Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СИСТЕМА СОПРОВОЖДЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ
КАК ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ 17
1.1. АНАЛт СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ
ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ 20
Методы навигационного счисления.,..,..,.. ." , 21
Методы радиопеленгации. 22
Методы радионавигации 24
1.2, Предложения по построению средств сопровождения подвижных объектов 26
Задача сжатия передачи навигационной информации от подвижных объектов в ДЦ 31
Задача обработки и визуализации навигационных и пространственных данных 34
ЦЕЛЫ! ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 41
Выводы по главе 43
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ОБРАБОТКИ И ПЕРЕДАЧИ
НАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ 44
2.1. Задача сжатия навигационной информации 45
2.1.1. Способ пакетного кодирования навигационной информации 46
2.2. Задача огггимизащш процесса передачи навигационной информации от
подвижных объектов в ДЦ 57
2.2.1. Способ оптимального упорядочения заданий 63
2.3. Выводы по главе 67
ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ И АНАЛИЗ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ 68
3.1.АЛГЇ)РІ1ТМКОДІїГОВАНИЯИДЕКОД[ІРОВМІИЯНЛВИГЛірЮННОЙШїФОРМАЦІЦІ 68
Алгоритм пакетного кодирования 68
Алгоритм декодирования 73
3.2. Алгоритм упорядочения заданий на передачу навигационной информации от
подвижных объектов в дц 75
з.з.а1ь\л1оэффект1шн0сшразрлб0таннь1хллг0рит^1ов 80
Анализ алгоритма пакетного кодирования навигационной информации 80
Анализ алгоритма упорядочения заданий.... 86
ЗА Выводы ПО ГЛАВЕ 89
ГЛАВА 4. ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО
ОБЕСПЕЧЕНИЯ ССПО 90
4.1. Программное обеспечение ССПО «Меридиан-ДЦ» 90
Определение требований, , 91
Определение функций 93
Разработка структуры „ 96
Реализация программных модулей... 100
Программное обеспечение «Меридиан- Подвижный объект» 112
РЕЖИМЫ работы аппаратно-программных средств ССПО 115
технические характеристики аппаратно-программных средств ССПО 117
Выводы по главе 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ 124
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 128
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 137
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 142
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 144
ПРИЛОЖЕНИЕ 5 14S
ПРИЛОЖЕНИЕ 6 149
Введение к работе
Передача оперативной информации о местоположении и техническом состоянии транспортных средств и оперативных подвижных групп в диспетчерский центр управления (ДЦ)> а также мониторинг оперативной обстановки территории - являются актуальными задачами для предприятий с распределенной структурой, таких как предприятия лесного хозяйства, службы геологоразведки, предприятия авиалесоохраны, службы ГО и ЧС, военные комиссариаты. Как правило, эти задачи решаются без комплексной взаимосвязи с уже действующими системами сбора и обработки данных.
Среди задач сопровождения транспортных средств особое место занимает вопрос повышения эффективности использования воздушных судов для обнаружения и тушения лесных пожаров. Обнаружение лесных пожаров, контроль за их состоянием в основном осуществляются визуально, по дымовой полосе днем и по пламени в темное время суток. Слежение за лесопожарной обстановкой проводится воздушными и- наземными патрулями, а также наземными наблюдательными пунктами.
Ущерб, наносимый лесными пожарами - это не только сгоревшая древесина и затраты связанные с тушением и обслуживанием пожаров, это и нарушение экологических функций леса (кислородопроизводящей, санитарно-гигиенической, водо-охранной и др.), это и нарушение жизнедеятельности лесных насаждений и снижение их продуктивности, это и полное уничтожение огнем лесных массивов, это и нарушение функционирования многих отраслей народного хозяйства, это и уничтожение лесной фауны, нередки случаи и гибели людей.
По данным Главного управления природных ресурсов по Читинской области за 1999 - 2004 года зафиксировано 8470 (в среднем за год по 1400) пожаров, а пройденная этими пожарами общая площадь составляет 1204 тыс. га (в среднем за год по 200 тыс. га), из которой 84% это лесные массивы.
При малой кратности авиапатрулирования, из-за дорогих авиационных услуг, необходимо повышать эффективность авиационных наблюдений за лесами.
5 Одним из вариантов повышения эффективности процесса авианаблюдения за пожаром - является использование аппаратно-программных средств сопровождения подвижных объектов. При этом становится возможным определение местоположения воздушного судна, формирование контура распространения лесного пожара, а также оперативная передача этой информации в ДЦ лесхоза.
Институт «Кибернетический центр» Томского политехнического университета и научно-производственное предприятие «ИНКОМ» (г, Томск) являются разработчиками системы пакетной передачи данных «ПОТОК» [62-70, 90] и на протяжении уже более 10-ти лет постоянно развивают и совершенствуют её техническую базу, а также системное и прикладное программное обеспечение.
Система связи и передачи данных «ПОТОК», обеспечивающая пакетную передачу информации как по радиоканалу, так и по другим каналам связи, в своем развитии прошла несколько этапов:
о аппаратно-программная реализация режимов пакетной передачи данных по KB; УКВ радиоканалам [63, 66];
о обеспечение автоматической ретрансляции сообщений через специальные узлы связи;
о аппаратно-программная реализация режимов пакетной передачи данных с использованием различных каналов связи (телефонный, телеграфный, спутниковые каналы систем «ГОНЕЦ» и «ГлобалСтар») [68];
о интеграция с геоинформационными системами (ГИС) [62,67,70].
За последние 5 лет было внедрено около 40 систем с общим количеством объектов около 1000. Объектами внедрения системы «ПОТОК» являются: силовые структуры (военные комиссариаты, управления ГО ЧС, внутренние войска МВД РФ, пограничная служба РФ); Министерство природных ресурсов (Центральная авиабаза охраны лесов «Авиалесоохрана», Государственные лесные службы областей и округов); Росгидромет [68].
На определенном этапе развития системы «ПОТОК» весьма актуальной стала новая задача — сопровождение подвижных объектов. Решить эту задачу можно
б двумя способами: первый - приобрести готовые аппаратные и программные средства передачи навигационной информации и обеспечить интерфейс взаимодействия их с системой «ПОТОК»; второй - разработать для системы «ПОТОК» собственные аппаратно-программные средства сопровождения подвижных объектов.
Проведенный анализ существующих решений и готовых систем сопровождения подвижных объектов (ССПО), которые можно было бы применить для решения этих задач показал, что несмотря на большое количество на российском рынке различного рода ССПО [1, 2,13,24, 47,49, 50], применение той или иной системы, является нецелесообразным по причине того, что это приводит к увеличению стоимости аппаратно-программных средств, одновременно усложняя аппаратно-программные решения.
Система «ПОТОК» представляет собой сложный комплекс аппаратно-программных средств, предназначенный для осуществления информационного обмена между ДЦ и стационарными или. подвижными объектами по'различным каналам связи; С её развитием стало возможнымг передача информации и по спутниковым каналам связи систем «Гонец» и «Глобалстар», что значительно расширило границы области применения этой системы в районах с труднодоступными стационарными и подвижными объектами, а также повысило надежность и достоверность передачи информации между абонентами системы и за её пределы.
Система может быть легко модернизирована для применения спутниковых навигационных GPS-приёмников на борту подвижных объектов (автомобиля, самолета или вертолета) с целью определения их географического местоположения и передачи этой информации по используемым в системе каналам связи.
На основе системы «ПОТОК» появилась реальная возможность постановки и решения следующих задач;
1) комбинирования передачи информации по KB, УКВ радиоканалам и каналам связи спутниковых систем «ГОНЕЦ» и «Глобалстар»;
передачи точных координат подвижных объектов в ДЦ с организацией оперативного отображения их текущего местоположения и полного маршрута движения на электронной карте ГИС;
передачи пространственных данных об оперативной обстановке некоторой территории;
передачи информации с датчиков контроля технического состояния подвижного объекта;
визуализации, хранения и анализа принимаемой от подвижных объектов информации.
Таким образом, в качестве решения, описанной выше задачи повышения эффективности авиа-наблюдения за пожарами, могут служить разработанные на базе системы «ПОТОК» специальные аппаратно-программные средства. Они должны обеспечивать оперативную регистрацию места возгорания, фиксирование точного географического контура пожара и передачу этой информации в диспетчерский центр лесхоза непосредственно с борта воздушного судна, вместе с регистрационной информацией об обнаруженном пожаре.
Анализ существующих методов и средств определения местоположения подвижных объектов, требований, которые предъявляются потенциальными заказчиками к таким системам, а также анализ возможностей аппаратных и программных средств системы «ПОТОК» позволили выявить ряд первостепенных задач. Появилась возможность реализации современных и эффективных средств сопровождения подвижных объектов, которые позволяют не только отслеживать маршруты движения транспортных средств в реальном масштабе времени, но и решать прикладные задачи, связанные с мониторингом пожарной обстановки территории.
Таким образом, можно сделать вывод, что диссертационные исследования направлены на решение актуальной хозяйственной задачи.
8 Цель работы и задачи диссертации. Целью диссертационной работы является создание специальных алгоритмов и программных средств обработки навигационной информации, обеспечивающих на основе теоретических исследований реализацию функций сопровождения подвижных объектов, путем повышения эффективности процессов сбора и обработки данных о местоположении и маршрутах подвижных объектов.
Для реализации поставленной цели предложено решение следующих задач: о Разработка структуры программного обеспечения ССПО, обеспечивающей в реальном масштабе времени взаимодействие информационно-телекоммуникационной системы «ПОТОК» и ГИС. о Создание и формализованное описание способа сжатия навигационной информации без потерь, разработка алгоритмов прямого и обратного преобразования, о Решение задачи оптимизации процесса сбора и передачи навигационных
данных от подвижных объектов в ДЦ. о Разработка специального программного обеспечения ДЦ с функциями оперативного представления информации о местоположении подвижных объектов и маршрутах их движения средствами ГИС в реальном масштабе времени. о Апробация разработанного алгоритмического и программного обеспечения в составе различных вариантов интегрированной системы пакетной передачи данных «ПОТОК».
Методы исследований. При проведении исследований и разработке алгоритмического и программного обеспечения с целью решения поставленных в диссертационной работе задач использованы методы теории алгоритмов, теории кодирования, теории расписаний и комбинаторного анализа, теории реляционных баз данных, теории объектно-ориентированного проектирования и программирования.
9 Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
о Третья научно-практическая конференция «Современные средства и системы автоматизации» (г. Томск, компания ЭлеСи, 14-15 ноября 2002 г.).
о IEEE—СИБИРСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО УПРАВЛЕНИЮ И СВЯЗИ (The ШЕЕ-Siberian conference on control and communications) «SIBCON-2003» (r. Томск, 2003 г.).
о Выездное заседание объединенного ученого совета по управлению интеграционной программы по развитию информационно-телекоммуникационных ресурсов СО РАН. (г. Томск, ТНЦ СО РАН, 4 ноября 2003 г.).
о Восьмой Российско-Корейский международный симпозиум по науке и технологии (The Eights Korea-Russian International Symposium on Science and. Technology) «KORUS 2004» (г. Томск, ТПУ, 26 июня - 3 июля 2004 г.). Программные средства системы сопровождения подвижных объектов в* составе интегрированной системы < пакетной передачи данных «ПОТОК» экспонировались на ряде выставок и удостоены следующих наград:
о Диплом первой Международной специализированной выставки "Пожарная безопасность на рубеже XXI века" (с золотой медалью) за систему сбора и обработки информации региональной авиабазы охраны лесов («ВДНХ-ЭКСПО» г. Москва, 2000 г.).
о Большая золотая медаль Сибирской ярмарки "Спассиб-2001" за разработку и внедрение интегрированной системы оповещения и связи с пакетной передачей информации (г. Новосибирск, 2001 г.).
о Диплом 3-й Межрегиональной специализированной выставки-конгресса "Нефть и газ - 2002" в конкурсе "Сибирские Афины" за разработку системы сопровождения подвижных объектов и технологического транспорта (ОАО ТНДЦ «ТЕХНОПАРК» г. Томск. 2002 г.).
о Медаль Всероссийской выставки-ярмарки ,Интеграция-2003" в конкурсе "Сибирские Афины" в номинации "Российское качество" за разработку
10 системы сопровождения подвижных объектов с отображением маршрутов на электронной карте ГИС (ОАО ТНДЦ «ТЕХНОПАРК» г. Томск. 2003 г.).
По результатам исследований опубликовано 8 работ, в том числе 5 статей.
Далее кратко изложено основное содержание диссертационной работы.
В первой главе проведен анализ методов определения местоположения подвижных объектов, которые применяются сегодня в существующих системах и комплексах. Приведены общие сведения о системах сопровождения, представляемых отечественными и зарубежными производителями.
На основе проведенного анализа предлагается наиболее приемлемый вариант построения современной системы сопровождения подвижных объектов в составе интегрированной системы передачи информации по радио- и спутниковым каналам связи «ПОТОК».
Выделяются основные задачи алгоритмического и программного обеспечения средств сопровождения подвижных объектов, предлагаются пути их решения.
Описывается технология сопровождения подвижных объектов на основе интегрированной информационно-телекоммуникационной системы с пакетной передачей данных «ПОТОК»,
Формулируются цель диссертационной работы и задачи исследования, подчеркивается актуальность их решения.
Вторая глава посвящена разработке способов оптимизации процессов сбора и передачи навигационных данных от подвижных объектов в ДЦ. В частности, приводится подробное описание разработанного способа пакетного кодирования навигационной информации в реальном масштабе времени. В основу способа пакетного кодирования положены такие принципы как пакетно-параметрическое преобразование, дельта-кодирование и преобразования данных из ASCII-символьного вида в бинарное представление.
Дано описание разработанного способа оптимального упорядочения заданий на передачу навигационных данных от подвижных объектов в ДЦ.
В третьей главе приводится описание разработанного алгоритмического обеспечения ССПО. В частности, приводится блок-схема и пошаговое описание
п работы, алгоритма пакетного кодирования навигационных данных. Исходными данными для алгоритма является информация, поступающая от спутникового навигационного приемника в пакетный контроллер ВИП-М [63-66], установленный на борту подвижного объекта. Коротко приводится описание работы алгоритма декодирования.
Приводится блок-схема и пошаговое описание работы- алгоритма упорядочения заданий на передачу навигационных данных от подвижных объектов в ДЦ, построенного на основе разработанного способа оптимального упорядочения.
Приведены результаты исследования эффективности разработанных алгоритмов по таким показателям как:
о вычислительная сложность, в том числе, для алгоритма пакетного кодирования навигационных данных, приведены результаты экспериментальных расчетов коэффициента загрузки центрального процессора ВИП-М в обычном режиме и во время работы алгоритма; о эффективность решения задачи, в том числе, для алгоритма пакетного кодирования приводится расчет коэффициента сжатия (К) и строятся кривые зависимости К от различных входных условий (формат навигационного блока, размер навигационного пакета и др.); о способность алгоритмов к адаптации для решения смежных задач, в том числе приведены по два варианта возможной модификации алгоритма оптимального упорядочения заданий и алгоритма пакетного кодирования, отмечены достоинства каждого из вариантов. В четвертой главе описывается процесс проектирования и особенности реализации программного обеспечения ССПО «Меридиан-ДЦ».
Определяются функциональные и нефункциональные требования, предъявляемые к разрабатываемому программному обеспечению, определяются функции программных средств ССПО.
На основе определенных требований и функций, предлагается и описывается модульная структура программного обеспечения, указываются особенности
12 организации взаимодействия программного обеспечения ССПО с программными средствами системы «ПОТОК» и подсистемой картографии на базе ГИС Maplnfo.
Рассматриваются созданные программные средства ССПО, к ним относится:
о подсистема взаимодействия программного обеспечения ССПО и системы «ПОТОК»;
о подсистема картографии и её модули;
о подсистема импорта и экспорта навигационной и производственной информации, модули построения отчетов;
о подсистема поддержки принятия решений;
о модуль декомпрессии навигационных данных;
о модуль формирования заданий на передачу навигационной информации от подвижных объектов в ДЦ.
Описывается пользовательский интерфейс программных средств ССПО и отмечаются его отличительные особенности относительно интерфейсов существующих систем сопровождения подвижных объектов.
Приведено описание программного модуля «Меридиан-Подвижный объект», который предназначен для функционирования непосредственно на борту подвижного объекта.
Указывается общий объем программного кода разработанного программного обеспечения «Меридиан-ДЦ» и «Меридиан-Подвижный объект».
Рассматриваются основные режимы работы программного обеспечения, позволяющие решать задачи связанных с сопровождением легковых и грузовых автомобилей, воздушных судов малой авиации (АН-2, МИ-2, МИ-8, R44 и др.), специальных транспортных средств типа КШМ-142, «Газель», «Соболь», а также речных и морских судов.
Указывается, что разработанные алгоритмические и программные средства ССПО внедрены в военном комиссариате, областной лесной службе, а так же в учебном процессе.
Приводятся основные технические характеристики аппаратно-программных средств ССПО.
13 Научную новизну полученных в работе результатов составляют:
1. Оригинальная структура программного обеспечения системы сопровождения подвижных объектов, обеспечивающая в реальном масштабе времени интерфейс между системой пакетной передачи данных и ГИС, а также возможности программного обеспечения по расширяемости, масштабируемости и адаптируемости.
2 Алгоритм пакетного кодирования навигационной информации,
*t позволяющий добиться уменьшения объема хранимых и передаваемых
данных, путем сочетания параметрического преобразования навигационного пакета и эффекта дельта-кодирования.
3. Способ оптимального упорядочения заданий на передачу навигационной
информации от подвижных объектов в диспетчерский центр, позволяющий
формировать очередь из заданий, отвечающую критерию минимальной
длительности ожидания системы, учитывая динамику параметров пакетного
^ кодирования.
Практическая ценность результатов работы.
Разработанные алгоритмы пакетного кодирования и декодирования позволяют в реальном масштабе времени сжимать поток навигационных данных до 9,9 раз. Работоспособность аппаратно-программных средств ССГГО обеспечивается в различных режимах, включая режим «Черный ящик» и при временном отсутствия канала связи между ДЦ и подвижными объектами.
Разработанный способ оптимизации процесса передачи навигационных данных от подвижных объектов в диспетчерский центр позволяет проектировать и реализовывать эффективные аппаратно-программные средства контроля местоположения подвижных объектов, использующие
Ф для связи с подвижными объектами радиоканалы (KB, УКВ диапазонов),
спутниковые и сотовые каналы связи.
Предложенная и разработанная модульная структура программного обеспечения ССПО позволяет реализовывать программные средства с масштабируемыми функциональными возможностями по приему, обработке, визуализации и анализу навигационных и пространственных данных.
Структура программного обеспечения ССПО обеспечивает взаимодействие интегрированной системы пакетной передачи данных «ПОТОК» и ГИС Maplnfo и позволяет:
о строить информационные системы, используя единую базу данных предприятия для обработки и хранения производственной информации о подвижных и стационарных объектах;
о проектировать информационные системы с возможностью контроля местоположения подвижных объектов одновременно с нескольких рабочих мест в реальном масштабе времени на электронной карте;
о использовать средства ГИС для визуализации и пространственного анализа производственных данных предприятия.
Предложенный подход к проектированию и разработке программного продукта обеспечил комплексное представление, обработку и анализ навигационных, пространственных и производственных данных.
Программное обеспечение ССПО, реализованное в виде наборов программных модулей «Меридиан - ДЦ» и «Меридиан-Подвижный объект», включено в состав интегрированной информационно-телекоммуникационной системы и внедрено на объектах военного комиссариата Ханты-Мансийского автономного округа и лесной службы Главного управления природных ресурсов по Читинской области, а также в учебный процесс на факультете автоматики и вычислительной техники Томского политехнического университета по дисциплинам «Микропроцессорные системы управления» и «Системы реального времени».
15 Личный вклад:
I. Постановка задач исследования и разработка концепции алгоритмического и программного обеспечения ССПО на базе системы пакетной передачи информации «ПОТОК» выполнены автором совместно к.т.н., главным конструктором системы «ПОТОК», Сонькиным М. А.
2 Разработка технологии контроля местоположения подвижных объектов на основе принципов пакетной передачи данных выполнена автором совместно с к.т.н., Сонькиным М.А.
Анализ и проработка задачи уменьшения объема передаваемой от подвижных объектов в ДЦ информации выполнены автором совместно с В.В. Гринемаером.
Разработка нового способа и алгоритма пакетного кодирования навигационной информации выполнены лично автором.
Разработка способа и алгоритма оптимизации процессов передачи навигационной информации от подвижных объектов в ДЦ выполнена лично автором.
Реализация алгоритмов декодирования навигационных данных и представления их средствами ГИС выполнена лично автором.
Анализ и проработка интерфейса взаимодействия программного обеспечения системы «ПОТОК» и ССПО выполнены автором совместно с Е.И. Печерской.
Проектирование и разработка структуры программного обеспечения ССПО, реализация программных модулей «Меридиан-ДЦ» и «Меридиан-Подвижный объект» выполнены лично автором.
Основные положения, выносимые на защиту:
Структура программного обеспечения системы сопровождения подвижных объектов является оригинальной и обеспечивает в реальном масштабе времени интерфейс между информационно-телекоммуникационной системы пакетной передачи данных и ГИС.
Разработанные алгоритмы пакетного кодирования и декодирования навигационной информации, позволяют уменьшить объем данных, передаваемых по каналам связи от подвижных объектов в ДЦ в 2,5 -9,9 раз.
Разработанный алгоритм оптимального упорядочения заданий на передачу навигационных данных от подвижных объектов в ДЦ позволяет формировать очередь из заданий с минимальным суммарным временем ожидания системы.
Разработанное программное обеспечение ССПО «Меридиан - ДЦ» и «Меридиан-Подвижный объект», реализованное в виде наборов программных модулей отвечает показателям эффективности и обеспечивает в реальном масштабе времени решение задачи сопровождения подвижных объектов и задачи мониторинга территории.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору В.К. Погребному за помощь в подготовке диссертационной работы, ценные замечания и советы. Автор также благодарит за плодотворные дискуссии, ценные замечания и советы научного консультанта, доцента Томского политехнического университета, кандидата технических наук, главного конструктора интегрированной системы пакетной передачи данных «ПОТОК» М.А. Сонькина, а также сотрудников института «Кибернетический центр» Томского политехнического университета В. В. Гринемаера, Е.И. Печерскую, совместная работа с которыми ускорила работу над диссертацией.
