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

Владимир 2013

Работа выполнена на кафедре «Информационные системы и программ-

ная инженерия» (ИСПИ) Федерального государственного бюджетного обра-

зовательного учреждения высшего профессионального образования «Влади-

мирский государственный университет имени Александра Григорьевича

и Николая Григорьевича Столетовых» (ФГБОУ ВПО ВлГУ), г. Владимир.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

АЛЕКСАНДРОВ Дмитрий Владимиро-

вич, профессор кафедры инновацион-

ного предпринимательства ФГБОУ

ВПО «Московский государственный

технический университет им. Н.Э. Бау-

мана», г. Москва

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

АНДРИАНОВ Дмитрий Евгеньевич,

заведующий кафедрой «Информацион-

ные системы» Муромского института

(филиала) ВлГУ, г. Муром Владимир-

ской области

кандидат технических наук, доцент

КУЗНЕЦОВ Николай Александрович,

доцент кафедры физики ФГБОУ ВПО

«Ковровская государственная техноло-

гическая академия имени В.А. Дегтяре-

ва», 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 за-

седании диссертационного совета Д.212.025.01 при ВлГУ по адресу: г. Вла-

димир, 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.

1

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 местопо-

ложение объекта, которые имеют различные характеристики, наиболее значи-

мыми 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 беспровод-

ной связи, инерциальными и прочими датчиками, которые нашли свое примене-

ние 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 промышлен-

ных объектов сложной инфраструктуры.

Вопросам создания навигационных систем посвящены исследования уче-

ных 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 An-

drews). Серьезную теоретическую основу для развития инерциальной навигации

и интегрированных навигационных систем в области теории систем и управле-

ния 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. 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.

2

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ: целью диссертации является по-

вышение точности функционирования мобильных систем предоставления ин-

формационных сервисов по определению местоположения объектов.

Поставленная в работе цель достигнута за счет решения следующих за-

дач: 1. Анализ систем и технологий предоставления информационных серви-

сов по определению местоположения объектов с использованием со-

временных 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 ос-

нову, в целях выявления условий эффективного использования данных

алгоритмов.

3. Разработка архитектуры системы мониторинга перемещающихся объ-

ектов (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 навига-

ционную систему (БИНС) для их позиционирования по данным аксе-

лерометров и гироскопов на основе математических моделей и аппара-

тов направляющих косинусов и кватернионов.

5. Разработка алгоритмического обеспечения подсчета циклов перемеще-

ния рабочих органов механизмов циклического действия (складской

грузоподъемной техники и др.) на основе применения инерциальных

датчиков линейного ускорения (акселерометров).

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ: исследования, выполненные в диссерта-

ции, основаны на применении методов системного анализа, теории проектиро-

вания систем, объектно-ориентированного анализа и проектирования, теории

навигационных систем, прикладной физики, теории множеств, нечеткой логики,

теории цифровой обработки информации, а также методах имитационного мо-

делирования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Концептуальная модель системы Wi-Fi-позиционирования объектов по-

средством мобильных устройств, технология создания и применения та-

ких систем, особенностью которой является возможность использования

существующей инфраструктуры промышленного объекта, и метод повы-

шения точности Wi-Fi-позиционирования на основе применения базы

данных (БД) контрольных точек плана производственной площадки со

значениями уровня радиосигнала в этих точках, а также нечеткой логики.

3

2. Архитектура системы мониторинга перемещающихся объектов на произ-

водственной площадке промышленного предприятия, отличающаяся воз-

можностью применения различных беспроводных технологий позицио-

нирования объекта, и описывающее ее информационно-алгоритмическое

обеспечение, которое включает теоретико-множественную модель и алго-

ритмы базовых операций, реализующих основные функции системы.

3. Алгоритм подсчета циклов перемещения рабочего органа механизма цик-

лического действия, особенностью которого является определение поро-

говых 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, вклю-

чая действующее приложение для мобильного устройства на платформе

Android.

4. Разработана технология создания и применения систем Wi-Fi-

позиционирования объектов посредством мобильных устройств, возмож-

ность использования которой подтверждена результатами эксперимен-

тального исследования задействованных в разработанном программном

прототипе системы известных алгоритмов Wi-Fi-позиционирования в це-

лях определения условий их эффективного применения в зависимости от

количества и расположения точек доступа, скорости перемещения объек-

та, 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 пере-

мещающихся объектов.

6. Разработан прототип программно-аппаратного комплексного навигацион-

ного устройства наземного транспортного средства, включающего, в

частности, компоненты GPS (Global Positioning System) и GPRS (General

Packet Radio Service) и реализующего функции «черного ящика» и ви-

деорегистратора, 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 значи-

мость для территориально распределенных промышленных предприятий со

сложной инфраструктурой.

4

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 ком-

плексных 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 опыт-

ных образцов мобильного устройства инерциальной и спутниковой навигации

GLONASS / GPS»;

- ГБ НИР № Г-615 «Разработка программного прототипа бортового чер-

ного ящика автомобиля» по гранту молодым ученым по приоритетным направ-

лениям 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. Вла-

димир). Кроме того, результаты диссертации внедрены в инновационной ком-

пании 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 при-

менено в учебном процессе кафедры ИСПИ ВлГУ в лабораторных и практиче-

ских 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 машинострои-

тельного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и

оборудования», г. Вологда, 2008 г, 2009 г. и 2013 г.; международной научной конферен-

ции (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 реги-

онов», 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. Вла-

димир, 2008 – 2011 гг.; МНК «Main problems of informatics and information education»,

Poland, Rzeszow», 2012 г.; I Международной научно-практической конференции «Инфор-

мационные 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 «ПОКОЛЕ-

НИЕ 2025», г. Москва, Экспоцентр, 2013 г.

5

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 произ-

водственной площадки со значениями уровня радиосигнала в этих точ-

ках, а также аппарата нечеткой логики.

2. Архитектура системы мониторинга перемещающихся объектов на

производственной площадке промышленного предприятия, отличаю-

щаяся возможностью применения различных беспроводных техноло-

гий позиционирования объекта.

3. Информационно-алгоритмическое обеспечение системы мониторинга

перемещающихся объектов на производственной площадке промыш-

ленного предприятия, включающее теоретико-множественную модель

и основанные на ней алгоритмы базовых операций, реализующих ос-

новные 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 публика-

циях, 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 раз-

работанности. 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 результа-

тов.

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.

6

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

Инерциальная 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 си-

стемы связи

Высокая точность Сложность развертывания,

высокая стоимость

БИНС

GPS /

GLO-

NASS

GSM /

GPRSWi-Fi

Подсистема позиционирования объекта

Модуль

интеграции

с внешними

системами

Интерфейсы

Поиск

объекта

Сооб-

щения

Мони-

торинг

Статис-

тика….

Бизнесс-

логика БД

Запрос

информа-

ционной

услуги

Картогра-

фические

данные

Внешние

информа-

ционные

системы

Входные

данные

Средства

позиционирования

Сервисы

СМПО

СМПО

предприятий

….

Рисунок 1. Архитектура мобильных систем предоставления информационных сервисов

позиционирования объектов на производственной площадке промышленного предприятия

Для наиболее часто применяемых в мобильных устройствах инерциаль-

ных датчиков рассчитаны показатели погрешностей:

;

;

, град/с;

7

, м/с2,

где – поправочные коэффициенты, – значения постоянной по-

грешности гироскопа L3G4200D и акселерометра BMA150 соответственно.

Таким образом, истинное значение угловой скорости можно вычислить по

формуле:

, где – измеряемое датчиком значение. Аналогично

вычисляется истинное значение линейного ускорения объекта.

Проведены исследования на предмет возможности использования датчи-

ков мобильных устройств в задачах инерциальной навигации. При этом рас-

смотрены 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 устрой-

ством вдоль коридора таким образом,

что ось Y акселерометра совпадала с

осью Y локальной системы коорди-

нат. Запись показаний начиналась

до момента движения и заканчива-

лась после остановки. Реальная про-

тяженность пройденного пути со-

ставляла 65 м, а длина вычисленной

траектории – сотни метров. Результа-

ты эксперимента свидетельствуют о

низкой точности акселерометров и

датчиков угловых скоростей устрой-

Рисунок 2. Системы координат объекта

при проведении эксперимента

ства. Значительные погрешности при определении местоположения подвижного

объекта и вычислении его скорости также связаны с накоплением ошибок инте-

грирования и отсутствием системы коррекции.

Таким образом, сделан вывод о нецелесообразности применения данных

датчиков для создания БИНС на базе бытовых мобильных телефонов и планше-

тов.

Во второй главе «Исследование и развитие алгоритмов определения ме-

стоположения объектов с использованием технологии Wi-Fi» разработана си-

стема позиционирования объектов внутри помещений посредством мобильных

устройств. Архитектура разрабатываемой системы включает в себя: приложе-

ние, предназначенное для разработки планов зданий; сервер приложений для

предоставления доступа мобильных пользователей к данным разработанных

планов помещений; веб-приложение, обеспечивающее возможность пользова-

телей регистрировать новые здания, загружать планы помещений, а также гене-

рировать ссылки и QR-коды для доступа к этим планам; мобильное приложе-

ние, предназначенное для получения значений об уровнях сигналов текущих

Wi-Fi-точек доступа и вычисления координат объектов в зданиях. При кодиро-

вании объектов, размещаемых на планах помещений, определены три катего-

рии: стены, точки доступа Wi-Fi и прочие объекты. В закодированном виде дан-

ные объекты представляют собой следующие наборы данных (табл. 2).

8

Концептуальная модель системы Wi-Fi-позиционирования 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.

Рисунок 3. Концептуальная модель системы Wi-Fi-позиционирования объектов ПП

0

1

План ПП

Сигналы

Wi-Fi-

сетей

Местоположе-

ние объекта

на ПП

Результаты

позиционирования

объекта

QR-Код ПП

Получение ссылки на план

ПП

Отрисовка плана

ПП

Получение

данных Wi-Fi

сетейКонец работы

Вычисление

местоположения

объекта

Временный

файл плана

ПП

URI

ресурса ПП

Начало работы

системы

Загрузка плана

ПП

Продолжить позиционирование

Сервер БД

планов ПП

Рисунок. 4. Блок-схема обобщенного алгоритма работы

клиентского приложения для позиционирования объекта

9

Таблица 2. Формат кодирования данных планов помещений

Стены

X-координата Y-координата Z-координата Длина Ширина Наименование

Точки доступа Wi-Fi

X-координата Y-координата Z-координата Наименование сети

Прочие объекты

X-координата Y-координата Z-координата Длина Ширина Наименование

Работа алгоритма сводится к следующему. Пользователь сканирует

QR-код, размещенный на стенде внутри здания; система декодирует полу-

ченный код в веб-ссылку на соответствующий план; полученная ссылка со-

храняется во временном файле; приложение обращается к серверу приложе-

ний и по ссылке получает электронный план здания. Программа периодически

фиксирует уровень сигналов от доступных Wi-Fi-точек доступа; вычисляет ко-

ординаты движущегося объекта и отображает его местоположение на экране

мобильного устройства.

В главе приведен детальный анализ алгоритмов определения местополо-

жения объекта с помощью технологии Wi-Fi. Представлены результаты ряда

экспериментов по определению точности алгоритмов позиционирования по-

средством мобильных устройств. Графики, отражающие погрешности вычисле-

ния координат перемещающегося вдоль коридора объекта различными алго-

ритмами, приведены на рис. 5. Для сравнения точности алгоритмов определения

местоположения пользователя рассчитаны среднее отклонение и дисперсия, ко-

торые 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 ос-

нове применения БД контрольных точек плана ПП со значениями уровня радио-

сигнала 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 выбран-

ный алгоритм позиционирования, на основе координат точек доступа и уровней

их радиосигналов;

рассчитать расстояние от местоположения пользователя до точки доступа

с использованием аппарата нечеткой логики;

10

определить область возможного местоположения пользователя

O4 = (O2O3)O1, где O1 – физические препятствия, зона запрещенного дви-

жения; O2 – область местоположения движущегося объекта относительно точки

доступа; O3 – область возможного местоположения объекта, вычисленная алго-

ритмом позиционирования;

рассчитать координаты местоположения пользователя как средние коор-

динаты по осям X и Y крайних точек области O4:

,

соединяя координаты вычисленной точки с предыдущей, получить траек-

торию перемещения пользователя с мобильным устройством.

Рисунок. 5. Графики определения местоположения объекта

путем вычисления его координат по различным алгоритмам

Данные по уточнению результатов работы алгоритмов позиционирования

на основе Wi-Fi-технологии 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

11

Рисунок 6. Иллюстрация результатов работы алгоритма

повышения точности системы Wi-Fi- позиционирования объекта

После уточнения данных при помощи контрольных точек среднее откло-

нение удалось уменьшить до 3,24 м (≈ 7 %). Уточнение при помощи плана по-

мещения позволило снизить среднее отклонение еще до 2,8 м (≈ 13 %).

В третьей главе «Модели и алгоритмы мониторинга движущихся объек-

тов на производственной площадке промышленного предприятия» предложена

архитектура СМПО, отличающаяся возможностью применения различных бес-

проводных технологий позиционирования объекта (рис. 7).

Подсистема

наблюдения

за мобильными

объектами

Подсистема

управления

стационарными

объектами

Интерфейс СУБД

Инт

ерф

ейс

упра

влен

ия п

роду

кцио

нной

БЗ

Администратор

БД

Диспечтер

Эксперт

по знаниям

Мобильные

объекты

мониторинга

Стационарные

объекты

мониторинга

Подсистема

поддержки

принятия

решений

диспетчера

Модуль

прямого

логического

вывода

БЗ

СМПО

БД

СМПО Рисунок 7. Обобщенная архитектура системы мониторинга перемещающихся

объектов на производственной площадке промышленного предприятия

Структуру СМПО условно можно разделить на три уровня. Нижний уро-

вень включает в себя: мобильные устройства, выполняющие функцию иденти-

фикаторов для объектов, движущихся в пределах рассматриваемой транспорт-

ной инфраструктуры; считыватели, обеспечивающие идентификацию мобиль-

ных устройств в радиусе своего действия и чтение / запись данных; системы

контроллеров, реализующих функции хранения, обработки и передачи данных

12

на сервер, управление считывателями и физическими объектами системы, при-

нятие решений и т.д. Средний уровень системы представляет собой сервер,

осуществляющий функции хранения данных, опрос контроллеров и протоколи-

рование происходящих в системе событий. Верхний уровень представляет дис-

петчерские системы различных конфигураций, позволяющие осуществлять ви-

зуальный контроль и / или осуществлять видеонаблюдение за перемещающими-

ся объектами производственной инфраструктуры, генерировать отчеты, про-

сматривать 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 опе-

раций, реализующих основные функции системы, построенной по предложен-

ной архитектуре СМПО. Таблица 5. Сводная таблица множеств модели СМПО

Множество Описание

Система S = {OS, C

S, Dt, Uu, R

S, CIi, TSj, Ik, Doc | ,

, , , , }

Объект ОS = {Pb, Zх, D

O | , b = }

Сегмент объекта Z = {DZ}, Ef fE Zx (Stl, Km, Vn, Svo, Ipp, Shr, Ts, Pb, Doc ∈ Ef)

Сервер С = {DС}

Диспетчерская система D = {DD}, Dt Df Uu

Пользователь U = {DU}

Движущийся объект Do = {DDo

}

Элементы регулирования R = {Stl, Km, Vn, Svo, Ipp, Shr, Ts | , ,

, , , , }

Считыватель St = {DSt

}, Stl Stf Km

Контроллер K = {DK}

Видеокамера V = {DV} fV

Светофор Sv = {DSv

} fSv

Информационная панель Ip = {DIp

} fIp

Шлагбаум Sh = {DSh

} fSh

Терминал T = {DT} fT

Парковочное место P = {DP}, Pb fPb Ms

Местоположение MН = {Lq | }, Mw

Н fMw Ms

Уровень объекта L = {DL}

Маршрут Ms = {MwН ˅ Pb | , }

Клиент CI = {DCI

}, CIi fCl Doc

Транспортное средство TS = {DTS

}, TSj fTS CIi, TSj fTS Doc

Мобильное устройство I = {DI}, Ik fI CIi

Сообщение Sw = {Tе, DSw

}

Управляющий сигнал Ys={A, Iz, DYs

}

Мощность сигнала RSS = {Va, DRSS

}

Алгоритм позиционирования Alg = {DAlg

}

13

Экономическая эффективность СМПО обоснована с использованием сре-

ды имитационной моделирования AnyLogic (рис. 8).

Рисунок. 8. Графики пропускной способности ПП предприятия

Таблица 6. Основные операции СМПО

№ Операция Описание

1 processEntryQuery(Ik, Stl, Ts, Ipp): Pb, Msz,

Swv

Обработать запрос на вход

2 detectIC(Stl): Ik Фиксировать мобильное устройство

3 defineObjectCapacity(Km, ОS): DO

5 Определить загруженность объекта

4 sendControlSignal(Ysx, Ipp) Послать управляющий сигнал

5 getICRelatedData(Ik): CIi, TSj

Получить данные о клиенте, ТС, связан-

ных с мобильным устройством

6 sendMessage(Swv): Ik

sendMessage(Ik): Swv

Отослать сообщение на мобильное

устройство

Получить сообщение от мобильного

устройства

7 defineDestination(ОS, Doc): Pb Определить место назначения

8 defineRoute(ОS, Doc, Pb): Msz Определить маршрут движения

9 positionClient(ОS, Ik): M

Н Определить местоположение объекта

10 getClientRSSValues(St, Ik): RSSq Получить уровень сигнала точки доступа

мобильного устройства

11 calculateClientCoordinates({RSSql}, {DSt

5},

Alg): MН

Рассчитать координаты объекта

12 getCorrectDirection(ОS, Doc,Msz): DDo’1,

DDo’3

Рассчитать корректировку направления

движения объекта

13 monitorTrafficFlow(ОS, Doc, Msz) Контролировать движение объекта

14 processExitQuery(Ik, Stl, Ts): Swv 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 механиз-

мов циклического действия на основе применения инерциальных датчиков ли-

нейного ускорения (акселерометров) мобильных устройств, особенностью кото-

рого является определение пороговых значений линейного ускорения объекта и

границ временного интервала выполнения очередного рабочего цикла механиз-

ма.

14

Суть алгоритма заключается в подсчете числа локальных максимумов на

графике линейного ускорения (рис. 9) при выполнении условий: 1. значение

ускорения должно находиться в пределах от amin до amax; 2. период выполнения

одного рабочего цикла должен находиться в пределах от tmin до tmax.

Рисунок. 9. Фрагмент типового графика изменения ускорения подвижного

элемента механизма циклического действия в процессе работы

Переменные, используемые при реализации алгоритма: ax ay

az – показания

акселерометров; time – момент времени измерения; ai – модуль вектора ускоре-

ния в текущий момент времени; ai–1 – модуль вектора ускорения в предыдущий

момент времени; amin и amax – минимальный и максимальный пороги значения

ускорения при очередном рабочем цикле соответственно; peak – логическая пе-

ременная для фиксации возрастания значения ускорения; lastPeak – время по-

следнего локального максимума ускорения; SCounter – счетчик числа циклов.

Блок-схема алгоритма обработки данных акселерометров приведена на рис. 10.

Начало

peak := falseT := time – lastPeak

lastPeak := time

ai > amin

ai > amax

tmin< T <tmax

(ai < ai-1) & peak

SCounter ++

Получение данных акселерометра

peak := trueai-1 := 0

peak := ai => ai-1

ai-1 := ai

peak := falseai-1 := 9800

1

0

1

1Стоп

0

Конец

1 0

0

0

0

0

Рисунок 10. Блок-схема алгоритма обработки данных акселерометров

15

На основе данного алгоритма разработано программно-информационное

обеспечение расчета дистанции, пройденной человеком по данным акселеро-

метров мобильных устройств и действующее Android-приложение. На рис. 11.

приведен график изменения позиции перемещающегося объекта, полученный

по данным предложенного алгоритма.

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 транспортно-

го средства (уровня топлива, температуры двигателя и т.д.), GSM / GPRS мо-

дуль и видеорегистратор. Навигационное устройство размещается на борту ав-

томобиля и предназначено для отслеживания его местоположения. Структурная

схема комплексного навигационного устройства представлена на рис. 12. Дан-

ные датчиков непрерывно записываются в стек устройства в специальном фор-

мате, а в последующем, например после возникновении аварийной ситуации с

транспортным средством, доступны для анализа с целью определения ее при-

чин.

Рисунок 12. Комплексное навигационное устройство наземного

транспортного средства с реализацией функции «черного ящика»

16

В главе также описаны созданные программные прототипы БИНС, позво-

ляющие вычислять координаты объекта по реальным данным акселерометров и

гироскопов мобильных устройств на основе реализации математических моде-

лей направляющих косинусов и кватернионов.

Симулятор БИНС представляет собой средство передачи записанных за-

ранее 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 помо-

щью одного из приложений для протоколирования показаний датчиков телефо-

на. Они представлены двумя файлами формата *.csv. Один файл содержит пока-

зания акселерометров, другой – гироскопов. Каждое показание датчика пред-

ставлено в файле одной строкой, формат которой имеет вид: [системное время (нс)], [время с момента запуска, с],

[показание по оси X], [показание по оси Y], [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 ин-

формационных сервисов по определению местоположения объектов с исполь-

зованием 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 приме-

нения для решения задач инерциальной навигации.

2. Разработаны концептуальная модель системы Wi-Fi-позиционирования объек-

тов посредством мобильных устройств, технология создания и применения та-

ких систем, особенностью которой является возможность использования суще-

ствующей инфраструктуры промышленного объекта, и метод, позволивший

повысить точность Wi-Fi-позиционирования в среднем на 19 % за счет приме-

нения базы данных контрольных точек плана производственной площадки со

значениями уровня радиосигнала в этих точках, а также аппарата нечеткой ло-

гики.

3. Предложены архитектура системы мониторинга перемещающихся объектов на

производственной площадке промышленного предприятия, отличающаяся воз-

можностью применения различных беспроводных технологий позиционирова-

ния 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, осна-

щенного СМПО, в системе AnyLogic продемонстрировано повышение ее про-

пускной способности в 1,9 раза.

4. Разработан алгоритм подсчета циклов перемещения рабочих органов механиз-

мов циклического действия, особенностью которого является определение по-

роговых 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 ви-

деорегистратора, которое позволяет вычислять координаты объекта по данным

инерциальных датчиков на основе реализации математических моделей и аппа-

ратов направляющих косинусов и кватернионов.

IV. СПИСОК РАБОТ, В КОТОРЫХ ОПУБЛИКОВАНЫ

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях из перечня ВАК:

1. Салех, Х. М. Формальная нейроподобная модель системы мониторинга транспортного

потока / Х. М. Салех, Д. В. Александров, М. И. Жигалова // «Нейрокомпьютеры: раз-

работка, применение». – 2012. – № 7. – С. 41– 48 (лично автором – 34 %).

2. Салех, Х. М. Радиолокация с использованием Wi-Fi-точек доступа беспроводных се-

тей внутри помещений/ Х. 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, Х. М. Определение местоположения объектов с использованием инерционных

датчиков в мобильных устройствах / Х. М. Салех // «Нелинейный мир». – 2012. – № 9.

– С. 617 – 622. – ISSN 2070-0970 (лично автором – 100 %).

4. Салех, Х. М. Позиционирование технических объектов с помощью высокочувстви-

тельных датчиков перемещения / Х. М. Салех, Ю. В. Новожилов // Вестник Костром-

ского 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 ав-

тором – 50 %).

В прочих изданиях:

5. Салех, Х. М. Навигационные системы внутри помещений для мобильных устройств /

Х. М. Салех // Интеллектуальные системы. Труды Десятого международного симпо-

зиума. – М. : РУСАКИ, 2012. – С. 459 –461. – ISBN 978-5-93347-432-6 (лично автором

– 100 %).

6. Салех, Х. М. Разработка экспериментального образца комплексного навигационного

устройства / Салех Х. 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, Х. М. Модели и алгоритмы мониторинга транспортного потока / Х. М. Салех,

Д. В. Александров, М. И. Жигалова // Автоматизация и энергосбережение машино-

строительного 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, Х. М. Оценка погрешности датчиков в мобильных устройствах / Салех Х. М. //

Сборник материалов «Информационные технологии в промышленности, экономике и

образовании – 2012 (ИТПЭО – 2012)». – Владимир. – С. 66 – 70. – ISBN 978-5-8311-

0703 (лично автором – 100 %).

9. Салех, Х. М. Гибридная система навигации для повышения качества прогнозирования

и мониторинга подвижных объектов в пространстве / Салех Х. М. // Автоматизация и

энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, техноло-

гия и надежность машин, приборов и оборудования. Материалы четвертой МНТК.

Т.1. – Вологда : ВоГТУ, 2008. – С. 37 – 40 (лично автором – 100 %).

10. Салех, Х. М. К вопросу о классификации интеллектуальных информационных систем

/ Х. М. Салех, Д. В. Александров // Автоматизация и энергосбережение машинострои-

тельного и металлургического производств, технология и надежность машин, прибо-

ров и оборудования : Материалы восьмой МНТК. – Вологда : ВоГТУ, 2013. – С. 15 –

18. – ISBN 978-5-87851-480-4 (лично автором – 50 %).

11. Салех, Х. М. Применение микроэлектромеханических датчиков в задачах комплекс-

ной навигации / Салех Х. М. // Автоматизация и энергосбережение машино-

строительного и металлургического производств, технология и надежность машин,

приборов и оборудования // Материалы четвертой МНТК. Т.2. – Вологда : ВоГТУ,

2010. – C. 84 – 87 (лично автором – 100 %).

12. Салех, Х. М. Бесплатформенная инерциальная навигационная система на основе инте-

грирования кинематических уравнений Эйлера / Х. М. Салех, Д. В. Александров //

Информационный менеджмент социально-экономических и эргатических систем –

2010: Труды Молодежной научно-практической школы (г. Покров). – Владимир : Со-

бор, 2010. – С. 71 – 76 (лично автором – 50 %).

13. Салех, Х. М. Принципы построения бесплатформенной системы ориентации и нави-

гации / Салех Х. М. // Актуальные вопросы экономического развития (инвестицион-

ная привлекательность и инвестиционная направленность) материалы межвуз. науч.-

практ. конф., 28 апреля 2009 г., г. Владимир, филиал ВЗФЭИ в г. Владимире. – Вла-

димир, 2009. – С. 225 – 228. – ISBN 978-5-8311-0440-0 (лично автором – 100%).

14. Салех, Х. М. Обработка результатов эксперимента по определению траектории авто-

мобиля с использованием GPS-приемника и SUNSPOT / Салех Х. М. // Информацион-

ный менеджмент социально-экономических и технических систем – 2011 // сборник

материалов II международной молодежной научно-практической школы (г. Москва). –

Владимир: C. 144 – 146. – ISBN 978-5-8311-0616-9 (лично автором – 100 %) и др.

15. Салех, Х. М. Бюджетная гибридная навигационная система для наземных транспорт-

ных средств [электронный ресурс] / Салех Х. М.// Материалы научно-практической

конференции в рамках Дней науки студентов и аспирантов Владимирского государ-

ственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича

Столетовых. – Изд-во ВлГУ, 2012. – C. 122 – 123. – ISBN 978-5-9984-0254-8 (лично

автором – 100 %) режим доступа:

http://www.sci.vlsu.ru/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 in-

formation education. Poland, Rzeszow, 2012. – pp. 265 – 275. – ISSN 2080-9069 (лично

автором – 50 %).

Подписано в печать 20.08.2013.

Формат 60х84/16. Бумага для множит. техники. Гарнитура Таймс.

Печать офсетная. Тираж 120 экз. Заказ 508 – 2013 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета

в АНО «Типография на Нижегородской»

600020, Б. Нижегородская, 88-Д.