Меженная Ю.Е., Васильев С.В.

Национальный горный университет, Украина

Использование GPS-технологий в системах мониторинга сельскохозяйственной техники

Украинский рынок информационных систем, использующих в своей работе глобальную систему позиционирования GPS, стремительно растет. Большинство из этих систем предназначены для отслеживания траектории движения и местоположения автотранспорта и железнодорожных вагонов, однако применение GPS не ограничивается только этими задачами.

С помощью GPS можно решать достаточно сложные задачи, такие как мониторинг и прогнозирование состояния сложных объектов, построение систем телемеханики, телеметрии и т.п.

Построение более сложных систем подразумевает решение целого ряда технических проблем, связанных с количеством и характером передаваемой информации, точностью GPS-приемников и другими. Зачастую приходится учитывать влияние человеческого фактора при эксплуатации таких информационных систем, так как они в своем большинстве представляют собой расширенные системы контроля, а наличие такого контроля не всегда приветствуется контролируемыми.

Одна из таких сложных информационных систем - мониторинг состояния сельскохозяйственной техники. Такой мониторинг дает возможность сервисным предприятиям собирать статистические данные об эксплуатации запасных частей различных производителей на разных типах машин, прогнозировать состояние узлов и агрегатов сельхозтехники и, таким образом, оптимизировать поставки запасных частей. Кроме того, система мониторинга может быть снабжена датчиками расхода посевного материала, удобрений и т.п.

На сегодняшний день такими информационными системами снабжены довольно дорогие образцы сельскохозяйственной техники, например сельхозмашины компании JOHN DEERE. Эта компания имеет в своем составе филиал, занимающийся разработкой информационных систем мониторинга и анализа с использованием технологий GPS. Однако на украинском рынке довольно широкое распространение получила техника китайских и российских производителей, которая не снабжена такого рода системами. Фактически рынок информационных систем для сельского хозяйства еще не сформирован. Таким образом, разработка информационных систем мониторинга сельхозтехники представляется актуальной задачей.

Рассмотрим проблемы, возникающие при построении информационной системы, собирающей статистические данные об эксплуатации узлов и агрегатов сельхозтехники. Фактически технические проблемы разделяются на три класса: проблемы точности определения координат, проблемы передачи и обработки информации и проблемы борьбы с противодействием контролю.

Проблемы точности определения координат являются ключевыми, так как от их решения зависит точность оценки и прогноза. Известно, что сам по себе стандарт GPS обеспечивает относительно невысокую точность (средняя точность современных гражданских GPS-приемников составляет 15м, погрешность определения скорости может достигать 100 км/час). Однако даже такая точность может оказаться вполне достаточной для решения задач оценки расхода топлива и износа запчастей при условии того, что техника будет перемещаться по равнинной местности. Вместе с тем, опрос датчиков, сигнализирующих состояние узлов сельхозмашины, сопряжено с трудностями. Как правило техника снабженная датчиками, способными информировать о состоянии узлов и агрегатов, оборудована бортовым компьютером. Получение информации от бортового компьютера, в том числе и данных от GPS приемника представляет собой проблему так как протокол обмена данными внутри системы обслуживающей сельхозмашину либо закрыт, либо плохо документирован.

Если удается решить проблему получением информации от датчиков и GPS приемника, то возникает следующая проблема: каким образом передавать требуемую информацию на сервер обработки данных и как оптимизировать поток данных. Дело в том что сельхозтехника работает вдалеке от базовых станций операторов мобильной связи, зачастую попадая в мертвую зону. Кроме того техника может пребывать в мертвой зоне продолжительное время, поэтому регистратор должен быть сконструирован таким образом, чтобы учесть эту особенность.

Следующая проблема возникает на сервере обработки данных: если система обслуживает довольно большое количество единиц техники, собирая подробную информацию о множестве узлов, то такая система накладывает повышенные требования на аппаратные возможности сервера, канал связи и протокол обмена между сервером и установленными на сельхозмашине регистраторами.

И последняя проблема, которую необходимо решить для построения системы, это достоверность прогноза. Не секрет, что человеческий фактор зачастую мешает функционированию даже самых сложных и совершенных систем. Люди, эксплуатирующие сельхозтехнику могут оказаться не заинтересованы в возможности удаленного контроля за их действиями, и могут противодействовать им. На сегодняшний день существует несколько методов противодействия. Наиболее часто контролируемые прибегают к экранированию GPS-приемников, а также генераторам ложных GPS-сигналов.

Для решения вышеизложенных проблем, предлагается проектировать информационные системы для мониторинга сельхоз техники, принимая во внимание следующие соображения:

1. При проектировании регистраторов на сельхозмашинах необходимо использовать GPS-приемники, способные получать дифференциальные поправки. Протокол DGPS способен повысить точность измерений координат на порядок. В указанных выше системах навигации на сельхозмашинах JOHN DEERE погрешность определения координат составляет от 12 до 38 см. Использование DGPS также даст возможность эксплуатировать GPS-регистратор в качестве навигатора для систем параллельного вождения или систем автопилотирования сельхозтехники. В этом случае регистратор должен быть снабжен средствами фиксации технологической колеи и остановок сельхозмашины. Однако при расчете эксплуатационных расходов необходимо учесть, что получение дифференциальных поправок от различных источников может оказаться платным.

2. Регистратор должен обладать достаточно развитыми средствами обработки сигналов с внешних устройств. Проще всего добиться этой цели, используя контроллеры с интегрированными операционными системами, например Linux или Symbian. Использование такой операционной системы облегчит также подключение внешних FLASH-накопителей произвольной емкости, так как эти операционные системы имеют поддержку файловых систем интегрированную в ядро.

3. Для обеспечения возможности оперативной отправки данных регистратор должен быть снабжен не одним устройством передачи, а, как минимум двумя. В идеальном случае эти средства передачи должны быть разного типа, например GPRS-модем и спутниковый трансивер. Однако в реальности использование спутниковых технологий оказывается достаточно дорогим. Поэтому целесообразно снабжать GPS-регистраторы минимум двумя GPRS-модемами. Это позволит использовать каналы минимум двух операторов мобильной связи, что сделает систему более устойчивой.

4. Чаще всего, в системах мониторинга в качестве средства передачи координат и показаний датчиков используется сервис коротких текстовых сообщений SMS. В таком случае информация передается в открытом виде по мере ее поступления с датчиков. Однако в некоторых случаях это нецелесообразно. Во-первых, такая логика работы системы создает неоправданно высокую нагрузку на сервер статистики. Во-вторых, время доставки SMS негарантированно. Целесообразно проектировать протокол передачи таким образом, чтобы исключить возможность искажения передаваемых данных, а также обеспечить их своевременную передачу. При этом следует учесть, что в диспетчерской системе можно сократить количество сеансов связи и в течение одного сеанса передавать большее количество данных. Для этого целесообразно использовать методы компрессии, доступные операционной системе контроллера, на базе которого собран регистратор, а также использовать в качестве транспорта протокол TCP.

5. Сервер статистики целесообразно спроектировать как многопоточное приложение с количеством потоков обработки равных количеству регистраторов, функционирующих в системе. Такая архитектура позволит оптимизировать нагрузку на аппаратные ресурсы сервера.

6. Важной частью программных средств разрабатываемой информационной системы являются средства визуализации. При их разработке следует учесть, что использование растровых карт сильно затрудняет использование клиентского приложения информационной системы на компьютерах с небольшим объемом оперативной памяти, а также через Web. Также следует принять во внимание, что карты широкого пользования такие как Google maps, Yandex maps и другие, могут оказаться неактуальными, так как спутник не слишком часто их обновляет. Поэтому имеет смысл опереться в своей работы на векторные карты производителей промышленных картографических систем.

7. Четких рецептов борьбы с противодействием мониторингу нет. Однако это не означает, что ничего нельзя сделать. Важно понимать, что регистратор должен быть снабжен накопителем достаточной емкости и должен уметь реагировать на изменение уровней сигналов видимых спутников навигации.

Предложенные в настоящей статье рекомендации дадут возможность создать высокопроизводительную информационную систему мониторинга состояния сельскохозяйственной техники.

Использованная литература:

1. «Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС» Яценков В. С., 2005 год, 271 стр.

2. «Системы спутниковой навигации» Ю.А. Соловьев, 2000 год

3. «Ориентация и навигация подвижных объектов» Б. С. Алёшин К. К. Веремеенко, А. И. Черноморский, 2006 год, 424 стр.