автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы построения информационно-измерительных систем глобального геомониторинга подвижных объектов в реальном времени

На правах рукописи

005042542

ГРИШИН Максим Леонидович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ГЛОБАЛЬНОГО ГЕОМОНИТОРИНГА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Специальность 05.11.16 —Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 с Ш ;с:

Тула 2012

005042542

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Научный руководитель

— доктор технических наук ДАНИЛКИН Федор Алексеевич

Официальные оппоненты

- РУМЯНЦЕВ Владимир Львович доктор технических наук, профессор, ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения», заместитель начальника отдела перспективных разработок

Ведущая организация

— МИНАКОВ Евгений Иванович доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор кафедры «Радиоэлектроника»

ОАО «Всероссийский научно-исследовательский институт автоматизации управления в непромышленной сфере им. В.В. Соломатина»

Защита состоится «Щ» мая 2012 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.07 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300012, г. Тула, проспект Ленина, 92,9-101).

Автореферат разослан

«Л/Ь»

апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Данилкин Федор Алексеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последнее время, наблюдается процесс интенсивного развития информационно-измерительных систем геомониторинга подвижных объектов, область их применения постоянно растет. Массовой областью применения является управление парками транспортных средств.

Информационно-измерительная система геомониторинга подвижных объектов осуществляет измерение глобального местоположения и характеристик групп подвижных объектов, управление датчиками контроля состояния объектов, а также выполняет хранение, обработку и отображение результатов измерений, в том числе с учетом географической информации.

Задачи, связанные с разработкой подобных систем решены не полностью. В частности, не представлены протоколы датчик-сервер, обеспечивающие единообразное подключение различных датчиков контроля состояния подвижных объектов. Например, подключение к системе датчиков с новыми измеряемыми параметрами потребует модификации протокола трансляции результатов измерений и программного обеспечения сервера информационно-измерительной системы геомониторинга.

В беспроводных датчиках с буферными элементами памяти, компенсирующими потери связи с сервером информационно-измерительной системы геомониторинга, важной является задача сокращения избыточности и преобразования измерительной информации в более компактную форму представления. Аналогичных решений требует задача долговременного хранения результатов измерений на сервере измерительной информации. Указанные задачи обусловлены тем, что объемы измерений непрерывно растут за счет увеличения числа контролируемых параметров, точности сенсорных элементов и частоты их опроса, кроме того, повышаются требования к системам геомониторинга по числу контролируемых объектов и времени хранения результатов измерений.

Еще более сложной задачей является обработка накопленной измерительной информации, в частности геозависимый анализ, под которым следует понимать анализ результатов измерений с активным использованием различной информации о местности, по которой проходит маршрут объекта измерения. Данная задача многократно усложняется при использовании глобальных картографических данных, потребность в которых обуславливается процессами глобализации и расширения области применения систем геомониторинга подвижных объектов.

Возрастающие требования к разрабатываемым системам геомониторинга подвижных объектов могут быть обеспечены не только за счет увеличения производительности аппаратного комплекса, но и за счет совершенствования процессов формирования и обработки измерительной информации.

Объектом исследования диссертационной работы является информационно-измерительная система геомониторинга подвижных объектов.

Предметом исследования являются процессы формирования и обработки данных измерений в информационно-измерительных системах глобального геомониторинга подвижных объектов.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектируемых информационно-измерительных систем глобального геомониторинга подвижных объектов за счет совершенствования процессов формирования и обработки измерительной информации в реальном времени.

В процессе достижения цели диссертации потребовалось решить следующие основные задачи.

1) Определить элементы информационно-измерительной системы глобального геомониторинга подвижных объектов, которые должны бьггь усовершенствованы для повышения эффективности процессов формирования и обработки измерительной информации с учетом реального времени.

2) Разработать алгоритмы формирования и обработки измерительной информации для элементов информационно-измерительной системы геомониторинга подвижных объектов, которые должны быть усовершенствованы.

3) Разработать методику применения созданных алгоритмов для проектирования информационно-измерительных систем глобального геомониторинга подвижных объектов.

4) Провести экспериментальные исследования и оценить качество предложенных решений.

Методы исследования. В работе использовались методы из следующих областей: теории цифровой обработки сигналов, теории кодирования и сжатия информации, теории вероятностей, ' теории алгоритмов, сферической тригонометрии и математической картографии. При этом использовались труды отечественных и зарубежных ученых: Волынский Б.А., Клейн Ф., Ландау Л.Д., Мальдеброт Б.Б., Степанов H.H., Тот А.Ф., Амелысин В.А., Левенштейн В.И., Давыдов A.B., Белл Т., Серапинас Б.Б., Ленгли Р.Б., и др. Разработка алгоритмов и программ осуществлялась с применением императивной, обобщенной и объектно-ориентированной парадигм программирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1) Разработан метод измерения позиции подвижного объекта с фильтрацией избыточных данных в реальном масштабе времени, позволяющий повысить точность определения координат за счет объединения избыточных данных в кластер с последующей обработкой.

2) Предложен способ увеличения продолжительности работы беспроводных датчиков с буферными элементами памяти без потери результатов измерений в условиях отсутствия связи с сервером, а также сокращения объема транслируемых датчиком данных посредством разработанного метода разностно-префиксного кодирования пакетов измерительной информации в реальном времени.

3) Предложен способ уменьшения физического объема и времени доступа к измерительной информации, расположенной на сервере информационно-измерительной системы геомониторинга, за счет использования разработанных

алгоритмов комбинаторного, аффинно-разностного и префиксного кодирования результатов измерений.

4) Предложен способ сокращения объемов вычислений при выполнении геозавиеимого анализа результатов измерений и совмещенной визуализации измерительной и картографической информации в реальном времени за счет метода сегментации геосферы с малыми искажениями сегментной сетки, основанного на икосаэдральной сегментной системе координат, созданной с применением пучков плоскостей для формирования локальных координатных сеток базовых сегментов.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается выполненными экспериментальными исследованиями, а также эффективностью их применения при решении практических задач создания информационно-измерительных систем геомониторинга подвижных объектов.

Практическая ценность. Разработанные методы и методики могут быть использованы в практике проектирования информационно-измерительных систем глобального геомониторинга подвижных объектов, позволяют повысить эффективность процессов формирования и обработки измерительной информации в реальном времени, а также сократить время и затраты на проектирование и модернизацию рассматриваемых систем.

Положения, выносимые на защиту.

1) Метод измерения позиции подвижного объекта с фильтрацией избыточных данных, а также методика калибровки и использования разработанного фильтра при проектировании датчиков контроля состояния подвижных объектов измерения.

2) Способ формирования пакетов измерительной информации в беспроводных датчиках контроля состояния подвижных объектов с использованием разностно-префиксного кодирования и поддержкой описания структуры транслируемых данных измерений.

3) Средства управления измерительной информацией на основе разработанных алгоритмов аффинно-разностного кодирования результатов измерений с информационными потерями и комбинаторного кодирования без потерь, а так же префиксных и существующих статистических кодов.

4) Метод сегментации геосферы с методикой интеграции в процессы визуализации и геозависимого анализа измерительной информации, а также импорта картографического материала в информационно-измерительную систему геомониторинга подвижных объектов.

Апробация результатов работы. Результаты докладывались на следующих конференциях: 1. Всероссийская научно-техническая конференция. «Интеллектуальные и информационные системы» (Тула, ТулГУ, 2007-2011 гг.). 2. Итоговые научные конференции (Тула, ТулГУ, 2008-2010 гг.). 3. 4th International Conférence «Earth From Space — The Most effective Solutions» (Moscow, 2009). 4. Пути совершенствования ракетно-артиллерийских комплексов, средств управления войсками и оружием. (Тула, Тульский АИИ, 2010г.). 5. Международная научная заочная конференция «Актуальные вопросы

техники и технологии» (Липецк, 2011г.). 6. Актуальные проблемы науки: Международная научно-практическая конференция. (Тамбов, 2011.).

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке системы геомониторинга подвижных объектов в ООО «Компания Дайго».

Структура диссертации. Диссертация состоит из четырех глав, введения и заключения, изложенных на 133 страницах, содержащих 61 рисунок и 8 таблиц. Также присутствует список литературы из 118 наименований и приложение.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы исследования, формулировку цели и задач диссертации, приводит сведения о полученных результатах и другие характеристики проведенного диссертационного исследования.

В первой главе приводится аналитический обзор структуры современных систем геомониторинга подвижных объектов (рис.1). Измерение местоположения и характеристик подвижного объекта выполняется установленным на объекте измерения датчиком.

Спутники глобальной навигационной системы

Сервер измерительной информации

Диспетчерские

терминалы геомониторинга

Сенсорный элемент для прмвиз спутниковых навигационных сигналов -N 1 1Е И !& со Э;«мент беспроводной передачи данных

Прочие сенсорные элементы для определения состояния объекта изыер>©нмя =0 Л-к Ч—V Буферный элемент на основе энергонезависимой памяти

Беспроводной датчик контроля состояния подвижного объекта

Подвижные объекты измерения

Рис.1. Обобщенная структура системы reo мониторинга

Датчик включает в себя измерительный элемент, микроконтроллер для выполнения вычислений, энергонезависимую память для временного хранения результатов измерений, средства беспроводной передачи данных.

Измерительный элемент в простейшем случае состоит из одного сенсора спутниковых навигационных сигналов и формирует до десяти раз в секунду данные следующего вида: время (4-6 байт), широта (4 байта), долгота (4 байта), высота (2 байта), режим и погрешность позиционирования (2-4 байта). В рамках прикладного программного комплекса систем геомониторинга поток входящей измерительной информации на одну тысячу объектов составит 200 килобайт в секунду, при этом за год накопится более 6 терабайт.

Определен жизненный цикл измерительной информации, выполнена классификация измерительной информации систем геомониторинга подвижных объектов по назначению и типизация по форме представления. Все это

способствовало более четкому определению списка задач, которые необходимо было решить для достижения цели диссертации.

Рассмотрены основные критерии и методы фильтрации избыточных данных о позиции подвижного объекта, указываются их недостатки, основными из которых являются: нарушение режима реального времени и потеря информативности сообщений сенсорной подсистемы из-за удаления неудовлетворяющих критериям фильтра данных без извлечения их полезной составляющей. Сделан вывод, что для минимизации потерь полезной информации может быть разработан механизм кластеризации данных о позиции объекта измерения с последующим вычислением более точной позиции по результатам измерений входящих в текущий кластер.

Отмечено, что открытые протоколы передачи результатов измерений по узкополосному каналу в системах геомониторинга, такие как Meiligao, OpenDMTP и Wialon IPS, не предусматривают расширения возможностей сенсорной подсистемы, это приводит к тому, что помимо программного обеспечения терминалов, также необходимо обновлять код серверной части. Для сокращения трудозатрат и сведения к минимуму возможных нештатных ситуаций, путем исключения необходимости обновления серверного ПО, было принято решение о разработке протокола датчик-сервер с поддержкой описания структуры транслируемых данных.

Рассмотрены методы сжатия измерительной информации в узкополосных каналах передачи данных, в частности на основе частотного разделения с последующим энтропийным кодированием и на основе разностного кодирования в пределах блока транслируемых данных. Но использование подобных методов в рамках протокола с настраиваемой структурой транслируемой информации и в режиме реального времени не представляется возможным. При рассмотрении общих методов сжатия данных, применимых в рамках протокола, было принято решение о разработке подхода к сжатию данных измерений без информационных потерь на основе принципов разностного и префиксного кодирования. При этом сжатие с потерями фактически осуществляется на этапе фильтрации.

Проведен аналитический обзор решений в области архивирования измерительной информации, который показал, что архивирование либо не используется, либо применяются универсальные архиваторы не способные быть достаточно эффективными, поскольку не учитывают всех особенностей кодируемой информации. Поэтому было принято решение о разработке способа архивации результатов измерений с нарушением симметрии в сторону меньшего времени декодирования, поскольку накопленные данные подвергаются сжатию единожды.

Отмечено, что важную роль при визуализации и геозависимом анализе измерительной информации играют методы сегментации геосферы, поскольку от них зависит совместимость с современными технологиями компьютерной графики, а также скорость и равномерность доступа к геоинформации. Был выдвинут ряд требований к методам сегментации: 1) должен бьггь минимум различий между парамегграми сегментов одного уровня; 2) сегментная сеть

должна быть регулярной; 3) сегментация должна быть прямой. Ни одно из выявленных решений нельзя было назвать в достаточной мере удовлетворяющим данным требованиям. Сделан вывод о необходимости разработки сегментной системы координат на базе икосаэдра, для формирования сегментной сети с малыми искажениями.

Во второй главе изложены разработанные методы фильтрации данных о позиции, кодирования измерительной информации и сегментации поверхности геосферы. Все они активно используются при формировании и обработке информации в выделенных элементах схемы нарисунке 2.

Датчики

Буферизация

Кодирование измерительной информации

Фильтрация _

избыточных данных измерений

Сервер

Декодирование измерительной информации : База данных Сжатие измерительной информации

геомониторинга

Геоинформационный массив

Ж

Е

Файловый архив

Обработка запросов к данным измерений

Кэширование

т

Распашвка измерительной информации

Чтение, запись и кэширование сегментов геоинформац

Пользователи

Кэширование

Анализ

Визуализация

измерительной информации

£

0«>л г+оьк&итаани/*

е>

Импорт !

Рис.2. Упрощенная схема обработки данных в проектируемой системе

Для устранения избыточных данных о позиции подвижного объекта разработан фильтр (рис.3), состоящий из двух частей: предварительной фильтрации и фильтра избыточной информации. Состав - оригинальной выборки: Т — время; (р - широта; Л - долгота; И - эллипсоидная высота; V -вертикальный фактор потери точности; Н - горизонтальный фактор потери точности; М- режим определения местоположения.

Рис.3. Общая схема фильтра данных о позиции

Предварительная фильтрация устраняет выборки, которые являются ошибочными, неполными или не соответствуют режиму, а так же выполняет сброс фильтра избыточных данных в случае изменения режима определения местоположения объекта измерения.

Калибровочные параметры служат для преобразования факторов потери точности в погрешности позиционирования. Для калибровки фильтра разработана методика, основанная на анализе статистических данных результатов измерений с неподвижного датчика.

В процессе фильтрации избыточных данных выполняется кластеризация данных о позиции объекта измерения, при этом результатом работы фильтра являются центральные точки формируемых кластеров. Критерием кластеризации является расстояние между центральной точкой текущего кластера и очередной точкой. Координаты центральной точки кластера рассчитываются по формуле центра масс:

q = \£qJ-mJ)/Y,mJ,

где q — рассматриваемая координата (ф, к или h) центральной точки, qj — соответствующие координаты входящих в кластер точек, а тt - величины обратно пропорциональные погрешностям позиционирования Aj по соответствующим координатам, /яу = \/ AJ . При этом условие вхождения новой точки в текущий кластер имеет вид:

\h-h\<Ah-tAk

где параметрами эллипсоида служат: 4/(<р) ~ const = 360°/(2 ■ 7г- R) и Х(ср)я360°/(2-я- R-cos(tp)), здесь R - средний радиус Земли. При этом погрешности позиционирования результирующей точки рассчитываются по следующей формуле с учетом числа измерений п:

А" =(шах(9у +АЬ)-А])~тт(д; 2-/(q>)-V^),

где в качестве /{(р) для широты берется у/(<р), для долготы х(<р), а для высоты /(ер) = 1. Чтобы не пересчитывать кластер целиком достаточно корректировать текущие суммы для расчета каждой из координат, а также максимальные и минимальные значения для расчета погрешности позиционирования.

В работе рассматривается процесс сжатия измерительной информации в датчике состояния подвижного объекта (рис.4). На разработанном фильтре данных о позиции и фильтрах прочей измерительной информации устраняются избыточные данные, то есть выполняется сжатие с потерей информации. Для цифровых измерительных сигналов был разработан адаптивный дельта-код, параметром адаптации является уровень разности, при этом данные кодируются без потерь. Прочие данные рассматриваются как битовые поля, которые необходимо преобразовывать в разностную форму посредством сложения по модулю два, при этом адаптивность достигается перестановкой бит в поле на основе таблицы частот, в которой ведется учет изменений на противоположное значение по каждому биту поля.

-К]

А V

Фильтрация

т/

Разностное кодирование

"Змвгом^Н

-V

Рис.4. Процесс сжатия измерительной информации в датчике

К префиксному кодированию было выдвинуто два требования: 1) размер кода должен быть примерно пропорционален двоичному логарифму кодируемого числа; 2) шаг роста размера кода должен быть регулируемым. Для выполнения поставленных требований было разработано семейство префиксных кодов, которые здесь и далее будут обозначаться как РС)8-коды. Формат кодов предусматривает: префикс переменной длины, кодирующий номер интервала чисел, с шагом приращения р; индекс в заданном интервале с шагом приращения <з", модификатор 5 начального интервала для компенсации всплесков значений разностного кода в процессе адаптации к характеру поступающей измерительной информации.

Для архивирования измерительных сигналов с потерей данных был разработан алгоритм аффинного сжатия, который использует преобразование над дискретными значениями следующего вида:

х,=/{г) + хгк + А,

где х1 - элемент сжимаемой последовательности данных, х1 - элемент преобразуемой к рассматриваемой последовательности, к - коэффициент масштабирования, А - разность амплитуд, а /' - номер элемента. Отличительной особенностью предложенного метода является использование аппроксимирующей функции /(/), теоретически она может быть любой, в работе была рассмотрена линейная аппроксимация. В ходе анализа измерительных сигналов (данных о позиции подвижного объекта и оцифрованных звуковых сигналов) было показано, что использование аппроксимирующих функций позволяет значительно увеличить длину подобий,

что положительно влияет на степень сжатия. Был выработан ряд мер, которые позволили сократить время кодирования при незначительном снижении эффективности сжатия за счет учета экстремумов и спектральных характеристик сигнала, а также ограничений области поиска подобий.

Для повышения эффективности архивирования данных измерений без информационных потерь был разработан метод комбинаторного сжатия последовательностей целых чисел (символов). В отличие от арифметического сжатия и метода Хаффмана, для которых событием является очередной символ последовательности данных, для комбинаторного сжатия событием является вся последовательность данных, что позволяет повысить эффективность сжатия относительно энтропии введенной К. Шенноном. В результате анализа данных измерений на предмет наличия повторяющихся групп значений, было решено использовать сжатие с учетом соседства символов. Таким образом, для кодирования последовательности в зависимости от полученной статистики применяется один из трех разработанных вариантов сжатия: 1) простое комбинаторное кодирование по таблице частот; 2) серийное комбинаторное кодирование с учетом повторов символов; 3) словарное комбинаторное кодирование с учетом соседства символов.

Метод прямой сегментации геосферы, удовлетворяющей выдвинутым требованиям, основан на сегментной системе координат, состоящей из 10 координатных сеток, которые базируются на икосаэдре, и каждая, из которых состоит из двух сферических треугольников. Координатные полусетки формируются путем разбиения поверхности двумя пучками плоскостей (рис.5), чьи направляющие вычисляются по формулам:

Ní=(AxB)xC, ЬГр =(ВхС)хА.

Переход в сегментную систему координат для произвольной точки Р осуществляется в два этапа: определение базового полусегмента и вычисление локальных координат х равной ААОХ и у равной /АОУ, с последующим

Обратное преобразование локальных координат рассматривается как определение точки пересечения трех плоскостей N^OY, Nx-OX и ABC. Затем

полученная точка должна быть отклонена на требуемую высоту над референц-поверхностью. Именно обратное преобразование используется в процессе

сегментации геосферы. Было отмечено, что получаемые таким образом сегменты искажаются тем сильнее, чем они дальше от вершины В. Для компенсации искажений добавлен дополнительный пучок плоскостей:

N-z =(ЛхС)хВ,

при этом вычисляются три точки пересечения плоскостей: 1) NyOY , N^OX и

ABC; 2) NyOY, NXJZ и ABC; 3) NfiZ, N/JX и ABC. Полученные точки

суммируются в декартовых координатах, и результат поднимается на нужную высоту над поверхностью геосферы.

В третьей главе изложена методика проектирования информационно-измерительных систем геомониторинга с применением разработанных методов.

Предложена методика проектирования датчиков, в которой рассмотрена система обработки данных реализуемая датчиком (рис.5), приведен обобщенный алгоритм работы датчика и способ подбора основных элементов.

ты_к

'¿ г Удапвккый сОмеи данншм с внешним устройство« и псдс*«тзмоя \

Silli

lis!

V -Al

У

Прочая измерительная информация

,_к

jj^MEA-noTojp

1 i

I я ч> ,

а 1 I 1

# Í <

-А

-Л

-у

¡I

U

% о. : 5 I !

sil

М\

ГУ

| Состояние датчика

-N V N 1/

s|

II

Рис.5. Система обработки данных датчика

Рассмотрено построение протокола датчик-сервер. В частности, решена задача сжатия данных измерений на уровне датчика с помощью разработанных методов разностного и префиксного кодирования. Предложен способ описания структуры транслируемых результатов измерений для исключения необходимости модифицировать серверное программное обеспечение при изменении формата данных измерений за счет разработанного языка описания транслируемой измерительной информации, минимальный синтаксис которого представлен расширенной формой Бэкуса-Нуара.

Решена задача архивирования собранной измерительной информации с использованием разработанных алгоритмов аффинно-разностного, комбинаторно и префиксного кодирования в рамках служебного приложения (рис.6), которое отвечает за прием, обработку и хранение данных измерений.

Датчики

Автоматизация переноса данных, измерений в архив и ввода новых структур

Служба управления измерительной информацией

Упаковка, распаковка и кэширование измерительной информации

Пользователи

Файловый архив

Рис.6. Служба управления измерительной информацией

Рассмотрены вопросы интеграции разработанного метода сегментации геосферы в существующие решения в области геомониторинга подвижных объектов. Разработан методический материал по использованию сегментации в процессах визуализации и геозависимого анализа измерительной информации, а также предложен порядок обмена картографическим материалом с системами, использующими отличные от разработанного метода проекции.

В четвертой главе приведены результаты испытаний и оценки разработанных методов и предложенных решений.

Использование фильтра избыточных данных о позиции подвижного объекта в среднем позволило сократить объем данных в два-три раза при движении транспорта по городу с минимальной потерей информативности.

Испытания датчиков контроля состояния объекта измерения с использованием разработанного протокола датчик-сервер показали почти на порядок меньший объем трафика по сравнению с протоколами без поддержки сжатия измерительной информации.

Установлено, что архивирование данных о позиции сочетанием разработанных методов позволяет в два раза превзойти архиваторы общего назначения по степени сжатия и более при введении потерь. Выполненная оценка производительности разработанных алгоритмов сжатия показала, что процесс архивирования позволяет не только экономить пространство носителей информации, но и ускорять доступ к измерительной информации на жестких дисках в процессе её обработки.

Сопоставление разработанных методов сегментации с итерационным методом сегментации по дугам и прямым методом по граням икосаэдра подтвердило высокое качество предложенных решений.

В завершение дано описание программных и аппаратных разработок, которые использовались в экспериментах. На рисунке 7 представлен один из разработанных прототипов датчика.

Рис.7. Беспроводной датчик контроля состояния подвижного объекта

Заключение содержит основные результаты и общие выводы диссертационной работы.

В приложении приведены вспомогательные таблицы, сведения по экспериментальному подбору калибровочных коэффициентов разработанного фильтра данных о позиции, формулы расчетов при геозависимом анализе на поверхности геосферы, синтаксис языка описания формата измерительной информации, копия акта внедрения результатов диссертационной работы.

1. Разработан метод измерения позиции подвижного объекта с фильтрацией избыточных данных. В ходе испытаний установлено, что метод позволяет сократить объем данных о позиции в среднем в два и более раз с минимальными потерями полезной информации, что приводит к сокращению объемов вычислений в процессе обработки измерительной информации на всех этапах жизненного цикла.

2. Рассмотрены вопросы калибровки фильтра данных о позиции, а также проведено исследование соответствия теоретического распределения параметров калибровки результатам экспериментальных измерений.

3. Решена задача сжатия данных измерений в рамках разработанного протокола датчик-сервер. Экспериментально подтверждено, что использование данного протокола позволяет существенно сократить расходы на буферных элементах памяти и услугах связи, а также повысить полезную пропускную способность беспроводных сетей передачи данных.

4. Предложен язык описания формата транслируемой датчиками измерительной информации, который позволяет отказаться от обновления серверной части системы геомониторинга при вводе новых типов датчиков, что

в свою очередь позволяет не прерывать процесс сбора измерительной 1 информации, а также сократить время разработки и число нештатных ситуаций.

5. Решена задача архивирования данных измерений посредством разработанных алгоритмов аффинно-разностного, комбинаторно и префиксного кодирования. Полученные в ходе испытаний результаты позволяют говорить о возможности существенного снижения требований к объему накопителей

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

информации, а также ускорения процессов обработки данных измерений ограниченных скоростью доступа к накопителям информации.

6. Разработан прямой метод сегментации геосферы на основе пучков плоскостей, обладающий высоким качеством сегментной сетки, что позволяет существенно ускорить геозависимый анализ данных измерений и обеспечить совместимость с современными технологиями компьютерной графики.

7. Создана методика разработки информационно-измерительных систем геомониторинга подвижных объектов с использованием предложенных решений, разработанных методов и алгоритмов.

8. В ходе работы было разработано программно-аппаратное обеспечение, которое было внедрено в коммерческую систему геомониторинга транспортных средств «КоНУС», в рамках которой был поставлен ряд экспериментов использованных при написании диссертационной работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гришин M.JI. Быстрая фильтрация потоков данных о глобальной позиции объекта на примере GPS-телеметрии / Интеллектуальные и информационные системы: Материалы Всероссийской научно-практической конференции / Тула: Изд-во ТулГУ, 2007. - С. 78-79.

2. Гришин M.JL, Данилкин Ф.А. Метод быстрой фильтрации потока данных о глобальной позиции наблюдаемого объекта на примере GPS-телеметрии // Геоинформатика. 2008. № 3. С. 21 - 28.

3. Гришин МЛ., Данилкин Ф.А. Комбинаторное кодирование для сжатия данных // Известия ТулГУ. Технические науки. Выпуск 2. 2008. С. 251-258.

4. Гришин М.Л., Данилкин Ф.А. Учет семантики векторных карт при анализе телеметрии перемещающегося объекта // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Выпуск 6 / Тула: Изд-во ТулГУ, 2008. — С. 15-22.

5. Гришин МЛ., Данилкин Ф.А. Метод сегментации сферы при моделировании поверхности планет // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 2. Ч. 2. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 213-221.

6. Гришин М.Л., Данилкин Ф.А. Разработка устройств сбора телеметрии подвижного объекта / Интеллектуальные и информационные системы: Материалы Всероссийской научно-технической конференции / Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. - С. 85.

7. M.L. Grishin. The direct method of the sphere segmenting at 3d-modeling of the Earth surface / 4th International Conference Earth From Space: The Most effective Solutions. Abstracts. 2009. -P. 109-110. -ISBN 978-5-9518-0378-8.

8. Гришин МЛ., Данилкин Ф.А. Проектирование устройств для сбора данных о позиции и другой телеметрии подвижного объекта в реальном времени // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2010. №2 (выпуск 32). С. 55-60.

9. Гришин МЛ., Данилкин Ф.А. Специальная система координат для моделирования планет // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2010. №10. С. 21 -25.

10. Гришин М.Л., Данилкин Ф.А. Применение рекурсивных и комбинаторных методов при сжатии массивов натуральных чисел с нулем // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых. Вып. 8 / Под общ. ред. Е.В. Ларкина. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. - С. 39-47.

11. Гришин М.Л. Метод сжатия потоков телеметрии в системе мониторинга подвижных объектов / Вычислительная техника и информационные технологии. Сборник научных статей. Вып. 2. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2010.-С. 85-93.

12. Гришин М.Л. Трехмерное моделирование земной поверхности при симуляции систем планетарного масштаба / Пути совершенствования ракетно-артиллерийских комплексов, средств управления войсками и оружием: Материалы конференции / Тула: Тульский АИИ, 2010. — С. 37.

13. Гришин МЛ., Сидельников Ю.В. Современный подход к проектированию систем мониторинга для служб быстрого реагирования командного типа // Технологии гражданской безопасности. Научно-технический журнал, Том 8, № 1. ФГУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). М: 2011, С. 64 -73.

14. Гришин М.Л. Аффинно-разностное кодирование цифровых сигналов / Интеллектуальные и информационные системы: Материалы Всероссийской научно-практической конференции / Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. — С. 87-89.

15. Гришин М.Л. Метод статистического сжатия информации на основе комбинаторного кодирования / Актуальные вопросы техники и технологии: Сборник докладов Ш-й Международной научной заочной конференции / Липецк: Издательский центр «Гравис», 29 января 2011г. Ч. 1. — С. 22-24.

16. Гришин М.Л. Сжатие телеметрии в каналах передачи данных систем геомониторинга подвижных объектов / Актуальные проблемы науки: сб. науч. тр. по мат-лам Междунар. науч.-практ. конф. 30 мая 2011. Ч. 4. М-во обр. и науки РФ / Тамбов: Изд-во ТРОО «Бизнес-Наука-Общество», 2011. — С. 42-44.

Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 16.04.2012 Формат бумаги 60x84 Vie. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 0,9. Уч.-изд. л. 0,8. Тираж 100 экз. Заказ 016 Тульский государственный университет 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве ТулГУ 300012, г. Тула, просп. Ленина, 95

61 12-5/3402

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»

На правах рукописи

Гришин Максим Леонидович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕН™ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ГЛОБАЛЬНОГО ГЕОМОНИТОРИНГА ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

Специальность 05.11.16- Информационно-измерительные и управляющие системы (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.техн.н., профессор Данилкин Ф.А.

Тула 2012

Содержание

Введение.......................................................................................................................4

1. Структура информационно-измерительных систем геомониторинга подвижных объектов.................................................................................................11

1.1. Жизненный цикл измерительной информации............................................16

1.2. Механизмы сжатия результатов измерений.................................................23

1.3. Модель геосферы............................................................................................28

1.4. Выводы.............................................................................................................32

2. Информационно-измерительное обеспечение систем геомониторинга подвижных объектов.................................................................................................34

2.1. Измерение позиции подвижного объекта с учетом избыточной информации............................................................................................................35

2.2. Сжатие пакетов измерительной информации в датчике контроля состояния подвижного объекта............................................................................45

2.2.1. Адаптивное разностное кодирование сигналов и битовых полей.......47

2.2.2. Префиксный код с регулируемым приращением..................................50

2.3. Архивирование измерительной информации..............................................53

2.3.1. Аффинно-разностное сжатие цифровых сигналов...............................54

2.3.2. Комбинаторное кодирование информации............................................61

2.4. Прямая сегментация геосферы на основе пучков плоскостей...................69

2.5. Выводы.............................................................................................................74

3. Разработка систем глобального геомониторинга подвижных объектов........76

3.1. Построение протокола датчик-сервер...........................................................76

3.2. Методика проектирования датчиков контроля состояния подвижного объекта.....................................................................................................................80

3.3. Устройство архиватора измерительной информации.................................90

3.4. Интеграция разработанного метода сегментации геосферы......................96

3.4.1. Геозависимая обработка измерительной информации.........................97

3.4.2. Трехмерная визуализация......................................................................104

2

3.4.3. Импорт и экспорт картографического материала...............................107

3.5. Выводы...........................................................................................................109

4. Апробация результатов исследования систем геомониторинга подвижных объектов....................................................................................................................111

4.1. Тестирование фильтра данных о позиции объекта измерения................111

4.2. Испытания механизмов сжатия результатов измерений..........................114

4.2.1. Оценка компактности протокола датчик-сервер.................................114

4.2.2. Показатели алгоритмов архивирования результатов измерений......117

4.3. Сравнение методов сегментации геосферы................................................125

4.4. Разработанное программное и аппаратное обеспечение..........................129

4.5. Выводы...........................................................................................................131

Заключение...............................................................................................................133

Список литературы......................................... ..........................................................135

Приложение 1. Табличная функция для фильтра данных о позиции................148

Приложение 2. Акт об использовании результатов кандидатской

диссертационной работы........................................................................................149

Приложение 3. Способ калибровки фильтра данных о позиции объекта

измерения.................................................................................................................150

Приложение 4. Примеры префиксных кодов.......................................................154

Приложение 5. Расчеты взаимодействия векторных примитивов и траектории

объекта на геосфере.................................................................................................155

Приложение 6. Таблицы порядка визуализации базовых сегментов.................160

Приложение 7. Эксперимент по определению калибровочных коэффициентов фильтра данных о позиции и законов распределения калибруемых величин.. 161 Приложение 8. Синтаксис языка описания транслируемой измерительной информации..............................................................................................................165

Введение

Актуальность темы. В последнее время, наблюдается процесс интенсивного развития информационно-измерительных систем геомониторинга подвижных объектов, область их применения постоянно растет. Массовой областью применения является управление парками транспортных средств.

Информационно-измерительная система геомониторинга подвижных объектов осуществляет измерение глобального местоположения и характеристик групп подвижных объектов, управление датчиками контроля состояния объектов, а также выполняет хранение, обработку и отображение результатов измерений, в том числе с учетом географической информации.

Задачи, связанные с разработкой подобных систем решены не полностью. В частности, не представлены протоколы датчик-сервер, обеспечивающие единообразное подключение различных датчиков контроля состояния подвижных объектов. Например, подключение к системе датчиков с новыми измеряемыми параметрами потребует модификации протокола трансляции результатов измерений и программного обеспечения сервера информационно-измерительной системы геомониторинга.

В беспроводных датчиках с буферными элементами памяти, компенсирующими потери связи с сервером информационно-измерительной системы геомониторинга, важной является задача сокращения избыточности и преобразования измерительной информации в более компактную форму представления. Аналогичных решений требует задача долговременного хранения результатов измерений на сервере измерительной информации. Указанные задачи обусловлены тем, что объемы измерений непрерывно растут за счет увеличения числа контролируемых параметров, точности сенсорных элементов и частоты их опроса, кроме того, повышаются требования к системам геомониторинга по числу контролируемых объектов и времени хранения результатов измерений.

Еще более сложной задачей является обработка накопленной измерительной информации, в частности геозависимый анализ, под которым следует понимать анализ результатов измерений с активным использованием различной информации о местности, по которой проходит маршрут объекта измерения. Данная задача многократно усложняется при использовании глобальных картографических данных, потребность в которых обуславливается процессами глобализации и расширения области применения систем геомониторинга подвижных объектов.

Возрастающие требования к разрабатываемым системам геомониторинга подвижных объектов могут быть обеспечены не только за счет увеличения производительности аппаратного комплекса, но и за счет совершенствования процессов формирования и обработки измерительной информации.

Работ посвященных системам геомониторинга подвижных объектов очень мало, что обусловлено сравнительно короткой историей подобных систем, основную часть составляют диссертации [69; 70; 71] и публикации, посвященные отдельным узкоспециализированным вопросам геомониторинга подвижных объектов. В современной теории информационно-измерительных систем [64; 65; 66; 67; 68] системы геомониторинга подвижных объектов редко рассматриваются как самостоятельный класс, при этом уделено недостаточное внимание их геоинформационному аспекту, который определяет процессы визуализации и геозависимого анализа измеряемой информации. Труды, посвященные геоинформационным [72; 75; 77; 79; 82] и глобальным навигационным [88; 89; 90; 91; 92] системам, позволяют во многом компенсировать недостаток специализированной литературы, но это не заменяет целостный подход в рассматриваемой области.

Данные обстоятельства обусловили выбор объекта исследования диссертации, который можно обозначить как информационно-измерительная система геомониторинга подвижных объектов.

Предметом исследования являются процессы формирования и обработки данных измерений в информационно-измерительных системах глобального геомониторинга подвижных объектов.

Аналитический обзор материала связанного с обработкой измерительной информации [65; 67; 68; 69; 70; 71; 72] выявил слабую освещенность следующих вопросов. Недостаточное внимание уделено способам сокращения избыточности данных о местоположении, притом, что данные о позиции могут составлять до 100% транслируемой датчиком информации. Слабость подходов в области построения протоколов передачи измерительной информации с точки зрения универсальности и возможностей сжатия. Под универсальностью подразумевается не всеобъемлющий охват всего разнообразия измерительной информации, а возможности протоколов по расширению состава данных без необходимости обновлять реализацию принимающей информацию серверной части. Сжатие результатов измерений в канале передачи данных рассматривается в отрыве от конкретного подхода к построению протокола, что не может не сказываться на качестве конечных решений. Открытым остался вопрос архивирования накапливаемой в системе измерительной информации, универсальные методы дают хорошие результаты, но если в процессе архивации учитывать специфику данных, то можно добиться большей степени сжатия.

Рассмотрены процессы визуализации и геозависимой обработки измерительной информации, а также доступа к данным с географической привязкой. Большая часть материала была получена из области геоинформационных систем [72; 75; 76; 77; 78; 79; 81; 82], основное внимание было уделено глобальным системам, которые являются относительно новыми и в силу этого слабо представлены в научной литературе. Отмечено, что уделяется мало внимания модели геосферы, от которой зависят процессы организации, визуализации и геозависимой обработки результатов измерений. При этом сохраняется тенденция использования методов плоской картографии,

что неуместно в рамках трехмерной модели и ухудшает возможное качество результата.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности проектируемых информационно-измерительных систем глобального геомониторинга подвижных объектов за счет совершенствования процессов формирования и обработки измерительной информации в реальном времени.

В процессе достижения цели диссертации потребовалось решить следующие основные задачи.

1) Определить элементы информационно-измерительной системы глобального геомониторинга подвижных объектов, которые должны быть усовершенствованы для повышения эффективности процессов формирования и обработки измерительной информации с учетом реального времени.

2) Разработать алгоритмы формирования и обработки измерительной информации для элементов информационно-измерительной системы геомониторинга подвижных объектов, которые должны быть усовершенствованы.

3) Разработать методику применения созданных алгоритмов для проектирования информационно-измерительных систем глобального геомониторинга подвижных объектов.

4) Провести экспериментальные исследования и оценить качество предложенных решений.

В работе использовались методы исследования из следующих областей: теории цифровой обработки сигналов, теории кодирования и сжатия информации, теории вероятностей, теории алгоритмов, сферической тригонометрии и математической картографии. При этом использовались труды отечественных и зарубежных ученых: Волынский Б.А., Клейн Ф., Ландау Л.Д., Мальдеброт Б.Б., Степанов H.H., Тот А.Ф., Амелькин В.А., Левенштейн В.И., Давыдов A.B., Белл Т., Серапинас Б.Б., Ленгли Р.Б., и др. Разработка алгоритмов и программ осуществлялась с применением императивной, обобщенной и объектно-ориентированной парадигм программирования.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем.

1) Разработан метод измерения позиции подвижного объекта с фильтрацией избыточных данных в реальном масштабе времени, позволяющий повысить точность определения координат за счет объединения избыточных данных в кластер с последующей обработкой.

2) Предложен способ увеличения продолжительности работы беспроводных датчиков с буферными элементами памяти без потери результатов измерений в условиях отсутствия связи с сервером, а также сокращения объема транслируемых датчиком данных посредством разработанного метода разностно-префиксного кодирования пакетов измерительной информации в реальном времени.

3) Предложен способ уменьшения физического объема и времени доступа к измерительной информации, расположенной на сервере информационно-измерительной системы геомониторинга, за счет использования разработанных алгоритмов комбинаторного, аффинно-разностного и префиксного кодирования результатов измерений.

4) Предложен способ сокращения объемов вычислений при выполнении геозависимого анализа результатов измерений и совмещенной визуализации измерительной и картографической информации в реальном времени за счет метода сегментации геосферы с малыми искажениями сегментной сетки, основанного на икосаэдральной сегментной системе координат, созданной с применением пучков плоскостей для формирования локальных координатных сеток базовых сегментов.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается выполненными экспериментальными исследованиями, а также эффективностью их применения при решении практических задач создания информационно-измерительных систем геомониторинга подвижных объектов.

Практическая ценность. Разработанные методы и методики могут быть использованы в практике проектирования информационно-измерительных систем глобального геомониторинга подвижных объектов, позволяют повысить

эффективность процессов формирования и обработки измерительной информации в реальном времени, а также сократить время и затраты на проектирование и модернизацию рассматриваемых систем.

Положения, выносимые на защиту.

1 ) Метод измерения позиции подвижного объекта с фильтрацией избыточных данных, а также методика калибровки и использования разработанного фильтра при проектировании датчиков контроля состояния подвижных объектов измерения.

2) Способ формирования пакетов измерительной информации в беспроводных датчиках контроля состояния подвижных объектов с использованием разностно-префиксного кодирования и поддержкой описания структуры транслируемых данных измерений.

3) Средства управления измерительной информацией на основе разработанных алгоритмов аффинно-разностного кодирования результатов измерений с информационными потерями и комбинаторного кодирования без потерь, а так же префиксных и существующих статистических кодов.

4) Метод сегментации геосферы с методикой интеграции в процессы визуализации и геозависимого анализа измерительной информации, а также импорта картографического материала в информационно-измерительную систему геомониторинга подвижных объектов.

Апробация результатов работы. Результаты докладывались на нижеуказанных конференциях: 1. Всероссийская научно-техническая конференция. «Интеллектуальные и информационные системы» (Тула, ТулГУ, 2007-2011 гг.). 2. Итоговые научные конференции (Тула, ТулГУ, 2008-2010 гг.). 3. 4th International Conférence «Earth From Space - The Most effective Solutions» (Moscow, 2009). 4. Пути совершенствования ракетно-артиллерийских комплексов, средств управления войсками и оружием. (Тула, Тульский АИИ, 2010г.). 5. Международная научная заочная конференция «Актуальные вопросы техники и технологии» (Липецк, 2011г.). 6. Актуальные проблемы науки: Международная научно-практическая конференция. (Тамбов, 2011.).

В первой главе диссертационной работы определены ключевые элементы информационно-измерительных систем геомониторинга подвижных объектов, которые оказывают непосредственное влияние на процессы формирования и обработки измерительной информации. Во второй главе описаны разработанные методы формирования и обработки измерительной информации. В третьей главе рассмотрены вопросы применения созданных методов при построении информационно-измерительных систем глобального геомониторинга подвижных объектов в реальном времени. Последняя глава содержит результаты экспериментов и сопоставлений разработанных методов с альтернативными решениями, а также сведения о разработанных программных и аппаратных средствах, которые были задействованы в испытаниях.

1. Структура информационно-измерительных систем геомониторинга подвижных объекто