модуль лазерной профилометрии
60
Камера КВИК
70
Описание экспериментальных исследований
Во время проведения диагностических работ на объектах транспорта и хранения газа были проведены испытания на возможность установления связи (при помощи двух Wi-Fi роутеров) между системой управления и средством доставки, загруженным в трубопровод.
Рисунок 1 - Срез трубы для проведения экспериментальных исследований
1
2
3
Оба устройства настроены на автоматическое соединение между собой. Роутер со стандартными антеннами подключен через Ethernet кабель к ноутбуку. Этот роутер устанавливается в технологический рез и крепится на срезе трубопровода. Точка доступа закрепляется на корпусе средства доставки. Устройства находятся в прямой видимости, настраивается связь и по мере удаления средства доставки от места загрузки снимаются показания уровня входного сигнала.
Результаты проведенных испытаний представлены в таблице 3.
При помощи виджета по выводу информации об уровне Wi-Fi соединения были получены значения уровня входящего сигнала в зависимости от расстояния между модемами.
Таблица 3 - Значения уровня входящего сигнала от расстояния
Расстояние, м Сила сигнала, дБ Геометрия участка
61 -22 Участок с изгибами
91 -23 Участок с изгибами
122 -27 Участок с изгибами
152 -30 Участок с изгибами
183 -33 Участок с изгибами
260 -35 Участок с изгибами
290 -35 Участок с изгибами
350 -36 Участок с изгибами
Участок с изгибами был выбран с наличием 2-х отводов с углом поворота 90 градусов. Схема маршрута, на котором проводился эксперимент, приведена на рис. 2.
Рисунок 2 - Схема маршрута проводимого эксперимента
Испытания проводились в трубопроводе номинальным диаметром 1000 мм.
При нахождении средства доставки на расстоянии 350 метров от технологического реза, уровень сигнала составил -36 дБ.
На открытой площадке показатель -36 дБ был измерен только на расстоянии 3 метров. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что теория трубопровода в качестве волновода действительно работает.
По результатам экспериментальных исследований по измерению уровня входного сигнала беспроводной точки передачи данных, установленной КФС и анализа влияния электромагнитных помех на качество передачи информации можно сделать вывод о том, что модернизация КФС путем подключения ее к беспроводной сети с последующим увеличением производительности системы реализуема.
Библиография
1. Юдина М.А. Индустрия 4. 0: перспективы и вызовы для общества Государственное управление. Электронный вестник 2017, [Электронный ресурс], URL:https://cyberleninka.ru/article/v/industriya-4-0-perspektivy-i-vyzovy-dlya-obschestva(дата обращения 08.05.2018).
2. Юрьева Р.А., Тимко А.С., Ведерников К.А., Мальцева Н.К. К вопросу о технологии беспроводной передачи данных для построения линии связи теледиагностического комплекса // Кибернетика и программирование-2017. № 5. С. 46-53.
3. AnastasiiaVoropaeva, Alexander Pyattaev, Mikhail Gerasimenko, Sergey D. Andreev, Yevgeni Koucheryavy. On feasibility of coding-based 3GPP LTE coverage enhancements for MTC. ICC Workshops 2015, pp.1201-1206, 2015.
4. В.Вишневский, С.Портной, И.Шахнович — Энциклопедия WiMax. Путь 4G. М.: Техносфера, 2009 г. — С. 472 — ISBN 978-5-94836-223-6.
5. Cyber-PhysicalSystems-a ConceptMap [Электронный ресурс], URL: https://ptolemy.berkeley.edu/projects/cps/ (дата обращения 08.05.2018).
6. Ястреб Н.А. Промышленные революции: понятие и периодизация... [Электронный ресурс], URL: http://techno.vogu35.ru/docs/2015/Industria_4_0_Yastreb.pdf, дата обращения 08.05.2018.
7. Макарычев Д.А. «Результаты внутритрубной диагностики трубопроводов КС, подверженных КРН, с применением сканера-дефектоскопа А2072 «IntroScan» // II Научно-технический семинар: Повышение надежности МГ, подверженных КРН, ООО «ВНИИГАЗ», г. Москва, 24-26 мая 2016 г.
[8] Коробейников А.Г., Гришенцев А.Ю., Кутузов И.М., Пирожникова О.И., Соколов К.О., Литвинов Д.Ю. Разработка математической и имитационной моделей для расчета оценки защищенности объекта информатизации от несанкционированного физического проникновения // Кибернетика и программирование. - 2014. - 5. - C. 14 - 25. DOI : 10.7256/2306-4196.2014.5.12889.
[9] В.Вишневский, С.Портной, И.Шахнович — Энциклопедия WiMax. Путь 4G. М.: Техносфера, 2009 г. — С. 472 — ISBN 978-5-94836-223-6.
[10] Федеральный закон от 21.07.1997 № 116-ФЗ «О промышленной безопасности опасных производственных объектов». Москва, Кремль, 21 июля 1997 года.
[11] Cai, N., Yeung, R.W. Network coding and error correction, Proceedings of IEEE Information Theory Workshop, pp. 119-122, 2002.
