автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Обоснование рациональной структуры системы электронного мониторинга подконтрольных лиц на основе радиосетей передачи данных с применением геоинформационных технологий

с

На правах рукописи

Зараменских Евгений Петрович

ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО МОНИТОРИНГА ПОДКОНТРОЛЬНЫХ ЛИЦ НА ОСНОВЕ РАДИОСЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 05.12.13 — Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Серпухов - 2013

005546246

Работа выполнена в Межрегиональном общественном учреждении «Институт инженерной физики» (МОУ «ИИФ»).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Смирнов Дмитрий Вячеславович.

Официальные оппоненты:

1. Зеленевский Владимир Владимирович, доктор технических наук, профессор - ведущий научный сотрудник МОУ «ИИФ».

2. Куцов Руслан Владимирович, кандидат физико-математических наук-заместитель начальника организационно-научного и редакционного отдела ФКОУ ВПО Воронежский институт ФСИН России.

Ведущая организация:

ФКУ Научно-исследовательский институт ФСИН России, г. Москва.

Защита диссертации состоится » 2013 г. в УЗ' часов на

заседании диссертационного совета Д 520.033.01 при МОУ «Институт инженерной физики» по адресу: 142210, г. Серпухов, Большой Ударный пер., д. 1а

Отзывы на автореферат в 2-х экз. просьба направлять по адресу: 142210, г. Серпухов, Большой Ударный пер., д. 1а, Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики» (МОУ «ИИФ»), ученому секретарю диссертационного совета Д 520.033.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Межрегионального общественного учреждения «Институт инженерной физики».

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 520.033.01 кандидат технических наук, доцент

О.В. Коровин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время получили широкое распространение такие технологии, как радиочастотная идентификация и передача данных по сотовым каналам связи. Их применение для задач мониторинга подконтрольных лиц позволяет повысить эффективность мониторинга за счёт непрерывности и устойчивости контроля.

Изменения в законодательстве РФ, разрешающие применение сотрудниками органов государственной власти специальных технических средств для мониторинга за подконтрольными лицами, дают новые возможности по повышению эффективности такого труда, а также приводят к качественным изменениям в организации труда.

10 января 2010 г. вступил в силу Федеральный закон РФ от 27 декабря 2009 г. № 377-ФЭ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с введением в действие положений Уголовного кодекса Российской Федерации и Уголовно-исполнительного кодекса Российской Федерации о наказании в виде ограничения свободы».

31 марта 2010 г. было подписано Постановление Правительства РФ № 198 «Об утверждении перечня аудиовизуальных, электронных и иных технических средств надзора и контроля, используемых уголовно-исполнительными инспекциями Федеральной службы исполнения наказаний для обеспечения надзора за осужденными к наказанию в виде ограничения свободы».

С 1 июня 2011 года вступил в силу Федеральный закон РФ от 06.04.11 N 64-ФЗ «Об административном надзоре за лицами, освобожденными из мест лишения свободы».

Организация мониторинга подконтрольных лиц (ПЛ) осуществляется на базе развёртываемых систем электронного мониторинга подконтрольных лиц (СЭМПЛ). Кроме указанных выше сфер применения элементы СЭМПЛ могут быть использованы в других организациях и ведомствах: в Государственной фельдъегерской службе Российской Федерации; в Пограничной службе Федеральной службы безопасности Российской Федерации; в Министерстве чрезвычайных ситуаций; в Министерстве здравоохранения и социального развития Российской Федерации.

В условиях современного развития технологий передачи данных развёртывание СЭМПЛ в районах с развитой инфраструктурой сетей передачи данных не представляет большой сложности. Это убедительно доказывает опыт применения подобных систем за рубежом. Но, учитывая большую территориальную протяжённость Российской Федерации, нужно принимать во внимание, что во многих районах, где может возникнуть необходимость развёртывания СЭМПЛ, зачастую отсутствует и развитая инфраструктура и какие-либо каналы связи. При отсутствии проводных, сотовых и дороговизне спутниковых каналов связи, развёртывание СЭМПЛ возможно на базе радиосетей различной конфигурации.

В этом случае процесс развёртывания СЭМПЛ можно разделить на два направления, различающихся как возможным диапазоном используемых радиочастот, так и применяемым аппаратным обеспечением.

В качестве первого направления выступает организация мониторинга подконтрольных лиц в локализованной площадной зоне, называемой объектом мониторинга (ОМ).

На втором направлении рассмотрению подлежит район мониторинга, включающий несколько объектов мониторинга. И в этом случае для обеспечения непрерывности мониторинга необходимо рассмотреть вопрос организации надёжных радиоканалов между ОМ и центром управления мониторингом.

При развёртывании СЭМПЛ на объекте мониторинга механизм организации радиосети подобен сетям сотовой связи: несколько зон контроля образуют соту, соты объединяются между собой и обеспечивают непрерывное покрытие целого района, в рамках которого осуществляется контроль местоположения объектов мониторинга.

Но, учитывая специфические особенности и требования к СЭМПЛ, применение разработанного математического аппарата расчёта сетей сотовой связи напрямую невозможно. К таким особенностям относятся: использование узкого диапазона частот (433,075 - 434,775 МГц); применение только симплексных каналов связи с короткими сообщениями; обслуживание абонентов не по запросу, т.е. наличие постоянного потока сообщений; ряд других особенностей, обусловленных функциональными требованиями к СЭМПЛ.

В свою очередь, использование в СЭМПЛ на объекте мониторинга указанного выше диапазона частот приводит к необходимости учёта распространения радиоволн в этом диапазоне в условиях неравномерной плотности застройки площади ОМ. А отсутствие зависимостей, в достаточной мере описывающих распространение радиоволн в рассматриваемых условиях функционирования СЭМПЛ, выступает в качестве недостатка существующего математического аппарата описания радиообмена.

В рамках второго направления при организации межобъектовой связи для нескольких ОМ и вышестоящего центра мониторинга в условиях отсутствия развитых сетей передачи данных актуальными становятся вопросы применения разнообразных систем радиодоступа (WiFi, WiMax) и средств подвижной связи (D-AMPS, GSM, CDMA, SmarTrank, TETRA, ED ACS, 3G/UMTS и т.д.). Для этих систем характерно использование УКВ диапазона радиоволн.

Вопросам планирования систем связи на основе моделей распространения радиоволн УКВ диапазона, посвящены исследования учёных: Б.А. Введенского, А.И. Калинина, А. Лонгли, П. Раиса, Окомуро, Хата, Икегами и др. Модели распространения подразделяются на теоретические, эмпирические и гибридные.

Общим недостатком всех моделей является отсутствие математического описания рельефа радиотрассы, использование усредненных значений для разных типов местности, снижение точности при снятии геометрических характеристик радиотрасс. В условиях обеспечения непрерывности и устойчивости мониторинга указанные недостатки влияют на точность моделирования пространственного распределения электромагнитного поля с учетом рельефа подстилающей поверхности, что будет влиять на определение мест установки элементов СЭМПЛ.

Исходя из вышесказанного, актуальность работы определяется необходимостью обоснования рациональной структуры СЭМПЛ в условиях её развертывания на базе радиосети передачи данных.

В работе под рациональной структурой СЭМПЛ понимается научно-обоснованный вариант состава и взаимного местоположения элементов системы,

обеспечивающий эффективный мониторинг ПЛ с меньшими временными и ресурсными затратами.

Эффективность мониторинга определяется его непрерывностью. Непрерывность мониторинга - свойство СЭМПЛ, характеризующее способность получения информации об местоположении ПЛ с заданной периодичностью. При этом считается, что принимаемая информация является достоверной.

Непрерывность мониторинга при использовании радиосети передачи данных зависит от количества аппаратных средств, обеспечивающих полное покрытие объекта мониторинга. Вместе с тем избыточность аппаратных средств приведет к необоснованному повышению затрат при развертывании и эксплуатации СЭМПЛ.

В рассматриваемых условиях применения СЭМПЛ возникает противоречие между необходимостью обеспечения заданного уровня непрерывности мониторинга ПЛ при развертывании СЭМПЛ на основе радиосети передачи данных, с одной стороны, и сложностью учета большого количества факторов, влияющих на непрерывность мониторинга, с другой стороны. Исходя из этого, выбраны объект и предмет исследования.

Объест исследования - система мониторинга подконтрольных лиц.

Предмет исследования - научно-методический аппарат построения систем мониторинга подконтрольных лиц на базе радиосетей передачи данных.

Цель диссертационной работы - обеспечение непрерывности мониторинга путем обоснования рациональной структуры СЭМПЛ на базе радиосети передачи данных.

Научная задача состоит в разработке научно-методического аппарата обоснования рациональной структуры СЭМПЛ на основе радиосети передачи данных.

Результаты, выносимые на защиту:

¡.Методика расчёта рационального состава оборудования системы мониторинга подконтрольных лиц на базе радиосетей передачи данных.

2. Методика оценки вариантов размещения элементов СЭМПЛ на базе радиосетей передачи данных с применением геоинформационных технологий.

Научная новизна результатов заключается в том, что впервые:

в методике расчёта рационального состава оборудования системы мониторинга подконтрольных лиц при выборе варианта размещения и состава аппаратных средств СЭМПЛ на объекте мониторинга в комплексе учитываются топология застройки объекта мониторинга, суточные изменения зонирования подконтрольных лиц при случайном характере их перемещения;

в методике оценки вариантов размещения элементов СЭМПЛ в качестве нового решения предлагается применение нового алгоритма преобразования нерегулярной цифровой модели местности в регулярную на основе метода средневзвешенной интерполяции с ограничением радиуса, учётом высот и характеристик объектов электронной карты.

Научная значимость результатов состоит в разработке научно-методического аппарата, позволяющего обосновать рациональный состав оборудования СЭМПЛ при развёртывании на базе радиосетей узкого диапазона частот с учётом особенностей конкретных районов развёртывания и специфики использования СЭМПЛ.

Прастическая значимость заключается в разработке методик и рекомендаций позволяющих: рассчитать и выбрать рациональный состав оборудования СЭМПЛ при

развёртывании на базе радиосетей с учётом экономической целесообразности и заданных требований непрерывности мониторинга; при расчёте радиотрасс повысить точность определения мест установки радиосредств на 10-18%.

Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось на основе методов системного анализа, построения радиотрасс, оценки распространения радиосигналов, теории систем массового обслуживания, теории графов.

Достоверность научных и практических результатов подтверждается: применением современных научных методов; непротиворечивостью представленных научных результатов, известным в данной области знаний; результатами экспериментальных исследований, проведенных применительно к реальным объектам мониторинга в структуре ФСИН.

Реализация и внедрение результатов. Результаты исследований использовались в виде моделей, методик и алгоритмов программного обеспечения в ЗАО КБ «Панорама», Воронежском институте ФСИН России, Научно-исследовательском институте ФСИН России.

Апробация. Основные результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях межведомственного, межрегионального и Всероссийского уровней (г. Серпухов, г. Протвино, г. Москва, г. Воронеж, г. Прага).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, 8 статей в научно-технических сборниках и трудах конференций, одна монография, 2 статьи опубликованы в журнале, входящем в перечень журналов ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения, списка литературы, насчитывающего 117 наименований. Работа изложена на 138 страницах, содержит 36 рисунков и 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель, объект, предмет и основные задачи исследования.

В первой главе проведён анализ подходов к построению систем мониторинга различного назначения, представлены концептуальные основы построения СЭМПЛ, выявлены особенности и требования к системам, в которых мониторинг проводится по отношению к подконтрольным лицам.

В ходе анализа сделан вывод о том, что в условиях развитой инфраструктуры и сетей связи организация СЭМПЛ возможна в различных вариациях в зависимости от требуемых условий использования, а при отсутствии проводных, сотовых и дороговизне спутниковых каналов связи, развёртывание СЭМПЛ возможно на базе радиосетей различной конфигурации.

Факторы, влияющие на выбор рационального состава оборудования СЭМПЛ и вариантов его размещения, были разделены на две группы: определяемые техническими характеристиками аппаратных средств; вытекающие из особенностей рельефа подстилающей поверхности района размещения СЭМПЛ.

Исходя из этого, решение общей задачи исследования проведено через декомпозицию на две подзадачи: задачу выбора рационального варианта состава и размещения аппаратных средств СЭМПЛ на объекте мониторинга и задачу оценки вариантов размещения элементов СЭМПЛ в районе с несколькими объектами мониторинга и центром управления мониторингом.

Решение первой задачи проводилось в рамках следующих основных условий и ограничений: объекты мониторинга контролируются хотя бы одним контрольным устройством; все объекты мониторинга имеют равный приоритет, т.е. доверительный интервал для каждого объекта является равной величиной; синхронность работы радиометок исключена; сигнал с радиометки ПЛ поступает сразу на СКУ, т.е. не рассматривается использование ретрансляторов; помехи в канале связи не оказывают существенного влияния на сообщение; все радиометки имеют одинаковый уровень мощности и длительность излучаемого сигнала.

Требуется найти рациональное количество аппаратных средств Ъ на объекте мониторинга для развёртывания СЭМПЛ с заданной непрерывностью мониторинга.

Формализованное описание задачи выбора рационального состава аппаратных средств СЭМПЛ на объекте мониторинга имеет следующий вид:

Ла={80М,Нср}; Мом={\Ур,Кк,Л„2}

^Р = Рнм> : Рнм - Рнм , где

Бои - множество характеристик объекта мониторинга;

Нср - множество характеристик используемых аппаратных средств;

Рим - показатель непрерывности мониторинга;

- требуемое значение этого показателя непрерывности мониторинга;

ЛЛ - условия решения задачи;"

М01( - модель объекта мониторинга;

\\'р - обобщённый показатель, на основании которого по критерию пригодности К/( оценивается вариант размещения рационального количества аппаратных средств.

При решении второй подзадачи требуется найти рациональное подмножество ш*, для такого размещения элементов СЭМПЛ с];, которое обеспечит непрерывность функционирования СЭМПЛ в рассматриваемых условиях. Формализованное описание задачи в этом случае выглядит следующим образом.

ЛсвЧЗ'Ц; Мсв={^й>КоЛаРт*}

Щв =Жсв> Кс : ^св* ЯНсв , где

О - множество элементов СЭМПЛ (объектов мониторинга и узлов мониторинга);

М = {тхуг}- множество мест возможного местоположения элементов СЭМПЛ, определяемое как множество точек района мониторинга с координатами х,у и высотой Ь;

Асв - условия решения задачи;

Мги - модель оценки связности структуры СЭМПЛ;

5ЯСВ - отношение сигнал-шум, характеризующее возможность принятия сигнала при оценке варианта размещения оборудования;

Я/¡¡у' - требуемое (заданное) отношение сигнал шум для используемых аппаратных средств;

- обобщённый показатель, на основании которого по критерию пригодности Кс оценивается вариант размещения элементов СЭМПЛ.

Ввиду того, что нет достаточно полных аналитических зависимостей для определения непрерывности мониторинга с учетом топологии застройки объекта мониторинга, суточных изменений зонирования подконтрольных лиц, случайным характером их перемещения и связности структуры всей СЭМПЛ была выбрана система частных показателей, характеризующая состав и вариант размещения аппаратных средств СЭМПЛ с точки зрения обеспечения непрерывности мониторинга по условиям пропускной способности оборудования и топологии зонирования объекта мониторинга.

Таким образом, формализованную постановку общей задачи исследования можно представить следующим образом:

где ф - оператор соответствия;

У - числовое выражение результата моделирования; в - множество результатов моделирования; Л3 - множество определённых и неопределённых факторов; М3 - модель, т.е. отображение, ставящее в соответствие множеству

факторов Л3, множество результатов моделирования У(С); *

Р (Д) - функция, описывающая состав и вариант размещения Д аппаратных

Кр - критерий пригодности, позволяющий вынести суждение о соответствии *

функции Р (Д) требуемым условиям функционирования СЭМПЛ.

О - множество исходных факторов, используемых при моделировании.

Вторая глава посвящена разработке научно-методического аппарата обоснования рациональной структуры системы электронного мониторинга подконтрольных лиц на основе радиосетей передачи данных с применением геоинформационных технологий. В качестве основного показателя эффективности СЭМПЛ принята непрерывность мониторинга - свойство СЭМПЛ, характеризующее способность получения информации о местоположении ПЛ с заданной периодичностью. Она, в первую очередь, зависит от количества подконтрольных лиц на объекте мониторинга и от характеристик приёмопередающей аппаратуры. Каждая пара устройств радиометка - СКУ характеризуется энергетическим потенциалом. Этот энергетический потенциал на радиолинии в итоге определяет вероятность достоверной передачи цифровой информации. Ослабление сигнала метки в свободном пространстве зависит от расстояния с/, между СКУ и радиометкой, ослабление за счет препятствий происходит в результате поглощения ими радиосигнала:

у: {У |М3:Л3 У(С)} Р*( Д ) => Кр

средств;

Г0 = Гсв+п-Упр, (1)

где Усв - ослабление сигнала в свободном пространстве, Ут, - ослабление сигнала единичным препятствием, п - количество препятствий.

Так как ослабление сигнала радиометки в первую очередь зависит от материала застройки и количества препятствий на пути распространения радиоволн, то, район, охваченный СЭМПЛ, можно условно разбить на некоторое количество зон, отличающихся по плотности и материалу застройки. Уровень сигнала на входе СКУ должен превышать пороговое значение, поэтому максимальная дальность приёма сигнала определяется допустимым уровнем его ослабления. В работе был определён средний коэффициент ослабления сигнала при прохождении через препятствия у, который характеризует среднее количество препятствий, в зависимости от плотности и материала застройки. Основные значения коэффициента у приведены в таблице 1.

Разделение общей площади мониторинга на зоны проводится таким образом, чтобы коэффициент ослабления в пределах одной зоны был примерно одинаковым. Исходя из вышесказанного, выражение определения дальности действия пары радиометка-СКУ для каждой /-ой зоны принимает вид

_ П(0,05.(85-(ГСВ+Г,.КДР))) 1Уску, ~ (2)

где Уi - коэффициент затухания радиоволн в /-ой зоне.

Таблица 1 - Значения среднего коэффициента /, в зависимости от топологии

№ п/п Тип среды распространения сигнала Значение коэффициента У,

1 Деревянные здания, слабая застройка 2-3

2 Деревянные здания, плотная застройка 2,5-3,5

3 Кирпичные здания, слабая застройка 3-4,5

4 Кирпичные здания, плотная застройка 3,5-6

5 В здании на линии прямой видимости 1,6-1,8

6 В здании с препятствиями 4-6

Используя выражение (2), можно определить количество СКУ для покрытия i -ой ZRi зоны и всего ОМ ZR, зависящие от площади и топологии застройки ОМ:

ZÄi = int i-A_l; Zs = ± int (3)

V С К Vi / \ЖКСКУ! )

где SCKyi -площадь, охватываемая одним СКУ, - площадь i-ой зоны.

Вариант организации СЭМПЛ представлен на рисунке 1.

Следующим этапом решения задачи явилось определение достаточности пропускной способности аппаратуры СЭМПЛ для мониторинга всех ПЛ, находящихся на ОМ с непрерывностью не ниже заданной.

Рисунок 1 - Вариант организации СЭМПЛ на объекте мониторинга

Каждая радиометка независимо от остальных генерирует поток сообщений с интенсивностью Л,. Несмотря на различные интенсивности А,, все потоки сообщений от радиометок оказывают примерно равное ничтожно малое влияние на суммарный поток, значит, суммарный поток на входе СКУ можно считать случайным, то есть обладающим свойствами стационарности, условной ординарности и отсутствия последействия. Общий вид потока сообщений представлен на рисунке 2.

О 0.1 о я О.з

П Ь I И , п , п , ,

О 0.1 О 2 , , П , п Т" ,17 п . П , п ,

О 0.1 0.2 п-пп п о.з - п О.-4 0.5 ■■ пп п 0,6 0.7 0.в О.Э 1.0 _ 1 [С1 п , п гГ в ,

Рисунок 2 - Поступление и обработка сообщений в СКУ

Т - интервал, в течение которого необходимо получить хотя бы одно сообщение от радиометки, - время обработки сообщения в СКУ.

Принимая поток сообщений случайным, можно утверждать, что все характеристики потока также являются случайными величинами и распределены по показательному закону.

В случае применения одного СКУ в точке установки, вероятность того, что в произвольный момент / одно СКУ свободно и сообщение от радиометки будет

обработано определяется выражением

/>(*) = —

Л +/и Л + /и _ (4)

где № - пропускная способность СКУ [1/с]; - интенсивность поступления сообщений от радиометок объектов мониторинга [1/с]; ? - время [с].

В случае обслуживания сообщений от конечного числа объектов мониторинга и наличия 2дг,у СКУ, модель функционирования системы мониторинга может быть описана следующим образом:

Я ¡Г —

2Щ, при пПЩ >2Щ

\ппщ> при ппщ - (5)

где . поток обслуженных сообщений при одновременном поступлении к сообщений, 7_щ - количество СКУ в одном узле установки; пПЛц - количество одновременно поступивших сообщений суммарного потока от п подконтрольных лиц, находящихся в зоне контроля СКУ.

Если пропускной способности одного СКУ недостаточно для обслуживания всех ПЛ ¡-ой зоны, необходима установка нескольких СКУ в точке. При установке нескольких СКУ в одной точке и ограниченного числа ПЛ в зоне их действия, показатель непрерывности мониторинга можно определить в виде распределения Энгсета:

р„(А = 1 -—-—^ А'1 .. (6)

к-ш

где А - абсолютная пропускная способность среднее число сообщений, которое может обработать СКУ в единицу времени; САг - число сочетаний из

приходящихся наточку (зону) установки подконтрольных лиц.

Следующим этапом решения задачи явилось исследование распределения объектов мониторинга по зонам. Общее количество объектов известно, перемещение объектов в районе является случайным процессом, поэтому количество объектов в конкретной зоне может быть определено с некоторой долей вероятности. Данная вероятность />, может быть определена экспертным путём конкретно для моделируемой системы, либо статистическими методами.

При этом вероятность обработки сообщений вычисляется последовательно для 2-х, 3-х и т.д. СКУ. При выполнении условия Рп (г) > Р{()1а1), расчёт прекращается.

Необходимым принимается то число СКУ .зависящее от количества ПЛ в ¡-ой зоне, которое обеспечивает непрерывность мониторинга, не ниже заданной.

Общее количество СКУ, необходимое для покрытия всего объекта мониторинга заданной непрерывности мониторинга с учётом топологии района и плотности распределения ПЛ

2=1?,

■т' му. (7)

¡=1

1) Исходя из вышеприведённых выкладок, последовательность действий при расчете требуемого аппаратного ресурса для организации СЭМПЛ будет иметь последовательность: выбор исходных данных: количество подконтрольных лиц - Nпл, площадь объекта мониторинга - Б; имеющийся частотный диапазон - А/.

Характеристики приемопередающей аппаратуры: чувствительность СКУ Рцрм [дБм]; мощность радиометки ПЛ РяедСаБм]; время обслуживания сообщения в СКУ [с];

2) условное разделение объекта, охваченного СЭМПЛ, на некоторое количество зон, отличающихся по плотности застройки и преобладающему материалу 3 = Уз,;

3) определение площади каждой зоны 5/.

4) определение коэффициента ослабления сигнала для каждой зоны у1;

5) определение среднего радиуса действия СКУ для каждой зоны Ясш по выражению 2;

6) определение количества СКУ, необходимых для покрытия площади /-ой зоны2и по выражению 3;

7) определение числа подконтрольных лиц в ;-ой зоне

8) расчёт непрерывности мониторинга по выражению (4) для 1-го СКУ. При выполнении условия Рп (г) > 2щ=1, переход к пункту 10. При невыполнении условия - расчёт непрерывности мониторинга по выражению (6) последовательно для 2-х, 3-х и т.д. СКУ до удовлетворения условию Рп (/) > /"(/),.

9) определение необходимого числа СКУ исходя из численности ПЛ, при заданном показателе непрерывности мониторинга для каждой зоны по выражению 6;

10) определение общего количества СКУ, необходимого для покрытия всего района, охваченного СЭМПЛ по выражению 7.

На рисунке 3 представлена зависимость изменения количества СКУ, устанавливаемых в одной точке установки, при организации СЭМПЛ с учётом (1) и без учёта (2) коэффициента плотности мониторинга с непрерывностью мониторинга Р(0 > 0,9.

Рисунок 3 — Зависимость изменения количества СКУ в одной точке установки от числа подконтрольных лиц Ляд

Разработанная методика выбора рационального варианта размещения элементов систем электронного мониторинга подконтрольных лиц состоит из 4-х этапов.

На первом этапе выбора рационального варианта размещения элементов СЭМПЛ задается структура системы в соответствии с методологией теории систем для описания процессов функционирования сетей связи в виде функционального уравнения:

Ш = (8)

где Х=(х]...хп) - параметры, а О - её структура. При этом под параметром понимается величина, характеризующая свойства сети связи.

В свою очередь структура СЭМПЛ (её морфологическая модель) задается неориентированным графом 0(ТМ,М), где:

N = {п,}- множество вершин (узлов связи - УС) и характеризуемых координатами их размещения, относительно которых определяются элементы матрицы расстояний между узлами связи Ь=||/у||, I.) е N ;

М={т^} - множество ребер (сетка линий связи - ЛС), характеризуемых родом связи и вектором пропускных способностей » ;

ЫоМ = {сЗк}- множество элементов графа, где: шм, т0= тК+ тм -число элементов (мощность) множеств Ы, М, О.

Матрица смежности ^сэмпл ' описывает структуру связей, где элементами являются

П, канал связи между ¡-м и ]-м элементом СЭМПЛ задан

тСЭМПЛ, , = 1 Г, ■ ■ „„л лл—I п (9)

[О, канал связи между ]-м и >м элементом СЭМПЛ не задан

На рисунке 4 представлена структура СЭМПЛ, которая состоит из трех направлений связи между центром мониторинга и устройствами контроля.

УК1

шш

шш иди

Рисунок 4 - Структура варианта СЭМПЛ Морфологическая модель СЭМПЛ позволяет аналитически определить маршруты доведения информации СЭМПЛ.

На втором этапе выбора рационального варианта размещения элементов СЭМПЛ производится оценка расположения элементов мониторинга.

Решение данной задачи включает анализ района размещения элементов СЭМПЛ с целью поиска рациональных мест размещения элементов СЭМПЛ в соответствие с условием:

БНи > Жтш, (Ю)

где: 8Ни - соотношение сигнал/шум при установке передатчика в ¡-й точке района на приемной антенне, расположенной в ]-й точке, 5,#пш - соотношение сигнал/шум, определяемое чувствительностью приемника РС СЭМПЛ.

Для определения точек местности, удовлетворяющих условию (10), используются зоны уверенного приема, строящиеся на основе моделей распространения радиоволн. Следует отметить, что, несмотря на многочисленные результаты, полученные при проведении исследований, не существует единой модели, позволяющей с высокой степенью достоверности определить значение поля в различных участках радиотрассы, так как в большинстве моделей используются усредненные значения характеристик рельефа.

Повышение точности расчетов можно обеспечить за счет применения цифровых моделей рельефа (ЦМР), которые позволяют получить конкретные значения высот рельефа местности на протяженности рассматриваемой радиотрассы. Наиболее приемлемыми характеристиками для проведения расчетов на ЭВМ обладают регулярные ЦМР, поскольку обеспечивают повышенную точность при формировании профиля радиотрассы.

С учетом того, что исходными данными для ЦМР в основном являются топокарты, космические снимки или результаты аэрофотосъемки, то ЦМР в основном представлена неререгулярной моделью (изолинии и высотные отметки). В работе решена задача преобразования нерегулярной ЦМР в регулярную.

Задачу преобразования нерегулярной ЦМР в регулярную можно сформулировать так: поверхность описана в виде точечных значений, изолиний (горизонталей), структурных линий (реки, промоины, овраги) и площадных объектов с одинаковой абсолютной высотой (озера, водохранилища, пруды). Необходимо построить равномерную сетку так, чтобы она представляла эту поверхность с определенной точностью. Существует несколько алгоритмов решения данной задачи, в работе исследован и реализован в программном обеспечении алгоритм преобразования нерегулярной цифровой модели местности в регулярную на основе метода средневзвешенной интерполяции с ограничением радиуса и с учётом высоты и характеристик объектов электронной карты

Рисунок 5- Схема поиска значения высоты z в точке Т В алгоритме предлагается использовать зону ограничения поиска. Число точек пересечения изолиний с профилями матрицы можно определить как число экстремумов функции у = f(x), непрерывной на интервале ab, равном длине профиля, по формуле:

N = 2 * ( Lk * 400 ) / ( Lp * Dxy ), (11)

где : L|( — общая длина изолиний, Lp — длина профиля, Dxy - дискретность

ЦМР.

Анализ формулы показывает, что число точек пересечения профиля матрицы с контурами изолиний напрямую зависит от числа «непустых» ячеек матрицы. Исследования показали, что минимальное значение радиуса зоны поиска можно определить по формуле:

Rmin = (m * П) / Ck, (12)

где : Ck - число «непустых» элементов матрицы, ш - число строк матрицы, п -число столбцов матрицы.Ктах = max (т, п) / 2.

Достоинствами метода средневзвешенной интерполяции с ограничением радиуса поиска непустых ячеек является высокая скорость построения модели за счет того, что все «пустые» ячейки матрицы высот заполняются за один проход. Недостатком метода является тяготение значения рассчитываемой характеристики к преобладающему значению соседних ячеек.

Значительно снизить влияние преобладающих значений можно с использованием метода поэтапного оконтуривания. Основу метода составляют три

базовых алгоритма: заполнение пустот; поиск ближайшего «непустого» элемента; проведение контуров.

В результате работы этого алгоритма получаем матрицу, в которой нет ни одного «пустого» элемента, то есть значения определены для всех узлов сетки.

Рассмотрим пример работы приведенного алгоритма преобразования неравномерной сетки в равномерную. После первого заполнения матрица представляет собой полностью заполненную регулярную сетку (рис. 6, слева). Однако поверхность будет негладкой, иметь большие ступени. Необходимо продолжать интерполяцию дальше. Потом выполняется оконтуривание. И так далее -выполняются циклы заполнения - оконтуривания. После выполнения каждого цикла равномерная сетка все более точно соответствует гладкой поверхности

На третьем этапе выбора рационального варианта размещения элементов для каждого ¡-го элемента СЭМПЛ формируется зона уверенного приема в виде матрицы Мсв качеств, содержащей результаты расчетов ослабления сигнала и имеющей координатную привязку. Рациональными местами для размещения элементов СЭМПЛ считаются участки местности для которых выполняется условие (10).

Четвертый этап выбора рационального варианта размещения элементов СЭМПЛ заключается в выборе мест установки ретрансляторов, при невозможности реализации выбранной структуры СЭМПЛ для заданных мест установки. Выбор мест установки ретрансляторов аналогичен последовательности действий описанной на третьем этапе методики.

Проведенная оценка применения различных моделей расчета радиотрассы позволяет сделать вывод, что возможность использования цифровой модели рельефа позволяет приблизить точность расчета ослабления мощности сигнала к экспериментальным данным на 10-18 %, что в свою очередь доказывает эффективность использования ЦМР, особенно в районах имеющих нерегулярную застройку и изрезанный характер рельефа.

Разработанная методика выбора рационального варианта размещения элементов СЭМПЛ позволяет обосновать вариант размещения элементов в районе развертывания СЭМПЛ, выбрать места установки ретрансляторов с учетом влияния рельефа подстилающей поверхности на базе геоинформационных технологий.

В третьей главе была проведена проверка адекватности разработанного научно-методического аппарата в условиях использования существующих технических средств реализации системы мониторинга подконтрольных лиц на примере объектов ФСИН России.

Рисунок 6 - Исходная и результирующая ЦМР с регулярной структурой

Применение методики расчёта рационального количества средств мониторинга было рассмотрено на примере расчёта состава аппаратуры СЭМПЛ, необходимой для покрытия колонии-поселения в структуре ФСИН России.

Расчёт проводился с использованием характеристик аппаратуры мониторинга фирмы Зегсо (Великобритания). Анализ полученных расчётных данных показал, что для различных значений вероятности непрерывности мониторинга количество аппаратных средств, полученное с использованием методики 2 — 3 раза меньше, чем количество аппаратных средств при условии равномерного покрытия площади объекта мониторинга.

Для оценки эффективности разработанной методики выбора рационального варианта размещения элементов системы мониторинга проведена сравнительная оценка результатов расчетов, полученных с помощью модели Окамура-Хата с использованием средних значений и с применением цифровой модели рельефа.

На рисунке 7 представлена зависимость ослабления мощности сигнала от расстояния для двух моделей расчета радиотрассы:

- модель Окамура-Хата с использованием средних значений Д к (Ср.Зн);

- модель Окамура-Хата с использованием Д к, полученной при помощи цифровой модели рельефа (ЦМР);

- экспериментальные данные натурных измерений (ЭД).

Рисунок 7 - Зависимость ослабления мощности сигнала от расстояния Проведенный анализ показывает, что повышение точности определения высот объектов на пути распространения радиосигнала при использовании ЦМР позволяет приблизить точность определения ослабления мощности сигнала к экспериментальным значениям на 10-18%. Повышение точности, в свою очередь, позволяет перейти к рациональному размещению элементов системы мониторинга применительно к объекту ФСИН России.

При решении задачи выбора рационального варианта размещения элементов СЭМПЛ была построена трехмерная модель местности с наложенной ЦМР при помощи разработанного программного обеспечения на базе ГИС «Карта-2011».

В ходе разработки и проверки научно-методического аппарата построения СЭМПЛ на базе радиосетей были выявлены ряд особенностей, сформированные в виде рекомендаций по выбору рациональной структуры СЭМПЛ.

В заключении по результатам исследования сделаны следующие выводы: в ходе проведённого исследования решена важная научная задача по разработке научно-методического аппарата обоснования рациональной структуры СЭМПЛ на основе радиосети передачи данных с применением геоинформационных технологий;

методика определения рационального состава оборудования для покрытия района объекта мониторинга позволяет в комплексе учитывать топологию застройки объекта мониторинга и плотность распределения подконтрольных лиц, что позволяет снизить потребное количество аппаратных средств;

методика оценки вариантов размещения элементов СЭМПЛ, позволяет выбрать такой вариант размещения аппаратных средств, который позволит реализовать заданную связность структуры СЭМПЛ. Отличительной особенностью методики является использование цифровой модели местности для формирования профиля радиотрассы, что приводит к увеличению точности известных моделей распространения УКВ на 10-18%;

апробация методики расчёта рационального состава оборудования системы мониторинга подконтрольных лиц применительно к объектам ФСИН показала, что использование методики позволило снизить количество СКУ в 2 - 3 раза;

алгоритмы вычислений, представленные в методике оценки вариантов размещения элементов СЭМПЛ, были реализованы на базе ГИС Карта-2011, что позволило автоматизировать задачу выбора рационального варианта размещения элементов СЭМПЛ в районе развёртывания и сформировать цифровую модель рельефа повышенной точности с учётом высоты объектов и их семантических характеристик.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в гаданиях, рекомендованных ВАК:

1. Зараменских, Е.П. Концептуальные основы построения системы электронного мониторинга подконтрольных лиц / Е.П. Зараменских // «Известия Института инженерной физики», 2011 г, № 3 (21), с. 33-37.

2. Зараменских, Е.П. Методика выбора рационального варианта размещения элементов системы электронного мониторинга подконтрольных лиц с применением геоинформационных технологий / Е.П. Зараменских, Д.В. Смирнов, А.Г. Демиденко // «Известия Института инженерной физики», 2013 г, №4 (30), С. 53-57.

Другие статьи и материалы конференций'.

3. Зараменских, Е.П. Принципы построения системы электронного мониторинга подконтрольных лиц в России / Е.П Зараменских, Д.В. Смирнов, И.Е Артемьев // Монография. - Новосибирск: Издательство «СИБ-ПРИНТ», 2011. Т.1. 72с.

4. Зараменских, Е.П. Технологии мониторинга подконтрольных лиц с использованием электронных браслетов / Е.П. Зараменских, И.Е. Артемьев // Сборник материалов международной научно-практической конференции «Обеспечение процесса реформирования исполнения наказания в РФ». -Рязань, Академия ФСИН России, 2009 г., С. 16-22.

5. Зараменских, Е.П. Возможности применения технических средств персонального надзора и контроля на базе электронных браслетов в системе электронного мониторинга подконтрольных лиц ФСИН России / Е.П. Зараменских, И.Е. Артемьев // Сборник материалов открытой Всероссийской НПК «Техника и безопасность объектов уголовно-исполнительной системы - 2010». - Воронеж: ВИ ФСИН России, 12-13 октября 2010 г., С. 65-72.

6. Зараменских, Е.П. Организация передачи данных в системе электронного мониторинга подконтрольных лиц на уровне региональных органов контроля / Е.П. Зараменских // Сборник материалов XXX Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности функционирования сложных технических и информационных систем». — Серпухов: СВИ РВ, 30-1 июля 2011 г., С.141-143.

7. Зараменских, Е.П. Принципы построения системы электронного мониторинга подконтрольных лиц» / Е.П. Зараменских //Сборник материалов V Международной научно-практической конференции «Информационные и коммуникационные технологии в образовании, науке и производстве». -Протвино: Управление образования и науки, 4-8 июля 2011 г., С. 82-84.

8. Зараменских, Е.П. Возможные варианты построения системы электронного мониторинга подконтрольных лиц» / Е.П. Зараменских, О.В. Кемаев, Д.В.Смирнов // Сборник материалов VIII Международной научно-практической конференции «Дни науки - 2012». - Чехия, Прага: Publishing House "Education and Science" s.r.o., 2012. C. 54-59.

9. Зараменских, Е.П. Технологии электронного мониторинга в сфере перевозок опасных грузов / Е.П. Зараменских, И.Е. Артемьев // Сборник материалов VII Международной научно-практической конференции «Перспективы развития информационных технологий». - Новосибирск: Издательство НГТУ, 2012. С. 98-113.

10. Зараменских, Е.П. Выбор основных показателей для оценки вариантов системы электронного мониторинга подконтрольных лиц / Е.П. Зараменских, Д.В. Смирнов // Сборник материалов XXXI Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы эффективности функционирования сложных технических и информационных систем». — Серпухов: ФВА РВСН, 28-29 июня 2012 г., С.131-134.

11. Зараменских, Е.П. Методика расчёта рационального состава оборудования системы мониторинга подконтрольных лиц при развёртывании на базе УКВ сетей с использованием RFID технологий / Е.П. Зараменских // Сборник материалов X международной научно-практической конференции «Современные научные достижения - 2013». - Чехия: 2013 С. 114-117.

Подписано в печать 22.11.2013 г. Печ. л. 1,25. Печать офсетная. Зак. 18. Тираж 100 экз. Отпечатано МОУ «Институт инженерной физики» Множительный участок



МОУ «ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРНОЙ ФИЗИКИ»

ББК 32.811 Экз. №

УДК 621.39 На правах рукописи

04201452903

Зараменских Евгений Петрович

Обоснование рациональной структуры системы электронного мониторинга подконтрольных лиц на основе радиосетей передачи данных с применением геоинформационных технологий

Специальность: 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

>>

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук Смирнов Дмитрий Вячеславович

Соискатель:

Серпухов, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4 1 АНАЛИЗ ПОДХОДОВ К ПОСТРОЕНИЮ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ............................12

1.1 Анализ существующих систем мониторинга и вариантов их организации.............................................................................................12

1.2 Концептуальные основы построения и структурной организации системы электронного мониторинга подконтрольных лиц....................18

1.3 Анализ особенностей построения и требований к системе электронного мониторинга подконтрольных лиц в удалённых

25

труднодоступных районах.........................................................................^

1.4 Постановка научной задачи.....................................................................31

Выводы по первому разделу.......................................................................37

2 РАЗРАБОТКА НАУЧНО - МЕТОДИЧЕСКОГО АППАРАТА ПО ВЫБОРУ РАЦИОНАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОННОГО МОНИТОРИНГА ПОДКОНТРОЛЬНЫХ ЛИЦ НА БАЗЕ РАДИОСЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ................................................

38

2.1 Методика расчёта рационального состава оборудования системы мониторинга подконтрольных лиц на базе радиосетей передачи данных..................................................

2.1. Модель оценки рационального состава аппаратных средств СЭМПЛ

1 при равномерном распределении подконтрольных лиц по зонам... 38

2.1. Модель оценки рационального состава аппаратных средств СЭМПЛ

2 при неравномерном распределении подконтрольных лиц по зонам объекта мониторинга................................................................................^9

2.2 Методика выбора рационального варианта размещения элементов системы электронного мониторинга подконтрольных лиц на базе радиосетей передачи данных с применением геоинформационных технологий.................................................

64

Выводы по второму разделу.................................................................90

3 ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ РАЗРАБОТАННОГО НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОГО АППАРАТА В УСЛОВИЯХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПОДКОНТРОЛЬНЫХ лиц....................................................................91

3.1 Использование методики расчёта рационального состава оборудования системы электронного мониторинга подконтрольных лиц на базе радиосетей передачи данных с применением существующих аппаратных средств на примере системы УФСИН....................................................

3.2 Вариант применения методики выбора вариантов размещения элементов системы электронного мониторинга подконтрольных лиц на базе радиосетей передачи данных на примере регионального подразделения УФСИН.....................................

3.3 Методические рекомендации по выбору рациональной структуры построения системы электронного мониторинга подконтрольных лиц

113

на базе радиосетей передачи данных......................................................11 -3

Выводы по третьему разделу.......................................................................124

Заключение...................................................................................................125

Литература..................................................................................................127

91

102

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время получили широкое распространение такие технологии, как радиочастотная идентификация, передача данных по сотовым каналам связи. Их применение для задач мониторинга подконтрольных лиц позволяет повысить эффективность мониторинга за счёт непрерывности и устойчивости контроля.

Изменения в законодательстве РФ, обусловленные гуманизацией уголовных наказаний и разрешающие применение сотрудниками органов государственной власти специальных технических средств для осуществления мониторинга за подконтрольными лицами, дают новые возможности по повышению эффективности такого труда, а также приводят к качественным изменениям в организации труда.

10 января 2010 г. вступил в силу Федеральный закон РФ от 27 декабря 2009 г. № 377-ФЭ «О внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации в связи с введением в действие положений Уголовного кодекса Российской Федерации и Уголовно-исполнительного кодекса Российской Федерации о наказании в виде ограничения свободы» [93].

Изменения в УК РФ, УИК РФ и УПК РФ, касающиеся уголовного наказания в виде принудительных работ и меры пресечения в виде домашнего ареста, внесены Федеральным законом РФ от 07 декабря 2011 г. № 420-ФЗ [94].

С 1 июня 2011 года вступил в силу Федеральный закон РФ от 06 апреля 2011 г. № 64-ФЗ «Об административном надзоре за лицами, освобожденными из мест лишения свободы», исполнение которого возложение на Министерство внутренних дел Российской Федерации (МВД РФ) [95].

Для обеспечения надзора, предупреждения преступлений и в целях получения необходимой информации о поведении лиц, отбывающих наказание в виде ограничения свободы и принудительных работ, а также лиц, пребывающих под домашним арестом, статьи 60, 60.19 новой редакции Уголовно-исполнительного кодекса Российской Федерации и пункт 10 статьи 107 новой редакции Уголовно-процессуального кодекса Российской Федерации

предусматривают, применение органами Федеральной службы исполнения наказаний Российской Федерации (ФСИН России) электронных и иных, технических средств надзора и контроля, перечень которых определяется Правительством РФ.

В соответствии с требованиями указанных Федеральных законов Правительство Российской Федерации издало ряд Постановлений, определяющих состав аудиовизуальных, электронных и иных технических средств надзора и контроля, а также порядок их применения для осуществления надзорными органами функций надзора и контроля:

Постановление Правительства РФ от 31 марта 2010 г. №198 «Об утверждении перечня аудиовизуальных, электронных и иных технических средств надзора и контроля, используемых уголовно-исполнительными инспекциями Федеральной службы исполнения наказаний для обеспечения надзора за осужденными к наказанию в виде ограничения свободы» [72].

Постановление Правительства РФ от 18 февраля 2013 г. № 134 «О порядке применения аудиовизуальных, электронных и иных технических средств контроля, которые могут использоваться в целях осуществления контроля за нахождением подозреваемого или обвиняемого в месте исполнения меры, пресечения в виде домашнего ареста и за соблюдением им наложенных судом запретов и (или) ограничений» [73].

Постановление Правительства РФ от 4 июня 2012 г. № 553 «Об утверждении перечня аудиовизуальных, электронных и иных технических средств надзора и контроля, используемых исправительными центрами для предупреждения преступлений, нарушений порядка и условий отбывания принудительных работ и для получения необходимой информации о поведении осужденных к принудительным работам» [74].

То есть в настоящее время, определена законодательная база для создания в ФСИН России и МВД РФ системы электронного мониторинга подконтрольных лиц (СЭМПЛ) для обеспечения исполнения: - наказания в виде ограничения свободы;

- наказания в виде принудительных работ;

- меры пресечения в виде домашнего ареста;

- административного надзора;

- программа защиты свидетелей.

Также элементы СЭМПЛ могут быть использованы в других организациях и ведомствах:

- в Государственной фельдъегерской службе Российской Федерации (ГФС России), в ФГУП Главный центр специальной связи (ФГУП ГЦСС) и в Службе фельдъегерско-почтовой связи Минобороны РФ (ФПС) - для контроля за перемещением курьеров при доставке специальной корреспонденции;

- в Пограничной службе Федеральной службы безопасности Российской Федерации (ПС ФСБ России) - для контроля за персоналом при выполнении служебных заданий, в том числе для контроля оружия;

- в Министерстве чрезвычайных ситуаций Российской Федерации - для контроля за жизнью персонала при выполнении служебных заданий;

- в Министерстве здравоохранения и социального развития Российской Федерации (Минздравсоцразвития России) - для контроля за больными, нуждающимися в постоянном контроле в социально-медицинской сфере; в альтернативной гражданской службе.

В условиях современного развития технологий передачи данных развёртывание СЭМПЛ в районах с развитой инфраструктурой сетей передачи данных не представляет большой сложности. Это убедительно доказывает опыт применения подобных систем за рубежом [38]. Но, учитывая большую территориальную протяжённость Российской Федерации, нужно принимать во внимание, что во многих районах, где может возникнуть необходимость развёртывания СЭМПЛ, зачастую отсутствует и развитая инфраструктура и какие-либо каналы связи. При отсутствии проводных, сотовых и дороговизне спутниковых каналов связи, развёртывание СЭМПЛ возможно на базе радиосетей различной конфигурации.

В этом случае процесс развёртывания СЭМПЛ можно разделить на два направления, различающихся как диапазоном используемых радиочастот, так и применяемым аппаратным обеспечением.

В качестве первого направления выступает организация мониторинга подконтрольных лиц в локализованной площадной зоне, называемой объектом мониторинга (ОМ).

На втором направлении рассмотрению подлежит район мониторинга, включающий несколько объектов мониторинга. И, в этом случае, для обеспечения непрерывности мониторинга необходимо рассмотреть вопрос организации надёжных радиоканалов между ОМ и центром управления мониторингом.

При развёртывании СЭМПЛ на объекте мониторинга механизм организации радиосети подобен сетям сотовой связи: несколько зон контроля образуют соту, соты объединяются между собой и обеспечивают непрерывное покрытие целого района, в рамках которого осуществляется контроль местоположения объектов мониторинга [77,86].

Но, в виду специфических особенностей и требований к СЭМПЛ, применение разработанного математического аппарата расчёта сетей сотовой связи напрямую невозможно. К таким особенностям относятся: использование узкого диапазона частот (433,075 - 434,775 МГц); применение только симплексных каналов связи с короткими сообщениями; обслуживание абонентов не по запросу, т.е. наличие постоянного потока сообщений; ряд других особенностей, обусловленных функциональными требованиями к СЭМПЛ.

В свою очередь, использование в СЭМПЛ объекта мониторинга указанного выше диапазона частот приводит к необходимости учёта распространения радиоволн в этом диапазоне в условиях неравномерной плотности застройки площади ОМ. А отсутствие зависимостей в достаточной мере описывающих распространение радиоволн в рассматриваемых условиях функционирования СЭМПЛ выступает в качестве недостатка существующего математического аппарата описания радиообмена.

В рамках второго направления, при организации межобъектовой связи для нескольких ОМ и вышестоящего центра мониторинга, в условиях отсутствия развитых сетей передачи данных, актуальными становятся вопросы применения разнообразных систем радиодоступа (WiFi, WiMax) и средств подвижной связи (D-AMPS, GSM, CDMA, SmarTrank, TETRA, ED ACS, 3G/UMTS и т.д.). Для этих систем характерно использование УКВ диапазона радиоволн.

Вопросам планирования систем связи на основе моделей распространения радиоволн УКВ диапазона, посвящены исследования учёных: Б.А. Введенского, А.И. Калинина, А. Лонгли, П. Райса, Окомуро, Хата, Икегами [16,108,109,111,112,113,115] и многих других. Модели распространения подразделяются на теоретические, эмпирические и гибридные. Теоретические модели используют методы вычислительной геометрической оптики, эффекты рассеивания, поглощения и дифракции учитываются вероятностно. Эмпирические модели основаны на результатах кампаний по измерению затухания сигнала, имеют точно определенную область применимости (диапазон частот, высоты антенн, indoor/outdoor, типы местности). Гибридные модели сочетают теоретические формулы и эмпирические данные в одной параметрической модели и могут настраиваться десятилетиями.

Общим недостатком всех моделей является отсутствие математического описания рельефа радиотрассы, использование усредненных значений для разных типов местности, снижение точности при снятии геометрических характеристик радиотрасс [13]. В условиях обеспечения непрерывности и устойчивости мониторинга указанные недостатки влияют на точность моделирования пространственного распределения электромагнитного поля с учетом рельефа подстилающей поверхности [12].

Исходя из вышесказанного, актуальность работы определяется необходимостью обоснования рациональной структуры СЭМПЛ в условиях развертывания на базе радиосети передачи данных.

В данной работе под рациональной структурой СЭМПЛ понимается научно-обоснованный вариант состава и взаимного местоположения элементов

системы, обеспечивающий эффективный мониторинг ГШ с меньшими временными и ресурсными затратами [2, 17].

Эффективность мониторинга определяется его непрерывностью. Непрерывность мониторинга - свойство СЭМПЛ, характеризующее способность получения информации об местоположении ПЛ с заданной периодичностью, при этом будем считать, что принимаемая информация достоверная.

Непрерывность мониторинга при использовании радиосети передачи данных зависит от количества аппаратных средств, обеспечивающих полное покрытие объекта мониторинга. Вместе с тем избыточность аппаратных средств приведет к необоснованному повышению затрат при развертывании и эксплуатации СЭМПЛ.

Количественный состав аппаратных средств и их взаимное местоположение зависит от многих факторов, среди которых решающую роль играет плотность и * тип застройки объекта мониторинга, рельеф местности, характер подстилающей поверхности, плотность распределения ПЛ.

В рассматриваемых условиях применения СЭМПЛ возникает противоречие между необходимостью обеспечения заданного уровня непрерывности мониторинга ПЛ при развертывании СЭМПЛ на основе радиосети передачи ■> данных с одной стороны и сложностью учета большого количества факторов влияющих на непрерывность мониторинга с другой стороны.

Исходя из этого, в качестве объекта исследования выбрана система мониторинга подконтрольных лиц, а предметом исследования является научно-методический аппарат построения систем мониторинга подконтрольных лиц на базе радиосетей передачи данных.

Цель диссертационной работы - обеспечение непрерывности мониторинга путем обоснования рациональной структуры СЭМПЛ на базе радиосети передачи данных.

Научная задача состоит в разработке научно-методического аппарата обоснования рациональной структуры СЭМПЛ на основе радиосети передачи данных.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Методика расчёта рационального состава оборудования системы мониторинга подконтрольных лиц на базе радиосетей передачи данных.

2. Методика оценки вариантов размещения элементов СЭМПЛ на базе радиосетей передачи данных с применением геоинформационных технологий.

Научная новизна результатов заключается в том, что впервые:

в методике расчёта рационального состава оборудования системы мониторинга подконтрольных лиц при выборе варианта размещения и состава аппаратных средств СЭМПЛ на объекте мониторинга в комплексе учитываются топология застройки объекта мониторинга, суточные изменения зонирования подконтрольных лиц при случайном характере их перемещения;

в методике оценки вариантов размещения элементов СЭМПЛ в качестве нового решения предлагается применение нового алгоритма преобразования, нерегулярной цифровой модели местности в регулярную на основе метода средневзвешенной интерполяции с ограничением радиуса и с учётом высот и характеристик объектов электронной карты.

Научная значимость результатов состоит в разработке научно-методического аппарата, позволяющего обосновать рациональный состав оборудования СЭМПЛ при развёртывании на базе радиосетей в условиях узкого диапазона частот и учёта особенностей конкретных районов развёртывания, и специфики использования СЭМПЛ.

Практическая значимость заключается в разработке методик и рекомендаций позволяющих: рассчитать и выбрать рациональный состав оборудования СЭМПЛ при развёртывании на базе радиосетей с учётом экономической целесообразности и заданных требований непрерывности мониторинга; при расчёте радиотрасс повысить точность определения мест установки радиосредств на 7-10%.

Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось на основе методов системного анализа, построения радиотрасс, оценки

распространения радиосигналов, теории систем массового обслужи