Помощь студентам в учебе
Применение технологии Интернета вещей для управления транспортной инфраструктурой городской среды
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ И АКТУАЛИЗАЦИЯ ВОПРОСА
1.1 История технологии Интернет вещей 10
1.2 Применения IoT технологий в контексте «Умных городов» 12
1.3 Типовая архитектура системы 18
Выводы по первой главе 25
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ
2.1 Задачи. Исходное техническое задание на комплекс (анализ) 27
2.2 Выделение частных задач для автоматизации 28
3 РЕАЛИЗАЦИЯ
3.1 Разработка структурной схемы комплекса 29
3.1.1 Общая схема 29
3.1.2 Уточненная схема 31
3.2 Выбор комплектующих и инструментов 31
1.1 .1 Примеры визуализации 36
3.3 Разработка схемы подключения 39
3.4 Реализация алгоримов автоматизации 42
3.4.1 Настройка среды и подключения шлюзов 42
3.4.2 Пример применения шлюза AntexGate на реальной задаче по
автоматизации и мониторингу 48
3.4.3 Конфигурация модельных задач в виртуальной части комплекса 59
3.4.3.1 Задача первая. Управление освещением с датчиков 59
3.4.3.2 Задача вторая. Автоматизация движения 69
3.5 Автоматизация управления светофором 73
Выводы по третьей главе 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 78
ПРИЛОЖЕНИЯ 81ПРИЛОЖЕНИЕ А. СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ УСТРОЙСТВ
81
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. КОД ДЛЯ ПЕРВОГО УПРАЖНЕНИЯ (ОСВЕЩЕНИЕ
С ДАТЧИКОВ)
82
ПРИЛОЖЕНИЕ В. КОД ДЛЯ ВТОРОГО УПРАВЖНЕНИЯ (СВЕТОФОР) 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. КОД ДЛЯ ПРОДВИНУТОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
УПРАЖНЕНИЯ СВЕТОФОР
84
5
ВВЕДЕНИЕ 6
1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ И АКТУАЛИЗАЦИЯ ВОПРОСА
1.1 История технологии Интернет вещей 10
1.2 Применения IoT технологий в контексте «Умных городов» 12
1.3 Типовая архитектура системы 18
Выводы по первой главе 25
2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ И ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ
2.1 Задачи. Исходное техническое задание на комплекс (анализ) 27
2.2 Выделение частных задач для автоматизации 28
3 РЕАЛИЗАЦИЯ
3.1 Разработка структурной схемы комплекса 29
3.1.1 Общая схема 29
3.1.2 Уточненная схема 31
3.2 Выбор комплектующих и инструментов 31
1.1 .1 Примеры визуализации 36
3.3 Разработка схемы подключения 39
3.4 Реализация алгоримов автоматизации 42
3.4.1 Настройка среды и подключения шлюзов 42
3.4.2 Пример применения шлюза AntexGate на реальной задаче по
автоматизации и мониторингу 48
3.4.3 Конфигурация модельных задач в виртуальной части комплекса 59
3.4.3.1 Задача первая. Управление освещением с датчиков 59
3.4.3.2 Задача вторая. Автоматизация движения 69
3.5 Автоматизация управления светофором 73
Выводы по третьей главе 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 78
ПРИЛОЖЕНИЯ 81ПРИЛОЖЕНИЕ А. СХЕМА ПОДКЛЮЧЕНИЯ УСТРОЙСТВ
81
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. КОД ДЛЯ ПЕРВОГО УПРАЖНЕНИЯ (ОСВЕЩЕНИЕ
С ДАТЧИКОВ)
82
ПРИЛОЖЕНИЕ В. КОД ДЛЯ ВТОРОГО УПРАВЖНЕНИЯ (СВЕТОФОР) 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. КОД ДЛЯ ПРОДВИНУТОЙ РЕАЛИЗАЦИИ
УПРАЖНЕНИЯ СВЕТОФОР
84
5
В данной работе рассматривается пример реализации алгоритмов автоматизации и управления, а также общей концепции и структуры программно-аппаратного комплекса, предназначенного для полунатурного моделирования процессов управления транспортной и энергетической инфраструктуры с применением технологий Интернета вещей.
В настоящее время все большую актуальность приобретает формирование стандартов «умного города». В России это актуально тем, что такие стандарты выступают ориентиром в планировании долгосрочных и краткосрочных мероприятий по цифровизации городского хозяйства. Открытые и универсальные стандарты ускоряют и удешевляют разработки в этой сфере [23].
Концепция «умного города», начавшая свое формирование в конце XX века, активно обсуждается в России.
К настоящему моменту, Минестерством строительства и жилищнокоммунального хозяйства Российской Федерации (Минстроем России) были разработаны базовые и дополнительные требования к «умным городам» с требованиями, разработанными Министерством России.
Подходы к понятию «умный город» разнятся, но под этим почти всегда понимают концепцию населённого пункта, с технологиями интернета вещей. Суть интернета вещей — во взаимосвязи устройств между собой и внешним миром без участия и во благо человека. Простейший пример — уличное освещение, включающееся при нехватке естественного или, например, в американском СанАнтонио фонари вдоль транспортных артерий светят чуть ярче после дождя. Так водители могут лучше видеть дорогу, когда увеличивается вероятность заносов [12].
«Умный город» - совокупность мероприятий, направленных на повышение качества жизни населения за счет цифровизации различных сфер жизнедеятельности города. Он объединяет в себе множество различных сквозных технологий и систем, а к основным управленческим и экономическим эффектам реализации технологии «умный город» относятся:
-возможность получения объективной актуальной информации о городской инфраструктуре, на основе которой принимаются управленческие решения;
-возникновение новых сервисов пользования первичными услугами в сферах жилищно-коммунального хозяйства, экологии, общественного транспорта, медицины и других;
-возможность агрегации «больших данных» для последующего анализа использования в целях повышения качества предоставления государственных и муниципальных услуг и сервисов [9].
Несмотря на то, что проект «Умный город» уже реализуется в отдельных регионах страны, концепция «умного города» только формируется. Одной из ключевых проблем, на сегодняшний момент, является отсутсвие единого понимания концепции «умного города» в силу системности этого явления, интегрирующего, в рамках единого городского пространства, множество направлений: городское управление, транспорт, ЖКХ, здравоохранение, образование, туризм, и.т.д. Связано это, прежде всего, с новизной проекта. В настоящий момент, в России нет нормативной поддержки этого проекта [16].
Для решения данной проблемы следует сформировать нормативную базу, в которой будет прописано, что собой представляют «умные города», каковы механизмы их реализации и схемы финансирования.
Также необходимо формирование стандартов. Актуальность формирования стандартов для «умного города» в России объясняется тем, что они выступают ориентиром в планировании целей развиттия городов и регионов, помогают в выборе приоритетных проектов. Также, согласно исследованиям, открытые и универсальные стандарты ускоряют разработки в этой сфере на 27% и удешевляют - на 30% [27].
Цель умных городов — делать жизнь горожан удобнее и безопаснее, а также экономить городские средства и пространство. Например, с умными фонарями улицы города так же безопасны ночью, как и с обычными, при этом средства на электроэнергию тратятся минимально: свет не горит впустую, пока не стемнело.
В идеальном умном городе будущего технологии встречают жителей на каждом шагу, образуя единую экосистему и отвечая за все аспекты жизни человека: от передвижения на общественном транспорте до переработки мусора.
Вот несколько примеров интернета вещей для системы «умный город»:
-контроль над уровнем загрязнения и анализ регулирующего воздействия путем обследования состояния окружающей среды; □
-микроклиматические прогнозы погоды с опорой на городскую сеть датчиков; □ -повышение эффективности и снижение расходов за счет вывоза и переработки мусора по необходимости, а не по графику; □
- улучшение ситуации на дорогах и экономия топлива за счет умных светофоров и разметки;
- рациональное потребление электроэнергии благодаря городскому освещению по необходимости;- оптимизация снегоуборочных работ благодаря поступающим в реальном времени данным о ситуации на дорогах, погодных условиях и ближайших снегоуборочных машинах;
- умная система полива в парках и общественных местах, учитывающая погодные условия и текущее состояние; U
- умные камеры наблюдения для отслеживания преступных деяний и автоматизированная система оповещений AMBER Alert в реальном времени;
- умные парковки, помогающие автоматически подобрать лучшее парковочное место; U
-мониторинг износа и состояния мостов, улиц и городской инфраструктуры, направленный на своевременное обслуживание и продление срока службы [28]. U
Целью выпускной квалификационной работы является разработка аппаратной части и программного обеспечения учебно-лабораторного комплекса для полунатурного моделирования системы управления транспортной инфраструктурой городской среды с применением Интернета вещей.
Целью проекта является выбор учебного продукта, отработка и
прототипирование применения технологии в отрасли, путем имитационного полунатурного моделирования двумя путями:
- физическое полунатурное моделирование задачи на макете и исполнительных устройствах;
- полностью виртуальное модулирование с задействованием реального шлюза, контроллера, программного комплекса-имитатора и физического процесса в качестве среды для отработки.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- построить миниатюрную копию (двойника) города для отработки принципов и технологий интернета вещей с целью более эффективного управления;
- выполнить анализ известных на рынке аналогичных решений;
- составить техническое задание на разработку стенда на базе контроллера Овен;
- разработать аппаратную и программную часть учебно-лабораторного
комплекса;
-разработать методическое обеспечение лабораторных работ на базе комплекса.
Предметом исследования является программно-аппаратная часть учебнолабораторного комплекса для полунатурного моделирования системы управления транспортной инфраструктурой городской среды.
Методы исследования. Исследования, проводимые в работе, основаны на комплексном использовании теории автоматического управленияпрограммирования промышленных контроллеров; современных средств
проектирвоания системы управления; основ автоматизированного
проектирования; системного программного обеспечения.
Новизна результатов работы состоит в следующем:
1) разработан и реализован комплекс для полунатурного моделирования системы управления движением транспортной инфраструктуры,
предназначенного как для обучения программирования контроллера Овен, так и для тестирования алгоритмов управления на стадии их разработки;
2) математическая модель системы управления транспортной инфраструктуры, адаптированная под потребности комплекса, реализована в платформе домашней автоматизации OpenHab;
5) разработано методическое обеспечение для комплекса «Виртуальный лабораторный комплекс Интернет вещей в «умном» городе».
Практическая ценность результатов работы
Использование комплекса для полунатурного моделирования системы управления транспортной инфраструктуры городской среды в учебном процессе позволяет обучающимся получить:
1. навыки:
1) подключения и настройки программируемого логического контроллера Овен;
2) программирования ПЛК;
2. знания:
1) архитектуры контроллера;
2) принципов построения систем управления движением;
3) принципов обработки контроллером сигналов датчиков и
формирование им управляющих сигналов на исполнительные устройства;
В настоящее время все большую актуальность приобретает формирование стандартов «умного города». В России это актуально тем, что такие стандарты выступают ориентиром в планировании долгосрочных и краткосрочных мероприятий по цифровизации городского хозяйства. Открытые и универсальные стандарты ускоряют и удешевляют разработки в этой сфере [23].
Концепция «умного города», начавшая свое формирование в конце XX века, активно обсуждается в России.
К настоящему моменту, Минестерством строительства и жилищнокоммунального хозяйства Российской Федерации (Минстроем России) были разработаны базовые и дополнительные требования к «умным городам» с требованиями, разработанными Министерством России.
Подходы к понятию «умный город» разнятся, но под этим почти всегда понимают концепцию населённого пункта, с технологиями интернета вещей. Суть интернета вещей — во взаимосвязи устройств между собой и внешним миром без участия и во благо человека. Простейший пример — уличное освещение, включающееся при нехватке естественного или, например, в американском СанАнтонио фонари вдоль транспортных артерий светят чуть ярче после дождя. Так водители могут лучше видеть дорогу, когда увеличивается вероятность заносов [12].
«Умный город» - совокупность мероприятий, направленных на повышение качества жизни населения за счет цифровизации различных сфер жизнедеятельности города. Он объединяет в себе множество различных сквозных технологий и систем, а к основным управленческим и экономическим эффектам реализации технологии «умный город» относятся:
-возможность получения объективной актуальной информации о городской инфраструктуре, на основе которой принимаются управленческие решения;
-возникновение новых сервисов пользования первичными услугами в сферах жилищно-коммунального хозяйства, экологии, общественного транспорта, медицины и других;
-возможность агрегации «больших данных» для последующего анализа использования в целях повышения качества предоставления государственных и муниципальных услуг и сервисов [9].
Несмотря на то, что проект «Умный город» уже реализуется в отдельных регионах страны, концепция «умного города» только формируется. Одной из ключевых проблем, на сегодняшний момент, является отсутсвие единого понимания концепции «умного города» в силу системности этого явления, интегрирующего, в рамках единого городского пространства, множество направлений: городское управление, транспорт, ЖКХ, здравоохранение, образование, туризм, и.т.д. Связано это, прежде всего, с новизной проекта. В настоящий момент, в России нет нормативной поддержки этого проекта [16].
Для решения данной проблемы следует сформировать нормативную базу, в которой будет прописано, что собой представляют «умные города», каковы механизмы их реализации и схемы финансирования.
Также необходимо формирование стандартов. Актуальность формирования стандартов для «умного города» в России объясняется тем, что они выступают ориентиром в планировании целей развиттия городов и регионов, помогают в выборе приоритетных проектов. Также, согласно исследованиям, открытые и универсальные стандарты ускоряют разработки в этой сфере на 27% и удешевляют - на 30% [27].
Цель умных городов — делать жизнь горожан удобнее и безопаснее, а также экономить городские средства и пространство. Например, с умными фонарями улицы города так же безопасны ночью, как и с обычными, при этом средства на электроэнергию тратятся минимально: свет не горит впустую, пока не стемнело.
В идеальном умном городе будущего технологии встречают жителей на каждом шагу, образуя единую экосистему и отвечая за все аспекты жизни человека: от передвижения на общественном транспорте до переработки мусора.
Вот несколько примеров интернета вещей для системы «умный город»:
-контроль над уровнем загрязнения и анализ регулирующего воздействия путем обследования состояния окружающей среды; □
-микроклиматические прогнозы погоды с опорой на городскую сеть датчиков; □ -повышение эффективности и снижение расходов за счет вывоза и переработки мусора по необходимости, а не по графику; □
- улучшение ситуации на дорогах и экономия топлива за счет умных светофоров и разметки;
- рациональное потребление электроэнергии благодаря городскому освещению по необходимости;- оптимизация снегоуборочных работ благодаря поступающим в реальном времени данным о ситуации на дорогах, погодных условиях и ближайших снегоуборочных машинах;
- умная система полива в парках и общественных местах, учитывающая погодные условия и текущее состояние; U
- умные камеры наблюдения для отслеживания преступных деяний и автоматизированная система оповещений AMBER Alert в реальном времени;
- умные парковки, помогающие автоматически подобрать лучшее парковочное место; U
-мониторинг износа и состояния мостов, улиц и городской инфраструктуры, направленный на своевременное обслуживание и продление срока службы [28]. U
Целью выпускной квалификационной работы является разработка аппаратной части и программного обеспечения учебно-лабораторного комплекса для полунатурного моделирования системы управления транспортной инфраструктурой городской среды с применением Интернета вещей.
Целью проекта является выбор учебного продукта, отработка и
прототипирование применения технологии в отрасли, путем имитационного полунатурного моделирования двумя путями:
- физическое полунатурное моделирование задачи на макете и исполнительных устройствах;
- полностью виртуальное модулирование с задействованием реального шлюза, контроллера, программного комплекса-имитатора и физического процесса в качестве среды для отработки.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
- построить миниатюрную копию (двойника) города для отработки принципов и технологий интернета вещей с целью более эффективного управления;
- выполнить анализ известных на рынке аналогичных решений;
- составить техническое задание на разработку стенда на базе контроллера Овен;
- разработать аппаратную и программную часть учебно-лабораторного
комплекса;
-разработать методическое обеспечение лабораторных работ на базе комплекса.
Предметом исследования является программно-аппаратная часть учебнолабораторного комплекса для полунатурного моделирования системы управления транспортной инфраструктурой городской среды.
Методы исследования. Исследования, проводимые в работе, основаны на комплексном использовании теории автоматического управленияпрограммирования промышленных контроллеров; современных средств
проектирвоания системы управления; основ автоматизированного
проектирования; системного программного обеспечения.
Новизна результатов работы состоит в следующем:
1) разработан и реализован комплекс для полунатурного моделирования системы управления движением транспортной инфраструктуры,
предназначенного как для обучения программирования контроллера Овен, так и для тестирования алгоритмов управления на стадии их разработки;
2) математическая модель системы управления транспортной инфраструктуры, адаптированная под потребности комплекса, реализована в платформе домашней автоматизации OpenHab;
5) разработано методическое обеспечение для комплекса «Виртуальный лабораторный комплекс Интернет вещей в «умном» городе».
Практическая ценность результатов работы
Использование комплекса для полунатурного моделирования системы управления транспортной инфраструктуры городской среды в учебном процессе позволяет обучающимся получить:
1. навыки:
1) подключения и настройки программируемого логического контроллера Овен;
2) программирования ПЛК;
2. знания:
1) архитектуры контроллера;
2) принципов построения систем управления движением;
3) принципов обработки контроллером сигналов датчиков и
формирование им управляющих сигналов на исполнительные устройства;
В результате выполненной работы была разработана программно-аппаратная часть и ПО учебно-лабораторного комплекса для полунатурного моделирования системы управления транспортной инфраструктурой городской среды с применением Интернета вещей.
В данной работе проводилась автоматизация процессов.
Задачи, решенные в рамках данного исследования:
1. Выбрана архитектура для IoT взаимодействия;
2. Изучена платформа домашней автоматизации OpenHab;
3. Был выбран учебный продукт;
4. Построена миниатюрная копия (двойника) города для отработки принципов и технологий интернета вещей с целью более эффективного управления;
5. Была выполнена отработка и прототипирование применения технологии в отрасли, путем имитационного полунатурного моделирования;
6. Собраны и настроены виртуальные упражнения в ПО части комплекса;
7. Составлено техническое задание на разработку стенда на базе контроллера Овен;
8. Разработана аппаратная и программная часть учебно-лабораторного комплекса;
9. Разработано методическое обеспечение лабораторных работ на базе комплекса;
10. Выполнен анализ известных на рынке аналогичных решений;
Анализ известных на рынке технических решений показал, что основными недостатками представленных на рынке учебно-лабораторных комплексов для обучения программированию ПЛК и комплексов для отработки алгоритмов управления являются:
а) высокая стоимость (свыше 500 тыс. руб.) при избыточном функционале;
б) закрытая архитектура и связанная с этим сложность масштабирования стенда;
в) скрытое от пользователя устройство и реализация стендового оборудования, что затрудняет процесс обучения;
11. Выбрана компонентная база и датчики для подключения;
12. Реализованы алгоритмы автоматизации и управления;
13. Реализована обратная связи с виртуальной средой;
14. Разработана инструкция по эксплуатации учебно-лабораторного
комплекса, включающая в себя сведения о назначении, технические данные, общее описание и состав стенда, а также описание возможных сбоев и способов
их устранения. Написана техническая документация для конечного пользования и дальнейшего развития комплекса.
План по дальнейшему развитию разработки:
Подача заявки на получение защиты интеллектуальной собственности – получение потента. С целью дальнейшего развития комплекса в инициативном порядке, его модификацию и аддаптацию для решения задач по обеспечению, по дисциплинам (тау и сау).
В данной работе проводилась автоматизация процессов.
Задачи, решенные в рамках данного исследования:
1. Выбрана архитектура для IoT взаимодействия;
2. Изучена платформа домашней автоматизации OpenHab;
3. Был выбран учебный продукт;
4. Построена миниатюрная копия (двойника) города для отработки принципов и технологий интернета вещей с целью более эффективного управления;
5. Была выполнена отработка и прототипирование применения технологии в отрасли, путем имитационного полунатурного моделирования;
6. Собраны и настроены виртуальные упражнения в ПО части комплекса;
7. Составлено техническое задание на разработку стенда на базе контроллера Овен;
8. Разработана аппаратная и программная часть учебно-лабораторного комплекса;
9. Разработано методическое обеспечение лабораторных работ на базе комплекса;
10. Выполнен анализ известных на рынке аналогичных решений;
Анализ известных на рынке технических решений показал, что основными недостатками представленных на рынке учебно-лабораторных комплексов для обучения программированию ПЛК и комплексов для отработки алгоритмов управления являются:
а) высокая стоимость (свыше 500 тыс. руб.) при избыточном функционале;
б) закрытая архитектура и связанная с этим сложность масштабирования стенда;
в) скрытое от пользователя устройство и реализация стендового оборудования, что затрудняет процесс обучения;
11. Выбрана компонентная база и датчики для подключения;
12. Реализованы алгоритмы автоматизации и управления;
13. Реализована обратная связи с виртуальной средой;
14. Разработана инструкция по эксплуатации учебно-лабораторного
комплекса, включающая в себя сведения о назначении, технические данные, общее описание и состав стенда, а также описание возможных сбоев и способов
их устранения. Написана техническая документация для конечного пользования и дальнейшего развития комплекса.
План по дальнейшему развитию разработки:
Подача заявки на получение защиты интеллектуальной собственности – получение потента. С целью дальнейшего развития комплекса в инициативном порядке, его модификацию и аддаптацию для решения задач по обеспечению, по дисциплинам (тау и сау).
