автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методы эффективной организации и ведения информационного и программного обеспечения АСУП с распределенной структурой

На правах рукописи

ИСАЕВ Юрий Юрьевич

МЕТОДЫ ЭФФЕКТИВНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ И ВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ АСУП С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СТРУКТУРОЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степепи кандидата технических наук

1 О СЕН 2009

МОСКВА 2009

003476256

Работа выполнена в Московском автомобилыю-дорожном институте (государственном техническом университете)

Ведущая организация: Российский дорожный научно-исследовательский институт, г.Москва.

Защита состоится 15 сентября 2009 г. на заседании диссертационного совета Д.212.126.05 "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)" при Московском автомобилыю-дорожном институте (Государственном техническом университете) по адресу: Москва, Ленинградский пр., 64, аудитория №42.

Отзыв па автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим направлять по адресу: 125319, ГСП-47, Москва, Ленинградский пр., 64, ученому секретарю.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ).

Научный руководитель:

Поспелов Павел Иванович д-р техн. наук, профессор МАДИ (ГТУ)

Официальные оппоненты:

Васьковский Анатолий Михайлович д-р техн. наук, профессор МАДИ (ГТУ)

Скворцов Алексей Владимирович д-р техн. наук, профессор ТГУ

Автореферат разослан 13 августа 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент:

Михайлова Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Современные крупные промышленные объекты и инженерные сооружения представляют собой сложные территориалыю-распределенные или линейно протяженные объекты. Это обуславливает множественные удаленные производственные связи этих объектов с предприятиями и организациями различных отраслей как на стадии строительства, так при ремонте, модернизации и содержании.

Наиболее частым методом организации информационного обеспечения подобных объектов и сооружений, а также их производственных связей, является бумажный документооборот, иногда с частичным ведением локальной электронной документации. Такая организация негативно влияет на эффективность функционирования всей системы с учетом пространственного распределения компонентов. Бумажный документооборот не позволяет элементам системы осуществлять обмен информацией и формировать управляющие сигналы в реальном времени, не соответствует основным требованиям по целостности и непротиворечивости данных. Низкая эффективность подобного метода организации информационного обеспечения приводит к принятию неверных решений, ошибкам в технологических процессах, браку, завышенным сметам, увеличению временных интервалов выполнения работ и трудоемкости.

Инновационным подходом может стать создание единой автоматизированной системы управления производством (АСУП) с распределенной структурой, которая обеспечила бы связь и управление всеми элементами подобного производства. Под элементами могут подразумеваться как компоненты промышленного производства, так и отдельные предприятия или организации, управляемые АСУП более низкого уровня. Применение единых открытых форматов данных, сквозной программно-аппаратной совместимости и организация единой электронной технической документации, определяющей управление и регулирование технологическим процессом, с хранением всей информации в единой базе данных позволит поднять все показатели эффективности распределенного производства до современного уровня.

Результаты данной работы могут быть использованы при создании распределенных АСУП для многих отраслей промышленности и носят универсальный характер. В связи с этим, исследование этих проблем представляет собой актуальную научную задачу. В настоящей диссертации эти задачи исследуются на примере построения АСУП эксплуатации автомобильных дорог.

Цель и основные задачи исследования

Целью данной работы является исследование методов и алгоритмов эффективной организации и ведения информационного и программного обеспечения автоматизированной системы управления производством (АСУП) с распределенной структурой.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:

1. Анализ структуры распределенной АСУП и постановка задач построения эффективного информационного обеспечения АСУП на примере системы эксплуатации автомобильных дорог (АД).

2. Исследование методов измерения геометрических характеристик автомобильной дороги.

3. Исследование подходов к интеграции разнородных данных в системе.

4. Разработка математической модели системы.

5. Исследование и построение алгоритмов обработки характеристик автомобильной дороги.

6. Разработка структуры информационного и программного обеспечения АСУП эксплуатации АД и программы подсистемы АС паспортизации АД.

Методы исследования

Исследования выполнены с использованием методов теории автоматического управления и регулирования, теории алгоритмов, теории баз данных, теории измерения, математической статистики.

Научная новизна

Научная новизна состоит в том, что автором:

предложена новая структура информационного обеспечения распределенной АСУП с целью повышения эффективности управления производственными процессами;

- предложены методы автоматизированной пространственной привязки физических параметров объектов;

- предложены новые методы автоматизированной камеральной обработки данных при паспортизации автомобильных дорог;

- разработаны соответствующие математические модели, алгоритмы и программное обеспечение.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием аналитических методов, методов теории приближенных вычислений, согласованностью результатов функциональных моделей процессов работы системы, верификацией программного обеспечения. Достоверность рекомендаций и выводов

диссертации подтверждена полученными актами о положительных результатах внедрения.

Практическая ценность и реализация результатов работы

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования при создании программно-аппаратного комплекса "Геовидео", предназначенного для выполнения автоматизированной паспортизации автомобильных дорог.

Апробация работы

Содержание разделов всей диссертации было доложено и получило одобрение:

- на семинарах кафедры Автоматизированных систем управления в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете);

на 67-й научно-методической и научно-исследовательской конференция МАДИ (ГТУ) в подсекции изысканий и проектирования дорог секции проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог, мостов н аэродромов и в секции информационных и управляющих систем в промышленности, обучении и на транспорте;

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований при построении ПО автоматизированной системы паспортизации представляет собой новое решение в области практической реализации АСУП с распределенной структурой.

Публикации

По результатам диссертационной работы опубликовано 5 статей.

Структура и объем

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего в себя 64 наименования, и приложения. Она содержит 94 страниц текста, в том числе 34 рисунка и 6 таблиц.

Содержание работы

Структура работы соответствует списку перечисленных задач, содержит описание разработанных методов, моделей, алгоритмов и структур.

Во введении обосновывается актуальность работы. Определяются основные цели и задачи системы, в которой будут проводиться исследования.

В первой главе диссертации проводится системный анализ предметной области. Рассматриваются все компоненты системы эксплуатации автомобильной дороги, их принципы функционирования, описываются

ключевые для этого этапа инженерно-технические мероприятия: диагностика и паспортизация.

Диагностика дороги заключаются в определении ее текущего транспортно-эксплуатационного состояния. При этом основные технико-эксплуатационные характеристики дороги постоянно изменяются во времени.

Рис. 1. Показатели диагностики автомобильной дороги

Диагностике подлежат все автомобильные дороги общего пользования. Согласно ОДН 218.0.006-2002 "Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог" диагностика автомобильных дорог и дорожных сооружений производится систематически через установленные промежутки времени на протяжении всего срока службы дорог и дорожных сооружений.

Паспортизация автомобильных дорог выполняется для рационального планирования работ по строительству, реконструкции, ремонту и содержанию дорог на основании данных о протяженности и техническом состоянии дороги, а также о наличии дорожных сооружений и инженерных устройств.

Паспортизации подлежат все автомобильные дороги общего пользования. Согласно ВСН 1-83 "Типовая инструкция по техническому учету и паспортизации автомобильных дорог общего пользования" паспортизация дорог производится по распоряжению Министерства транспорта Российской Федерации и выполняется по каждой автомобильной дороге в отдельности.

Основные классы объектов паспортизации отображены на рис 2. Каждый класс имеет свои показатели и параметры для измерения. Эти атрибуты в свою очередь формируют виды и последовательность работ при паспортизации автомобильной дороги (рис. 3).

(ичничоексч: достоян««

I

И^.чоци.чия.к?

О.к.ттние ,и'схч

А

3 32ННЯ

4

Рис. 2. Классы объектов паспортизации автомобильной дороги

На рис. 4 изображена упрощенная схема информационно-производственных связей между участниками производственного процесса этапа эксплуатации АД.

Передвижная дорожная лаборатория обеспечивает связь физических объектов дорожной отрасли со структурами данных в ГИС и САПР.

Рис. 3. Виды и последовательности работ при паспортизации автомобильной дороги

Г Вычислительный и аналитический

/ Передвижная дорожная лаборатория для паслортизации

* Автомобильная дорога

Производство Производство

асфальта бетона

Рис. 4. Упрощенная схема информационно-производственных связей

Существуют два основных вида современных передвижных дорожных лабораторий для измерения геометрических характеристик автомобильных дорог:

1) Лаборатории, использующие GPS-оборудование;

2) Лаборатории, использующие систему аналоговых измерительных устройств (АИУ) [3].

Передвижные дорожные лаборатории, применяющие спутниковые системы навигации (Global Position System - GPS, Система глобального позиционирования), представляют собой обычно легковой автомобиль или микроавтобус укомплектованный GPS-приемниками, GPS-антенной, цифровой фотокамерой и переносным персональным компьютером (ноутбук).

Передвижные дорожные лаборатории на основе системы АИУ (датчиков), представляют собой микроавтобус (возможно с прицепной платформой), укомплектованный оптическими датчиками, датчиками ускорений, ультразвуковыми датчиками, различным измерительным и регистрирующим оборудованием, видеокамерами, персональным компьютером.

Точность сбора информации при использовании GPS-оборудования средняя и не меняется от протяженности маршрута, тогда как лаборатории с АИУ обладают изначально более высокой точностью, но при движении по дороге погрешность увеличивается и возникает необходимость в периодической тарировке системы измерения.

В настоящее время большинство дорожных лабораторий используют оборудование спутникового позиционирования совместно с АИУ-оборудованием.

На основе исследования компонентов и принципов работы системы эксплуатации сделать заключение, что предприятия и производства, задействованные в управлении, эксплуатации, строительстве, модернизации и ремонте дороги находятся на значительном расстоянии друг от друга и сами могут представлять распределенные системы; современный уровень развития программно-аппаратных средств позволяет создать мобильные дорожные лабораторные комплексы для паспортизации и диагностики АД; АСУП эксплуатации АД должна носить распределенный характер, в том числе само информационное обеспечение.

Во второй главе исследуется структура информационного обеспечения АСУП ЭАД.

Одним из основных документов информационного обеспечения АСУП эксплуатации АД является паспорт дороги. Паспорт формализует наличие дорог и дорожных сооружений, их протяженность и техническое состояние. Паспорт обеспечивает жизненный цикл автомобильной дороги, за исключением этапа проектирования (но готовый проект есть прообраз паспорта).

,. ПроеШ1ро&ашш1х: Строительство

доролг дороги

% % % % % %

II вдюрт

Проверка соответствия паспорту

Оценка чарак1срисшк ......ЩбдЦЦ' "

Рис. 5. Информационные связи на этапах жизненного цикла автомобильной дороги

Паспорт автомобильной дороги отражает основные характеристики и параметры дороги. В процессе эксплуатации, ремонта и реконструкции эти характеристики и параметры могут меняться. Оценка текущего состояния

дороги осуществляется с помощью паспортизации и проверки ее соответствия паспорту. Схема на рис. 5 показывает информационные связи на этапах жизненного цикла АД. Стрелки из сплошных линий демонстрируют связи между этапами жизненного цикла, а стрелки с пунктирными линиями отображают использование информации из паспорта при инженерно-технических мероприятиях соответствующего этапа или внесение изменений в содержание паспорта после завершения дорожных работ.

В настоящее время многие связи не автоматизированы, в большинстве случаев исходными данными для реализации управляющих воздействий и организации строительных и ремонтных мероприятий являются данные, полученные при паспортизации.

Ранее при проведении паспортизации использовались ручные методы измерений и фиксации информации. Автомобиль дорожной службы с полевой бригадой передвигался по дороге, а работники записывали в ведомости или в специальные карточки информацию об увиденных сооружениях, обустройстве дороги и зданиях. В некоторых лабораториях использовались бортовые самописцы собственной конструкции. Радиусы кривых измерялись с помощью измерительной рулетки, линейки или курвиметра. Уклоны - с помощью линейки и нивелира, также применялись регистраторы специальной конструкции. Километровая привязка бралась из документации дорожного подразделения, к которому принадлежала дорога, либо записывались показания одометра автомобиля, либо проводилась разбивка дороги на километры с помощью специальных кольев и линейки.

Сравнение методов и инструментов измерения Таблица

Вид работы Раньше Сейчас

Метод Инструмент Метод Инструмент

Определение километровой привязки Ручн. Документация Автомат. Датчик пути

Одометр GPS

Изм.линейка

Определение радиусов кривых Ручн. Изм.линейка Автомат. GPS

Курвиметр Гироскопы

Определение уклонов Ручн. Изм. линейка Автомат. GPS

Нивелир Инклинометр

Определение габаритов Ручп. Изм. линейка Автомат. Оптич. датчики

Ультразв. датчики

По завершении полевых обследований обработка полученных данных выполнялась в камеральных условиях также без применения автоматизации. С учетом большого объема ручного труда, хранения данных в бумажном виде, ручных расчетов характеристик паспортизация дороги выполнялась крайне медленно и трудоемко.

Современные технологии позволяют задействовать в полевых обследованиях большое количество специальной аппаратуры: видеокамеры, инклинометры, датчики пути, акселерометры, гироскопы, лазерные и ультразвуковые датчики, GPS-приемники и т. д. Используя подобное оборудование можно записывать измеряемые данные в цифровом виде на носитель бортового компьютера передвижной дорожной лаборатории или на другое регистрирующее устройство. Цифровые методы хранения информации предполагают широкие возможности для автоматизации сбора, обработки и хранения данных. Применение современных аппаратных интерфейсов делает возможным регистрацию всей информации, поступающей от разнородных датчиков и измерительной аппаратуры, в едином интегральном блоке.

Под разнородными данными в данной работе подразумеваются данные, получаемые посредством регистрирующей аппаратуры: навигационные приемники GPS или ГЛОНАСС, видеокамеры, измерители продольных и поперечных уклонов (инклинометры), оптические датчики, датчики пути, гироскопы и т.д. Данные, выдаваемые подобной аппаратурой, названы разнородными, так как у каждого устройства существует свой формат выводимой информации, не всегда стандартизованный, а в случае аналоговых измерительных устройств выходной сигнал перед обработкой в ЭВМ или микропроцессорной системе необходимо оцифровывать с помощью АЦП. Таким образом, первичный формат данных зависит либо от внутренней программы устройства, либо от внешней программы управления АЦП.

Рис. 6. Схема объединения и формализации данных

Семантически все структуры данных имеют три общих показателя: основной параметр измерения (для чего собственно это устройство используется), географическая привязка конкретного измерения и временная привязка конкретного измерения. Фактически же географической привязкой обладают только показания навигационных приемников и датчиков пути (относительная географическая привязка), остальные устройства могут регистрировать только время и дату определенного показания. Поэтому синхронизировать данные от всех измерительных устройств по географическим координатам невозможно, следует применять синхронизацию по времени.

Следующим шагом объединения и формализации разнородных данных является приведение различных форматов данных к единой структуре. Целесообразно использовать реляционную модель данных и преобразовать первичные структуры данных в отношения для обеспечения удобства дальнейшей обработки и целостности.

На рис. 6 проиллюстрирована схема объединения и формализации данных, показывающая процесс преобразования данных от первичных структур до реляционной и объектной модели.

В третьей главе рассматриваются математические модели и алгоритмы обработки данных.

Паспортизацию автомобильной дороги можно представить как функцию над множеством объектов паспортизации:

5 = (1)

где Б - состояние автомобильной дороги;

Р - множество объектов паспортизации;

Кг - набор критериев оценки.

Р = {Т1,Т2,...,Т„...Тп}, (2)

где 7]- подмножество объектов ¡-го типа, а 077у - объект ¡-го типа, как кортеж атрибутов А/к.

Т, ={оц,оп2,...,оп^...,опт\. (3)

ОТ11={А]„А]2,...,А]к,...,А]!). (4)

{щ | (т, * 0)) => (эот,, | и [отф 0), (5)

где /кг - функция проверки объекта на соответствие набору критериев. Введем множество исходных данных, полученных при полевой съемке АД, X ~{хг,х2,...,х„} и кортеж вычислительных функций

х¥ = {¥1,У2,-,¥к,-Лг,)-Тогда:

V*. =>ЭЛЛ 1(4* =^(х,))л(лле0Г«;)д(077; *Л). (6)

Определим 1к как время выполнения функции щк(х\. Следовательно:

I

ш

;=i j=i 1=1

Тр = MAX\ I.

Ts=F(r,„TKr).

(8) (9)

(10)

Z = MIN(ts,4>,K.T)- (11)

Таким образом, оптимизация работы системы достигается за счет минимизации времени определения состояния автомобильной дороги с помощью изменения наборов вычислительных и оценочных функций.

Работа передвижной дорожной лаборатории заключается в регистрации показаний приборов при движении по автомобильной дороге для последующей камеральной обработки. Линейной или географической привязкой обладают только данные, выдаваемые GPS-приемником и датчиком пути (датчик пути используется в системе, если конструкция автомобиля, на котором базируется ПДЛ, позволяет параллельно подключить выход датчика к входу интегрирующего устройства). Остальные приборы: видеокамеры, оптические датчики, инклинометры и т.п., позволяют только зафиксировать время текущего показания. При дальнейшей обработке полученных массивов информации полевой съемки возникает задача расчета линейной и географической привязки для этих видов данных. Наиболее эффективным и точным методом решения подобной задачи будет синхронизация всего оборудования ПДЛ по времени и расчет координат с помощью линейной интерполяции.

Рассмотрим синхронизацию по времени показаний некоторого устройства d и показаний навигационного приемника GPS g. Тогда линейную интерполяцию можно определить следующим образом:

Л/-1 .V/

D = Vj; Tj

J'O М Л'-l N-1 N-i

V,« г,

G =\X,-,Yt\Hl\Ti flfo; У;;//,}« г,

1-0 j=0 /=0

(12) (13)

TJ А',

"Ты х,

Tj -Ум

т, Yr -Ум

TJ Hd

Tj Hi

.(V7) =>{*.,; У, ;//„}) (И)

где D - множество показаний устройства (датчика, камеры и т.п.); G - множество показаний GPS-приемника; X, Y, Н - пространственные координаты; Tj - время регистрации j-ro показания устройства; ii - время регистрации i-ой точки GPS;

{X/,У/,Н- искомые координаты]-го показания устройства.

Точность пересчета привязки определяется в первую очередь точностью показаний навигационного приемника или датчика пути и точностью фиксации времени всеми устройствами. Так, если применяется ОРБ-приемник геодезического класса точности и время фиксируется программным обеспечением съемки с точностью до миллисекунд, погрешность полученной привязки объектов не превысит нескольких дециметров. С учетом того, что погрешность привязки объектов не зависит от длины трассы, подобными величинами можно пренебречь.

Эффективным методом повышения степени автоматизации выполняемых работ при паспортизации автомобильной дороги является измерение продольных и поперечных размеров в плоскости проезжей части дороги в камеральных условиях по фотографическим материалам или видеосъемке. Это позволяет значительно увеличить скорость полевой съемки автомобильной дороги, сооружений и инфраструктуры. Для выполнения подобных измерений, необходимо соотнести изображение на кадре с реальной поверхностью с помощью разработанной математической модели. Наиболее простым вариантом решения задачи является реализация "пространственной сетки".

Основой пространственной сетки является матрица точек, получаемых на эталонном кадре фиксацией реальных габаритов, изображенных на фотографии. Далее элементы матрицы используются как опорные узлы для вписания в них вертикальных прямых и горизонтальных парабол. Совокупность вписанных в матрицу прямых и парабол будет с достаточной точностью (сантиметровой или дециметровой, в зависимости от разрешающей способности камеры) описывать сложное искажение исходной поверхности на фотографии. Полученную систему функций, уникальную для каждой камеры, можно использовать в отдельных модулях программного

обеспечения для пересчета продольных и поперечных расстояний на экране в реальные габариты.

Пространственную сетку можно представить как систему:

ЕИ1=а1х +Ь1х + с ;=о

/ч>, = с1,х + е.

ЁКк

¡=0

"У,-

= Мт

(15)

= Ми

р-1.9-1

где М-ГПц \ту = {х,у)у - матрица тарировочных точек, полученных с

¡-■П,/=0

помощью эталонных фотографий тарировочной поверхности на местности;

- функция параболической кривой для ]-й горизонтали; Fv; - функция касательной для ьй вертикали; агЬпсрс1!,е1 - коэффициенты уравнений, рассчитываемые с учетом матрицы М и характеристик видеокамеры (фокусное расстояние, разрешающая способность).

Рис. 8. Построение пространственной сетки на фотографическом изображении по эталонной сетке на плоскости участка автомобильной дороги

В четвертой главе рассматриваются принципы построения информационного и программного обеспечения АСУП с распределенной структурой.

Для создания АСУП и ее информационного и программного обеспечения необходимо создать ряд территориально-распределенных подсистем для сбора и обработки данных. По функциональному признаку можно разделить АСУП на следующие подсистемы: подсистема сбора данных, подсистемы АСУТП, подсистемы управления ресурсами, подсистема обработки данных и управления верхнего уровня.

На рис. 9 отмечены связи между подсистемами для передачи управляющих воздействий и обмена данными. Технически подобные связи

могут быть реализованы различными способами. Передача собранной информации от ПДЛ к вычислительно-аналитическому центру (ВАЦ) возможно осуществить либо портативными беспроводными технологиями (стандарт IEEE 802.11 предусматривает несколько доступных технологий:Radio Ethernet, Wi-Fi и др.), либо ручным переносом данных с помощью съемного накопителя или подключения к локальной сети ВАЦ, если объемы информации незначительны, а необходимая частота передачи результатов полевой съемки невысока. Взаимодействие между остальными подсистемами организованно через технологические сети при группировке j всех объектов вблизи друг друга (что бывает редко) или посредством беспроводных сетей при значительном территориальном распределении.

Рис. 9. Структура технических средств АСУП

В зависимости от протяженности дорожной сети региона, которую будет обслуживать АСУП, и режима работы полевых бригад, численность парка ПДЛ может варьироваться от 2-3 до 8-10 транспортных средств. Минимальную необходимую и достаточную численность ПДЛ можно определить из следующего соотношения: паспортизация (в соответствии с требованиями Росавтодора по паспортизации федеральных автомобильных дорог) 100 км дороги, выполняемая одной полевой бригадой и двумя инженерами занимает в среднем 24 календарных дня.

Диаграмма Ганта на рис. 10 демонстрирует, что увеличение количества полевых бригад и инженеров на 1-2 структурные единицы и реализация нескольких проектов одновременно увеличит производительность организации, выполняющей мероприятия по паспортизации, в 2-3 раза.

Рис. 10. Диаграмма Гаита паспортизации автомобильной дороги

Автоматизированная система паспортизации автомобильной дороги представляет собой аппаратно-программный комплекс, собирающий и обрабатывающий информацию о состоянии дороги. Аппаратная часть комплекса содержит набор АИУ, ГНСС-приемник, видеокамеры, АЦП, систему питания оборудования, интерфейсы передачи данных, видео-хаб и ноутбук (портативный компьютер).

Программная часть АС состоит из пакета программ для сбора и первичной обработки данных: монитор АЦП, монитор ГНСС и программа

управления съемкой, и пакета программ для постобработки: программа управления и обработки данных элементов автомобильной дороги и программа расчета радиусов кривых и уклонов.

Рис. 12. Месторасположения компонентов программно-аппаратного комплекса в автомобиле: 1 - горизонтальные оптические датчики; 2 -система определения линейного местоположения (датчик пройденного пути); 3 - видеокамеры; 4 - вертикальный оптический датчик; 5 -антенна спутниковой системы навигации; 6 - инклинометр; 7 -компьютер; 8 - интегратор

Основная часть работ по вводу объектов и измерению необходимых геометрических параметров дороги выполняется в программе Pviewer, работа в которой не требует специфических знаний. Интуитивно понятный и логичный интерфейс, всплывающие подсказки и полное руководство позволяют быстро освоить и полноценно использовать этот программный продукт, владея основными пользовательскими навыками работы на компьютере.

Рис. 13. Схема взаимодействия компонентов ПАК

Программа включает большую библиотеку объектов, а возможности удалять, дублировать и добавлять собственные объекты делает ее удобной в

работе. Расширенный поиск по типу и параметрам позволяет быстро найти необходимый объект.

В 2008 г. проведено успешное полевое испытание аппаратно-программного комплекса 'Теовидео" в рамках проекта Росавтодора по диагностике автомобильных дорог Южного федерального округа Российской Федерации (1500 км). Также в 2007-2008 годах проводились испытания и доработка комплекса в рамках проекта Мосавтодора по паспортизации автомобильных дорог Московской области (7500 км). На основе испытаний и внедрения в производство оборудования были разработаны более компактные и мобильные варианты комплектации дорожных лабораторий измерительной и регистрирующей аппаратурой.

Основные выводы и результаты работы

1. Комплекс выполненных теоретических и экспериментальных исследований представляет собой практическое решение важной научной проблемы эффективной организации и ведения информационного и программного обеспечения АСУП с распределенной структурой.

2. Теоретические исследования позволили:

• предложить структуру распределенной АСУП эксплуатации автомобильных дорог;

• разработать математическую модель паспортизации автомобильных дорог;

• предложить структуру автоматизированной системы паспортизации автомобильных дорог и схему обмена данными между ее компонентами;

• разработать алгоритм измерения продольных и поперечных размеров в плоскости проезжей части дороги по фотографическим материалам;

• создать метод синхронизации данных регистрирующей аппаратуры передвижной дорожной лаборатории.

3. Экспериментальные исследования, выполненные на автомобильных дорогах, позволили:

• проверить и подтвердить правильность результатов теоретических исследований на математических моделях и алгоритмах и дополнить их необходимыми для выполнения теоретических расчетов статистическими параметрами;

• апробировать предложенные методики автоматизации паспортизации автомобильных дорог и оценить их эффективность.

4. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли применение при паспортизации автомобильных дорог и объектов инфраструктуры ЖКХ.

5. Создан мобильный аппаратно-программный комплекс (АПК) "Геовидео", в котором внедрено разработанное программное обеспечение, для автоматизации паспортизации автомобильных дорог.

Основные публикации по теме диссертации

1. Котов A.A., Рожин Д.А., Сиротинкин Е.П., Исаев Ю.Ю. Получение геометрических параметров и характеристик режимов движения при обследовании автомобильных дорог с использованием спутниковых приемников.// Проектирование автомобильных дорог. Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), 2003.

2. Александриди Т.М., Исаев Ю.Ю., Методы автоматизации измерения и обработки геометрических характеристик автомобильных дорог // Вестник МАДИ (ГТУ). Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), вып. 7 2006.

3. Александриди Т.М., Исаев Ю.Ю., Использование компьютерных технологий при оценке состояния автомобильных дорог. // Вестник МГУПИ. Сб. науч. тр. МГУПИ-М.: МГУПИ, вып. 18 2009.

4. Исаев Ю.Ю., Оценка состояния автомобильных дорог с использованием GPS- технологий. // Теория и практика автоматизированного управления. Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). - М.: МАДИ (ГТУ), №1/41 2009.

5. Александриди Т.М., Исаев Ю.Ю., Программное и аппаратное обеспечение паспортизации автомобильных дорог дорог // Перспективные технологии управления в автотранспортных системах. Сб. науч. тр. ФУ. - М.: МАДИ (ГТУ), 2009.

Подписано в печать 12 августа 2009 г. Объем 1,2 п.л. Тираж 75 экз. Заказ № 804 Отпечатано в Центре оперативной полиграфии ООО «Ол Би Принт» Москва, Ленинский пр-т, д.37

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Системный анализ предметной области.

1.1. Автомобильная дорога.'.

1.2. Жизненный цикл автомобильной дороги.

1.3. Эксплуатация автомобильной дороги.

1.4. Паспортизация и диагностика автомобильной дороги.

1.5. Промышленные предприятия.

1.6. Дорожно-эксплуатационные предприятия.

1.7. Аппаратные средства (АИУ, ЦИУ и GPS).

1.8. Геоинформационные системы.

1.9. Передвижные дорожные лаборатории.

1.10. Выводы.

Глава 2. Исследование структуры информационного обеспечения.

2.1. ERP-системы.

2.2. Исследование особенностей и задач построения эффективного информационного обеспечения.

2.3. Исследование методов измерения геометрических характеристик автомобильной дороги.

2.4. Исследование принципов интеграции разнородных данных.

2.5. Выводы.

Глава 3. Математические модели и методы.

3.1. Математическая модель системы.

3.2. Общая схема алгоритмов.

3.3. Синхронизация разнородных данных по времени.

3.4. Расчет пространственной сетки.

3.5. Алгоритм разбивки трассы на геометрические элементы.

3.6. Алгоритм фильтрации "всплесков" продольного профиля трассы.

3.7. Алгоритм фильтрации данных датчиков габаритов.

3.8. Алгоритмы расчета привязки.

3.9. Выводы.

Глава 4. Структурная и техническая реализация АСУП.

4.1. Структурная схема АСУП ЭАД.

4.2. Структурная схема АС Паспортизации АД.

4.3. ПАК "Геовидео".

4.4. Выводы.

Современные крупные промышленные объекты и инженерные сооружения представляют собой сложные территориально-распределенные или линейно протяженные объекты (например, завод по сборке автомобилей, конвейер промышленного предприятия, автомобильная дорога). Это обуславливает множественные удаленные производственные связи этих объектов с предприятиями и организациями различных отраслей не только в области их непосредственного функционирования, но и в областях, используемых на стадии строительства, ремонта, модернизации и содержания.

В настоящее время наиболее' распространенным методом организации информационного обеспечения подобных объектов и сооружений, а также их производственных связей, является бумажный документооборот, иногда с частичным ведением локальной электронной документации. Такая организация негативно влияет на эффективность функционирования всей системы с учетом пространственного* распределения компонентов. Бумажный документооборот не позволяет элементам системы осуществлять обмен информацией и формировать управляющие сигналы в реальном времени, не соответствует основным требованиям по целостности и непротиворечивости данных. Низкая эффективность подобного метода организации информационного обеспечения приводит к принятию неверных решений, ошибкам в технологических процессах, браку, завышенным сметам, увеличению временных интервалов выполнения работ и трудоемкости [30, 41].

Инновационным подходом может стать создание единой автоматизированной системы управления производством (АСУП) с распределенной структурой, которая обеспечила бы связь и управление всеми элементами подобного производства. Под элементами могут подразумеваться как компоненты промышленного производства, так и отдельные предприятия или организации, управляемые АСУП более низкого уровня. Применение единых открытых форматов данных, сквозной программно-аппаратной совместимости и организация единой электронной технической документации, определяющей управление и регулирование технологическим процессом, с хранением всей информации в единой базе данных позволит поднять все показатели эффективности распределенного производства до современного уровня [40, 46].

Результаты данной работы могут быть использованы при создании распределенных АСУП для многих отраслей промышленности и носят универсальный характер. В связи с этим, исследование этих проблем представляет собой актуальную научную задачу. В настоящей диссертации эти задачи исследуются на примере построения • АСУП эксплуатации автомобильных дорог.

Целью данной работы является исследование методов и алгоритмов эффективной организации и ведения информационного и программного обеспечения автоматизированной системы управления производством (АСУП) с распределенной структурой.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:

Анализ структуры распределенной АСУП и постановка задач построения эффективного информационного обеспечения АСУП на примере системы эксплуатации автомобильных дорог (АД).

2. Исследование методов измерения геометрических характеристик автомобильной дороги.

3. Исследование подходов к интеграции разнородных данных в системе.

4. Разработка математической модели системы.

5. Исследование и построение алгоритмов обработки характеристик автомобильной дороги.

6. Разработка структуры информационного и программного обеспечения АСУП эксплуатации АД и программы подсистемы АС паспортизации АД.

Исследования выполнены с использованием методов теории автоматического управления и регулирования, алгоритмирования, теории баз данных, теории приближенных вычислений, теории обработки экспериментальных данных.

Научная новизна состоит в том, что автором: предложена новая структура информационного обеспечения распределенной АСУП с целью повышения эффективности управления производственными процессами;

- предложены методы автоматизированной пространственной привязки физических параметров объектов;

- предложены новые методы автоматизированной камеральной обработки данных при паспортизации автомобильных дорог;

- разработаны соответствующие математические модели, алгоритмы и программное обеспечение.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием аналитических методов, методов теории приближенных вычислений, согласованностью результатов функциональных моделей процессов работы системы, верификацией программного обеспечения. Достоверность рекомендаций и выводов диссертации подтверждена полученным актом о положительных результатах внедрения.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования при создании программно-аппаратного комплекса "Геовидео", предназначенного для выполнения автоматизированной паспортизации автомобильных дорог.

Содержание разделов всей диссертации было доложено и получило одобрение:

- на семинарах кафедры Автоматизированные системы управления в Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете);

- на 67-й научно-методической и научно-исследовательской конференция МАДИ (ГТУ) в подсекции изысканий и проектирования дорог секции проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог, мостов и аэродромов и в секции информационных и управляющих систем в промышленности, обучении и на транспорте;

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований при построении ПО автоматизированной системы паспортизации представляет собой новое решение в области практической реализации АСУП с распределенной структурой.

По результатам диссертационной работы опубликовано 5 статей.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего в себя 64 наименования, и приложения. Она содержит 94 страниц текста, в том числе 34 рисунка и 6 таблиц.

4. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований нашли применение при паспортизации автомобильных дорог и объектов инфраструктуры ЖКХ.

5. Создан мобильный аппаратно-программный комплекс (АПК) "Геовидео", в котором внедрено разработанное программное обеспечение, для автоматизации паспортизации автомобильных дорог.

Заключение

1. Комплекс выполненных теоретических и экспериментальных исследований представляет собой практическое решение важной научной проблемы эффективной организации и ведения информационного и программного обеспечения АСУП с распределенной структурой.

2. Теоретические исследования позволили:

• предложить структуру распределенной АСУП эксплуатации автомобильных дорог;

• разработать математическую модель паспортизации автомобильных дорог;

• предложить структуру автоматизированной системы паспортизации автомобильных дорог и схему обмена данными между ее компонентами;

• разработать алгоритм измерения продольных и поперечных размеров в плоскости проезжей части дороги по фотографическим материалам;

• создать метод синхронизации данных регистрирующей аппаратуры передвижной дорожной лаборатории.

3. Экспериментальные исследования, выполненные на автомобильных дорогах, позволили:

• проверить и подтвердить правильность результатов теоретических исследований на математических моделях и алгоритмах и дополнить их необходимыми для выполнения теоретических расчетов статистическими параметрами;

• апробировать предложенные методики автоматизации паспортизации автомобильных дорог и оценить их эффективность.

1. Аверьянов H.H., Березенко А.И., Борщенко Ю.И. Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник. М.: Радио и связь, 1988. - Т.2.

2. Автушко В.П. Автоматика и автоматизация производственных процессов. М.: Высшая школа, 1985.

3. Александриди Т.М., Исаев Ю.Ю., Использование компьютерных технологий при оценке состояния автомобильных дорог. // Вестник МГУПИ. Сб. науч. тр. МГУПИ М.: МГУПИ, вып. 18 2009.

4. Александриди Т.М., Исаев Ю.Ю., Методы автоматизации измерения и обработки геометрических характеристик автомобильных дорог // Вестник МАДИ (ГТУ). Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). М.: МАДИ (ГТУ), вып. 7 2006.

5. Александриди Т.М., Исаев Ю.Ю., Программное и аппаратное обеспечение паспортизации автомобильных дорог дорог // Перспективные технологии управления в автотранспортных системах. Сб. науч. тр. ФУ. М.: МАДИ (ГТУ), 2009.

6. Александриди Т.М., Матюхин Н.Б., Реализация физических линий связи в локальных вычислительных сетях. Интегрированные технологии автоматизированного управления. Сборник научных трудов.-М.; МАДИ (ГТУ), 2005.

7. Бабков В.Ф. Дорожные условия и безопасность движения. М.: Транспорт, 1993. - С. 82.

8. Бабков В.Ф., Андреев О.В. Проектирование автомобильных дорог: Учебник. -М.: Транспорт, 1987, 4.1 368 е., 4.2 - 408 с.

9. Бабков В.Ф.Автомобильные дороги: Учебник для вузов. — 3-е изд. перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1983. 280 с.

10. Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Советское радио, 1980.

11. Билич Ю.С., Васмут A.C. Проектирование и составление карт. М., 1984.364 с.

12. Бируля А.К. Проектирование автомобильных дорог. Часть I. М.: Автотрансиздат, 1961. — 500 с.

13. Бируля А.К. Эксплуатация автомобильных дорог. М.: Транспорт, 1966.-326 с.

14. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978.

15. Бутрименко A.B. Разработка и эксплуатация сетей ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1981.

16. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 1999.

17. Вирт Н. Алгоритмы и структуры данных, СПб: Невский Диалект, 2008.-351 с.

18. Вихров Н.М., Гаскаров Д.В., Грищенков A.A., Шнуренко A.A. Управление и оптимизация производственно-технологических процессов / Под ред. Д.В. Гаскарова. СПб.: Энергоатомиздат, 1995.

19. ВСН 1-83 Типовая инструкция по техническому учету и паспортизации автомобильных дорог общего пользования. — 43 с.

20. ВСН 208-89 Инженерно-геодезические изыскания железных и автомобильных дорог. / Минтрансстрой СССР. М.: Транспорт, 1990. - 58 с.

21. Выгодский М.Я.Справочник по Высшей математике. М.:Большая медведица, 2000. - 864 с.

22. Георадары, дороги 2000: Материалы Международного научно-технического семинара. - Архангельск: Изд-во АГТУ, 2000. - 104 с.

23. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. М.: Физматгиз, 1961.

24. ГОСТ 22268-76. Геодезия. Термины и определения.

25. ГОСТ 28441-90. Картография цифровая. Термины и определения. 1990.

26. ДеМерс Майкл Н. Географические Информационные Системы. Основы.: Пер. с англ. М.: Дата+, 1999. - 490 с.

27. Дорожная терминология: Справочник/ Под ред. М.И.Вейцмана. — М.: Транспорт, 1985.-310 с.

28. Дроздов Е.А., Пятибратов А. П. Основы построения и функционирования вычислительных систем. М.: Энергия, 1973.

29. Дубелир Г.Д., Корнеев Б.Г., Кудрявцев М.Н. Основы проектирования автомобильных дорог. M.-JL: Изд-во Наркомхоза РСФСР, 1938. - 224 с.

30. Еремин В.М., Шухман Г.А. Поддержка принятия решений в автомобильно-дорожной отрасли. Деп. в ВИНИТИ 26.02.99, № 623-В99, 1999, 20 с.

31. Исаев Ю.Ю., Оценка состояния автомобильных дорог с использованием GPS- технологий. // Теория и практика автоматизированного управления. Сб. науч. тр. МАДИ (ГТУ). -М.: МАДИ (ГТУ), №1/41 2009.

32. Кейн В.М. Оптимизация систем управления по минимаксному критерию. М.: Наука, 1985.

33. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. М.: Форум - Инфра-М, 2002.

34. Кормен Т. и др. Алгоритмы: Построение и анализ, М.: Вильяме, 2009 -1290 с.

35. Кренке Д. Теория и практика построения баз данных: пер. с англ. 8-е изд. М.: Питер, 2003. - 799 с.

36. Круг Е.К., Александриди Т.М., Дилигенский СИ. Цифровые регуляторы. -М.: Госэнергоиздат, 1965.

37. Кузнецов О.П., Адельсон-Вельский Г.М. Дискретная математика для инженера. М.: Энергия, 1980.

38. Лобанов А.Н. Фотограмметрия: Учебник для вузов. 2-е изд., М., Недра, 1984, 552 с.

39. Мамиконов А. Г. Теоретические основы автоматизированного управления. М.: Высшая школа, 1994.

40. Марсов В.И., Слуцкий В.А. Автоматическое управление технологическими процессами на предприятиях строительной индустрии. -Л.: Стройиздат, 1975.

41. Материалы V Всероссийской учебно-практической конференции "Проблемы ввода и обновления пространственной информации" (Москва, 29 февраля 3 марта 2000 г.).

42. Материалы международной ежегодной конференции «Современные технологии изысканий, проектирования и геоинформационного обеспечения в промышленном, гражданском и транспортном строительстве», Минск, 2001. -168 с.

43. Матюхин Н.Б. Структура и функции серверов в локальных вычислительных сетях. Автоматизация управления предприятиями промышленности и транспортного комплекса. Сборник научных трудов. -М.: МАДИ (ГТУ), 2006.

44. ОДН 218.0.006-2002 Правила диагностики и оценки состояния автомобильных дорог. 72 с.

45. Потапова Т.Б. Информационно-управляющие системы. Эволюция. Проблемы. Решения. / Промышленные АСУ и контроллеры. М.: Мир компьютерной автоматизации №7, 2002.

46. Ройтенберг Я.Н. Автоматическое управление. М.: Наука, 1992.

47. Сигал И.Х. Введение в прикладное дискретное программирование: модели и вычислительные алгоритмы, М.: Физматлит, 2007. 304 с.

48. Скворцов A.B., Поспелов П.И., Котов A.A. Геоинформатика в дорожной отрасли. М.: МАДИ (ГТУ), 2005. - 250 с.

49. СНиП 1.02.07-87. Инженерные изыскания для строительства. / Госстрой СССР, ГУГК СССР, 1988.

50. СНиП 11-02-96 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения/Госстрой России. -М.: ГШИИИС, 1997.—45 с.

51. СНиП 11-103-97 Свод правил по инженерным изысканиям для строительства. Инженерно-геодезические изыскания для строительства

52. СНиП 2.05.02-85. Автомобильные дороги. М.: Госстрой СССР, 1986. -56 с.

53. Справочник инженера-дорожника. Изыскания и проектирование а/д. — М.: Транспорт, 1977.

54. Струченков В.И. Автоматизация проектирования плана и профиля автомобильных дорог// Автомобильные дороги, № 2, 1994. С. 24-26.

55. Таненбаум Э. «Компьютерные сети. 4 -е изд.».- СПб. Литер, 2005.

56. Хавкин К.А. Применение электронных вычислительных машин для проектирования продольного профиля автомобильных дорог// Автомобильные дороги, 1959. №11.-С. 12.

57. Хетагуров Я.А., Древе Ю.Г. Проектирование информационно-вычислительных комплексов. М.: Высшая школа, 1987.

58. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. М.: Финансы и статистика, 1998. - 288 с.

59. Шаракшанэ А.С., Халецкий А.К., Морозов И.А. Оценка характеристик сложных автоматизированных систем. М.: Машиностроение, 1993.

60. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. -М.: Мир, 1972.

61. Шиханович Ю.А. Введение в современную математику, М. «Наука», 1965.

62. Якубайтис Э.А. Архитектура вычислительных сетей. М.: Статистика, 1980.

63. Luenberger D. G., Linear and Nonlinear programming, 2nd ed, Addison Wesley, 1984.