Мониторинг и поддержка принятия решений в системе городского теплоснабжения на базе гетерогенной беспроводной сети

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 519. 688:621. 396. 99
А. Г. Финогеев, В. Е. Богатырев, В. А. Маслов, А. А. Финогеев
МОНИТОРИНГ И ПОДДЕРЖКА ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В СИСТЕМЕ ГОРОДСКОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ ГЕТЕРОГЕННОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ
Пензенский государственный университет
E-mail: finogeev@sura. ru
В статье рассматриваются вопросы создания системы мониторинга и поддержки принятия решений на базе гетерогенной беспроводной сетевой среды ZigBee/GSM/GPRS/GPS. Формализована методология и принципы поддержки принятия решений по результатам мониторинга инженерных коммуникаций в городской системе ЖКХ. Предложена архитектура экспериментальной системы беспроводного мониторинга приборов промышленной автоматики блочно-модульных котельных и терминалов тепловых магистралей.
Ключевые слова: мониторинг, сенсорная сеть, поддержка принятия решений, ZigBee, SCADA-система, GSM/GPRS, беспроводные технологии.
A. G. Finogeev, V. Е. Bogatirev, V. А. Maslov, А. А. Finogeev
MONITORING AND SUPPORT OF DECISION-MAKING IN THE URBAN HEAT BASED ON HETEROGENEOUS WIRELESS NETWORK Penza State University
In article are considered questions of the making the system monitoring and decision support on the base heterogeneous wireless network environment (ZigBee/GSM/GPRS/GPS). The formalized methodology and support decision principles making on result of the monitoring engineering communication in town system HCS. The architecture of the experimental system wireless monitoring for industrial automation block-module boiler and terminal of the heat pathways.
Keywords: monitoring, sensor network, support decision making, ZigBee, SCADA system, GSM/GPRS, wireless technologies.
Введение
Появление энергосберегающих технологий обусловлено необходимостью рационального расходования ресурсов, таких как электроэнергия, вода, тепло, газ. Конечной целью процессов энергосбережения и энергоучета является снижение расхода топливно-энергетических ресурсов на всех этапах жизненного цикла энергопотребления — от производства до утилизации. Развитие данных технологий можно условно разделить на следующие этапы:
1. Внедрение энергосберегающих технологий на всех стадиях строительства и реконструкции объектов жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) и производственной сферы.
2. Внедрение энергосберегающих мероприятий, оптимизация и регулирование потребления энергоресурсов, минимизация потерь.
3. Комплексное внедрение приборов учета и контроля потребления ресурсов, организация взаиморасчетов с поставщиками по фактическим величинам.
4. Внедрение автоматизированных систем мониторинга и диспетчеризации инженерных коммуникаций для предотвращения аварий или оперативной ликвидации их последствий.
Эффективность работы диспетчерских служб, аварийно-ремонтных бригад и руководителей предприятий ЖКХ определяется оперативно-
стью получения необходимой информации о состоянии эксплуатируемых объектов и инженерных коммуникаций топливно-энергетического комплекса в целях оптимизации потребления энергоресурсов и своевременного реагирования на различные внештатные ситуации. Как правило, объекты и коммуникации распределены на достаточно больших площадях, что делает невозможным использование проводных 8САБА-систем для сбора телеметрических данных и мониторинга в реальном времени приборов промышленной автоматики, приборов учета и контроля энергоресурсов, датчиков состояния внешней среды и охранно-пожарной сигнализации и т. д. Несмотря на повышенную надежность и помехозащищенность проводных технологических систем по сравнению с беспроводными сетями, их прокладка и эксплуатация в масштабах городского хозяйства требует значительных материальных и финансовых вложений.
Современный уровень развития беспроводных технологий и тенденция к конвергенции различных информационных сервисов в единых мобильных устройствах показывает целесообразность разработки технологических 8САБА-систем мониторинга и управления на базе беспроводных телекоммуникационных сетей. Возможность построения систем дистан-
ционного сбора телеметрической информации с приборов автоматики, учета и контроля, установленных на распределенных объектах ЖКХ и инженерных коммуникациях (электрических, газовых, водопроводных, тепловых и канализационных сетях), определяет необходимость и актуальность решения подобной масштабной задачи. Идея использования беспроводных технологий в системах мониторинга и управления стала привлекательной в последнее время в результате широкого распространения сотовой связи, появления недорогих 08М/0РЯ8-модемов, модулей ОР8/ГЛОНАСС-навигации, вычислительных устройств сверхнизкого энергопотребления, интегрированных с радиопередатчиками и работающих в безлицензионных КМ-диапазонах.
1. Формализация методологии и принципов поддержки принятия решений
в комплексной системе мониторинга ЖКХ
Исследования информационных процессов управления региональными коммунальными системами, объединяющими водопроводные, канализационные, электрические, тепловые, газовые сети, показали, что совокупность задач, решаемых на разных этапах принятия решений, нужно рассматривать с точки зрения системносинергетического подхода и теории сложных систем [1].
Система поддержки принятия решений по результатам распределенного мониторинга определяет построение систем управления, реализующих следующие особенности:
— возможность решения двух задач по локальным критериям оптимальности: задачи самоорганизации структуры автономного управления и задачи координации подчиненных подсистем нижнего уровня иерархии-
— возможность учета приоритетов при принятии решений между подсистемами, входящими в состав сложной системы-
— возможность установления связей подсистем нижнего уровня с подсистемами верхних уровней путем передачи структурированной и обобщенной информации-
— возможность установления связей подсистем верхних уровней с подсистемами нижнего уровня посредством управляющих воздействий-
— расположение подсистем с выраженными свойствами по уровням иерархии в соответствии с приоритетом принимаемых решений- причем в горизонтальной плоскости подсистемы обладают одинаковым приоритетом в выборе решений.
Результатом поддержки принятия решений является разработка перечня мероприятий, направленных на обеспечение оптимального и безаварийного функционирования сетей инженерных коммуникаций в городских системах генерации, доставки и распределения энергоресурсов. В частности, такие мероприятия должны быть направлены:
— на повышение эффективности работы диспетчерских служб-
— использование технологий энергосбережения-
— оптимизацию энергопотребления-
— внедрение технологий мониторинга инженерных коммуникаций-
— предотвращение внештатных, аварийных и чрезвычайных ситуаций-
— оперативное реагирование на аварийные и чрезвычайные ситуации-
— обеспечение профилактических и аварийных ремонтных работ (и т. д.).
Обозначим обобщенную методологию поддержки принятия решений при управлении в службах ЖКХ через ^ Она включает методики решения множества следующих подзадач
— мониторинга инженерных коммуникаций и других объектов ЖКХ-
— учета потребления энергоресурсов и расчетов клиентов-
— обеспечения профилактических и аварийных ремонтных работ-
— оперативного реагирования на аварии и внештатные ситуации-
— инвентаризации объектов распределенной инфраструктуры ЖКХ-
— анализа деятельности и качества услуг предприятий ЖКХ-
— развития, проектирования и модернизации инженерных сетей.
Существует множество X (XI, Х2, Х3, Х4, Х5) возможных вариантов принятия решений:
— диспетчерского управления для обеспечения нормальных режимов эксплуатации инженерных коммуникаций (Х1) —
— по оперативному реагированию на угрозы, внештатные и аварийные ситуации (Х2) —
— по организации учета потребления энергоресурсов и расчетов клиентов за них (Х3) —
— по внедрению энергосберегающих технологий и оптимизации энергопотребления на всех стадиях производства, доставки, распределения и потребления энергоресурсов (Х4) —
— по проектированию, модернизации и реконструкции инженерных сетей (Х5).
Определим множество Я вариантов принятия прочих управленческих решений и множество V технико-экономических оценок целесообразности принятия решений {Х и Я} с учетом выполнения эксплуатационных и технических требований Т.
В [2] показаны подходы к разработке информационных и процедурных моделей поддержки принятия решений задач, связанных с управлениями инженерными сетями и обеспечением потребителей энергоресурсами. Для оценки эффективности решения задачи управления с учетом реализуемости используется функция Г, которая представляет собой отображение декартова произведения ХхЯ на множество оценок V:
Г: Х хЯ ^ V. (1)
Таким образом, методология поддержки принятия решений Z характеризуется набором (Х, Я, Г). Элемент х^ из Х, удовлетворяющий функционалу Г, является решением конкретной задачи поддержки принятия решений 2″ и характеризуется предикатом Р (х, Zn) = (х есть решение Z").
Определим задачи поддержки принятия решений в отдельных службах ЖКХ по результатам мониторинга конкретных инженерных коммуникаций: для водопроводных и канализационных сетей — Zv- для электрических сетей — Ze- для тепловых сетей — Zt- для газовых сетей — Zg. Задачу принятия решений по выбору оптимальных транспортных маршрутов аварийных бригад и руководителей обозначим через Zc. Тогда, как и в общем случае для всей ЖКХ, можно определить задачи Ze, Zv, Zt, Zg и Zc соответствующими кортежами (Хе, Яе, Ге), (Хи Як Г"), (Х* Я*, Г*), (Xg, Я№ Fg) и (Х0 Яа Гс), варианты принятия решений {Х и Я} как декартовы произведения: Х = Хе*Х^Х^Х^Хс и Я = ЯехЯ^Я*х хЯgxЯc. Задачи управления в соответствующих службах ЖКХ представляют собой сужение общей задачи Z на конкретных множествах: Ze на Хе, Zv на Х", Zt на Х, Zg на Х& amp-, Zc на Хс, причем х{ = (хе, XV, хх^ х^.
Задачи управления отдельными компонентами конкретных классов инженерных коммуникаций (/'-е{е, V, g,, уе (иь «2, • ••, «), также могут быть сформулированы в виде функционала Г и охарактеризованы своими кортежами (Ху, Я, Г, V,).
В наших проектах выполняются задачи поддержки принятия решений при управлении городской системой теплоснабжения по ре-
зультатам мониторинга тепловых сетей посредством разработанной беспроводной системы оперативного дистанционного контроля тепловых магистралей и пунктов подогрева (блочномодульных котельных (БМК) и центральных тепловых пунктов (ЦТП)). В данном случае следует выделить задачи принятия решений Zj в процессе:
— учета, контроля и оптимизации теплопо-требления в домах и квартирах группами потребителей-
— учета, контроля и минимизации тепловых потерь на магистралях, пунктах подогрева и распределения теплоносителя, объектах тепло-потребления-
— определения характеристик участков тепловых сетей-
— выбора конструктивных компонентов тепловой сети с учетом использования энергосберегающих технологий-
— внедрения мероприятий реагирования на внештатные, аварийные и чрезвычайные ситуации и т. п.
Если обозначить St = (хь …, xk) совокупность вариантов решений задачи управления тепловыми инженерными сетями Zf j = 1, ., nt, то для St всегда можно выбрать вариант xteXt, который характеризуется оператором Xt = ®t (St). Аналогичные рассуждения имеют место и при определении локальных задач поддержки принятия решений в других службах ЖКХ [2].
Выбор варианта принятия решения при управлении всеми системами ЖКХ осуществляется, исходя из максимального удовлетворения спроса населения в энергоресурсах (вода, тепло, электричество и газ) при минимизации затрат на производство и транспортировку энергоносителей, минимизации потерь и оптимизации энергопотребления. При решении задач Ze, Zv, Zt, Zg, Zc фактически формируется многомерный вектор Sn, который порождает решение задачи Z, при эксплуатационных и технических условиях T = CxP*E*N, где
C ^ min — затраты на энергоснабжение конечных потребителей-
P ^ min — потери при энергоснабжении-
E ^ max — энергоэффективность-
N ^ const — требуемый уровень надежности инженерных коммуникаций.
Для решения задачи поддержки принятия решений в системе теплоснабжения Ztj, j = 1, ., nt должен формироваться вектор St, который порождал бы решение задачи Zt. В формализованном виде запишем:
, х', — = 1, п): Р (х', 2-.):
Если требуется решение задачи при достижении экстремума целевой функции Г, опреде-
•Р (Xі, 2і)
X =0')
^ = (X, …, хП).
(2)
ленной на множестве критериев Т = {х|Р (х, 2)}, то имеем:
щ, х-, — = 1, п,): Р (х-, 2-)з (= (х^, …, хП), х- = ц. }, — = 1, п,):
р (0,()) = ех, гр (х,).
(3)
Поскольку решение задач поддержки принятия решений ведется на базе системносинергетического подхода, то система мониторинга и поддержки принятия решений в ЖКХ должна удовлетворять базовым системным принципам иерархичности ее структуры, координации частных задач, совместимости и модифицируемости.
Принцип иерархичности У можно представить как отношения на декартовом произведении множеств: У = ОхЖхМхВхЬ, где О -множество решений задачи управления региональными коммунальными системами- Ж -множество операторов (математических, инфо-логических и процедурных моделей поддержки принятия решений по результатам мониторинга отдельных видов коммуникаций) — М = {Ме, Мп М, М, М (-} - множество управляющих сигналов для принятия решений при управлении водопроводными, электрическими, тепловыми, газовыми и транспортными подсистемами- В = {Ве, Вп ВВ№ ^} - множество информационных сигналов о решении частных задач управления- Ь = {Ье, Ьп Ьь Ь№ Ь} - множество координирующих сигналов для задач управления нижестоящих уровней.
Принцип координируемости означает, что задачи поддержки принятия решений нижестоящего уровня должны быть скоординированы относительно задач вышестоящего уровня. Для формализации этого принципа определены координирующие сигналы верхнего уровня управления для операторов принятия решений Ze, Zv, Zt, Zg, Zc следующим образом:
V 1е е Ье^е (/е): Ях{хВе., |, е^} ^ {Ье, | ]^е}
V е иЛ (^): Ях{хВ^ |, еЩ ^ {Ь, |
V1, е Ь: ад):Ях{хВ, | ]еЩ ^ {Ь, | ]еЩ (4) VI, е Ь^(4): Ях{хВ- |, е^} ^ Ь |, еН8}
V? с е Ьа^УЛх^, | jеNc} ^ {Ь, |, е^}.
Таким образом, операторы Ze (?e), Zv (?v), Zt (?t), Zg (?g), Zc (?c) параметрически зависят от координирующих сигналов? е, 4, 4 ?& amp- ?с, поступающих с вышестоящих уровней системы поддержки принятия решений.
Принцип координируемости задач поддержки принятия решений относительно вышестоящего уровня управления требует, чтобы задачи верхнего уровня и множество задач нижнего уровня имели решение, т. е. :
^ П2 ,.. , Пк Ш-, Щ-) Л3(іе, іу, I,,, 1С)):
Уі є{е, V,, с}, лУр [Р (Ш-, 2^ (I-)) л Р (І-, 2е (іе)) Л Р (І-, 2 (IV)) л Р (I-, 2,(I,)) л Р (і-, (і8)) л Р (I-, 2с (I,))] л Р (^, IV
(5)
В системах поддержки принятия решений задачи вышестоящего уровня могут воздействовать на процесс управления только через задачи нижнего уровня. Поэтому для достижения целей глобальной задачи управления необходимо учитывать принцип совместимости нижестоящих целей и задач поддержки принятия решений с вышестоящими. Вышестоящая задача, например, Zt, осуществляя координацию задачи Zj, преследует свои цели (достижение максимума энергоэффективности Е при минимуме теплопотерь Р и энергозатрат С). Поэтому
задачи, например, 2- | должны быть совместимы по отношению к общей задаче 2. Пусть оператор /т отображает множество координирующих сигналов I = {!е, Р, I, Ig, I,} на множество сигналов управления инженерными коммуникациями. Будем считать известными обратный оператор /Ш позволяющий определить сигналы I = (I» I, I, ^ IС) по результатам мониторинга коммуникаций т--, т. е. :
I = /т (т-) | (і є {е, V,, g, с},
— є (Пі, П2, …, пк). (6)
Тогда требование совместимости задач в нальными системами может быть сформулиро-иерархической системе управления комму- вано в форме:
М е{e,^t, г, c}, л, е ««2,… ,"к)3(1,т,) л3(/е,, Л,^, 1С)):
[Р (тг], Zj (I,)) л Р (Ме, Ze) л Р (Му, Zv) л Р (М, Zi) л Р (М,, Zg)
лp (Mc, Zc)] ^ [Р (т, Ztj (I,)) л Р (?т- (т,*'- е к^, г, c},
, е («1,"2,… ,"к), Z].
Это условие означает, что задачи Zij нижнего уровня скорректированы относительно глобальной задачи Ъ тогда, когда они скорректированы относительно частных задач Ze, Zv, Zь 7 7
z¦'-c•
Принцип модифицируемости означает возможность изменения (модификации) задач нижнего уровня управления, в случае, когда в многоуровневой системе поддержки принятия решений отсутствует координируемость. Другими словами, требуется найти такое множество координирующих сигналов Ь = {Ье, Ьп Ь, Ьр Ь^ и множество задач управления X, (/ е е{е, V, I р,, е («1, «2, …, «к), при которых выполняются условия координируемости и совместимости.
При проектировании уровень формализации задач управления определяется наличием информации об объектах производства и распределения энергии, об объектах энергопотребления, о конфигурации инженерных коммуникаций сетей, о характеристиках компонент (конструктивных элементах, приборов автоматики учета, контроля и регулировки) в системы энергоснабжения, о методиках принятия решений, о мероприятиях по профилактике и ликвидации последствий аварий. Алгоритмы решения взаимосвязанных задач управления сетями должны обеспечивать нахождение решения с точностью, согласованной с точностью априорной информации. Разработка интеллектуального и программного обеспечения на основе системного подхода позволит повысить качество, снизить сроки выполнения и стоимость реализации управленческих решений, связанных с удовлетворением потребностей населения в энергоресурсах.
В соответствии с системно-синергетическим подходом, функционирование системы мониторинга и поддержки принятия решений базируется на перечисленных формализованных принципах управления инженерными коммуникациями комплексной инфраструктуры территории [3].
2. Функциональность системы беспроводного мониторинга на примере тепловых сетей города
Рассмотрим основные функции предлагаемого комплекса оперативного дистанционного мониторинга в системе городского теплоснабжения с использованием гетерогенной технологической радиосети, построенной на базе беспроводных технологий ZigBee (802. 15. 4) и GSM/GPRS [4]. Концепция построения системы удаленного мониторинга приборов тепловой автоматики, учета теплоносителя на объектах ЖКХ, блочно-модульных котельных и ЦТП, а также состояния теплотрасс предусматривает реализацию следующих функций:
— автоматический сбор с тепловычислите-лей параметров теплопотребления (текущих, часовых, суточных, архивных) для сохранения в базе данных и передачи в ГИС компоненту с целью пространственного анализа-
— автоматический сбор данных с приборов тепловой автоматики, датчиков загазованности, пожарно-охранной сигнализации на БМК и ЦТП-
— автоматический мониторинг состояния тепловых магистралей посредством опросов терминальных модулей системы проводного оперативного дистанционного контроля (ОДК) —
— автоматический мониторинг состояния теплосчетчиков и других параметров системы теп-лопотребления на объектах ЖКХ-
— передача распределенных результатов мониторинга в технологической гетерогенной беспроводной сети [5] на центральный диспетчерский пункт и на мобильные средства связи различными способами (с использованием мощных направленных антенн, цепочек ZigBee-ретрансляторов, GSM/GPRS-модулей, WiFi-маршрутизаторов) —
— обработка и интеллектуальный анализ результатов мониторинга с целью предоставления результатов мониторинга и рекомендаций по принятию решений в наглядном виде-
— отображение результатов мониторинга посредством Web-интерфейса на стационарных
диспетчерских компьютерах и мобильных средствах связи руководителей и аварийноремонтных бригад-
— определение местоположения и слежение за перемещениями мобильных средств связи руководителей и аварийных бригад.
Для определения местоположения мобильных средств на картах и планах местности предложена методология [6], которая допускает использование технологий спутниковой навигации и позиционирования относительно базовых станций сотовой связи на открытом пространстве. Однако внутри административных зданий и производственных помещений, где нет возможности приема сигнала от спутников и плохие условия приема сигналов от станций сотовой связи, используются методики локального позиционирования относительно источников радиоизлучения, работающих в ISM-диапазонах (WiFi, Bluetooth и ZigBee-узлов) с привязкой к координатам системы навигации.
Особенностью системы мониторинга является использование сенсорных ZigBee-узлов компании Jennic в качестве контроллеров сбора телеметрической информации с приборов тепловой автоматики, прочих устройств и датчиков, установленных в БМК и ЦТП, а также с терминалов проводной системы ОДК теплотрасс [7]. Преимуществом является низкое энергопотребление подобных сенсорных устройств, которое позволяет размещать их без привязки к источникам внешнего питания, что особенно актуально для тепловых магистралей. Для решения проблемы передачи на большие расстояния в условиях городской застройки и отсутствия прямой видимости в проекте используются три базовых технологии:
— направленные мощные антенны (не менее 12 dBi), вынесенные на высоту для установления прямой видимости-
— методы динамической маршрутизации в ячеистой сенсорной сети с целью ретрансляции данных через промежуточные узлы, что позволяет использовать маломощные радиопередатчики сенсорных узлов-
— передача данных с использованием сотовой сети и модемов GSM/GPRS. Серьезной проблемой здесь являются условия эксплуатации автономных сенсорных ZigBee-узлов, устанавливаемых непосредственно на терминалах тепловых магистралей при низкотемпературных режимах, что снижает срок службы источников питания. Поэтому создание и админист-
рирование системы в масштабе территориально распределенного предприятия с учетом условий эксплуатации, требований надежности, автономности работы в режиме реального времени является достаточно сложной научнотехнической задачей.
3. Характеристика основных объектов распределенного мониторинга
В системе городского теплоснабжения можно выделить три основных подсистемы, которые требуют постоянного контроля: подсистема подогрева теплоносителя- подсистема доставки- распределения и утилизации теплоносителя- подсистема контроля и учета потребления тепла. В последнем случае существуют готовые решения на основе использования 08М/0РЯ8-модемов сотовой связи, поэтому рассмотрим характеристики объектов распределенного мониторинга для первых двух подсистем [8].
В подсистеме подогрева городского теплоснабжения в последнее время применяются автоматические блочно-модульные котельные (БМК), выполненные в формате транспортабельного контейнера с комплектом оборудования. Применение БМК имеет ряд преимуществ: высокое КПД, низкая стоимость монтажа и эксплуатации за счет заводской комплектации, автономность работы, снижение тепловых потерь за счет приближения к потребителям. Контроль и регулирование температуры теплоносителя производится по графикам, в зависимости от температуры наружного воздуха путем смешивания обратной воды, подающейся в обход теплообменников. Для этого в БМК устанавливаются контроллеры учета типа ОВЕН ТРМ32-Щ4, к которым подключены датчики ТСМ 50 М, ТСП 50П или ТСМ 100 М, ТСП 100П, РЙ00, контролирующие температуру наружного воздуха (Тнаруж), температуру обратной воды (Т0бр), температуру воды в контуре отопления (Тотоп), температуру воды в контуре горячего водоснабжения (Тгвс). Контроллеры выполняют и другие функции: обеспечение защиты от превышения температуры воды, работа в ночном режиме, регистрация данных и т. д. Для погодного регулирования теплопотребле-ния используются тепловычислители типа ВКТ-5(7), которые предназначены для вычисления управляющего воздействия на исполнительное устройство (запорный клапан, гидроэлеватор). Такой прибор решает несколько за-
дач: регулирование температуры воздуха в помещении, регулирование давления теплоносителя, регулирование расхода, регулирование температуры горячего водоснабжения (ГВС). Регулирование температур осуществляется по отопительному графику, а защита от превышения температу-ры — по графику температуры обратной воды. Приборы имеют интерфейсы RS-232/RS-485 для связи с вычислительными устройствами. Недостатком БМК является отсутствие возможности контролировать его работу с удаленного диспетчерского пункта, так как для снятия показаний с приборов и выполнения регламентных работ требуется присутствие специалиста на объекте.
В подсистеме современных тепловых магистралей для транспортировки теплоносителя используются двойные трубы с внутренним утеплителем и системой проводного оперативного дистанционного контроля (ОДК). Система ОДК служит для обработки информации о состоянии изоляции и включает выносные терминалы для контрольных измерений, кабели для вывода терминалов на поверхность, приборы контроля и обнаружения (детекторы и локаторы). При повреждении внутренней трубы и попадании воды в слой теплоизоляции с помощью детектора, подключенного к терминалу, можно обнаружить изменение состояния системы. Однако для локализации поврежденного участка необходимо использовать локатор, который позволяет определить повреждение на расстоянии до 2 км с точностью около 1%. Недостатком системы является отсутствие оперативного контроля, так как для детектирования и локализации требуется периодический обход магистралей и подключение устройств к терминалам, что фактически исключает своевременное обнаружение и предупреждение аварийных ситуаций.
4. Архитектура системы мониторинга и поддержки принятия решений тепловой сети города
Гетерогенная технологическая радиосеть системы беспроводного мониторинга включает локальные сенсорные ZigBee-сегменты котельных, сенсорные ZigBee-сегменты тепловых магистралей, сенсорную ZigBee-сеть регионального уровня, сотовую сеть GSM/GPRS, спутниковый навигационный сегмент. Сама система беспроводного дистанционного мониторинга включает пять подсистем:
1) подсистему мониторинга состояния теплоцентралей-
2) подсистему мониторинга и управления БМК-
3) подсистему мобильной поддержки руководителей и аварийных бригад-
4) подсистему учета и контроля теплопо-требления-
5) диспетчерский центр сбора и обработки данных.
1. Подсистема мониторинга состояния теплоцентралей. Для оперативного и постоянного мониторинга состояния магистралей предлагается установка детекторов, совмещенных с сенсорными модулями ZigBee, непосредственно на терминалах. Модули предназначены для измерения волнового сопротивления теплоизоляции труб на различных участках и передачи значений на диспетчерский компьютер, где, в случае изменения параметров волнового сопротивления, регистрируется внештатное событие в момент его возникновения и производится локализация места повреждения. Передача информации выполняется с использованием метода динамической маршрутизации через промежуточные сенсорные узлы, установленные на терминалах. Согласно требованиям нормативно-проектной документации на монтаж тепловых магистралей установка терминалов предусмотрена каждые 300 м. Данного расстояния достаточно для установления надежных радиоканалов между соседними маломощными ZigBee-модулями и функционирования сенсорной транспортной сети. Возможна регистрация событий и на мобильных средствах связи с ZigBee-модемами при их попадании в зону радиодоступа вокруг магистрали. Подобный мониторинг состояния участков теплотрасс позволяет оперативно определять момент начала протечки теплоносителя на магистрали, тем самым предупреждая аварийные ситуации, минимизировать затраты на ликвидацию последствий аварий.
2. Подсистема мониторинга и управления БМК. Подсистема включает ZigBee-модули компаниипшс (JN5139-Zxx--M02/M04), которые устанавливаются на БМК в разных районах города. Внутри котельной к ним подключаются приборы тепловой автоматики типа ОВЕН ТРМ32-Щ4, тепловычислители типа ВКТ-5/7, датчики загазованности и охранно-пожарной сигнализации. Для соединения интерфейсов Я8−232/Я8−485 данных приборов с радиокана-
лом разработаны модули преобразования данных в форматы кадров ZigBee для буферизированной передачи посредством профиля 8РРЮ через асинхронный порт ИЛЯТ. Координатор содержит приемопередатчик с встроенным регулируемым усилителем мощности и связанную с ним наружную направленную антенну для передачи данных на антенну диспетчерской напрямую, либо через промежуточный ZigBee-ретранслятор. В качестве промежуточных ретрансляторов целесообразно использовать узлы, связанные с терминалами магистралей. Для мониторинга объектов, в зоне радиовидимости которых отсутствуют приемные антенны или промежуточные узлы, используются готовые решения по передаче данных в сотовой сети посредством 08М/0РЯ8-моде-мов, хотя данное решение является достаточно дорогим из-за тарифов провайдеров сотовой связи.
3. Подсистема мобильной информационной поддержки руководителей и аварийно-ремонтных бригад. Для повышения эффективности принятия решений и оперативности реагирования на внештатные ситуации используется третья подсистема, которая включает мобильные средства связи с установленным программным обеспечением, позволяющим получать информацию с диспетчерского сервера или непосредственно с коммуникационных модулей котельных и магистралей, а также трекеры 08М/ГЛ0НАСС/0Р8 для слежения за передвижениями транспорта предприятия.
4. Подсистема учета и контроля тепло-потребления. Подсистема предназначена для автоматизированного надежного и достоверного коммерческого учета и контроля потребления энергоресурсов как по отдельным потребителям (подомовой, поквартирный учет), так и по управляющим компаниям с минимизацией влияния «человеческого фактора». Учет ведется посредством дистанционного считывания показаний с различных счетчиков тепла, оборудованных телеметрическим или интерфейсным выходом и передачи результатов мониторинга через 08М/0РЯ8-модемы сотовой сети на диспетчерские пункты и центра взаиморасчетов.
5. Диспетчерский центр сбора и обработки данных. В диспетчерской установлен сервер с геоинформационной системой мониторинга, хранилищем данных для сбора информация с узлов распределенной сети и ОЬЛР-компо-
нентами обработки и визуализации результатов мониторинга на карте города. К серверу подключен центральный ZigBee-координатор с шлюзами ZigBee-Ethemet, ZigBee-TCP/IP, GSM модем-координатор для получения информации с GSM-модулей котельных и навигационных трекеров.
5. Описание работы экспериментальной системы мониторинга и поддержки принятия решений
В настоящее время создан и введен в эксплуатацию прототип программно-аппаратного комплекса для системы теплоснабжения города Кузнецка Пензенской области. Система предназначена для эффективного управления технологическим процессом обеспечения потребителей тепловой энергией и горячим водоснабжением с целью повышения энергоэффективности, надежности, качества и экономичности. Распределенная система мониторинга будет охватывать в общей сложности восемь тепловых пунктов подогрева и несколько километров центральных тепловых магистралей с проводной системой ОДК. В настоящее время развернут прототип системы с двумя подключенными автономными котельными к технологической гетерогенной радиосети, включающей сенсорный сегмент и сегмент сотовой связи.
Сенсорный сегмент сети соединяет по радиоканалу ISM-диапазона (2,4 ГГц) посредством мощной направленной антенны ZigBee-модули компании Jennic (JN5139-Zxx--M02/M04), установленные на блочно-модульной котельной на расстоянии около 2 км от диспетчерского центра, которые снимают показания с прибора тепловой автоматики ОВЕН ТРМ32-Щ4 и тепловычислителя ВКТ-5. Для конфигурирования и эксплуатации ZigBee-модулей выбрана прошивка JN-AN-1016-ZigBee-Wieless-UART, которая предназначена для создания UART-соединения поверх беспроводной сети ZigBee. Прошивка модифицирована с учетом параметров выходных портов приборов ТРМ32-Щ4, ВКТ-5 и преобразователей интерфейсов.
Сегмент сотовой сети соединяет по радиоканалу GSM-модемы IRZ MC52iT, установленные на удаленной БМК (микрорайон «Дружба», г. Кузнецк) на расстоянии около 8 км от диспетчерского центра, которые снимают показания с тепловычислителя ВКТ-5 через интерфейс RS-232. Модемы выполнены на базе модуля Cinterion MC52i и предназначены для
приема/передачи SMS и данных в стандарте GSM 900/1800 и GPRS (Class 10) со скоростью до 171 кбит/с. Для опроса приборов ВКТ-5 и ВКТ-7 с диспетчерского сервера по голосовому каналу передачи данных применяется программная утилита компании «Теплоком». Передача цифровых данных происходит с использованием технологии передачи данных CSD (Circuit Switched Data).
Сбор результатов мониторинга выполняется следующими способами: по расписанию, по запросу от сервера, по запросу от мобильных устройств, при возникновении внештатной ситуации. В первом случае информация от контроллеров и терминалов передается на центральный сервер в определенные моменты времени согласно расписанию перехода сенсорных узлов в «активное» состояние и сбора показаний с приборов и датчиков. В остальные периоды времени сенсорные узлы находятся в «спящем» режиме пониженного энергопотребления. Во втором случае диспетчер производит адресный или широковещательный опрос сенсорных узлов на предмет сбора требуемой информации. В третьем случае опрос осуществляется путем инициирования сбора информации с узлов через диспетчерский сервер, либо путем локального опроса узлов с мобильного устройства в зоне радиодоступа. При наступлении внештатной ситуации активация «спящих» узлов и передача информации с координатами места возникновения аварийного события производится узлами самостоятельно. Событие регистрируется на сервере, далее данные передаются руководителям и аварийным бригадам, перемещение которых отслеживается на карте города посредством навигационных трекеров GSM/GPS/ГЛОНАСС.
Заключение
Основные пути преодоления кризиса в жилищно-коммунальном хозяйстве направлены на внедрение энергосберегающих технологий и систем контроля над потреблением энергоресурсов. Комплексная интеграция в проектируемой системе инновационных технологий, таких как распределенный мониторинг приборов тепловой автоматики в реальном времени, интеллектуальный анализ результатов мониторинга, пространственный анализ с применением ГИС, передача информации на мобильные средства связи, определение местоположения аварийно-
ремонтных бригад и руководителей, позволяет создать принципиально новые методы управления, с целью оптимизации потребления энергоресурсов и повышения эффективности принятия решений по предупреждению аварий и ликвидации их последствий.
Аналогичные системы могут использоваться для распределенного мониторинга инженерных коммуникаций, контроля и учета потребления энергоресурсов в различных сферах ЖКХ. Работы над проектом создания системы мониторинга и поддержки принятия решений выполняются студентами, аспирантами и преподавателями кафедры САПР Пензенского государственного университета, Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, сотрудниками МУП «Горте-плосеть» города Кузнецка Пензенской области.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Финогеев, А. Г. Моделирование исследования системно-синергетических процессов в информационных средах: монография / А. Г. Финогеев. — Пенза: Изд-во ПГУ, 2004. — 223 с.
2. Пахомов, П. И. Технология поддержки принятия решений по управлению инженерными коммуникациями / П. И. Пахомов, В. А. Немтинов. — М.: Машиностроение,
2009. — 124 с.
3. Бершадский, А. М. Концепция мониторинга комплексной инфраструктуры территории: монография /
A. М. Бершадский, А. С. Бождай. — Пенза: Изд-во ПГУ,
2010. — 242 с.
4. Финогеев, А. Г. Система беспроводного оперативного дистанционного мониторинга и управления сетями городского теплоснабжения на основе сенсорных сетей. [Электронный ресурс] / А. Г. Финогеев [и др.]. — 2010. -Режим доступа: http: //inno-terra. rU/sites/d аГаиИ/тсз^-107. doc
5. Бершадский, А. М. Разработка и моделирование гетерогенных инфраструктур для беспроводного информационного обеспечения процессов мониторинга / А. М. Бершадский, А. Г. Финогеев, А. С. Бождай // Известия ВУЗов. Поволжский регион. Технические науки. — 2010. — № 1.
6. Маслов, В. А. Локализация в беспроводных сетях /
B. А. Маслов, А. Г. Финогеев // Надежность и качество: сб. тр. Междунар. симп. — Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. — Т. 1. -
C. 234−237.
7. Финогеев, А. Г. Мобильные сенсорные сети для поддержки принятия решений / А. Г. Финогеев, А. А. Фи-ногеев // ИНФО-2009: сб. материалов Междунар. конф. (1−10 октября 2009). — Сочи, 2009. — С. 146−149.
8. Финогеев, А. Г. Системы оперативного дистанционного контроля / А. Г. Финогеев, А. А. Финогеев // Надежность и качество: сб. тр. Междунар. симп. — Пенза: Изд-во ПГУ, 2009. — Т. 2. — С. 124−126.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой