Pomiary Automatyka Robotyka 2/2019

Page 1

PAR P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

2/2019 ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Cena 25,00 zł w tym 5% VAT

Technical Sciences Quarterly | * ) +

W numerze:

3 5 15

Od Redakcji

! " # $ %&" ' ( )

!

23

* " ( + ,

29

-(" . +

39

/ 0 + ( + 1( '2 '

" #

$ !

#

% & ' (% #

) # !

!

Ponadto: Informacje dla Autorów – 75 | Kalendarium – 79 | XXIII Konferencja Automatyków Rytro 2019 – 80 | i Perspektywy – 85 | !" # $ 86 | Wyzwania Edukacji 4.0 w teorii i praktyce – 92 | Nasze wydawnictwa – 95 | Nasze monografie – 96

Rada Naukowa Rok 23 (2019) Nr 2(232) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

Redaktor naczelny

% . ) ( * + %O % * / Z 1 ( ) [ + \ $ ]

)2 B ( - + #

% 0 1 L ( F+ L ) ( + ^+

, !

C2 $" + (#

% 23 ! 4% 5 0 + + Z 1 ( ) \! ]

, #

6 ! 73 3 Z 1 ( ) * \0 (]

C2 ( * ( # )2 ! " D ( )2 ( ) C2 $" + (# D ( ( (E ( ( ( )2 D + " )2 B ( - + # D (

-

$ F

% - "

K * % D ( $ ( L ( ( O L % 8 )% " 3 0 ( Z ( . 1 \Z ] % 7! % " # (C $ - /, &

Druk

% .% 0 * +( L ) \ " + ]

- $ ( ! G ' ( 2 2 2 0 $ HJJ " 2

% . * . Z 1 ( \ ] % ) *

0 K

Wydawca K * % D ( $ ( L ( ( M O L +2 + QJQ JQTUVH

Kontakt ' + T " ( ( ' ( +2 + QJQ JQTUVH +2 QQ VWU JX UH Y 2 + 2 2 + Pomiary Automatyka Robotyka T ( T ( ( XffW 2 XV + ( $ & & 2 + ( ( + ( $(

( ( M ( ( T ( ( ( + " 2 + T ( ( ( ' ( ( M * - FBc ! "+ + L0 Fg B/ F'0LBZ \LBh QJXHi Wj QU] M C M ( C ( + + ( 'L 0 2 0 + ( V \ 2 XQUU]2 ($ & + / 0 & ( $ ( ( $( + M + T ( ( ( ' ( 2 \ ) ( ] 2

( + ( ( ' ( T G ( fJWE T Z0EQJXf , O 0 + (C " ( $ + ,K &2

4 &% * Z 1 ( ) \! ] % . 9 ( $ - + * $ % / )% 9 3 3 L ) B + \' ] % - _.1 1 +( ` 0 + Z 1 ( \Z ] % 2 ! + ( $ L C( - (C $ F + " -

% . - B + Z 1 ( \ ] % +

-

B b Z 1 ( \ + * ( ] % : - ( $ L C( . " ( + / + / ! - * D L ) + ( + "( * ! c \0 (] % 2 ! ; <

( $ ( + " ( + ^+ % =3 + 1 ( ) \ $ ] % " 0 < L ( L ) ( ( ' ( + $ % : :

' L Z 1 ( + \ + ] % 2 ! 0% 4 _ ( 1 +( ` 0 + Z 1 ( \Z ]

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

3

Od Redakcji

5

Measuring Platform for Quality Testing of Airport Lamps

15

! " # $ %&" ' Krzysztof Mucha

Mechanical Devices Used in the Physiotherapy Process of Spinal Dysfunctions

23

* " ( + , ! " "

B ) L + ' F + ) ) + ) Automation Systems

29

Zygmunt Lech Warsza, Jacek Puchalski

# $ % &#

" Z " ) F ) Z + 2 Q2 F‰ + ) ) B + Š

39

/ 0 + ( + 1( '2 ' ' "

+( ) F ) ) " " ) 0 + Gas Combustion Heat

45

+ ( + ( $ # ( "

Z ) ' ++ " B ) Â? + ) F 1 + Monitoring

53

" B ' '2 B ) "

* + F ) . / ( " B L ) "

61

Andreas Kowol * , -

. , ('/ L ) " D F‰ + ) L + " . ' 0 +

69

$ " ( ' # $ ! " ) * 0 1 2)45, ( " , ( O ! T'

75

* ' "

1

L 'F^BL

79

Kalendarium

80

) ย ' + XXIII Konferencja Automatykรณw Rytro 2019

85

) ย ' + automation (LMPQ ) S 9

86

Sylwetki T , "

92

Innowacyjne projekty Wyzwania 2

U%L

PV

9

PY

9 !

2

P

O

M

I

A

R

Y

โ ข

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

โ ข

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

/ 'F B L

Drodzy Czytelnicy, # + ( + naukowo-technicznego Pomiary Automatyka Robotyka. Jak zwykle, ( OC " " ( $ 2 C(K C &, ( $ & , ( (,+ U2J2 + ( ( $( + ( & + + " D L ' (2 ( C( $ + C # # + ( ( ( G 2 ( D O ( ( ( ( D $ + ( ( $ 2 C ( $ + ) ( O '( QJXf QJXf2 0 + , + , ( O C ( $ ( O C , & () ( ( $ 2 ( ( D * % D ( $ " L ( ( O L D " + ( " 2

Redaktor naczelny kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka )2 2 C2 B ( - + #

3

U

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 5–13, DOI: 10.14313/PAR_232/5

. / & 0 & & % $ & ' & ( ! # ) & ' $ * ! ( & +,$& ! . . 4 $ 6 7 8 0 $ & &; < . = ; $ > . 66 (?$ -!@*-' . 4

Streszczenie: W artykule przedstawiono opracowaną platformę pomiarową do badania jakości działania lamp lotniskowych. Urządzenie zostało skonstruowane w formie przyczepy dostosowanej do ciągnięcia przez samochód słuşb lotniskowych. Czujniki pomiarowe zabudowano jako matryce umieszczone pod spodem platformy, pod osłoną z gumy. Praca systemu jest nadzorowana przez mikrokomputer. Wyniki badania moşna obserwować na wbudowanym ekranie a takşe, dzięki transmisji bezprzewodowej, za pomocą urządzenia mobilnego. Weryfikację poprawności działania urządzenia przeprowadzono zarówno w warunkach laboratoryjnych, jak i podczas testów na drodze startowej oraz drogach kołowania Portu Lotniczego Poznań-Šawica. - [ 0 & $ $ / $ $ $ 6A $ 6 7B$ .7E 7$ .7F.

1. Wprowadzenie Wzrost wymagań europejskich i światowych agencji zajmujących się bezpieczeństwem lotniczym od kilku lat determinuje coraz dokładniejszą kontrolę oświetlenia znajdującego się na płaszczyznach lotniskowych, czyli między innymi na drogach startowych oraz drogach kołowania [1]. Lampy lotniskowe są wyposaşone w şarówki halogenowe, które mają ograniczoną şywotność [2]. Spadek sprawności świetlnej lamp jest determinowany przez zabrudzenie pryzmatów (np. przez przywierającą, sproszkowaną gumę z opon samolotów). Oprawy lamp (rys. 1) oraz ich pryzmaty (rys. 2) mogą takşe ulegać uszkodzeniu przez maszyny utrzymujące czystość dróg startowych i dróg kołowania, zwłaszcza podczas ich zimowego odśnieşania. Metalowe szczotki zarysowują oprawy lamp i wyszczerbiają ich pryzmaty, wymuszając konieczność wymiany uszkodzonych lamp. Codzienna inspekcja poprawności działania oświetlenia odbywa się przez ocenę wzrokową. W przypadku zauwaşenia nieprawidłowości działania lampy, jest ona demontowana i zastępowana inną. Okresowe oceny poprawności działania lamp lotniskowych moşna przeprowadzać za pomocą specjalnych urządzeń dostępnych komercyjnie, projektowanych dla konkretnych portów lotniczych. Na przykład urządzenie oferowane przez firmę FB Technology umoşliwia badanie poziomu natęşenia wiązek emitowa-

Rys. 1. Lampa uszkodzona (po lewej) i nowa (po prawej) Fig. 1. Damaged lamp (left) and factory new (right)

) [

" # $ % ) & ! !' (!)* $ & & (+ !- (!)*

!

Rys. 2. Pryzmat uszkodzony (u gĂłry) oraz nowy (na dole) Fig. 2. Damaged prism (top) and factory new (bottom)

5

+ ) , $ + + (

nego Ĺ›wiatĹ‚a, zarĂłwno opraw zagĹ‚Ä™bionych jak i naziemnych [3]. Wartym uwagi rozwiÄ…zaniem jest tworzenie bazy danych z uprzednio wykonanych pomiarĂłw, ktĂłra pozwala na obserwowanie stopnia zuĹźycia poszczegĂłlnych lamp, co w konsekwencji umoĹźliwia dobranie wĹ‚aĹ›ciwego sposobu konserwacji oĹ›wietlenia. Zestaw pomiarowy moĹźna zamontować na dowolnym samochodzie z przodu lub z tyĹ‚u, dziÄ™ki zastosowaniu specjalnego stelaĹźa. Komunikacja miÄ™dzy czujnikami a laptopem bÄ…dĹş tabletem odbywa siÄ™ bezprzewodowo, przez sieć Wi-Fi lub, gdy nie ma takiej moĹźliwoĹ›ci ze wzglÄ™du na procedury obowiÄ…zujÄ…ce na lotnisku, za poĹ›rednictwem kabla Ethernet. Dodatkowo producent oferuje opcjonalne zastosowanie systemu DGPS (ang. Differential Global Positioning System) do lokalizacji punktĂłw pomiarowych. Wymaga to jednak ingerencji w stacjonarne instalacje lotniskowe. Badanie lamp odbywa siÄ™ w trakcie ruchu pojazdu, ktĂłrego prÄ™dkość podczas pomiaru nie moĹźe przekroczyć 60 km/h. Kontrola jest realizowana niezaleĹźnie od warunkĂłw atmosferycznych i pory dnia. Poprawne zbliĹźenie siÄ™ do opraw jest wspomagane przez obraz z kamery przekazywany w trybie on-line do kabiny kierowcy. Firma DeWiTec ma w swojej ofercie urzÄ…dzenie Dalmas AFL Analysis, ktĂłre rĂłwnieĹź bada oprawy zagĹ‚Ä™bione, a takĹźe naziemne [4]. Ma ono postać przyczepy mocowanej do dowolnego samochodu wyposaĹźonego w hak holowniczy. W celu przeprowadzenia kontroli potrzebna jest jedna osoba. Pomiar moĹźe być dokonywany w dowolnych warunkach oĹ›wietleniowych i atmosferycznych. W odróşnieniu od konkurencyjnego produktu, prÄ™dkość jazdy podczas badania jest niĹźsza i mieĹ›ci siÄ™ w zakresie do 25–35 km/h. Kierowca ma szereg udogodnieĹ„ pozwalajÄ…cych na precyzyjne dokonanie przejazdu. UrzÄ…dzenie prowadzi do punktu rozpoczÄ™cia pomiaru, a nastÄ™pnie do kaĹźdej z kolejnych lamp. Dodatkowym udogodnieniem sÄ… dwie kamery oraz laserowa linia wyznaczajÄ…ca kierunek jazdy. Wszystkie informacje sÄ… dostÄ™pne w trybie on-line w oprogramowaniu dedykowanym konkretnemu lotnisku. Raportowanie odbywa siÄ™ natychmiast po dokonaniu pomiarĂłw wraz z zaleceniami dotyczÄ…cymi konserwacji oraz niezbÄ™dnymi danymi i wykresami. Opcjonalnie w celu lokalizacji miejsca kontroli moĹźe zostać uĹźyty system DGPS. Jednak aspekt wysokich kosztĂłw przedstawionych urzÄ…dzeĹ„ komercyjnych [3, 4] byĹ‚ motywacjÄ… do opracowania nowego, niskobudĹźetowego urzÄ…dzenia o wysokich walorach uĹźytkowych, dostosowanego do wymagaĹ„ Portu Lotniczego PoznaĹ„-Ĺ awica, umoĹźliwiajÄ…cego szybkÄ…, codziennÄ… inspekcjÄ™ oĹ›wietlenia drĂłg na pĹ‚aszczyznach lotniskowych. Takim rozwiÄ…zaniem jest autorska platforma pomiarowa o walorach podobnych

do urzÄ…dzeĹ„ komercyjnych. Widok opracowanego prototypu przedstawiono na rys. 3. Wykorzystano w nim mikrokomputer Raspberry Pi [5, 6].

(% &

KaĹźdy rodzaj lamp lotniskowych musi speĹ‚niać wymagania rygorystycznych norm, Ĺ›ciĹ›le okreĹ›lone przez EuropejskÄ… AgencjÄ™ BezpieczeĹ„stwa Lotniczego (EASA) w dokumencie opisujÄ…cym projektowanie lotnisk [1]. Intensywność Ĺ›wiateĹ‚ jest wyraĹźana w kandelach (cd) i zaleĹźy od kÄ…ta Ĺ›wiecenia. Na rys. 4 pokazano przykĹ‚adowy wykres izokandeli dla Ĺ›wiateĹ‚ linii Ĺ›rodkowej drogi koĹ‚owania. Najczęściej nowe oprawy, stosowane na drogach koĹ‚owania, znaczÄ…co wykraczajÄ… parametrami poza minimalne wartoĹ›ci okreĹ›lone przez normy (rys. 4). Wynika to przede wszystkim z wymagaĹ„ co do natęşenia Ĺ›wiatĹ‚a na drodze koĹ‚owania, gdzie gĹ‚ĂłwnÄ… rolÄ… punktĂłw Ĺ›wietlnych jest nawigacja statkĂłw powietrznych juĹź na ziemi. Lampy linii centralnej drogi koĹ‚owania sÄ… wyposaĹźone w dwa niezaleĹźne obwody elektryczne, ktĂłre odpowiadajÄ… za Ĺ›wiecenie w obie strony oprawy. ĹšwiatĹ‚o jest emitowane przez ĹźarĂłwkÄ™ halogenowÄ… o mocy 40 W i biaĹ‚ej barwie, ktĂłre po przejĹ›ciu przez dichroiczne filtry barwne znajdujÄ…ce siÄ™ przed pryzmatem zmienia kolor na zielony (rys. 5). Oprawy sÄ… montowane w pĹ‚aszczyĹşnie drogi koĹ‚owania, jednakĹźe wystajÄ… ponad jej powierzchniÄ™ na wysokość 6,3 mm. Lampy te sÄ… zasilane za pomocÄ… ĹşrĂłdĹ‚a prÄ…dowego 6,6 A [7]. Normy intensywnoĹ›ci linii centralnej drogi startowej (rys. 6) róşniÄ… siÄ™ w zaleĹźnoĹ›ci od kategorii, ktĂłra jest wymagana w porcie lotniczym. NajwyĹźsze wartoĹ›ci intensywnoĹ›ci oprawy te muszÄ… speĹ‚niać w zakresie 0° do 9° w osi pionowej oraz –5° do 5° w osi poziomej dla gĹ‚Ăłwnej wiÄ…zki.

Rys. 4. Wykres izokandeli dla świateł linii środkowej drogi kołowania (rozstaw 7,5 m, 15 m, 30 m) [1] Fig. 4. Isocandela diagram for taxiway centre line light (distance 7.5 m, 15 m, 30 m) [1]

Rys. 5. Natęşenie promieniowania widmowego lampy linii centralnej drogi kołowania IDM5582 Fig. 5. Spectrum radiation intensity of taxiway centre line light IDM5582

Rys. 3. Widok opracowanego prototypu platformy pomiarowej Fig. 3. View of the prototype of measuring platform

6

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Rys. 6. Wykres izokandeli dla świateł linii centralnej drogi startowej o odstępie podłuşnym 15 m (światło białe) [1] Fig. 6. Isocandela diagram for runway centre line light – lengthwise distance 15 m (white light)

Rys. 9. Wykres izokandeli dla świateł strefy przyziemienia (światło białe) [1] Fig. 9. Isocandela diagram for touchdown zone light (white light) [1]

Rys. 7. Natęşenie promieniowania widmowego lampy linii centralnej drogi startowej IDM4582 (białej) Fig. 7. Spectrum radiation intensity of runway centre line light IDM4582 (white)

Rys. 10. Natęşenie promieniowania widmowego lampy strefy przyziemienia IDM4671 Fig. 10. Spectrum radiation intensity of touchdown zone light IDM4671

Lampy linii centralnej drogi startowej mają oprawy dwukierunkowe, obustronnie emitujące światło białe (rys. 7) lub białe i czerwone (rys. 8), przy czym świecą w przeciwnych kierunkach. Podobnie jak w przypadku lamp drogi kołowania mają dwa obwody elektryczne i są wyposaşone w şarówki halogenowe o mocy 48 W, emitujące światło białe. Te oprawy są zagłębione w płaszczyznę pasa startowego, jednak ich najwyşsze punkty wystają ponad powierzchnię na wysokość 10 mm. Barwa czerwona jest uzyskiwana za pomocą dichroicznego filtru barwnego zainstalowanego przed pryzmatem. Normy dla światła czerwonego stanowią 15% wartości podanych dla światła białego. Wynika to z umiejscowienia lamp i ich roli, a mianowicie oznaczenia końca drogi startowej. Oprawy te są mocowane naprzemiennie kierunkami świecenia w końcowej części pasa startowego.

Normy jasnoĹ›ci lamp strefy przyziemienia (rys. 9) charakteryzujÄ… siÄ™ innym zakresem kÄ…tĂłw pionowych dla wiÄ…zki gĹ‚Ăłwnej. Wynika to z ich roli, ktĂłra polega na uwidocznieniu pilotowi miejsca na pasie startowym, w ktĂłrym naleĹźy wylÄ…dować statkiem powietrznym. KÄ…ty poziome wiÄ…zki gĹ‚Ăłwnej znajdujÄ… siÄ™ w zakresie od –5° do 5°, natomiast pionowe – w zakresie od 2° do 9°. Lampy strefy przyziemienia majÄ… oprawy jednokierunkowe, emitujÄ…ce Ĺ›wiatĹ‚o biaĹ‚e (rys. 10), ktĂłrego ĹşrĂłdĹ‚em jest ĹźarĂłwka halogenowa o mocy 48 W. Lampy tego typu sÄ… montowane poprzecznie po obu stronach linii centralnej pasa startowego po sześć w rzÄ™dzie (trzy po lewej i trzy po prawej stronie). One takĹźe sÄ… zagĹ‚Ä™bione w pĹ‚aszczyznÄ™ pasa startowego, jednak wystajÄ… nad jego powierzchniÄ™ na wysokość 10 mm. Wykresy z rys. 5, 7, 8 i 10, na ktĂłrych przedstawione zostaĹ‚y natęşenia promieniowania Ĺ›wiatĹ‚a o okreĹ›lonej dĹ‚ugoĹ›ci fali, powstaĹ‚y w wyniku badania kaĹźdego egzemplarza lamp za pomocÄ… spektrometru Gigahertz-Optik X4 Light Analyzer [8]. UrzÄ…dzenie to pozwala na pomiar natęşenia promieniowania widmowego oraz radiometrycznego natęşenia napromieniowania [9]. W tym przypadku wybrana zostaĹ‚a zaleĹźność tego pierwszego wzglÄ™dem dĹ‚ugoĹ›ci fali. Wykonane przez autorĂłw pomiary natęşenia promieniowania widmowego pozwoliĹ‚y ocenić wymagania odnoĹ›nie czujnikĂłw natęşenia Ĺ›wiatĹ‚a.

\% "

Rys. 8. Natęşenie promieniowania widmowego lampy linii centralnej drogi startowej IDM4582 (czerwonej) Fig. 8. Spectrum radiation intensity of runway centre line light IDM4582 (red)

Schemat koncepcyjny urządzenia pokazano na rys. 11, natomiast schemat połączeń poszczególnych elementów elektronicznych zilustrowano na rys. 12. Zaprojektowany i zbudowany system składa się z mikrokomputera, sześciu czujników światła,

7

+ ) , $ + + (

Rys. 11. Schemat ideowy platformy pomiarowej Fig. 11. Block diagram of the measuring platform Rys. 14. Charakterystyka czujnika BH1750 [13] Fig. 14. BH1750 spectral response [13]

Rys. 15. Charakterystyka czujnika VEML7700 [14] Fig. 15. VEML7700 spectral response [14]

Rys. 12. Schemat połączeń elementów elektronicznych Fig. 12. Circuit diagram of electronic components

cyfrowego czujnika spektrum światła widzialnego, şyroskopu, modułu GPS oraz wyświetlacza LCD. Centralnym elementem urządzenia jest mikrokomputer Raspberry Pi 3 model B [5], który jest wyposaşony w procesor quad-core 1,2 GHz 64-bit ARM-8 Cortex-A53, 1 GB RAM, wbudowany moduł Wi-Fi, Bluetooth, cztery porty USB, 40 pinów GPIO, gniazdo Ethernet oraz slot na kartę microSD. Wbudowany moduł Wi-Fi umoşliwił uşycie Raspberry Pi 3 model B jako punktu dostępowego. Zaproponowane rozwiązanie pozwoliło na zdalne wyświetlanie wyników pomiarów na laptopie, tablecie lub telefonie. Oprogramowanie działa w systemie operacyjnym Raspbian Stretch. Zadania związane z analizą danych są realizowane przez program napisany w środowisku Node-RED, które pozwoliło takşe przygotować interfejs uşytkownika [10]. Urządzeniem, które odbiera dane bezpośrednio z czujników, jest moduł Funduino UNO R3 [11], które wykorzystano ze względu na dostępność i niezawodność niezbędnych bibliotek [12]. Jest ono wyposaşone w mikrokontroler ATmega 328P, ma 14 wejść/wyjść cyfrowych, 6 wejść/wyjść PWM, 6 złączy analogowych, taktowanie procesora 16 MHz, pamięć 32 kB (gdzie 0,5 kB to bootloader), pamięć SRAM 2 kB, EEPROM 1 kB.

Rys. 16. Charakterystyka czujnika AS7262 [15] Fig. 16. AS7262 spectral response [15]

UrzÄ…dzenie umoĹźliwia komunikacjÄ™ po magistrali I2C oraz przez port szeregowy, co zostaĹ‚o wykorzystane w opracowanym urzÄ…dzeniu. PoszczegĂłlne podprogramy do obsĹ‚ugi czujnikĂłw (tworzÄ…cych matrycÄ™ pokazanÄ… na rys. 13) przygotowano w Ĺ›rodowisku Arduino IDE. Czujnik natęşenia Ĺ›wiatĹ‚a (luminancji/emitancji) BH1750 dziaĹ‚a w zakresie od 1 lx do 65 535 lx z dwoma rodzajami rozdzielczoĹ›ci: co 1 lx lub co 4 lx i moĹźe okreĹ›lać natęşenie Ĺ›wiatĹ‚a w zakresie dĹ‚ugoĹ›ci fali od 320 nm do 1050 nm (rys. 14) [13]. MagistralÄ™ I2C, jak wspomniano, wykorzystano do komunikacji. Dodatkowy pin ADDR umoĹźliwia zmianÄ™ adresu moduĹ‚u. Czujnik DFRobot Gravity VEML7700 ma moduĹ‚ cyfrowy o rozdzielczoĹ›ci 16-bitowej do pomiaru natęşenia Ĺ›wiatĹ‚a. Komunikacja odbywa siÄ™ za pomocÄ… magistrali I2C z zakresem pomiarowym od 0 lx do 120 000 lx w temperaturze od –25 °C do 85 °C

Rys. 13. Matryca czujnikĂłw pomiarowych Fig. 13. Matrix of measurement sensors

8

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

[14]. WaĹźnÄ… cechÄ… tego moduĹ‚u jest korekcja do fotometrycznej krzywej V(l), czyli wzglÄ™dnej widmowej czuĹ‚oĹ›ci oka ludzkiego (rys. 15). Krzywa V(l) odzwierciedla, ile razy fotometryczny strumieĹ„ Ĺ›wiatĹ‚a fali o dĹ‚ugoĹ›ci l jest mniejszy od strumienia Ĺ›wiatĹ‚a dla dĹ‚ugoĹ›ci fali 555 nm, przy takiej samej mocy ĹşrĂłdĹ‚a Ĺ›wiatĹ‚a w kierunku obserwacji. ModuĹ‚ AS7262 to czujnik do badania widma Ĺ›wiatĹ‚a widzialnego. Pomiar odbywa siÄ™ w szeĹ›ciu kanaĹ‚ach dla fal o dĹ‚ugoĹ›ci 450 nm, 500 nm, 550 nm, 570 nm, 600 nm i 650 nm z szerokoĹ›ciÄ… poĹ‚ĂłwkowÄ… FWTH (ang. full-width half-max) o wartoĹ›ci 40 nm (rys. 16). Komunikacja moĹźe odbywać siÄ™ za pomocÄ… magistrali UART bÄ…dĹş I2C. Dane sÄ… przekazywane jako 16-bitowe sĹ‚owa [15]. Opracowana platforma ma moĹźliwość geolokalizacji, dziÄ™ki zastosowaniu moduĹ‚u GPS, w ktĂłrym uĹźyto ukĹ‚ad SIM28. ZewnÄ™trzna antena ma impedancjÄ™ 50 Ί oraz wzmocnienie > 25 dB, a komunikacja z moduĹ‚em odbywa siÄ™ za pomocÄ… interfejsu UART [16]. Pomiar z wykorzystaniem zastosowanego moduĹ‚u GPS, zgodnie z deklaracjami producenta, umoĹźliwia geolokalizacjÄ™ z dokĹ‚adnoĹ›ciÄ… do okoĹ‚o 2,5 m. Taka precyzja jest wystarczajÄ…ca do okreĹ›lenia pozycji lampy, biorÄ…c pod uwagÄ™, Ĺźe badane typy lamp lotniskowych sÄ… rozmieszczone w odlegĹ‚oĹ›ci 15 m. Dodatkowym urzÄ…dzeniem, umoĹźliwiajÄ…cym np. badanie prÄ™dkoĹ›ci, jest SparkFun MPU-9250. Ĺ Ä…czy on 3-osiowy akcelerometr, Ĺźyroskop oraz magnetometr. Komunikuje siÄ™ za pomocÄ… magistrali I2C [17]. Badanie lamp lotniskowych rozmieszczonych zgodnie z niezmiennym poĹ‚oĹźeniem generalnie nie wymaga takich elementĂłw, jak moduĹ‚y GPS czy MPU. MogÄ… one jednak uĹ‚atwiać raportowanie wynikĂłw pomiaru, okreĹ›lajÄ…c miejsce prowadzenia pomiarĂłw.

U% 6 ! Przygotowane oprogramowanie urządzenia pozwala na pracę w dwóch trybach: manualnym i automatycznym (rys. 17). Pierwszy etap badania w trybie manualnym to odczyt natęşenia światła przez czujniki BH1750 i przesłanie danych do programu, który dokonuje przekształcenia do światłości, gdyş tego wymagają normy. Równolegle do komputera przesyłane są współrzędne geograficzne z odbiornika GPS. Operator, w zaleşności od rodzaju i umiejscowienia lampy na pasie, musi manualnie wybrać odpowiedni tryb pracy urządzenia oraz matrycę czujników boczną lub tylną. W trybie automatycznym najpierw jest badane spektrum światła w celu określenia odpowiednich przeliczników charakterystycznych dla konkretnych opraw, pozostałe działania są identyczne, jak w trybie manualnym. Zaprojektowany interfejs uşytkownika (pokazany na rys. 18) umoşliwia sprawną i przejrzystą obsługę urządzenia za pomocą ekranu dotykowego. Na ekranie jest prezentowany wykres światłości oraz wskaźnik prezentujący obecną wartość wraz z graficznym przedstawieniem, czy norma została spełniona czy teş nie (zmienia się kolor wskaźnika z zielonego na czerwony). Jak wspomniano wcześniej, istnieje takşe moşliwość obsługi urządzenia z poziomu komputera, smartfona lub tabletu, które po połączeniu z siecią mają dostęp do aplikacji urządzenia (rys. 19).

V% 8

Badania związane z przygotowaniem i kalibracją systemu podzielono na trzy etapy. W pierwszym etapie zbadano zestaw lamp lotniskowych (nowych i zuşytych) oraz czujniki natęşenia oświetlenia. Te badania przeprowadzono w laboratorium optyki Zakładu Techniki Świetlnej i Elektrotermii Instytutu Elektro-

Rys. 17. Schemat blokowy programu głównego Fig. 17. Block diagram of main program

Rys. 18. Interfejs uĹźytkownika na ekranie dotykowym Fig. 18. User interface on touchscreen

techniki i Elektroniki Przemysłowej Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej. W ramach badań sprawdzono lampy linii centralnej drogi kołowania, lampy strefy przyziemienia oraz lampy linii centralnej drogi startowej [18–20]. Badanie z uşyciem goniometru BIG128 (rys. 20) przeprowadzono w trybie manualnym, za kaşdym

9

+ ) , $ + + ( razem ustawiając wartości poşądanych kątów oraz odczytując i zapisując zmierzoną wartość natęşenia światła z wyświetlacza. Dzięki wykonanym pomiarom i otrzymanym na ich podstawie charakterystykom moşliwa była kalibracja czujników zastosowanych w urządzeniu, których czułość zmienia się wraz ze zmianą długości padającej na nie fali. W drugim etapie dokonano montaşu czujników w matrycach pomiarowych przygotowanej przez autorów przyczepy. Poprawność pojedynczych pomiarów uzyskano dzięki zastosowaniu specjalnych szyn jezdnych, umoşliwiających przemieszczanie platformy nad badanymi lampami. Budowę platformy pomiarowej i jej pierwsze testy zrealizowano w Zakładzie Układów Elektronicznych i Przetwarzania Sygnałów Instytutu Automatyki i Robotyki Politechniki Poznańskiej. Przedstawiona na rys. 9 przykładowa norma jasności światła określa wymagane wartości światłości, które musi spełniać lampa lotniskowa, aby mogła być dopuszczona do dalszego uşytku. W niektórych przypadkach zuşyte lampy charakteryzowały się znacznymi odstępstwami od normy (rys. 22). W takich przypadkach konieczna była naprawa lub wymiana lamp. Jednocześnie otrzymane wyniki badań (rys. 21) wskazały, şe dla nowych lamp wartości światłości znacząco przekraczają wymagane minimum. Rys. 19. Interfejs uşytkownika na zdalnych urządzeniach Fig. 19. User interface on remote devices

Rys. 22. Charakterystyka światłości lampy strefy przyziemienia IDM4671 (uszkodzonej) Fig. 22. Luminous intensity of touchdown zone light IDM4671 (damaged)

Rys. 20. Stanowisko do wyznaczania charakterystyk lamp lotniskowych Fig. 20. Measuring stand for determining characteristics of lamps

Rys. 23. Pomiar natęşenia Ĺ›wiatĹ‚a lampy strefy przyziemienia z uĹźyciem róşnych czujnikĂłw Fig. 23. Measurement of touchdown zone light intensity using different sensors

Rys. 21. Charakterystyka światłości lampy strefy przyziemienia IDM4671 (nowej) Fig. 21. Luminous intensity of touchdown zone light IDM4671 (factory new)

10

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Na rys. 23 zostaĹ‚y przedstawione wyniki badaĹ„ czuĹ‚oĹ›ci czujnikĂłw dla lampy strefy przyziemienia. Dla kaĹźdego z czujnikĂłw w platformie pomiarowej wykonano kilka serii pomiarowych za pomocÄ… specjalistycznego luksomierza SONOPAN LUXMETER L-51. Wyniki dla kaĹźdego rodzaju czujnikĂłw zostaĹ‚y uĹ›rednione, co pozwoliĹ‚o na zastosowanie jednego przelicznika dla kaĹźdego typu sensora. Dane pomiarowe otrzymywane bezpoĹ›rednio z czujnikĂłw wymagajÄ… dodatkowych przeliczeĹ„ (rys. 24), ktĂłre umoĹźliwiajÄ… ich poprawnÄ… interpretacjÄ™. Dla róşnych barw lamp bĹ‚Ä™dy akwizycji sÄ… róşne, w zwiÄ…zku z czym wynik pomiaru kaĹźdorazowo musi być aproksymowany przez wielomian drugiego stopnia wyznaczony wczeĹ›niej za pomocÄ… funkcji w programie MATLAB wzglÄ™dem rzeczywistego odczytu z czujnika. Aby jednak wynik pomiaru byĹ‚ obliczony prawidĹ‚owo, wpierw musi zostać ustalona barwa ĹşrĂłdĹ‚a Ĺ›wiatĹ‚a. Funkcja aproksymujÄ…ca dana jest nastÄ™pujÄ…cym wzorem: y0 = a2x2 + a1x + a0 [lx] gdzie x jest wartoĹ›ciÄ… natęşenia Ĺ›wiatĹ‚a odczytanÄ… przez czujnik, natomiast y0 jest wartoĹ›ciÄ… przybliĹźonÄ… przez wielomian

(wartość wskazana przez luksomierz). Jako argumenty funkcji podawane są wektory x oraz y, czyli wspomniane wcześniej wartości rozszerzone do kilku serii pomiarowych. p = (x, y, 2) p = [a2 a1 a0] Wartości parametrów ai, i = 0, 1, 2 w wektorze są współczynnikami wielomianu aproksymującego, który został poddany przeskalowaniu za pomocą ilorazu natęşenia światła bez osłony ze szkła akrylowego względem wartości natęşenia z zamontowaną osłoną, ze względu na tłumienie światła przez materiał osłony, co jest opisane wzorem: k=

yb â‹… 100%, yo

gdzie yb to wartość natęşenia Ĺ›wiatĹ‚a bez zamontowanej osĹ‚ony, a yo − po jej umieszczeniu. PoniewaĹź w normach podane sÄ… wartoĹ›ci w kandelach (mierzona jest Ĺ›wiatĹ‚ość koĹ„cowa), wartość natęşenia po przeliczeniu przez wszystkie współczynniki i aproksymowaniu przez wielomian musi być jeszcze przemnoĹźona przez kwadrat odlegĹ‚oĹ›ci d = 0,44 m matrycy z czujnikami od badanej lampy. StÄ…d koĹ„cowy wzĂłr to: y = k¡(a2x2 + a1x + a0)¡d2 [cd]

Rys. 24. Schemat blokowy przeliczenia pomiaru Fig. 24. Block diagram of measurement conversion

W zwiÄ…zku z tym zaimplementowano 8 takich przelicznikĂłw z róşnymi wartoĹ›ciami parametrĂłw ai oraz k (po jednym dla kaĹźdej kombinacji dwĂłch rodzajĂłw czujnikĂłw oraz czterech rodzajĂłw lamp). W trzecim etapie badaĹ„ wykonywano kilkukrotne testy na lotnisku PoznaĹ„-Ĺ awica. Podczas testĂłw przyczepa byĹ‚a ciÄ…gniÄ™ta przez samochĂłd ZespoĹ‚u Energetycznego Portu Lotniczego. Testy przeprowadzono na pasie startowym w peĹ‚ni funkcjonujÄ…cego portu lotniczego (rys. 25). Kontroli dokonywano w dzieĹ„ oraz w nocy, kaĹźdorazowo stosujÄ…c siÄ™ do wytycznych przewidzianych w normach. Sprawdzano wpĹ‚yw Ĺ›wiatĹ‚a dziennego oraz innych lamp lotniskowych. Lampy Ĺ›wieciĹ‚y na najwyĹźszym poziomie jasnoĹ›ci. Testy byĹ‚y przeprowadzane przy róşnych prÄ™dkoĹ›ciach najazdu platformy (maksymalnie 36 km/h). DuĹźy wpĹ‚yw na poprawność otrzymanych pomiarĂłw miaĹ‚ odpowiedni najazd nad dany punkt Ĺ›wietlny. Ze wzglÄ™du na maĹ‚e wymiary przyczepy i zastosowanie pojedynczych czujnikĂłw, prÄ™dkość ograniczono do 10 km/h, aby najazd byĹ‚ dokĹ‚adny. Wyniki byĹ‚y zgodne z obserwacjami czynionymi przez pracownikĂłw kontroli oĹ›wietlenia lotniskowego.

Y%

Rys. 25. Platforma pomiarowa podczas testów na lotnisku Poznań-Šawica Fig. 25. Measuring platform during tests on Poznań-Šawica

Opracowane urządzenie pomiarowe (przyczepa) pozwala na automatyczne testowanie poprawności funkcjonowania oświetlenia drogi startowej oraz dróg kołowania na lotnisku Poznań-Šawica. Zadanie wymagało przeprowadzenia wielu testów laboratoryjnych oraz badań, aby dokładnie poznać charakterystykę lamp, a następnie czujników. Przedstawione rozwiązanie w postaci platformy pomiarowej jest prototypem, który aktualnie jest nadal rozwijany. Urządzenie to otrzymało I nagrodę w obszarze techniki oraz organizacji produkcji i usług w konkursie organizowanym w 2018 r. przez Federację Stowarzyszeń Naukowo-Technicznych NOT w Poznaniu a takşe I nagrodę w konkursie IEEE Thesis Contest w 2019 r.

11

+ ) , $ + + (

)& A A C & E C; 6 F C & $ % && ' ( ) *+ G 6 H 6 C I / C L I& !' M O !: )'–"@ # $ ! &!O@!@( HIP !*()'& "& Bloudicek R., % ( ,./ systems (H HH @)th H9 6

& / QU !" !–5. # $ ! &!! '( H & !"&*! !!'& 8. 01 , & , + & 4 A; 7 C& ( ; (7 C ( WO< =7$ "& !& !*& 9. Y Z& ( 2 * # Z A 4 C Z A C [ Z A :& 10. 3 ./

4% & +4 7$(( & 6< =7$ ! & "& !'& 11. % 5% + & & ( (\ (] 6 < =7$ ! & "& !'& 12. E C \& ^/ C H& 3 % & & 6 & & ') & & %') & ( kontrolerem G A ^ C 4 A L I& 'O M ' !* 125–! " # $ ! &!:!''(O*& !*& '&@ & 13. / 78 9 :% % 5 , 9 ! #;7< = ! > 5 3 I#]E 6 '& 14. ; % , 9 !? ! @ .B,<<== _ 4 6 !)& 15. 9<?8? 8C 9 E!/ / G . 9 % 9 ! 6 !" 78H 9!B?I ; / 6 #E !!& !"& B JCK? = % 9 , InvenSense, Revision 1.0, !)& 18. : * !/B 1 I? : %( % EHM

b 7 [ !& ! & 19. : & & !/B 18<7 : %( %, EHM b 7 [ !& ! & 20. : ( ' !/B I? : %( %, EHM b 7 [ !& ! &

Składamy wyrazy podziękowania Zarządowi i Władzom Portu Lotniczego Poznań-Šawica, przy udziale których powstała ta praca: Panu Grzegorzowi Bykowskiemu, Wiceprezesowi Zarządu, Panu Marcinowi Drzycimskiemu, Dyrektorowi Strategii i Rozwoju, oraz Panu Tomaszowi Gładyszowi, Kierownikowi Działu Rozwoju i Planowania Inwestycji. Szczególnie dziękujemy za zaangaşowanie w wykonanie projektu Panu mgr. inş. Bogusławowi Marciniakowi, Kierownikowi Zespołu Energetycznego Portu Lotniczego Poznań-Šawica, oraz Pani dr inş. Małgorzacie Zalesińskiej z Zakładu Techniki Świetlnej i Elektrotermii Instytutu Elektrotechniki i Elektroniki Przemysłowej Wydziału Elektrycznego Politechniki Poznańskiej.

] ! 1.

2.

3. 4. 5.

Specyfikacje Certyfikacyjne (CS) oraz MateriaĹ‚y ZawierajÄ…ce Wytyczne (GM) do Projektowania Lotnisk Wydanie 3, ZaĹ‚Ä…cznik do Decyzji nr 2016/027/R Dyrektora Wykonawczego EASA, Europejska Agencja BezpieczeĹ„stwa Lotniczego, 2016 Novak T., Dudek J., Kolar V., Sokansky K., Baleja R., Solution , 18th !" !–5, # $ ! &!! '( & !"&"')" '*& + & / 4 & 6( (7 9:; 6&4 6 < =7$ ! & "& !'& DALMAS AFL Analysis + & & ( ( 7 ; 4 ( 6 ; ?; < =7$ ! & "& !'& ! " # + & 7/ 7 & (7 ( 7/ ;7 ;@;6 ;/< =7$ ! & "& !'&

# = . / / H " = / 7 A Abstract: The paper presents a developed measurement platform for testing the quality of airport lamps. The device was built in the form of a trailer for pulling through the airport service car. The sensor matrixes are placed under the platform under the rubber cover. The system’s operation is supervised by a microcomputer. The measurement results can be observed on the built-in screen, as well as, thanks to wireless transmission, by means of a mobile device. Verification of the correct operation of the device was carried out both in laboratory conditions and during tests on the runway and taxiways of the Poznań-Šawica Airport. Keywords[ G / $ $ = / $ $ $ 6A $ 6 7B$ .7E 7

12

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

)& - & / $ 3 +,$& !

& 3 * ! ( &

& & 0 %

%

I 6 7 8 0 . . 4 $ J @ & &; < . = ; K L / = ; M $ @ 0 $ N / @ $ / / O$ @ & $ 0 $ @ ; > 0 ; ? KP & !!

. & &; < @ . = ; 6 7 8 0 . . 4@ B0 4 / = ; / = = ; . @ & 0 & = & K P Q = ; $ @ & ; 0 & @ P =

5& 3 % $ &

5& 3 ' & ( !

5& 3 # ) & ' $

0 & %

%

&0 %

4 & P 6 7 8 0 R & 6 / . . 4 M(!)+ O 70 R 7 8 0 M66 4$ & = (!)* O P R & 6 / . . 4

13

NR 3/2015

14

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 15–21, DOI: 10.14313/PAR_232/15

K& N & / = Wojciech Kaczmarek S $ $ R -)$ ! @*(! R

6& 5 & # 7! . R $ R & # < = A $ 6 " A # $ E (?$ !!@--' R

' " 8;5 ! J B & " = E K& 8 $ J R #$ A & ?$ !(@!!' R

Renata Szczepaniak 7 & R S$ = ) $ ?)@ !! IK0 T;

#& ! - ( / R # & $ J 6 = $ " = ;0 R $ E = & '*$ !(@!!- R

& ! < Artykuł przedstawia obecnie stosowane urządzenia wspomagające proces rehabilitacji kręgosłupa. Urządzenia te opisano w układzie od najprostszych do najbardziej złoşonych, jednocześnie wskazując na pewien trend rozwojowy. Pokazuje on, şe rozwój tych urządzeń przebiega od prostych pomocy mechanicznych w kierunku coraz bardziej skomplikowanych urządzeń mechatronicznych wyposaşonych w czujniki pomiarowe oraz komputery zbierające i analizujące dane pomiarowe celem określenia postępu w rehabilitacji pacjenta. Zestawienie funkcji poszczególnych urządzeń pokazuje, şe coraz więcej urządzeń wykorzystuje analizę komputerową danych zapisanych w trakcie zabiegów, co skutkuje praktycznie juş pełną automatyzacją procesu leczenia. Zaletą jest moşliwość przeprowadzenia tego zabiegu pod kontrolą terapeuty oraz analiza postępów tego procesu dzięki informacjom zebranych z układów pomiarowych. - [ 0; = $ $ & = $ $ & 0 4 0 = $ & $ =

1. Wprowadzenie Istotnym działem fizjoterapii jest mechanoterapia [1], czyli leczenie, podczas którego wykorzystane są specjalnie skonstruowane urządzenia mechaniczne pozwalające na wykonanie i rejestrację przebiegu dedykowanych ćwiczeń kinezyterapii [2]. Dzięki temu moşna przywrócić i zrównowaşyć napięcie mięśniowe i uzyskać stabilizację kręgosłupa. Tego typu urządzenia są dedykowane do wspomagania m.in. rehabilitacji skrzywień bocznych, korekcji wad postawy, leczenia skolioz [3], oraz wszelkiego rodzaju dysfunkcji kręgosłupa spowodowanych przeciąşeniami dnia codziennego.

) [

R J $ %0 ) & (+ !' (!)* $ & & (- !- (!)*

!

Obecnie na rynku znajduje się szereg rozwiązań technologicznych wspomagających proces rehabilitacji człowieka. Autorzy prezentują wybrane urządzenia dedykowane rehabilitacji kręgosłupa skupiając się na wybranych funkcjonalnościach istotnych zarówno z punktu inşynierskiego, jak teş i rehabilitacyjnego. Istotną rolę w ocenie kinezjologicznej pracy mięśnia odgrywają równieş urządzenie wykorzystujące badanie powierzchniowe EMG, oraz urządzenia umoşliwiające biosprzęşenie i inne leczenie terapeutyczne. Dają one moşliwość oceny m.in.: koordynacji pracy mięśni, aktywności mięśni, stopnia zmęczenia oraz pomiaru wzmoşonego napięcia odruchowego w zaleşności od odczuwania stopnia bólu. W rozwaşaniach Autorów są one mniej istotne, dlatego skupiono się na przedstawieniu tych rozwiązań, które kształtują pracę mięśnia mechanicznie dzięki sile fizycznej pacjenta.

(% !

Jedną z najprostszych konstrukcji przeznaczonych do ćwiczeń asymetrycznych w trzech płaszczyznach, oraz do korekcji wad postawy — skolioz jest ŝuraw (Rys. 1). Urządzenie składa się

15

Z ( ( ( G ( ) &" $

Rys. 1. UrzÄ…dzenie do rehabilitacji Ĺťuraw Fig. 1. Rehabilitation device Ĺťuraw

Rys. 2. UrzÄ…dzenie do rehabilitacji AZBR Fig. 2. Rehabilitation device AZBR

Rys. 3. Elongator Bocian Fig. 3. Elongator Bocian

z zestawu bloczków rehabilitacyjnych, tzn. miękkich obciąşników o masie 1 kg zamocowanych na specjalnych zaczepach, co pozwala równieş na wykonywanie ćwiczeń ogólnorozwojowych. Zblişonym konstrukcyjnie urządzeniem do ŝurawia jest AZBR (Asymetryczny Zestaw Bloczków Rehabilitacyjnych). Podstawową jego funkcją jest czynna korekcja skolioz (Rys. 2) przez rozciąganie mięśni strony „wgłębionej� skrzywienia i skracanie mięśni strony „wypukłej�. Istotną rolę w czasie ćwiczenia odgrywa tzw. kifotyzacja kręgosłupa wymuszana przez zastosowanie wspornika o półokrągły kształcie. Niesymetryczna regulacja bloczków, znajdujących się po prawej i lewej stronie urządzenia, pozwala przy zmianach rotacyjnych na oddziaływanie derotacyjne, aby bardziej obciąşyć stronę „wypukłą�. Elongator Bocian (Rys. 3) słuşy do wykonywania ćwiczeń rozciągających oraz ćwiczeń w odciąşeniu, przy których osoba ćwicząca wydłuşa kręgosłup w jego osi długiej. Pacjent moşe wykonywać ćwiczenia w pozycji stojącej lub klęczącej a informacja o przyjęciu nieprawidłowej pozycji sygnalizowana jest dźwiękiem. Konik i Konik Plus (Rys. 4) to wielofunkcyjne przyrządy przeznaczone do ćwiczeń ogólnorozwojowych i korekcyjno-kompensacyjnych. Umoşliwiają rozciąganie odcinka lędźwiowo-krzyşowego kręgosłupa z jednoczesnym kształtowaniem mięśni grzbietu,

Rys. 5. WyciÄ…g grawitacyjny PajÄ…k Fig. 5. Gravity lift PajÄ…k

16

P

obrÄ™czy biodrowej i poĹ›ladkĂłw oraz brzucha. DziÄ™ki zastosowaniu dodatkowej nakĹ‚adki kifotyzujÄ…cej o nazwie kaczka moĹźna zapewnić prawidĹ‚owÄ… pozycjÄ™ wyjĹ›ciowÄ… podczas ćwiczenia. Do wykonywania ćwiczeĹ„ wzmacniajÄ…cych mięśnie obrÄ™czy barkowej oraz mięśnie brzucha i grzbietu moĹźna skorzystać z wyciÄ…gu grawitacyjnego PajÄ…k (Rys. 5). DziÄ™ki pozycji zwisu z podparciem na przedramiona moĹźna w stosunkowo Ĺ‚atwy sposĂłb dobrać pozycjÄ™ wyjĹ›ciowÄ…, a tym samym uzyskać korekcjÄ… wad klatki piersiowej oraz skrzywieĹ„ bocznych krÄ™gosĹ‚upa. PajÄ…k jest szczegĂłlnie polecany dzieciom i mĹ‚odzieĹźy z obniĹźonÄ… siĹ‚Ä… mięśniowÄ…. Ĺ awka symetryzujÄ…ca Jaskółka (Rys. 6) to proste urzÄ…dzenie gimnastyczne, ktĂłre umoĹźliwia ćwiczenia ogĂłlnorozwojowe i korekcyjne. DziÄ™ki specjalnym zaczepom moĹźna zamocować Ĺ‚awkÄ™ do drabinki pod kÄ…tem z zakresu (0°âˆ’90°) uzyskujÄ…c odpowiednie odciÄ…Ĺźenie pacjenta. Stosownie dobrane ćwiczenia wzmacniajÄ… mięśnie obrÄ™czy barkowej, grzbietu, brzucha i koĹ„czyn. Konstrukcja Ĺ‚aweczki umoĹźliwia zdjÄ™cie jednej części tapicerowanej i wykonanie ćwiczeĹ„ przy pomocy wĂłzka, co zwiÄ™ksza zakres wykorzystania tego urzÄ…dzenia. Do ćwiczenia retrakcji gĹ‚owy oraz krÄ™gosĹ‚upa szyjnego moĹźna skorzystać z urzÄ…dzenia o nazwie Pingwin (Rys. 7). Regulacja poĹ‚oĹźenia krzeseĹ‚ka zapewnia dobĂłr odpowiedniej

Rys. 6. Šawka symetryzująca Jaskółka Fig. 6. Symmetrifying bench Jaskółka

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Rys. 4. Przyrząd do wzmacniania mięśni grzbietu — Konik i Konik Plus Fig. 4. Device to activate back muscle — Konik i Konik Plus

A

T

Rys. 8. UrzÄ…dzenie ComforTrac Fig. 8. Medical device ComforTrac

Rys. 7. Urządzenie do retrakcji głowy Pingwin Fig. 7. Head retraction device Pingwin

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

! " # $ %&" ' ( )

Rys. 9. Układ powieszenia SET Fig. 9. Sling Exercise Device

odlegĹ‚oĹ›ci od urzÄ…dzenia i uzyskanie prawidĹ‚owej pozycji wyjĹ›ciowej do ćwiczeĹ„. ComforTrac (Rys. 8) to innowacyjne urzÄ…dzenie do przeprowadzenia zrĂłwnowaĹźonej trakcji (rozciÄ…gania) krÄ™gosĹ‚upa szyjnego lub lÄ™dĹşwiowego w zakresie siĹ‚y od 1 kG do 90 kG. Jest ona prowadzona w sposĂłb peĹ‚ni komfortowy dla pacjenta, w pozycji pronacji i supinacji na aktywnie rozsuwanym, dwuczęściowym leĹźysku. Sling Exercise Therapy (SET) to urzÄ…dzenie umoĹźliwiajÄ…ce leczenie rehabilitacyjne w odciÄ…Ĺźeniu dziÄ™ki zastosowaniu podwieszenia bazujÄ…cÄ… na Norweskiej Szkole ĆwiczeĹ„ (Rys. 9). Derotator i Korektor Skolioz Delfin (Rys. 10) autorstwa dr. Janusza Ĺ Ä™czyĹ„skiego sĹ‚uĹźy do zachowawczego leczenia skolioz u dzieci w wieku 6−18 lat dziÄ™ki aktywnemu zaangaĹźowaniu siĹ‚y ćwiczÄ…cego rĂłwnieĹź w warunkach domowych. UrzÄ…dzenie oddziaĹ‚uje derotujÄ…co, korygujÄ…co i redresyjnie na oba Ĺ‚uki skrzywienia rĂłwnoczeĹ›nie oraz kifozujÄ…co na caĹ‚y krÄ™gosĹ‚up. OptymalnÄ… korekcjÄ™ krÄ™gosĹ‚upa uzyskuje siÄ™ u dzieci ze skrzywieniem do 40° wg kÄ…ta Cobba. Wielkość siĹ‚y nacisku mat naciskowych detektora oraz systematyczność ćwiczeĹ„ sÄ… czynnikami decydujÄ…cymi o wyniku koĹ„cowej fizjoterapii. Octagym (Rys. 11) umoĹźliwia przeprowadzenie treningu i wielowymiarowej terapii przeznaczonej dla mięśni grzbietowych i poĹ›ladkowych. UrzÄ…dzenie moĹźna zablokować w ponad 570 pozycjach, co 15° w obrÄ™bie peĹ‚nej sfery kuli urzÄ…dzenia i wykonywać wszelkie ćwiczenia z rehabilitantem, ktĂłry uĹ‚atwia prawidĹ‚owość sekwencji ruchu. W zaleĹźnoĹ›ci od poĹ‚oĹźenia kÄ…towego osoba ćwiczÄ…ca ma mniej lub bardziej odciÄ…Ĺźony krÄ™gosĹ‚up. UrzÄ…dzenie SKOL-AS sĹ‚uĹźy do trĂłjpĹ‚aszczyznowej terapii skolioz, dzieci i mĹ‚odzieĹźy w pozycji leşącej (Rys. 12), u ktĂłrych skrzywienie dochodzi do 40° wedĹ‚ug Cobba. Rehabilitacja odbywa siÄ™ przez stymulacjÄ™ biernego i czynnego ukĹ‚adu stabilizujÄ…cego krÄ™gosĹ‚up; stymulacjÄ™ struktur ukĹ‚adu nerwowego (reedukacji wzorcĂłw ruchowych) i odpowiedniemu aktywowaniu funkcji ruchowych. Elementami oddziaĹ‚ujÄ…cymi na pacjenta sÄ… peloty, wskazanie manometru od pierwszego momentu terapii daje informacjÄ™ zwrotnÄ… odnoĹ›nie poprawnoĹ›ci wykonywania ćwiczeĹ„ terapeutycznych. UmoĹźliwia pozyskanie informacji zwrotnej o wykonywanym ruchu korekcyjnym. Stanowi wiÄ™c aspekt sprzęşenia zwrotnego, angaĹźujÄ…cego ukĹ‚ad nerwowy pacjenta, ktĂłry w ten sposĂłb moĹźe uczyć siÄ™ autokorekcji. System Manual-Reflexive Concept of Scoliosis Treatment (MRCST) to specjalnie przygotowana klatka o wymiarach 180 cm Ă— 100 cm Ă— 70 cm wyposaĹźona w system pomiarowy

Rys. 10. Derotator i Korektor Skolioz Delfin Fig. 10. Derotator and Corrector Scoliosis Delfin

Rys. 11. UrzÄ…dzenie do rehabilitacji Octagym Fig. 11. Rehabilitation device Octagym

Rys. 12. Urządzenie do rehabilitacji w pozycji leşącej SKOL-AS Fig. 12. Rehabilitation device SKOL-AS

17

Z ( ( ( G ( ) &" $

Rys. 13. UrzÄ…dzenie do rehabilitacji MRCST [10] Fig. 13. Rehabilitation device MRCST [10]

Rys. 15. Dynamiczny Korektor Kręgosłupa Fig. 15. Dynamic Spinal Corrector

zademonstrowaĹ‚y, Ĺźe moĹźe prowadzić do niemal peĹ‚nego wyleczenia pacjentĂłw z duĹźymi skoliozami tj. powyĹźej 25° [11]. Dynamiczny Korektor KrÄ™gosĹ‚upa (DKK) wykorzystuje ruch rotacyjny krÄ™gosĹ‚upa wzdĹ‚uĹź jego osi dĹ‚ugiej co pozytywnie oddziaĹ‚uje na wszystkie stawy miÄ™dzykrÄ™gowe (Rys. 15). Aby zwiÄ™kszyć efektywność ćwiczenia, pacjenta umieszcza siÄ™ w lekkiej trakcji grawitacyjnej. ModuĹ‚ podstawowy urzÄ…dzenia jest zĹ‚oĹźony z odpowiedniej liczby podatnych segmentĂłw ruchomych pozwalajÄ…cych na podporowe, negatywowe odtworzenie ksztaĹ‚tu plecĂłw na caĹ‚ej ich dĹ‚ugoĹ›ci, w szczegĂłlnoĹ›ci w zakresie krzywoĹ‚ukowych krzywizn poprzecznych i podĹ‚uĹźnych. DziÄ™ki temu moĹźna uzyskać dynamiczne wyĹ›rodkowanie wyrostkĂłw kolczystych wzdĹ‚uĹź ich linii naturalnych. Realizacja wymaganych ruchĂłw krÄ™gosĹ‚upa odbywa siÄ™ w pozycji leşącej i jest wymuszana przez odpowiednio zsynchronizowane, naprzemienne ruchy koĹ„czyn gĂłrnych i dolnych pacjenta. Wymaga to dynamicznego, ruchowego zaangaĹźowania prawie caĹ‚ego ciaĹ‚a [6–9].

(%M% # < Zestawienie funkcji poszczególnych urządzeń zostało zaprezentowane w tabeli 1. Bez wątpienia wszystkie przyrządy i urządzenia wymagają nadzoru bądź szczegółowego przeszkolenia przed uşyciem przez fizjoterapeutę. Wyjątkiem wydaje się być urządzenia ComforTrac, które jeśli pacjent przestrzega instrukcji obsługi moşe uşywać samodzielnie. Kaşdy pacjent przed wejściem na urządzenie powinien wykonać rozgrzewkę tak aby wysiłek fizyczny nie powodował kontuzji. Zwłaszcza przy urządzeniach wykorzystujących siłę grawitacji w celu elongacji kręgosłupa czyli: Bocianie, Pająku, Jaskółce, Pingwinie, SET – terapii, Delfinie, urządzeniu: Octagym, SKOL-AS, MRCST, FED i DKK. Kolejne waşne elementy w szeroko pojętej rehabilitacji kręgosłupa to regulacje połoşenia i obciąşenia ruchu. Tylko sześć urządzeń na piętnaście ma obie te cechy, a tylko jedno z nich dostosowuje się automatycznie. Najwaşniejszą z punktu totalnej fizjoterapii wydaje się funkcja pracy w zamkniętych lukach kinematycznych, dająca najskuteczniejsze moşliwości rehabilitacyjne zwłaszcza w utrwalaniu poprawnej sylwetki bodźcując układ nerwowo-mięśniowy, tworząc pamięć ruchową. Tę funkcję umoşliwia aş siedem urządzeń.

Rys. 14. Bezinwazyjne leczenie skolioz metodÄ… FED Fig. 14. Non-invasive treatment of scoliosis by the FED method

dedykowana do wspomagania leczenia skolioz (Rys. 13). Dzięki systemowi pasów z napinaczami umieszczonymi po przeciwległych stronach urządzenia moşna wymuszać zginanie i boczne miednicy, rotację kręgów, rotację i wychylenia obręczy barkowej [4, 5, 10]. FED System wykorzystuje nowatorskie podejście do rehabilitacji polegające na tzw. odwrócenie sił deformujących kręgosłup (Rys. 14). Taką korekcję uzyskuje się dzięki unieruchomieniu miednicy i fragmentów kręgosłupa (fixatio), odciąşeniu i wydłuşeniu kręgosłupa (elongatio), oraz przyłoşeniu siły działającej w celu odwrócenia siły wywołujące patologiczną rotację kręgów (derotatio). Metoda ta znalazła zastosowanie w leczeniu skolioz jednołukowych, dwułukowych i mieszanych, a takşe przy leczeniu wad postawy typu: plecy płaskie, okrągłe, wklęsłe, okrągło-wklęsłe. Moşe być stosowana u małych dzieci, młodzieşy jak i osób dorosłych. Program zawiera ćwiczenia korekcyjne, hiperkorekcyjne, autokorekcyjne, uelastyczniające, mięśniowe, rozluźniające i oddechowe. Badania prowadzone w Barcelonie

18

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

\% Wykorzystanie urządzeń mechaniczny w procesach rehabilitacyjnych niesie za sobą wiele korzyści. Pozwala na powtarzalne, synchroniczne wykonywanie ćwiczeń, które dzięki aparaturze pomiarowej moşe być rejestrowane i wykorzystane do oceny ilościowej postępów rehabilitacji. Wśród zaprezentowanych A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

! " # $ %&" ' ( )

Praca w zamkniętym łańcuchu kinematycznym

2

AZBR

‍؜‏

3

Bocian

‍؜‏

4

Konik (Plus)

‍؜‏

5

PajÄ…k

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

6

Jaskółka

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

7

Pingwin

‍؜‏

‍؜‏

8

ComforTrac

9

Sling Excersice Therapy

‍؜‏

10

Delfin

11

Automatyczny zapis ćwiczenia

‍؜‏

Oczujnikowanie

Ĺťuraw

Regulacja obciÄ…Ĺźenia

Konieczność nadzoru podczas ćwiczenia

1

L.p.

Regulacja ruchu, połoşenia

Nazwa urzÄ…dzenia

Wykorzystanie grawitacji w celu elongacji

Tabela 1. Zestawienie cech funkcjonalnych urządzeń rehabilitacyjnych Table 1. Functional features of the analysed rehabilitation devices

‍؜‏

‍؜‏ ‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

Octygym

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

12

SKOL-AS

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

13

MRCST

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

14

FED

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

‍؜‏

15

DKK

‍؜‏

‍؜‏

autom.

autom.

‍؜‏

reg.

‍؜‏

rządzeń nie ma tego jedynego, doskonałego dla dowolnego pacjenta z chorobą kręgosłupa. Artykuł jest aktualnym, usystematyzowanym źródłem wiedzy. Być moşe będzie impulsem do stworzenia nowego rozwiązania, które dzięki oczujnikowaniu i automatycznemu zapisowi wykonanych ruchów daje moşliwość zbierania danych statystycznych pozwalających wykazać postępy rehabilitacyjne i uprościć statystykę ewidencji postępów w zakresie terapii medycznej.

‍؜‏ ‍؜‏ ‍؜‏

‍؜‏

Autorzy dziękują firmom: TERMA Sp. z o.o. z Gdańska; OPIW Sprzęt Rehabilitacyjny PHU Kazimierz Ligas z siedzibą w Chrząstowicach, Comfortrac.net; firmie handlowej bitmed.pl i rekomat-sport.pl; oraz twórcy metody FED – panu Santos Sastre Fernåndez i twórcy metody MRCST – panu Jackowi Staniszewskiemu za udostępnienie materiałów i zgodę na publikację ilustracji.

19

Z ( ( ( G ( ) &" $

Bibliografia 8. Mianowski K., Kaczmarek W., KamiĹ„ski G., RosoĹ‚ek R., StaĹ„czuk M., Stanowisko do rehabilitacji krÄ™gosĹ‚upa metodÄ… dynamicznÄ…, „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, Vol. 19, Nr 4, 2015, 55–62, DOI: 10.14313/PAR_218/55. 9. Kaczmarek W., KamiĹ„ski G., Mianowski K., RosoĹ‚ek R., GoĹ‚aszewski T., Woch M, GĹ‚yda K., Risk assessment system in the production process of Medical devices on the basis of dynamics spine corrector, “Journal of Polish Safety and Reliability Associationâ€?, Vol. 8, No. 1, 2017, 67–72. 10. Klimowski K., Staniszewki J., DruĹźdĹź A., Bryl A., Sauer P., Studium wykonalnoĹ›ci obiektywnej oceny skutecznoĹ›ci zabiegu rehabilitacji skoliozy z wykorzystaniem inercyjnego systemu pomiarowego, Konferencja Roboty Medyczne, PoznaĹ„ 2015. 11. Sastre FernĂĄndez S., Lapuente J.P., Manuel B., MĂŠtodo F.E.D. (resultados con 174 casos), El Peu, ISSN 0212-7709, Vol. 23, 2003, 66–74.

1. Paśniczek R., Bioinşynieria w rehabilitacji narządu ruchu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2014. 2. Neumann H.-D., Medycyna manualna, Państwowy Zakład Wydawnictw Lekarskich, 1992. 3. Fernandez S. S., Metoda leczenia skolioz, kifoz i lordoz, Wydawnictwo Markmed Rehabilitacja s. c. 2008. 4. Suchanowski A., Stolarz A., Trójczynnikowo-trójpłaszczyznowa korekcja bocznych skrzywień kręgosłupa, „Rehabilacja w praktyce� 2014, 1:30–3. 5. Staniszewski J., Rewolucyjne leczenie skolioz. Skuteczna metoda MRCST dzieci i dorosłych, Skolio 2015. 6. Kaczmarek W., Šęgosz P., Szczepaniak R., Lipińska A., Mucha K., Nowe urządzenie do Dynamicznej Korekcji Kręgosłupa (DKK): wskazania i przeciwwskazania, „Fizjoterapia Polska� 2018, 4. 7. Kaczmarek W., Mianowski K., Kamiński G., Rosołek R., Stańczuk M., Urządzenie do Korekcji Kręgosłupa i System Pomiarowy, PL 229766, 2018.

# I & . . / I / $! & < The article presents currently used devices supporting the process of spine rehabilitation. These devices are described in the arrangement from the simplest to the most complex ones, at the same time indicating a certain development trend. It shows that the development of these devices proceeds from simple mechanical ones that only help in the rehabilitation process towards more and more complicated mechatronic devices which are equipped with measuring sensors and computers for collecting and analyzing measurement data in order to determine the progress of patient’s rehabilitation. A summary of the functions of individual devices is shown in the table, which shows that more and more devices use autotherapy as a tool to recover lost health. The undoubted advantage of this form is the ability to carry out this operation independently under the supervision of the therapist and to analyze the progress of this process thanks to the information collected from the measurement systems. Keywords[ 0 $ $ & $ $ / 0 / U $ @ & U ne

20

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

! " # $ %&" ' ( )

mgr Wojciech Kaczmarek

5& 3 6& 5 & # 7!

%0

= = % &

70 J 4 V @ B& )*+X . & K / K @ & & " ; & K@ & & I J J = @ 8 & . E # I R @ # & $ R & E & R & # # &

70 R & # $ < @ = A . R @ R (!)) = @ P T ; 0 K & ; 0 ; & Q 4 =;

& ' " 8;5 !

dr n. med. Renata Szczepaniak

= % &

% & / /

B & @J J @ B & " = E K& 8 R = # & = J I @ K > J R # 7& $ @& & R @ = # & =

V $ 0 @ 66 $ 0 7 & R V = R B& (* K . 0 @ # & $ @ K 0 & & K@ / ;0 @ =

)& - & / $ #& ! - ( / / % & 70 R = @ # & = ;0 $ / = @ = B& )**X J 6 = $ " @ = ;0 R R #

21

NR 3/2015

22

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 23–28, DOI: 10.14313/PAR_232/23

J 0 ; = & &; & = &5/ & + & ! $ ' ' & . 8 6= = Y $ J & # 8 0 $ 7 . 4 ; R +$ '@*'* 8 ;

Streszczenie: W artykule przedstawiono przegląd istniejących rozwiązań do programowania i symulacji pracy robotów przemysłowych. Zaprezentowano informacje dotyczące sterowników PLC, sposobów ich programowania oraz standardu komunikacyjnego OPC. Zbudowano strukturę komunikacji między oprogramowaniem RobotStudio a narzędziem słuşącym do symulacji układów automatyki – Automation Studio. Przeprowadzono symulację działania oraz testy zaprojektowanego oprogramowania dla przykładowego stanowiska zrobotyzowanego. Połączono wirtualny kontroler robota przemysłowego ze sterownikiem PLC, dla którego program napisano w Automation Studio. - [ & & B. $ $ $ .A $ 0

1. Wprowadzenie Kontrolery robotĂłw mogÄ… komunikować siÄ™ z zewnÄ™trznymi urzÄ…dzeniami, np. sterownikami PLC oraz komputerami PC za pomocÄ… moduĹ‚Ăłw wejść/wyjść lub innych standardĂłw komunikacyjnych. DziÄ™ki temu urzÄ…dzenia mogÄ… sprawować nadzĂłr nad jednostkÄ… manipulacyjnÄ… robota, wpĹ‚ywać na parametry systemu, komunikować siÄ™ z systemami zarzÄ…dzania produkcjÄ… itd. CzÄ™sto do komunikacji z kontrolerami robotĂłw wykorzystuje siÄ™ rodzinÄ™ protokoĹ‚Ăłw TCP/IP [2, 3]. PostÄ™pujÄ…ca automatyzacja, upowszechnienie robotĂłw oraz standardĂłw komunikacyjnych rozpowszechnia wdraĹźanie koncepcji PrzemysĹ‚u 4.0 [1, 8, 9]. W celu poĹ‚Ä…czenia róşnych standardĂłw komunikacyjnych opracowano OPC. Standard ten definiuje sposoby komunikacji miÄ™dzy urzÄ…dzeniami. Pozwala uniezaleĹźnić oprogramowanie uĹźytkowe od producentĂłw oprzyrzÄ…dowania. Do zalet tego typu rozwiÄ…zania moĹźna zaliczyć: standary-

Rys. 1. Integracja róşnych urzÄ…dzeĹ„ i systemĂłw automatyki przed i po wprowadzeniu specyfikacji OPC Fig. 1. Integration of various devices and automation systems before and after the introduction of the OPC specification

) [

. . $ % & ) & )? !' (!)* $ & & (+ !- (!)*

!

zację komunikacji oraz wymiany danych, spełnienie warunku skalowalności rozwiązań, obnişkę kosztów integracji duşych systemów [7]. Obecnie występuje kilkanaście rozwiązań zastosowania standardu OPC w przemyśle. Przykłady omówione w dalszej części artykułu prezentują, w jaki sposób moşna ten standard wykorzystać do usprawnienia funkcjonowania produkcji oraz akwizycji danych. Jednym z przykładów jest wykorzystanie standardu OPC w przemyśle papierniczym. Istotnym elemen-

23

+ ( O ( $ ( " ( + $ O (

Rys. 2. Przykładowy system monitorowania stanu środowiska Fig. 2. Exemplary system for monitoring the state of the environment

tem podczas budowy sytemu sterowania byĹ‚a konieczność uzyskiwania danych z dwĂłch róşnych ĹşrĂłdeĹ‚. Sterownik PLC marki Siemens zastosowano dla systemu uzdatniania wody, z ktĂłrego dane trzeba byĹ‚o przekazać do systemu sterowania ABB Advant. PoczÄ…tkowo komunikacja miaĹ‚a wykorzystać sieć Profibus, okazaĹ‚a siÄ™ jednak kosztowna i czasochĹ‚onna. Najlepszym rozwiÄ…zaniem dla przedsiÄ™biorstwa okazaĹ‚o siÄ™ zastosowanie serwera OPC KEPServerEX firmy KEPWare, ktĂłry obsĹ‚uguje sterowniki marki Siemens. Na rys. 1 przedstawiono schematycznie komunikacjÄ™ miÄ™dzy serwerami OPC [10]. Kolejnym przykĹ‚adem jest zastosowanie architektury klient-serwer w systemie monitorowania stanu Ĺ›rodowiska. System monitorowania zrealizowano wykorzystujÄ…c program komunikacyjny OPC. UkĹ‚ad komunikacyjny miÄ™dzy systemem SCADA a koncentratorem oparto na serwerze OPC i kliencie OPC. Natomiast komunikacja miÄ™dzy systemem SCADA a koncentratorem Echelon typu iLon100 (SmartServer) odbywa siÄ™ za pomocÄ… sieci Ethernet. Do koncentratora iLon100 podpiÄ™to przykĹ‚adowo zamodelowanÄ… sieć skĹ‚adajÄ…cÄ… siÄ™ z trzech czujnikĂłw: temperatury, wilgotnoĹ›ci i oĹ›wietlenia oraz sterownikĂłw we/wy analogowych i sterownikĂłw we/wy dwustanowych, co zaprezentowano na rys. 2 [6]. Przeprowadzone testy funkcjonowania oraz dziaĹ‚ania systemu potwierdziĹ‚y przydatność zaprezentowanego rozwiÄ…zania.

Poszerzonym standardem COM jest standard interfejsu programistycznego DCOM (ang. Distributed COM). Standard DCOM umoşliwia przepływ danych za pośrednictwem sieci wykorzystując protokół TCP/IP, podczas gdy COM odnosi się do komunikacji na serwerze lokalnym. DCOM zastępuje protokołem sieciowym komunikację lokalną między procesami, uşywając technologii DCE RPC (ang. Distributed Comuting Enviromental/Remote Procedure Call) [4]. Standard OPC opiera się na architekturze klient/serwer (Rys. 3). Klient OPC moşe pracować jako moduł, który umoşliwia aplikacjom np. Excel korzystać z danych OPC.

Rys. 3. Koncepcja architektury OPC [5] Fig. 3. OPC architecture concept [5]

(% "

8& 6 & Specyfikacja standardu OPC bazuje na mechanizmie OLE, który korzysta z technologii COM (ang. Component Object Model) tworzenia oraz definiowania interfejsów programistycznych na poziomie binarnym. Standard COM umoşliwia efektywną komunikację między aplikacjami. Definiuje komponenty programowe niezaleşnie od języka programowania, umoşliwiając dołączenie do aplikacji fragmentów naleşących do innych programów.

24

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Rys. 4. Okno konfiguracji OPC DA Fig. 4. OPC DA configuration window

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

* " ( + ,

Rys. 6. Schemat połączenia zbudowanego systemu komunikacji Fig. 6. The connection diagram of the built-in communication system

Rys. 5. Widok okna do połączenia się z serwerem OPC Fig. 5. Window view to connect to the OPC server

Rys. 7. Widok stanowiska do paletyzacji Fig. 7. View of the palletizing station

W ramach pracy zdecydowano siÄ™ skomunikować kontroler IRC5 ze sterownikiem PLC. W zaprezentowanym przypadku kontroler komunikuje siÄ™ za pomocÄ… standardu OPC DA ze sterownikiem PLC, wykorzystujÄ…c do komunikacji standard OPC UA. Realizacja poĹ‚Ä…czenia jest moĹźliwa przy uĹźyciu programu Cogent DataHub. Konfiguracja poĹ‚Ä…czenia w programie Cogent DataHub jest moĹźliwa dziÄ™ki uprzedniemu przygotowaniu Ĺ›rodowisk RobotStudio oraz Automation Studio, ktĂłre opisano w późniejszych rozdziaĹ‚ach. W celu nawiÄ…zania poĹ‚Ä…czenia z kontrolerem robota naleĹźy wybrać w oknie gĹ‚Ăłwnym programu zakĹ‚adkÄ™ OPC DA, na ekranie wyĹ›wietli siÄ™ okno zaprezentowane na rys. 4. Po wyĹ›wietleniu okna widoczne sÄ… aktywne poĹ‚Ä…czenia oraz ich stan, co umoĹźliwia nawiÄ…zanie komunikacji z kontrolerem robota za pomocÄ… elementĂłw zakĹ‚adki Add (Rys. 5). Po rozwiniÄ™ciu listy OPC Server Name wyĹ›wietli siÄ™ lista dostÄ™pnych serwerĂłw. W tym przypadku bÄ™dzie to serwer ABB IRC5. Po zaznaczeniu wymaganych opcji kontroler robota jest podĹ‚Ä…czony i dane sÄ… gotowe do uĹźycia. PoĹ‚Ä…czenie sterownika PLC przez OPC UA odbywa siÄ™ w zakĹ‚adce OPC UA (Rys. 4).

\%

! + - W ramach artykułu zaprojektowano strukturę komunikacji między oprogramowaniem RobotStudio a narzędziem słuşącym do symulacji układów automatyki – Automation Studio z wykorzystaniem standardu OPC. Na rysunku 6 przestawiono schemat zaprojektowanego systemu komunikacji. W celu weryfikacji działania zaprojektowanego schematu komunikacji między sterownikiem PLC a kontrolerem robota zbudowano przykładowe stanowisko do paletyzacji. Przedmiotem są pudełka kartonowe o wymiarach 390 mm × 250 mm × 250mm. Widok zaprojektowanego stanowiska w środowisku RobotStudio przedstawiono na rys. 7. Stanowisko wyposaşono w manipulator ABB IRB 460, chwytak podciśnieniowy, przenośnik rolkowy oraz przenośnik łańcu-

chowy. Zadaniem przenośnika rolkowego jest transport pudełek do miejsca poboru przez manipulator. Na przenośniku łańcuchowym umieszczane są palety. Zadaniem manipulatora wyposaşonego w chwytak podciśnieniowy jest transport pudełek na palety.

4. Budowa oprogramowania za pomoc narzędzi do symulacji układów automatyki W opisanym w artykule stanowisku, do oprogramowania sterownika PLC zastosowano środowisko developerskie Automation Studio, które słuşy do konfiguracji oraz programowania komponentów wyprodukowanych przez firmę B&R. Budowę oprogramowania sterownika w środowisku Automation Studio rozpoczęto od utworzenia nowego projektu oraz wyboru kontrolera. Istotnym etapem jest wybór z toolboxa pliku, w jakim pisany będzie program, tj. język drabinkowy (Ladder Diagram), co przedstawiono na rysunku 8. Kolejnym krokiem było dodanie potrzebnych sygnałów oraz stałych w oknie Variables, które są dostępne w sekcji Program. Program został utworzony przez dodawanie kolejnych linii oraz uzupełnianie ich odpowiednimi elementami. Po utworzeniu programu zostanie on skompilowany, dzięki czemu moşna sprawdzić poprawność jego działania. Następnym etapem była konfiguracja komunikacji zgodnie ze standardem OPC UA. W tym celu w eksploratorze projektu naleşy wybrać widok fizyczny (Physical View). Kolejnym

Rys. 8. Wybór języka programowania Fig. 8. Selection of programming language

25

+ ( O ( $ ( " ( + $ O (

Rys. 9. Widok okna konfiguracji Fig. 9. View of the configuration window

Rys. 10. Okno wyboru zmiennych do komunikacji Fig. 10. Selection window for variables for communication

Rys. 11. Pobór pudełek przez manipulator Fig. 11. Collection of boxes by the manipulator

krokiem jest aktywacja komunikacji w zakładce OPC-UA System. W opcji Network Settings naleşy wpisać port potrzebny do komunikacji. Po ustaleniu wszystkich opcji wybieramy widok konfiguracyjny (Configuration View) przedstawiony na rys. 9. W tej sekcji rozwinięto folder modelu sterownika (X20CCP1584) i w zakładce Connectivity wybrano OPC UA Default View File, co pozwoli na udostępnienie zmiennych. W utworzonym programie wybiera się odpowiednie Tagi dostępne w menu Enable Tags, co zaprezentowano na rys. 10. Po wybraniu odpowiednich zmiennych potrzebnych do komunikacji naleşy skompilować projekt i wgrać go do sterownika. Proces konfiguracji komunikacji za pomocą standardu OPC w środowisku Automation Studio został zakończony.

są na przenośniku rolkowym. Jednocześnie odbywa się proces poboru palety z magazynu za pomocą manipulatora oraz transport na przenośnik łańcuchowy. Zliczanie pudeł realizowane jest dzięki zastosowaniu bramki optycznej. Po przejściu przez bramkę trzech pudeł, przenośnik zatrzymuje się i następuje przygotowanie pudeł do paletyzacji. Odpowiednie ustawienie pudeł umoşliwia siłownik pneumatyczny, który przesuwa je do miejsca poboru przez robota. Na rysunku 11 przedstawiono manipulator, który czeka w pozycji startowej do chwili, kiedy pudełka zostaną ułoşone w odpowiedniej konfiguracji. Kolejnym etapem jest transport pudeł na paletę, który realizowany jest przez robota wyposaşonego w chwytak podciśnieniowy. Algorytm programu tak opracowano, aby po zapełnieniu drugiej warstwy na palecie został wysłany sygnał, który informuje o tym fakcie (Rys. 12). Całym cyklem procesu steruje sterownik PLC firmy B&R, który zgodnie z programem steruje odpowiednimi wejściami/ wyjściami. Fragment kodu programu w języku drabinkowym sterownika PLC pokazano na rys. 13.

V% -

!

oprogramowania Weryfikacja poprawności komunikacji między sterownikiem PLC a kontrolerem robota została zrealizowana na zbudowanym przykładowym stanowisku do paletyzacji pudełek w programie RobotStudio (Rys. 7). W tym celu utworzono odpowiednie oprogramowanie w środowisku Automation Studio, z którym połączono odpowiednie sygnały za pomocą programu Cogent DataHub w standardzie OPC. Całym procesem paletyzacji steruje sterownik PLC, który zarządza odpowiednimi sygnałami wejścia/wyjścia. Wybór polecenia Start na panelu operatorskim uruchamia proces produkcyjny. W zaprezentowanym rozwiązaniu pudełka transportowane

26

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

6. Podsumowanie i wnioski W artykule omówiono opracowany system komunikacji kontrolera robota ze sterownikiem PLC, w którym wykorzystano standard OPC. Zaprojektowano oraz zbudowano wirtualne zrobotyzowane stanowisko realizujące proces paletyzacji w środowisku RobotStudio. A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

* " ( + ,

Rys. 13. Fragment programu sterownika PLC Fig. 13. A fragment of the PLC program

Rys. 12. Widok zrobotyzowanej stacji Fig. 12. View of robotic station

Zbudowano strukturę komunikacji między oprogramowaniem RobotStudio a narzędziem do budowy i symulacji układów automatyki – Automation Studio z wykorzystaniem standardu OPC za pomocą programu Cogent DataHub. Program ten umoşliwia połączenie odpowiednich sygnałów oraz ich transmisję i gromadzenie danych w czasie rzeczywistym. Za sterowanie nadrzędne w zaprezentowanym przykładzie odpowiada sterownik PLC, który zarządza odpowiednimi sygnałami wejścia/wyjścia. Opracowany system komunikacji moşna zastosować do symulacji innych układów automatyki, jak moduły bezpieczeństwa, napędy, sterowniki czy panele HMI. Standard OPC umoşliwia takşe zbieranie i analizę danych, co moşe być istotne podczas kontroli przebiegu procesu produkcyjnego czy technologicznego.

] ! 1. Badurek J., Systemy ERP dla wytwĂłrczoĹ›ci nowej generacji. „PrzedsiÄ™biorstwo we współczesnej gospodarce – teoria i praktykaâ€?, Nr 2, 2014, 79–90. 2. Burghardt A., Kurc K., Szybicki D., Robotic automation of the turbo-propeller engine blade grinding process. “Applied Mechanics & Materialsâ€?, Vol. 817, 2016, 206–213, DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMM.817.206.

3. Kaczmarek W., Panasiuk J., Gospodarczyk K., Wykorzystanie robota przemysłowego do symulacji ruchu obiektu w badaniu optoelektronicznych głowic śledzących. „Mechanik�, R. 86, Nr 7CD, 2013, 287–296. 4. Kwaśniewski J., Sterowniki PLC w praktyce inşynierskiej, Wydawnictwo btc, Legionowo 2008. 5. Szulewski P., Wykorzystanie technologii OPC do udostępniania danych pomiarowych z procesu i obrabiarki. „Mechanik�, R. 88, Nr 8-9CD2, 2015, 614–622, DOI: 10.17814/mechanik.2015.8-9.474. 6. Tomczyk A., Wykorzystanie architektury klient-server w systemach monitorowania stanu środowiska, „Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa�, Nr 48, 2010, 133–136. 7. [www.asimo.pl/teoria/OPC.php]. 8. Szulewski P., Koncepcje automatyki przemysłowej w środowisku Industry 4.0. „Mechanik�, R. 89, Nr 7, 2016, 574– 578, DOI: 10.17814/mechanik.2016.7.221. 9. Wittbrodt P., Šapuńka I., Przemysł 4.0 – Wyzwanie dla współczesnych przedsiębiorstw produkcyjnych. „Innowacje w Zarządzaniu i Inşynierii Produkcji�, Nr 2, 793–799. 10. [https://eia.pg.edu.pl/documents/1113028/0/PSI%20 OPC%20%28OLE%20for%20Process%20Control%29%20 Zastosowania_Wyklad.pdf] pobrano 07.06.2018 r.

/ 6 & 8 0 < Z / / 7 Abstract: The article presents an overview of existing solutions for programming and simulating the work of industrial robots. Information on PLCs, their programming methods and the OPC communication standard has been presented. A communication structure between the RobotStudio software and a tool for simulation of automation systems – Automation Studio was built. Simulated operation and tests of designed software for an exemplary robotic station were carried out. The virtual controller of the industrial robot was connected to the PLC for which the program was written in Automation Studio. Keywords[ B. & &$ & $ $ .A $ 0

27

+ ( O ( $ ( " ( + $ O (

& / $ 3 & = &5/ & )& - '>

& 3 + & ! $

& 0% &

& 0 % &

70 7T[ J M(!!) O R & 6 P # 8 0 @ \ 8 0 # @ R & T; = \ @ Q # = K& . 4 & & @ 0 & @ (!!' R & S & # A . 8 $ & (!)? @ 4 & 0 = &

0 K 0 & K = &@ 4 $ = $ &; @ 0 0 ; $ $ 0 = $ = 0 ; ;

& . & P 4 . 8 6= = Y R (!!*\(!) 0 & ; & # R & S & # A . 8 R (!)? 0 & K & # B& (!)? & & J & # @ 8 0 > = & K R ; 0 & @ 0 = 0 ; @

5& 3 ' ' & % & & 8 & P 4 . 8 6= = Y R @ & (!)-](!)X & & & @ R & S & # A . 8 R J & # 8 0 $ =& 0 @ > \ $ = 0 ;

28

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 29–37, DOI: 10.14313/PAR_232/29

& & Q ( . & ; Zygmunt Lech Warsza Q S & Y \ . 6 7 . ; .67.$ 7 > (!($ !(@?+- R

Jacek Puchalski T ; K& # $ < ($ !!@!!) R

Streszczenie: Dwuczęściowa publikacja przedstawia rozszerzonÄ… wersjÄ™ oceny niepewnoĹ›ci pomiarĂłw wieloparametrowych podanej w Suplemencie 2 do Przewodnika GUM. UwzglÄ™dnia ona wpĹ‚yw skorelowania miÄ™dzy danymi pomiarowymi wielkoĹ›ci bÄ™dÄ…cych elementami mierzonego bezpoĹ›rednio menzurandu. W części 1. omĂłwiono podstawy teoretyczne. Wyznaczono wzory ogĂłlne dla macierzy kowariancji, niepewnoĹ›ci i ich skĹ‚adowych typu A lub/i typu B oraz współczynnikĂłw korelacji obu menzurandĂłw wejĹ›ciowego i szacowanego poĹ›rednio menzurandu wyjĹ›ciowego. RozwaĹźania zilustrowano wykresami dla przypadkĂłw charakterystycznych pomiarĂłw dwuparametrowych. W części 2. omĂłwiono przykĹ‚ady estymacji macierzy kowariancji w pomiarach poĹ›rednich 2D o liniowej funkcji przetwarzania na przykĹ‚adzie sumy i róşnicy oraz o przetwarzaniu nieliniowym wg funkcji kwadratowej – pomiary mocy i dla ilorazu – pomiar rezystancji i moduĹ‚u impedancji. Wykazano, Ĺźe uwzglÄ™dnianie korelacji typu A i B danych pomiarowych, zwiÄ™ksza wiarygodność oceny dokĹ‚adnoĹ›ci pomiarĂłw poĹ›rednich wieloparametrowych. - [ $ & (I$ & ; 7 S$ = $ &@ ;

1. Wprowadzenie W części 1. przedstawiono rozszerzoną metodę szacowania niepewności w pośrednich pomiarach wieloparametrowych. Uwzględnia ona skorelowanie dwu rodzajów: typu A – wyznaczane podobnie, jak składowe niepewności z danych pomiarowych oraz typu B – szacowane heurystycznie. W części 2. omówi się przykłady zastosowania tej metody do wyznaczanie niepewności pomiarów dwuparametrowych (2D) o kilku podstawowych funkcjach przetwarzania: liniowej, kwadratowej, iloczynu i ilorazu. Dla wygody Czytelnika zestawiono podstawowe wzory stosowane w przykładach omawianych w tej części. W pomiarach wieloparametrowych mierzy się bezpośrednio n wielkości ze sobą skojarzonych, które stanowią menzurand

) [

= A R $ )* -%= ) & )* !( (!)* $ & & (+ ! (!)*

!

wejściowy modelowany n-parametrowym wektorem losowym X. Z otrzymanych danych pomiarowych wyznacza się badany pośrednio menzurand wyjściowy opisany m-parametrowym wektorem losowym Y. Oba menzurandy związane są funkcją wielowymiarową Y = F(X). W przypadku ogólnym elementy mierzonego menzurandu X są ze sobą skojarzone i skorelowane. Do oceny dokładności menzurandu Y wyznacza się jego macierz kowariancji UY opisaną wzorem UY = SUXST

(1)

gdzie: S – macierz wraşliwości, UX, UY – macierze kowariancji wektorów X i Y, opisane następującymi wzorami:

⎥ ∂y1 ⎢ ⎢ ∂x1 ⎢ S=⎢! ⎢ ⎢ ∂ym ⎢ ∂x ⎣ 1

∂y1 ⎤ ⎼ ∂x n ⎼ ⎼ ! ! ⎼, ⎼ ∂ym ⎼ ! ∂x n ⎼⎌ !

(1a)

29

Z + ( , + ( 2 B &,K Q2 ( $ ( O 222

(% #

`(/h

(1b)

WartoĹ›ci x1, x2 i elementy macierzy kowariancji UXA dwuelementowego (2D) menzurandu X = [x1, x2]T otrzymuje siÄ™ z bezpoĹ›rednich jego pomiarĂłw. Macierz kowariancji UX moĹźna przedstawić w dwu postaciach: zwartej i rozwiniÄ™tej z wyróşnieniem parametrĂłw typu A oraz B, tj.:

⎥ uy21 ! Ď y 1muy 1uym ⎤ ⎢ ⎼ ⎼, UY = ⎢ ! ! ! ⎢ ⎼ 2 âŽ˘Ď u u ⎼ u ! y m ym y ym 1 1 ⎣ ⎌

(1c)

Podstawą oceny dokładności pomiarów kaşdej wielkości są niepewności bezwzględne uxi i uyi, tj. standardowe odchylenia skorygowanych danych pomiarowych. Według GUM są to sumy geometryczne niepewności składowych typów A i B: 2 2 uxi2 = uxiA + uxiB ,

(2a)

2 2 uyi2 = uyiA + uyiB .

(2b)

(5)

gdzie: ux1, u1A, u1B i ux2, u2A, u2B – niepewności bezwzględne wielkości x1 i x2 i ich składowe. Macierz UX ma następujące macierze składowe:

Wzory (2a, b) majÄ… takie same postacie, jak wariancje splotu dwu zmiennych losowych o rozkĹ‚adach nieskorelowanych. NiepewnoĹ›ci typu A wyznacza siÄ™ metodami statystycznymi dla rozrzutu danych pomiarowych, a niepewność typu B estymuje siÄ™ heurystycznie. Jest ona odchyleniem standardowym zrandomizowanych wpĹ‚ywĂłw wielu róşnego rodzaju oddziaĹ‚ywaĹ„ o wartoĹ›ciach nieznanych w trakcie eksperymentu pomiarowego. OddziaĹ‚ywania te powodujÄ…, Ĺźe w danych pomiarowych zbieranych w przeprowadzanym eksperymencie mogÄ… wystÄ…pić stale lub wolnozmienne (np. dryft) dodatkowe, o nieznanych wartoĹ›ciach odchylenia od estymatora wielkoĹ›ci, czyli bĹ‚Ä™dy systematyczne. MogÄ… one pojawiać siÄ™ w dĹ‚ugim znamionowym okresie waĹźnoĹ›ci kalibracji przyrzÄ…dĂłw. StÄ…d, podobnie jak dla skĹ‚adowych niepewnoĹ›ci, moĹźna wyróşnić dwa rodzaje skorelowania – typu A oraz typu B. Współczynniki korelacji typu A wyznacza siÄ™ z danych pomiarowych. Jest to moĹźliwe, gdy wielkoĹ›ci mierzy siÄ™ synchronicznie i przy rĂłwnomiernym lub innym znanym rodzaju prĂłbkowania. Dane pomiarowe otrzymuje siÄ™ wĂłwczas jako szeregi statystyczne, z ktĂłrych wyznacza siÄ™ niepewnoĹ›ci typu A (z uwzglÄ™dnieniem autokorelacji [3]) oraz współczynniki korelacji rijA. ZaĹ› współczynniki korelacji rijB, czyli typu B, podobnie jak niepewnoĹ›ci typu B, sÄ… szacowane heurystycznie. Skorelowanie wielkoĹ›ci menzurandu jest Ĺ‚Ä…cznym wynikiem skorelowania danych opisanych oboma współczynnikami typu A i B. W pomiarach wieloparametrowych dla obu macierzy kowariancji otrzymuje siÄ™ zaleĹźnoĹ›ci UX = UXA + UXB

(3a)

UY = UYA + UYB

(3b)

UX = SUXST = S(UXA + UXB)ST

(4a)

UY = SUXAST + SUXBST

(4b)

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Ď Aux 1Aux 2A ⎤

⎥ ux21B U XB = ⎢ ⎢ Ď Bux 1Bux 2B ⎣

Ď Bux 1Bux 2B ⎤

ux22A

ux22B

⎼, ⎼ ⎌

(5a)

⎼. ⎼ ⎌

(5b)

Niepewności ux1, ux2 dwuelementowego menzurandu X opisane są równaniami:

ux21 = u12A + u12B ,

(6a)

ux22 = u 22A + u 22B .

(6b)

Współczynnik korelacji rx1,2 między x1 i x2 oraz między odchyleniami od ich estymatorów wartości wynosi:

Ď x 1,2 =

Ď xAux 1Aux 2A + Ď xBux 1Bux 2B ux21A + ux21B ux22A + ux22B

,

(6c)

gdzie: rxA i rxB – współczynniki korelacji pomiędzy odchyleniami x1 i x2 o niepewnościach ux1A, ux2A oraz ux1B, ux2B. Podobne zaleşności zachodzą dla macierzy UY dwuelementowego (2D) menzurandu wyjściowego Y.

\% :

!

Jeśli wyznacza się tylko samą macierz UY, to z obu wzorów (4a) i (4b) otrzymuje się takie same wyniki. Natomiast niepewności składowe typów A i B elementów menzurandu wyjściowego Y i współczynniki korelacji rijA, rijB kaşdego z tych typów występują w macierzach składowych UYA, UYB jako składnikach wzoru (4b) [12].

30

⎥ ux21A U XA = ⎢ ⎢ Ď Aux 1Aux 2A ⎣

Wzory opisujące niepewności dla zakresów wielkości mierzonych i multiplikatywnych funkcji przetwarzania są prostsze przy stosowaniu niepewności względnych urel i di = ui/xi. Równanie propagacji ich wariancji ma podobną postać jak (1) dla niepewności bezwzględnych [7]:

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

-(" . +

U ä Y = Sδ â‹…U δ X â‹… SδT

(7)

gdzie: U X i U Y – macierze kowariancji wektorów X i Y oraz S – macierz wraşliwości dla niepewności względnych. Dla obu menzurandów 2D macierze te są następujące:

(11)

(8a) gdzie: macierz funkcjonału

⎥ ∂y1 ⎢ ⎢ ∂x1 SG = ⎢ ⎢ ∂y 2 ⎣⎢ ∂x1

(8b)

⎥ x1 ⎢ ⎢ y1 Sδ = ⎢ ⎢ x1 ⎢⎣ y 2

∂y1 ∂x1 ∂y 2 ∂x1

x 2 ∂y1 ⎤ ⎼ y1 ∂x 2 ⎼ ⎼. x 2 ∂y 2 ⎼ y 2 ∂x 2 ⎼⎌

(8c)

∂y1 ⎤ ⎼ ∂x 2 ⎼ ⎥ι1 Îą 2 ⎤ ⎢ ⎼, ⎼≥ ∂y 2 ⎼ ⎢⎣ β1 β 2 ⎼⎌ ∂x 2 ⎌⎼

(12)

a1, a2, b1, b2 − współczynniki. Po wykonaniu dziaĹ‚aĹ„ wg wzorĂłw (4a) lub (4b) dla zmiennych y1, y2 otrzymuje siÄ™ niepewnoĹ›ci

Standardowe niepewności względne teş sumują się geometrycznie, tj.:

δ x21 = δ12A + δ12B ,

(9a)

δ x22 = δ 22A + δ 22B .

(9b)

uy21 = Îą12ux21 + Îą 22ux22 + 2 Ď x 1,2Îą1Îą 2ux 1ux 2

(13)

uy22 = β12ux21 + β 22ux22 + 2 Ď x 1,2 β1β 2ux 1ux 2

(14)

oraz współczynnik korelacji ry1,2: Współczynnik korelacji rx1,2 o takiej samej wartości dla niepewności bezwzględnych i względnych, opisuje wzór:

Ď y 1,2 =

Îą1β1ux21 + Îą 2 β2ux22 + (Îą1β2 + Îą 2 β1 ) Ď x 1,2ux 1ux 2

(15)

ux 1ux 2

Z (10a) wynika, şe rx1,2ux1ux2 = rAu1Au2A + rBu1Bu2B i tę zaleşność moşna wykorzystać w dalszej analizie. (10)

gdzie niepewności względne: dx1 = ux1/x1, dx1A = ux1A/x1, dx1B = ux1B/x1 i dx2 = ux2/x2, d2A = ux2A/x2, d2B = ux2B/x2. Wzory dla niepewności i współczynnika korelacji menzurandu Y mają podobne postacie.

U% 9

(/

! !

q v 1`xh Wzory dla dwuelementowego menzurandu Y = [y1, y2]T wynikają pośrednio z przetwarzania danych menzurandu X = [x1, x2]T za pomocą funkcji Y = G(X) Wartości x1, x2 i elementy macierzy kowariancji UX menzurandu X otrzymuje się z bezpośrednich jego pomiarów. Wartości y1, y2 wyjściowego menzurandu Y będą miały niepewności uy1, uy2 i współczynnik korelacji ry1,2 Do wyznaczenia niepewności korzysta się z ogólnego macierzowego równania propagacji niepewności (1). Funkcję przetwarzania G linearyzuje się do postaci macierzy wraşliwości SG o wymiarze [2 × 2] i otrzymuje się:

V% 9 ' #

#{

Wyznaczymy niepewnoĹ›ci skĹ‚adowych menzurandu Y = [y1, y2]T wynikajÄ…ce z przetworzenia danych pomiarowych X = [x1, x 2]T uzyskanych w dwu eksperymentach o róşnych warunkach wpĹ‚ywajÄ…cych (u1B u2B). Dla Y – SG = [x1 + x2, x1 – x2]T Y = G(X). ⎥ι1 Îą 2 ⎤ ⎼ ma nastÄ™pujÄ…ce współmacierz wraĹźliwoĹ›ci SG ≥ ⎢ ⎢⎣ β1 β 2 ⎼⎌ czynniki: a1 = 1, a2 = 1, b1 = 1, b2 = −1.

(16)

Niepewności otrzymane z (13) i (14) przy uproszczonych indeksach uxiA uiA (dla i = 1, 2) zaleşą od rA, rB, tj.:

(

uy21 = u12A + u12B + u 22A + u 22B + 2 Ď Au1Au 2A + Ď Bu1Bu 2B

)

(17a)

(17b)

31

Z + ( , + ( 2 B &,K Q2 ( $ ( O 222

Jeśli dla uproszczenia rozwaşań przyjmie się, şe dla X występują tylko niepewności względne typu B, jednakowe przy pomiarze obu wielkości (składnik addytywny niepewności jest pomijalny), to niepewności bezwzględne Y są odpowiednio równe:

OznaczajÄ…c wariancjÄ™ sumy i róşnicy nieskorelowanych wielkoĹ›ci wyjĹ›ciowych przez u 02 ≥ u12A + u12B + u 22A + u 22B z rĂłwnaĹ„ (17a, b) otrzymuje siÄ™ proste wzory:

(

)

u (x1 + x2 ) = u 02 + 2 Ď Au1Au 2A + Ď Bu1Bu 2B ;

(

u (x1 −x2 ) = u 02 − 2 Ď Au1Au 2A + Ď Bu1Bu 2B

(18a)

)

(18b)

Przy rA > 0 i rB > 0 niepewność sumy zwiÄ™ksza siÄ™, a dla róşnicy – zmniejsza siÄ™ w porĂłwnaniu z wartoĹ›ciami dla modelu bez korelacji.

uy 1 = 2x1uB 1 1 + Ρ12 = 2x1ux 1

(23a)

uy 2 = 2x 2uB 2 1 + Ρ22 = 2x 2ux 2

(23b)

gdzie: hi = uiA/uBi dla i = 1, 2. Dla niepewności względnych dyi otrzymuje się znane formuły podwajające niepewności względne dxi:

Wielkości wyjściowe y1 = x1 + x2 i y2 = x1 – x2 są skorelowane ze współczynnikiem korelacji

δyi =

ux21 − ux22 Ď ( x1 + x 2 , x1 − x 2 ) = . u ( x1 + x 2 ) u ( x1 − x 2 )

(19)

uyi x

2 i

=

2uxi = 2δ xi , gdzie i = 1, 2. xi

(24)

Współczynnik korelacji jest okreĹ›lony nastÄ™pujÄ…co: JeĹ›li nie ma skorelowania typu B, tj. rB = 0, to niepewnoĹ›ci sÄ… nastÄ™pujÄ…ce u (x1 + x2 ) = u 02 + 2 Ď Au1Au 2A ,

(20a)

u (x1 −x2 ) = u 02 − 2 Ď Au1Au 2A .

(20b)

Ď y 1,2 =

Îą1β2 ( Ď Au1Au 2A + Ď Bu1Bu 2B ) uy 1 uy 2

1

=

1 + Ρ12 1 + Ρ22

(25)

Wzór (25) pokrywa się z (6c), tj. kwadraty zmiennych wyjściowych są skorelowane tak samo, jak zmienne wyjściowe. Powyşej przyjęto, şe z danych pomiarowych wynikł brak skorelowania typu A menzurandu, tj. rA = 0, oraz şe skorelowanie typu B, tj. rB = 1 i niepewności względne w obu pomiarach są jednakowe. Korelacja kwadratów zmiennych jest taka sama, jak dla wartości zmiennych i wyjściowe niepewności względne, zgodnie z oczekiwaniami, są dwukrotnie większe niş dla wielkości wejściowych.

Niepewność sumy dwu wielkoĹ›ci jest mniejsza niĹź w (17a), a niepewnoĹ›ci ich róşnicy – wiÄ™ksza niĹź w (17b). Gdy dla dwu wielkoĹ›ci mierzonych Ĺ‚Ä…czny współczynnik korelacji rx1,2 = 1 (np. dla pomiarĂłw tym samym przyrzÄ…dem w identycznych warunkach rB = 1 i nieskorelowanych danych eksperymentalnych rA = 0), to

|% 9

# #{

|%M% 9 '

u (x1 + x2 ) = u 02 + 2u1u 2 = ux 1 + ux 2

(21a)

u (x1 −x2 ) = u 02 − 2u1u 2 = ux 1 − ux 2

(21b)

Moc P wydzielanÄ… na rezystancji (lub impedancji Z) opisuje rĂłwnanie P = I2 R

Dla dwu serii obserwacji pomiarowych z (26) uzyskuje się niepewności względne w postaci:

Niepewność sumy dwu wielkoĹ›ci jest wiÄ™c sumÄ… algebraicznÄ… ich niepewnoĹ›ci, a niepewność róşnicy – moduĹ‚em róşnicy niepewnoĹ›ci tych wielkoĹ›ci. PrzykĹ‚adem z praktyki przemysĹ‚owej jest niepewność pomiarĂłw wartoĹ›ci Ĺ›redniej i róşnicy dwĂłch temperatur na wlocie i wylocie wymiennika ciepĹ‚a [5, 8].

gdzie i = 1, 2.

Z (25) wynika taki sam współczynnik korelacji, jak dla wielkości wejściowych, tj. dla pomiarów prądu:

Róşniczkowanie kwadratowej funkcji przetwarzania T Y = G X = ⎥⎣x12 , x 22 ⎤⎌ menzurandu X daje nastÄ™pujÄ…ce współczynniki w macierzy wraĹźliwoĹ›ci SG tej funkcji:

( )

a1 = 2x1, b2 = 2x2, a2 = b1 = 0.

P

O

M

I

A

R

Y

•

(27)

gdzie: uIAi, uIBi są niepewnościami bezwzględnymi odpowiednio typu A i B dla pomiarów prądu Ii (i =1, 2).

Y% 9 ' # (/

32

(26)

Ď P 1,2 = Ď I 1,2 =

Ď IAuIA1uIA2 + Ď IBuIB 1uIB 2 2 2 2 2 uIA 1 + u IB 1 u IA 2 + u IB 2

(28)

(22)

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

-(" . +

|%(% 9 '

#{

Dla ilorazu mocy P1 P2 = I 12 I 22 oraz róşnicy mocy P1 − P2 = R I 12 − I 22 jako wielkoĹ›ci wyjĹ›ciowych funkcja Y = G(X) ma postać:

(

)

(

)

Y = ⎥I 12 I 22 , R I 12 − I 22 ⎤ ⎣ ⎌

T

(29)

Na rysunku 1 przedstawiono zaleĹźność wzglÄ™dnej niepewnoĹ›ci stosunku mocy δ P1 /P2 w funkcji niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnych dI1, dI2 pomiarĂłw prÄ…dĂłw dla róşnych współczynnikĂłw ich skorelowania. Z rysunku 1 wynika, Ĺźe najmniejsze wzglÄ™dne niepewnoĹ›ci stosunku mocy wystÄ™pujÄ… dla najwiÄ™kszego skorelowania prÄ…dĂłw ze znakiem dodatnim, podczas gdy najwiÄ™ksze wartoĹ›ci tych niepewnoĹ›ci pojawiajÄ… siÄ™ dla ujemnych współczynnikĂłw korelacji i osiÄ…gajÄ… maksimum przy peĹ‚nej korelacji ze znakiem ujemnym. Z rĂłwnania (31) otrzymuje siÄ™ niepewność róşnicy mocy:

gdzie: elementy x = [I1, I2]T są skorelowanymi prądami. Ich macierz kowariancji ma postać:

⎥ uI21 UI = ⎢ ⎢ Ď I 1,2uI 1uI 2 ⎣

Ď I 1,2uI 1uI 2 ⎤ uI22

⎼ ⎼ ⎌

(30)

uP1 −P2 = 2R I 12uI21 − 2 Ď I 1,2uI 1uI 2I 1I 2 + uI22I 22

(34)

Po prostych przeksztaĹ‚ceniach (34) wyznacza siÄ™ niepewność wzglÄ™dnÄ… róşnicy mocy:

Z (1), (29) i (30) otrzymuje się wielkości wyjściowe określone następująco:

(35)

gdzie przez e oznaczono e = I2/I1. (31) Z (31) wynika, şe niepewność bezwzględna stosunku mocy P1/P2 (wielkość bezwymiarowa) wynosi:

uP1 /P2 = 2

I1 uI21 − 2 Ď I 1,2uI 1uI 2 I 1 I 2 + uI22 I 12 I 22 I 22

(32) (36)

Z (32) otrzymuje się niepewność względną stosunku mocy, która wynosi:

δ P /P = u P /P 1

2

1

2

(I

2 1

)

I 22 = 2 δ I21 − 2 Ď I 1,2δ I 1δ I 2 + δ I22

Na rysunku 2 przedstawiono niepewność wzglÄ™dnÄ… róşnicy mocy (35) jako funkcjÄ™ bĹ‚Ä™dĂłw wzglÄ™dnych obu prÄ…dĂłw. Współczynnik korelacji miÄ™dzy wielkoĹ›ciami wyjĹ›ciowymi moĹźna wyznaczyć z (31):

(33)

gdzie niepewności względne oznaczono przez dIi = uIi/Ii dla i = 1, 2.

Wyraşając współczynnik korelacji przez niepewności względne otrzymuje się:

Ď P /P , P − P = 1

2

1

2

(

)

δ I21 − 1 + Îľ 2 Ď I 1,2δ I 1δ I 2 + Îľ 2δ I22 δ − 2 Ď I 1,2δ I 1δ I 2 + δ 2 I1

2 I2

δ I21 − 2 Ď I 1,2δ I 1δ I 2Îľ 2 + δ I22Îľ 4 (37)

Rys. 1. ZaleĹźność niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnej stosunku mocy w funkcji niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnych pomiarĂłw prÄ…dĂłw dla róşnych współczynnikĂłw ich skorelowania Fig. 1. Dependence of relative uncertainty of power ratio as function of currents relative uncertainties for different correlation coefficients between these currents

33

Z + ( , + ( 2 B &,K Q2 ( $ ( O 222

Rys 2. ZaleĹźność niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnej róşnicy mocy w funkcji niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnych pomiarĂłw prÄ…dĂłw dla róşnych współczynnikĂłw skorelowania miÄ™dzy tymi prÄ…dami Ď I1,2 i parametru Îľ Fig. 2. Dependence of relative uncertainty of power difference as function of currents relative uncertainties for different correlation coefficients between currents Ď I1,2 and parameter Îľ

Dla e → 1, gdy wystÄ™puje zbieĹźność prÄ…dĂłw I1 → I2, współczynnik korelacji Ď P1 /P2 , P1 −P2 → 1. WĂłwczas stosunek mocy i róşnica mocy sÄ… wielkoĹ›ciami w peĹ‚ni skorelowanymi. W przypadku, gdy niepewnoĹ›ci wzglÄ™dne pomiarĂłw obu prÄ…dĂłw sÄ… identyczne, tj. dI1 = dI2, to

(

1− 1+Îľ

Ď P /P , P − P = 1

2

1

2

)Ď

V = I ¡Z, stÄ…d Z = V/I I 1,2

+Îľ

(39)

2

gdzie: Z – moduł impedancji (lub rezystancja R dla prądu DC); V, I – odpowiednio wartości napięcia i prądu (wartości skuteczne dla prądu przemiennego AC).

(38)

2 − 2 Ď I 1,2 1 − 2 Ď I 1,2Îľ 2 + Îľ 4

2

prądu przemiennego (AC). Niepewności pomiaru składowych impedancji i admitancji dwójnika omówione są w innych publikacjach autorów [9, 10]. Podstawowe równanie jest następujące:

Przy zasilaniu obwodu pomiarowego prądem stałym ze źródła stabilizowanego, wyniki obserwacji w pomiarach technicznych często bywają powtarzalne. Natomiast przy prądzie przemiennym rozrzut wyników powoduje na przykład zasilanie układu z niestabilizowanej sieci lub oddziaływanie pól elektromagnetycznych przy słabych sygnałach. Współczynnik skorelowania typu A moşna wyznaczyć przy synchronicznych pomiarach U i I. Przy uwzględnianiu skorelowania w pomiarach |Z| uzyska się teş większa dokładność, gdyş niepewność pomiarów |Z| będzie mniejsza. Wyznaczenie niepewności pomiaru modułu impedancji (rezystancji R dla DC) będzie tu prostsze dla niepewności względnych z uşyciem zmodyfikowanego macierzowego równania propagacji wariancji wg wzoru (7) [6, 7]:

Na rysunku 3 przedstawiono zaleĹźność współczynnika korelacji Ď P1 /P2 , P1 −P2 ze wzoru (38) w funkcji współczynnika korelacji rI1,2 i stosunku prÄ…dĂłw e. Z analizy wynika, Ĺźe najwiÄ™ksze wartoĹ›ci współczynnika korelacji wystÄ™pujÄ… dla obszarĂłw w pobliĹźu e 1 i ujemnych współczynnikĂłw korelacji rI1,2 −1.

}% 9 '

#

Niepewność dwuparametrowych pomiarów ilorazu dwu wielkości o skojarzonych niepewnościach składowych. rozpatrzy się na przykładzie pomiarów rezystancji lub modułu impedancji wykonywanych w tych samych warunkach otoczenia. Niezaleşnymi przyrządami mierzy się wartości prądu i napięcia przy prądzie stałym (DC) lub ich wartości skuteczne dla

U ä Z = Sδ â‹…U δVI â‹… SδT

(40)

Rys. 3. Współczynnik korelacji jako funkcja współczynnika korelacji i stosunku prądów Fig. 3. Dependence of correlation coefficients on of correlation coefficient and ratio of currents

34

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

-(" . + gdzie: U VI i U Z to macierze kowariancji wielkoĹ›ci wejĹ›ciowych i wyjĹ›ciowych oraz S – macierz wraĹźliwoĹ›ci. SÄ… one nastÄ™pujÄ…ce: ⎥ δ Z21 Uδ Z = ⎢ ⎢ Ď Z 1,2δ Z 1δ Z 2 ⎣

U δ VI

⎥ δV21 ⎢ ⎢ Ď V δV 1δV 2 =⎢ ⎢ 0 ⎢ ⎢ 0 ⎣

⎥V1 ⎢ ⎢ Z1 Sδ = ⎢ ⎢V1 ⎢⎣ Z 1

Ď Z 1,2δ Z 1δ Z 2 ⎤

⎼, ⎼ ⎌

δ Z2 2

Ď V δV 1δV 2

0

δV2 2

0

0

δ I21

0

Ď I δ I 1δ I 2

∂Z 1 ∂V1

V2 ∂Z 1 Z 1 ∂V2

I 1 ∂Z 1 Z 1 ∂I 1

∂Z 2 ∂V1

V2 ∂Z 2 Z 2 ∂V2

I 1 ∂Z 2 Z 2 ∂I 1

(40a)

⎤ ⎼ 0 ⎼ ⎼, Ď I δ I 1δ I 2 ⎼ ⎼ 2 δ I 2 ⎼⎌

Aby dla (41a, b) wyznaczyć formuły jako jawne funkcje niepewności typu A i B, odpowiednio dla prądu i napięcia, korzysta się z propagacji macierzy kowariancji dla napięcia V i prądu I ze sobą korelujących w dwu eksperymentach pomiarowych. Niepewności względne dla dwóch napięć i dwóch prądów wyraşają się przez składowe względne typu A i B:

0

(40b)

δ Z2 2 = δV2 2 + δ I22 .

(41b)

Ď WAδW 1AδW 2A + Ď WBδW 1BδW 2B , δW 1δW 2

(44)

δ Z2 = δV21A + δV21B + δ I21A + δ I21B ,

(45a)

δ Z2 = δV2 2A + δV2 2B + δ I22A + δ I22B .

(45b)

1

2

Stąd niepewności bezwzględne wynoszą odpowiednio: 2

uZi2 = Z i δ Zi2 ,

i współczynnik korelacji

Ď V δV 1δV 2 + Ď I δ I 1δ I 2 . δ Z 1δ Z 2

Ď Z 1,2 =

(43b)

Niepewności względne pomiaru impedancji (43a, b) moşna przedstawić za pomocą względnych niepewności składowych napięć i prądów (43a, b) w następującej postaci:

Po rozwiązaniu równania (40) otrzymuje się niepewności względne w postaciach: (41a)

2 2 δ Ii2 = δ IiA + δ IiB .

gdzie W = A dla współczynnika korelacji prądów i W = V dla współczynnika korelacji napięć.

(40c)

δ Z21 = δV21 + δ I21,

(43a)

Współczynniki korelacji między dwoma pomiarami napięć i prądów określone przez (8c) wynoszą:

Ď W =

I 2 ∂Z 1 ⎤ ⎼ Z 1 ∂I 2 ⎼ ⎥1 0 1 0 ⎤ ⎢ ⎼. ⎼= I 2 ∂Z 1 ⎼ ⎢⎣0 1 0 1 ⎼⎌ Z 2 ∂I 2 ⎼⎌

2 2 δVi2 = δViA + δViB ,

(42)

i = 1,2

(46)

JeĹ›li wszystkie niepewnoĹ›ci sÄ… sobie rĂłwne dViA = dViB = dIiA = dIiA = d, to δ Zi = 2δ i i = 1, 2.

| | [%] i=1,2 5 4 3 2 1 0 3 2 1 0

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Rys.4. Zaleşność względnej niepewności pomiaru modułu impedancji w funkcji niepewności względnych: napięcia i prądu albo składowych niepewności względnych typu A i B Fig.4. Dependence of relative uncertainty impedance measurements as a function of relative uncertainties of voltage and current or components relative uncertainties type A and B

35

Z + ( , + ( 2 B &,K Q2 ( $ ( O 222 W ogólnym przypadku niepewności względne pomiaru impedancji moşna analizować jako sumę względnych niepewności złoşonych pomiarów prądów i napięć lub jako sumę geometryczną względnych niepewności składowych typu A i typu B, łącznie dla ilorazu napięcia i prądu. Wypadkowy współczynnik korelacji (44) jako funkcja współczynników korelacji dla prądów i napięć ma postać:

relowania naleĹźy uwzglÄ™dnić w szacowaniu niepewnoĹ›ci wielkoĹ›ci wyjĹ›ciowych. Na przykĹ‚ad dla sumy wielkoĹ›ci wyjĹ›ciowych i dodatniego współczynnika korelacji, niepewność wypadkowa bÄ™dzie wiÄ™ksza niĹź to wynika z sumowania geometrycznego obu typĂłw niepewnoĹ›ci wg GUM, a dla róşnicy – mniejsza. RozwaĹźania i wnioski szczegółowe moĹźna uogĂłlnić na pomiary dowolnie wielu wielkoĹ›ci skojarzonych. WedĹ‚ug modelu matematycznego przyjÄ™tego dla niepewnoĹ›ci pomiarĂłw w GUM, korelacja wielkoĹ›ci mierzonych moĹźe wystÄ…pić tylko osobno dla odchyleĹ„ od estymatorĂłw wartoĹ›ci opisanych kaĹźdÄ… ze skĹ‚adowych typu A oraz typu B. W pracy wykazano teĹź, Ĺźe uwzglÄ™dnianie korelacji istotnie zwiÄ™ksza wiarygodność oceny niepewnoĹ›ci wielkoĹ›ci mierzonych bezpoĹ›rednio lub wyznaczanych poĹ›rednio. Problemy wystÄ™pujÄ…ce przy publikowaniu i zaokrÄ…glaniu danych pomiarĂłw wieloparametrowych omĂłwiono w pracach [4, 5]. Wyznaczanie niepewnoĹ›ci kilku podstawowych elektrycznych ukĹ‚adĂłw do pomiarĂłw 2D i 3D oraz niepewność pomiarĂłw skĹ‚adowych napięć i impedancji dla prÄ…du przemiennego (AC) przedstawiono w pracach [6–12]. Zaproponowane rozszerzenie wektorowej metody zawartej w Suplemencie 2 Przewodnika GUM warto wdroĹźyć i z poĹźytkiem stosować w praktyce pomiarowej.

(47) Po uproszczeniu (47) otrzymuje siÄ™:

Ď Z

1,2

=

Ď VAδV 1AδV 2A + Ď VBδV 1BδV 2B + Ď IAδ I 1Aδ I 2A + Ď IBδ I 1Bδ I 2B . δ Z 1δ Z 2 (48)

Zaleşność (48) znacznie upraszcza się, gdy dV1A = dV2A = dV1B = dV2B = dV oraz dI1A = dI2A = dI1B = dI2B = dI albo, gdy jest to równość dowolnych dwóch par niepewności względnych w liczniku formuły (49). Wówczas otrzymuje się wyraşenie

Ď Z

(Ď =

VA

1,2

)

(

)

+ Ď VB δV2 + Ď IA + Ď IB δ I2

δV2 + δ I2

] ! ,

(49)

1. BIPM, IEC, IFCC, ILAC, ISO, IUPAC, IUPAP and OIML, Evaluation of measurement data – Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, JCGM 100:2008, GUM 1995 with minor corrections. 2. Supplement 2 to the ‘Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement – Extension to any number of output quantities‘. JCGM 102:2011 BIPM. 3. Warsza Z.L., Metody rozszerzenia analizy niepewnoĹ›ci pomiarĂłw. Monografia, Oficyna Wydawnicza PIAP, 2016, ISBN 978-83-61278-31-3 4. Warsza Z.L., Ezhela V.V., O wyraĹźaniu i publikowaniu danych pomiarĂłw wieloparametrowych – stan aktualny a potrzeby. “Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, Nr 10, 2011, 68–76. 5. Warsza Z.L.: Evaluation and Numerical Presentation of the Results of Indirect Multivariate Measurements. Outline of Some Problems to be Solved. [in:] Advanced Mathematical & Computational Tools in Metrology and Testing IX, ed. by Franco Pavese, Markus Bär et all, Series on Advances in Mathematics for Applied Sciences, Vol. 84, World Scientific Books 2012, Singapore, 418–425, DOI: 10.1142/9789814397957_0052. 6. Warsza Z., IdĹşkowski A., O dokĹ‚adnoĹ›ci ukĹ‚adĂłw z czujnikami Pt do rĂłwnoczesnych pomiarĂłw róşnicy temperatur i ich wartoĹ›ci Ĺ›redniej, „PrzemysĹ‚ Chemicznyâ€?, Vol. 96, Nr 2, 2017, 278–283, DOI: 10.15199/62.2017.2.20. 7. Warsza Z.L. Part 1, and Warsza Z.L., Puchalski J. Part 2: Estimation of uncertainty of indirect measurement in multi-parametric systems with few examples. PPt: in CD Proceedings of conference: Problems and Progress of Metrology ppm’18 Szczyrk 04-06. June 2018. Series: Conferences No. 22, Metrology Commission of Katowice Branch of the Polish Academy of Science 8. Warsza Z.L., Puchalski J., Estimation of vector uncertainties of multivariable indirect instrumental measurement systems on the star circuit example, “Journal of Physics: Conference Seriesâ€?, Vol. 1065, 2018, DOI: 10.1088/1742-6596/1065/5/052026. 9. Warsza Z.L., Puchalski J., Estymacja macierzowa niepewnoĹ›ci wieloparametrowych pomiarĂłw poĹ›rednich z przykĹ‚adami, „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, Nr 2, 2018, 31–40, DOI: 1014311/PAR_228/31-40.

ktĂłre wyznacza w ukĹ‚adzie 3D staĹ‚e pĹ‚aszczyzny współczynnika korelacji Ď Z1,2 = 1; 0,5; 0; –0,5; –1 dla dwuwymiarowej zmiennoĹ›ci niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnych dV, dI i staĹ‚ych współczynnikĂłw korelacji napięć i prÄ…dĂłw, np. (rVA, rVB, rIA, rIB) = (1, 1, 1, 1); (0, 1, 0, 1); (1, 0, 1, 0); (1, 1, 0, 0); (0, 0, 1, 1); (0, 0, 0, 0); –1, –1, –1, –1); (–1, 0, –1, 0); (0, –1, 0, –1); (–1, –1, 0, 0); (0, 0, –1, -1).

P%

M

(

W części 1. tej pracy przedstawiono model niepewnoĹ›ci pomiarĂłw wieloparametrowych stanowiÄ…cy rozwiniÄ™cie modelu zalecanego do stosowania przez BIPM, ISO i sześć innych organizacji miÄ™dzynarodowych i przedstawionego w Suplemencie 2 [2] do przewodnika GUM [1]. Rozszerzony model omĂłwiono na przykĹ‚adzie pomiarĂłw dwuparametrowych (2D). Wykazano, Ĺźe korelacja wielkoĹ›ci mierzonych bezpoĹ›rednio, czyli wejĹ›ciowych, moĹźe wystÄ™pować tylko miÄ™dzy ich danymi opisanymi przez niepewnoĹ›ci kaĹźdego z typĂłw A lub/i B. Wyznaczono wzory dla współczynnika korelacji wielkoĹ›ci wyjĹ›ciowych w przypadku ogĂłlnym oraz dla kilku róşnych relacji miÄ™dzy danymi wejĹ›ciowymi, w szczegĂłlnoĹ›ci przy peĹ‚nej korelacji odchyleĹ„ danych opisanych szacowanymi heurystycznie niepewnoĹ›ciami typu B i przy jej braku. W części 2. wyznaczono niepewnoĹ›ci wielkoĹ›ci wyjĹ›ciowych i współczynniki korelacji dla przykĹ‚adĂłw pomiarĂłw poĹ›rednich dwuparametrowych o róşnych funkcjach przetwarzania, w tym dla liniowej funkcji 2D w postaci sumy i róşnicy oraz podstawowych funkcji nieliniowych, kwadratowej i ilorazu. Zbadano zaleĹźność współczynnika korelacji wielkoĹ›ci wyjĹ›ciowych od wartoĹ›ci parametrĂłw wejĹ›ciowych. W pracy podano teĹź wykresy badanych zaleĹźnoĹ›ci i szereg wnioskĂłw szczegółowych. W przypadkach, gdy pomiary obu wielkoĹ›ci wejĹ›ciowych odbywajÄ… siÄ™ w jednakowych lub zbliĹźonych warunkach wpĹ‚ywajÄ…cych na ich wyniki, to moĹźna przewidywać, Ĺźe zbiory odchyleĹ„ tych wielkoĹ›ci oszacowane niepewnoĹ›ciami typu B mogÄ… być ze sobÄ… skorelowane. RĂłwnieĹź moĹźe pojawić siÄ™ skorelowanie miÄ™dzy ich niepewnoĹ›ciami typu A, jeĹźeli sÄ… wspĂłlne przyczyny rozrzutu danych pomiarowych wielkoĹ›ci mierzonych. Oba te rodzaje sko-

36

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

-(" . + 10. Warsza Z.L., Puchalski J., Ocena niepewności prostokątnych składowych impedancji wyznaczanych pośrednio z pomiarów składowych biegunowych i vice versa, „Pomiary Automatyka Robotyka�, Nr 3, 2018, 61–67, DOI: 10.14313/PAR_229/61. 11. Warsza Z.L., Puchalski J., Estymacja niepewności w pośrednich pomiarach. wieloparametrowych na przykładzie dwu układów rezystancyjnych 3D, „Pomiary Automatyka Robotyka�, R. 22, Nr 4, 2018, 31–38, DOI: 10.14313/PAR_230/31.

12. Warsza Z.L., Puchalski J., Estymacja niepewności wartości funkcji z pomiarów w punktach kontrolnych. „Pomiary Automatyka Robotyka� R. 22, Nr 4, 2018, 39–50, DOI: 10.14313/PAR_230/39. 13. Warsza Z.L., Puchalski J., Udoskonalona metoda wyznaczania niepewności w pomiarach wieloparametrowych. Część 1. Podstawy teoretyczne dla skorelowanych wielkości mierzonych, „Pomiary Automatyka Robotyka�, R. 23, Nr 1, 2019, 47–57, DOI: 10.14313/PAR_231/47.

= & & # & / < / # # . ( <G / # / & H Abstract: The two-part work presents an extended version of the vector method of uncertainty evaluation of multivariate measurements given in Supplement 2 to the GUM guide. The novelty is to consider correlations between data with individual uncertainty constituents of type A and/ or type B of directly measured parameters. The first part of work discusses the theoretical basis of this method. General formulas for the covariance matrixes, input and output uncertainties and correlation coefficients were determined, and the formulas for several characteristic specific cases of 2D measurements. These considerations are illustrated by diagrams. This part discusses examples of covariance matrix estimation, including uncertainty and resultant correlation coefficient in indirect measurements of two correlated quantities. Measurements 2D with a linear processing function were analyzed on the example of sum and difference, and of nonlinear processing by quadratic functions of power measurements and quotient function – measurement of resistance and module of impedance. General conclusions were also given. The work shows that the inclusion of correlations of data with uncertainty components of the input measurand may significantly increase the reliability of the uncertainty assessment of indirectly determined output values. Keywords[ $ & / 7 & S$ G = / $ _

& 3 5 ? / @ &!

& 3 % ' / !

)* -%=

%= =

70 R & < = . R )*'*$ & @ )*-X$ & & )*X! . L 6 < )*'+\)*- )**?\)**'$ . R )*-!\)*X!$ . ^ )*X!\)*X+ M = & R & " 8 & O$ B = L B & 7 @ . 6 # @ = T & R & )*X+\)*+( & 7 . ; 6 . )*+ \)**( I & # <& E & )**(\)**'$ . 8 & )*+ \(!!( B0 = ; . 6 @ 7 . ; .67. 7 & ?! 0 $ - = / $ & 0 & $ )) ; @ ( & ; . . = " # = = . .78 7 & # =

70 R & V " @ # M)*+- O R & < @ M)*++ O . R @ R )*+X\)**' . R @ $ )**' 0 & K J )! 0 P = / @ & K K@ K . = @ / & # V ; & K& 4 / B& (!!- T ; & # & K = & ; ; & & @ = $ 0 = ; = & @

37

NR 3/2015

38

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 39–43, DOI: 10.14313/PAR_232/39

7 0 &; & & = = Orest Serediuk, Nataliya Malisevych 6 @V E & " E / T $

( & ! > > ,! . B $ R & # $ J & " 7 . $ # '$ ?'@(X) B

Streszczenie: W pracy opisano autorską metodę do określania ciepła spalania gazu ziemnego. Porównano ją z innymi aktualnie stosowanymi metodami. W opisie zwrócono uwagę na normy z zakresu jakości gazu ziemnego, jakie obowiązują w Europie i na Ukrainie. Na tej podstawie opracowano i opisano budowę przyrządu pomiarowego do określania ciepła spalania gazu ziemnego w miejscu odbioru konsumenckiego. Przyrząd ten wykonuje pomiar w stosunkowo krótkim czasie, co umoşliwia monitorowanie ciepła spalania gazu w trybie on-line. Głównym tematem pracy jest analiza błędów autorskiej metody określania ciepła spalania gazu ziemnego. - [ = = $ $ 0 K&

1. Wprowadzenie Gaz ziemny jest istotnym ĹşrĂłdĹ‚em energii cieplnej. Jako produkt naturalny, jego skĹ‚ad oraz jego parametry fizyczne mogÄ… siÄ™ znacznie od siebie róşnić w zaleĹźnoĹ›ci od punktu dostawy i sposobu dystrybucji. Zmiany parametrĂłw gazu majÄ… duĹźy wpĹ‚yw na koszty ogrzewania, produkcji z wykorzystaniem gazu ziemnego oraz rozliczeniach handlowych. W okresie, gdy cena gazu ciÄ…gle roĹ›nie, rĂłwnoczeĹ›nie wprowadza siÄ™ coraz bardziej restrykcyjne warunki rozliczeĹ„ handlowych. ZwiÄ™kszajÄ…ca siÄ™ liczba dostawcĂłw powoduje wiÄ™ksze rozbieĹźnoĹ›ci w wartoĹ›ciach parametrĂłw gazu ziemnego dostarczanego do odbiorcy. Ponadto wiÄ™ksza liczba partnerĂłw handlowych wymaga ujednolicenia systemu rozliczeĹ„. MiÄ™dzynarodowy handel gazem (na przykĹ‚ad import LNG) stanowi dodatkowy czynnik wpĹ‚ywajÄ…cy na potrzebÄ™ poszukiwania szybkich, dokĹ‚adnych i ekonomicznie uzasadnionych metod wyznaczania ciepĹ‚a wĹ‚aĹ›ciwego gazu. Obecnie parametry gazu w sieciach przesyĹ‚owych w róşnych krajach Europy znacznie siÄ™ od ciebie róşniÄ… Róşnice te bÄ™dÄ… jeszcze wiÄ™ksze, gdy zostanie zmieniony gazu typu L (niskokaloryczny) na gaz typy H (wysokokaloryczny). Jak wynika ze statystyki w ostatnich latach 30% gospodarstw domowych i 20% duĹźych konsumentĂłw ucierpiaĹ‚o

) [

# 8 K $ % ) & ) !' (!)* $ & & (+ !- (!)*

!

z powodu znacznych róşnic zwiÄ…zanych z jakoĹ›ciÄ… dostarczonego gazu. Jednym z parametrĂłw okreĹ›lajÄ…cych jakość gazu jest liczba Wobbego. Dopuszczalna tolerancja jej wartoĹ›ci wynosić do 1,5 kWh/m3 [1]. Ponadto zbyt duĹźa rozbieĹźność parametrĂłw gazu moĹźe mieć negatywny wpĹ‚yw na róşne procesy przemysĹ‚owe, a takĹźe na emisjÄ™ zanieczyszczeĹ„, bezpieczeĹ„stwo, okres uĹźytkowania itp. W pĹ‚yw ten oczywiĹ›cie moĹźe być róşny w zaleĹźnoĹ›ci od zastosowaĹ„ [2]. Parametry gazu ziemnego mogÄ… ulegać zmianie podczas jego transportowania, co dodatkowo znacznie utrudnia obliczanie faktycznego zuĹźycia energii, a tym samym okreĹ›lenie cech jakoĹ›ciowych gazu ziemnego. Klasyczny pomiar jakoĹ›ci gazu ziemnego wykorzystujÄ…cy techniki chromatografii gazowej nie sprawdza siÄ™ do pomiaru chwilowych zmian parametrĂłw gazu. Z kolei uĹ›rednianie prĂłbek nie umoĹźliwia wykrycia zaburzeĹ„ zwiÄ…zanych z chwilowym spadkiem parametrĂłw dostarczanego gazu. Ponadto chromatografia gazowa jest kosztowna w eksploatacji. Jednostkowy czas analizy wynosi 3–5 minut. IstniejÄ… przyrzÄ…dy pomiarowe, ktĂłre okreĹ›lajÄ… wskaĹşnik Wobbego, w poĹ‚Ä…czeniu z pomiarem gÄ™stoĹ›ci wzglÄ™dnej, potrafiÄ… wyznaczyć wartość opaĹ‚owÄ… gazu w ciÄ…gu kilku sekund, lecz koszty ich eksploatacji sÄ… niejednokrotnie wiÄ™ksze od kosztĂłw eksploatacji chromatografĂłw gazowych. Obecnie w praktyce coraz częściej uĹźywa siÄ™ gazu wytwarzanego przez zmieszanie róşnych palnych i niepalnych gazĂłw i par. Zróşnicowany skĹ‚ad chemiczny takich gazĂłw powoduje, Ĺźe obecnie najbardziej miarodajnym parametrem jest ciepĹ‚o spalania. BiorÄ…c pod uwagÄ™ globalnÄ… tendencjÄ™ wzrostu cen energii, w tym gazu ziemnego, coraz wiÄ™kszego znaczenia nabiera zapewnienia odpowiedniej dokĹ‚adnoĹ›ci pomiaru. DoĹ›wiadczenia miÄ™dzynarodowe [4, 5] i obecna norma krajowa na Ukrainie [6] zalecajÄ…, aby rozliczenie zuĹźycia gazu ziemnego obejmowaĹ‚o nie tylko okreĹ›lenie objÄ™toĹ›ci zuĹźytego gazu, ale takĹźe uwzglÄ™dniaĹ‚o jego ciepĹ‚o spalania. Pozwala to na rozliczanie

39

+ $& O ( ( $ + " " Autorzy pracy zaproponowali metodę szybkiego określania ciepła spalania gazu ziemnego [14], opartą na pomiarze temperatury płomienia spalanego gazu w palniku. Spalanie odbywa się przy stałym stosunku strumienia objętościowego badanego gazu i powietrza. Zaletą tego rozwiązania jest moşliwość określenia ciepła spalania w warunkach panujących w miejscu odbioru gazu. Opisana w pracy metoda pomiarowa związana jest z przyrządem pomiarowym, dlatego ograniczono się jedynie do analizy błędu, a nie niepewności, gdyş niepewność jest parametrem charakteryzującym pomiar, a nie przyrząd pomiarowy. Dla autorskiego przyrządu pomiarowego określono błąd graniczny [15], analogicznie jak to mam miejsce w przypadku innych przyrządów pomiarowych, np. gazomierzy membranowych [16].

gazu w jednostkach energii. Rozwiązanie to wymaga posiadania niedrogich przyrządów do pomiaru ciepła spalania gazu.

(%

)

!

! Jakość gazu ziemnego zaleşy od jego składu chemicznego oraz od wzajemnych proporcji głównych składników. Na Ukrainie obecnie obowiązuje norma międzyrządowa [6], która określa fizyczne i chemiczne właściwości gazu ziemnego. Do najwaşniejszych parametrów naleşy ciepło spalania i liczba Wobbego, która jest stosunkiem wartości kalorycznej gazu do pierwiastka kwadratowego jego objętości.

W =

Q

\% )

(1)

d

Zaproponowana przez autorów metoda pomiarowa [17] polega na pomiarze temperatury spalania w palniku gazowym przy zachowaniu stałego strumienia mieszaniny gazu z powietrzem, który zapewnia odpowiednia konstrukcja palnika.

gdzie: Q – wartość kaloryczna, d – gÄ™stość wzglÄ™dna. Z kolei norma [7], ktĂłra jest zgodna z normÄ… europejskÄ… [8, 6], nie odnosi siÄ™ do gÄ™stoĹ›ci wzglÄ™dnej gazu ziemnego, liczby metanu oraz zawartoĹ›ci metanu, azotu i pary wodnej. OkreĹ›lenie skĹ‚adu chemicznego gazu ziemnego, zarĂłwno na Ukrainie jak i w Europie, przeprowadza siÄ™ na podstawie analizy chromatograficznej. Na Ukrainie wymagania, jakim powinna odpowiadać metoda analityczna dla peĹ‚nej i rozszerzonej analizy gazu ziemnego okreĹ›la norma [8]. Norma ta okreĹ›la iloĹ›ciowÄ… zawartość nie tylko podstawowych skĹ‚adnikĂłw gazu ziemnego, ale rĂłwnieĹź frakcji wÄ™glowodorĂłw heksanowych, co stanowi podstawiÄ™ do obliczenia wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci fizycznych gazu. Norma [9] opisuje metody analizy gazu ziemnego przy okreĹ›lonych poziomach niepewnoĹ›ci. Jest to niezbÄ™dne przy wyznaczaniu wartoĹ›ci opaĹ‚owej i innych addytywnych wĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci fizycznych gazu, na podstawie badaĹ„ eksperymentalnych. Jednak wymaga to wstÄ™pnego okreĹ›lenia mas molowych poszczegĂłlnych skĹ‚adnikĂłw gazu oraz oszacowania niepewnoĹ›ci oznaczania mas molowych. W Europie obowiÄ…zuje norma [10], ktĂłra jest zgodna z normÄ… [8] obowiÄ…zujÄ…cÄ… na Ukrainie. Norma ta dopuszcza okreĹ›lanie skĹ‚adu chemicznego gazu ziemnego na podstawie analizy chromatograficznej. OkreĹ›la ona rĂłwnieĹź sposĂłb postÄ™powania podczas okreĹ›lania skĹ‚adu chemicznego mieszaniny gazowej. Ponadto okreĹ›la metody badawcze, ktĂłre moĹźna stosować do analizy oraz sposĂłb postÄ™powania podczas pobierania prĂłbek. Zgodnie z normÄ… [11] obowiÄ…zujÄ…cÄ… na Ukrainie ciepĹ‚o spalania gazu ziemnego nie powinno być niĹźsze niĹź 31,8 MJ/m3 w temperaturze 20 °C i pod ciĹ›nieniem bezwzglÄ™dnym 1013,25 Pa. Norma ta dopuszcza wyznaczenie ciepĹ‚a spalania dwoma sposobami: na podstawie obliczeĹ„ [11] i w wyniku spalania gazu [12, 13]. W praktyce bardzo czÄ™sto wykorzystuje siÄ™ metodÄ™ zgodnÄ… z normÄ… [11]. Polega ona na obliczeniu ciepĹ‚a spalania na podstawie informacji o skĹ‚adzie chemicznym gazu, ktĂłry to skĹ‚ad jest okreĹ›lany na podstawie analizy chromatograficznej. Metoda ta jest jednak skomplikowana i kosztowna, poniewaĹź poza posiadaniem drogiej aparatury chromatograficznej, wymaga specjalnie przystosowanego pomieszczenia oraz odpowiedniego oprogramowania umoĹźliwiajÄ…cego przeprowadzenie analizy skĹ‚adu chemicznego gazu ziemnego. Jednym z parametrĂłw majÄ…cych wpĹ‚yw na wartość ciepĹ‚a spalania jest wilgotność gazu. StosujÄ…c metodÄ™ chromatograficznÄ… nie uwzglÄ™dnia siÄ™ wpĹ‚ywu wilgotnoĹ›ci gazu ziemnego na ciepĹ‚o spalania. StÄ…d metody oparte na spalaniu gazu sÄ… praktyczniejsze. PolegajÄ… one na spalaniu w kontrolowanych warunkach okreĹ›lonej iloĹ›ci gazu, a nastÄ™pnie metodÄ… termometrycznÄ… wyznacza siÄ™ ilość wydzielonej energii cieplnej.

40

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Rys. 1. Schemat urządzenia do wyznaczania ciepła spalania gazu ziemnego Fig.1. Diagram of the device for determining the heat of natural gas combustion

Urządzenie do określania ciepła spalania gazu ziemnego przedstawiono na rysunku 1. Składa się ono z palnika (1), który zapewnia odpowiednią mieszankę gazu ziemnego i powietrza. Mieszanka jest wytwarzana za pomocą dyfuzora (2) w komorze mieszającej (3). Strumień gazu dostarczanego do palnika jest dozowany przez odpowiedni układ regulacji (4), w którym zawór (7) jest sterowany komputerowo [17] na podstawie pomiaru: ciśnienia (8), temperatury (9), wilgotności względnej (10) i strumienia gazu (11). Układ zasilania gazem jest podłączony do instalacji gazowej (6) przez zawór regulacyjny (5). W systemie są na bieşąco rejestrowane parametry otoczenia takie jak: ciśnienie (14), temperatura (15) i wilgotność (16). Ciepło spalania gazu ziemnego H jest obliczane na podstawie wzoru, w którym uwzględnia się ciepło potrzebne do odparowania wody:

H =

(A â‹… T − B â‹… K I â‹… Ď• â‹… q â‹… Ď„ ) q â‹…Ď„

(2)

gdzie: A – współczynnik charakterystyczny dla palnika [kJ/K], T – temperatura płomienia palnika, B – ciepło właściwe odpaA

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

/ 0 + ( + 1( '2 ' rowywania wody (wyznaczone na podstawie wilgotność powietrza), KI – współczynnik wtrysku charakterystyczny dla danego palnika [K kg/m3], f – wilgotność bezwzglÄ™dna, q – normalny objÄ™toĹ›ciowy strumieĹ„, t – czas przepĹ‚ywu gazu. Dla kaĹźdego palnika indywidualnie wyznacza siÄ™ współczynnika charakterystycznego A. Współczynnik ten wyznacza siÄ™ na podstawie trzech róşnych mieszanin gazu ziemnego o znanym cieple spalania. Na tej podstawie wyznacza siÄ™ charakterystykÄ™ zmian ciepĹ‚a spalania gazu ziemnego od temperatury pĹ‚omienia. KalibracjÄ™ przeprowadza siÄ™ w kontrolowanych warunkach mierzÄ…c ciĹ›nienie gazu, jego temperaturÄ™, gÄ™stość i wilgotność oraz parametry otoczenia takie jak ciĹ›nienie, temperatura i wilgotność powietrza. Współczynnik A jest obliczany na podstawie nastÄ™pujÄ…cego wzoru: A=

H â‹… q â‹… Ď„ B â‹… KI â‹… Ď• â‹… q â‹… Ď„ + T T

(3)

Na podstawie równania (3) sformułowano dwa główne składniki błędu. Pierwszy składnik oznaczono jako ΔA0, który nazwano błędem podstawowym, wynika z niedokładności pierwszego członu sumy we wzorze (3). Drugi składniki ΔAD odnosi się do drugiej części sumy wzoru (3) i jest nazywany błędem dodatkowym. Zaleşy on od wilgotności środowiska (powietrza), które bierze udział w procesie spalania gazu. Stąd całkowity błąd współczynnika A określa wyraşenie:

ΔA = ΔA 0 + ΔAD

(4)

Kaşdy ze składników błędu we wzorze (4) jest błędem pośrednim. Poniewaş liczba parametrów składowych jest większa od czterech, zatem uwzględniając prawdopodobieństwo rozkładu błędów instrumentalnych przyrządów pomiarowych, błąd ΔA moşna wyrazić zaleşnością:

ΔA = ¹

Kq ⎥ ⋅⎢ 3 ⎢⎣

n

∑ Δi 2 + i =1

⎤ Δj2 ⎼ ∑ ⎼⎌ j =1 m

(5)

gdzie: Δi, Δj – wartości graniczne błędu pomiaru dla i-tego oraz j-tego parametru, z liczby kombinacji n i m. Wartość Kq dla liczby argumentów większej niş cztery dla przedziału ufności prawdopodobieństwa 0,95 wynosi Kq = 1,96.

gdzie: ST = 1 – klasa dokładności termometru; NT = 1600, t – zakres pomiarowy termometru. Graniczny błąd pomiaru czasu przejścia gazu przez palnik obliczono z zaleşności: Δτ =

ξτ â‹… 100% = Âą5,55 â‹… 10−3% Ď„

(8)

gdzie: ξτ = 0,1 s – bezwzglÄ™dny bĹ‚Ä…d pomiaru czasu. Badania przeprowadzono dla nastÄ™pujÄ…cych parametrĂłw dostarczanego gazu i warunkĂłw otoczenia: H = 38â‹…106 J/m3; q = 0,016 m3/h; B = 2258,2â‹…103 J/kg; KI = 9,52 m3/m3; j = 10,27â‹…10-3 kg/m3; Ď„ = 180 s; T = 800 °C. Po obliczeniu skĹ‚adowych bĹ‚Ä™dĂłw i podstawieniu do rĂłwnania (6) otrzymano bĹ‚Ä…d kalibracji współczynnika A, ktĂłry wynosi ΔA = Âą1,54%. W przypadku, gdy temperatura palnika jest mierzona w sposĂłb ciÄ…gĹ‚y, to wartość chwilowa ciepĹ‚a spalania jest obliczana na podstawie wzoru:

H=

Aâ‹…T − B â‹… KI â‹…Ď• q â‹…Ď„

(9)

Dla tak sformułowanego wyraşenia błąd wyznaczenia ciepła spalania gazu ziemnego ΔH ma dwie składowe ΔH1, która odnosi się do pierwszego członu równania (9) oraz ΔH2, odnosząca się do drugiej części równania, która zaleşy od wilgotności otoczenia (powietrza) biorącego udział w spalaniu gazu. Na podstawie tych dwóch składników oraz błędu określenia współczynnika A całkowity błąd wyznaczenia chwilowej wartości ciepła spalania gazu ziemnego obliczono na podstawie zaleşności: (10) gdzie: ΔHA – błąd przyblişenia kalibracji palnika, który wynosi ¹0,2%. Kaşdy z dwóch pierwszych składników w równaniu (10) jest błędem pośrednim.

Po uwzględnieniu powyşszej zaleşności równanie (4) przyjmuje następującą postać:

(10) (6) Na podstawie danych referencyjnych i charakterystyk metrologicznych przyrzÄ…dĂłw pomiarowych uĹźywanych do kalibracji palnika dopuszczalne wartoĹ›ci graniczne bĹ‚Ä™dĂłw wynoszÄ…: ΔH = Âą1%; Δq = Âą1,5%; ΔB = 0 (wartość odniesienia, wiÄ™c moĹźna pominąć ten bĹ‚Ä…d); ΔKI = Âą0,2% (wynika on z róşnicy iloĹ›ci powietrza, jaka jest potrzebna do spalenia gazu o róşnej wartoĹ›ci opaĹ‚owej); Δϕ = Âą1% (bĹ‚Ä…d termohigrometru TFA 305023). BĹ‚Ä…d graniczny pomiaru temperatury obliczono na podstawie wzoru: ⎛ ⎞ NT ΔT = 0,5 â‹… ⎜ âŽ&#x; â‹… ST = Âą0,68% âŽ? 273,15 + t âŽ

(7)

gdzie: ∂H/∂A, ∂H/∂T, ∂H/∂q, ∂H/âˆ‚Ď„, ∂H/∂B, ∂H/∂KI, ∂H/âˆ‚Ď• – współczynniki wraĹźliwoĹ›ci dla bĹ‚Ä™dĂłw parametrĂłw A, T, q, Ď„, B, KI, Ď•. WartoĹ›ci współczynnikĂłw wraĹźliwoĹ›ci wynoszÄ…: ∂H/∂A = 1,014â‹…106 K/m3, ∂H/∂T = 3,542â‹…104 J/(Kâ‹…m3), ∂H/∂q = –6,375â‹…1012 Jâ‹…s/m6, ∂H/âˆ‚Ď„ = –1,574â‹…105 J/(sâ‹…m3), ∂H/∂B = –0,098 kg/m3, ∂H/∂K I = –2,319â‹…104 J/m3, ∂H/âˆ‚Ď• = –2,15â‹…107 J/kg. PrzykĹ‚adowy bĹ‚Ä…d ciepĹ‚a spalania gazu ziemnego, dla: A = 28,33 J/K, q = 0,016 m3/h; B = 2258,2â‹…103 J/kg; KI = 9,52 m3/m3; j = 10,27â‹…10–3 kg/m3; Ď„ = 180 s; T = 1070 K, wynosi ΔHc = 0,95 MJ/m3, co stanowi Âą2,5% wartoĹ›ci ciepĹ‚a spalania.

41

+ $& O ( ( $ + " "

4. Wnioski

9. Norma DSTU ISO 6974-1‌5:2007 Norma Ukrainska: Gaz ziemny. Oznaczanie składu przy danej niepewności metodą chromatografii gazowej. 10. ISO10723:2012 Natural gas. Performance evaluation for analytical systems. 11. Norma GOST 22667-82 Norma Interstate: Palne gazy naturalne. Metoda obliczeniowa do określania ciepła spalania, gęstości względnej i wskaźnika Wobbego. 12. Norma GOST 27193-86 Norma Interstate: Palne gazy naturalne. Metoda wyznaczania ciepła spalania za pomocą kalorymetru wodnego. 13. Norma GOST 10062-75 Norma Interstate: Naturalne gazy palne. Metoda określania ciepła właściwego spalania. 14. Serediuk O.E., Liutenko T.V., Malisevych N.M., Method of express-determination of natural gas heating value (in Ukrainian: Sposib ekspres-vyznachennya teploty zgoryannya pryrodnogo gazu). Patent 112737 C2 Ukraine, IPC (2006.01) G01N25/20 No. a201512215; declared 09.12.2015; published 10.10.2016; Bulletin No. 19. 15. Polishuk Je., Dorozhovets M., Jathuc V. [and oth.], Metrology and measuring technique (in Ukrainian: Metrolohiya ta vymiryuval na tekhnika), Vydavnytstvo Beskyd Bit, Lviv 2003. 16. Serediuk O., Warsza Z.L., Zmiany błędów pomiarowych gazomierzy miechowych w eksploatacji, „Przemysł Chemiczny�, T. 96, Nr 8, 2017, 1767–1770, DOI: 10.15199/62.2017.8.33. 17. Serediuk O., Malisevych N., Rząsa M.R., Propozycja metody pomiaru ciepła spalania gazu ziemnego z uwzględnieniem wilgotności gazu i powietrza // L Międzyuczelniana Konferencja Metrologów. MKM 2018, Szczecin – Kopenhaga, 10–12 września 2018, „Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej�, Gdańsk, Nr 59, 2018. 175–178, DOI: 10.32016/1.59.37.

Na podstawie przeprowadzonej analizy błędów stwierdzono, şe wartość błędu wyznaczenia chwilowej wartości ciepła spalania na poziomie 2,5% wartości mierzonej jest zadowalająca w zastosowaniu do układów kontroli procesów przemysłowych w których wykorzystuje się gaz ziemny. Przedstawioną metodę pomiarową charakteryzuje prosta konstrukcja aparatury pomiarowej która nie wymaga specjalnych warunków otoczenia podczas prowadzenia badań. Moşe ona mieć zastosowanie do monitorowania jakości dostarczanego gazu w miejscu odbioru. Tego rodzaju rozwiązanie umoşliwia prowadzenie indywidualnej kontroli pobranej energii gazowej przez odbiorcę.

] ! 1. Nitschke-Kowsky P., Martino A., WeĂ&#x;ling W., Vogt M., Gasbeschaffenheit und ihre Schwankungen in E.ON-Verteilnetzen. “gwf-Gas Erdgasâ€?, Nr 2, 2016, 166–176. 2. Leicher J., Giese A., Ă„nderung der Gasbeschaffenheit in Deutschland und Europa: Auswirkungen auf industrielle Feuerungsprozesse (Teil 1). â€?gwf-Gas Erdgasâ€?, Nr 10, 2013, 754–760. 3. Norma ISO 15112:2007 Natural Gas – Energy determination. 4. Norma EN 1776:2015 Gas infrastructure. Gas measuring systems. Functional requirements. 5. Norma DSTU ISO 15112:2009 Norma Ukrainska: Pryrodnuy gaz. Gaz ziemny. Wyznaczenie energii gazu. 6. Norma GOST 5542-87 Norma Interstate: Palne gazy naturalne do celĂłw przemysĹ‚owych i domowych. 7. Norma ISO 13686:2013 Natural gas. Quality designation. 8. Norma DSTU ISO 6975:2012 Norma Ukrainska: Gaz ziemny. Zaawansowana analiza. Metoda chromatografii gazowej.

7 / # < / # # & / I = / E T 0 [ Abstract: The paper describes the original method for determining the heat of natural gas combustion. It was compared with other currently used methods. The standards for determining the quality of natural gas in force in Europe and Ukraine have been described. The proposed solution makes it possible to determine the heat of natural gas combustion at the place of consumer reception. In addition, the device performs measurement in a relatively short time allowing the monitoring of the heat of gas combustion in on-line mode. Metrological analysis was carried out in this work for such determination of the heat of natural gas combustion. The presented measurement method is characterized by a simple construction of measuring equipment that does not require special environmental conditions during testing. It may be used to monitor the quality of gas supplied at the place of collection. Based on the performed error analysis, it was found that the error value for determining the instantaneous value of the heat of combustion at the level of 2.5% of the measured value. Keywords[ / = $ / 0 $ / = / 0

42

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

/ 0 + ( + 1( '2 '

)& - & / 3 Orest Serediuk B` & % R )**! 4 & $ (!!* & M 0 O$ & (!)( \ / J & a# @ = P / ; b 6 @V E & @ " E / T M6VE" ETO$ " L K& 4 0 & 0 = = $ 0 & = @ = $ P & @ K&; & = = 7 & ('! 0 $ ?' ; $ ( & ; ? &@ ; & & ;

Nataliya Malisevych @ @ @(!!X% R (!!+ 4 6 @V @ E & " @ E / T $ K = & & = P @ ; / B& (!)- & ; & a# = P / @ ; b " L a8 ; 0 & = K& 4 & = = b > )! 0 $ ( ;

& / $ 3 ( & ! > > ,! )& - 'C % & P 4 R & < @ . B )**? $ =& = P @ 7 # = < . 4 & ; & J & " 7 . R & # . B @ = NK K " =;@ 0 & 4 K ; & @ & / R @ & 0 & & (!!) & S & < # E (!) 4 & @ 0 = R & 6 P # 6 / . @ > = = N $ & ; ;

43

NR 3/2015

44

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 45–52, DOI: 10.14313/PAR_232/45

R 0 = ; = & = Jan Kotlarz 1, Maciej Szypulski 1,2, Katarzyna Kubiak 3 % & !" 7! 4 )

.J. 6 / $ 7 > )?(7$ !(@ !' R

(

. A 0 $ R & < 6 / $ E &0 +7$ (!@-)+ A 0

Q S & Y J7 6<R6 \ 6 A $ & " & $ 7 J ))!]))?$ !(@('- R

?

R 7 & " $ R & 6 P AK& T & $ = J = ($ !!@*!+ R

Streszczenie: Rozwój rynku IoT w Polsce moşe stać się czynnikiem upowszechniającym monitoring środowiska naturalnego i zwiększającym automatyzację tego działania. Pomiary wykonywane obecnie albo z uşyciem zobrazowań niskorozdzielczych (dane satelitarne), albo punktowych (in situ) są obarczone błędami wynikającymi ze zbyt małej szczegółowości danych lub niskich rozdzielczości czasowych. Często kampanie pomiarowe są czasochłonne i generują wysokie koszty. Od wielu lat, zarówno w Europie, jak i w Ameryce Północnej, prowadzone są badania mające na celu umoşliwienie uşycia sensorów umiejscowionych na kolejowych platformach mobilnych (lokomotywy, wagony) w monitoringu środowiskowym. W publikacji przedstawiamy moşliwość implementacji sensorów akustycznych, obrazowych oraz skaningu laserowego. Przedstawiamy przykłady zastosowań oraz odpowiadamy na pytanie o moşliwość ich implementacji w Polsce. - [ 6 "$ = & $ &= & $ $ A 8 R7E

1. Wprowadzenie W zadaniach związanych z monitoringiem środowiska naturalnego stosowane są sensory wykorzystujące promieniowanie elektromagnetyczne [1–3], fale akustyczne [4] i zapachy [5]. Umiejscowienie sensorów uşywanych w tym procesie na nośnikach satelitarnych (Landsat [6], Eumetsat [7]), rakietach sondujących [8], balonach stratosferycznych [9], platformach lotniczych [3, 10] jest często kosztowne, wymaga przeprowadzenia procedury planującej i przeprowadzającej kampanię pomiarową. Z drugiej strony umiejscowienie sensorów stacjonarnie: bezpośrednio na powierzchni [11] lub na platformach [12] ogranicza znacznie uşyteczny zasięg pozyskiwanych w ten sposób danych. Jedną z metod jednoczesnego obnişenia kosztów pozyskiwania danych, systematyzację tego procesu oraz uzyskanie pokrycia względnie duşego obszaru terenu pozyskiwanymi danymi

) [

> J $ % & ) & !( !? (!)* $ & & (- !- (!)*

!

jest umieszczenie sensorĂłw na platformach poruszajÄ…cych siÄ™. UĹźycie w tym celu taboru kolejowego jest zasadne z dodatkowych wzglÄ™dĂłw: a) kolejowy transport pasaĹźerski, oraz w nieco mniejszym stopniu towarowy, podlega okreĹ›lonym z gĂłry rozkĹ‚adom jazdy, pozwalajÄ…c na planowanie kampanii pomiarowych z duĹźym wyprzedzeniem, b) szlaki kolejowe zlokalizowane sÄ… w róşnych typach ekosystemĂłw (o duĹźym wpĹ‚ywie dziaĹ‚alnoĹ›ci czĹ‚owieka: miejskim, rolnym, naturalnych: torfowiskach, lasach, Ĺ‚Ä…kach, w pobliĹźu ekosystemĂłw wodnych), c) transport kolejowy jest w wiÄ™kszym stopniu oparty na wykorzystaniu energii odnawialnej niĹź transport drogowy [13]. Tabor kolejowy byĹ‚ juĹź w przeszĹ‚oĹ›ci i jest obecnie stosowany jako noĹ›nik sensorĂłw sĹ‚uşących do pomiaru sytuacji logistycznej i parametrĂłw infrastruktury wykorzystywanej lub wspomagajÄ…cej sam transport (np. monitorowanie ruchu w czasie rzeczywistym za pomocÄ… czujnikĂłw Bragga [14], monitoring parametrĂłw stanu technicznego mostĂłw kolejowych [15]). Wykorzystanie tych samych systemĂłw sensorĂłw do Ĺ›ledzenia poĹ‚oĹźenia taboru kolejowego w czasie rzeczywistym jest obecnie przedmiotem intensywnych prac badawczych [16] i analiz wdroĹźeniowych (np. ETCS [17]). Celem niniejszego opracowania jest przeprowadzenie analizy uĹźytecznoĹ›ci obecnie prowadzonych badaĹ„ zwiÄ…zanych z monitoringiem Ĺ›rodowiska naturalnego przy uĹźyciu sensorĂłw umieszczonych na taborze kolejowym na terenie Polski, szczegĂłlnie z uwzglÄ™dnieniem taboru najwiÄ™kszego polskiego

45

( ( + " , O " , + " i jednego z największych europejskich przewoźników towarowych – PKP CARGO.

monitoringu tego typu dźwięków środowiskowych przedstawiona jest na rys. 1. Waşną kwestią przy projektowaniu systemu IT dedykowanego tego typu monitoringowi jest umiejscowienie poszczególnych elementów na samym taborze lub w systemie centralnym. Moşliwe są tu trzy rodzaje architektury: 1. Umieszczenie sensorów, elementów zapisujących dane oraz elementów analitycznych na taborze. W tym przypadku elementy elektroniczne umieszczone na taborze muszą być rozbudowane (implementacja algorytmów uczenia maszynowego) i powinny mieć dostęp do źródła zasilania innego niş akumulator. W przypadku negatywnej weryfikacji procesu klasyfikacji dźwięku jest on odrzucany (nie jest znana jego klasyfikacja, nie jest dodawany do zbioru uczącego algorytmu). 2. Umieszczenie sensorów i elementów zapisujących dane na taborze. Umieszczenie elementów analitycznych w zewnętrznym systemie IT. W tym przypadku elementy elektroniczne umieszczone na taborze są ograniczone, ale wymagana jest instalacja systemu transmisji danych do systemu centralnego (np. elementów GPRS, bluetooth, Wi-Fi). Sama klasyfikacja przez algorytm uczenia maszynowego, walidacja osiągniętego wyniku oraz akwizycja danych w zbiorze uczącym jest prowadzona w systemie IT poza taborem. Z jednej strony pozwala to na zwiększenie mocy obliczeniowej do dyspozycji algorytmu uczącego, klasyfikację manualną w czasie rzeczywistym lub równolegle, integrację danych z całego taboru w jednym miejscu, z drugiej strony kaşdorazowo proces klasyfikacji wymaga łączności z taborem [20] oraz w o wiele większym stopniu wykorzystywana jest transmisja danych. 3. Koncepcja hybrydowa stosowana ostatnio np. w architekturach opartych na platformie Azure firmy Microsoft [21]. Zgodnie z tą koncepcją na taborze kolejowym powinien zostać umieszczony sensor wraz z niewielkim urządzeniem elektronicznym (np. Raspberry PI). Urządzenie to (tzw. edge device) ma za zadanie akwizycję danych z sensora oraz klasyfikację w oparciu o uproszczoną metodykę. W przypadku negatywnej walidacji wyniku przez system łączności, surowe dane są przekazywane do systemu centralnego i tam poddane bardziej zaawansowanej analizie. W przypadku weryfikacji pozytywnej do systemu centralnego moşe być przesłany tylko wynik klasyfikacji. Urządzenia są sterowane z poziomu systemu centralnego, tj. na podstawie danych z wszystkich sensorów i analiz wykonywanych w systemie centralnym uproszczona metodyka jest poddawana wersjonowaniu (aktualizacji). Architektura tego typu na pewno znacznie odciąşa system centralny, z drugiej strony pozwala na autonomiczną pracę w czasie braku łączności.

(%

* ! {

! Obecnie w projektach związanych z monitoringiem środowiska naturalnego stosowane są sensory zarówno typu wizyjnego, akustycznego jak równieş sensory pasywne (skaning laserowy).

(%M%

: # ! Potrzeba monitorowania parametrĂłw Ĺ›rodowiskowych na duşą skalÄ™ w celu zarzÄ…dzania i dostosowywania siÄ™ do zmian Ĺ›rodowiskowych jest dobrze znana. W ramach europejskich projektĂłw Ĺ›rodowiskowych od dawna stosuje siÄ™ akustykÄ™ jako sposĂłb monitoringu. SzczegĂłlnie bogata jest lista dedykowana monitoringowi akustycznemu zrealizowana w ramach instrumentu finansowego Life+ (np. „HADA – Automatic Tool for environmental diagnosisâ€?, w ramach ktĂłrego stworzono system monitorowania i zmniejszania poziomu haĹ‚asu w rejonach portowych i system reagowania na nietypowe sytuacje zwiÄ…zane z emisjÄ… zanieczyszczeĹ„ i poziomem haĹ‚asu [18] lub „RAVE – The Green Ray of Novaraâ€?, w ramach ktĂłrego rozwiniÄ™to współpracÄ™ miÄ™dzy organizacjami prywatnymi i publicznymi w północno-zachodnich WĹ‚oszech w celu stworzenia kompletnego i zintegrowanego lokalnego systemu powolnej mobilnoĹ›ci redukujÄ…cego wpĹ‚yw Ĺ›rodowiskowy transportu koĹ‚owego oraz m.in. zmniejszenia haĹ‚asu [19]). Obecnie realizowane sÄ… projekty oparte na monitoringu akustycznym analizujÄ…ce dwa róşne rodzaje dĹşwiÄ™kĂłw Ĺ›rodowiskowych: 1. odgĹ‚osy zwiÄ…zane z celowÄ… komunikacjÄ… (np. odgĹ‚osy ssakĂłw, ptakĂłw) oraz 2. niezamierzony haĹ‚as (np. natęşenie szumu w trakcie opadĂłw atmosferycznych, haĹ‚as zwiÄ…zany z upadkiem drzewa, ruch uliczny). Standardowe uczenie maszynowe traktuje rozpoznawanie odgĹ‚osĂłw ptakĂłw jako zadanie klasyfikacyjne, czyli iteracyjne szkolenie klasyfikatora w celu rozpoznawania staĹ‚ej liczby kategorii odgĹ‚osĂłw. ZakĹ‚ada siÄ™ uprzednie pozyskanie wzorcĂłw akustycznych i zapisanie ich jako tzw. „learning setâ€?. Procedura

Dopasowywanie wzorcĂłw akustycznych zostaĹ‚o dotychczas z powodzeniem zastosowane w przypadkach, w ktĂłrych wzorce sÄ… dobrze zdefiniowane, tzn. majÄ… charakterystyczne cechy odróşniajÄ…ce. Dotyczy to wielu odgĹ‚osĂłw zwierzÄ…t. IntegracjÄ™ zbiorĂłw danych tego typu przez sieć Internet zaproponowali naukowcy z Queensland University of Technology

Rys. 1. Schemat procesu klasyfikacji zarejestrowanego dźwięku w oparciu o metodykę uczenia maszynowego Fig. 1. The scheme of the classification process of recorded sound based on the machine learning methodology

46

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

+ ( + ( $ #

Rys. 2. Pozyskiwanie, przetwarzanie i analiza danych akustycznych. Przykładowy interfejs uşytkownika w programie obsługującym proces detekcji odgłosów ptaków (na górze), spektrogram profili częstotliwości w czasie odgłosów pięciu ptaków (na dole, po lewej), mapy akustyczne wykonane na podstawie 20 sensorów identyfikujące połoşenie biotopów w Toskanii (na dole, po prawej) Fig. 2. Acquisition, processing, and analysis of acoustic data. The sample user interface in the program that supports the process of bird sounds detection (top), the spectrogram of frequency profiles during the sounds of five birds (bottom, left), acoustic maps made based on 20 sensors identifying the location of the biotopes in Tuscany (bottom, right)

i Michigan State University (tzw. „Acoustic Environmental Observatoryâ€? [22]). Implementacja metodyk opracowanych na potrzeby monitoringu Ĺ›rodowiska naturalnego moĹźe być zaimplementowana rĂłwnieĹź w zagadnieniach akustycznych zwiÄ…zanych ze Ĺ›rodowiskiem Ĺźycia czĹ‚owieka. PrzykĹ‚adowo system tego typu zostaĹ‚ wdroĹźony w Brisbane. Analizuje on otoczenie dĹşwiÄ™kowe w cyklu 24-godzinnym. Ĺ Ä…czÄ…c wyniki kilkudniowej analizy moĹźna zaobserwować, w jaki sposĂłb wykorzystuje siÄ™ dostÄ™pnÄ… przepustowość drĂłg, a tym samym prowadzić monitoring zakĹ‚adanego wpĹ‚ywu na Ĺ›rodowisko naturalne. W pobliĹźu lotniska w Brisbane, stosujÄ…c rozwiÄ…zanie tego typu, zaobserwowano gwaĹ‚towny wzrost liczby i zróşnicowania typĂłw samochodĂłw okoĹ‚o godziny 5-ej rano. Parametry te stopniowo zmniejszaĹ‚y siÄ™ w ciÄ…gu dnia [22]. Zastosowanie metodyk akustycznych na generujÄ…cym haĹ‚as i poruszajÄ…cym siÄ™ taborze z oczywistych wzglÄ™dĂłw moĹźe być utrudnione, jednak dwa czynniki charakteryzujÄ…ce towarowy transport kolejowy w Polsce sprzyjajÄ… zmniejszeniu znaczenia tych zakĹ‚ĂłceĹ„: 1. tabor w transporcie towarowy rozwija maksymalnÄ… prÄ™dkość wyznaczonÄ… dla tego typu transportu i czÄ™sto jest to prÄ™dkość nieprzekraczajÄ…ca 30 km/h;

2. metodyki moşna aplikować dla stanowisk postojowych (bocznice kolejowe) często rozlokowanych w atrakcyjnych ekologicznie miejscach (lasy, nieuşytki, łąki, pastwiska); naleşy zauwaşyć, şe tabor towarowy w większości czasu nie porusza się albo będąc do dyspozycji planowanych przewozów, albo oczekując na przejazd kolejnym odcinkiem trasy. Na ten problem zwrócono uwagę w monografii J. Skibickiego „Wizyjne metody pomiarowe w diagnostyce górnej sieci trakcyjnej� [23].

(%(%

: ! ! Innowacyjną metodę lokalizacji i pozyskania podstawowych parametrów drzew zlokalizowanych wzdłuş szlaków kolejowych zaproponowano w Fińskim Instytucie Geodezyjnym w Masali. Ich rozwiązanie łączy dwie metody skaningu laserowego – lotniczy (ALS) i mobilny (MLS) [24]. Drzewa są waşnym elementem środowiska kolejowego, który często w trakcie modelowania 3D jest trudny do wyodrębnienia (obiekt tego typu jest nieciągły, często niezbędne jest zastosowanie zaawansowanych algorytmów topologicznych w celu klasyfikacji punktów naleşących do korony drzewa, pnia, podłoşa itp. [20, 25]). Ekstrakcja drzew z punktów pozyskanych w ALS była pierwotnie wykorzystywana

47

( ( + " , O " , + " w inwentaryzacji obszarĂłw leĹ›nych (gÄ™stość punktĂłw wynosiĹ‚a jedynie 2–8/m2). Na bazie szeroko przeprowadzonych analiz punktĂłw pozyskanych z ALS i MLS w Niemczech, Szwecji, Finlandii, Norwegii, Tajwanie, USA, WĹ‚oszech i Szwajcarii [26] okreĹ›lono, Ĺźe na potrzeby detekcji drzew w skrajni torĂłw kolejowych najbardziej wydajne byĹ‚y dwa algorytmy: − FGI_LOCM: lokalne wykrywanie maksimum wysokoĹ›ci, algorytm najpierw okreĹ›laĹ‚ lokalne maksima w danej lokalizacji, a nastÄ™pnie wyznaczaĹ‚ korony drzew przez znalezienie najwyĹźszej wartoĹ›ci w kaĹźdym segmencie drzewa. Wyniki tych metod byĹ‚y dokĹ‚adniejsze niĹź analizy rÄ™czne, − FGI_MCV: wykrywanie drzewa oparte na krzywiĹşnie pokrycia terenu. Warto zauwaĹźyć, Ĺźe konkurencyjnym algorytmem detekcji korony drzewa, jego poĹ‚oĹźenia i wysokoĹ›ci jest algorytm odwrĂłconej zlewni zaproponowany w Instytucie Badawczym LeĹ›nictwa i szeroko stosowanym w projekcie HESOFF w Instytucie Lotnictwa dla drzewostanĂłw w centralnej i zachodniej Polsce [24]. Wynikiem zarĂłwno analiz zaproponowanych przez zespół fiĹ„ski oraz zespoĹ‚y polskie byĹ‚o okreĹ›lenie parametrĂłw drzew: − poĹ‚oĹźenie drzewa (współrzÄ™dne GPS), − wysokość drzewa, − pierĹ›nica drzewa (tzw. DBH), − typ drzewa (iglaste, liĹ›ciaste, a w przypadku dodatkowej integracji danych ze zdjęć wielospektralnych nawet okreĹ›lenie konkretnego gatunku). Warto zauwaĹźyć, Ĺźe najlepsze rezultaty analiza danych pochodzÄ…cych ze skaningu laserowego przyniesie, gdy dla tego samego terenu dysponujemy danymi innego typu, np. zobrazowaniami wielospektralnymi, geodezyjnymi bazami danych, danymi z sensorĂłw GPS itp.

rzadkich i chronionych (np. wilka Canis lupus czy rysia Lynx lynx), o maĹ‚ych zagÄ™szczeniach moĹźe stanowić powaĹźnÄ… stratÄ™ w populacji [32]. Najbardziej zagroĹźone sÄ… duĹźe, maĹ‚o liczne ssaki, ktĂłre wymagajÄ… rozlegĹ‚ych areaĹ‚Ăłw Ĺźyciowych [33]. NaleĹźy zauwaĹźyć, Ĺźe mimo ogromnego potencjaĹ‚u systemĂłw obrazowych w przeciwdziaĹ‚aniu ze zderzeniami z ssakami, nie powstaĹ‚y do tej pory systemy automatyzujÄ…ce proces informowania maszynisty o tego typu przeszkodzie w rejonie torowiska na bazie samych kamer pasywnych. Wieloczujnikowy system wykrywania przeszkĂłd do uĹźytku na torach kolejowych przetestowano w Niemczech na poczÄ…tku lat 2000. Zastosowane w eksperymencie czujniki to: kamery wideo (pasywne optycznie), ale jednoczeĹ›nie LIDAR (sensor aktywny optycznie). Obiekty, ktĂłrych detekcja zostaĹ‚a przeprowadzona przez czujniki, zostaĹ‚y zunifikowane w systemie informatycznym pojazdu, sklasyfikowane, a ich opis przesyĹ‚any jest do centralnej jednostki. Wykazano, Ĺźe poĹ‚Ä…czenie aktywnych i pasywnych czujnikĂłw optycznych oraz bazy danych torĂłw kolejowych prowadzi do bardzo wysokiej wydajnoĹ›ci systemu. OgĂłlna skuteczność wykrywania okazaĹ‚a siÄ™ porĂłwnywalna z reakcjÄ… czĹ‚owieka w zasiÄ™gu do 400 m w typowych warunkach pracy. Prototyp systemu wyprĂłbowano w szynowym pojeĹşdzie testowym (Train Control TestCar) jadÄ…cym z prÄ™dkoĹ›ciÄ… do 120 km/h na duĹźe odlegĹ‚oĹ›ci w Niemczech [34]. Kamery umieszczone na taborze moĹźna wykorzystać w celu oszacowania liczebnoĹ›ci populacji duĹźych zwierzÄ…t w modelu losowego spotkania (REM), szczegĂłlnie w modelach gÄ™stoĹ›ci, ktĂłre nie wymagajÄ… peĹ‚nego rozpoznawania poszczegĂłlnych zwierzÄ…t. Szwedzki zespół badawczy oszacowaĹ‚ róşne opcje upraszczania REM pod wzglÄ™dem oszacowania odlegĹ‚oĹ›ci i kÄ…ta detekcji (dane surowe vs. modelowane) oraz dziennego tempa ruchu saren i Ĺ‚osi [35]. Wyniki badaĹ„ sugerujÄ…, Ĺźe puĹ‚apki kamerowe mogÄ… być solidnym uzupeĹ‚nieniem danych o liczebnoĹ›ci obornikĂłw podczas monitorowania kopytnych. SzczegĂłlnie uproszczone modele REM mogÄ… mieć zastosowanie w monitoringu prowadzonym z platform kolejowych. W trakcie prac badawczych opracowano wiele metod okreĹ›lania charakterystyki dynamicznej obiektĂłw budowlanych moĹźliwych do integracji w procesie przetwarzania danych obrazowych z lokomotyw. Jedna z nich, opracowana przez warszawski Instytut DrĂłg i MostĂłw bazuje na danych fotogrametrycznych i dodatkowym systemie odniesienia danych obrazowych, ktĂłry zmniejsza czuĹ‚ość detekcji zmian konstrukcyjnych na wibracje. Metoda sĹ‚uĹźy do monitorowania i pomiaru w czasie rzeczywistym przemieszczeĹ„ wybranych punktĂłw w konstrukcjach mostowych. Ma zastosowanie szczegĂłlnie w przypadku pomiarĂłw trudno dostÄ™pnych miejsc na mostach [36]. Pomiary dynamicznego przemieszczenia elementĂłw konstrukcyjnych wykorzystywane sÄ… obecnie rĂłwnieĹź z uĹźyciem komercyjnych technik cyfrowej korelacji obrazĂłw 2D (DIC). Systemy te zapewniajÄ… precyzyjne pomiary przemieszczeĹ„ bezdotykowych jednoczeĹ›nie w wielu miejscach mostu za pomocÄ… Ĺ‚atwo modyfikowanej konfiguracji kamery [37]. CiekawÄ… propozycjÄ… jest rĂłwnieĹź skanowanie w paĹ›mie podczerwonym i optyczne metody rekonstrukcji obiektĂłw 3D [38].

(%\%

: # Dane obrazowe pozyskiwane sÄ… z elementĂłw infrastruktury kolejowej, ktĂłry dysponuje swoim systemem zasilania. Elementy te w ogromnej wiÄ™kszoĹ›ci przypadkĂłw sÄ… posadowione na lokomotywie. GĹ‚Ăłwnym przeznaczeniem tych systemĂłw sÄ…: monitoring trakcji w trakcie poruszania siÄ™ skĹ‚adu oraz monitoring pracy maszynisty [27]. Dane obrazowe pozyskiwane w ten sposĂłb, byĹ‚y wielokrotnie wykorzystywane w tworzeniu metodyk sĹ‚uşących bezpieczeĹ„stwu transportu, np. detekcji obiektĂłw w obrÄ™bie torowiska [28]. Metodyki tego typu mogÄ… być wykorzystane w minimalizowaniu negatywnych skutkĂłw takich zjawisk ekologicznych, jak np. przerwanie szlakĂłw migracyjnych, degradacja jakoĹ›ci siedlisk i warunkĂłw bytowania zwierzÄ…t oraz utraty siedlisk. Badania nad negatywnym wpĹ‚ywem linii kolejowych na ekologicznÄ… stabilność obszarĂłw leĹ›nych prowadzone byĹ‚y od poĹ‚owy lat 90. XX wieku, jednak w literaturze specjalistycznej wystÄ™puje wyraĹşna podreprezentatywność takich badaĹ„ w stosunku do badaĹ„ transportu koĹ‚owego drogowego [29]. W zwiÄ…zku ze zwiÄ™kszeniem czÄ™stotliwoĹ›ci przejazdĂłw pociÄ…gĂłw wzrasta Ĺ›miertelność zwierzyny leĹ›nej na skutek kolizji z pociÄ…gami, a kluczowymi czynnikami wpĹ‚ywajÄ…cymi na czÄ™stość wypadkĂłw sÄ…: szerokość linii transportowej, natęşenie ruchu, prÄ™dkość i szerokość pojazdĂłw oraz mobilność zwierzÄ…t. NajwiÄ™cej kolizji notuje siÄ™ na liniach dwutorowych, o wiÄ™kszym natęşeniu ruchu i na liniach kolejowych duĹźych prÄ™dkoĹ›ci, niewiele kolizji zdarza siÄ™ na liniach jednotorowych o ograniczonej prÄ™dkoĹ›ci pociÄ…gĂłw i niskim natęşeniu ruchu. Badania przeprowadzone w Polsce (luty–paĹşdziernik 2015 r.) wskazujÄ…, Ĺźe gatunkiem najczęściej ulegajÄ…cym kolizjom jest dzik (69,2%), sarna (15,4%), lis pospolity (7,7%), jeleĹ„Ě i kuna leĹ›na (po 3,8%). Przeprowadzone badania wykazaĹ‚y konieczność przeciwdziaĹ‚ania dzieleniu siedlisk ssakĂłw [30], przede wszystkim kopytnych [31]. Sporadyczne kolizje z pociÄ…gami nie stanowiÄ… zagroĹźenia dla duĹźych populacji gatunkĂłw pospolitych (jeleĹ„, sarna, dzik, lis). Jednak nawet pojedyncza Ĺ›mierć gatunkĂłw

48

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

(%U% * ! ! #

! Komplementarną metodą minimalizacji wpływu na degradację i fragmentację populacji ssaków jest podejście zaproponowane przez zespół kanadyjski [39]. Zaproponowano metodę dostarczania zwierzętom sygnałów ostrzegawczych, które są wyzwalane przez zblişające się pociągi, szczególnie w obszarach o wysokim ryzyku uderzenia. Testowany system emitował sygnały świetlne i dźwiękowe około 20 s przed przyjazdem pociągu do miejsca, w którym system jest rozstawiony. Przetestowano dwa projekty systemu ostrzegania: A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

+ ( + ( $ #

Rys. 3. Wyniki badań Bain & Company nad rynkiem IoT w najblişszym pięcioleciu Fig. 3. Results of Bain & Company research on the IoT market in the next five years

1. prowadzący detekcję przejeşdşających pociągów i bezprzewodowo przekazujący te informacje do urządzeń ostrzegawczych znajdujących się dalej na torze, 2. integrujący wykrywanie pociągów na odległość z sygnałami ostrzegawczymi w jednym urządzeniu. Najbardziej niezawodny system sensorów był wyposaşony w czujniki magnetyczne lub wibracyjne i przekazywał informacje do urządzeń ostrzegawczych zgodnie z projektem pierwszym.

\% * { ' !

! Transport kolejowy jest dynamicznie rozwijającą się gałęzią logistyki w Polsce. Obecnie następuje bardzo intensywny proces cyfryzacji tego rodzaju transportu; nie tylko w zakresie wykonania i potwierdzania dostaw, ale takşe monitorowania i kontroli przewozów. Rozproszeni globalnie i lokalnie uczestnicy łańcuchów transportowych integrują i przetwarzają w chmurach obliczeniowych coraz większy zakres danych pochodzących m.in. z inteligentnej infrastruktury transportowej i systemów IoT. Proces ten powoduje zwiększenie liczby czujników, sensorów oraz tzw. inteligentnych urządzeń końcowych w obszarze transportu kolejowego. Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi przez wiodące korporacje związane z koncepcją akwizycji i przetwarzania danych wykorzystujące inteligentne sensory, rynek IoT wzrośnie z 235 miliardów USD w 2017 r. do 520 miliardów USD w 2021 r., w tym o 25% wzrośnie udział finansowania „things�, czyli samych sensorów umieszczanych obecnie na taborze w Polsce. O 15% wzrosną nakłady na transmisję danych, a aş o 50% wzrosną nakłady na bazy danych i ich analitykę. Dodatkowo łańcuchy transportowe, dzięki wykorzystaniu sieci sensorycznych oraz integracji danych, staną się źródłem danych związanym ze środowiskiem naturalnym. Dostęp do danych i ich wykorzystanie ułatwią ogólnopolskie projekty cyfryzacji transportu, przede wszystkim: 1. budowa i wdroşenie usług cyfrowych Krajowego Punku Dostępowego (KPD) do Informacji o Warunkach Ruchu, 2. wdroşenie ogólnodostępnej architektury sieci sensorycznej i systemu agregacji danych o przepływach towarów – z 1000 stacji bazowych multimodalnej sieci szkieletowej WSN (ang. Wireless Sensor Network) dla potrzeb monitorowania, identyfikowania i lokalizowania środków transportu i towarów połączonych z bazą EPCIS (ang. Electronic Product Code Information Services) w Wielkopolsce.

\%M% / '

Liczba potencjalnych platform sensorĂłw utrzymuje siÄ™ od 2012 r. na poziomie: 3500–4000 lokomotyw oraz 90 000– 100 000 wagonĂłw towarowych. Ĺšredni wiek lokomotyw utrzymuje siÄ™ na poziomie okoĹ‚o 35 lat, a wagonĂłw na poziomie okoĹ‚o 28 lat. Proces wymiany taboru jest ograniczony. W procesie projektowania systemĂłw akwizycji danych naleĹźy zaĹ‚oĹźyć dostÄ™pność podstawowej infrastruktury na lokomotywach (zasilanie elektryczne, system lokalizacji GPS) oraz brak infrastruktury na wagonach. Powoduje to konieczność zaĹ‚oĹźenia, Ĺźe systemy sensorĂłw aktywnych bÄ™dÄ… moĹźliwe do instalacji wyĹ‚Ä…cznie na lokomotywach, natomiast na wagonach moĹźliwa jest instalacja systemĂłw pasywnych lub o niskim poborze mocy. UdziaĹ‚ przewoĹşnikĂłw towarowych w obszarze kolejowym wskazuje na dominacjÄ™ kilku czoĹ‚owych graczy na runku: PKP CARGO LOGISTICS (okoĹ‚o 50% udziaĹ‚u w wolumenie masy), Lotos Kolej, PKP LHS, DB Cargo i CTL Logistics. Dla duĹźych projektĂłw Ĺ›rodowiskowych waĹźne jest zatem tworzenie konsorcjĂłw projektowych z udziaĹ‚em w/w przedsiÄ™biorstw. ĹšciĹ›le zwiÄ…zany z bezpieczeĹ„stwem Ĺ›rodowiska naturalnego jest zwiÄ…zany stan techniczny infrastruktury kolejowej. Zgodnie z art. 61 ust. 2 prawa budowlanego [40] wĹ‚aĹ›ciciel lub zarzÄ…dca obiektu budowlanego jest zobowiÄ…zany zapewnić, dochowujÄ…c naleĹźytej starannoĹ›ci, bezpieczne uĹźytkowanie obiektu w razie wystÄ…pienia czynnikĂłw zewnÄ™trznych odziaĹ‚ywujÄ…cych na obiekt, zwiÄ…zanych z dziaĹ‚aniem czĹ‚owieka lub siĹ‚ natury, takich jak: wyĹ‚adowania atmosferyczne, wstrzÄ…sy sejsmiczne, silne wiatry, intensywne opady atmosferyczne, osuwiska ziemi, zjawiska lodowe na rzekach, morzu oraz jeziorach i zbiornikach wodnych, poĹźary lub powodzie, w wyniku ktĂłrych nastÄ™puje uszkodzenie obiektu budowlanego lub bezpoĹ›rednie zagroĹźenie takim uszkodzeniem, mogÄ…ce spowodować zagroĹźenie Ĺźycia lub zdrowia ludzi, bezpieczeĹ„stwa mienia lub Ĺ›rodowiska. Szybkie zdiagnozowanie pogorszenia stanu technicznego pozwala na wyĹ‚Ä…czenia danego obiektu z eksploatacji i wykonanie prac naprawczych, przed wystÄ…pieniem np. katastrofy ekologicznej poprzez wykolejenie pociÄ…gu z chemikaliami. Warunki techniczne dla kolejowych obiektĂłw inĹźynieryjnych oraz instrukcje ich utrzymania przedstawione sÄ… w dokumentach wykonawczych i eksploatacyjnych [41, 42]. Obiekty budowlane powinny być w czasie ich uĹźytkowania poddawane przez wĹ‚aĹ›ciciela lub zarzÄ…dcÄ™ kontroli okresowej obejmujÄ…cej swym zakresem sprawdzenie stanu technicznego, m.in. instalacji i urzÄ…dzeĹ„ sĹ‚uşących ochronie Ĺ›rodowiska, jakimi niewÄ…tpliwie sÄ… obiekty infrastruktury kolejowej.

49

( ( + " , O " , + "

Rys. 4. Szacunkowy zasięg nadajnika sieci LoRaWAN umiejscowionego na jednym z biurowców w centrum Warszawy. Zaznaczono linie kolejowe węzła warszawskiego: barwą czarną linie transportu osobowego i towarowego, barwą czerwoną linie kolejowe transportu towarowego Fig. 4. Estimated coverage of the LoRaWAN network transmitter located on one of the office buildings in the center of Warsaw. The railway lines of the Warsaw node have been marked: the black color of passenger and freight transport lines, the color of the red railway lines of freight transport

\%(%

rząt (ptaki, duşe ssaki), drzewostanów oraz wpływu infrastruktury kolejowej na środowisko. Zastosowanie w monitoringu mają zarówno sensory akustyczne jak i obrazowe, jednak najbardziej powszechne są obecnie zastosowania skaningu laserowego. Sensory akustyczne mają przede wszystkim zastosowanie w projektach monitorujących siedliska ptaków oraz badających wpływ hałasu infrastrukturalnego na siedliska. Sensory obrazowe znajdują zastosowanie w projektach przeciwdziałających bezpośredniemu negatywnemu wpływowi ruchu kolejowego na zwierzęta w aspekcie przecinania przez linie kolejowe szlaków migracyjnych. Drugim zastosowaniem sensorów obrazowych jest badanie wpływu infrastruktury kolejowej na środowisko w bezpośrednim otoczeniu. Znacznym ułatwieniem w implementacji tego rodzaju monitoringu środowiska jest wzrastający obecnie rynek IoT oraz standaryzacja urządzeń. Implementacja tego typu metodyki w Polsce wymaga przede wszystkim realizacji duşych projektów w kooperacji z największymi przewoźnikami. Tylko w ten sposób uzyskany zostanie efekt skali oraz wykorzystana zostanie regularność połączeń kolejowych.

W kontekście transmisji danych z sensorów umieszczonych na wagonach waşnym elementem projektów jest transmisja danych do systemu centralnego. Obiecującym rozwiązaniem jest dynamicznie rozwijająca się sieć LoRaWAN. LoRaWAN jest standardem bezprzewodowej komunikacji sieciowej przeznaczonym dla urządzeń IoT, zoptymalizowanym pod kątem minimalizacji poboru energii. Sieć ta dedykowana jest do przesyłania niewielkich paczek danych – wszędzie tam, gdzie wysyłanie statusu, rezultatu pomiaru czy stanu urządzenia realizowane jest raz na jakiś czas. LoRaWAN jest siecią typu LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network). Podstawowym elementem infrastruktury tej sieci jest brama (gateway). Bezprzewodowo komunikuje się z węzłami końcowymi sieci, czyli np. modułami IoT. Z drugiej strony, za pomocą bardziej standardowych protokołów (m.in. Ethernet, Wi-Fi lub 3G) łączy się z serwerami sieciowymi (chmurami) umoşliwiając transmisję zgromadzonych danych do oprogramowania klienta. Umoşliwienie transmisji danych w czasie zblişonym do rzeczywistego, z lokalizacji o niskim stanie infrastruktury, takich jak duşe obszary leśne, obszary bagienne itp., będzie stanowiło gwarancję dostępności danych środowiskowych. Technologia LoRaWAN pozwala na osiągnie niedostępnych do tej pory zasięgów dla urządzeń pracujących w paśmie 868 MHz w paśmie nielicencjonowanym, np. obecnie zasięg nadajnika warszawskiego wynosi ok. 60 km, co pozwala zarówno na pokrycie zasięgiem całego warszawskiego węzła kolejowego, jak równieş linii kolejowych w obrębie Bolimowskiego Parku Krajobrazowego, Chojnowskiego Parku Krajobrazowego, Mazowieckiego Parku Krajobrazowego i Lasów Chotomowskich.

] ! 1. Kennedy R., Remote sensing change detection tools for natural resource managers: Understanding concepts and tradeoffs in the design of landscape monitoring projects, “Remote Sensing of Environmentâ€?, Vol. 113, No. 7, 2009, 1382–1396, DOI: 10.1016/j.rse.2008.07.018. 2. Kotlarz J., Kacprzak M., Algorytm automatycznego oszacowania zróşnicowania gatunkowego drzewostanu z wykorzystaniem zdjęć RGB koron drzew, „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, R. 23, Nr 1, 2017, 63–70, DOI: 10.14313/PAR_223/63. 3. Kotlarz J., Kubiak K., Kacprzak M., Czapski P., Estimation of tree species diversity of forest stands based on their spectral reflectance, “Sylwanâ€?, Tom 160, Nr 12, 2016, 1036–1045, DOI: 10.26202/sylwan.2016005. 4. Fristrup K.M., Mennitt D., Bioacoustical monitoring in terrestrial environments, “Acoustics Todayâ€?, Vol. 8, No. 3, 2012, 16–24. 5. Gardner J., Bartlett P.N., A brief history of electronic noses, “Sensors and Actuators B: Chemicalâ€?, Vol. 18, No. 1, 1994, 210–2011, DOI: 10.1016/0925-4005(94)87085-3.

4. Wnioski Prowadzenie monitoringu środowiska naturalnego, elementów krajobrazu oraz wpływu infrastruktury kolejowej na środowisko za pomocą sensorów umieszczonych na elementach taboru kolejowego jest wciąş nieobecne w Polsce. Projekty badawcze przeprowadzone w Europie i Ameryce Północnej wskazują, şe ten sposób zbierania danych moşe być cennym uzupełnieniem obecnie dostępnych informacji takich jak zobrazowania satelitarne czy dane pobierane in situ. Szczególnie waşne jest zastosowanie tego rodzaju akwizycji danych w odniesieniu do monitoringu zwie-

50

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

+ ( + ( $ # 6. Seto K.C., Woodcock C.E., Song C., Huang X., Lu J., Kaufmann R.K., Monitoring land-use change in the Pearl River Delta using Landsat TM, “International Journal of Remote Sensingâ€?, Vol. 23, No. 10, 2002, 1985–2004, DOI: 10.1080/01431160110075532. 7. KamiĹ„ski Ĺ ., Kulawiak M., CiĹźmowski W., Chybicki A., StÄ™pnowski A., OrĹ‚owski A., Web-based GIS dedicated for marine environment surveillance and monitoring, “OCEANS 2009-EUROPEâ€?, 2009, 1–7, DOI: 10.1109/OCEANSE.2009.5278151. 8. Webb W.L., Christensen W., Inter-Range Instrumentation Group Participation in the Meteorological Rocket Network, “Bulletin of the American Meteorological Societyâ€?, Vol. 43, GrudzieĹ„ 1962, 640–649, DOI: 10.1175/1520-0477-43.12.640. 9. Kerr J.B., McElroy C.T., Measurement of stratospheric nitrogen dioxide from the AES stratospheric balloon program, “Atmosphereâ€?, Vol. 14, No. 3, 1976, 166–171, DOI: 10.1080/00046973.1976.9648412. 10. Skarlatos D., Marinos V., Vegetation removal from UAV derived DSMS, using combination of RGB and NIR imagery, Proc. SPIE 10773, Sixth International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of the Environment (RSCy2018), 2018, 255–262, DOI: 10.5194/isprs-annals-IV-2-255-2018. 11. Parham J., Crall J., Stewart C., Berger-Wolf T., Rubenstein D., Animal Population Censusing at Scale with Citizen Science and Photographic Identification, [in:] AAAI 2017 Spring Symposium on AI for Social Good (AISOC), 2017. 12. Yuan C., Zhang Y., Liu Z., A survey on technologies for automatic forest fire monitoring, detection, and fighting using unmanned aerial vehicles and remote sensing techniques, “Canadian Journal of Forest Researchâ€?, Vol. 45, No. 7, 2015, 783–792, DOI: 10.1139/cjfr-2014-0347. 13. Coen D., HĂŠritier A., Refining regulatory regimes: utilities in Europe, Edward Elgar Publishing, 2005. 14. Filograno M.L., Real-Time Monitoring of Railway Traffic Using Fiber Bragg Grating Sensors, [in:] 2010 Joint Rail Conference, 2010. 15. Sala D., Motylewski J., KoĹ‚akowski P., Wireless transmission system for a railway bridge subject to structural health monitoring, “Diagnostykaâ€?, Nr 2(50), 2009, 69–72. 16. Faxun M., Ruije X., Nan X., Analysis of railway subgrade frost heave deformation based on GPS, “Geodesy and Geodynamicsâ€?, Vol. 7, No. 2, 2016, 143–147, DOI: 10.1016/j.geog.2016.04.001. 17. Albrecht T., Luddecke K., Zimmermann J., A precise and reliable train positioning system and its use for automation of train operation, [w:] 2013 IEEE International Conference on Intelligent Rail Transportation (ICIRT), IEEE, 2013, DOI: 10.1109/ICIRT.2013.6696282. 18. Guerra Sierra A., HADA – Automatic Tool for environmental diagnosis, 2005. [Online]. Available: http://ec.europa. eu/environment/life/project/Projects/index.cfm?fuseaction=search.dspPage&n_proj_id=2105. 19. Vallaro P., RAVE – The Green Ray of Novara, 2005. [Online]. Available: http://ec.europa.eu/environment/ life/project/Projects/index.cfm?fuseaction=home.createPage&s_ref=LIFE02%20ENV/IT/000106. 20. Kotlarz J., Kubiak K., Spiralski M., Monitoring effects of drought on nitrogen and phosphorus in temperate oak forests using machine learning techniques, “Preprintsâ€?, 2018, DOI: 10.20944/preprints201810.0191.v1. 21. Microsoft, Microsoft Azure IoT Reference Architecture Version 2.1, 26. 9. 2018. [Online]. Available: https://azure.microsoft. com/pl-pl/services/iot-edge/.

22. Manson R., Towards an acoustic environmental observatory, [w:] IEEE Fourth International Conference on eScience’08, 2008, DOI: 10.1109/eScience.2008.16. 23. Skibicki J., Wizyjne metody pomiarowe w diagnostyce gĂłrnej sieci trakcyjnej (1–226). Wydawnictwo Politechniki GdaĹ„skiej, 2018. 24. Zhu L., Hyppa J., The use of airborne and mobile laser scanning for modeling railway environments in 3D, “Remote Sensingâ€?, Vol. 6, No. 4, 2014, 3075–3100, DOI: 10.3390/rs6043075. 25. Kotlarz J., NasiĹ‚owska S., Rotchimmel K., Kubiak K., Kacprzak M., Species Diversity of Oak Stands and Its Significance for Drought Resistance, “Forestsâ€?, Vol. 9, No. 9, 2018, DOI: 10.3390/f9030126. 26. Kaartinen H., Hyyppa J., Yu X., Vastaranta M., Hyyppa H., Kukko A., Holopainen M., An international comparison of individual tree detection and extraction using airborne laser scanning, Remote Sensing, Vol. 4, No. 4, 2012, 950–974, DOI: 10.3390/rs4040950. 27. Sriwardene A.S., Viraj M.A., Muthugala J., Buddhika A.G., Jayasekara P., Vision based smart driver assisting system for locomotives, [w:] 2016 IEEE International Conference on Information and Automation for Sustainability (ICIAfS), 2016, DOI: 10.1109/ICIAFS.2016.7946551. 28. Otha M., Level crossings obstacle detection system using stereo cameras, “Quarterly Report of RTRIâ€?, Vol. 46, No. 2, 2005, 110–117, 10.2219/rtriqr.46.110. 29. Popp J.N., Boyle S.P., Railway ecology: Underrepresented in science?, “Basic and Applied Ecologyâ€?, Vol. 19, 2017, 84–93, DOI: 10.1016/j.baae.2016.11.006. 30. Mateo-SĂĄnchez M.C., Cushman S.A., Saura S., Connecting endangered brown bear subpopulations in the Cantabrian Range (north-western Spain), “Animal Conservationâ€?, Vol. 17, No. 5, 2014, 430–440, DOI: 10.1111/acv.12109. 31. Ito T.Y., Lhagvasuren B., Tsunekawa A., Shinoda M., Takatsuki S., Buuveibaatar B., Chimeddorj B., Fragmentation of the habitat of wild ungulates by anthropogenic barriers in Mongolia, “PLoS Oneâ€?, Vol. 2, No. 1–13, 2013, 1–8, DOI: 10.1371/journal.pone.0056995. 32. Olkowska E., Szymankiewicz K., SÄ™kiewicz M., Ekspertyza dotyczÄ…ca wpĹ‚ywu linii kolejowych na zwierzÄ™ta oraz szlaki migracji dla projektĂłw inwestycyjnych z perspektywy 2014– 2020, Część nr 1 Ssaki, z wyjÄ…tkiem nietoperzy, ETAP III, PKP PLK S.A., Warszawa 2015. 33. Stolarski M., ĹťyĹ‚kowska J., Aktywne metody ochrony zwierzÄ…t na liniach kolejowych, „TTS Technika Transportu Szynowegoâ€?, R. 14, Nr 25–26, 2008, 62–65. 34. Mockel S., Scherer F., Multi-sensor obstacle detection on railway tracks, Proceedings of IEEE IV 2003 Intelligent Vehicles Symposium, 2003, DOI: 10.1109/IVS.2003.1212880. 35. Pfeffer S.E. et al., Pictures or pellets? Comparing camera trapping and dung counts as methods for estimating population densities of ungulates, “Remote Sensing in Ecology and Conservationâ€?, Vol. 4, No. 2, 2018, 173–183, DOI: 10.1002/rse2.67. 36. Olaszek P., Investigation of the dynamic characteristic of bridge structures using a computer vision method, “Measurementâ€?, Vol. 25, No. 3, 1999, 227–236, DOI: 10.1016/S0263-2241(99)00006-8. 37. Acikgoz S., DeJong M.J., Soga K., Sensing dynamic displacements in masonry rail bridges using 2D digital image correlation, “Structural Control and Health Monitoringâ€?, Vol. 25, No. 8, 2018, DOI: 10.1002/stc.2187. 38. Crabtree Gärdin D., Jimenez A., Optical methods for 3D-reconstruction of railway bridges: Infrared scanning,

51

( ( + " , O " , + " 40. Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. – Prawo budowlane.. 41. Warunki techniczne dla kolejowych obiektów inşynieryjnych Id-2 (D2). Warszawa 2005. 42. Instrukcja o utrzymaniu kolejowych obiektów inşynieryjnych Id-16 (D83). Warszawa 2005.

Close range photogrammetry and Terrestrial laser scanning, “Structural and Fire Engineering�, 2018. [Online]. Available: http://www.diva-portal.org/smash/record.jsf?pid=diva2%3A1184613&dswid=2346. 39. Backs J., Nychka J., Clair C., Warning systems triggered by trains could reduce collisions with wildlife, “Ecological Engineering�, Vol. 106, Part A, 2017, 563–569, DOI: 10.1016/j.ecoleng.2017.06.024.

" / 8 = / V & / < # = Abstract: The development of the IoT market in Poland may become a factor that propagates the monitoring of the natural environment and increases the automation of it. Measurements performed currently either using low-resolution images (satellite data) or locally (in situ) are burdened with errors due to insufficient data detail or low time resolutions. Often, measurement campaigns are timeconsuming and generate high costs. For many years, both in Europe and North America, research has been carried out to enable the use of sensors located on railway mobile platforms (locomotives, carriages) in environmental monitoring. The publication presents the possibility of implementing acoustic and image sensors as well as laser scanning. We present examples of applications and answer the question about the possibility of their implementation in Poland. Keywords[ 6 "$ =$ &= & $ $ A 8 R7E

Jan Kotlarz

5& 3 ( ) !

> J % @

% @

B& & 0 ; @ & R & V R = B& (!)( & " & 6 A R (!!* @ & = & " E T = = K= = = K = ; & # & = B& (!) [< BVV 7 6" .J. 6 /

E # R (!)X 4 & = @ " = a. = @ & ; = 0 & b B0 & ; & R & < 6 / . @ A 0 # M#<# O$ = @ $ = ; & 0

dr Katarzyna Kubiak

& 3 % & !" 7!

0 % &

% & 70 R 7 & " M(!!* O B 4 & @ M O (!)? R 7 & " 7 @ K J & S & B=; = 6 / R R & 6 P AK& T & > = @ KL 0 & ; $ $ $ P 0 > 0 @ 0 0 & ; $ $ & =

70 S = T ; T & R = R B ^ @ & R & S = @ R = B& (!)'

& " & 6 A R T ; / = ; @ & 0 0 ; &

52

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 53–60, DOI: 10.14313/PAR_232/53

+

, - - # # .

/ 0 Agnieszka Chodorek

1

2 ! 3 4

! / 5 ! 6 4

1 7 0 - 1 8 1 9! &%: '; 6

Robert R. Chodorek

<= <.

:=

! 3 / 5 ! 4

0

! 6 0

7 > ! : %( 6 .

Streszczenie: Jednym z problemów występujących w duşych systemach Internetu Rzeczy, złoşonych z tysięcy urządzeń IoT, są przeciąşenia sieci w poblişu urządzeń pełniących rolę hubów komunikacyjnych (brokerów danych, chmur obliczeniowych). Przeciąşenia te nie są w wystarczającym stopniu rozładowywane przez protokół TCP, który (ze względu na specyfikę ruchu telekomunikacyjnego w systemach IoT) nie jest w stanie prawidłowo oszacować, dostępnych dla danej transmisji, zasobów sieciowych. W artykule przedstawiono prototypowe urządzenie IoT, zbudowane na mikrokontrolerze Raspberry PI pracującym pod kontrolą systemu operacyjnego Linux, które szacuje wielkość, dostępnej dla protokołu TCP, przepustowości ścieşki komunikacyjnej. Urządzenie korzysta ze znanej metody par pakietów. Aby poprawić dokładność szacunków, uşyto wariantu metody, który ocenia wielkość dostępnej przepustowości na podstawie ciągów par. Badania przeprowadzone w dedykowanej sieci lokalnej pozwoliły zarówno ocenić pracę urządzenia, jak i dokonać analizy dokładności szacunków przeprowadzanych w obecności ruchu charakterystycznego dla systemów Internetu Rzeczy. Oceniono równieş narzut ruchu wnoszonego do sieci Internetu Rzeczy przez pomiary metodą par testowych TCP. Ze względu na ograniczoną moc obliczeniową mikrokontrolera Raspberry PI, urządzenie korzysta z prostych, szybkich wariantów obliczeniowych metody par pakietów PTR (bez odstępu czasowego między parami pakietów) oraz zmodyfikowany IGI (ze zmiennym odstępem czasowym między parami pakietów). Urządzenie umoşliwia szybką ocenę stanu sieci w trakcie trwania transmisji IoT. Znajomość stanu sieci, w tym przepustowości dostępnej dla transmisji TCP, pozwoli na efektywniejsze działanie systemu wykorzystującego duşą liczbę urządzeń Internetu Rzeczy. # ! / ? ! # # . ! # ! #

# -@

! ? #A 1/! # . 0 1! # #

1. Wprowadzenie UrzÄ…dzenia Internetu Rzeczy (ang. Internet of Things, IoT) sÄ… obecnie wykorzystywane do róşnych celĂłw - od kontrolno-sterujÄ…cych, przez szeroko rozumiany monitoring, po pomiary prowadzone na bieşąco, w czasie rzeczywistym (ang. on-line

! " #

% & '( ! # &) * & '(

measurements). W systemach przemysłowych urządzenia IoT spełniają często funkcję zaawansowanych czujników pomiarowych. Podobną rolę pełnią na współczesnych statkach – zwłaszcza tych określanych mianem inteligentnego statku (ang. smart ship). Inteligentne statki mogą mieć na swoim pokładzie od 15 000 do 20 000 czujników [1], które monitorują zarówno statek i jego funkcje, jak i przewoşony ładunek, oraz bliskie otoczenie statku (w tym warunki pogodowe). W przypadku statków autonomicznych liczba ta jeszcze wzrośnie (głównie ze względu na dodatkowe lidary, radary, kamery termowizyjne, kamery HD generujące duşe ilości danych, w tym danych poddawanych lokalnej kompresji) [2]. Protokoły warstwy aplikacji dla urządzeń IoT, takie jak MQTT (ang. Message Queue Telemetry Transport), AMQP (ang. Advanced Message Queuing Protocol) oraz CoAP (ang. Constrained Application Protocol) typowo korzystają z usług protokołu transportowego TCP (ang. Transmission Control

53

Protocol) [3]. Mechanizm przeciwdziałania przeciąşeniom, zastosowany w protokole TCP, szacuje wielkość zasobów sieciowych1 dostępnych dla bieşącego połączenia TCP zgodnie z algorytmem AIMD (ang. additive-increase/multiplicative-decrease). Algorytm AIMD, arytmetycznego wzrostu (w razie braku przeciąşenia) i geometrycznego spadku ilości wysyłanych danych (w razie wystąpienia przeciąşenia), pozwala protokołowi elastycznie dostosowywać się do aktualnych warunków pracy sieci. Prowadzi to nie tylko do rozładowywania przeciąşeń, ale i do sprawiedliwego (równomiernego) podziału zasobów sieciowych pomiędzy konkurujące połączenia TCP. Jednak, aby te efekty osiągnąć, transmisja TCP musi trwać wystarczająco długo. Sesje TCP prowadzone na potrzeby MQTT są bardzo krótkie w porównaniu do typowej sesji TCP [4]. W artykule [5] wskazano, şe metoda przeciwdziałania przeciąşeniom stosowana przez TCP niewystarczająco chroni ruch IoT. Niedostateczna skuteczność dotychczasowych metod wymusiła prace nad poprawą efektywności mechanizmów przeciwdziałania przeciąşeniom, w tym prac nad poprawkami do protokołu TCP [6]. W pracy [7] przedstawiono metodę przeciwdziałania przeciąşeniom opartą o analizę czasów RTT (ang. Round Trip Time) i RTO (ang. Retransmission Timeout), wyznaczanych przez protokół TCP. Inna metoda, z wykorzystaniem analizy wariancji czasu RTT, została zaprezentowana w [8]. Rozwiązania szacujące przepustowość na podstawie analizy czasów RTT czy zmienności czasu RTT nie są zbyt dokładne. O wiele dokładniejsza jest metoda oparta na pomiarze czasu między parą pakietów (ang. packet pair) wysyłanych jeden za drugim [9, 10]. Metoda par pakietów z powodzeniem była testowana w systemach multimedialnych [11]. Modyfikacja tej metody, polegająca na wysyłaniu ciągów par pakietów PPT (ang. Probing Packet Trains), okazała się skuteczna w przypadku pomiaru w sieci obciąşonej typowymi, długotrwałymi transmisjami TCP [10]. Metoda PPT wymaga wysyłania od kilku do nawet ponad stu ciągów po kilkadziesiąt (typowo: 60) par pakietów [10, 12]. W efekcie pojedyncze oszacowanie generuje dodatkowy, stosunkowo duşy (wielokrotnie większy od całkowitego ruchu pojedynczej sesji TCP w systemie IoT) ruch pomiarowy. W systemach zawierających tysiące urządzeń IoT, tak duşy ruch pomiarowy znacznie obciąşałby sieć. Autorzy proponują, by pomiary metodą PPT realizowane były na potrzeby więcej niş jednego urządzenia. Wymagałoby to zbudowania autonomicznego urządzenia pomiarowego, słuşącego do szacowania dostępnej przepustowości na potrzeby grupy urządzeń IoT (ewentualnie brokera danych lub chmury obliczeniowej). Takie urządzenie mogłoby równieş przeprowadzać pomiary na potrzeby własnych transmisji IoT. Celem prac, których podsumowaniem jest niniejszy artykuł, było praktyczne sprawdzenie skuteczności metody PPT w sieci przenoszącej ruch Internetu Rzeczy. Aby zrealizować ten cel, zaprojektowano prototypowe urządzenie na mikrokontrolerze Raspberry PI. Urządzenie zostało zbudowane i przetestowane w lokalnej sieci, w obecności generowanego ruchu IoT o duşym wolumenie. Artykuł składa się z sześciu rozdziałów. Rozdział drugi przyblişa problematykę Internetu Rzeczy w gospodarce morskiej. Rozdział trzeci prezentuje metodę par pakietów i jej wariantu PPT. Rozdział czwarty omawia prototypowy układ IoT realizujący szacowanie dostępnej przepustowości metodą par pakietów w wariancie PPT. Rozdział piąty zawiera analizę wyników zebranych w sieci gigabitowej, homogenicznej oraz heterogenicznej z pojedynczym „wąskim gardłem�. Rozdział szósty stanowi podsumowanie artykułu. '

UrzÄ…dzenia Internetu Rzeczy dostarczajÄ… danych w caĹ‚ym okresie Ĺźycia statku (od projektowania, przez wytwarzanie, eksploatacjÄ™, aĹź po utylizacjÄ™) [13]. W fazie projektowania wykorzystuje siÄ™ dane zebrane z urzÄ…dzeĹ„ IoT pracujÄ…cych na statkach tego samego lub podobnego typu, a systemy komputerowego wspomagania projektowania CAD (ang. Computer Aided Design) majÄ… integrować prace nad konstruowanym statkiem z nadzorem nad tworzonym oprogramowaniem IoT. W efekcie dane pozyskiwane z systemĂłw IoT wpĹ‚ywajÄ… na proces projektowania i udoskonalania nie tylko statku jako takiego, ale i oprogramowania IoT. W fazie wytwarzania – dane z urzÄ…dzeĹ„ IoT zbierane sÄ… juĹź w trakcie budowy statku. Po zamontowaniu urzÄ…dzeĹ„ IoT, niektĂłre z nich monitorujÄ… strukturÄ™ podczas budowy [13]. W fazie eksploatacji, uĹźycie urzÄ…dzeĹ„ IoT pozwala zmniejszyć koszty eksploatacyjne i poprawić bezpieczeĹ„stwo. Zastosowanie Internetu Rzeczy w gospodarce morskiej pozwala na poprawÄ™ efektywnoĹ›ci transportu morskiego, a takĹźe na optymalizacjÄ™ kosztĂłw spedycji dziÄ™ki zwiÄ™kszeniu moĹźliwoĹ›ci analizy czynnikĂłw wpĹ‚ywajÄ…cych na koszty. Do czynnikĂłw kosztotwĂłrczych, ktĂłrych wartoĹ›ci sÄ… pozyskiwane na podstawie ciÄ…gĹ‚ego pomiaru dokonywanego z uĹźyciem urzÄ…dzeĹ„ IoT naleşą, miÄ™dzy innymi, zuĹźycie paliwa i wody oraz aktualny stan Ĺ‚adunku [14]. UrzÄ…dzenia IoT ograniczajÄ… koszty napraw i diagnostyki, pozwalajÄ…c na monitorowanie w trybie ciÄ…gĹ‚ym aktualnego stanu statku [14]. UmoĹźliwiajÄ… zdalne sterowanie i zarzÄ…dzanie urzÄ…dzeniami zmniejszajÄ…c koniecznÄ… obsĹ‚ugÄ™ na pokĹ‚adzie statku. Zastosowanie specjalizowanych urzÄ…dzeĹ„ Internetu Rzeczy ma rĂłwnieĹź wpĹ‚yw na poprawÄ™ bezpieczeĹ„stwa transportu morskiego. UrzÄ…dzenia takie dajÄ… moĹźliwość peĹ‚nego, realizowanego w czasie rzeczywistym, monitorowania struktury statku [14, 15]. MoĹźliwe jest monitorowanie róşnego typu napręşeĹ„ i deformacji struktury statku, a takĹźe analiza wibracji, realizowana z wykorzystaniem trĂłjosiowych czujnikĂłw, umieszczonych w róşnych punktach statku [15]. Systemy IoT umoĹźliwiajÄ… monitorowanie stanu i diagnostykÄ™ urzÄ…dzeĹ„ zainstalowanych na statku. Dane pozyskane z urzÄ…dzeĹ„ Internetu Rzeczy pozwalajÄ… na przeprowadzenie zĹ‚oĹźonej analizy pod kÄ…tem profilaktyki urzÄ…dzeĹ„, zapobiegajÄ…c awariom i zwiÄ™kszajÄ…c bezpieczeĹ„stwo techniczne przez dziaĹ‚ania uprzedzajÄ…ce.

3. Metoda par pakietów Do szacowania dostępnej przepustowości łączy stosowane są metody pasywne i aktywne [9]. W metodach pasywnych, urządzenia komutacyjne (przełączniki, rutery) zbierają dane o ruchu w sieci. Zebrane dane są analizowane w trybie off-line. W metodach aktywnych, systemy końcowe wysyłają pakiety testujące [10]. Metody te są na tyle atrakcyjne, şe wynik pomiaru jest od razu dostępny w urządzeniach końcowych. Dodatkowo, pomiar nie wymaga zbierania informacji z urządzeń sieciowych (co bywa trudne, np. ze względów bezpieczeństwa). Jedną z metod aktywnych jest metoda par pakietów. Kompleksowa analiza metod wykorzystujących parę pakietów oraz analiza metod pasywnych (obie analizy przeprowadzone zostały pod kątem stosowalności metod w środowisku sieci bezprzewodowych) zostały zaprezentowane w pracy [9]. Metoda estymacji dostępnej przepustowości za pomocą pary pakietów polega na wysłaniu dwóch kolejnych pakietów (pakiety testowe P1 i P2) z zadanym odstępem czasu między nimi. Zwykle pakiety wysyłane są jeden po drugim, tylko z przerwą technologiczną. Kaşdy z pakietów pary testowej jest potwierdzany przez system odbiorczy.

< .

# # ,B - - C - D F , @ # -

A

E

54

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 2/2019

! " # $ #% ! MiÄ™dzy pakietami P1 i P2 nie moĹźe być nadawany Ĺźaden inny pakiet. Ewentualne pakiety, jakie pojawiÄ… siÄ™ miÄ™dzy nimi na Ĺ›cieĹźce miÄ™dzy nadajnikiem a odbiornikiem, a ktĂłre bÄ™dÄ… wpĹ‚ywać na opóźnienie P2 wzglÄ™dem P1 pochodzÄ… zatem zawsze z zewnÄ™trznych ĹşrĂłdeĹ‚ ruchu, rywalizujÄ…cych z ruchem testowym o przepustowość. W metodzie pary pakietĂłw dokonuje siÄ™ pomiaru lub szacowania odstÄ™pu czasu miÄ™dzy pakietami P2 i P1: ௅ gI (ang. initial gap) – obserwowanego podczas nadawania, ௅ gB (ang. bottleneck gap) – obserwowanego podczas transmisji w „wÄ…skim gardleâ€?, ௅ gO (ang. output gap) – obserwowanego w systemie odbiorczym. Estymacji dostÄ™pnej przepustowoĹ›ci za pomocÄ… pary pakietĂłw dokonuje siÄ™ na podstawie nastÄ™pujÄ…cej zaleĹźnoĹ›ci [10]:

gO = gB +

BC â‹… gI BO

(1)

gdzie: BC – ruch obciąşający łącze w czasie transmisji pakietów P1 i P2, BO – przepustowość „wąskiego gardła�. W zastosowaniu praktycznym [12], autorzy [10] uşyli uproszczonej i zmodyfikowanej wersji równania (1):

BAV =

(

L ⋅ 2 ⋅ gI − gO

)

⎛ L ⎞ gI â‹… ⎜ + gO âŽ&#x; B âŽ? N âŽ

(2)

gdzie: BAV – dostÄ™pna przepustowość, BN – przepustowość Ĺ‚Ä…cza nadawczego, L – dĹ‚ugość pakietu P2. Z zaleĹźnoĹ›ci (1) lub (2) wyznaczana jest przepustowość „wÄ…skiego gardĹ‚aâ€? Ĺ›cieĹźki transmisyjnej miÄ™dzy nadajnikiem a odbiornikiem. W artykule [10] zaproponowano, aby w przypadku znaczÄ…cych fluktuacji czasĂłw gB i gO wysyĹ‚ana byĹ‚a nie pojedyncza para testowa, ale ciÄ…g testowy par pakietĂłw (wariant PPT metody par pakietĂłw). Ĺšrednia arytmetyczna ze wszystkich wartoĹ›ci ‍ ܹܤ‏wyznaczonych na podstawie par wchodzÄ…cych w skĹ‚ad ciÄ…gu jest estymatorem przepustowoĹ›ci „wÄ…skiego gardĹ‚aâ€?. W pracy [10] przedstawiono dwa warianty metody PPT: podstawowy PTR (ang. Packet Transmission Rate) oraz zmodyfikowany IGI (ang. Initial Gap Increasing). W wariancie IGI zwiÄ™kszany jest odstÄ™p miÄ™dzy pakietami kolejnych, nadawanych par. Pozwala to, w pewnych warunkach, Ĺ‚atwiej odnaleźć nieobciÄ…Ĺźone lub sĹ‚abo obciÄ…Ĺźone Ĺ‚Ä…cze. a)

! " #$ % & ' (% ) * Do najpopularniejszych mikrokontrolerĂłw stosowanych w ukĹ‚adach IoT naleşą kontrolery wykorzystujÄ…ce ukĹ‚ad ESP8266. MogÄ… one pracować samodzielnie lub współpracować z platformÄ… Arduino. UkĹ‚ad ESP8266 ma wbudowanÄ… Ĺ‚Ä…czność bezprzewodowÄ…. Do Arduino współpracujÄ…cego z ESP8266 moĹźna doĹ‚Ä…czyć zewnÄ™trzny interfejs Ethernet. UrzÄ…dzenia wykorzystujÄ…ce ukĹ‚ad ESP8266 majÄ… jednak zbyt maĹ‚Ä… moc obliczeniowÄ…, aby moĹźna byĹ‚o uruchomić na nich algorytmy zapewniajÄ…ce poziom bezpieczeĹ„stwa odpowiedni dla systemĂłw przemysĹ‚owych. AlternatywÄ… dla kontrolerĂłw zbudowanych w oparciu o ukĹ‚ad ESP8266 (lub starszy, ESP8265) sÄ… systemy wykorzystujÄ…ce procesory ARM, ktĂłre majÄ… duşą moc obliczeniowÄ… przy niskim zapotrzebowaniu energetycznym. AnalizujÄ…c dostÄ™pne na rynku rozwiÄ…zania tej rodziny zdecydowano siÄ™ na wybĂłr mikrokontrolera Raspberry PI 3 model B+. Mikrokontroler Raspberry PI 3 model B+ wykorzystuje czterordzeniowy procesor Broadcom BCM2837B0 o architekturze 64-bitowej ARM-8 Cortex-A53. Mikrokontroler ma 1 GB pamiÄ™ci RAM. Jest wyposaĹźony w trzy interfejsy sieciowe: IEEE 802.11 b/g/n/ac pracujÄ…ce w pasmach 2,4 GHz i 5 GHz, Bluetooth 4.2 i Gigabit Ethernet. Ma on rĂłwnieĹź szereg portĂłw uniwersalnych, typowych dla systemĂłw komputerowych. SÄ… to: interfejs HDMI (ang. High Definition Multimedia Interface), analogowy port audio, cztery porty USB 2.0, interfejs CSI (ang. Camera Serial Interface) do podĹ‚Ä…czania dedykowanej kamery oraz interfejs DSI (ang. Display Serial Interface) do podĹ‚Ä…czenia ekranĂłw LCD. Z punktu widzenia pracy Raspberry PI jako urzÄ…dzenia IoT istotne jest, Ĺźe ma on szereg urzÄ…dzeĹ„ wejĹ›cia/wyjĹ›cia GPIO (ang. General-Purpose Input/Output), dostÄ™pnych przez 40-stykowe zĹ‚Ä…cze. SÄ… one w peĹ‚ni konfigurowalne i mogÄ… speĹ‚niać rolÄ™ wejść lub wyjść (cyfrowych jak i analogowych). OprĂłcz typowego wejĹ›cia/wyjĹ›cia (przetworniki A/C C/A lub we/wy cyfrowe) moĹźliwe jest takĹźe ustawienie wyjść: − w trybie PWM (ang. Pulse Width Modulation), ktĂłry pozwala na automatyczne generowanie sygnaĹ‚u o zadanym wypeĹ‚nieniu, − jako portĂłw szeregowych w standardzie I2C (ang. Inter Integrated-Circuit bus) lub SPI (ang. Serial Peripheral Interface).

! Schemat blokowy prototypowego urządzenia przedstawiony został na rysunku 1a. Do budowy prototypu uşyto mikrokontrolera Raspberry PI 3 model B+, wyświetlacza OLED o rozdzielczości 128 px × 64 px oraz klawiatury o 4 przyciskach. Urządzenie moşe łączyć się przez interfejsy sieciowe b)

Rys. 1. Układ pomiarowy dla systemów IoT bazujący na Raspberry PI: a) schemat blokowy, b) rozwiązanie prototypowe (fotografia własna) Fig. 1. Measurement device for IoT systems based on the Raspberry PI: a) block diagram, b) the prototype IoT system

55

+ , -

Ethernet 1Gb/s i Wi-Fi. Zasilanie jest dostarczane z zewnÄ™trznego, standardowego zasilacza lub z moduĹ‚u PoE (ang. Power over Ethernet). Zasilanie przez sieć Ethernet ogranicza ilość niezbÄ™dnego okablowania systemu IoT. Rysunek 1b przedstawia ukĹ‚ad z rysunku 1a, zmontowany na pĹ‚ytce prototypowej, podĹ‚Ä…czony do sieci Ethernet i korzystajÄ…cy z zasilania PoE. Interfejs czĹ‚owiek-maszyna (interfejs uĹźytkownika) wykorzystuje prostÄ…, czteroklawiszowÄ… klawiaturÄ™ (do sterowania urzÄ…dzeniem oraz do wyboru opcji) oraz wyĹ›wietlacz OLED o rozdzielczoĹ›ci 128 px Ă— 64 px (do wyprowadzania wynikĂłw i informacji pomocniczych). Klawiatura doĹ‚Ä…czona jest do wejść cyfrowych GPIO mikrokontrolera Raspberry PI. Stan wejść sprawdzany jest cykliczne. Klawisz uznawany jest za naciĹ›niety (lub zwolniony) jeĹźeli stan linii powiÄ…zanej z danym klawiszem jest niezmienny przez zadany przedziaĹ‚ czasu. Zapobiega to reakcjom na drĹźenie stykĂłw. WyĹ›wietlacz graficzny OLED [16] jest urzÄ…dzeniem autonomicznym wyposaĹźonym w ukĹ‚ad SSD1306 obsĹ‚ugujÄ…cy wyĹ›wietlacze OLED/PLED ze wspĂłlnÄ… katodÄ… o maksymalnej rozdzielczoĹ›ci 128 px Ă— 64 px. UkĹ‚ad SSD1306 zawiera pamięć RAM obrazu. Podczas pracy nie korzysta z karty graficznej (sam stanowi niejako kartÄ™ graficznÄ… zintegrowanÄ… z wyĹ›wietlaczem). Pamięć obrazu jest statycznÄ… pamiÄ™ciÄ… RAM. KaĹźdemu bitowi pamiÄ™ci odpowiada pojedynczy piksel na matrycy OLED. Dane, ktĂłre majÄ… być wyĹ›wietlone, przesyĹ‚ane sÄ… do wyĹ›wietlacza przez interfejs, ktĂłry moĹźe pracować w standardzie SPI lub I2C (typ interfejsu jest wybierany przez odpowiedniÄ… kombinacjÄ™ dwĂłch zworek). DziÄ™ki zastosowaniu techniki OLED wyĹ›wietlacz nie wymaga dodatkowego podĹ›wietlenia i jest bardzo kontrastowy. Do obsĹ‚ugi interfejsu wyĹ›wietlacza zostaĹ‚a zastosowana biblioteka BCM 2835 [17] (nazwa pochodzi od ukĹ‚adu zastosowanego w Rasperry PI w wersji 3B – ukĹ‚ad pod wzglÄ™dem obsĹ‚ugi wejść i wyjść jest caĹ‚kowicie zgodny z obecnie stosowanym w Rasperry PI 3B+ ukĹ‚adem BCM2837B0). Jest to biblioteka napisana w jÄ™zyku C, ktĂłra umoĹźliwia odczyt i zapis wejść cyfrowych oraz magistral SPI i I2C. Ta ostatnia cecha jest istotna z punktu widzenia współpracy z wyĹ›wietlaczem. W omawianym urzÄ…dzeniu, mikrokontroler Raspberry PI pracuje w trybie tekstowym (praca w trybie graficznym powoduje znaczÄ…cy wzrost zuĹźycia energii i nagrzewanie siÄ™ urzÄ…dzenia). ZaĹ‚oĹźono, Ĺźe do urzÄ…dzenia nie bÄ™dzie podĹ‚Ä…czany zewnÄ™trzny monitor graficzny. PoniewaĹź zastosowany wyĹ›wietlacz pracuje tylko w trybie graficznym i nie korzysta z karty graficznej zintegrowanej z procesorem, do wyĹ›wietlenia tekstu konieczne byĹ‚y definicje map bitowych wyĹ›wietlanych czcionek. W oprogramowaniu wykorzystano definicje czcionek (o trzech róşnych wielkoĹ›ciach) zoptymalizowanych pod kÄ…tem zastosowanego wyĹ›wietlacza OLED. SÄ… one dostÄ™pne na stronie producenta [16]. UrzÄ…dzenie pracuje pod kontrolÄ… systemu operacyjnego Raspbian (wariant systemu Linux dla Raspberry PI) z jÄ…drem linuksa 4.14. Podczas prac nad prototypem zostaĹ‚o zaprojektowane i zaimplementowane oprogramowanie, ktĂłre pozwala na konfiguracjÄ™ urzÄ…dzenia pomiarowego, okreĹ›lenie parametrĂłw testĂłw i zarzÄ…dzanie pomiarem przeprowadzanym w trybie rÄ™cznym (pojedynczego pomiaru) lub w trybie automatycznym (ciÄ…gĹ‚ym). Do realizacji pomiaru metodÄ… par pakietĂłw zaadaptowano dostÄ™pne publicznie procedury oprogramowania [12], ktĂłre mierzy dostÄ™pnÄ… przepustowość Ĺ›cieĹźki metodÄ… PPT z uĹźyciem testowych ciÄ…gĂłw par pseudopakietĂłw (ang. fake packets) TCP. Procedura pomiarowa [12] jest wywoĹ‚ywana z poziomu oprogramowania zarzÄ…dzajÄ…cego procesem pomiarowym. Po przeprowadzeniu pomiaru wyniki sÄ… z niej pobierane w sposĂłb nieobciÄ…ĹźajÄ…cy mikrokontrolera Raspberry PI.

56

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

System operacyjny Linux dostosowany do Raspberry PI ma jÄ…dro 4.14, zaĹ› oprogramowanie [12] jest dostosowane do funkcji dostÄ™pnych przed jÄ…drem 2.6.x. Konieczne zatem byĹ‚y znaczÄ…ce zmiany w funkcjach Ĺ›ciĹ›le współpracujÄ…cym z jÄ…drem systemu operacyjnego. Wprowadzone zmiany nie zmieniĹ‚y funkcjonalnie oprogramowania [12]. UwzglÄ™dniono w nich nowe struktury danych i funkcje wykorzystywane we współczesnym jÄ…drze systemu operacyjnego Linux. Dodatkowo Raspberry PI ma procesor z rodziny ARM, a oprogramowanie [12] tworzy pseudopakiety TCP jako strukturÄ™, zakĹ‚adajÄ…c, Ĺźe korzysta z procesora z rodziny x86. Róşnice w wewnÄ™trznej architekturze obu rodzin majÄ… wpĹ‚yw na integracjÄ™ procedur zawartych w [12] z jÄ…drem systemu. JednÄ… z cech ARM jest bowiem organizacja zapisu do pamiÄ™ci pozwalajÄ…ca na uĹźycie zarĂłwno big jak i little-endian (nazywane bi-endian). W praktyce procesor jest ustawiony w tryb little-endian (x86 ma big-endian). WymagaĹ‚o to istotnych zmian w organizacji danych – rekordach (strukturach) opisujÄ…cych dane oprogramowania pomiarowego. Wprowadzono rĂłwnieĹź zmiany dostosowujÄ…ce oprogramowanie [12] do wymogĂłw urzÄ…dzenia pomiarowego. Po pierwsze, praca urzÄ…dzenia w trybie ciÄ…gĹ‚ym wymaga, by proces pobierania wynikĂłw nie zakĹ‚ĂłcaĹ‚ nastÄ™pnych pomiarĂłw. Aby speĹ‚nić to wymaganie, naleĹźaĹ‚o zmienić sposĂłb pobierania wynikĂłw uĹźyty w [12], ktĂłry pozwalaĹ‚ jedynie na pracÄ™ w trybie pojedynczego, zadawanego rÄ™cznie pomiaru. Wyniki obecnie sÄ… odczytywane, z poziomu uĹźytkownika, przez zmienne systemowe. Inne wprowadzone zmiany to m.in. dodanie odczytu aktualnych parametrĂłw sieci macierzystej urzÄ…dzenia oraz caĹ‚kowita zmiana koncepcji oprogramowania pomiarowego (z aplikacji uĹźytkownika na usĹ‚ugÄ™ w systemie operacyjnym).

/ 0 0 Oryginalne oprogramowanie [14] współpracuje tylko z terminalem, co w praktyce oznacza, Ĺźe aby uruchomić pomiar naleĹźaĹ‚oby zalogować siÄ™ na mikrokontrolerze Raspberry PI i wydać odpowiednie polecenie. Tymczasem nasza koncepcja zakĹ‚adaĹ‚a, Ĺźe oprogramowanie pomiarowe powinno być uruchamiane automatycznie w odpowiedniej fazie uruchamiania systemu, i to niezaleĹźnie od tego, czy uĹźytkownik siÄ™ zaloguje na mikrokontrolerze, czy nie. Aby ten cel osiÄ…gnąć, naleĹźy uruchamiać oprogramowanie pomiarowe jako usĹ‚ugÄ™ systemu operacyjnego Linux. NajogĂłlniej rzecz ujmujÄ…c, usĹ‚uga to aplikacja „obudowanaâ€? odpowiednimi skryptami i uruchamiana przez system operacyjny. Aby byĹ‚a to peĹ‚noprawna usĹ‚uga systemu Linux, wymagane jest zdefiniowanie skryptu startowego (w przypadku naszego urzÄ…dzenia utworzono skrypt o nazwie iot_tests), ktĂłry jest zapisany w katalogu /etc/init.d. Skrypt taki powinien zawierać zdefiniowane akcje dla trzech podstawowych zadaĹ„ (start, stop i restart), realizowanych przez kaĹźdÄ… z usĹ‚ug w systemie operacyjnym Linux: − uruchomienia usĹ‚ugi (start), − zatrzymania usĹ‚ugi (stop), − przeĹ‚adowania oprogramowania usĹ‚ugi (reload). Identyfikatory zadaĹ„ sÄ… przekazywane jako parametry do skryptu startowego, ktĂłry, w odpowiedzi, uruchamia oprogramowanie usĹ‚ugi z okreĹ›lonymi parametrami. Uruchomienie oprogramowania (usĹ‚ugi) podczas startu wymaga zarejestrowania skryptu (tu: iot_tests) jako uruchamianego podczas startu systemu (rejestracja dokonywana jest komendÄ…: update-rc.d iot_tests defaults). UsĹ‚uga pomiarowa jest uruchamiana w ostatniej fazie uruchamiania systemu, kiedy juĹź dziaĹ‚ajÄ… wszystkie inne usĹ‚ugi systemowe (w tym podstawowa obsĹ‚uga interfejsĂłw sieciowych).

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 2/2019

! " # $ #% !

2 4 - % Oprogramowanie urządzenia pomiarowego jest uruchamiane podczas startu systemu operacyjnego, jako usługa w systemie (wariant domyślny). Dzięki temu urządzenie od razu pracuje autonomicznie, korzystając ze swoich własnych interfejsów uşytkownika. Tuş po uruchomieniu, oprogramowanie odczytuje dane z pliku konfiguracyjnego, w którym są zapisywane podstawowe informacje niezbędne do przeprowadzania pomiarów. Ma on format pliku tekstowego z sekcjami odpowiadającymi poszczególnym danym konfiguracyjnym. Jeşeli plik konfiguracyjny nie istnieje, oprogramowanie tworzy taki plik, a następnie przechodzi do procedury ustawiania parametrów konfiguracyjnych. Jeşeli plik istnieje, oprogramowanie od razu przechodzi do podstawowego menu. Menu urządzenia jest pokazywane na dole wyświetlacza. Wybór opcji odbywa się za pomocą klawiszy (na rysunku 1b są to klawisze, które na płytce prototypowej znajdują się najblişej wyświetlacza). Podstawowe menu pozwala na uruchomienie pomiaru zajętości łącza (opcja „POMIAR�) oraz ustawienie lub zmianę istniejących ustawień parametrów konfiguracyjnych pomiarów (opcja „KONFIGURACJA�). Jeşeli na wyświetlaczu pojawia się opcja „POMIAR�, urządzenie jest gotowe do wykonywania pomiarów. Urządzenie ma moşliwość wykonywania pomiaru pojedynczego bądź ciągłego dla wskazanych: interfejsu wyjściowego i systemu docelowego. Podczas pojedynczego pomiaru do systemu docelowego wysyłanych jest, przez wskazany interfejs, k ciągów po n par pseudopakietów TCP. Wartość k zaleşy od stanu sieci i dobierana jest automatycznie przez procedury oprogramowania [12]. System docelowy musi mieć uruchomioną aplikację echa, która odbiera pseudopakiet, pozbawia go pola danych i wysyła sam nagłówek do urządzenia pomiarowego. Urządzenie dokonuje pomiaru czasu, jaki upłynął między odbiorem nagłówków naleşących do tej samej pary pseudopakietów. Czas ten stanowi podstawę do obliczeń dostępnej przepływności ścieşki między urządzeniem pomiarowym a systemem docelowym. Jako aplikację echa wykorzystano aplikację serwera (ang. server) z oprogramowania [12], ze zmianami dostosowującymi ją do jądra 4.14 systemu operacyjnego Linux. Po wybraniu opcji „POMIAR� rozpoczyna się wykonywanie pomiaru, jednorazowego na şądanie (w trybie pomiaru pojedynczego) lub wielokrotnego (w trybie pomiaru ciągłego). Pomiar wielokrotny jest realizowany jako seria pomiarów pojedynczych, wykonywanych w pętli nieskończonej zgodnie z zadanymi w konfiguracji parametrami. Uşytkownik moşe w dowolnej chwili zatrzymać pomiar wielokrotny naciskając klawisz odpowiadający widocznemu na wyświetlaczu napisowi „STOP�. Po kaşdym pojedynczym pomiarze wyświetlane są: dostępna przepustowość łącza i liczba k ciągów par składających się na pomiar. Aby uniknąć niejednoznaczności, oprogramowanie wyświetlające wyniki odczytuje stan zmiennych systemowych podających dostępną przepustowość łącza dopiero wówczas, gdy zostanie zakończona procedura pomiarowa.

restart usługi (realizowany przez wydanie komendy: service iot_tests reload). Konfigurowanie urządzenia ma na celu zdefiniowanie systemów docelowych, stanowiących koniec testowanej ścieşki, oraz ustawienie parametrów testów ścieşki. Przyjęto załoşenie, şe kaşdy system docelowy będzie miał lokalną etykietę, skojarzoną z jego adresem IP. Etykiety umoşliwiają nadawanie systemom docelowym, identyfikowanym przez adresy IP, nazw przyjaznych dla uşytkownika. Jeşeli w sieci istnieją nazwy przypisane przez system DNS (ang. Domain Names System), i są one widoczne przez usługę Reverse DNS, pojawią się one obok etykiety nadanej na etapie konfiguracji. Poniewaş nazwy zdefiniowane w DNS zazwyczaj są długie, a wyświetlacz ma ograniczone pole wyświetlania, etykiety są podstawową formą identyfikacji systemu docelowego. Podczas konfigurowania parametrów testów ścieşki wybierany jest interfejs sieciowy (Ethernet 1 Gb/s, Wi-Fi lub opcjonalne urządzenia sieciowe podłączone łączem USB), za pomocą którego będzie przeprowadzany pomiar. Interfejs ten jest początkiem ścieşki prowadzącej do systemu docelowego. Podczas konfiguracji wybierany jest równieş tryb pomiaru (ciągły, pojedynczy), wariant metody PPT (PTR lub IGI), a takşe długość pojedynczego ciągu testowego, mierzona liczbą par pakietów n wysyłanych w jednym ciągu testowym (wartość n ustawiana jest domyślnie na 60). Prawidłowo skonfigurowane urządzenie jest gotowe do wykonywania pomiarów (na wyświetlaczu pojawia się wówczas opcja „POMIAR�). W przypadku braku danych koniecznych do rozpoczęcia pomiaru, procedura pomiarowa nie moşe być uruchomiona i nie jest wyświetlana opcja „POMIAR� (wyświetlana jest tylko opcja „KONFIGURACJA�).

2 ' Przedstawiony w poprzednim rozdziale układ pomiarowy został przetestowany w sieci laboratoryjnej o typowej topologii pojedynczego „wąskiego gardła�, przedstawionej na rys. 2. Przepustowość BO łącza między przełącznikami Sw1 i Sw2 wynosiła 1 Gb/s (brak „wąskiego gardła�) lub 100 Mb/s („wąskie gardło�). Pozostałe łącza miały przepustowość 1 Gb/s. Między nadajnikiem S1 a odbiornikiem R1 przesyłany był ruch podkładowy, zadawany z gradacją co 10% przepustowości BO. Jako generatora ruchu uşyto oprogramowania MQTTBox [18], które generuje sztuczny ruch IoT (ruch protokołu MQTT pracującego nad protokołem TCP) w postaci krótkich, słabo sterowalnych sesji TCP. Aby wygenerować kaşde 100 Mb/s trzeba było uşyć średnio ponad 3700 jednocześnie otwartych sesji TCP.

5 6 ) 0 Konfigurowanie urządzenia pomiarowego moşe odbywać się z menu (opcja „KONFIGURACJA�) lub, po zalogowaniu przez terminal tekstowy (ssh), przez ręczną zmianę wpisów do pliku konfiguracyjnego (w dowolnym edytorze tekstowym, dostępnym w mikrokontrolerze). Druga moşliwość nie wynika z podstawowej funkcji urządzenia pomiarowego, ale z zastosowania Raspberry PI – uniwersalnego mikrokontrolera z systemem Linux. Konfigurowanie odbywa się wówczas poza oprogramowaniem narzędziowym urządzenia pomiarowego i konieczny jest

Rys. 2. Topologia testowa Fig. 2. Test topology

57

Rys. 3. Estymacja dostępnej przepustowości: a) BO = 1 Gb/s, b) BO = 100 Mb/s Fig. 3. The estimation of available bandwidth: a) BO = 1 Gbps, b) BO = 100 Mbps

metoda IGI, mniejszy PTR. W obu przypadkach najmniejszy rozrzut k zaobserwowano, gdy łącze 100 Mb/s było obciąşone w 50%. Wartości średnie k, wyznaczone dla obu metod, są do siebie zblişone lub sobie równe.

5 7 8 W artykule zostało przedstawione prototypowe urządzenie IoT, którego zadaniem jest szacowanie przepustowości, dostępnej dla ruchu IoT, na określonej ścieşce w sieci. Urządzenie zostało zbudowane przy wykorzystaniu mikrokontrolera Raspberry PI pracującego pod kontrolą systemu operacyjnego Linux. Zaprezentowane urządzenie korzysta z metody par pakietów w wersji TTR, z uşyciem metod PTR i IGI. Urządzenie zostało przebadane w sieci testowej. Oszacowanie dostępnej przepustowości dla ruchu IoT pozwoli na zwiększenie efektywności funkcjonowania systemu, w którym równocześnie pracuje kilka tysięcy lub więcej urządzeń IoT.

Rys. 4. Podstawowe statystyki ciÄ…gĂłw pomiarowych (BO = 100 Mb/s) Fig. 4. Basic statistics of probing packet trains (BO = 100 Mbps)

Pomiar dostÄ™pnej przepĹ‚ywnoĹ›ci odbywa siÄ™ na Ĺ›cieĹźce miÄ™dzy urzÄ…dzeniem pomiarowym (IoT) a brokerem IoT, na ktĂłrym uruchomiona zostaĹ‚a aplikacja echa. Pomiary wykonywane byĹ‚y z uĹźyciem staĹ‚ej (zerowej – metoda PTR) lub zmiennej (metoda IGI) przerwy miÄ™dzy pseudopakietami TCP wchodzÄ…cymi w skĹ‚ad pary testowej. KaĹźda seria pomiarowa wykonywana byĹ‚a dziesiÄ™ciokrotnie. Wyniki, uĹ›rednione po 10 pomiarach, zostaĹ‚y zobrazowane na rysunkach 3 i 4. Rysunek 3 przedstawia wykresy wyznaczonej dostÄ™pnej przepustowoĹ›ci w funkcji dostÄ™pnej przepustowoĹ›ci (róşnicy miÄ™dzy BO a zadanÄ… przepĹ‚ywnoĹ›ciÄ… ruchu podkĹ‚adowego). Odchylenie wykresĂłw od czarnej linii, obrazujÄ…cej idealne oszacowanie, ma sens bĹ‚Ä™du bezwzglÄ™dnego. Jak widać na rysunku, metoda par pakietĂłw lepiej siÄ™ sprawdza w przypadku niĹźszych BO, co jest zjawiskiem opisywanym w literaturze [9]. W przypadku ruchu IoT metoda PTR daje wyĹźsze szacunki niĹź metoda IGI. Dla BO rĂłwnego 100 Mb/s, w zakresie od 20 do 90 Mb/s dostÄ™pnej przepustowoĹ›ci, PTR przeszacowywaĹ‚a, a IGI niedoszacowywaĹ‚a dostÄ™pnÄ… przepustowość Ĺ›cieĹźki. Dla BO rĂłwnego 1 Gb/s, kÄ…t nachylenia krzywych przepĹ‚ywnoĹ›ci wyznaczonych obiema metodami jest zbyt maĹ‚y, by zjawisko to wystÄ…piĹ‚o w szerszym zakresie. Warto zauwaĹźyć, Ĺźe w przypadku duĹźej zajÄ™toĹ›ci Ĺ‚Ä…cza stanowiÄ…cego „wÄ…skie gardĹ‚oâ€? (a tym samym maĹ‚ej dostÄ™pnej przepustowoĹ›ci) obie metody znacznie przeszacowujÄ… dostÄ™pnÄ… przepustowość, co naleĹźy uwzglÄ™dnić przy projektowaniu mechanizmu przeciwdziaĹ‚ania przeciÄ…Ĺźeniom. W przypadku BO = 1 Gb/s, pomiar zawsze odbywaĹ‚ siÄ™ z wykorzystaniem k = 15 ciÄ…gĂłw par pakietĂłw. W przypadku BO = 100 Mb/s, liczba k byĹ‚a zmienna i wahaĹ‚a siÄ™ od ponad 10 do blisko 70 (rys. 4). WiÄ™kszy rozrzut k dawaĹ‚a zawsze

58

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

9 ( 0 ) 1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

A

T

KobyliĹ„ski L., Smart ships – autonomous or remote controlled?, „Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Szczecinieâ€?, Nr 53 (125), 2018, 28–34. HĂśyhtyä M., Huusko J., Kiviranta M., Solberg K., Rokka J., Connectivity for autonomous ships: Architecture, use cases, and research challenges, 2017 International Conference on Information and Communication Technology Convergence (ICTC), October 2017, Jeju, 345–350, DOI: 10.1109/ICTC.2017.8191000. Rayes A., Salam S., Internet of things—from hype to reality, „The road to Digitizationâ€?, Springer International Publishing, Cham, Switzerland, 2019. Chodorek A., Chodorek R.R., O gwarantowanej jakoĹ›ci usĹ‚ugi Internetu Rzeczy zintegrowanej z systemem wideokonferencyjnym, „Studia Informaticaâ€?, Vol. 38, No. 3, 2017, 167–176. Mishra N., Verma L.P., Srivastava P.K., Gupta A., An analysis of IoT congestion control policies, „Procedia computer scienceâ€?, 132, 2018, 444–450, DOI: 10.1016/j.procs.2018.05.158. Kafi M.A., Djenouri D., Ben-Othman J., Badach, N., Congestion control protocols in wireless sensor networks: A survey, „IEEE communications surveys & tutorialsâ€?, Vol. 16, No. 3, 2014, 1369–1390, DOI: 10.1109/SURV.2014.021714.00123. Bhalerao R., Subramanian S.S., Pasquale J., An analysis and improvement of congestion control in the CoAP Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 2/2019

! " # $ #% !

Internet-of-Things protocol, 13th IEEE Annual Consumer Communications & Networking Conference, (CCNC), 9–12 Jan. 2016, Las Vegas, 889–894, DOI: 10.1109/CCNC.2016.7444906. 8. Betzler A., Gomez C., Demirkol I., Paradells J., CoAP congestion control for the internet of things, „IEEE Communications Magazine�, Vol. 54, No. 7, 2016, 154–160, DOI: 10.1109/MCOM.2016.7509394. 9. Mukta M., Gupta N., Bandwidth Estimation Tools and Techniques: A Review, „International Journal of Research�, Vol. 4, No. 13, 2017, 1250–1265. 10. Hu N., Steenkiste P., Evaluation and characterization of available bandwidth probing techniques, „IEEE journal on Selected Areas in Communications�, Vol. 21, No. 6, 2003, 879–894, DOI: 10.1109/JSAC.2003.814505. 11. Liu Q., Hwang J.N., A new congestion control algorithm for layered multicast in heterogeneous multimedia dissemination, 2003 International Conference on Multimedia and Expo (ICME’03), 6–9 July 2003, Baltimore, MD, USA, Vol. 2, II-533, DOI: 10.1109/ICME.2003.1221671. 12. IGI/PTR, url: [www.cs.cmu.edu/~hnn/igi] (dostęp: 14 maja 2019).

13. Muùoz J.A., PÊrez R., Design of smart ships for the IoT, Second International Conference on Internet of things, Data and Cloud Computing, ACM, ICC ’17, March 22-23 2017, Cambridge, United Kingdom, Article No. 35, 1–7, DOI: 10.1145/3018896.3018930. 14. Perera L.P., Handling big data in ship performance and navigation monitoring, „Smart Ship Technology�, 2017, 89–97. 15. Yang S., Shi L., Chen D., Dong Y., Hu Z. Development of ship structure health monitoring system based on IOT technology, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, IOP Publishing, Vol. 69, No. 1, 2017, 1–6, DOI: 10.1088/1755-1315/69/1/012178. 16. 0.96inch OLED (B), url: [www.waveshare.com/wiki /0.96inch_OLED_(B)] (dostęp: 14 maja 2019). 17. bcm2835, url: [www.airspayce.com/mikem/bcm2835] (dostęp: 14 maja 2019). 18. MQTTBox, url: [http://workswithweb.com/mqttbox.html] (dostęp: 14 maja 2019).

4 5 G

H # I

0 1 0

/ 5 0

Abstract: One of the serious problems with large-scale Internet of Things systems, composed of thousands of IoT devices, are network congestions that occur near communication hubs (data brokers, computing clouds). These congestions cannot be enoughly discharged by the TCP protocol, which (due to specific teletraffic, generated by IoT devices) is not able to correctly estimate bandwidth available for a given transmission. In this article, a prototype IoT device that estimates amount of bandwidth of transmission path, available for TCP transmissions, is presented. The device is built with the use of the Raspberry PI microcontroller, working under the control of the Linux operating system, and uses packet pairs method for bandwidth estimation. To improve estimation accuracy, Probing Packet Trains (PPT) variant of packet pairs method was used. Results of experiments carried out in local area network are presented in figures and includes both analysis of estimation accuracy, and analysis of amount of control traffic that will be injected to an IoT network during a single measurement with the use of several probing packet trains. Due to limited computing power of the Raspberry PI, the device uses two, simple for computing, versions of the PPT: Packet Transmission Rate and Initial Gap Increasing. The device enables fast assessment of networks conditions. Knowledge of bit rate available for current TCP transmissions allows for more efficient performance of IoT systems that use large amount of devices. Keywords ! # ! / 5 0

! # # ! # # ! ? #A 1/! 0 1

59

A 3 4

1

2 E'((' F + # 8

:

3 4 :

! ! / 5 4

<.

=

E& ' F

A

6 4

1 1 :

2 6 J

:

A A - A A # ! #

! @ # #

J - A #. : - ( # . -@ 1 0 : 4

0 + ! /444 E+

> A F! /444 :

+ ! /444 # + ! /444 / 4

+ A @ /444

A 3 4

1

2 E'(( F + # 8

:

3 4

! 4

<. :

:=

E'((* F

A

6 : 0

<= +#

# .

5 ! # : ! : #. # ' # A E -@ F # .

# 1 0 4

0 : + ! /444 E+

> A F! /444

+ ! /444 # + ! /444 / 4

+ A @ /444

" #

60

P

O

M

I

" #

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 2/2019

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 61–68, DOI: 10.14313/PAR_232/61

6 8 \ & A 8 R7E Andreas Kowol . B $ R & < $ 7 6 / $ 6 < = < = B& $ . ; X-$ ?'@X'+ B

Streszczenie: W artykule przedstawiono proces konfiguracji mikroukładów LoPy do komunikacji radiowej, za pośrednictwem protokołu LoRaWAN. Mikroukłady umieszczono na podstawkach Pyscan firmy Pycom. Jeden zestaw zaprogramowano jako bramka komunikacyjna zwracająca otrzymane dane do portalu The Things Network przez wbudowany moduł Wi-Fi realizujący połączenie internetowe. Drugi zestaw pełni rolę zdalnego czujnika przesyłającego informacje o natęşeniu oświetlenia. Dokonano rejestracji urządzeń w sieci TTN oraz zaimplementowano bazę danych. Baza danych pozwala na pobieranie wpisów przez REST API. Bramka została udostępniona na mapie dla innych uşytkowników i stanowi bezpłatny punkt dostępu do sieci TTN. Programowania mikroukładów dokonano za pomocą języka MicroPhyton w środowisku Atom. Zrealizowany układ umoşliwia przesyłanie danych z czujników na znaczne odległości, przy zachowaniu niskiego kosztu utrzymania systemu i niskiego zapotrzebowania na energię. - [ A 8 R7E$ . $ A . $ & $ " " = E $ 6 8

1. Wprowadzenie IoT czyli Internet of Things, tĹ‚umaczone dosĹ‚ownie oznacza Internet Rzeczy. Kryje siÄ™ za tym koncepcja majÄ…ca na celu umoĹźliwienie urzÄ…dzeniom wymianÄ™ informacji za poĹ›rednictwem sieci. PrzepĹ‚yw informacji pozwala na poprawne funkcjonowanie zespoĹ‚u urzÄ…dzeĹ„, gromadzenie danych lub jedynie informowanie uĹźytkownika o obecnym stanie. PodĹ‚Ä…czenie niektĂłrych urzÄ…dzeĹ„ do sieci umoĹźliwia zdalnÄ… kontrolÄ™ ich funkcjonalnoĹ›ci na podstawie otrzymanych danych. Do Ĺ‚Ä…czenia pojedynczych urzÄ…dzeĹ„ obecnie najczęściej wykorzystywana jest technologia bezprzewodowa (radiowa) a podĹ‚Ä…czone urzÄ…dzenia pracujÄ… w topologii gwiazdy. WiÄ…Ĺźe siÄ™ to z podĹ‚Ä…czeniem urzÄ…dzeĹ„ wykonawczych do bramki komunikacyjnej, ktĂłrej zadaniem jest przekazanie informacji do sieci. ZaleĹźnie od konfiguracji sieci, brama odbiera, wysyĹ‚a, lub odbiera i wysyĹ‚a pakiety danych do podĹ‚Ä…czonych do niej urzÄ…dzeĹ„ umoĹźliwiajÄ…c im wzajemnÄ… komunikacjÄ™. Brama sieciowa natomiast ma poĹ‚Ä…czenie z innymi bramami lub z Internetem (rys. 1).

) [

7 & J $ %& & ) & ! !' (!)* $ & & (+ !- (!)*

!

Rys. 1. Topologia sieci LoRaWAN wykorzystywana do przesyłania, gromadzenia oraz udostępniania danych Fig. 1. LoRaWAN network topology used to transmit, storage and access data

Obecnie znanych jest kilka technologii pozwalających na przesyłanie danych drogą radiową – m.in. Wi-Fi, Bluetooth, LTE. Uşytkownik, wybierając którąś z tych technologii jest zmuszony do kompromisu między zasięgiem, prędkością transmisji danych oraz opłatą za łącze (w przypadku LTE). Wi-Fi oferuje duşą przepustowość, jednak zasięg w normalnych warunkach jest mocno ograniczony. Dodatkowo pasmo 2,4 GHz jest wykorzystywane równieş przez inne technologie czy urządzenia uşytku domowego pracujące na tym pasmie częstotliwości, co często wiąşe się z wzajemnym zagłuszaniem sygnałów. Bluetooth jest technologią relatywnie prostą i tanią, jednak nie pozwala na połączenia większe niş 100 m, co mocno ogranicza uşytkowników planujących łączyć urządzenia na znaczne odległości.

61

L ' ( D ( $ + $ . ' 0

(%M% 8

Modulacja LoRa to warstwa fizyczna (PHY), natomiast protokół LoRaWAN pracuje w warstwie MAC (ang. Medium Access Protocol) czyli w warstwie łącza danych [1]. Pozwala na osiągnięcie dalekich zasięgów – do 5 km w terenach zurbanizowanych oraz do 15 km na terenach słabo zurbanizowanych [2]. Znaczną zaletą stosowania tego protokołu jest niskie zapotrzebowanie na energię. Węzły komunikacyjne mogą działać na baterii przez długi czas. Komunikacja o długim zasięgu oraz brak konieczności stałego dostępu do zasilania, pozwala na pracę czujników temperatury, wilgoci, nasłonecznienia itp. na farmach w odległych terenach wiejskich. Kompromisem tak dalekiego zasięgu jest niska szybkość transmisji danych, od 0,3 kb/s do 50 kb/s [3]. Zaleşy ona od długości komunikatu – wykorzystywana jest technika Adaptive Data Rate [2]. Ta technika pozwala na jeszcze mniejsze zuşycie energii podczas transmisji danych. Analizując powyşsze informacje, moşna stwierdzić, şe protokół LoRaWAN spełnia niemal wszystkie załoşenia komunikacji IoT. Dzięki wykorzystaniu nielicencjonowanego pasma, uruchomiony układ nie będzie wymagał kosztów utrzymania, co w przypadku uruchomienia większej liczby urządzeń końcowych generuje znaczne oszczędności. Dzięki duşemu zasięgowi nie jest wymagana duşa liczba bramek komunikacyjnych do pokrycia zasięgiem duşego obszaru, co równieş przekłada się na obnişenie kosztów inwestycji.

LoPy to moduł firmy Pycom pozwalający na komunikację radiową przy uşyciu protokołu LoRa dla częstotliwości 868 MHz. Zaimplementowano w nim równieş moşliwość połączenia Bluetooth oraz Wi-Fi. LoPy oparty jest na systemie Linux, wspiera język programowania MicroPython. Ma dwurdzeniowy mikrokontroler oraz moduł ESP32 z 512 kB pamięci RAM (rys. 2, tab. 1).

Rys. 2. LoPy – moduł LoRa firmy Pycom [4] Fig. 2. LoPy – LoRa module by Pycom company [4]

(%(% ModuĹ‚ LoPy moĹźe zostać zainstalowany na róşnych pĹ‚ytkach rozszerzeĹ„ oferowanych przez firmÄ™ Pycom. KaĹźda z nich umoĹźliwia implementacjÄ™ czujnikĂłw oraz urzÄ…dzeĹ„ zewnÄ™trznych. W przykĹ‚adzie zostaĹ‚a uĹźyta pĹ‚ytka Pyscan. Znajduje siÄ™ na niej akcelerometr, czujnik Ĺ›wiatĹ‚a oraz przycisk definiowany przez uĹźytkownika. Jako rozszerzenia Pyscan ma zĹ‚Ä…cza do podĹ‚Ä…czenia czujnikĂłw I/O, kamery, czytnika kodĂłw kreskowych, czujnika podczerwieni lub ekranu LCD (rys. 3). Pyscan umoĹźliwia rĂłwnieĹź Ĺ‚adowanie baterii Li-Ion/Li-Po. Bateria

(% 6 < Do stworzenia połączenia radiowego za pomocą protokołu LoRaWAN uşyto dwóch zestawów urządzeń. Zestaw składa się z modułu umoşliwiającego komunikację z siecią LoRa, który został zainstalowany na płytce rozszerzeń (rys. 4). Jeden zestaw został zaprogramowany jako bramka dostępowa, natomiast drugi jako węzeł końcowy.

Tabela 1. Specyfikacja modułu LoPy Table 1. Module LoPy specification

Mikroprocesor Xtenasa dual-core 32-bit LX6 do 600 DMIPS Przyśpieszenie sprzętowe, CPU

Wielowątkowość Python Dodatkowy kompresor ULP, który monitoruje GPIo, kanały ADC i kontroluje większość urządzeń peryferyjnych w trybie uśpienia zuşywając jedynie 25 ΟA 512 kB RAM

Pamięć

4 MB zewnętrznej pamięci flash

Wi-Fi

802.11b/g/n 16 Mbps

Bluetooth

Klasyczny z niskim zapotrzebowaniem na energię LoRaWAN 1.0.2 stack – Klasa urządzeń A i C

LoRa

Zasięg węzłów końcowych do 40 km Bramka komunikacyjna do 20 km (moşliwość podłączenie do 100 węzłów końcowych)

Zegar czasu rzeczywistego

Tak SSL/TLS

Zabezpieczenia

WPA Enterprise SHA MD5

Hash/szyfrowanie

DES AES

62

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

+

bÄ™dzie Ĺ‚adowana, gdy pĹ‚ytka zostanie zasilona przez port micro USB, natomiast po odĹ‚Ä…czeniu portu bateria bÄ™dzie ĹşrĂłdĹ‚em zasilania. DostÄ™pny jest rĂłwnieĹź czytnik kart microSD. Firma Pycom udostÄ™pnia biblioteki do obsĹ‚ugi czytnika RFID/NFC oraz reszty podzespoĹ‚Ăłw w serwisie Github [6]. Na pĹ‚ytce umieszczono komponenty: − akcelerometr: ST LIS2HH12, − czujnik natęşenia Ĺ›wiatĹ‚a: Lite-on LTR-329ALS-01, − czytnik RFID/NFC: NXP MFRC63002HN, 151.

Rys. 5. Interfejs środowiska Atom Fig. 5. Interface of Atom environment

Rys. 3. Pyscan – płytka rozszerzeń dla modułu LoPy [5] Fig. 3. Pyscan – extension board for LoPy module [5]

Podłączenie modułu LoPy za pośrednictwem płytki rozszerzeń i portu micro USB spowoduje, şe środowisko Atom rozpozna urządzenie na jednym z portów COM. Poinformuje o tym stosownym komunikatem: ! !" # # $ & ' () * + , -+./0 2 2 ! Producent modułu umieścił w serwisie Github biblioteki z przykładami moşliwości wykorzystania urządzeń [6], m.in. sposób zdefiniowania modułu jako bramka komunikacyjna (folder pycom-libraries-master\examples\lorawan-nano-gateway). Pliki potrzebne do uruchomienia bramki w sieci The Things Network to: config.py, main.py oraz nanogateway.py. W pierwszej kolejności naleşy zmodyfikować program config.py. Konieczne jest ustawienie odpowiedniej częstotliwości pracy, dla Europy będzie to wartość 868,1 MHz, podanie parametrów połączenia do sieci Wi-Fi, serwera oraz portu, do którego bramka ma się połączyć. Przykład konfiguracji podano ponişej.

Rys. 4. Dwa wykorzystane zestawy zawierajÄ…ce LoPy oraz Pyscan Fig. 4. Two used sets include LoPy and Pyscan

\% " ! < \%M% /

Jeden z wyşej opisanych zestawów posłuşył do stworzenia bramki komunikacyjnej. Zastosowano tu język MicroPython oraz darmowe środowisko programistyczne Atom [7], w którym zainstalowano rozszerzenie Pymakr, umoşliwiające komunikację i wgrywanie programów oraz bibliotek do urządzeń firmy Pycom (rys. 5). Środowisko oraz rozszerzenie są w całości darmowe. Atom pobierany jest ze strony developera, a rozszerzenie moşna zainstalować z poziomu środowiska lub zewnętrznie.

+ ! + 34 !5 67879 : ; 34 !5 <- 2 . ! 3 =3 9 >.// 3++ ./ ?:*(6:@97B ; 67879 : C " D ,888(0 D 67879 : C " )(EF(E ; G 3 3 5 ' JK E* ; ## L* ; ,+ - + 0 L* 9 (E7 B9) ; ## 67879))7B ; G5 6 8 K 67879 :)) ; G !5- K & E:98E(NO(L @ ; ##### & E:9?69BE ; ,)8 P6 Q0 R BE9Q & E:9L B(9BE ; Q Program nanogateway.py zawiera definicję klasy, która umoşliwia komunikowanie się bramki z siecią TTN. Do poprawnego działania bramki nie jest wymagana modyfikacja. Main.py jest wczytywany jako pierwszy program po uruchomieniu urządzenia, algorytm sprawdza najpierw, czy w projekcie znajduje się plik boot.py, a następnie szuka programu main.py. Program ma

63

L ' ( D ( $ + $ . ' 0 za zadanie wczytanie programu config.py oraz zaimportowanie klasy NanoGateway z programu nanogateway.py. Następnie do wywołanej klasy przypisane zostają wartości zawarte w config.py. Rejestracja bramki do sieci wymaga wpisania EUI urządzenia. Jest to unikalny adres MAC modułu. Aby urządzenie zwróciło adres MAC w odpowiednim dla portalu formacie, wystarczy stworzyć krótki program, który za pomocą biblioteki network zwróci EUI. W analizowanym przypadku program został nazwany device_eui.py. Kod przedstawiono ponişej.

− I’m using the legacy packet forwarder – w przypadku konfiguracji urzÄ…dzeĹ„ opartych na systemie Linux wymagane jest zaznaczenie tego pola, − Description – opis bramki nadany przez uĹźytkownika, ktĂłry bÄ™dzie widoczna przez innych uĹźytkownikĂłw, − Frequency Plan – miejsce dziaĹ‚ania bramki (w analizowanym przypadku Europe 868 MHz), − Router – wybrać router stosowny do miejsca dziaĹ‚ania bramki (tutaj jest to ttn-router-eu), − Podanie lokalizacji oraz umiejscowienia anteny nie jest konieczne. Po zakoĹ„czeniu procesu rejestracji, wszystkie bramki bÄ™dÄ… widoczne pod adresem console.thethingsnetwork.org/gateways. W zakĹ‚adce Overview wyĹ›wietlone zostanÄ… szczegółowe informacje – status, ostatnie logowanie do sieci, otrzymane paczki danych, wysĹ‚ane paczki danych. Opis bramki moĹźna uzupeĹ‚ni ocdodatkowe informacje dotyczÄ…ce moduĹ‚u. ZakĹ‚adka Traffic przedstawia szczegółowe informacje odnoĹ›nie otrzymywanych przez bramkÄ™ danych. W zakĹ‚adce Settings znajdujÄ… siÄ™ ustawienia bramki oraz moĹźliwość wypeĹ‚nienia dodatkowych informacji widocznych dla uĹźytkownikĂłw chcÄ…cych skorzystać z bramki. Po dodaniu lokalizacji bramki, bÄ™dzie ona widoczna na mapie umieszczonej na stronie gĹ‚Ăłwnej po zaakceptowaniu przez administratora.

2 ' J + 6&:L + 4 !5 '- ; 6&:L./ + .,?! '! (O7C TU0 2 ! .4 !5 <- 2 .'- ! .// C " D GV2 K

D 4 !5 <- 2 .'- ! .// C"// Tak przygotowany projekt moşna zaimportować do modułu LoPy. Waşne jest, aby zapisać projekt przed kaşdym załadowaniem do modułu. Konieczne jest nawiązanie połączenia na porcie COM, następnie naleşy zaznaczyć program main.py i załadować projekt przyciskiem Upload. Środowisko wgra wszystkie pliki znajdujące się w folderze na moduł a konsola zwróci następujące komunikaty:

\%(% / < ! ` h

O+- !> + W . ! 2 -> / X " 6 Y- Y + . J4/ X " 6 Y- > 9 3 + .#J4/ X " 6 Y- ! + . J4/ X " 6 Y- ! ! '! + . QJ4/

Drugi z zestawów został zdefiniowany jako węzeł końcowy. Jego zadaniem jest pomiar natęşenia światła w 2 kanałach. Natęşenie światła niebieskiego i czerwonego. Podobnie jak w przypadku bramki komunikacyjnej, do definicji urządzenia pomiarowego napisano program w oparciu o przykład udostępniony przez producenta. Komunikacja z urządzeniem w środowisku Atom będzie odbywać się na innym porcie. Jeśli autodetekcja portu została wyłączona w ustawieniach naleşy sprawdzić, do którego portu szeregowego system przypisał płytkę rozszerzeń Pyscan i z tym portem szeregowym nawiązać komunikację. Do uruchomienia komunikacji czujnika z bramką potrzebny jest program config.py, uşyty w projekcie bramki. W projekcie stworzono program main.py – po podaniu zasilania na węzeł końcowy, moduł automatycznie wczytuje program. Main.py bazuje na przykładzie abp_node.py w folderze z przykładami, ścieşka: pycom-libraries-master\examples\lorawan-nano-gateway. Program zmodyfikowano, aby wykonywał pomiar natęşenia światła co 60 s, wyświetla wynik oraz wysyła go do portalu TTN przez bramkę komunikacyjną. Jeśli wartość pomiarowa światła na kanale mierzącym kolor czerwony przekroczy 1000 lx, to dioda LED będzie świeciła na czerwono, w przeciwnym wypadku będzie świeciła na zielono. Kod źródłowy programu przedstawiono ponişej:

O+- !> > Z 5 \ 4 ! >

^ 5 _3

# ##C CQ 5 C#< .*?#6B*9)@)9E()(*/Z4 C#< .) 798:)*98&:)`9P

*/ Y 5 +C #Z ) 76 C#< -J9> C#<##Z=9> C#<##Z>9> C#<##Z 5#9> C#<##Z >9> C#< ##Z'+9> C#<## > CB7 Z - J > C - !>C#< V2 # Z- C - !>C#< V2 # #Z- C - !>C#< ## 2!##Z- C# - !>C#< ## 2!##Z- C Q #< ##!#Q Q# " ) ! & E!6:L ! ! '! ' >C

4K #: 888(# #K

Q" 6 8 > C 5 6 8

#" ) ' + - +

" E* L* 5 +-

"

+ OB 5 J 3 3 5 ' J

.Q # / + ##

" ) \ 3+ & E! !> ! `b 35 )8 P6 Q

# " & E!6:L ! ! '! -

# " @ 3 ! ' + 55 (L*(E E( &

2 ' J + & E! 2 &*E :&)# + &*E :&)# 2 + 5 ! + 5 ! + 5 J + 4 !5 + 5 3 + + Y + 9 !> + +

W celu odczytania EUI moduĹ‚u wystarczy zaznaczyć program device_eui.py, wcisnąć przycisk Run. Konsola zwrĂłci EUI, np.: ?! '! (O7C 4K #! V2 # #K UruchomionÄ… bramkÄ™ naleĹźy zarejestrować na portalu TheThingsNetwork.org. W tym celu naleĹźy stworzyć darmowe konto pod adresem account.thethingsnetwork.org/register. Po zaĹ‚oĹźeniu konta i weryfikacji adresu e-mail pod adresem console. thethingsnetwork.org/gateways/register moĹźna zarejestrować bramkÄ™. Konieczne do wypeĹ‚nienia sÄ… nastÄ™pujÄ…ce pola: − Gateway EUI – pole do wpisania EUI moduĹ‚u,

64

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

- ! ; & E!. > ;& E! & E:6:LZ ;& E! (O / > 9!>> ; 5 3 3 +! J.,d-0Z 4 !5 3 <- 2 .G # Q K// #" 'J95'J ; 4 !5 3 <- 2 . ( PB(8 B # 8Q # / !++95'J ; 4 !5 3 <- 2 . QB #(QB B PQP B 8#:8 / A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

+ 2 ! . Z /C

- ! 9 ! -. / - ! !>>9 ! -.#Z 2 =3 ; Y & E:98E(NO(L @Z > 9 ;#Z > 9 !<;Q/ - ! !>>9 ! -. Z 2 =3 ; Y & E:98E(NO(L @Z > 9 ;#Z > 9 !<;Q/ - ! !>>9 ! -. Z 2 =3 ; Y & E:98E(NO(L @Z > 9 ;#Z > 9 !<;Q/ - ! W .! ! ;& E! :P Z !3 ;.> 9!>> Z 'J95'J Z !++9 5'J // 5 ; 5 J 5 J .5 J :89& E:Z 5 J ) ^9E:6/ 5 5 5 J + .5 J ) &9& E:Z 5 J ) 9BEZ Y & E:9L B(9 BE/ 5 5 4- J .8!-5 / + ; 5 ! ./ - ; &*E :&)# .+ / E?P9PE7?`*L()) ; #< E?P9E(B ; .E?P9PE7?`*L()) ff / E?P9?E((L ; .E?P9PE7?`*L()) ff / E?P9P&O( ; .E?P9PE7?`*L())/ + ! 4 ! .8!-5 / ' - * 3 C

+J ; 4K ^* RK D 5 .- - .//

5 > ; 5 .- - .//

+ .G) > CKZ +J /

5 5 >.5 > /

+ .,& . ! - P-3 -3<Z ! - E > -3</C , D 5 .- - .///

2 - - ./ " d ###C

+ 4- >.E?P9E(B/

-5 C

+ 4- >.E?P9?E((L/

5- +. /

<Z + ; 5 2 . Q /

2 <C

+ .GE >C TUZ + C TUK 2 ! . <Z + //

5- +.Q / Do poprawnego działania programu w projekcie naleşy dodać folder /lib zawierający niezbędne biblioteki. Do folderu naleşy dodać bibliotekę do obsługi czujnika natęşenia światła LTR329ALS01.py oraz dwie biblioteki niezbędne do obsługi płytki rozszerzeń Pyscan, wymagane ze względu na uşycie czujnika natęşenia światła: pycoproc.py i pyscan.py. Wszystkie biblioteki dostępne są w lokalizacji pycom-libraries-master\ pybytes\pyscan\lib. Struktura projektu powinna wyglądać w następujący sposób:

Rys. 6. Struktura projektu definiującego urządzenie jako węzeł końcowy Fig. 6. The structure of the project which is defining the device as the end node

Ostatnią czynnością poprzedzającą wgranie projektu do modułu jest podanie parametrów pozwalających na weryfikację czujnika w portalu The Things Network. W tym celu naleşy stworzyć nową aplikację, do której zostanie przypisane urządzenie. Będąc zalogowanym do portalu, naleşy przejść pod adres: console.thethingsnetwork.org/applications oraz wcisnąć przycisk Add aplication. Uşytkownik zostanie popro-

szony o podanie unikalnej nazwy oraz opisu aplikacji. Pole Application EUI informuje, şe portal sam przypisze numer, a router zostanie przypisany automatycznie zgodnie z tym podanym wcześniej w bramce. Moşliwe jest teraz dodanie nowej aplikacji. Uşytkownik zostanie przeniesiony do widoku aplikacji. Kolejnym krokiem jest przypisanie urządzenia do aplikacji. W sekcji Devices kliknąć przycisk register device. Naleşy podać niezmienną, unikalną nazwę urządzenia dla tej aplikacji. Konieczne jest tu podanie EUI urządzenia. Jak w przypadku bramki, adres MAC moşna wygenerować za pomocą skryptu device_eui.py opisanego wcześniej. Adres MAC wygenerowany przez skrypt naleşy podać w polu Device EUI. Po uzupełnieniu niezbędnych pól zatwierdzić wciskając Add device. Uşytkownik zostanie przeniesiony do widoku urządzenia. Domyślnie aplikacja uşywa weryfikacji urządzenia opartej na rozpoczęciu sesji po odpowiedniej weryfikacji klucza aplikacji, nazywanej równieş Over The Air Activation (OTAA). Przedstawiony powyşej kod został przygotowany do weryfikacji zwanej Activation By Personalization (ABP). Pozwala ona na personalizację urządzenia. Naleşy zmienić sposób weryfikacji w zakładce Settings, zaznaczając Activation Method na ABP a następnie Save. Uşytkownik zostanie przekierowany z powrotem na stronę urządzenia. Ostatnim krokiem przed załadowaniem projektu do modułu jest umieszczenie wygenerowanych przez program kluczy do kodu znajdującego się w programie main.py. Deklaracja zmiennej dev_addr definiuje wygenerowany Device Address, deklaracja zmiennej nwk_swkey wygenerowany Network Session Key a zmienna app_swkey deklarację App Session Key. Warto wspomnieć, şe podczas pracy z protokołem radiowym, jakim jest LoRaWAN, kaşdy będzie mógł przechwycić i przechować wiadomości przysyłane między węzłem końcowym a bramką. App Session Key jest odpowiedzialny za szyfrowanie wiadomości. Network Session Key natomiast zapobiega manipulacji wiadomościami gdyş spowoduje to niepowodzenie sprawdzenia MIC. Po podaniu parametrów autoryzacji naleşy zapisać projekt i załadować do modułu. Konsola zwróci następujący komunikat: O+- !> + W . ! 2 -> / ! > - 4 XQ" 6 Y- - 4X&*E :&)# + . J4/ XQ" 6 Y- - 4X+ + + . #J4/ XQ" 6 Y- - 4X+ 5 ! + .#J4/ XQ" 6 Y- Y + . J4/ QXQ" 6 Y- ! + . J4/ O+- !> > Z 5 \ 4 ! >

^ 5 _3

# ##C CQ 5 C#< .*?#6B*9)@)9E()(*/Z4 C#< .) 798:)*98&:)`9P

*/ Y 5 +C #Z ) 76 C#< -J9> C#<##Z=9> C#<##Z>9> C#<##Z 5#9> C#<##Z >9> C#< ##Z'+9> C#<## > CB7 Z - J > C - !>C#< V2 # Z- C - !>C#< V2 # #Z- C - !>C#< ## 2!##Z- C# - !>C#< ## 2!##Z- C Q #< ##!#Q ) > C 4K ^* R. Z /K & . ! - P-3 -3<Z ! - E > -3</C . Z / Komunikat informuje uşytkownika, şe do modułu zostały wgrane wszystkie elementy projektu, a sam moduł po restarcie płytki zaczął wykonywać zaprogramowany pomiar. Zwrócony został równieş tekst zawierający wynik pomiaru oraz informacja o wysłanej paczce danych. W celu ograniczenia ilości wysyłanych danych, paczka zawiera jedynie wartości bez informacji o tym, z którego kanału pochodzi.

65

L ' ( D ( $ + $ . ' 0

U% , < 7 0

Dane są otrzymywane w systemie szesnastkowym, jednak w portalu TTN istnieje moşliwość dodania skryptów w języku JavaScript do dekodowania danych. W tym celu naleşy z widoku aplikacji przejść do zakładki Payload Formats. Developer umieścił przykłady skryptów dla dekodera, konwertera i enkodera. Kod moşna napisać w edytorze na stronie lub uşyć pola Payload do symulacji i przetestowania skryptu. Na potrzeby rozpatrywanego projektu stworzono dekoder, który zamieniał wiadomość z systemu szesnastkowego na format string. Dodatkowo dopisana zostaje wiadomość tekstowa oparta na tekście wyświetlanym w programie Main.py węzła końcowego. Ponişej przedstawiono kod źródłowy skryptu:

U%M% &

Na początku naleşy sprawdzić, czy czujnik jest widoczny przez portal TTN, tym samym czy została nawiązana komunikacja między bramką a węzłem. W tym celu w zakładce Gateways naleşy wybrać bramkę, do której przypisano czujnik i sprawdzić, czy liczba otrzymanych wiadomości rośnie (rys. 7). Zgodnie z algorytmem, wartość powinna co minutę rosnąć o jeden, zakładając, şe şaden inny czujnik nie jest połączony z bramką.

23 B > .4 5Z + / T ! >! ! ; ) 2 ! > !++- . 3--Z 4 5/$

3 T

,& .4-3 Z >/0 C >! !

U$ U

Po dodaniu skryptu, zarówno w widoku aplikacji jak i w widoku czujnika, dane będą listowane z uşyciem skryptu. Przetworzony format w postaci tekstu jest wyświetlany obok wiadomości zakodowanej w postaci heksadecymalnej (rys. 9).

Rys. 7. PodglÄ…d bramki komunikacyjnej w serwisie TTN Fig. 7. Gateway overview in the TTN service

JeĹźeli bramka otrzymuje wiadomoĹ›ci, oznacza to, Ĺźe nawiÄ…zano komunikacjÄ™ z wÄ™zĹ‚em koĹ„cowym. NastÄ™pnie naleĹźy przejść do strony czujnika. W menu aplikacji odszukać przypisany czujnik, sprawdzić jego status oraz liczbÄ™ wysĹ‚anych ramek Frames up (rys. 8). JeĹ›li wartość jest rĂłwna zero, a status wyĹ›wietla komunikat Never seen lub sugeruje, Ĺźe czujnik byĹ‚ widziany dawniej niĹź przewidziany w programie okres, naleĹźy zresetować licznik ramek. Jest to pewnego rodzaju zabezpieczenie przed atakiem polegajÄ…cym na powtarzaniu i ponownym wysyĹ‚aniu paczek danych. Zabezpieczenie uĹźywane jest przy statycznej aktywacji urzÄ…dzenia (ABP). Gdy urzÄ…dzenie jest resetowane lub uruchamiane ponownie, licznik wysĹ‚anych i otrzymanych wartoĹ›ci jest resetowany. JeĹźeli urzÄ…dzenie wyĹ›le wiadomość lub jÄ… odbierze, odpowiedni licznik jest inkrementowany. JeĹ›li urzÄ…dzenie lub sieć otrzyma komunikat z licznikiem ramek niĹźszym niĹź ostatni, wiadomość zostanie zignorowana. Dane otrzymane przez bramkÄ™ komunikacyjnÄ… wyĹ›wietlane sÄ… jednoczeĹ›nie w dwĂłch miejscach. Pierwszym z nich jest widok czujnika i zakĹ‚adka Data. Przedstawiona jest tam lista wiadomoĹ›ci otrzymanych przez bramkÄ™. KaĹźda linia zawiera datÄ™ otrzymania paczki danych, wartość licznika, port oraz wiadomość zakodowanÄ… w systemie szesnastkowym. Drugim miejscem, gdzie moĹźna znaleźć przychodzÄ…ce wiadomoĹ›ci jest widok aplikacji i zakĹ‚adka Data. Lista przedstawia dane wszystkich czujnikĂłw, ktĂłre zostaĹ‚y przypisane do danej aplikacji. WyĹ›wietlana jest teĹź data otrzymania przez bramkÄ™ wiadomoĹ›ci, numer oraz port.

Rys. 9. Otrzymywane dane przez bramkÄ™ komunikacyjnÄ… prezentowane na portalu TTN Fig. 9. Data received through the communication gateway presented on the TTN portal

U%(% ) Portal The Things Network umoşliwia integrację baz danych, aby przechowywać dane procesowe z czujników. Dostęp do danych jest moşliwy dzięki aplikacji REST API lub z poziomu strony internetowej. Aby dodać bazę danych do aplikacji naleşy przejść do widoku aplikacji, a następnie wybrać zakładkę Integrations. Widok zakładki Integrations przedstawia wszystkie zaimplementowane wcześniej dodatki. Aby dodać nowy, naleşy kliknąć przycisk Add integration. Zostanie wyświetlona strona z dodatkami. Naleşy odszukać Data Storage. Po kliknięciu w ikonkę uşytkownik zostanie przeniesiony do witryny przedstawiającej informacje o danym dodatku. Aby dodać, naleşy kliknąć ikonkę Add integration. Baza danych zostanie dodana do wybranej aplikacji. W celu zalogowania się do bazy danych naleşy z poziomu widoku aplikacji przejść do zakładki Integrations, wybrać bazę danych, a następnie kliknąć Go to platform. Uşytkownik zostanie przekierowany do strony zewnętrznej opartej na bibliotece swagger, aby ułatwić dostęp do danych. W celu autoryzacji naleşy kliknąć przycisk Authorize, a następnie podać Acces key, który znajduje się w widoku aplikacji w portalu TTN. Naleşy go skopiować i wkleić na stronie bazy danych. Po uzyskaniu autoryzacji kliknąć link /api/v2/query. Zostanie wyświetlona struktura, w jakiej zostają zapisywane dane. Po kliknięciu Try it out! uşytkownik ma dostęp do informacji zapisanych przez urządzenie. Domyślnie wyświetlane są wpisy z ostatniej godziny, jednak moşliwa jest zmiana parametru wyświetlania ostatnich wpisów w rubryce last. Ponişej przedstawiono przykład wpisu w formacie JSON generowanego w bazie danych po wysłaniu wiadomości z czujnika do bramki komunikacyjnej:

Rys. 8. PodglÄ…d urzÄ…dzenia w serwisie TTN Fig. 8. Device overview in the TTN service

66

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

+ T

,& .4-3 Z >/0C ,. QZ /0Z

,> 9 >0C ,- 5 5 0Z

g !'0C g^B7 & :b )J;0Z

g 0C g # #Q # * C #C Q# h0

UZ

skiwanie wpisów przez aplikację typu REST API. Za pomocą webowej aplikacji będzie moşna publikować informacje na stronie lub zapisywać w innej, prywatnej bazie danych. Następnie informacje mogą zostać przetworzone i analizowane w oparciu o stworzone przebiegi. Portal TTN umoşliwia integrację wielu innych dodatków, o których nie wspomniano w artykule.

] !

V% Protokół LoRaWAN kierowany jest do grona uşytkowników mających na celu wymianę danych na większe odległości minimalizując przy tym koszty utrzymania połączenia. Przykładem moşe być uruchomiona w Amsterdamie sieć IoT oparta na protokole LoRaWAN, która wykorzystuje jedynie 10 bramek, aby zapewnić zasięg na terenie całego miasta [8]. Wdroşenie projektu trwało sześć tygodni. Obecnie mieszkańcy przejęli kontrolę nad projektem i sami tworzą strukturę inteligentnego miasta. Przy wsparciu portalu The Things Network rozszerzyli liczbę bramek do 59 [9]. Aktualnie rozwijana jest koncepcja monitoringu parkowania samochodów cięşarowych. Uruchomiono dedykowaną bramkę, do której będzie podpiętych 80 czujników [10]. Kolejnym wdraşanym projektem jest monitorowanie wolnych miejsc parkingowych w mieście. Znane przypadki aplikacji w innych miastach to: systemy monitorowania jakości powietrza, inteligentne oświetlenie ulic, inteligentne wykrywanie zanieczyszczeń w wodzie, monitorowanie komunikacji miejskiej i informowanie pasaşerów o czasie przyjazdu lub zarządzanie odpadami [11]. Przy załoşeniu, şe bramka komunikacyjna zostanie połączona z Internetem, dostęp do informacji będzie moşliwy z kaşdego miejsca na ziemi. W artykule przedstawiono jeden ze sposobów konfiguracji dwóch urządzeń do wymiany danych przy pomocy protokołu LoRaWAN. Na rynku istnieje wiele innych urządzeń, które moşna skonfigurować w podobny sposób, przykładem jest popularne Raspberry Pi lub znacznie tańsze moduły radiowe, np. SX1276. Najtańszy zestaw urządzeń, który pozwoli na nawiązanie komunikacji między czujnikiem a bramką kosztuje około 12 $, przy praktycznie zerowych kosztach utrzymania sieci. Dodatkowo portal The Things Network za darmo i w bardzo prosty sposób umoşliwia uşytkownikowi komunikację bramki z Internetem i dostęp do bazy danych. Umoşliwia ona pozy-

1. A.I. Pop, U. Raza, P. Kulkarni, M. Sooriyabandara. Does B directional Traffic Do More Harm Than Good in LoRaWAN Based LPWA Networks?, GLOBECOM 2017 - 2017 IEEE Global Communications Conference, Dec. 2017 2. Pinkas A. LoRa – energooszczędna, długodystansowa sieć w natarciu, https://www.magazynprzemyslowy.pl/produkcja/LoRa-energooszczedna-dlugodystansowa-siec-wnatarciu,8726,1 [dostęp 19.05.2019] 3. Abid-Ali A. Jak najlepiej podłączyć urządzenia do chmury – NB-IoT czy LoRaWAN?, https://mikrokontroler. pl/2018/02/09/najlepiej-podlaczyc-urzadzenia-chmury-nbiot-lorawan/ [dostęp 19.05.2019] 4. Pycom.io, Dokumentacja modułu LoPy, https://pycom.io/ wp-content/uploads/2018/08/LoPy-specsheet.pdf [dostęp 19.05.2019] 5. Pycom.io, Dokumentacja płytki rozszerzeń pyscan, https:// docs.pycom.io/datasheets/boards/pyscan.html [dostęp 19.05.2019] 6. Github.com, Przykłady producenta, https://github.com/pycom/pycom-libraries/archive/master.zip [dostęp 19.05.2019] 7. Atom, Środowisko programistyczne, https://atom.io/ [dostęp 19.05.2019] 8. Rs-online, Czym jest LoRaWAN?, https://pl.rs-online.com/ web/generalDisplay.html?id=i/lora [dostęp 19.05.2019] 9. The Things Network, Sieć LoRa w Amsterdamie, https:// www.thethingsnetwork.org/community/amsterdam/ [dostęp 19.05.2019] 10. The Things Network, Inteligentne monitorowanie parkowania cięşarówek, https://www.thethingsnetwork.org/community/ amsterdam/post/smart-parking-application-at-the-port-ofamsterdam [dostęp 19.05.2019] 11. Sematech.com, Przykłady aplikacji z uşyciem komunikacji radiowej opartej na protokole LoRa, https://www.semtech. com/lora/lora-applications/smart-cities [dostęp 19.05.2019]

6 / " = \ <G / 6 = A 8 R7E . Abstract: The paper presents the process of LoPy chip configuration for radio communication using the LoRaWAN protocol. The microchips were placed on Pyscan extension board. One of the devices was programmed as a communication gate. The received data were transmitted to The Things Network portal via Internet connection. Second device was working as a remote sensor that transmits information of the light intensity to the gate. Devices were registered in the TTN network. Database was implemented in the project for easy access via REST API type of application. Keywords[ A 8 R7E$ . $ A . $ & $ " " = E $ 6 / " =

67

L ' ( D ( $ + $ . ' 0

5& 3 & ! # %& & 70 R & < $ 7 6 / $ < . B @ R (!)- P $ (!)X \ = P 4 ; P & " = < = B& P @ (!)+ B0 & . B . @ = ; .A / @ K K K > = 0 K @ A 8 & & 6 8 & @ = .

68

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 69–74, DOI: 10.14313/PAR_232/69

& 6 / H / B / T #@8 ( & !" &5 > ! 7! R / " = $ V / " $ I / " " $ J X'$ !!@--( R $ . &

!" 6 5 8 6 $ = '!$ !?@(X' R $ . &

$! & < The article presents selected issues related to GSM-R system installed by PKP for the needs of ERTMS past-related control system, as well as the replacement of VHF analogue radio system used so far in the Polish railway system. Particular attention was given to the problems of: transition period, i.e. transition from the VHF system to the GSM-R system; proper installation of radio antennas on traction vehicles during the transition period; interfering impact of public narrowband and broadband mobile systems on the GSM-R system. " [ $ 0 & $ T #@8$ / $ T #

1. Introduction Digital GSM-R networks are already used in many European and non-European Railway Managements. The objectives of the UIC International Union of Railways were to standardise European railway communication systems by introducing the EIRENE (European Integrated Railway radio Enhanced Network) project. GSM-R is a digital transmission system for ETCS (European Train Control System), and together they create ERTMS ( ) [7, 8]. In addition to data transmission for the needs of the ETCS using the EDOR (European Train Control System Data Only Radio) radio transmission, the GSM-R system assists the transmission of voice information to a driver and other railway services, which increased the role of the GSM-R system in the field of safe operation of train traffic. The GSM-R system is based on the GSM standard and is completely compatible with it in terms of the radio interface, however, in contrast to it, it meets higher requirements in terms of service quality, both due to the fact that it is a transmission medium for the rail traffic control system in the ETCS, and it is also applied to conduct process radio communication. For these reasons, it has an impact on the train traffic operation safety.

) [

# = $ % & ) & () !' (!)* $ & & (X !- (!)*

!

2. GSM-R digital railway radio communication system In Europe, ERTMS, namely the European Rail Traffic Management System, which includes, in addition to the GSM-R system, the European Train Control System [ETCS] that is designed to continuously collect and send data on a railway vehicle, is being implemented. The GSM-R system is a transmission medium for ETCS, it mediates the transmission of information to a driver and other railway services [7, 9, 10]. By implementing the above-mentioned systems, the rail traffic safety significantly improves and enables the real-time diagnostics of a vehicle. The immediate transfer of information on the failure detection in a train brings many benefits, i.e. it minimises the repair time, reduces the delay time, simplifies the repair process, contributes to the efficiency increase, reduces operational costs, and also allows to increase capacity on individual railway lines by a precise definition of distances between trains. It is also possible to activate the applications dedicated for passengers, e.g. information on train timetables, weather, and access to the Internet network, etc. The equipment of the railway lines with the GSM-R system does not mean that the existing VHF radio communication system will be out of service on these lines. Analogue systems will be still available during the migration period, but they will be additionally equipped with a RCS (Remote Control System). The adopted migration concept from the VHF analogue system to the GSM-R digital system imposes additional obligations, in terms of use and maintenance of both systems, on operating services. The efficient management of such different systems requires a lot of organisational effort and good class professionals [11]. Owing to the interoperability of the GSM-R system, this system can be divided into a track side part and a train side part. The track side part includes a NSS (Network Switching

69

Selected Issues of the Quality of Operation of GSM-R System) subsystem, the main components of which are MSC (Mobile Switching Centre) together with the following registers: − HLR (Home Location Register), − VLR (Visitors Location Register), − EIR (Equipment Identity Register), − GCR (Group Call Register), − and OMC (Operation Maintenance Center) and BSS (Base Subsystem). The train side part includes a cab radio for the driver’s two-way communication with the environment (train dispatchers, other drivers and other railway personnel, e.g. railway maintenance workers) and a radio for the transmission of digital signals associated with the ETCS, the so-called EDOR (ETCS Data Only Radio) [11, 13]. The EIRENE standard defines five types of mobile stations intended for the GSM-R network: − train radiotelephone (Cab Radio) – used by the train driver), − mobile radiotelephone for general purposes (General purpose radio), − mobile operational radiotelephone (Operational radio), − shunting radiotelephone (Shunting radio), − radiotelephone for ETCS needs (EDOR). All of these devices (except for EDOR) should operate in three frequency bands [15]: − UIC band 876–880 / 921–925 MHz, − GSM public band 890–915 / 935–960 MHz, − E - GSM extended public band 880–890 / 925–935 MHz. In the GSM-R system, it is possible to provide many telecommunications services that could not be provided in the VHF analogue radio communication system such as, for example, addressing by the message recipient’s function, addressing by location, etc.

system (without the ETCS system). According to the National Implementation Plan of the European Rail Traffic Management System, the number of such railway lines in Poland is to be approx. 10,000 km. The migration method adopted in Poland practically requires the installation of the GSM-R/VHF dual-system cab radio in the traction vehicles, which is connected with the installation of five antennas on the traction vehicles’ roofs, i.e. antenna for voice service in the GSM-R system, antenna for voice service in the VHF analogue system, antenna for GPS and two antennas for digital data transmission (two radios EDOR – European Train Control System Data Only Radio). Incorrectly selected locations of these antennas on the roof of the locomotive may cause that the signals generated by these antennas will interfere with each other, which may lead to sending distorted information, e.g. to the ETCS system. Since the traction vehicles are designed in such a way that their operation is to last for several decades, it would also be necessary for newly built traction vehicles to provide space for broadband antennas, which would make, e.g. broadband Internet services available for passengers. The correct location of antennas on the traction vehicles depends on [4]: − the purpose of the antenna (voice transmission service, data transmission service, broadband services), − a type of the vehicle roof (flat roof, convex roof, roof with a lowered section between cabins), − infrastructure installed on the roof of the traction vehicle (pantographs, air conditioning, etc.). These antennas should be located at appropriate distances on the roof of the traction vehicle so that they do not interfere with each other. There are three main mechanisms of interaction of radio waves that can cause interference problems such as blocking, undesirable emissions and intermodulation. The problems related to blocking, undesirable emissions and intermodulation can be avoided by ensuring sufficient physical isolation of antennas connected to various radio systems [6, 12]. According to the RSSB (Radio Safety Standard Board) studies, the antennas applied on the traction vehicles can be divided into three groups [3]: − voice transmission antennas (VHF, GSM-R) and GPS, − data transmission antennas (EDOR), − broadband system antennas (LTE, WiMax, etc.). In order to provide the proper isolation between the groups of these antennas, the recommended distance between them should be at least 4 m. Figure 1 presents the risk characteristics of interference between various radio systems installed on the traction vehicles as a function of separation distances of antennas [12]. It should be assumed that small risks of interference between the above-mentioned groups of antennas occur at distances greater than 4 m. As the distance between antennas decreases, the risk of interference increases. Also in individual groups, individual antennas should be arranged at certain, but much smaller distances than the above-mentioned groups of antennas, e.g. VHF and GSM-R antennas for the voice transmission service should be installed at a separation distance of not less than 0.5 m (in this case, it is very unlikely that these two antennas will operate at the same time). According to the English experts, the deliberations on the location of antennas on the roofs of the traction vehicles, should include a model of a simple, smooth roof with some curvatures on both sides of the traction vehicle, and this model is sufficiently accurate for many classes of the traction vehicles also located in Poland [15]. This simple type of roof allows for good multidirectional coverage from the antennas located at any place of the roof axis. Such placement of the antenna allows for good coverage at a low angle in the forward and reverse direction on a train. This is especially important for the railway communication systems, where base stations are located along the rail-

3. GSM-R system receivers on traction vehicles A very important element of the train radio communication is the cab radio, which not only serves to transmit the voice between the drivers and train dispatchers, drivers and a train crew, between drivers of various trains, but it also constitutes an interface between a human (driver, train dispatcher) and train traffic operation systems (e.g. “Radiostop” and “REC” signals). The issue of the cab radio is particularly important during the migration period of the entire radio communication system, i.e. from the VHF analogue system to the GSM-R digital system and, to a large extent, it depends on the adopted migration method. The National Implementation Plan of the European Rail Traffic Management System stipulates that in Poland, it is planned to implement the ETCS system for 5,000 km, and GSM-R for 15,000 km of the railway lines. The GSM-R system in the perspective of a dozen or so years is to replace the currently operated, obsolete VHF 150 MHz analogue radio communication system. During the migration period from the analogue system to the GSM-R digital system, both systems will be operated on the railway lines. The advantage of such a solution is that: − on railway lines equipped with both radio communication systems, trains equipped with an analogue or digital radio communication system can move without any problems, − the railway rolling stock can be successively equipped with digital devices depending on financial capabilities and the area of operation of railway carriers. The use of two alarm signals on a single line requires the development of special procedures and rules for train traffic operation in emergency situations. The development of these procedures is particularly important for the needs of the safe train travel on the railway lines, equipped only with the GSM-R

70

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

$ " ( ' # $ ! "

Fig. 1. Characteristics of the risk of interference between various radio systems installed on the traction vehicles Rys. 1. Charakterystyka ryzyka powstania zakĹ‚ĂłceĹ„ pomiÄ™dzy róşnymi systemami radiowym zainstalowanymi na pojazdach trakcyjnych

way tracks. Unfortunately, such a situation is too idealistic. On the roofs of the traction vehicles, there are devices that introduce restrictions for a theoretical “simple model� of the traction vehicle roof. The first restriction is the gauge of the rolling stock which does not allow to place the antennas of any height on the roof of the vehicles. Therefore, in turn, special models of antennas were developed but their selection is very limited in comparison, for example, with road transport. The next restrictions are engine fans, air conditioning of cabins and passenger compartments, pantographs and other devices occupying the roof surface of the vehicle. A particularly difficult situation in terms of the placement of antennas will occur in diesel locomotives, where there is very little space on the locomotive roof. Modern traction vehicles are air-conditioned, and the assembly of air-conditioning devices is performed on the locomotive roof, which is a significant obstacle to the propagation of radio waves, especially, if the height of the antenna is lower than the height of the air-conditioning device. The ideal would be the situation that each antenna is placed higher than the “obstacles� on the roof. The antennas on electric traction vehicles should be installed several metres away from the pantographs in order to reduce the broadband noise generated during sparking of pantographs. According to experience in other railway managements, the GPS antenna should be placed at least 5 m from the pantograph due to a wide spectrum of interference generated during sparking, however, other antennas should be at a distance of at least 4 m [4, 15]. The raised pantograph has practically no impact on the propagation of radio waves, while the folded pantograph acts as a “metal solid� with an effect similar to the impact of the air-conditioning devices discussed above.

4. The issue of interference of the GSM-R network receivers The GSM-R system is based on the GSM standard and is completely compatible with it in terms of the radio interface, however, in contrast to it, it meets higher requirements in terms of service quality, both due to the fact that it is a transmission medium for the rail traffic control system in the ETCS, and it is also applied to conduct process radio communication. For

these reasons, this system has an impact on the safety of the train traffic operation. The terminals operating in the GSM-R network meet strictly defined tasks and are assigned to specific groups of employees. The EIRENE standards define five types of terminals intended for the GSM-R network. These are [7, 10]: − General Purpose Radio GPH (General Purpose Handheld) – a general purpose mobile radiotelephone, − Cab Radio – a train radiotelephone used by a train driver, − Operational radio OPH (Operational Purpose Handheld) – an operational mobile radiotelephone, − Shunting radio OPS (Operational Purpose Handheld for Shunting) – a shunting radiotelephone, − EDOR (ETCS Data Only Radio) – a radiotelephone only for the purposes of ETCS. The proper operation of the GSM-R system may, under certain conditions, be affected by the public GSM systems. In the general case, the interaction of the GSM-R network and the network of public operators is associated with four types of radio communication transceivers. They include: − GSM-R network base stations, − base stations of public networks, − GSM-R network mobile stations, − mobile stations of public networks. All types of the GSM-R terminals belong to digital devices containing both a transmission part and a receiving part. The discussed issue of interference to the proper operation of terminals concerns the receiving part, as it can be subjected to strong signals from the BTS public transmitters. The two main causes of interference to the proper operation of the GSM-R system receivers include: − undesirable emissions from public networks, − too strong broadband signals. As an effect of these reasons, at the receiver’s input, there may occur the undesirable effects, such as: − receiver sensitivity reduction, − receiver blocking, − out-of-band emissions, − intermodulation, − overloading of the input part of the radio system of the receiver.

4.1. Receiver sensitivity reduction The reduction of the receiver sensitivity is caused by: undesirable radio emissions, intermodulation products and energy transmission of undesirable signals due to the limited selectivity of the receiver.

4.2. Blocking of receivers caused by a high level of signals outside the GSM-R band The receiver blocking is defined as the maximum level of the interference signal expressed in dBm affecting the reduction of specific sensitivity of the receiver by the certain number of dB (usually 3 dB). Therefore, the receiver blocking phenomenon is assessed at the level of the desired signal that is 3 dB higher than the receiver sensitivity level and at a frequency different from that desired signal. The receiver blocking is a measure of the receiver’s capabilities of receiving the desired modulated input signals in the presence of undesirable signals at frequencies other than spurious responses or adjacent channels without reducing the receiver’s performance below the acceptable limit. The blocking and intermodulation effects of operation of the GSM-R terminals occur when the interfering radio emissions in the GSM system exceed the level of approx. –40 dBm. It is compliant with the acceptable level of interfering signals [1], however, it is in contradiction with the acceptable power of out-of-band signals in the public band. As a result, the public

71

Selected Issues of the Quality of Operation of GSM-R

ted with power exceeding the value of –33 dBm/5 MHz, and in subsequent channels, it should not exceed –23 dBm/5 MHz [13].

5. Conclusion The article discusses the mobile on-board part of the GSM-R system in the field of radiotelecommunications services on drivers as well as the rules of the placement of the radio system antennas installed on the traction vehicles. The considerations were limited to radiotelecommunications services which will be most often used by the railway vehicle drivers and to the selected rules for installation of antennas in the traction vehicles that have a direct impact on the transmitted information quality (e.g. only physical separation of antennas was discussed and a method for using appropriate filters was omitted). The authors believe that the appropriate rules of, e.g. installation of antennas should be developed in Poland for each type of the traction vehicle and its “roof” equipment, on which the appropriate antenna types will be installed for the provision of specific radiotelecommunications services. For example, it is currently possible to apply multi-band antennas as well as frequency multiplexers that allow to reduce the number of antennas and perhaps may allow to reduce the antenna separation distances. The adopted quality of services (QoS) for individual telecommunications services is also important, e.g. there is different quality for the voice transmission service, and the different one for the data transmission service (EDOR). The data transmission quality will have a decisive impact on the separation distances of antennas. The interruption of radio communication used in the railway rolling stock has a huge impact on the train traffic and the safety of passengers and service providers. The continuous availability and accessibility to the GSM-R network is needed to transmit and receive alarm signals (Railway Emergency Call) along the entire railway line. In addition, depending on the railway operational needs, critical zones can be identified at the national level, in the places such as: − places where trains start or continue their travel after stopping, − places where dangerous situations may occur, − areas with ETCS level 2/3, where continuous data transmission is required: − limit zones of ETCS Level 2/3, − places where a handover occurs. The GSM-R digital rail radio communication system belongs to important elements affecting the technological process course in the railway transport. The direct adherence of the GSM-R system operation band and the transmission band of public operators promotes the creation of interference, the effects of which have a direct influence on the operation of the GSM-R system receivers. The work carried out at CEPT and ETSI resulted in the creation of a series of guidelines aimed at weakening the impact of adverse effects on the GSM-R receivers. Among them, it is indicated to improve the filtration of the receiver’s input stages and the use of improved GSM-R modems. Subsequently, it is proposed to reduce the power of transmitters of public operators emitting the radio signals towards the railway areas, and to reorganise the frequency in the band directly adjacent to the GSM-R band.

Fig. 2. Illustration of the effect of undesirable emissions from the UMTS/ LTE channel GSM-R [5] Rys. 2. Ilustracja wpływu niepożądanych emisji z UMTS/ LTE w kanale GSM-R [5]

network receivers may introduce signals that cause interference to the operation of the GSM-R network receivers. Out-of-band emission (OOB) occurs outside of the channel band as a result of the modulation and non-linearity process in the transmitter, without side emissions. The emissions discussed here occur at the interface of adjacent bands. Interferences occurring due to out-of-band emissions (OOB). Interferences resulting from the direct adhesion of the GSM-R network channels and the public network operator are associated with insufficient suppression of out-of-band signals. The ETSI TS 137 104 [2] standard defines this phenomenon in the following way that out of band out- puts are unwanted signals coming directly from outside the channel band resulting from the modulation and non-linear processes in the transmitter, and are not undesirable emissions. Thus, if the level of out-of-band signals is insufficiently suppressed in relation to the signal strength desired, this signal will be exposed to interference (Fig. 2). The types of interference present in the GSM-R network that occur between the GSM-R and public GSM networks are mainly dependent on the equipment of transceivers, including the following features: − effectiveness of filtration of parasitic frequencies, − characteristics of the propagation of radio waves of transmission antennas, − transmitting power of transmitters, − geographical location of base stations of interfering networks, − the size of separation between transmission channels interfering with networks, − levels of the network interfering signals at the ends of cells. The most frequent impact of public networks on GSM-R results in blocking and intermodulation in the GSM-R receiving terminals. In some cases, there is also a broadband noise phenomenon. The interference was more often observed during the reception of low-power signals. As a result, the receivers have reduced sensitivity, and as a consequence, they can be overloaded and block the possibility of correct communication. According to the recommendations set by [14] the GSM-R radio network signal level for the lines equipped with ETCS for the speed of 220 km (ETCS 2) cannot be lower than –95 dBm and for the speed of 280 km/h lower than –92 dBm (ETCS 3). Therefore, in some countries (e.g. Norway, Sweden, Switzerland), in order to guarantee a proper difference in signals between the GSM-R network and the public operators’ networks, it was assumed that the levels of signals from the GSM network narrowband transmitters cannot exceed the level of –107 dBm/200 kHz in the railway areas. In case of the UMTS and LTE broadband networks, it was adopted that the signal level for the first frequency block adjacent to the GSM-R band should not be transmit-

72

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

References 1. ETCS/GSM-R Quality of Service – Operational Analysis, European Economic Interest Group- European Rail Traffic Management System. Reference EEIG: 04E117 Distribution date: 14/10/05. A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

$ " ( ' # $ ! " 2. ETSI TS 137 104. Technical Specification Digital cellular telecommunications system (Phase 2+); Universal Mobile Telecommunications System (UMTS); LTE; E-UTRA, UTRA and GSM/EDGE; Multi-Standard Radio (MSR) Base Station (BS) radio transmission and recep-tion (3GPP TS 37.104 version 9.1.0 Release 9). April 2010. 3. GSM-R Radio, Guidance on GSM-R Cell Planning Consultation, 12-2007, Association of Train Operating Companies. 4. Guidance on Train Rooftop Antenna Positioning, Rail Industry Guidance Note Document comes into force 04/12/2010. Published by RSSB. 5. Hasenpusch T., Compatibility measurements UMTS/LTE/ GSM vs GSM-R.pdf http://www.era.europa.eu. 6. Katulski R.J., Propagacja fal radiowych w telekomunikacji bezprzewodowej [Propagation of radio waves in wireless telecommunications]. Wydawnictwo WKiŠ[Transport and Communication Publishers], Warsaw 2010. 7. Monografia [Monograph]. Koleje duşych prędkości w Polsce [High speed railways in Poland]. Redakcja naukowa M. Siergiejczyk. [Scientific editor: M. Siergiejczyk] Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej [Publishing House of Warsaw University of Technology]. Warsaw 2015. 8. Pawlik M., Siergiejczyk M., Gago S., Safety of the new control command European System, in: Safety and Reliability: Methodology and Applications. Nowakowski T. [et al.] (Ed.), 2015, CRC Press/Taylor & Francis Group/Balkema. 9. Praca statutowa WT PW. [Statutory work of Faculty of Transport of Warsaw University of Technology]. Analiza i ocena własności eksploatacyjnych systemów telematyki

transportu [Analysis and assessment of the operating properties of transport telematics systems]. Praca statutowa ZakĹ‚ad Telekomunikacji w Transporcie, 2017 [Statutory work of the Department of Telecommunications in Transport, 2017]. Kierownik pracy M. Siergiejczyk [Work manager M. Siergiejczyk]. 10. Siergiejczyk M., Gago S., Safety and security, availability and certification of the GSM-R network for ETCS purposes. “Archives of Transport System Telematicsâ€?, Vol. 7, Issue 1, 2014, 45–49. 11. Siergiejczyk M., Gago S., Zagadnienia eksploatacji systemĂłw radioĹ‚Ä…cznoĹ›ci kolejowej w okresie migracji. Logistyka 4/2014 [The isues of operation of the rail radio communication systems during migration Logistics 4/2014]. 12. SumiĹ‚a M., Miszkiewicz A., Analysis of the problem of interference of the public network operators to GSM-R. International Conference on Transport Systems Telematics TST 2015. Tools of Transport Telematics. Spinger 2015. 253–263. 13. UIC FREQUENCY MANAGEMENT WORKING GROUP. Assessment report on GSM-R current and future radio environment. July 2014. 14. UIC Project EIRENE. System Requirements Specification, GSM-R Operators Group, System Requirements Specification (SRS) Version 16.0.0. December 2015. 15. Williams D.J.S., Train Roof Antenna Positioning Issues Study, End-of-Study Report Research Programme Engineering Rail Safety and Standards Board LTD, 25/08/2009.

R 0 = & &0 ; T #@8 & ! < W artykule przedstawiono wybrane problemy związane z instalowanym przez PKP systemem GSM-R dla potrzeb przeszłościowego systemu sterowania ERTMS a takşe zastąpienia radiowego systemu analogowego VHF stosowanego do tej pory w polskim kolejnictwie. Szczególną uwagę poświęcono problemom: okresu przejściowego tj. przejścia z systemu VHF do systemu GSM-R, odpowiedniej instalacji anten radiowych na pojazdach trakcyjnych w okresie przejściowym, zakłócającego wpływu publicznych systemów komórkowych wąsko- i szerokopasmowych na system GSM-R. ) [ &0 $ & 0 $ T #@8$ ; $ T #

73

Selected Issues of the Quality of Operation of GSM-R

!! '& - ( & ! &5 '/+ H 5

!! '& - > ! 7! '/+ H 5

% &

& % &

/ / & / / @ = / & & & 0 & $ / / $ 0 @ & / @ & $ & @ =$ & = = & = = @ /

8 & 6 = " $ M = & & = O & & 0 $ G $ & = & & = / @ M & $ & @ $ @ $ / $ @ $ = $ = O$ = & [ @ & M @ @ O G 0 & )!! $ & f / & / / # 0 / " // " 8 & " / " // " / . 7 & / (!)-\(!(! # 0 / . / & " <G

!" 6 5 '/+ H 5 = = % / / & / / @ = / & & & 0 & $ / /

74

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

Informacje dla Autorรณw - ( $ ( D " 0 + (C " Qf QJXj 2 ( O ( ( ( D + C( K ( $ ( ( (" + ( # ( ( ( ( ( + + ( ( ( ( $ + O G+ ( ( ( ( & # " " " ( ( ( + ( \ + " G&]2 ( $O ( + & C + ( " G ( + ( + "+ ( O C "+ ( + 2

Wskazรณwki dla Autorรณw !

( $( "$ + + T ( Pomiary Automatyka Robotyka ( $ K & ( ) + i D ( $ ( $ \ ( VJ O ] & ( + " +

D & E O

T + G+ \ ( + + $ ( ]

D ( $ \ & , Xย JDQJJ $O ] & ( + " +

D $ + \ย DV $] & ( + & ( " + " +

D &,K ( $ D & ( + \+ 2 " + ]

D ( ( & ( + & ( " +

D ( $( + & ( + & ( " +

D + E" G E & + ) 2 2 2 " + 2 b + , 2 jJJ 2 XJJJ + , " " G , 2

( $ K & ,K O J H ( " K & , X ( " \UJ JJJ O + jJJJ Q + O ] 2 V $ C " 2 ( ( $O ( & & ,K " ( $ &, 2 Nie drukujemy komunikatรณw! ( $ (K $ " G ( O \ & ( ( $ ] & , ย JJDWย J O +

) " G 2 ' " ( O O ( & ( (+ ( + " ( 2 + ( # K ( $ 2

-

)+ +

! Q

Q #

2 ( $ + ,K ,K ( $ 2 ( $O $ ( + + " " 2 - O ,K ( +

& + K $ ( ( (K " ( $ & ย O $ 2 6

) #

+ # - +

O ( " + & 2 O ,+ 2 ($ ( $ + C( K +

+ ( ( $ D O G+ & " G 2 " ( ' O ( $ ) ( " ( & ( 2 ( C ( + O ( ' 2

Kwartalnik naukowotechniczny Pomiary Automatyka Robotyka jest indeksowany w bazach BAZTECH, Google Scholar oraz INDEX COPERNICUS M6 ย (!)-L X $(?O$ P w bazie naukowych 0 P ARIANTA. Punktacja MNiSW 0 + M )((?O . K K & & B E $ & 0 0 w kwartalniku naukowotechnicznym Pomiary Automatyka Robotyka.

Wย

L0�/' B F . Z /'œ

6

' + T " Pomiary Automatyka Robotyka C + ( & 0 + (C " & ( " $ O ( " E O ( $O ( & ( $ + , " i 1.

{ !

wymieniowego Autora ! D + ( + ( O 2 _" ` 2 ( + ( O + O O ( $ + ($ ( + "O+ $ 2 2. !

# Q

#

jej powstanie D + i D

C ( ( $ ( $( "+& + O$ ( + ( O ( E ( & ( +

D

C ( & ( _" "` 2 ( & ( O ( $ ( $ $ ( O$ ( + & (

O $ " $ + ›

WH

P

O

M

I

A

' ( + + ( & + ( C

+ " + ( $ ( ( ( ( 2

3. ‡ #

<Q #

D ( G + ( T

( + ( ( " ) š O + , O &C ( 2 _G + + ` D ) + " ( + ( ( # + ) + & G #2

, # ( $ ( + ( O C $( ) + ( ( )

( +

( ) ( C + ( D $ ( C K " K , 2 - ( E + ( , ( C ( 2

przeniesienie praw #

&&ˆ]q - + ( & ( $ + & ( ( &2 Z ( ( $ 2 ( " ( ( ( $ + " 2

Redakcja kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka %

, ( ( $O + ( + T ( ( ( ' ( ( ( O $ & /L 2i

> 0 & $ . # $ J . &0 $ " # $ 7& IK0 $ . / & 0 & & $ a. 7 Robotyka�, ISSN 1427-9126, R. 23, Nr 2/2019, 5–13, DOI: 10.14313/ PAR_232/5. R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

czasopisma

pomiary

sprawdzian

miara

POLSPAR

eksperyment

automatyka PIAP

( $(

seminarium

kalendarium

szkolenie

kwartalnik

federacja

nauka

publikacje

automatyka

stowarzyszenie

HORIZON 2020 C innowacje organizacja projekt konkurs

konferencje

relacja

POLSPAR

POLSA

publikacje

AutoCAD streszczenie

agencja kosmiczna

dr h.c.

innowacje

IFAC

ZPSA

š

profesura

recenzje

relacja

szkolenie

doktorat

robotyka seminarium

sterowanie

K

esa

szkolenie

78

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR

2/2019

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

Kalendarium wybranych imprez Nazwa konferencji

Data konferencji "$ #

Informacje dodatkowe

8th LÂ? B ( ( MECHATRONICS 2019

04–06 / 09 / 2019 1 / 06 / 2019

#

www: iEE 2 + QJXf2 " mail: Y + QJXf2 "

7th LÂ? B ( ( B + SSSC 2019

09–11 / 09 / 2019 1 / 03 / 2019

Sinaia '

www: iEE 2 2 12 E QJXf mail: 1 1 Y 2 12

L + B ) QJXf

16–18 / 09 / 2019 31 / 05 / 2019

+

www: iEE QJXf2 E mail: 2 Y 2 2 2 +

14th LÂ? B ( +( " F1 + ) c ( HMS 2019

16–19 / 09 / 2019 16 / 05 / 2019

++ F

www: iEE 2 2

E QJXf mail: TLÂ? Bc QJXfY 2

.L & ( + ) + "O

23–25 / 09 / 2019

/ +

+

www: iEE QJXf2 2 + 2 +E mail: 2 Y 2 + 2 +

+ ' L + " ' T' L QJXf

16–18 / 10 / 2019

$ +

16th IFAC Conference on " + 1 F ( PDeS2019

29–31 /10 /2019 31 / 05 / 2019

( ( e $

15th F 1 B + " ACD 2019

21–22 / 11 / 2019 31 / 05 /2019

* + $ (

www: iEE 1 2 2 E QJXf mail: QJXfY 2

15th L + B ) ( + ( ( + QJXf

02–05 / 12 / 2019 02 / 06 / 2019

%O š +

www: iEE ( T 2 E mail: QJXfY ( T 2

13th LÂ? B . " B + ( ALCOS 2019

04–06 / 12 / 2019 31 / 07 / 2019

+ * (

XX Krajowa Konferencja ( QJQJ

22–24 / 06 / 2020 20 / 01 / 2020

%O š +

www: iEE 2 2 2+ 2 + mail: Y ) 2 2+ 2 +

21 LÂ? B + B "

12–17 / 07 /2020 31 / 10 / 2019

* + Niemcy

www: http://www.ifac2020.org

30.08–03 / 09 / 2021

Jokohama Japonia

ggLLL + B " ) L + Confederation IMEKO 2021

www: iEE T 2 2 2 +

www: iEE T ) 2 mail: + 2 1 Y 2

www: iEE 2" "+ 2 E EQJXf + E mail: Y 2 2 2

www: http://www.imeko2021.org mail: imeko2021@or.knt.co.jp

79

KONFERENCJE | RELACJA

™™666 J / 7 ; 8 (!)*

R & () (( (!)* &0 ; $ ; = & / & & K T ; = / 0 / J7#<8 \ 7 # " " 8 B ^ &

80

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

ggLLL ) ( O '( O ) ( ( $ ) & " T ( O OC ( , 2 ( ) " , + OC ( , T ( ( D ( # ( $ G ( $ + ,K T T " O L / C ( T C 2 / ( ( ) T $ ( ( )2 2 C2 '( $ ( +& ( T ( " 2 ( ( (T &$ & T , + " ) ' T O + ( Z + - ( 2 ( ( &$(i !O Tc 2 $ ( ' ( +T 0 ( F+ T

)2 2 C2 '( !O Tc

81

KONFERENCJE | RELACJA

"

+ ) ( $ ( $ , & , + "

)2 2 C2 , + ( +

( O + $ + T + B ( F " + T + ' 2 L" T " % + ^+ 2 B + ) ($ T O ( O O T ( ( ( O O # O T ( C " , ( O 2 ( + ($( " $ ggLLL T ) 1 - " O ( ($ & T , ( #2

D C2 + ( D 7#8; D )2 2 C2 , + ( D 9 7#8; D )2 2 C2 . ( D + ; " ; D )2 2 C2 D ( "

" ; D )2 2 C2 L + # D 4

; D )2 2 C2 L" ( D /

; D C2 L D '

; D ' ) $ + D 4 ; < " 19=

>?,;

$ ) " $ & , ( ( 2 ' T $ ( + )2 '( 2 / ( ) + T ( &, 2 &, T "$ + + /^ ! ( T + & (,+i D )2 2 C2 '( D ' " ;

VQ

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

)2 2 C2 . ( + '

D C2 $ ' * C + D ( < (@1B 2 !

; D $ D 1 - " . " " O ) + ,

T + C ( O + " ( D G ( ( i D ** D ) C ; D Z /. D * ; D 0 / /. D = C

C )*. D D E - D E ; D F F' /0 '/BF 0 !F F0 D ' *

" ;

)2 2 C2 + ^+ ' 0 + (

D !ZF0 cF' /. D +=$F - %

" ; D cF.Z *F. D ! 19=; D Z / D / G 41; D .L cF' F0 /' D 4 ; D F F'.¢ ZBc D H C

I.@+J; D L Fg D (

4 $ ; D F'T B D @ )!'4=,5'$4 " ; D Z'B D * - L + ,@*D " + @

; D FL £..F' D ( ,1 D$. 5 ;

Vj

KONFERENCJE | RELACJA

)2 2 C2 L + # !O Tc

$ + T + B ( F "

C2 L !O Tc

)2 2 C2 L" 2 ( # (C $ - /, & .L cF'

D L /. D 1 C - " (*!'. ( ( $( " $ T ) 2 'O C + ( ( ( "$O ( ($ ( ( ( O ( " , T D ( ( # + O (+ T + ( ( G 2 0 ( ( C ($ + K (" $( G ( D T ( ( (" + $( ( 2 , O ( O & O ( T ( ( + " ) ( ( (T ( D C K ( ( ( D ( $ ( $ , L ( U2J2 ) ( O ($ & + $ $ T $ C ( + + ' 2 / + C( B T ' ( & ( T ( " ( O * 2 &$ $ $ QUJ O 2 + ggLh ) ( O & & 2 F'T B "$O ( " " + " , O T ( O ( C & 2

& P # = J 4

- G , O O " / ( ^ ! M 2

VU

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

/0�F'F0B F ‘ 'F. B

automation 2019 7 \ E . > P & & . 6 7 . ; .67. = J / E @" K (!)* B = ; / L J 7 8 0 . 7 & E . . ; $ 7 8 0 .BA .78

QWDQf QJXf 2 ($ & " ( $ ( L ( ( O L ggLLL ) 0 T automation 2019 Automatyzacja – / 2 *($ + O + O , O ( & 2 � & " " " $ $ )2 2 C2 ( ( / " ( " ($ )2M M C2 $ 2

" ( + G $ ) HW ) O 2 ) &$ $ $ XUJ O ( jQ

( c . ( Z ( + * ( 2

Konferencja automation ( ) ( ( O ( ( ( O ( ( 2 / ( " ) ($( & ( ( i – Automatyka, – Robotyka, – Pomiary.

("$ ) ( $( Automation 2019. Progress in Automation, Robotics and Measurement Techniques + ( ( " ' E * ) $ 2 & , WQW $ + ( ( &, i * $ ' D QV ( $O ** , – 22 arty $( *** 4 + Z ) D XW ( $O 2 B &,K ( $O $ + T (

' , .

+ ( O ( + ( $ ( & (i – /

mĂłw sterowania D )2 . (

– ' =X

1 D ' =E D )2 h( * ÂŚ

– High Precision Automated Astronomi 4 D )2 ( ) $ \ $ ]

– ' $ @ . > 4 D )2 $ ^ 2

) $ & ( ( ( 4 * 20192 C ( ($( ( " C( O automatyki i robotyki.

/ " ( ) automation, + "$ + ( ( + ( D " C( " ( ( OC ( 4 * cyjni2 " ( C + ( $ ( L ( ( O L ( ( ( ( # ( ( O 2

8 $ 4 $ # = J 4 M<& O$ Automation 2019. Progress in Automation, Robotics and Measurement Techniques. Advances in Intelligent Systems and Computing. Vol. 920, Springer International Publishing, 2019, ISBN 978-3-030-13272-9, str. 727, DOI: 10.1007/978-3-030-13272-9.

Kolejna, XXIV Konferencja automation & & XVDQJ QJQJ 2 §

/ J & > & = J J B =

85

SYLWETKA

86

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

F &

& J 0

> ! $ & 3 % $ '& - ! & !" # $ * U & * &V 3 Y )& $ &5 ! & 3 ;"

) & ! ) $ '& - ! & ! ; [' & > $ \ ! ! $! & & 5

Do rozwoju nauki, techniki oraz wszystkich O ( $ " & OC ( ( ( 2 + " OC ( ( ( + ( + " ( $ ( O C $ K ( " + ( $ L ( U2J2 )2 2 C2 - $ + + " " ( " ( O ( ( ( + ( ( # " ( ( 2 ) - $ + + ( + / + , (C $ L C( / + O XffH 2 $ $ + &2 O ( $( &$ O + " / + (š 2 0 ( ( $ , & ( HJT+ $ + , ( ( " ( )2 - $ ( O C ( ( # + " (

" " ( "O+ ( "+& UJT+ ( / + Z + 2 *($ C O + O$ O G O ( $ $( ( ( + $( + T ( $ OC ( + , + " ( i informatycznych. ( $ TF " ( " + $ - $ & , C & ( ( + " ( + $ )2 ( $ ( O ( 2 - $ ($ O$ " nizatorem konferencji naukowej „Matema ( G ( + O " ( ( ` " XfWQ 2 + & $ ( Z ( š 2 + ($ ( ( " XfVj 2 + & $ -

_ " # O " ( ( ` LLL + 2 + $ C $ ( + O ( " " O L ) + "( C " + & + + + & , 2 / " XfWVEWf ) - $ $ & (C + L C( / + $ & czynnie w rozwĂłj opolskiej uczelni technicz $ + & / + 2 0 + $ $ + ) i XQ + ($ ( $ + )2 / + ,K + &K + ( & ( L ( F+ ( O ( 2 - ( ( )2 - $ ( T ( ( + + ($( O$ ( + / +

* $

+ /

' Â? ( $O

87

SYLWETKA

C + C ( !O Tc " 2 C B + 2 !+ 2 2 . 2 ( B2 -2 .2 _ $ ^ i O ( XfU™DQJJ™` ( - $ 0 ( 2 / + # $ O QJJW ™VH i O$ O \ 2 $(] + & (

)2 - $ " O$ O O ( C " &+ C ) + " ( & O + " $( O + " & ( $( + / + 2 C % ( " _™J + ( $ F+ ( L ) ( ` /G ( ( + / + / + QJXH XXDXj ( (i _ + XfWfD XfVQ & ( $ " ( ( " " L ( 2 0 $ + ( T O$ " ,+ " O " ( L ( )2 - $ &2 $ ( 2 - " ( & 2 - " O$ & + ( , " 2 + ( $ # XfV™ 2 ( T ( ( # jX ($ & (i XJ ) O O Xf O ( ( $ ( $ XJ ( ( O O ( O 2 L ( $ ,K + -

+ 2 XfVj 2 $ # ( C ( ( . O " ( (" $ j™JJ 2 prze + + ( $ ( L ( F+ `2 C _™J + XfHHDQJXH + / + 2 O$ + D $ ( ` . ( ( T! UW2 i « ( ( ) «2 )2 + & 2 2 $ + $ " ( $ L ( F+ 2 - ( C ( . + + ( ( + ( $ ( " + C ( ) rencji naukowych. + $ $ & C( " ( $ F+ ( ( L C( ^ ( TF " ( ( / + Z + ( + ( ( + F+ ( L ) ( 2 / $ C($ " ( + + , F+ ( ( + & + + ( ( + T + O + 2 Z ($ + , ( ( i ( (

( " ( ( + " ( G ( " 2 $ O$ O (" $ + O + ( O & $( " -

!

" & # ' ( % # • - O$ F+ F " ( + " \ XJ]2 + + $ C ( O ( L ( ( + " \ XJB] \XffJDQJJ™] • + XfVHDXffJ ) - $ O$ + ( + B + " " * # ( JQTQJ2 *($ ( Qf O ( LLL " ( ( _/ ( O ( ( ( ( + , " ( ( `2 O$ + + L ( + L ( $O " L ( F ./ 'L*/'

C Z ( ( š

+ / 2 • QJXX 2 - $ $ $ ( ( 0 " B * # ' $ " " " " * # 0 ( ' ( _-

" # $ % • B $ ( ( & ( 0 L C( + " ( \ XffU] • B $ + " ( 0 0 \XfVWDQJJV] • B $ + O F " ( ( ( 0 \ QJJV] • B $ + " $ 0 \XfWVD] • B $ F " ( $ 0 \XfV™D] • B $ F+ + " F+ \XffUDXffH]

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

L ( ( + $ + ,K T - $ ( + ( ( + ( i L C( , "O " ( L ) matyka techniczna i telekomunikacja oraz Automatyka, elektronika i elektrotechnika. + O$ & C + ( ( 0 ( + (

C " & ( & ( ( 2 O$ ( $ " , C+ $( C ( O ( -

• B $ + $( O 0 ! # \Xff™DQJJX]

- $ ( $ #i • 2 ( D L ( ( * ( Z # " ( ( + $ \XfWX 2] • 2 2 D ( + TF " ( ( + $ \XfWW 2] • ( $ ( ) ( \XX XfVH 2]

88

( ) i - ) ( (,+

( + " (

- " 2 *($ O$ " + O + , i F+ +

" ( / + š O $ " ( " + ( Z ( / \QJJJ 2]2 *($ O C " & ( O ( + ( _ + " ( # " ( ( `2 *($ O C " ( O ( + ( ( " ( " + ( O " ( & ( # ( ) O ( O 2 ) $ &K ( ( ( ( ( + O " ( C ) O B / + " ' ( 0 + " Z ( / Z ( " / 2

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

( ( $ 2 *($ projektรณw celowych i kilkunastu projektรณw T ( C ( $ ( $ ( O C+ $( " & " " + + 2 * + " $( O $( $ F ( + + " 0 XfVf 2 &C (+ ( (2 XffW 2 & ( ( ( ( + " O ( ' + F ( ( $ O ( ( $ ( C+ ( , + + ( + &C ( 2 O$ - $ ( '( ' ) Z ( F+ " " 202 ( .2 2 + $ + & ( + ( 2 0 B * JQ2QJ / + O O C _ $ $ # ( O $ C ( `2 ( ( ( + " $( O )2 2 2 + ) + C _ $( + + , ` ( " QJJQ 2 ( $ XW + - $ ( * + $ + " Pospolity. ) ( $ + O ( O ( * + $ + + $ - c ( ( + + & ) + / + 2

- $ ย JT + O$ ( F+ ( O + \ F ] $ $ " $ ( + / + 2 / Xfff 2 $ $ $ " ( + F " (-

+ " ( " `2 " ( " + ($( (

O ( (+ )2 )2 B + 0 " $ # 2 ) ($ $ " 0B* ' # QJXH 2 QJXV 2 ( 0 " ย F " ( O !'F QJXV ( ($ ( ) O C ( $ " ( ( ( + ( 2 Z ($ O C " ( + ( + & ^+ !+ ( ( ( + O ย H !F F+ / + 0 ( ) " Z ( / + 2 ! โ ข + $ \XfWXDXfWW]ย โ ข + $ (C $( L C( / + \XfWVDXfVH]ย โ ข ) ( ( \XfVHDXffX]ย โ ข ) ( ( XffX 2 ( + F+ ( L ) ( + / + XffQ 2 ( + ( T ( ( (C $( " " B & ย

O \ F]2 B ( ($ + C( O + ( O " ( O + ( ^+ / + (ย 2 0 $ C( + XW " QJJj 2 $ ย & ( # 0 T ( F " ( ^ - $ &

โ ข ) ( ( ( ( + F+ ( L ) ( + / + ( XEV " QJXjEQJXU D +ย โ ข $ ( L ( ( * ( Z # " ( ( + $ \XfHVTXfWQ]ย โ ข -T ( L ( B + $( O + $ $ " ( $ \XfWHTXfWV]ย โ ข ( L ( F+ L / + $ " ( $ \XfWVTXfVU]ย โ ข ' L / + \XfVQDXfVW]ย โ ข ( $ F+ ( L / + \XffJDXffH]ย โ ข " ( $ ( ย ( " ย \Xffย DXffH]ย โ ข ( F+ ( O ( \XffWDQJJย ]ย โ ข ( L ( F+ ( O ( \QJJย DQJJV]ย โ ข h " ) + B & F " ( \QJXJDQJXX]ย

89

SYLWETKA

( " - !$O " F2 - !$O " $ & ( + ( & # HJ 2 Z ( 0T F " ( ^ + ( )2 B + & + " )2 - $ + + $ ( ' ( " $ )2 - $ + / + 2 , O $ O ' ( " ( (+ ) * (+ B ( Z ( 2 / + &K C + , # O ( & ( + & ( " " L0F''F! LLL B- .2 O$ $ + O F " ( 0 $ + ( ( + ( F " ( 2 $ + , QH QJXX 2 )2 - $ $ - !$O " ( # 0 T ( F " ( ^ ¬ 2

O ) $ (" ( , C O C O$ ( ( $ ( $ ( 2 * C "

+ " " ( ( , ( ( C " ( ( i • ) '/B/0 '/. )2 - $ $ XX + Xffj 2 jJ " QJXW 2 ( ( + $ O ( O ( ( ( + ( • T + ) 0/h B + " \XffWDXffV] $ $ 2 ( ($ O . $ 2 2 ( + +) + $ C 0/h ($ $ ( ) ( ( $ + + ( 'Ej2 + / + $ O+ ( ( ( $O ( + O ( " # ( $ + , ( ( + C 2 ( $ F+ ( $ ( ( ( $ " + , " 2 • $ + ) ( L0 '/. \XffjD QJJX] O$ $ $ L0 '/. + ($ " 2 • FZ'/. L 1 1 + "( + !+ \QJJVDQJXU]2 ($ . 2 2

! ) + C( & " ( ( T ( ) ( $O ( + ( O$ ( ) - $ & + $ T C 2 $ ( ( $ $( ( ( + C 2 - O$ + ( O$-

• B $ ' ( " T " _F " ( ` \XffXDXff ] • B $ ' ( " + ­L + + ) + F "

"` \Xff D] • B $ ' ( " + ) F+ + F "

" + 1 B ) LFF \QJJ DQJXX] • ( + T0 " F " ( O " " + ' \XffW 2] • ( 0 " & ( ) # " O (" ( !'F \! ( ' + F " ] " ( + ( + + • B $ O ( ) F "(TF + "(T F ( F+ " ( + " " ( ( + * ( $

( / " • ( " ( " hLLL Lg ( _ ( ( + ` \XfWf 2 XfVJ 2] • ( 0 " ) " / 0/ $ _ ( ( ! F " ( ` \XfWV 2] • B $ O 0 ( ) & ( ( ' 0 c® '/¯ 0FZ ¯ f fH

• h " ) # (C + - + + , L ) ( ( $ \QJXJDQJXU]2 • Z ( ( • ( ' ( 0 /, * T ' " ! ' F " ( $ \XfVHDXfff] O$ O $ 0 T " " ) _ + ( " ( ( ` • B $ ' ( 0 L ( ( ( O F " ( ( $ \XfVHDXffj] • ( ' ( 0 L ( ( ( O ( O $ \XffVDQJJH] • B $ ' ( + ( ( !$O " Z & \QJJ DQJJV] • B $ ' ( 0 L ( B $O * + ( \QJJVDQJXX] • B $ ' ( 0 & $ + " F " ( + 0 _ + "( ( ` \XffVDQJJX] • B $ ' ( " T " _ ( ( + ` \XffWDQJXX]

fJ

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

QJXJ 2 - $ ( OC ( $ + & ^+ !+ ( $ ( + F " (" D + + 2 - $ + ,K

" ( " ( $ ( $ ( $ ( ( ! + " F " ( L XX " O 0 + (C " 2 / $( - !$O " ( 0 T " F " ( ^ ( $ * $ & F " ( O "O+ , " ( + + ( + ( " ( # O + & & rozwojowymi. - $ ( $( L ( ! G ( 0 $ $ LLL G 2 + " + $ $ O$ & T Z ( + °2 0 0 /0 $ , , + " ( ( O ( ( - $ ( ( ( $ / + + 2 ( $ 2

. / & J 0 0 & 4

T (E]2 ! + / ( + + ( ( ( $ " + / + 2

& 0 P # 8 K $ / .B

- $ & + $ + ,K ) 2 ) - $ Xf ( QJXf 2 # ($ VJ + 2 ( + " + + + / + ( + O F " ( ( ( 0 ) 2 \ iEE 2 2 + 2 +E + T T + -

C( # $ & + T " _ ( ( ' ( ` C2 $" & + (# D & ) - $ ( $ +& T ( + " 2

• B $ + " /. ' \ XffV 2] • B $ + " ( \ Xfff 2] • B $ T! " ^+ / + " \QJJJDQJJH] • + + $ ' 0 T " ( & ( + ) + "O ( " O • B $ 0 " _ + " $ + / + " " F " ( B + / + ( (` \XffV 2] • B $ 0 " 0 T 2 2 F ( " " F+ / + \Xff 2] • B $ 0 " & ( ) $ \ XffV 2] • B $ $(T ) + " " \ XffX 2] • B $ 0 " & ( ) F " ( + " !c + & \ QJXH 2] • Z + " O L F / • B $ ' ( 0 & Z # F " ( ( 'F / + \XffWDXfff]2

* • -$ ( (C - $ " \XfVQ 2] • (C + / / + \XfVH 2] • (C /G / / + \QJJQ 2] ) • • • • • • • •

+ F 0 \XfVj 2] -$ / + $ \XfVH 2] -$ / - \XfV 2] / - $ " + Z ( " ++ # " \XfVW 2] -$ / - $ " + F " ( \XfVH 2] - $ C ( + / + ( ( \XfWf 2] / c F \QJXJ] + + i • Z ( + " /

• + B & • + / + ' # (C $( - + • + D + + " )2 / + " )2 " + ' ' , $ / (

91

INNOWACYJNE PROJEKTY

Wyzwania Edukacji 4.0 w teorii i praktyce + , & ] & ) ! ! & & ) ! - & & ( ( ^_ @! / $ - & & ! )& ! 5 & ! ! 5 3 )& ! )& !" $ 5 & " 3 ) 5 ! ! ", - , & , )& $ / ) / V& V - ! ! ` * & ! ] & , !)V" q $; ! )& 5 & / &V V * )& 5 7 )& [x { &! ! - / | & \ V& 5 ! & ! ' / @ &! !

+ + & + + + 2 * 2 Z ( ( ( " O$ (C ( " + ( ( # $ , ,K ( ( ( ,K $ O 2

92

P

O

M

I

A

R

( ( # O$ _Z 1 ) Â? ` ( " ( ) (

" C ( $ U2J \ 2 F U2J]2 # ( ( + + C ( " O ( ( ( ( ( Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

$ C +

Â? + " + 2 " C + + T ( ( ( ( ( ( ( + + O C + OC ( C ( $ ( " ( ( 2 " ( ( O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

( ( ' ( L 0 XUQWTfXQH '2 Qj 0 QEQJXf

(K (,+ O$ \ "2 T ] O$ $ OC ( " #2 / $ C + , ( + T ( _ ( ( ' ( ` 0 UEQJXV & C ( _ Z / ® ` 0 jEQJXf ± ( 2 red.]. ( + 2 ($( & ( _L" F1 ` _F + " F1 D B ++ " ) cFL`2 $ XV QJXf 2 ($ & _*+ F + " F1 D B ++ " ) cFL` \*FFBcFL]2 + " O OC ( " C ( ( $ + ( + \ ( i + ( ( ] $ O " ( & ( + ( O ( $ + ,K O$ ( $ U2J2 ( " ( ( # ( ( & ( O$ ( ( ( " C ( + & ( ( _B + ‰ B ++ " * `2 + ( *+ F + " F1 ( $ i *+ F + " F1 D L ( *+ F + " F1 D " ( + ( + _ ( ( ' ( `2 C(K C

( , " 2 ) ( *FFBcFL ( + ( ( C + , ( O$ $ 2 O ( , , ( $ C( \ "2 + ) T+ " + "] ( O ) C + ( + + ( 2 ( + ,+ $ " ) + " C( C " " , C 2 B & ( & (K ( # ( ( 2 2 2 ( $ & , ( $ ( ( + ( $ & O 2 ( ( C C O C ( ( + ( $O + ( 2 B ( (C + C + " " ( O ( + ( ( " &2 + ( ( O + ( ( ( 2 ( ( ( O ( ( ( O ( " & ( ( ( , ( ( ( + ( 2 0 O ,K

( $ , ( O $ # ( O 2 (C " $ + C ) $ O " $ " ) + ( " " $ ( $( ( ( ( & , ( , ,K 2 ³ O $ C K & $ & , & + C " & + ( " ( , ( C & _ ´ ` + $ + , ( ( + 2 B (

C ( + ( + C O$ (C ( O & (K D ( , D " , ,K ( ( ( ( & , $ C( 2 ( ( ( ( (C ( O " (K $ " + ( ( O š O O C ( 2 B ( C + K

( " ( 2 / ( C ( ( ( & ( & ( O š + K +& i + ( ( + ( $O ( T O T bO + + O ( + C( -

. 7 & & = aR . ? !b & 6= < . R $ (+ (!)*

fj

INNOWACYJNE PROJEKTY O ( C + C ( " $ " ) + " $ + ( O T ( ( ( \ ( i ( ( ( ( ] + ( O ( , & ( ( 2 , O ( O ( ( C ( Ki ( O ( ( " ,+ K ( ( + & O ( $ " & ( & $ " ( ( "+& ( O + " ( " O ( ( + ( O 2 , O ( O " ( ( O "& $ + & O & ( ( $ ( ( ( + ( ( " + " " " + + ( + C ( + ( ( ( & + C ( ,K ( " 2 ) ( ( O C " " $ ( C $ # ( O " $ ( + & O $ # O & ( ( $ ( \ O C O ]2

( (C ) ,+ + " ( # + F U2J O ( (K & + ( " _Z 1 ) `2 , O ( # ( i D K ( ( $ + ( µ D 0 + K + $ # $ # + µ D 0 + ( + + (µ D O K ( ( ( + \ + ( ,K + ,K " ) + ]µ D ( " K ( O D ( O µ D ( " K ( O ( O$ + ( ( µ D ( " K ( O O ( + ( , (K ( ( ( µ D (K C ( ( " K O µ D (" K ( ) & + + O O $ T" " µ D K + ( ($( " ( µ

P

O

M

I

A

R

+ ( ( ($( O + + C " ( " 2 " O " ) C & # _Z 1 ) ` + "O$ + (G 2 +

( & ( , + ( " ( 2

QV ( QJXf 2 $ ( _L" 1 ` O ( $ (2 " ( "O+ ( G ( ( i D C $( K ( $ ,K F U2Jµ D C K " \ +

& " -

*FFBcFL ( (+ & + +

fU

] ) ( $ µ D C (" K ( 2 " ( ( ) ( $ µ D C ( ( K $ 2 " ) ( " $ + ( $ U2Jµ ( $( $ + O C ( ( ( " ( O " i ( + (C " & ( + ( 2 $( & + (i D & ("+ K " QJ + µ D & , & & + O+E + " ( O " µ D B + C $ ( K \ , " ] C ( C+ K ( ( µ

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

& 0 P # J . R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

NASZE WYDAWNICTWA

VOLUME 13 N°2 2018 www.jamris.org pISSN 1897-8649 (PRINT) / eISSN 2080-2145 (ONLINE)

Indexed in SCOPUS

www.jamris.org

PAR P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

3/2018 ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Cena 25,00 zł w tym 5% VAT

Technical Sciences Quarterly | * ) +

W numerze:

3 5 15

Od Redakcji

PAR P O M I A RY • A U T O M AT Y K A • R O B O T Y K A

4/2018 ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Cena 25,00 zł w tym 5% VAT

Technical Sciences Quarterly | * ) +

W numerze:

3

Od Redakcji

( ) * O+ #

: ‡ #

! S

' 7[

5

( ! b

Sposób wyboru optymalnej trajektorii lotu manewru antykolizyjnego realizowanego w otoczeniu ruchomych przeszkód

' - $ +

!

!

23

$ ( (# ! " !

33

Patryk Szywalski. Dawid Wajnert

41

( ) / & B !

" ! # <

$

) {

{ { 1 -

$ !

0 ! Q ˆ

' $ ( )

1* ! 23

'

25

31

: {

{ !

#

, { ' # !

# # ]1)

! ! -(" . +

2

$ # \/

Ponadto: Informacje dla Autorów – 69 | ^HHH > $ ! G/ ) & > ` ‚ C " ' ! ^HHH ' ! 73 | ƒ & ! V & $ 76 | ' &V ! & & 5 80 | Nasze wydawnictwa – 84 | ! & / $ 3 > $ & ' & ! 85 | Kalendarium – 86 | „ ( ; # - & ( & 5V 87 | ' ! ,3 < ( ! & & !- & & 93 | ' ! ,3 < G + †?* †@ $†( $ ‡ # &! )& ) & & 5 ) & & 5 + ƒ+ 94 | ' ! ,3 < ! ^ { & '& - !! '?† ‡†| ! ƒY ( )& 95 | ! 5& - 96

i Informacje dla Autorów – 61 | PP-RAI 2018 – Pierwszy Zjazd Polskiego Porozumienia na Rzecz Rozwoju Sztucznej Inteligencji – 65 | Awans naukowy – & / $ 3 ' " @ / 69 | Nasze wydawnictwa – 70 | Kalendarium – 71 | 17th ^| G @ & !/ ) G & )) ! - C) 72 | Konferencja Roboty Medyczne 2018 – 75 | Universities of the Future – 76 | (" ^ U 78

www.par.pl

www.automatykaonline.pl/automatyka

95

NASZE MONOGRAFIE

www.piap.pl

96

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

N R 2/ 20 1 9

Nowe Studia Podyplomowe na Wydziale Mechatroniki

TRANSFORMACJA PRZEMYSŁOWA 4.0 Początek zajęć w październiku, w roku akademickim 2019/2020, zgłoszenia:

do 30 września 2019 Więcej informacji na stronie Rekrutacja na Studia na stronie

http://iair.mchtr.pw.edu.pl/studia https://rekrutacja.pw.edu.pl/pdp

CO GWARANTUJĄ? Wiedzę oraz kompetencje do rozwiązywania problemów przejścia od etapu zautomatyzowanej i zrobotyzowanej produkcji, charakteryzującej się liniową strukturą wytwarzania produktów, do etapu cyfryzacji i mechatronizacji produktów i produkcji o rozproszonej strukturze, produkcji zinformatyzowanej i zinternetyzowanej, na współczesnym i przewidywanym poziomie rozwoju tych technik, czyli przejścia do etapu Przemysłu 4.0. DLA KOGO? Dla absolwentów studiów wyższych I lub II stopnia na kierunkach technicznych, ekonomicznych lub menedżerskich. Wskazane, ale nie absolutnie obowiązujące, jest doświadczenie zawodowe z zakresu racjonalizacji technicznej lub zarządzania przemysłowymi procesami produkcyjnymi. Słuchaczem może być także osoba mająca profesjonalny kontakt z tymi dziedzinami, choć niekoniecznie formalnie wykształcona we wskazanych kierunkach studiów. DO KOGO KIEROWANE? Przede wszystkim do menedżerów zarówno małych, jak i dużych firm i ich oddziałów, bez względu na specyfikę produktową oraz do kierowników i pracowników zespołów projektujących cały cykl życia scyfryzowanych produktów lub wybranych etapów ich życia w łańcuchu PLM (Product Lifecycle Management), rozpoczynając od podania koncepcji i dokumentacji wirtualnej, decyzji o podjęciu produkcji, przejścia do środowiska realnego, opracowania wspomaganej komputerowo produkcji, montażu i logistyki, kontroli eksploatacji aż do sterowanego recyklingu.

KTO WSPOMAGA? Studia są wspomagane przez firmy przemysłowe o znaczeniu wykraczającym poza rynek europejski – są to holdingi Festo, Grupa Bosch-Rexroth, Fanuc, Balluf i Siemens. Wyraża się to w korzystaniu z ich zasobów programowych i sprzętowych oraz z udziału doświadczonych praktyków firmowych w prowadzonych na Studiach zajęciach wykładowych i laboratoryjnych. Planowane są także wyjazdy studialne, krajowe i zagraniczne, w tym 6-dniowy wyjazd studialny (Polska, Niemcy) oraz wyjazd na Leitmesse fuer Intelligente Automation und Robotik w Monachium. JAK PRZEBIEGAJĄ ZAJĘCIA? Jeden rok akademicki, dwa semestry, dziewięć zjazdów piątkowo-sobotnio-niedzielnych raz w miesiącu i dwa wyjazdy studialne – łącznie 250 godzin zajęć oraz praca końcowa przewidziana na 40 godzin. Zaliczenie studiów – na podstawie egzaminów z przedmiotów wykładowych i zaliczeń z pozostałych przedmiotów oraz obrony pracy końcowej. Dokumentem potwierdzającym ukończenie Studiów jest Świadectwo wydane przez Politechnikę Warszawską.

Adres i zgłoszenia: Instytut Automatyki i Robotyki na Wydziale Mechatroniki ul. św. A. Boboli 8, 02-525 Warszawa Elżbieta Boniecka, p. 253 tel. 22 234 85 55 fax 22 849 03 98 iair.podyplom@pw.edu.pl

GŁÓWNE TEMATY ZAJĘĆ: • Ewolucja technik wytwarzania produktów i środków ich produkcji • Platforma Przemysłu 4.0 • Automatyzacja i robotyzacja produkcji • Mechatronizacja, informatyzacja i internetyzacja produktu • Zadania zmechatronizowanego produktu w procesie produkcji i eksploatacji – Internet Rzeczy • Cyberbezpieczeństwo przemysłowych systemów informacyjnych • Standardy komunikacyjne automatyki przemysłowej • Polski przemysł przyszłości • Przykłady transformacji przemysłowej 4.0

45

+ ( + ( $ #

53

Agnieszka Chodorek, Robert R. Chodorek

61

+

69

: ! #

! !

-

#

komunikacji IoT

7 + S

8 + :)9 $ " ( ' # $ ! "

- 7 � 6 1-*ˆ+

Turn static files into dynamic content formats.

Create a flipbook
Issuu converts static files into: digital portfolios, online yearbooks, online catalogs, digital photo albums and more. Sign up and create your flipbook.