Объектовая коммуникационно-информационная система и способ её проектирования

Изобретение относится к области электрорадиотехники и вычислительной техники. Техническим результатом является создание объектовой коммуникационно-информационной системы (ОКИС), обладающей расширенными функциональными возможностями, служащей для повышения безопасности функционирования объектов повышенной опасности. Технический результат достигается тем, что в заявленном решении предусмотрена цифровая коммутационная сеть, состоящая из магистральных коммутаторов цифровой сети, соединенных между собой многократно дублированными каналами, к выходам которых подключают входы абонентских коммутаторов, к выходам которых подключают абонентское оборудование, при этом к цифровой коммутационной сети подключены интеллектуальные датчики параметров окружающей среды, объединенные в искусственную нейросеть объекта, оборудование внутриобъектовой связи и трансляции, базовые широкополосные приёмо-передающие модули системы позиционирования, стационарные IP-видеокамеры с системой распознавания лиц, блок распределения информации, блок документирования информации, блок обработки данных на основе искусственного интеллекта, интерфейсный модуль сопряжения с объектовыми системами, мобильные датчики системы позиционирования и автоматизированное рабочее место ОКИС. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электрорадиотехники и вычислительной техники, а именно к технике передачи аналоговой и цифровой информации на основе распределенной цифровой коммуникационной сети с элементами искусственной нейронной сети и искусственного интеллекта и может быть использовано для организации внутриобъектовой громкоговорящей диспетчерской связи и командной трансляции, телефонной связи, видео связи и видеонаблюдения, мониторинга в реальном масштабе времени состояния технических средств объекта, местоположения и физического состояния персонала объекта, автоматизированного сбора, обработки и хранения данных мониторинга, выработки рекомендаций диспетчерскому составу по прогнозированию и локализации возможных экстремальных ситуаций и способах их устранения на стационарных и подвижных объектах повышенной опасности, в том числе на объектах наземного и морского базирования.

Известна распределенная информационно-управляющая система, выполненная на основе интеллектуальных датчиков (патент РФ на полезную модель № 89257, приоритет 14.09.2009, опубл. 27.11.2009, кл. МПК G06F 15/00, G05B 13/00).

Известная система предназначена для создания систем управления техническими и технологическими объектами, к которым предъявляются повышенные требования по отказоустойчивости, точности и оперативности контроля, а также по массогабаритным и энергетическим характеристикам.

Система представляет собой коммуникационную распределенную сеть, к которой подключены мультисенсорные интеллектуальные датчики и терминал оператора. Система обеспечивает повышение отказоустойчивости системы управления технологическим оборудованием за счет распределения функции управления и обработки между множеством мультисенсорных интеллектуальных датчиков, объединенных в распределенную сеть.

Недостатком данной системы является ограниченная функцией управления технологическим оборудованием область применения.

Известна информационно-управляющая система комплексного контроля безопасности опасного производственного объекта (патент РФ на изобретение № 2536351, приоритет 02.07.2013, опубл. 20.12.2014, кл. МПК G06F 17/00, G08B 23/00, G01W 1/00).

Известная система предназначена для создания эффективной системы контроля безопасности объекта и расширения арсенала систем контроля безопасности объектов. Информационно-управляющая система комплексного контроля безопасности опасного производственного объекта содержит средства получения натурных данных технологического процесса и экологической обстановки участков опасного производственного объекта во времени и обеспечивает повышение надежности и расширение функциональных возможностей интегрированной системы мониторинга для предупреждения возможного возникновения нештатной (аварийной) ситуации при принятии превентивных мер, на основе оценки отклонений технологических, экологических параметров от установленных значений и сроков соблюдения регламентов обслуживания оборудования.

Недостатком данной системы является то, что ее функционал ограничен только аппаратным контролем безопасности объекта без учета местонахождения и действий персонала.

Известен комплекс информационного взаимодействия (патент РФ на полезную модель № 160257, приоритет 11.11.2015, опубл. 10.03.2016, кл. МПК G06F 7/76, G05B 19/00).

Известный комплекс предназначен для обеспечения информационного взаимодействия между объектами, входящими в системы управления различных организационных систем. Он содержит модуль анализа данных, модуль преобразования данных об информации, модуль преобразования данных о назначении информации, модуль кодирования данных, модуль шифрования данных, информационный вход и выход, объектовые выходы и входы, сетевой выход и вход, вход и выход настройки, вход электропитания.

Недостатком данного комплекса является то, что он обеспечивает только информационное взаимодействие между объектами.

Известен центр управления организационной системы (патент РФ на полезную модель № 127493, приоритет 16.08.2012, опубл. 27.04.2013, кл. МПК G05В 19/00), содержащий, по меньшей мере, аналитический центр, центр объективного контроля, К средств контроля, размещенных в К объектах наблюдения в контролируемом пространстве и/или размещенных с возможностью удаленного наблюдения над объектами наблюдения, представляющих собой таких субъектов, материальных и нематериальных объектов организационной системы и внешней среды, которые влияют на состояние деятельности организационной системы, средства двухсторонней проводной и/или беспроводной связи. Данное техническое решение предназначено для создания нового и улучшенного центра управления организационной системы, способного сократить сроки разрешения сложных проблемных ситуаций.

Недостатками данного технического решения является то, что при выработке рекомендаций по устранению возникающих проблемных вопросов не учитывается расположение и состояние обслуживающего персонала, выработка рекомендаций осуществляется только на основе действующих инструкций и руководств, система не обеспечивает внутриобъектовую связь, а только межобъектовую.

Известна система безопасности обитаемых объектов и способ её осуществления (патент РФ на изобретение № 2748633, приоритет 21.09.2020, опубл. 28.05.2021, кл. МПК А62С 3/00, G08B 17/00).

Известная система предназначена для защиты людей от пожаров, от инфекционных заражений на объектах: зданиях, сооружениях, учреждениях, складах, производственных и торговых помещениях, школах, пассажирском транспорте, автономных средствах обитания. Система безопасности обитаемых объектов содержит приемный воздухопровод, выполненный с воздухозаборными отверстиями, снабженными барьерами для пыли и микроорганизмов, выполненными в виде фильтров. Приемный воздуховод соединен с устройством дезинфекции воздуха, перед которым параллельно выходной части приемного воздухопровода присоединен пожарный аспирационный извещатель.

Недостатком данной системы и способа ее осуществления является ограниченный защитой людей от пожаров и инфекционных заражений функционал системы.

Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения – объектовая коммуникационно-информационная система, выбранным в качестве прототипа, является комплекс внутриобъектовой цифровой связи и трансляции (патент РФ на изобретение № 2703290 от 16.04.2018, опубл. 16.10.2019, кл. МПК H04М 9/08).

Известный комплекс предназначен для организации внутриобъектовой цифровой громкоговорящей, телефонной, видео связи и трансляции на стационарных и подвижных объектах, в том числе на объектах наземного и морского базирования. Он построен на основе цифровой распределенной масштабируемой сети Gigabit Ethernet и включает в свой состав коммутаторы Ethernet, оборудование художественной и командной трансляции, видео связи, регистрации переговоров, громкоговорящей связи с внешними корреспондентами, сопряжения с внешними системами, беспроводного абонентского доступа и автоматизированного рабочего места технического обслуживания.

Недостатком прототипа является то, что его функционал ограничен только внутриобъектовой аудио и видеосвязью.

Наиболее близким аналогом способа проектирования объектовой коммуникационно-информационной системы выбран способ проектирования системы комплексной безопасности объекта (патент РФ на изобретение № 2219576, приоритет 05.03.2002, опубл. 20.12.2003, кл. МПК G06F 17/00). В известном способе проектирования системы комплексной безопасности объекта строят модель охраняемого объекта, выбирают тип и количество датчиков системы с учетом предполагаемых угроз безопасности объекта, на модели размещают датчики системы в пространстве охраняемого объекта, обеспечивая охват этого пространства зонами обслуживания датчиков, и проводят экспертную оценку проектируемой системы.

Недостатком данного способа проектирования является то, что он обеспечивает проектирование систем защиты объектов только от проникновения на них посторонних лиц.

Технической проблемой, решаемой с помощью заявляемого изобретения, является наличие функциональных ограничений известных коммуникационно-информационных систем, а также невозможность их применения в объектах с различным назначением.

Техническим результатом заявляемого изобретения является создание объектовой коммуникационно-информационной системы (ОКИС), обладающей расширенными функциональными возможностями, служащих для повышения безопасности функционирования объектов повышенной опасности, а также возможность выполнения формализованного проектирования такой системы, применительно к различным объектам.

Указанный технический результат достигают за счёт включения в состав системы, кроме оборудования внутриобъектовой связи, также интеллектуальной  системы  поддержки  принятия  решений (ИСППР), представляющей собой автоматизированную цифровую сеть, служащую для осуществления объективной аналитики данных с построением математической модели предполагаемого развития событий, построенную на основе данных мобильных и стационарных интеллектуальных датчиков, представляющих собой искусственную нейросеть (ИНС) объекта, стационарных IP-видеокамер с системой распознавания лиц, системы обработки данных на основе искусственного интеллекта и системы визуального представления текущего состояния объекта в реальном масштабе времени, а также за счёт способа проектирования такой системы применительно к различным объектам.

Функциональная схема ОКИС приведена на фиг. 1.

К цифровой распределенной масштабируемой сети на основе пакетной коммутации (1) подключают:

- оборудование внутриобъектовой связи и трансляции (2);

- базовые широкополосные приемо-передающие модули системы позиционирования – анкеры (3);

- интеллектуальные датчики параметров окружающей среды (4);

- стационарные IP-видеокамеры с системой распознавания лиц (5);

- блок распределения информации (6);

- блок документирования информации (7);

- блок обработки данных на основе искусственного интеллекта (8);

- интерфейсный модуль сопряжения с объектовыми системами (9);

- автоматизированное рабочее место ОКИС – АРМ ОКИС (10).

С базовыми станциями (анкерами) взаимодействуют по радиоканалу мобильные датчики системы позиционирования – метки (11).

Цифровая распределенная масштабируемая сеть (1) состоит из цифровых коммутаторов пакетов, соединенных между собой несколькими (не менее трех) оптоволоконными кабелями.

Оборудование внутриобъектовой связи и трансляции (2) состоит из терминального и коммутационного абонентского оборудования, оборудования командной и художественной трансляции и оборудования беспроводной связи.

Базовые приёмо-передающие модули системы позиционирования (3) состоят из сверхширокополосных приемо-передающих модулей с полосой пропускания от 500 мГц в частотном диапазоне от 3 ГГц и выше, контроллера обмена сообщениями и контроллера пакетной связи. Они могут быть выполнены на основе импортных микросхем, например, B7CW101 и B7CW201 фирмы Sigma, комплекта микросхем PL3100 фирмы Pulse-Link, на основе отечественных ПЛИС РРМ-40, РРМ-50 или аналогичных. Дальность связи между базовыми приемо-передающими модулями и мобильными метками 11 варьируется от 10 до 50 м, в зависимости от мощности излучения. Интеллектуальные датчики параметров окружающей среды (4) представляют собой искусственную нейросеть. Они осуществляют непрерывный мониторинг и сравнение с нормированными значениями таких параметров, как:

- температура;

- задымленность;

- давление;

- акустический шум;

- радиационный фон;

- освещенность и других параметров, необходимых для оценки состояния внешней среды.

При отклонении параметров среды от нормированных значений ИНС производит анализ данных от всех датчиков и передает информацию на блок обработки данных на основе искусственного интеллекта.

Интеллектуальные датчики могут быть построены, например, на основе импортных сигнальных процессоров TMS 320С40, TMS 320С80 фирмы Texas Instruments, отечественного нейропроцессора NM6408 НТЦ «Модуль», отечественной СБИС «Нейрочип» Научного центра нейрокомпьютеров, или аналогичных. Все интеллектуальные датчики объединены в ИНС объекта.

В качестве стационарных IP-видеокамер (5) с системой распознавания лиц могут применяться, например, Dahua DH-SD49425XB-HNR с функцией детекции движения, распознавания лиц, подсчета людей, iDS-2CD8426G0/F-I фирмы HikVision с двумя объективами, с системой распознавания лиц и с алгоритмами глубокого обучения DeepinViewс или аналогичные.

Блок распределения информации (6) представляет собой цифровой пакетный коммутатор, который имеет не менее двух портов со скоростью не менее 10 Gbit/c и не менее пяти портов со скоростью не менее 1 Gbit/c. Блок распределения информации (6) осуществляет маршрутизацию сообщений в соответствии с заданными IP адресами.

Блок документирования информации (7) представляет собой твердотельный сетевой накопитель данных емкостью не менее 5 Тбайт, например, СНД-3 производства компании ООО «Атри».

Блок обработки данных на основе искусственного интеллекта (8) представляет собой вычислитель с установленным программным обеспечением (ПО) с функцией искусственного интеллекта. ПО написало на языках высокого уровня, таких как C++, Java, Python, на платформах с открытым исходным кодом, таких как TensorFlow, PyTorch, XGBoost. Для обеспечения функционирования ПО с функцией искусственного интеллекта и искусственной нейросети вычислитель построен на основе центрального процессора типа Intel i5 7 или 8 поколения с тактовой частотой от 2,8 GHz, имеет оперативную память от 4 GB и жесткий диск объемом от 1 Тб.

Интерфейсный модуль сопряжения с объектовыми системами (9) осуществляет преобразование различных интерфейсов (RS-232, RS-485, ИРПС и других) в интерфейс пакетной связи для приема информации о состоянии этих систем.

Автоматизированное рабочее место ОКИС – АРМ ОКИС (10) представляет собой панельную рабочую станцию с диагональю от 32 дюймов, например, Advantech UTC-232FP-ATO0E со следующими характеристиками:

- ёмкостной сенсорный LCD TFT экран диагональю 32” с поддержкой режима «мультитач»;

- процессор Intel Core i5-6300U с тактовой частотой 2,4 ГГц;

- объем оперативной памяти до 16 ГБ;

- количество портов пакетной связи со скоростью не менее 10 Gigabit/s - 2;

- один линейный аудиовыход;

- один вход для внешнего микрофона;

- предусмотрена установка жесткого диска 2,5”.

АРМ ОКИС обеспечивает визуальный мониторинг состояния объекта в реальном масштабе времени по информации, поступающей от блока обработки данных, управление системами обеспечения живучести объекта, руководство персоналом объекта подачей голосовых команд, просматривать и анализировать историю событий.

Для каждого конкретного объекта необходимо разработать проект размещения и конфигурирования ОКИС.

Блок-схема способа проектирования ОКИС показана на фиг. 2.

Заявляемый способ включает следующие этапы проектирования:

1. Разработка технических требований к ОКИС для данного конкретного объекта.

2. Разработка трехмерной графической модели объекта с наложением на нее трехмерной координатной сетки.

3. Графическое размещение оборудования системы на модели объекта.

4. Присвоение идентификационных номеров оборудованию объекта и системы.

5. Конфигурирование программного обеспечения (ПО) ИНС и искусственного интеллекта под конкретный объект.

6. Разработка и загрузка начальной базы знаний системы в память блока обработки данных.

7. Запуск тестовой программы проверки ПО.

8. Проверка соответствия проекта техническим требованиям.

При согласовании технических требований учитывают следующее.

Базовые приемо-передающие модули (3) размещают таким образом, чтобы осуществлялась связь между меткой (11) и минимум тремя модулями одновременно.

Интеллектуальные датчики параметров окружающей среды (4) размещают в соответствии с требованиями нормативных документов и им задаются границы нормированных значений контролируемых параметров в точке их размещения.

IP-видеокамеры размещают в точках наилучшего обзора помещений объекта.

Блок распределения информации (6), блок документирования информации (7), блок обработки данных на основе искусственного интеллекта (8), интерфейсный модуль сопряжения с объектовыми системами (9) и автоматизированное рабочее место ОКИС – АРМ ОКИС (10) размещают в ситуационном центре или диспетчерском пункте управления объекта.

В память блока обработки данных на основе искусственного интеллекта (8) вводится следующая информация:

- возможные варианты действий персонала в различных нештатных или аварийных ситуациях на основе действующих инструкций, наставлений, руководств и данных, полученных на основе анализа практических действий персонала в аналогичных ситуациях;

- параметры устойчивости оборудования объекта к внешним воздействующим факторам из документации на это оборудование.

Введенные данные являются начальной базой знаний системы.

Функционирует ОКИС следующим образом.

При входе на объект весь персонал, как штатный, так и временный, опознается IP-видеокамерой, обеспечивается меткой, которая фиксируется на одежде и регистрируется в системе. После регистрации местоположение носителя метки визуально отображается на мониторе АРМ ОКИС.

Местоположение определяют следующим образом.

Метка с заданной периодичностью посылает широковещательный запрос на базовые приемо-передающие модули, принимает ответные сигналы от первых трех базовых модулей, по времени задержки ответных сигнала определяет расстояние до каждого модуля и передает эту информацию на блок обработки данных. Блок обработки данных рассчитывает местоположение метки в трехмерной системе координат по трем дистанциям путем решения системы уравнений:

где:

х₁, y_1, z₁; х₂, y_2, z₂; х₃, y_3, z₃ – координаты трех базовых приемо-передающих модулей;

х₀, y_0, z₀ – координаты метки, при этом координата Z определяет уровень (этаж) объекта.

После определения координат метки эта информация передается на АРМ ОКИС для отображения на мониторе.

Таким образом, после размещения оборудования, конфигурирования системы, загрузки начальной базы знаний системы и регистрации персонала создается цифровой двойник объекта.

В штатном режиме система осуществляет постоянный мониторинг состояния объекта по заданным параметрам, контроль местонахождения персонала с отображением всей информации на мониторе АРМ ОКИС, обеспечивает внутриобъектовую аудио и видеосвязь.

При возникновении какой-либо нештатной или аварийной ситуации ИНС анализирует информацию со всех датчиков объекта с учетом динамики ее изменения и транслирует ее на блок обработки данных. Блок обработки данных на основе информации от ИНС, информации о местоположении персонала объекта, данных от видеокамер и имеемой базы знаний, формирует общие рекомендации по локализации ситуации, рекомендации персоналу по их действиям и прогноз возможного развития событий с визуальной трансляцией всей информации на монитор АРМ ОКИС. На основе полученной информации диспетчер принимает решения.

По мере накопления статистических данных по нештатным и аварийным ситуациям, принятым решениям по локализации этих ситуаций идет пополнение начальной базы знаний и, соответственно, обучение искусственного интеллекта системы. Полученные новые знания искусственный интеллект использует при выработке решений в дальнейшем.

Таким образом, заявляемое изобретение позволяет значительно расширить функциональные возможности объектовой коммуникационно-информационной системы цифровой связи и трансляции, существенно повысить безопасность эксплуатации объектов повышенной опасности и формализовать проектирование такой системы применительно для различных объектов.

Объектовая коммуникационно-информационная система, включающая цифровую коммутационную сеть, состоящую из магистральных коммутаторов цифровой сети, соединенных между собой многократно дублированными каналами, к выходам которых подключают входы абонентских коммутаторов, к выходам которых подключают абонентское оборудование, отличающаяся тем, что к цифровой коммутационной сети подключены интеллектуальные датчики параметров окружающей среды, объединенные в искусственную нейросеть объекта, оборудование внутриобъектовой связи и трансляции, базовые широкополосные приёмо-передающие модули системы позиционирования, стационарные IP-видеокамеры с системой распознавания лиц, блок распределения информации, блок документирования информации, блок обработки данных на основе искусственного интеллекта, интерфейсный модуль сопряжения с объектовыми системами, мобильные датчики системы позиционирования и автоматизированное рабочее место ОКИС.