Создать PDF Рекомендовать Распечатать

Разработка подхода к принятию решения о создании многофункциональных датчиков с открытой архитектурой

Отраслевая экономика | (99) УЭкС, 5/2017 Прочитано: 789 раз
(0 Голосов:)
  • Автор (авторы):
    Титова Марина Николаевна
  • Дата публикации:
    13.05.17
  • ВУЗ ИЛИ ОРГАНИЗАЦИЯ:
    ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

Разработка подхода к принятию решения о создании многофункциональных датчиков с открытой архитектурой

Development of the approach to decision-making on creation of multifunctional sensors with an open architecture

Титова Марина Николаевна

Titova Marina Nikolaevna, 

магистрант, направление «Инноватика»

кафедра оптико-электронных приборов и систем,

ФГАОУ ВО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики»

  e-mail: smprof@yandex.ru

Аннотация

В статья рассматривается проблема принятия решения о создании многофункциональных датчиков для систем мониторинга. Синхронное измерение значений различных параметров контролируемых объектов является актуальным направлением современной техники. Даны базовые подходы к построению модели многокритериального обоснования решения об использовании многофункционального датчика с открытой архитектурой.  

Abstract

The problem of necessity of multifunctional sensors creation is under discussion. Simultaneous measurement of the values of various parameters of the controlled objects is actual direction of modern technics. The basic approach for multi-criteria justification decision on the use of a multifunctional sensor with an open architecture is given in the paper.

Ключевые слова: инновации, многофункциональный датчик, мониторинг, архитектурный подход, открытая архитектура

Keywords: innovation, multifunctional sensor, monitoring, architectural approach, open architecture

Введение

В процессе развития специализации, появления новых технологий происходит постоянное усложнение различных агрегатов, измерительных устройств, и вообще структур, созданных человеком. Тем не менее, уместно сказать и об обратном процессе, который неминуемо сопровождает прямой. Этот процесс заключается в унификации некоторых компонентов машин, приборов и прочих структур, которая преследует цели экономии имеющихся ресурсов, упрощения сложных механизмов. В свою очередь, современное информационное общество диктует новые правила сбора и обработки информации о множестве параметров и характеристик внешней среды, заключающиеся в потребности извлечения все большего объема данных. Для решения этой задачи нужно создавать новые измерительные средства или комбинировать существующие в единые блоки (многофункциональные датчики) и системы с целью роста эффективности производимых измерений за счет их синхронного характера. В первом приближении простая унификация может помочь в решении этой проблемы. Рассмотрим, этот вопрос подробнее. В качестве объекта выберем сферу мониторинга опасных природных явлений, инженерных конструкций и геотехнических систем, которая, несомненно, дает наиболее широкое представление о потенциале использования измерительных средств.

Основной раздел

Унификация представляет собой эффективный способ создания на базе исходной модели ряда производных структур одинакового назначения, но с различными показателями, или структур различного назначения, решающих качественно другие задачи. В рамках унификации выделают ряд взаимосвязанных методов: секционирование, метод базового агрегата, конвертирование, компаундирование, агрегирование, комплексная нормализация, унифицированные ряды и пр. Преимущественно, все эти методы применимы в машиностроении. Среди них особняком стоит метод базового агрегата, в основе которого лежит применение базового элемента, превращаемого в машины различного назначения присоединением к нему специального оборудования. Этот метод имеет наибольшее применение в строительстве дорожных машин, самоходных кранов, погрузчиков, укладчиков, сельскохозяйственных машин и пр. Базовым агрегатом в данном случае обычно является тракторное или автомобильное шасси, выпускаемое серийно. Монтируя на шасси дополнительное оборудование, можно получать машины различного назначения. Присоединение специального оборудования требует разработки дополнительных механизмов и агрегатов (коробок отбора мощности, подъемных я поворотных механизмов, лебедок, реверсов, фрикционов, тормозов, механизмов управления, кабин) которые, в свою очередь, можно в значительной мере унифицировать.

Этот принцип, разумеется, применим в самых различных отраслях промышленности, в том числе и в приборостроении, однако, он делает акцент именно на структуру машины, прибора и прочих объектов, а не на внутреннее взаимодействие элементов структуры, их свойства и взаимосвязь с внешним миром.

Подход, в рамках которого представляется возможным учесть эти сложные явления пришел из области проектирования программного обеспечения и уже широко распространился на различные сферы деятельности организаций – архитектурный подход. Архитектура системы определяется, как фундаментальная организация системы, реализованная в ее компонентах, их взаимоотношениях друг с другом и средой и принципах, определяющих её конструкцию. Термин "Система" в этом определении используется в наиболее общем случае: "набор компонентов, образованный для выполнения специализированных функций или набора функций" [1].

Основные требования к системе определяют факторы, влияющие на архитектуру, которая, таким образом, логически расположена между полным анализом проекта и физическим проектированием и реализацией.Кроме удовлетворения требованиям анализа предметной области архитектура должна позволять реализовывать такие свойства системы как расширяемость, гибкость, настраиваемость и интероперабельность [2,3]. Интероперабельность (англ. interoperability способность к взаимодействию) — способность к взаимодействию двух и более систем или компонентов для обмена информацией и использованию этой информации.

Таким образом, можно сформулировать основные признаки, присущие архитектуре в сравнении с традиционным подходом к унификации (табл.1.)

Таблица 1.

Принципиальные отличия унификации в рамках метода базового агрегата и единой архитектуры системы

 

 Важным обобщающим свойством архитектуры является способность удовлетворять требованиям будущих проектов: архитектура должна содержать набор компонентов и пакетов, пригодных для повторного использования в дальнейшем в других проектах [2,3]. Применительно, к рассматриваемой проблеме архитектура многофункционального датчика для целей мониторинга должна обеспечивать возможность свободного комбинирования датчиков в рамках единого блока в зависимости от конкретных сфер применения, к которым относятся:

· камнепады;

· гидрометеорология;

· охрана периметров;

· инженерные конструкции зданий и сооружений.

Открытый перечень контролируемых параметров (явлений внешней среды) может быть следующим:

1.Температура

2.Влажность

3.Освещенность

4.Наклон

5.Вибрация

6.Звук

7.Видео

8.Удар

9.Перемещение

10.Обрыв

11.  Движение

12. Натяжение троса

13. Позиционирование

и т.д….

В условиях технической миниатюризации компонентов становится возможным гибкое управление количеством датчиков в рамках единого многофункционального датчика.

Взаимодействие компонентов многофункционального датчика, отражающее понятия конкретной предметной области делает сам прибор физической моделью данной предметной области [3]. Проиллюстрируем это на примере. Многофункциональный датчик, установленный в зоне угрозы возникновения камнепада, считывает показатели от механического давления, которые первоначально обрабатываются микроконтроллером. В момент удара датчик обрыва посылает первоначальный сигнал тревоги, которые поступает на видеодатчик для немедленного включения и начала съемки. Датчик удара снимет силу воздействия на МФД в целом, а датчик положения показывает отклонение от исходного позиционирования. Затем сигнал поступает в микроконтроллер и, после первоначальной обработки и вычислений, по беспроводной связи с помощью радиотрансивера он передается в удаленный ситуационный центр. Информация также может переходить от датчика к датчику за счет ретрансляции данных [4].

Данный пример иллюстрирует потенциальные возможности отдельных приборов – многофункциональных датчиков.

Те же самые функции могут быть выполнены и многофункциональными комплексами для мониторинга, в которых присутствуют либо только датчики отдельных параметров, либо датчики отдельных параметров используются на нижнем уровне наряду с многофункциональными [5]. Такой комплекс должен иметь централизованно-распределенную архитектуру, представленную в виде трех уровней иерархии (рис.1).

Рисунок 1. Уровни иерархии многофункциональных комплексов для систем мониторинга

Одним из наиболее очевидных сфер возможного использования открытой архитектуры многофункциональных датчиков или их комплексов в РФ являются структурированные системы мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений (СМИС). СМИС – это построенная на базе программно-технических средств система, предназначенная для осуществления мониторинга технологических процессов и процессов обеспечения функционирования оборудования непосредственно на потенциально - опасных объектах, в зданиях и сооружениях и передачи информации об их состоянии по каналам связи в дежурно-диспетчерские службы этих объектов для последующей обработки с целью оценки, предупреждения и ликвидации последствий дестабилизирующих факторов в реальном времени, а также для передачи информации о прогнозе и факте возникновения ЧС, в т.ч. вызванных террористическими актами. При этом в разделе ГОСТ Р 22.1.12 – 2005 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования», регламентирующем создание и функционирование СМИС в п 5.1 «Требования к структуре и функционированию»: «СМИС должна иметь открытую архитектуру, допускать последующее расширение, как по числу объектов автоматизации, так и по числу функций, а также быть готовой к интеграции с другими системами мониторинга и управления» [6].

Вне зависимости от того, рассматриваем ли мы группы многофункциональных датчиков или комплексы подобных измерительных устройств, первоочередной задачей является само решение о необходимости их создания и начала массового производства [7]. 

Вначале следует задаться вопросом о том, уместно ли говорить в каждом конкретном случае об универсальной архитектуре, являющейся той самой системой, на базе которой происходит создание конкретных комбинаций отдельных датчиков для решения определенных прикладных задач. Если же необходимые и достаточные условия не выполнены, то нет смысла в обособлении такой универсальной архитектуры.

Определим основные критерии для принятия решения об использовании универсальной архитектуры, как базового принципа для создания многофункциональных датчиков (в частности в различных системах мониторинга), или, другими словами, потенциал использования принципа единой архитектуры как базы для инновационных проектов [7]. Для проведения такого анализа:

1. по-первых, нужно представить рассматриваемую модель в виде отдельных компонентов (например, графически);

2. во-вторых, определить необходимое условие наличия универсальной архитектуры системы – «уровень интероперабельности» в рамках потенциальной архитектуры. Свойство интероперабельности архитектуры позволяет создавать новые качества в рамках базового набора компонентов системы. Этот показатель можно определить, как долю числа логически обоснованных коммуникационных каналов между отдельными компонентами в общем потенциальном числе таких связей между n  компонентов [8]:

,  (1)

где Li – упрощенный показатель интероперабельности;

m – число логически обоснованных коммуникационных каналов между выделенными компонентами системы;

 - общее потенциальное число связей между n компонентами, выраженное числом размещений из n на 2.

Логическое обоснование целесообразности коммуникации между компонентами системы можно определить только эмпирическим путем. На рисунке 2 показана схема возможного обмена информацией между компонентами многофункционального датчика из примера, приведенного выше.

 

 

Рисунок 2. Схема обмена информацией между узлами многофункционального датчика и с элементами внешней среды

В представленной схеме срабатывание каждого функционального датчика приводит к активации видеодатчика. В свою очередь. При необходимости каждый функциональный датчик может активировать другие датчики. В данном случае предложенный показатель интероперабельности Li=9/12=0,75.

Целевое значение данного показателя может быть назначено на основе экспертной оценки в каждом конкретном случае.

Такое взаимодействие и информационный обмен между подсистемами в действительности может происходить и на уровне элементов датчиков, и на более высоких уровнях архитектуры комплексов мониторинга.

Такой последовательный и/или параллельный опрос датчиков в рамках многофункционально датчика обеспечивает большую надежность системы мониторинга в целом.

Пунктирными стрелками на рисунке отражено свойство открытости архитектуры системы. Таким образом, рассматриваемый фрагмент связей может быть частью какой-то гораздо более сложной многоуровневой системы.

3. в-третьих, должно выполняться достаточное условие наличия универсальной архитектуры. Достаточность заключается в присутствии экономической эффективности в создании приборов с универсальной архитектурой [9].

Создаваемый комплекс содержит в себе три вида потенциальных положительных экономических эффектов в долгосрочной перспективе:

· экономии на себестоимости разработки за счет наличия повторяющихся компонентов конструкции, программного обеспечения;

· экономии на себестоимости производства;

· экономии на себестоимости эксплуатации за счет наличия единых пользовательских характеристик, сервисного обслуживания, совместимость и т.д.

Поскольку характер затрат на создание, внедрение и эксплуатацию многофункционального датчика или комплекса носит инвестиционный характер, целесообразно использовать классические подходы к оценке окупаемости инвестиций [10,11]. Так, совокупный эффект в долгосрочной перспективе можно определить с помощью критерия NPV>0:

, где(2)

t – число периодов времени (например, лет), в течение которого планируется возместить общие понесенные затраты на создание многофункционального датчика; t меняется от 0 до n;

IC – первоначальные инвестиции (в момент времени t=0) в создание многофункционального датчика (НИР, ОКР, создание первого серийного образца и пр.);

Э1,  Э2 – конкретные положительные эффекты (экономии), возникающие в результате низкой себестоимости производства и эксплуатации  многофункционального датчика, соответственно. При этом экономия на низкой себестоимости разработки уже учтена в сниженной величине IC.

r – ставка дисконтирования, принятая для расчетов.

В рамках общего подхода к принятию решения об использовании или неиспользовании многофункциональных датчиков с открытой универсальной архитектурой следует исходить из методов обоснования решений по нескольким показателям, таких, как вероятность достижения цели Pдц  по двум условиям: необходимому и достаточному [12]:

   (3)

Таким образом, комплексная математическая модель оценки целесообразности принятия решения об использовании или неиспользовании универсальной архитектуры на входе будет иметь ряд условий, а на выходе – значение, сравниваемое с эталонным или подлежащее максимизации.

Заключение

 

Измерительные приборы совместно с автоматическими управляющими и исполнительными устройствами образуют техническую базу автоматизированных систем управления технологическими процессами. Процесс совершенствования измерительных приборов, а также измерительных комплексов является резервом роста числа не только технологических, но и организационных инноваций.

Одним из стимулов к развитию инновационных процессов в российской экономке может стать использование принципа универсальной архитектуры систем. Подобный подход уже нашел свое отражения в системах мониторинга инженерных конструкций и сооружений.

Библиографический список

 

1.Cтандарт IEEE 1471: ANSI / IEEE 1471—2000 // Архитектура программного обеспечения.

2.Денисов В. М., Радилов А. В. Разработка принципов функциональной организации группы полевых геофизических приборов нового поколения // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2013, – № 6. – С. 98-105.

3. Денисов В.М., Радилов А.В. Флагман гамма - новый пешеходный радиометр для измерения уровня и спектрального состава гамма-излучения  // Геофизический вестник. 2012. № 11-12. С. 9.

4. Титов А.Б.  Новый подход к классификации инновационных проектов/ В сборнике: Вопросы и проблемы экономики и менеджмента в современном мире. 2015. с. 213-216.

5.Nekrylov I.S., Korotaev V.V., Kleshchenok M.A., Denisov V.M. Modern approaches for a design and development of optoelectronic measuring systems // В сборнике: Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering 4. Сер. "Optical Modelling and Design IV" 2016. С. 988920.

6.ГОСТ Р 22.1.12-2005 Национальный стандарт РФ "Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений. Общие требования"(утв. приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 марта 2005 г. N 65-ст)

7. Титов А.Б. Совершенствование инновационной инфраструктуры на уровне диверсифицированного холдинга: проектный подход. Диссертация на соискание уч. степ. канд. экон. наук / СПбПУ Петра Великого. СПб., 2015.

8. Титов А. Б. Использование экономико-математических моделей для планирования хозяйственной деятельности проектно-ориентированных холдингов // Проблемы экономики, организации и управления в России и мире: Материалы V международной научно-практической конференции (23 апреля 2014 года). – Отв. редактор Уварина Н.В. – Прага, Чешская республика: Изд-во WORLD PRESS s r.o., 2014. – С. 320-326

9. Титов А.Б. Теоретические аспекты интеграции проектно-ориентированного промышленного холдинга в систему рыночных отношений // Экономика и управление. – 2012, № 12 (86). - С. 142-145.

10. Богатырева С. В., Куприянова М. Ю. Инвестиционная активность бизнеса Санкт-Петербурга: настоящее и будущее/ В сборнике докладов региональной научно-практической конференции Социально-экономические факторы эффективного управления и развития. 2015. С. 101-105

11. Сулоева С. В. Иностранные инвестиции: совершенствование привлечения в экономику региона (на примере Приморского края)/диссертация на соискание ученой степени кандидата экономических наук / Дальневосточная государственная академия экономики и управления. Владивосток, 2000

12. Методологические основы внешнего проектирования целенаправленных процессов и целеустремлённых систем. Г.Б. Петухов, В.И. Якунин — М.: АСТ, 2006. — 504 с.

 

  vakperechen

ОБНОВЛЕННЫЙ СПИСОК ВАК 2016 г.
ОТ 19.04.2016  >> ПРОСМОТРЕТЬ
tass
 
ПО ВОПРОСАМ ПУБЛИКАЦИИ СТАТЕЙ И СОТРУДНИЧЕСТВА ОБРАЩАЙТЕСЬ:
skype SKYPE: vak-uecs
e-mail
MAIL: info@uecs.ru
phone
+7 (928) 340 99 00
 

АРХИВ НОМЕРОВ

(01) УЭкС, 1/2005
(02) УЭкС, 2/2005
(03) УЭкС, 3/2005
(04) УЭкС, 4/2005
(05) УЭкС, 1/2006
(06) УЭкС, 2/2006
(07) УЭкС, 3/2006
(08) УЭкС, 4/2006
(09) УЭкС, 1/2007
(10) УЭкС, 2/2007
(11) УЭкС, 3/2007
(12) УЭкС, 4/2007
(13) УЭкС, 1/2008
(14) УЭкС, 2/2008
(15) УЭкС, 3/2008
(16) УЭкС, 4/2008
(17) УЭкС, 1/2009
(18) УЭкС, 2/2009
(19) УЭкС, 3/2009
(20) УЭкС, 4/2009
(21) УЭкС, 1/2010
(22) УЭкС, 2/2010
(23) УЭкС, 3/2010
(24) УЭкС, 4/2010
(25) УЭкС, 1/2011
(26) УЭкС, 2/2011
(27) УЭкС, 3/2011
(28) УЭкС, 4/2011
(29) УЭкС, 5/2011
(30) УЭкС, 6/2011
(31) УЭкС, 7/2011
(32) УЭкС, 8/2011
(33) УЭкС, 9/2011
(34) УЭкС, 10/2011
(35) УЭкС, 11/2011
(36) УЭкС, 12/2011
(37) УЭкС, 1/2012
(38) УЭкС, 2/2012
(39) УЭкС, 3/2012
(40) УЭкС, 4/2012
(41) УЭкС, 5/2012
(42) УЭкС, 6/2012
(43) УЭкС, 7/2012
(44) УЭкС, 8/2012
(45) УЭкС, 9/2012
(46) УЭкС, 10/2012
(47) УЭкС, 11/2012
(48) УЭкС, 12/2012
(49) УЭкС, 1/2013
(50) УЭкС, 2/2013
(51) УЭкС, 3/2013
(52) УЭкС, 4/2013
(53) УЭкС, 5/2013
(54) УЭкС, 6/2013
(55) УЭкС, 7/2013
(56) УЭкС, 8/2013
(57) УЭкС, 9/2013
(58) УЭкС, 10/2013
(59) УЭкС, 11/2013
(60) УЭкС, 12/2013
(61) УЭкС, 1/2014
(62) УЭкС, 2/2014
(63) УЭкС, 3/2014
(64) УЭкС, 4/2014
(65) УЭкС, 5/2014
(66) УЭкС, 6/2014
(67) УЭкС, 7/2014
(68) УЭкС, 8/2014
(69) УЭкС, 9/2014
(70) УЭкС, 10/2014
(71) УЭкС, 11/2014
(72) УЭкС, 12/2014
(73) УЭкС, 1/2015
(74) УЭкС, 2/2015
(75) УЭкС, 3/2015
(76) УЭкС, 4/2015
(77) УЭкС, 5/2015
(78) УЭкС, 6/2015
(79) УЭкС, 7/2015
(80) УЭкС, 8/2015
(81) УЭкС, 9/2015
(82) УЭкС, 10/2015
(83) УЭкС, 11/2015
(84) УЭкС, 11(2)/2015
(85) УЭкС,3/2016
(86) УЭкС, 4/2016
(87) УЭкС, 5/2016
(88) УЭкС, 6/2016
(89) УЭкС, 7/2016
(90) УЭкС, 8/2016
(91) УЭкС, 9/2016
(92) УЭкС, 10/2016
(93) УЭкС, 11/2016
(94) УЭкС, 12/2016
(95) УЭкС, 1/2017
(96) УЭкС, 2/2017
(97) УЭкС, 3/2017
(98) УЭкС, 4/2017
(99) УЭкС, 5/2017
(100) УЭкС, 6/2017
(101) УЭкС, 7/2017

 Федеральная служба по надзору в сфере связи и массовых коммуникаций

№ регистрации СМИ ЭЛ №ФС77-35217 от 06.02.2009 г.       ISSN: 1999-4516