автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Мобильные системы предоставления информационных сервисов позиционирования объектов

На правах рукописи

САЛЕХ Хади Мухаммед

МОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕРВИСОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005532722

О 5 СЕН 2013

Владимир 2013

005532722

Работа выполнена на кафедре «Информационные системы и программная инженерия» (ИСПИ) Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ФГБОУ ВПО ВлГУ), г. Владимир.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

АЛЕКСАНДРОВ Дмитрий Владимирович, профессор кафедры инновационного предпринимательства ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана», г. Москва

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

АНДРИАНОВ Дмитрий Евгеньевич, заведующий кафедрой «Информационные системы» Муромского института (филиала) ВлГУ, г. Муром Владимирской области

кандидат технических наук, доцент КУЗНЕЦОВ Николай Александрович, доцент кафедры физики ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева», г. Ковров Владимирской области

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Вологодский государ-

ственный технический университет», г. Вологда

Защита диссертации состоится «25» сентября 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д.212.025.01 при ВлГУ по адресу: г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Автореферат диссертации разослан «23» августа 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ученому секретарю диссертационного совета Д.212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, доцент

ДАВЫДОВ Н. Н.

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ

В настоящее время наблюдается рост интереса к программно-информационным сервисам, предоставляющим возможность получения данных о местоположении того или иного объекта. Эти данные позволяют значительно повысить информативность и качество предоставляемых пользователям услуг в различных сферах современной экономики.

По прогнозам J'son & Partners Consulting объем мирового рынка сервисов LBS (Location-based Service) - услуг на основе определения местоположения объекта- достигнет $ 16,89 млрд в 2016 году, т.е. с 2012 г. объем мирового рынка LBS удваивается примерно каждые два года.

Россия является крупнейшим рынком LBS в регионе с темпом роста 69,7 % в год, и по прогнозам к 2016 году рынок вырастет до $ 158,3 млн.

Существует множество технологий, позволяющих определять местоположение объекта, которые имеют различные характеристики, наиболее значимыми из которых являются: распространенность, точность, стоимость, а также возможность применения как внутри помещений, так и снаружи. Та или иная технология может быть выбрана с учетом специфики задач, которые призвана решать создаваемая система позиционирования.

Бурное развитие рынка мобильных устройств в последнее время приводит к появлению в них новых функциональных возможностей, в частности, при оснащении новейших мобильных устройств встроенными модулями беспроводной связи, инерциальными и прочими датчиками, которые нашли свое применение в различных приложениях информационно-развлекательного характера. Однако существует возможность использовать данные технические средства для решения задач навигации (в т.ч. внутри помещений), которая со временем набирает все большую актуальность в связи с увеличением числа промышленных объектов сложной инфраструктуры.

Вопросам создания навигационных систем посвящены исследования ученых разных стран, среди которых российские: М. Ф. Решетнев, В. Г. Пешехо-нов, Г. М. Чернявский, С. С. Ривкин, А. Ю. Ишлинский, А. В. Костров и др. и зарубежные: Йохан Шиллер (Jochen Schiller), Або-Алмеджд Нуралдин, (Aboelmagd Noureldin), Роберт Роджерс (Robert Rogers), Мохиндер Грювал (Mohinder Grewal), Лоурэнс Вайл (Lawrence Weill), Ангус Эндрюс (Angus Andrews). Серьезную теоретическую основу для развития инерциальной навигации и интегрированных навигационных систем в области теории систем и управления заложили отечественные ученые И. В. Прангишвили, В. М. Глушков, А. Г. Мамиконов, Б. Я. Советов, Г. Г. Куликов, О. Б. Низамутдинов, Ю. А. Кафтанюк, О. В. Логиновский, Р. И. Макаров, В. А. Горбатов, С. А. Редкозубое и др.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - система предоставления информационных сервисов по определению текущего местоположения пользователей мобильных устройств.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ - модели и алгоритмы функционирования мобильных систем позиционирования объектов и технологии реализации таких систем.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: целью диссертации является повышение точности функционирования мобильных систем предоставления информационных сервисов по определению местоположения объектов.

Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих задач:

1. Анализ систем и технологий предоставления информационных сервисов по определению местоположения объектов с использованием современных мобильных устройств, а также определение возможности применения встроенных в них инерциальных датчиков для решения этой задачи путем оценки их погрешностей.

2. Разработка концептуальной модели системы \¥ьРьиозиционирования объектов посредством мобильных устройств и технологии создания и применения таких систем, а также экспериментальное исследование известных алгоритмов \У1-р1-позиционирования, положенных в их основу, в целях выявления условий эффективного использования данных алгоритмов.

3. Разработка архитектуры системы мониторинга перемещающихся объектов (СМПО) на производственной площадке (ПП) промышленного предприятия, ее теоретико-множественной модели и основанных на ней алгоритмов базовых операций, реализующих основные функции системы мониторинга, а также оценка эффективности ее применения на основе имитационного моделирования.

4. Проектирование и реализация прототипа программно-аппаратного комплексного навигационного устройства движущихся объектов, включающего, в частности, бесплатформенную инерциальную навигационную систему (БИНС) для их позиционирования по данным акселерометров и гироскопов на основе математических моделей и аппаратов направляющих косинусов и кватернионов.

5. Разработка алгоритмического обеспечения подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия (складской грузоподъемной техники и др.) на основе применения инерциальных датчиков линейного ускорения (акселерометров).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: исследования, выполненные в диссертации, основаны на применении методов системного анализа, теории проектирования систем, объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории навигационных систем, прикладной физики, теории множеств, нечеткой логики, теории цифровой обработки информации, а также методах имитационного моделирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА 1. Концептуальная модель системы \\^-р1-позиционирования объектов посредством мобильных устройств, технология создания и применения таких систем, особенностью которой является возможность использования существующей инфраструктуры промышленного объекта, и метод повышения точности ХУьРьпозиционирования на основе применения базы данных (БД) контрольных точек плана производственной площадки со значениями уровня радиосигнала в этих точках, а также нечеткой логики.

2. Архитектура системы мониторинга перемещающихся объектов на производственной площадке промышленного предприятия, отличающаяся возможностью применения различных беспроводных технологий позиционирования объекта, и описывающее ее информационно-алгоритмическое обеспечение, которое включает теоретико-множественную модель и алгоритмы базовых операций, реализующих основные функции системы.

3. Алгоритм подсчета циклов перемещения рабочего органа механизма циклического действия, особенностью которого является определение пороговых значений линейного ускорения данного рабочего органа и границ временного интервала, за который он совершает очередной цикл. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем.

1. Представлены результаты анализа систем и технологий предоставления информационных сервисов по определению местоположения объектов, на основе которых определены условия применения тех или иных систем навигации для решения конкретных задач позиционирования.

2. Произведена оценка погрешности инерциальных датчиков современных мобильных устройств, в результате которой доказана невозможность их применения для решения задач инерциалыюй навигации.

3. Разработано программно-информационное обеспечение подсчета циклов перемещения рабочего органа механизма циклического действия, включая действующее приложение для мобильного устройства на платформе Android.

4. Разработана технология создания и применения систем Wi-Fi-позиционирования объектов посредством мобильных устройств, возможность использования которой подтверждена результатами экспериментального исследования задействованных в разработанном программном прототипе системы известных алгоритмов Wi-Fi-позиционирования в целях определения условий их эффективного применения в зависимости от количества и расположения точек доступа, скорости перемещения объекта, необходимой точности и вычислительных возможностей мобильного устройства.

5. На основе имитационного моделирования в системе AnyLogic получены результаты оценки пропускной способности промышленной площадки предприятия, оснащенного предложенной системой мониторинга перемещающихся объектов.

6. Разработан прототип программно-аппаратного комплексного навигационного устройства наземного транспортного средства, включающего, в частности, компоненты GPS (Global Positioning System) и GPRS (General Packet Radio Service) и реализующего функции «черного ящика» и видеорегистратора, которое позволяет вычислять координаты объекта по данным инерциальных датчиков на основе реализации математических моделей и аппаратов направляющих косинусов и кватернионов.

Результаты диссертационного исследования имеют практическую значимость для территориально распределенных промышленных предприятий со сложной инфраструктурой.

Внедрение результатов работы

Основные практические результаты получены при выполнении:

- госбюджетной (ГБ) научно-исследовательской работы (НИР) № МД-781 «Исследование и разработка методов, моделей и алгоритмов реализации комплексных интеллектуальных программно-технических систем» на кафедре ИС-ПИ ВлГУ по гранту Президента РФ для государственной поддержки научных исследований молодых российских ученых - докторов наук (договор № 16.120.11.5155-МД от 01.02.2012) в качестве ответственного исполнителя в рамках II этапа «Создание информационного обеспечения и изготовление опытных образцов мобильного устройства инерциалыюй и спутниковой навигации GLONASS / GPS»;

- ГБ НИР №Г-615 «Разработка программного прототипа бортового черного ящика автомобиля» по гранту молодым ученым по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Владимирской области по заказу Департамента образования администрации, в рамках данной НИР разработан программный модуль прототипа интегратора навигационного устройства для обработки показаний акселерометров и отображения траектории объекта.

Полученные научные и практические результаты в части архитектуры СМПО внедрены на производственном предприятии ООО «ЕвроПласт» (г. Владимир). Кроме того, результаты диссертации внедрены в инновационной компании ООО «Бизнес.РФ» (г. Владимир) при разработке семейства мобильных приложений Pedometer B.RF на основе алгоритма подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия с применением инерциаль-ных датчиков линейного ускорения мобильных устройств.

Разработанное информационно-алгоритмическое обеспечение также применено в учебном процессе кафедры ИСПИ ВлГУ в лабораторных и практических работах по дисциплинам «Разработка и сопровождение веб-приложений» и «Информационные сети» направления 230400 — «Информационные системы и технологии» подготовки магистров и бакалавров соответственно.

Апробация и реализация результатов исследования

Основные научные результаты доложены на IV, V и IX международных научно-технических конференциях (МНТК) «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования», г. Вологда, 2008 г, 2009 г. и 2013 г.; международной научной конференции (МНК) ММТТ-24 «Математические методы в технике и технологиях», г. Саратов, 2009 г.; I окружном инновационном конвенте, г. Дубна, ОИЯИ, 2009 г.; I Молодежной научно-практической школе «Информационный менеджмент социально-экономических и эргатических систем - 2010», г. Покров, 2010 г.; МНТК «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов», г. Кострома, 2010 г.; II Международной молодежной научно-практической школы «Информационный менеджмент социально-экономических и технических систем — 2011», г. Москва, 2011 г.; на межвузовских научно-практических конференциях ВЗФЭИ, г. Владимир, 2008 - 2011 гг.; МНК «Main problems of informatics and information education», Poland, Rzeszow», 2012 г.; I Международной научно-практической конференции «Информационные технологии в промышленности, экономике и образовании - 2012 (ИТПЭО -2012)», г. Владимир, 2012 г.; X международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (INTELS'2012), г. Москва, 2012 г.; Всероссийском конкурсе бизнес-планов «ПОКОЛЕНИЕ 2025», г. Москва, Экспоцентр, 2013 г.

Основные научные результаты, выносимые на защиту:

1. Концептуальная модель системы Wi-Fi-позиционирования объектов посредством мобильных устройств, технология создания и применения таких систем и метод повышения точности Wi-Fi-позиционирования на основе применения базы данных контрольных точек плана производственной площадки со значениями уровня радиосигнала в этих точках, а также аппарата нечеткой логики.

2. Архитектура системы мониторинга перемещающихся объектов на производственной площадке промышленного предприятия, отличающаяся возможностью применения различных беспроводных технологий позиционирования объекта.

3. Информационно-алгоритмическое обеспечение системы мониторинга перемещающихся объектов на производственной площадке промышленного предприятия, включающее теоретико-множественную модель и основанные на ней алгоритмы базовых операций, реализующих основные функции СМПО, построенной по предложенной архитектуре.

4. Алгоритм подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия, особенностью которого является определение пороговых значений линейного ускорения рабочего органа и границ временного интервала, за который он совершает очередной цикл.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 16 публикациях, из них 4 в журналах, рекомендованных ВАК России.

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 120 страницах, включающих 45 рисунков, 20 таблиц и список использованных литературных источников, состоящий из 80 наименований, а также включает 5 приложений.

II КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, степень ее разработанности. Сформулированы цели и определены решаемые в диссертации научные задачи. Указана научная новизна работы, теоретическая и практическая значимость. Представлены выбранные методы исследования. Сформулированы положения, выносимые на защиту. Отражена апробация полученных результатов.

В первой главе «Анализ методов и технологий предоставления информационных сервисов позиционирования объектов» проведен анализ методов и технологий определения местоположения объекта для предоставления информационных услуг пользователям мобильных устройств, рассмотрены физические принципы работы различных навигационных систем, положенные в основу их функционирования, а также выявлены их достоинства и недостатки (табл. 1).

Для рационального решения задач LBS необходимо применять комплексную систему навигации, структура которой зависит от специфики этих задач и требуемых характеристик проектируемой системы.

В главе представлена архитектура мобильных систем предоставления информационных сервисов позиционирования объектов на производственной площадке промышленного предприятия (рис. 1).

Таблица 1. Сравнение технологий определения местоположения объекта

Технология Достоинства Недостатки

GPS / GLONASS Высокая доступность, высокая точность вне помещений Низкая точность внутри помещений

Bluetooth Низкая мощность Высокая стоимость, системы ближнего действия

Инсрциальная навигация Автономная навигация Высокая стоимость, накопление ошибки с течением времени

RFID Высокие точность и безопасность Высокая стоимость

GSM / GPRS Системы дальнего действия, широкая распространенность Низкая точность как внутри помещений, так и снаружи

Wi-Fi Широкая распространенность, низкая стоимость Средний диапазон действия

UWB (Ultra-wideband) -сверхширокополосные системы связи Высокая точность Сложность развертывания, высокая стоимость

позиционирования объектов на производственной площадке промышленного предприятия

Для наиболее часто применяемых в мобильных устройствах инерциаль-ных датчиков рассчитаны показатели погрешностей:

Ксо = {К^.К^у.К^У = (1,037 0,989 0,997)т; Ка = (Ка*.Ка,у,КагУ = (0-975 0.985 0.9367)7"; ьш = (Ьш,х,Ьи1,у,Ь^2У = (0^00636,-0.00473,-0.00051)г, град/с;

ba = {b^.b^y.b^Y = (-0.29685,-0.3553,-0.2852)7", м/с2, где K^.Ka - поправочные коэффициенты, Ъы, Ьа - значения постоянной погрешности гироскопа L3G4200D и акселерометра BMA 150 соответственно.

Таким образом, истинное значение угловой скорости можно вычислить по

формуле: ü)HCT - .tüi~b<°! где измеряемое датчиком значение. Аналогично кш

вычисляется истинное значение линейного ускорения объекта.

Проведены исследования на предмет возможности использования датчиков мобильных устройств в задачах инерциальной навигации. При этом рассмотрены модели БИНС на базе математических аппаратов кватернионов и направляющих косинусов. Для проведенного эксперимента был выбран один из этажей административного здания (рис. 2).

Во время эксперимента человек перемещался с мобильным устройством вдоль коридора таким образом, что ось Y акселерометра совпадала с осью Y локальной системы координат. Запись показаний начиналась до момента движения и заканчивалась после остановки. Реальная протяженность пройденного пути составляла 65 м, а длина вычисленной траектории - сотни метров. Результаты эксперимента свидетельствуют о низкой точности акселерометров и датчиков угловых скоростей устройства. Значительные погрешности при определении местоположения подвижного объекта и вычислении его скорости также связаны с накоплением ошибок интегрирования и отсутствием системы коррекции.

Таким образом, сделан вывод о нецелесообразности применения данных датчиков для создания БИНС на базе бытовых мобильных телефонов и планшетов.

Во второй главе «Исследование и развитие алгоритмов определения местоположения объектов с использованием технологии Wi-Fi» разработана система позиционирования объектов внутри помещений посредством мобильных устройств. Архитектура разрабатываемой системы включает в себя: приложение, предназначенное для разработки планов зданий; сервер приложений для предоставления доступа мобильных пользователей к данным разработанных планов помещений; веб-приложение, обеспечивающее возможность пользователей регистрировать новые здания, загружать планы помещений, а также генерировать ссылки и QR-коды для доступа к этим планам; мобильное приложение, предназначенное для получения значений об уровнях сигналов текущих Wi-Fi-точек доступа и вычисления координат объектов в зданиях. При кодировании объектов, размещаемых на планах помещений, определены три категории: стены, точки доступа Wi-Fi и прочие объекты. В закодированном виде данные объекты представляют собой следующие наборы данных (табл. 2).

Рисунок 2. Системы координат объекта при проведении эксперимента

Концептуальная модель системы \У>Рьпозиционирования объектов ПП приведена на рис. 3, а блок-схема обобщенного алгоритма работы клиентского приложения для позиционирования объекта внутри помещения посредством мобильного устройства - на рис. 4.

,оовс

БД планов ПП 1! контрольных точек

Сервер Сервер БД

положений

Подсистема разработки планов помещений

Рисунок 3. Концептуальная модель системы \УьР1-позиционирования объектов ПП

Получение данных Wi-Fi сетей / Сигналы у М—Ч Wi-Fi- / / сетей /

| Результаты позиционирования объекта

Вычисление местоположения объекта 1

Рисунок. 4. Блок-схема обобщенного алгоритма работы клиентского приложения для позиционирования объекта

Таблица 2. Формат кодирования данных планов помещений

Стены

Л-координата | У-координата | Z-координата | Длина | Ширина | Наименование

Точки доступа Wi-Fi

Х-координата | У-координата | Z-координата | Наименование сети

Прочие объекты

Х-координата У-координата | Z-координата | Длина | Ширина | Наименование

Работа алгоритма сводится к следующему. Пользователь сканирует QR-код, размещенный на стенде внутри здания; система декодирует полученный код в веб-ссылку на соответствующий план; полученная ссылка сохраняется во временном файле; приложение обращается к серверу приложений и по ссылке получает электронный план здания. Программа периодически фиксирует уровень сигналов от доступных Wi-Fi-точек доступа; вычисляет координаты движущегося объекта и отображает его местоположение на экране мобильного устройства.

В главе приведен детальный анализ алгоритмов определения местоположения объекта с помощью технологии Wi-Fi. Представлены результаты ряда экспериментов по определению точности алгоритмов позиционирования посредством мобильных устройств. Графики, отражающие погрешности вычисления координат перемещающегося вдоль коридора объекта различными алгоритмами, приведены на рис. 5. Для сравнения точности алгоритмов определения местоположения пользователя рассчитаны среднее отклонение и дисперсия, которые приведены в табл. 3.

Таблица 3. Среднее отклонение и дисперсия

Алгоритм

1 2 3 4 5

Среднее отклонение 8,45 8,04 5,92 6,40 10,47

Дисперсия 13,86 22,62 6,30 4,88 23,68

В главе предложены рекомендации по использованию этих алгоритмов, а также алгоритм повышения точности работы системы позиционирования на основе применения БД контрольных точек плана ПП со значениями уровня радиосигнала в этих точках и аппарата нечеткой логики. Иллюстрация результатов работы алгоритма приведена на рис. 6.

Суть алгоритма заключается в следующем:

• определить границы лингвистических термов: мощность сигнала, степень его ослабления, расстояние до точки доступа;

• сформировать базу правил;

В цикле по точкам измерений:

• вычислить координаты местоположения пользователя, используя выбранный алгоритм позиционирования, на основе координат точек доступа и уровней их радиосигналов;

• рассчитать расстояние от местоположения пользователя до точки доступа с использованием аппарата нечеткой логики;

• определить область возможного местоположения пользователя О4 = (02vj03)c\0i, где Oi - физические препятствия, зона запрещенного движения; 02 - область местоположения движущегося объекта относительно точки доступа; 03 - область возможного местоположения объекта, вычисленная алгоритмом позиционирования;

• рассчитать координаты местоположения пользователя как средние координаты по осям X и Y крайних точек области 04\

= (*zi + + + *k)/4>

ук = (Ук + y'z2 + У'гъ + yk)/4;

• соединяя координаты вычисленной точки с предыдущей, получить траекторию перемещения пользователя с мобильным устройством.

путем вычисления его координат по различным алгоритмам

Данные по уточнению результатов работы алгоритмов позиционирования на основе \УьРьтехнологии при помощи контрольных точек и карты местности представлены в табл. 4.

Таблица 4. Результаты уточнения

Среднее отклонение вычисленных координат объекта от реальных, м Коррекция координат объекта

по контрольным точкам, м по плану помещения, м

3,47 3,24 2,8

1................. v' -, у'' V : i ' " ■ щ ■ - иШЗ ,/Ъ) j ■'' ' т,\x\yl\ /

/f 1 |0; и ; • и • M'ir v' ,у: 'j V

........N ч Ч! {

Рисунок 6. Иллюстрация результатов работы алгоритма повышения точности системы Wi-Fi- позиционирования объекта

После уточнения данных при помощи контрольных точек среднее отклонение удалось уменьшить до 3,24 м 7 %). Уточнение при помощи плана помещения позволило снизить среднее отклонение еще до 2,8 м (~ 13 %).

В третьей главе «Модели и алгоритмы мониторинга движущихся объектов на производственной площадке промышленного предприятия» предложена архитектура СМПО, отличающаяся возможностью применения различных беспроводных технологий позиционирования объекта (рис. 7).

Диспсчтср

Мобильные

объекты мониторинга

Стационарные объекты мониторинга

Рисунок 7. Обобщенная архитектура системы мониторинга перемещающихся объектов на производственной площадке промышленного предприятия

Структуру СМПО условно можно разделить на три уровня. Нижний уровень включает в себя: мобильные устройства, выполняющие функцию идентификаторов для объектов, движущихся в пределах рассматриваемой транспортной инфраструктуры; считыватели, обеспечивающие идентификацию мобильных устройств в радиусе своего действия и чтение / запись данных; системы контроллеров, реализующих функции хранения, обработки и передачи данных

на сервер, управление считывателями и физическими объектами системы, принятие решений и т.д. Средний уровень системы представляет собой сервер, осуществляющий функции хранения данных, опрос контроллеров и протоколирование происходящих в системе событий. Верхний уровень представляет диспетчерские системы различных конфигураций, позволяющие осуществлять визуальный контроль и / или осуществлять видеонаблюдение за перемещающимися объектами производственной инфраструктуры, генерировать отчеты, просматривать лог-файлы сервера, осуществлять конфигурирование системы, а также вмешиваться в автоматический процесс мониторинга системы, передавая прямые управляющие сигналы тем или иным ее элементам.

В главе предложено информационно-алгоритмическое обеспечение СМПО предприятия. Табл. 5 включает основные элементы теоретико-множественной модели, а табл. 6 - основанные на ней алгоритмы базовых операций, реализующих основные функции системы, построенной по предложенной архитектуре СМПО.

Таблица 5. Сводная таблица множеств модели СМПО

Множество Описание

Система в = {О^, С?, Д, и„, Я5, С/,, Щ, Л, £>0«. | Г = 0, Т°, и = 1, У0", I = 1, Iе1, / = 1 ,Г5,к = 1 ,К', с = 1,С°°}

Объект а5 = {РъЛ»а° = 1,х°,ь = 1,вр}

Сегмент объекта 2~ {О2}, Е, т > г,(Л,,Кт, к, Яу,,, 1рр,5А„ п,Рь, йос Е £»

Сервер С={А}

Диспетчерская система о= {£>°},о, ^ > с/„

Пользователь

Движущийся объект До = {£>""}

Элементы регулирования Д = {5/,, ЛГ„„ 1рр, Ы,, Т,\ 1 = 0, от = о, м<=, П = оТлп7. о = О.О^.р = О.Р'Р.г = О,«5"^ = 0,5Т}

Считыватель 51= р8*}, —Кт

Контроллер

Видеокамера К= р"}/к

Светофор

Информационная панель

Шлагбаум = {^П/я,

Терминал Г=Р'}/Г

Парковочное место

Местоположение М" = {£„ \Я = Го1!, м„н Мз

Уровень объекта £ = РП

Маршрут Мз = {М„н V = 1, и/", 6 = 0, Р")

Клиент С/= {Оа}, С/, & > Оос

Транспортное средство ге- ге,- > С4 ге,- ^ >

Мобильное устройство /= {£/},/*—£-> с/,

Сообщение 5и< = {7е, £>л"'}

Управляющий сигнал /г, X)"}

Мощность сигнала

Алгоритм позиционирования

Экономическая эффективность СМПО обоснована с использованием среды имитационной моделирования АпуГх^с (рис. 8).

Рисунок. 8. Графики пропускной способности ПП предприятия

Таблица 6. Основные операции СМПО

Операция Описание

1 ргосеззЕтгуОиегуй, 5</, 1рр): Рь, Яму Обработать запрос на вход

2 с^есЯСОЗД: Д Фиксировать мобильное устройство

3 с1еАпеОЬ]ес1Сарасиу(А:„„ 05): йи5 Определить загруженность объекта

4 sendControlSignal(K^t, 1рр) Послать управляющий сигнал

5 ёе«СКе1а1есЮа1а(и): С1, 75} Получить данные о клиенте, ТС, связанных с мобильным устройством

6 веп(1Ме85а§е(5и<,.): 4 sendMessage(I¿): Sщ, Отослать сообщение на мобильное устройство Получить сообщение от мобильного устройства

7 (МпеОеэйгШюп(0$, Оос): Рь Определить место назначения

8 аейпеКои1е(05, £>о„ Рь): Определить маршрут движения

9 ро8ШопСИеп1(0*,7(-): М" Определить местоположение объекта

10 getClientRSSValues(S,, /*): ДУЯ, Получить уровень сигнала точки доступа мобильного устройства

11 са1сиЫеСНетСоогс1та1ез( {RSSÍ||}, {¡У"}}, М4 Рассчитать координаты объекта

12 getCorrectDiгection(Os, Оос,М*-): 1, Рассчитать корректировку направления движения объекта

13 тош1:огТгаГГ1сР1о\¥(05, 7)ос, М?г) Контролировать движение объекта

14 ргосе88ЕхНОиегу(4, Й/, Г,): Лс* Обработать запрос на выход

В четвертой главе «Практическая реализация программно-аппаратных средств на основе инерциальных датчиков мобильных устройств», в частности, предложен алгоритм подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия на основе применения инерциальных датчиков линейного ускорения (акселерометров) мобильных устройств, особенностью которого является определение пороговых значений линейного ускорения объекта и границ временного интервала выполнения очередного рабочего цикла механизма.

Суть алгоритма заключается в подсчете числа локальных максимумов на графике линейного ускорения (рис. 9) при выполнении условий: I. значение ускорения должно находиться в пределах от до атах; 2. период выполнения

элемента механизма циклического действия в процессе работы

Переменные, используемые при реализации алгоритма: ах ау az - показания акселерометров; time - момент времени измерения; а-, - модуль вектора ускорения в текущий момент времени; aw - модуль вектора ускорения в предыдущий момент времени; ami„ и атах - минимальный и максимальный пороги значения ускорения при очередном рабочем цикле соответственно; peak - логическая переменная для фиксации возрастания значения ускорения; lastPeak - время последнего локального максимума ускорения; SCounter- счетчик числа циклов. Блок-схема алгоритма обработки данных акселерометров приведена на рис. 10.

Рисунок 10. Блок-схема алгоритма обработки данных акселерометров

^ Конец ^

С Начало ) [

_У о

Получение данных акселерометра

г

На основе данного алгоритма разработано программно-информационное обеспечение расчета дистанции, пройденной человеком по данным акселерометров мобильных устройств и действующее Апёгсиё-приложение. На рис. 11. приведен график изменения позиции перемещающегося объекта, полученный по данным предложенного алгоритма.

Время, с

Рисунок 11. График изменения позиции объекта, полученный по данным алгоритма подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия

Кроме того, в главе разработан прототип комплексного навигационного устройства наземного транспортного средства с реализацией функции «черного ящика», которое включает в себя подсистемы спутниковой и инерциальной навигации, подсистему регистрации показаний внешних датчиков транспортного средства (уровня топлива, температуры двигателя и т.д.), GSM / GPRS модуль и видеорегистратор. Навигационное устройство размещается на борту автомобиля и предназначено для отслеживания его местоположения. Структурная схема комплексного навигационного устройства представлена на рис. 12. Данные датчиков непрерывно записываются в стек устройства в специальном формате, а в последующем, например после возникновении аварийной ситуации с транспортным средством, доступны для анализа с целью определения ее причин.

GPS /

БИНС GLONASS

приемник

Интерфейсы устройств |

К Устройство хранения

Интеллектуальное ядро ьттщ

системы

• щ

и

[ Интерфейсы датчиков |

Датчики состояния ТС

Бортовой компьютер

Рисунок 12. Комплексное навигационное устройство наземного транспортного средства с реализацией функции «черного ящика»

В главе также описаны созданные программные прототипы БИНС, позволяющие вычислять координаты объекта по реальным данным акселерометров и гироскопов мобильных устройств на основе реализации математических моделей направляющих косинусов и кватернионов.

Симулятор БИНС представляет собой средство передачи записанных заранее данных в модель таким образом, что процесс напоминает запуск модели непосредственно на устройстве, где данные с датчиков попадают в модель сразу же после измерения. В симуляторе используются данные, записанные с помощью одного из приложений для протоколирования показаний датчиков телефона. Они представлены двумя файлами формата *.csv. Один файл содержит показания акселерометров, другой - гироскопов. Каждое показание датчика представлено в файле одной строкой, формат которой имеет вид: [системное время (не)], [время с момента запуска, с], [показание по оси X], [показание по оси У], [показание по оси Z]. Кроме того, в процессе разработки программных модулей симулятора БИНС описаны основные классы и методы, реализованные в приложении на языке Java.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Представлены результаты анализа систем и технологий предоставления информационных сервисов по определению местоположения объектов с использованием современных мобильных устройств, на основе которых определены условия применения тех или иных систем навигации для решения конкретных задач позиционирования, и по результатам произведенной оценки погрешности встроенных в них инерциальных датчиков доказана невозможность их применения для решения задач инерциальной навигации.

2. Разработаны концептуальная модель системы Wi-Fi-позиционирования объектов посредством мобильных устройств, технология создания и применения таких систем, особенностью которой является возможность использования существующей инфраструктуры промышленного объекта, и метод, позволивший повысить точность Wi-Fi-позиционирования в среднем на 19 % за счет применения базы данных контрольных точек плана производственной площадки со значениями уровня радиосигнала в этих точках, а также аппарата нечеткой логики.

3. Предложены архитектура системы мониторинга перемещающихся объектов на производственной площадке промышленного предприятия, отличающаяся возможностью применения различных беспроводных технологий позиционирования объекта, и описывающее ее информационно-алгоритмическое обеспечение, которое включает теоретико-множественную модель и алгоритмы базовых операций, реализующих основные функции системы, а также по результатам имитационного моделирования промышленной площадки предприятия, оснащенного СМПО, в системе AnyLogic продемонстрировано повышение ее пропускной способности в 1,9 раза.

4. Разработан алгоритм подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия, особенностью которого является определение пороговых значений линейного ускорения рабочего органа и границ временного интервала, за который он совершает очередной цикл, а также действующее приложение для мобильного устройства на платформе Android.

5. Создан прототип программно-аппаратного комплексного навигационного устройства наземного транспортного средства, включающего, в частности, компоненты GPS и GPRS и реализующего функции «черного ящика» и видеорегистратора, которое позволяет вычислять координаты объекта по данным инерциальных датчиков на основе реализации математических моделей и аппаратов направляющих косинусов и кватернионов.

IV. СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях из перечня ВАК:

1. Салех, X. М. Формальная нейроподобная модель системы мониторинга транспортного потока / X. М. Салех, Д. В. Александров, М. И. Жигалова // «Нейрокомпьютеры: разработка, применение». - 2012. - № 7. - С. 41- 48 (лично автором - 34 %).

2. Салех, X. М. Радиолокация с использованием Wi-Fi-тояек доступа беспроводных сетей внутри помещений/ X. М. Салех, Д. В. Александров // «Информационно-измерительные и управляющие системы». - 2012. - № 7, Т 10. - С. 29 - 36. - ISSN 2070-0814 (лично автором - 50 %).

3. Салех, X. М. Определение местоположения объектов с использованием инерционных датчиков в мобильных устройствах / X. М. Салех // «Нелинейный мир». - 2012. - № 9. - С. 617 - 622. - ISSN 2070-0970 (лично автором - 100 %).

4. Салех, X. М. Позиционирование технических объектов с помощью высокочувствительных датчиков перемещения / X. М. Салех, Ю. В. Новожилов // Вестник Костромского гос. ун-та имени Н. А. Некрасова. Серия: Технические и естественные науки «Системный анализ. Теория и практика». - 2010. - № 1. Т. 16. - С. 49 - 52 (лично автором-50%).

В прочих изданиях:

5. Салех, X. М. Навигационные системы внутри помещений для мобильных устройств / X. М. Салех // Интеллектуальные системы. Труды Десятого международного симпозиума. - М. : РУСАКИ, 2012. - С. 459 -461. - ISBN 978-5-93347-432-6 (лично автором -100 %).

6. Салех, X. М. Разработка экспериментального образца комплексного навигационного устройства / Салех X. М. // Вестник филиала Всероссийского заочного финансово-экономического института в г. Владимире. — Владимир, 2012. - Вып. 6. — С. 154— 158. -ISBN 978-5-9903434-9-8 (лично автором - 100 %).

7. Салех, X. М. Модели и алгоритмы мониторинга транспортного потока / X. М. Салех, Д. В. Александров, М. И. Жигалова // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования : Материалы седьмой МНТК. - ВоГТУ, г. Вологда. - 2012. -С. 32 - 34. - ISBN 978-5-87851-4439 (лично автором - 34 %).

8. Салех, X. М. Оценка погрешности датчиков в мобильных устройствах / Салех X. М. // Сборник материалов «Информационные технологии в промышленности, экономике и образовании - 2012 (ИТПЭО - 2012)». - Владимир. - С. 66 - 70. - ISBN 978-5-83110703 (лично автором - 100 %).

9. Салех, X. М. Гибридная система навигации для повышения качества прогнозирования и мониторинга подвижных объектов в пространстве / Салех X. М. // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования. Материалы четвертой МНТК. Т.1. — Вологда : ВоГТУ, 2008. - С. 37 - 40 (лично автором - 100 %).

10. Салех, X. М. К вопросу о классификации интеллектуальных информационных систем / X. М. Салех, Д. В. Александров // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, прибо-

ров и оборудования : Материалы восьмой МНТК. - Вологда : Bol ТУ, 2013. — С. 15 — 18. - ISBN 978-5-87851-480-4 (лично автором - 50 %).

11. Салех, X. М. Применение микроэлектромеханических датчиков в задачах комплексной навигации / Салех X. М. // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования // Материалы четвертой МНТК. Т.2. - Вологда : ВоГТУ, 2010. - С. 84 - 87 (лично автором - 100 %).

12. Салех, X. М. Бесплатформенная инерциальная навигационная система на основе интегрирования кинематических уравнений Эйлера / X. М. Салех, Д. В. Александров // Информационный менеджмент социально-экономических и эргатических систем — 2010: Труды Молодежной научно-практической школы (г. Покров). - Владимир : Собор, 2010. - С. 71 - 76 (лично автором - 50 %).

13. Салех, X. М. Принципы построения бесплатформенной системы ориентации и навигации / Салех X. М. // Актуальные вопросы экономического развития (инвестиционная привлекательность и инвестиционная направленность) материалы межвуз. науч.-практ. конф., 28 апреля 2009 г., г. Владимир, филиал ВЗФЭИ в г. Владимире. - Владимир, 2009. - С. 225-228. - ISBN 978-5-8311-0440-0 (лично автором - 100%).

14. Салех, X. М. Обработка результатов эксперимента по определению траектории автомобиля с использованием GPS-приемника и SUNSPOT / Салех X. М. // Информационный менеджмент социально-экономических и технических систем — 2011 // сборник материалов II международной молодежной научно-практической школы (г. Москва). -Владимир: С. 144 - 146. - ISBN 978-5-8311-0616-9 (лично автором - 100 %) и др.

15. Салех, X. М. Бюджетная гибридная навигационная система для наземных транспортных средств [электронный ресурс] / Салех X. М.// Материалы научно-практической конференции в рамках Дней науки студентов и аспирантов Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. - Изд-во ВлГУ, 2012. - С. 122 - 123. - ISBN 978-5-9984-0254-8 (лично автором - 100 %) режим доступа:

http://www.sci.vlsu.ni/news/sob/days_of_science_2012.pdf.

16. Saleh, H. M. Determining the location of objects using inertial sensors in mobile devices / H. M. Saleh, D. V. Aleksandrov, V.A. Muzichenko // Main problems of informatics and information éducation. Poland, Rzeszow, 2012. - pp. 265 - 275. - ISSN 2080-9069 (лично автором - 50 %).

Подписано в печать 20.08.2013. Формат 60x84/16. Бумага для множит, техники. Гарнитура Тайме. Печать офсетная. Тираж 120 экз. Заказ 508 - 2013 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в AHO «Типография на Нижегородской» 600020, Б. Нижегородская, 88-Д.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

04201362593

На правах рукописи

САЛЕХ Хади Мухаммед

МОБИЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПРЕДОСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕРВИСОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность 05.13.01 - «Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)»

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Александров Д. В.

Владимир 2013

Оглавление

Введение.............................................................................................5

ГЛАВА 1. Анализ методов и технологий предоставления информационных сервисов позиционирования объектов..........................................................12

1.1 Информационные услуги, основанные на определении местоположения пользователя.............................................................................................12

1.2 Технологии определения местоположения объектов................................13

1.3 Инерциальная навигация на основе математических аппаратов кватернионов и направляющих косинусов.....................................................................19

1.4 Расчет показателей погрешности инерциальных датчиков МУ..................26

1.5 Оценка возможности использования датчиков МУ в задачах инерциальной навигации .........................................................................................32

Выводы по главе 1 ..............................................................................36

ГЛАВА 2. Исследование и развитие алгоритмов определения местоположения объектов с использованием технологии Wi-Fi.............................................38

2.1 Подход к оценке мощности Wi-Fi-сигнала RSSI для вычисления расстояния между источником и приемником...........................................................38

2.2 Технология создания и применения системы Wi-Fi-позиционирования объектов посредством мобильных устройств...................................................................39

2.3 Алгоритмы определения местоположения объектов с помощью Wi-Fi-сетей .......................................................................................................45

2.4 Исследование и оценка точности алгоритмов позиционирования объектов с помощью Wi-Fi-сетей..............................................................................................49

2.5 Обработка результатов вычислительного эксперимента по определению местоположения объектов посредством мобильных устройств..........................52

2.6 Метод повышения точности Wi-Fi позиционирования объектов................55

2.6.1 Уточнение результатов позиционирования объекта на основе применения аппарата нечеткой логики................................................................55

2.6.2 Уточнение результатов позиционирования с помощью применения

контрольных точек..............................................................................60

Выводы по главе 2..............................................................................65

ГЛАВА 3. Модели и алгоритмы мониторинга движущихся объектов на производственной площадке промышленного предприятия...................................66

3.1 Система мониторинга движущихся объектов на ГШ.................................66

3.2 Концептуальная модель СМПО..........................................................69

3.3 Функциональная модель процесса обслуживания пользователя в СМПО.....71

3.4 Архитектура СМПО........................................................................73

3.5 Теоретико-множественная модель СМПО на ПП....................................74

3.6 Алгоритмы операций СМПО на 1111....................................................82

3.7 Оценка экономической эффективности от внедрения СМПО.....................88

Выводы по главе 3 ...............................................................................90

ГЛАВА 4. Практическая реализация программно-аппаратных средств на основе инерциальных датчиков мобильных устройств..........................................92

4.1 Алгоритм подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия.................................................................................92

4.2 Программно-информационное обеспечение подсчета шагов......................94

4.3 Программно-аппаратная реализация экспериментального образца комплексного навигационного устройства...............................................................96

4.3.1 Описание прототипа комплексного навигационного устройства......96

4.3.2 Описание аппаратного обеспечения комплексного навигационного устройства..........................................................................................97

4.3.3 Реализация протокола передачи данных....................................101

4.4 Реализация программного симулятора БИНС.......................................103

Выводы по главе 4.............................................................................108

Заключение......................................................................................109

Список сокращений и условных обозначений..........................................111

Библиографический список..................................................................113

Приложение А..................................................................................121

Приложение Б..................................................................................122

Приложение В..................................................................................124

Приложение Г..................................................................................125

Приложение Д..................................................................................126

ч

ВВЕДЕНИЕ

АКТУАЛЬНОСТЬ

В настоящее время наблюдается рост интереса к программно-информационным сервисам, предоставляющим возможность получения данных о местоположении того или иного объекта. Эти данные позволяют значительно повысить информативность и качество предоставляемых пользователям услуг в различных сферах современной экономики.

По прогнозам J'son & Partners Consulting объем мирового рынка сервисов LBS (Location-based Service) - услуг на основе определения местоположения объекта- достигнет $ 16,89 млрд в 2016 году, т.е. с 2012 г. объем мирового рынка LBS удваивается примерно каждые два года [22].

Россия является крупнейшим рынком LBS в регионе с темпом роста 69,7 % в год, и по прогнозам к 2016 году рынок вырастет до $ 158,3 млн [43].

Существует множество технологий, позволяющих определять местоположение объекта, которые имеют различные характеристики, наиболее значимыми из которых являются: распространенность, точность, стоимость, а также возможность применения как внутри помещений, так и снаружи. Та или иная технология может быть выбрана с учетом специфики задач, которые призвана решать создаваемая система позиционирования.

Бурное развитие рынка мобильных устройств в последнее время приводит к появлению в них новых функциональных возможностей, в частности, при оснащении новейших мобильных устройств встроенными модулями беспроводной связи, инерциальными и прочими датчиками, которые нашли свое применение в различных приложениях информационно-развлекательного характера. Однако существует возможность использовать данные технические средства для решения задач навигации (в т.ч. внутри помещений), которая со временем набирает все большую актуальность в связи с увеличением числа промышленных объектов сложной инфраструктуры.

Вопросам создания навигационных систем посвящены исследования ученых разных стран, среди которых российские: М. Ф. Решетнев, В. Г. Пешехонов, Г. М. Чернявский, С. С. Ривкин, А. Ю. Ишлинский, А. В. Костров и др. и зарубежные: Йохан Шиллер (Jochen Schiller), Або-Алмеджд Нуралдин, (Aboelmagd Noureldin), Роберт Роджерс (Robert Rogers), Мохиндер Грювал (Mohinder Grewal), Лоурэнс Вайл (Lawrence Weill), Ангус Эндрюс (Angus Andrews). Серьезную теоретическую основу для развития инерциальной навигации и интегрированных навигационных систем в области теории систем и управления заложили отечественные ученые И. В. Прангишвили, В. Е. Селезнев, В. В. Алешин, В. М. Глушков, А. Г. Мамиконов, Б. Я. Советов, Г. Г. Куликов, О. Б. Низамутдинов, Ю. А. Кафта-нюк, О. В. Логиновский, Р. И. Макаров, В. А. Горбатов, С. А. Редкозубов и др.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - система предоставления информационных сервисов по определению текущего местоположения пользователей мобильных устройств.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ - модели и алгоритмы функционирования мобильных систем позиционирования объектов и технологии реализации таких систем.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: целью диссертации является повышение точности функционирования мобильных систем предоставления информационных сервисов по определению местоположения объектов.

Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих задач:

1. Анализ систем и технологий предоставления информационных сервисов по определению местоположения объектов с использованием современных мобильных устройств, а также определение возможности применения встроенных в них инерциальных датчиков для решения этой задачи путем оценки их погрешностей.

2. Разработка концептуальной модели системы Wi-Fi-позиционирования объектов посредством мобильных устройств и технологии создания и применения таких систем, а также экспериментальное исследование известных алгоритмов Wi-Fi-позиционирования, положенных в их основу,

в целях выявления условий эффективного использования данных алгоритмов.

3. Разработка архитектуры системы мониторинга перемещающихся объектов (СМПО) на производственной площадке (ГШ) промышленного предприятия, ее теоретико-множественной модели и основанных на ней алгоритмов базовых операций, реализующих основные функции системы мониторинга, а также оценка эффективности ее применения на основе имитационного моделирования.

4. Проектирование и реализация прототипа программно-аппаратного комплексного навигационного устройства движущихся объектов, включающего, в частности, бесплатформенную инерциальную навигационную систему (БИНС) для их позиционирования по данным акселерометров и гироскопов на основе математических моделей и аппаратов направляющих косинусов и кватернионов.

5. Разработка алгоритмического обеспечения подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия (складской грузоподъемной техники и др.) на основе применения инерциальных датчиков линейного ускорения (акселерометров).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: исследования, выполненные в диссертации, основаны на применении методов системного анализа, теории проектирования систем, объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории навигационных систем, прикладной физики, теории множеств, нечеткой логики, теории цифровой обработки информации, а также методах имитационного моделирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА 1. Концептуальная модель системы \\/1-Рьпозиционирования объектов посредством мобильных устройств, технология создания и применения таких систем, особенностью которой является возможность использования существующей инфраструктуры промышленного объекта, и метод повышения точности \¥ьРьпозиционирования на основе применения базы данных (БД)

контрольных точек плана производственной площадки со значениями уровня радиосигнала в этих точках, а также нечеткой логики.

2. Архитектура системы мониторинга перемещающихся объектов на производственной площадке промышленного предприятия, отличающаяся возможностью применения различных беспроводных технологий позиционирования объекта, и описывающее ее информационно-алгоритмическое обеспечение, которое вкючает теоретико-множественную модель и алгоритмы базовых операций, реализующих основные функции системы.

3. Алгоритм подсчета циклов перемещения рабочего органа механизма циклического действия, особенностью которого является определение пороговых значений линейного ускорения данного рабочего органа и границ временного интервала, за который он совершает очередной цикл. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ заключается в следующем.

1. Представлены результаты анализа систем и технологий предоставления информационных сервисов по определению местоположения объектов, на основе которых определены условия применения тех или иных систем навигации для решения конкретных задач позиционирования.

2. Произведена оценка погрешности инерциальных датчиков современных мобильных устройств, в результате которой доказана невозможность их применения для решения задач инерциальной навигации.

3. Разработано программно-информационное обеспечение подсчета циклов перемещения рабочего органа механизма циклического действия, включая действующее приложение для мобильного устройства на платформе Android.

4. Разработана технология создания и применения систем Wi-Fi-позиционирования объектов посредством мобильных устройств, возможность использования которой подтверждена результатами экспериментального исследования задействованных в разработанном программном прототипе системы известных алгоритмов Wi-Fi-позиционирования в целях определения условий их эффективного применения в зависимости от количества

и расположения точек доступа, скорости перемещения объекта, необходимой точности и вычислительных возможностей мобильного устройства.

5. На основе имитационного моделирования в системе AnyLogic получены результаты оценки пропускной способности промышленной площадки предприятия, оснащенного предложенной системой мониторинга перемещающихся объектов.

6. Разработан прототип программно-аппаратного комплексного навигационного устройства наземного транспортного средства, включающего, в частности, компоненты GPS (Global Positioning System) и GPRS (General Packet Radio Service) и реализующего функции «черного ящика» и видеорегистратора, которое позволяет вычислять координаты объекта по данным инерци-альных датчиков на основе реализации математических моделей и аппаратов направляющих косинусов и кватернионов.

Результаты диссертационного исследования имеют практическую значимость для территориально распределенных промышленных предприятий со сложной инфраструктурой.

Внедрение результатов работы

Основные практические результаты получены при выполнении:

- госбюджетной (ГБ) научно-исследовательской работы (НИР) № МД-781 «Исследование и разработка методов, моделей и алгоритмов реализации комплексных интеллектуальных программно-технических систем» на кафедре ИСПИ ВлГУ по гранту Президента РФ для государственной поддержки научных исследований молодых российских ученых - докторов наук (договор № 16.120.11.5155-МД от 01.02.2012) в качестве ответственного исполнителя в рамках II этапа «Создание информационного обеспечения и изготовление опытных образцов мобильного устройства инерциальной и спутниковой навигации GLONASS / GPS»;

- ГБ НИР № Г-615 «Разработка программного прототипа бортового черного ящика автомобиля» по гранту молодым ученым по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Владимирской области по заказу Департамента образования администрации, в рамках данной НИР разработан программ-

ный модуль прототипа интегратора навигационного устройства для обработки показаний акселерометров и отображения траектории объекта.

Полученные научные и практические результаты в части архитектуры СМПО внедрены на производственном предприятии ООО «ЕвроПласт» (г. Владимир). Кроме того, результаты диссертации внедрены в инновационной компании ООО «Бизнес.РФ» (г. Владимир) при разработке семейства мобильных приложений Pedometer B.RF на основе алгоритма подсчета циклов перемещения рабочих органов механизмов циклического действия с применением инерциальных датчиков линейного ускорения мобильных устройств.

Разработанное информационно-алгоритмическое обеспечение также применено в учебном процессе кафедры ИСПИ ВлГУ в лабораторных и практических работах по дисциплинам «Основы разработки веб-приложений» и «Информационные сети» направления 230400 - «Информационные системы и технологии» подготовки магистров и бакалавров соответственно.

Апробация и реализация результатов исследования

Основные научные результаты доложены на IV, V и IX международных научно-технических конференциях (МНТК) «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования», г. Вологда, 2008 г, 2009 г. и 2013 г.; международной научной конференции (МНК) ММТТ-24 «Математические методы в технике и технологиях», г. Саратов, 2009 г.; I окружном инновационном конвенте, г. Дубна, ОИЯИ, 2009 г.; I Молодежной научно-практической школе «Информационный менеджмент социально-экономических и эргатических систем - 2010», г. Покров, 2010 г.; МНТК «Реинжиниринг технологических, организационных и управленческих процессов как основа модернизации экономики регионов», г. Кострома, 2010 г.; II Международной молодежной научно-практической школы «Информационный менеджмент социально-экономических и технических систем - 2011», г. Москва, 2011 г.; на межвузовских научно-практических конференциях ВЗФЭИ, г. Владимир, 2008 - 2011 гг.; МНК «Main problems of informatics and information education», Poland, Rzeszow», 2012 г.; I Международной научно-

практической конференции «Информационные технологии в промышленности, экономике и образовании - 2012 (ИТПЭО - 2012)», г. Владимир, 2012 г.; X международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (ЮТЕЬ8'2012), г. Москва, 2012 г.; Всероссийском конкурсе бизнес-планов «ПОКОЛЕНИЕ 2025», г. Москва, Экспоцентр, 2013 г.

Основные научные результаты, выносимые на защиту;

1. Концептуальная модель системы \¥ьР1-позиционирования объектов посредством мобильных устро