К вопросу о технологии беспроводной передачи данных для построения линии связи теледиагностического комплекса

Юрьева Радда Алексеевна кандидат технических наук аспирант, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики 197701, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49, каб. 231 Iureva Radda Alekseevna PhD in Technical Science graduate student, Department of Safety of Information Technology, St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics 197701, Russia, g. Saint Petersburg, Kronverkskii prospekt,, 49, kab. 231 raddayurieva@gmail.com Другие публикации этого автора     Тимко Андрей Сергеевич студент, кафедра СиТТБ, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кронверкский Проспект, 49 Timko Andrei Sergeevich student, Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics 197101, Russia, Saint Petersburg, str. Kronverkski Prospect, 49 timko.andrew@gmail.com Другие публикации этого автора     Ведерников Кирилл Александрович магистр, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49 Vedernikov Kirill Alexandrovich Master's degree student of the Department of Technogenic Security Systems and Technologies at ITMO University 197101, Russia, Saint Petersburg, str. Kronverksky Prospect, 49 vedernikov@diakont.com Другие публикации этого автора

Мальцева Надежда Константиновна кандидат технических наук доцент, Университет ИТМО 197101, Россия, г. Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, 49 Maltseva Nadezhda Konstantinovna PhD in Technical Science associate professor of the Department of Technogenic Security Systems and Technologies at ITMO University (Saint Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics) 197101, Russia, St. Petersburg, str. Kronverkski Prospect, 49 nkmaltseva@hotmail.com Другие публикации этого автора

Введение

АО «Диаконт» более двадцати лет разрабатывает уникальные инновационные решения для повышения безопасности и эффективности в наукоемких отраслях. Одним из направлений деятельности является разработка киберфизических систем для внутритрубной диагностики. В отличие от традиционных методов обследования, внутритрубная диагностика не требует вскрытия подземной части трубопровода и демонтажа конструкций. На данный момент актуальной представляется задача модификации существующей системы с целью облегчения конструкции, а именно отказ от проводной передачи данных и установка на робота аккумуляторных батарей. В ходе данного исследования рассмотрена возможность модернизации киберфизической системы в направлении беспроводной передачи данных.

Комплекс для проведения внутритрубной диагностики состоит из взрывобезопасного средства доставки (ВСД), сменных диагностических модулей и системы управления. Связь между киберфизической системой и системой управления осуществляется по кабелю, что позволяет получать информацию в интерактивном режиме о расположении ВСД внутри трубопровода, включая определение линейной координаты, крена, дифферента, информацию с узла ротации по угловой координате расположения диагностического модуля, а также обеспечивать передачу данных и команд управления, передачу питающих напряжений и в случае нештатных ситуаций провести аварийное извлечение. Актуальность исследования заключается в анализе перспектив и недостатков применения беспроводной связи, что даст возможность увеличить скорость передачи данных и увеличить дальности проведения диагностики от места загрузки за счет уменьшения веса соединительного кабеля ^[5-9].

Целью данного исследования является проведение аналитического обзора существующих технических решений осуществления беспроводной передачи данных.

Линия связи должна обеспечивать возможность дистанционного управления оборудованием передающей части (теледиагностического комплекса) ТДК на расстоянии не менее 400 м, гарантировать отсутствие искажений сигналов, стабильность электрических параметров и защищенность цепей от взаимных и внутренних помех.

Рисунок 1– Модель киберфизической системы контроля трубопровода АО «Диаконт»

Научная новизна исследования заключается в предложенной модели функционирования киберфизической системы, позволяющей использовать беспроводную передачу данных.

Пропускная способность линии связи должна обеспечивать передачу данных и команд управления в интерактивном режиме без потерь, качественно ухудшающих результаты контроля.

ТДК и его составные части должны обладать следующими видами устойчивости к воздействию помех согласно ГОСТ Р 51317.4.1 ^[1]:

- Устойчивостью к наносекундным импульсным помехам по ГОСТ Р 51317.4.4.

Должна быть обеспечена работоспособность в электромагнитной обстановке, удовлетворяющей 1 степени жесткости испытаний.

- Устойчивостью к микросекундным импульсным помехам большой энергии по ГОСТ Р 51317.4.5

Должна быть обеспечена работоспособность в 3 классе условий эксплуатации, удовлетворяющей 2 степени жесткости испытаний по схеме «провод-провод» и 3 степени жесткости испытаний по схеме «провод-земля».

- Устойчивостью к воздействию провалов, кратковременных прерываний и изменения напряжения электропитания по ГОСТ Р 30804.4.11.

Должна быть обеспечена работоспособность в электромагнитной обстановке 1 класса и защита от помех с помощью систем бесперебойного питания (СБП).

- Устойчивостью к электростатическим разрядам по ГОСТ Р 30804.4.2.

Должна быть обеспечена работоспособность, удовлетворяющая 1 степени жёсткости испытаний методом контактного электростатического разряда.

- Устойчивостью к радиочастотному электромагнитному полю по ГОСТ Р 30804.4.3.

Должна быть обеспечена работоспособность в обстановке, характеризующейся высоким уровнем электромагнитных излучений и удовлетворяющей 3 степени жёсткости испытаний, относящихся к защите от излучений источников общего применения, цифровых радиотелефонов и других радиочастотных излучающих устройств.

- Устойчивостью к кондуктивным помехам, наведённым радиочастотными электромагнитными полями по ГОСТ Р 51317.4.6 ^[3].

Должна быть обеспечена работоспособность в обстановке, характеризующейся высоким уровнем электромагнитных излучений и удовлетворяющей 3 степени жёсткости испытаний, относящихся к помехоустойчивости при воздействии кондуктивных помех, наводимых излучениями радиопередающих устройств.

В настоящее время информация передается по технологии доступа VDSL2, используя существующие медные провода кабеля соединительного К-С-ВСД. Не смотря на то, что VDSL2 является новейшим стандартом xDSL широкополосных проводных коммуникаций, скорость передачи информации не позволяет в полной степени эксплуатировать существующее оборудование и проводить модернизацию.

Пути решения этой проблемы заключаются в переходе на другую среду распространения сигнала - оптический кабель или же в переходе на беспроводную технологию передачи данных.

Рисунок 2 – Структурная схема киберфизической системы, модифицированная модулем для передачи данных

Условия эксплуатации телеуправляемого диагностического комплекса могут оказаться критичными для использования оптического волокна в составе кабеля соединительного К-С-ВСД, так как во время выполнения работ кабель испытывает продольные и поперечные нагрузки.

В связи с этим, целесообразно перейти на беспроводную технологию передачи данных, при этом передачу питающих напряжений оставив в кабеле соединительном, отказавшись от бортового аккумуляторного питания и не усложняя аварийное извлечение из трубопровода.

В результате анализа технологий, возможных для решения поставленной задачи, была составлена сводная таблица, содержащая характеристики трех наиболее подходящих стандартов.

Таблица 1 – Стандарты, удовлетворяющие требованиям поставленной задачи

В общем виде WiMAX сети состоят из следующих основных частей: базовых и абонентских станций, а также оборудования, связывающего базовые станции между собой, с поставщиком сервисов и с Интернетом.

Для соединения базовой станции с абонентской используется высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц. В идеальных условиях скорость обмена данными может достигать 70 Мбит/с, при этом не требуется обеспечения прямой видимости между базовой станцией и приёмником.

WiMAX применяется как для решения проблемы «последней мили», так и для предоставления доступа в сеть офисным и районным сетям.

Между базовыми станциями устанавливаются соединения (прямой видимости), использующие диапазон частот от 10 до 66 ГГц, скорость обмена данными может достигать 140 Мбит/c. При этом, по крайней мере одна базовая станция подключается к сети провайдера с использованием классических проводных соединений. Однако, чем большее число БС подключено к сетям провайдера, тем выше скорость передачи данных и надёжность сети в целом ^[8-9].

Заключение

Основным отличием Wi-Fi от WiMAX является радиус действия.

По стандарту 802.11n устройства могут использовать диапазоны 2,4 или 5 ГГц, что повышает надёжность связи, уменьшая влияние радиочастотных помех.

Стандарт 802.11ac обеспечивает передачу данных без задержек и на высокой скорости.

Модификация робота под беспроводную передачу данных основывается на закреплении мостов и антенн на ВСД (взрывобезопасное средство доставки) и на срез трубы (место загрузки). Можно выделить дальнейшие этапы модернизации системы:

- корректировка схемотехники,

- разработка программного обеспечения,

- разработка новой крышки БПС (блока преобразования сигналов) с высокочастотными разъемами и новой крышки-антенны на БД (блок драйверов).

Теоретически существуют технологии, позволяющие перейти на беспроводную передачу данных внутри комплекса для проведения внутритрубной диагностики. Основным вопросом на сегодняшний день остается вопрос электромагнитной совместимости и помехоустойчивости. Для этого необходима закупка оборудования под каждый стандарт в отдельности и проведение испытаний на электромагнитную совместимость, пропускную способность, радиус действия и др. Помимо рассмотренных технологий, интересной представляется технология 5G, которая на данный момент находится в стадии разработки. Сеть 5G обещает высокую стабильность и скорость соединения, однако ее придется еще подождать.