CC BY
123
УДК 004.9
СОЗДАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ ОПЕРАТИВНОГО МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ЖКХ.
Богатырев В.Е., Подмарькова Е.М.
Пензенский государственный университет, 400026, г.Пенза, ул. Красная 40,
тел/факс: (8412) 36-84-48,
e-mail: master [email protected], [email protected]
Bogatyrev V. E. , Podmarkova E.M.
Penza State University, 400026, Penza, Krasnaya str., 40,
Phone (8412) 36-84-48
e-mail: master [email protected], [email protected]
Аннотация
Рассмотрены некоторые аспекты системы беспроводного оперативного мониторинга и управления сетями городского теплоснабжения на основе сенсорных сетей, связанные с анализом и визуализацией геоинформационных данных. Перечисляются решаемые системой задачи, описывается подсистема сбора данных, а также указываются перспективы дальнейшего развития.
Abstract
The paper considers some aspects of the system of wireless real-time monitoring and management of urban heating networks based on wireless sensor networks, linked with analysis and visualization of geospatial data. The article lists the problems solved by the system, describes the data collection subsystem, and identifies the prospects for further development.
Ключевые слова
Мониторинг, беспроводные сенсорные сети, геоинформационная система, телеметрическая информация, визуализация.
Keywords
Monitoring, wireless sensor networks, geographic information system, telemetric information, visualization.
Введение
Качество и эффективность работы сотрудников предприятий жилищнокоммунального хозяйства (ЖКХ) напрямую зависит от своевременного получения
достаточной информации об объектах и инженерных коммуникациях, которые находятся на их обслуживании. Оперативный мониторинг инженерно-
коммуникационных узлов энергетических сетей и объектов коммунального фонда позволяет не только реагировать на возникновение внештатных и аварийных ситуаций, но и предотвращать разрушительные по своим масштабам последствия. Очень важно не только своевременное получение информации, но и представление ее в удобном для восприятия виде, с использованием ГИС технологий.
Конечной целью мониторинга инженерных коммуникаций ЖКХ является повышение энергоэффективности, внедрение энергосберегающих технологий для снижения расходов топливно-энергетических ресурсов на этапах транспортировки, распределения, потребления и утилизации энергоносителей. Рассмотрим решение данных задач на примере создания и эксплуатации системы беспроводного оперативного мониторинга городских тепловых сетей.
Транспортная среда системы мониторинга.
Система предназначена для удаленного мониторинга и контроля теплопотребления на объектах коммунального хозяйства и жилого фонда, входящих в состав городской сети теплоснабжения. Для создания транспортной среды мониторинга и сбора информации с цифровых теплосчетчиков, например ВКТ-5(7) производства ЗАО «Теплоком» [1], была выбрана гетерогенная сетевая структура. Она включает в себя сегменты, представляющие собой, беспроводные сенсорные сети стандарта 802.15.4 (ZigBee) [2],кроме того, на участках, где использование сенсорной сети невозможно, предлагается применение сетей сотовой связи GSM/GPRS/EDGE/3G[3,4]. Основными достоинствами сетей IEEE 802.15.4, являются самоорганизация, сверхнизкое энергопотребление, низкая стоимость, использование безлицензионных диапазонов, недорогие отладочные комплекты, программные системы с открытой архитектурой. Тепловычислители ВКТ-5 представляют собой электронные устройства, имеющие в своем составе специализированный процессор, способный исполнять программы, написанные на известных языках программирования. Коммуникационные возможности прибора представлены наличием цифровых интерфейсов RS-232C и RS-485 и возможностью использования модемов сотовой и телефонной связи.
Требования к разрабатываемой системе
Основной частью системы распределенного мониторинга является диспетчерский сервер с разрабатываемым программным обеспечением. В нашем случае при разработке системы мониторинга были учтены ряд объективных факторов и технических требований, а именно:
• Подключение и сбор информации с приборов учета, представленных в специализированном виде;
• Преобразование данных мониторинга в формат, удобный для передачи по гетерогенной транспортной среде;
• Архивирование телеметрической информации в хранилище данных для проведения пространственного анализа энергопотребления;
• Визуализация результатов мониторинга и пространственного анализа в наглядном виде для поддержки принятия решений руководителям;
• Подключение и получение результатов мониторинга на удаленных терминалах и мобильных средствах связи через Web-интерфейс и т.д.
При решении задач, направленных на обеспечение вышеперечисленных требований возникает ряд серьезных проблем.
Во-первых, каждое устройство для учета данных об энергоресурсах имеет свой встроенный, причем порой закрытый протокол. Адаптация серверного приложения под какой-либо протокол означает создание существенного ограничения на возможность модернизации программного обеспечения для подключения приборов иных производителей.
Во-вторых, недоступность протоколов обмена делает трудоемким процесс преобразования данных полученных из устройства учета и контроля энергоресурсов в универсальный формат протокольного стека TCP/IP.
Технология ОРС серверов
Для решения первых двух проблем существует технология разработки и использования OPC-серверов в традиционном исполнении SCADA систем управления технологическими процессами. Аббревиатура OPC расшифровывается как Object
Linking and Embedding (OLE) for Process Control - связывание и встраивание объектов для контролирования процессов. Фактически OPC-сервер представляет собой универсальный механизм сбора информации в системах контроля и управления, реализующий программные интерфейсы для известных промышленных спецификаций и протоколов обмена данными с приборами промышленной автоматики. OPC-сервер получает данные во внутреннем формате соответствующего устройства или ряда устройств и преобразует эти данные в формат, удобный для транспортировки и дальнейшего использования.
Использование технологии OPC-серверов позволяет интегрировать разнородные конечные устройства в единую распределенную SCADA систему без написания дополнительных драйверов контроллеров, на основе которых созданы практически все современные средства сбора телеметрической информации. В этом случае существенно сокращается время разработки и упрощается модификация ранее созданного программного обеспечения. Технология использования OPC-серверов дает возможность собирать данные с различных источников и архивировать их в реляционных, сетевых, иерархических базах данных, а также многомерных OLAP хранилищах.
Тогда для транспортировки результатов мониторинга на различные устройства возможно использование единого формата данных согласно протокольного стека TCP/IP, а для визуализации применение централизованного Web-интерфейса, что решает проблему интероперабельности и кроссплатформенности для мобильных средств связи, работающие на разных операционных платформах.
Общие сведения о ГИС.
ГИС - автоматизированная аппаратно-программная система, осуществляющая сбор, обработку, хранение, отображение и распространение пространственнокоординированной геоинформации. ГИС предназначена для решения научных и прикладных задач инвентаризации, анализа, оценки, прогноза и управления окружающей средой и территориальной организацией общества. Основу ГИС составляют автоматические картографические системы, а главным источником информации служат различные геоизображения. Под геоизображением понимается любая про-
странственно-временная масштабная генерализованная модель земных (планетных) объектов или процессов, представленная в графической образной форме [4].
ГИС - автоматизированная система для работы с графическими и тематическими базами данных, выполняющая функции моделирования и расчета, создания тематических карт и атласов, служащих для принятия разнообразных решений и осуществления контроля. ГИС позволяет быстро производить поиск данных, объединять и синтезировать большие объемы информации, изменять проекцию и масштаб геоизображения, определять и показывать пространственные взаимосвязи и т.п.[5,6]
Геоинформационная система позволяет организовать эффективное хранение данных различных типов, обеспечивать их дальнейшее использование в режиме многопользовательского и автономного доступа. Также ей отводится значимая роль визуализатора текстовой и графической информации, инструментального модуля, позволяющего оценить взаимосвязь объектов. Кроме того, ГИС является базовой платформой для многомерной интеграции информационных ресурсов различного тематического характера.
Состав ГИС.
Система ввода - программный блок, отвечающий за получение данных и взаимодействующий с аппаратным обеспечением ввода данных.
Графические БД - цифровая картографическая основа (ЦКО), состоящая из совокупности векторных или растровых примитивов и представляющая собой цифровую модель территории.
Атрибутивные БД - пространственно-географическая семантика картографической основы (пространственное описание территории).
Тематические БД - набор тематических слоев, описывающих прикладные аспекты решаемой задачи (например, социально-экономическая статистика).
Система визуализации - обеспечивает предварительную подготовку и экранную визуализацию пространственно-координированной информации в виде карт, таблиц, схем и т.п.
Система обработки и анализа - совокупность модельных и расчетных функций пространственно-геометрического и аналитического характера, а также инструментальные средства для реализации пользовательских функций различного назначения.
Система вывода - представление результатов работы в виде, удобном пользователю и взаимодействующая с аппаратным обеспечением вывода.
Интеграция ГИС в систему мониторинга.
Несмотря на наличие подробной информации о параметрах контролируемых
объектов ЖКХ, крайне трудоемко создать полную картину состояния узла тепло-или энергосети без пространственной визуализации результата. Для решения этой проблемы предлагается использовать геоинформационную систему.
Сбор данных для мониторинга осуществляется с использованием беспроводных сенсорных сетей. Имеющиеся теплоцентрали оснащаются сенсорными ZigBee модулями с датчиками сопротивления [7]. Модули устанавливаются в местах замыкания шлейфа для контрольных измерений передачи информации о сопротивлении проводников. Таким образом, происходит считывание телеметрических данных с датчиков. После того, как данные собраны, происходит их преобразование в формат многомерного хранилища данных с последующей их конвертацией в таблицы DBF для использования в ArcGIS, для последующей визуализации и возможности проведения пространственного анализа. Для этого используется специально разработанный конвертер.
В дальнейшем, конечный пользователь может оперативно просмотреть эту информацию, щелкнув мышкой по интересующему его объекту, который представляет собой пиктограмму здания жилого фонда, промышленного узла, котельной, участка теплотрассы на цифровой карте в ГИС.
Рис. 1. Пример визуализации данных системы в ГИС.
Заключение
Создание комплексной системы оперативного дистанционного мониторинга инженерных коммуникаций и объектов коммунального хозяйства дает возможность своевременного получения и анализа информации для принятия решений по оптимизации и повышения эффективности при распределении и потреблении энергоресурсов, а также реализации системы раннего предупреждения и оповещения об аварийных и внештатных ситуациях.
В дальнейшем планируется расширить возможности системы модулями оперативного и интеллектуального анализа, пространственного анализа и комплексного статистического анализа, а также повысить удобство работы с данной системой путём использования математических графовых моделей для оптимизации инженерных сетей и т.п. Кроме того, планируются расширить систему возможностью автоматизированного высококачественного оформления карт.
Список литературы.
1. Бождай А.С. Сетевые технологии. Учебное пособие / А.С. Бождай, Финогеев А.Г. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2009.
2. Финогеев А.Г. Исследование методов и принципов управления информационными процессами в сенсорных и ячеистых сетях нового поколения / А.Г. Финогеев, А.М. Бершадский, В. А. Маслов, А. А. Финогеев и др.- Информационная карта НИР № 2.1.2/979: АВЦП “Развитие научного потенциала высшей школы”, Рег. № ВНТИЦ И091207132551. - Пенза, ПГУ, 2009.
3. Базулев А. Разработка систем телеметрии с применением технологии беспроводной передачи данных.- Новости электроники, 2010.
4. Варгаузин, В.А. Радиосети для сбора данных от сенсоров, мониторинга и управления на основе стандарта IEEE 802.15.4 // Теле - МультиМедиа №6.2005.- C. - 23 - 27Degani A.
5. Methodological observation on the state of geocartographic in the of systems. //
Map Data Process. Proc. NATO Adv. Study Inst. Maratea, June 18-29, 1979, Acad. Press. 1980, P.. 207-220.
6. Картография и геоинформатика - их взаимодействие. - М, 1990. - C. 159.
7. Основы геоинформатики: В 2-х кн. Кн. 1: Учеб. пособие для студ. вузов / Е.Г.Капралов, А.В.Кошкарев, В.С.Тикунов и др.; под ред. В.С.Тикунова. - М.: Издательский центр "Академия", 2004.
