Pomiary Automatyka Robotyka 4/2020

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

4/2020 ISSN 1427-9126 Indeks 339512

Cena 25,00 zł w tym 8% VAT

Technical Sciences Quarterly | 3

W numerze:

3

Od Redakcji

5

11

! " # $ % &'(

19

! " # $ % & ) ) * + , & * + *

27

' ( ) " ( * &+ " )

41

' * ,!+%-./ 0 1 2

) - . Informacje dla Autorów – 95 |

97 |

98

Rada Naukowa Rok 24 (2020) Nr 4(238) ISSN 1427-9126, Indeks 339512

Redaktor naczelny > &

4 -?> &

4 )(

"/ 6 3 O + @ + A - A -

) A- L# "/ + Z- [

\ - ]F ! ^ "/

7 M- D A- M- + ) A- , _ "/ &8 ,/ 9 "

G - * A- Z- [

O A - ] ! ^

-?> $ @ + & > ( ! A B + > $ - -?> & B + - C - > * B + > & B

!8 8 Z- [

@ + - ]G + ^

Korekta

"/ : 3/ 0 8 G Z- ` - [ ]Z - ^

-?> $ - !

5 ( 1 D

Druk E - * " F >

> > G HJJ >

Wydawca

"/ 5 ( 0 F K @ L B ) + M- O + ) + # )MO) (

"/ ! '/ 0 Z - ) & +> > (> )

"/ 6/ ) A- M-

)

]) ^ "/ 6 ` - Z- [ ]F ! ^ "/ 3 ( G O + F K + ( , */ Z- [

) ] ! ^

F K @ L B ) + M- O + P) + # )MO) O > $ + QJQ JQ'TUV (

Kontakt

"/ 6 ; ( _ - ) A- @ "/ + 3/ ; 8 8 M-

- F - ]" ! ^

" ! - - ' A- -

) + O + " O > $ + QJQ JQ'TUV ( > QQ UWT JX TV - Y > > >

"/ 5 ' a`[ [ ) A- b G - Z- [ ]Z - ^

Pomiary Automatyka Robotyka ! + + - ' A- - + - + -

-

XggW > ) XU

!

+ - > O - - -

- - - !_ - - P - - A

- ' A

+ - ! + + >

"/ 6 5 - Z- [ ] - ^

- - ' A- - ) + O + " ! - - P A

@O *D f

F A

MG Dh )D"GM ZF ]M i

QJXg. WT QH^ P ? P - A -? A A + - - A O"MOG*O> ) _ !_

! ! G - + - - -

P - - ' A- - + ) + O + " > ( !_ -_ ] - !-_^ ! ! >

) - ! G F( ! - - ) + O + "

-

- QJ > ] + - A - - A + # - - ! + - A - jX QJXg > > QWgJQ^> ) - - -

' + A- - >

- ! - + - + )

F - ) + # O +

P " ) `F)O" B - ! _ ! - K - ' A- -_

+ + + # - !_ ! ) + - A

- ! A MlO Ml" M D >

"/ & ( M-? - _ - ( ? F D

_ - (

"/ 5 c Z- [ ]( @ - ^ "/ < 5 ( M-? - ) ! ` ) A- + 5 O*@ B M- O F + * A- @ + - + f

]G + ^ "/ & = ( A - - * A- - ) A- , _ "/ ' >8 F [ O +

F - ]F ! ^ "/ 0 " M- M- + O + " ) A-

( "/ < <( " M* Z- [ - ]O ^

( - - ) + O + " B - E- - - P + A

+ gJWC)' ZGCQJXg # - G F - ( ?

- - A -

- K A- !_ _ - >

"/ & / , a [ ) A- b G - Z- [ ]Z - ^

) + O + " MFFG XTQW'gXQV "> QT G TCQJQJ

3

Od Redakcji

5

[ " - - - -

Z- A D - + - @

- i + -

11

l * - * - F + @

- ! [ + -

19

! " # $ % &'( ! " # $ % & M+ + - !

+ - +

- + -

27

) ) * + , & * + * ' ( ) " ( * &+ ) +

` - '* + O A [ -

"

- A Dm +

A "D

) !

41

" ) '

* ,!+%-./ 0 1

O iM 'Xg - + >

A [ [ - - - -

47

- $ - G Z - ' " & 2 ! * 4 " 5 6 ) - - - + ! - D- - A #

- A

57

` A O > " A A M A [ A 7 * + + 8 9 7 7 ! - - + _ + - - A -

- + - A _ & + A

61

+ - ` A ( $ ) A 7 1 ) / * 1: ;/ 7 1 < Z- -

+ - - A ` - " - A >

) Q> Z- - @ -

A " - F A '` - A

p i

X

F)MF *"D, M

73

- F 5 1 = ( ) ! O-

A M- -

F ) - M * F +

81

) ( ' ( " ( ) " * +

A ` 'l F - ) - A F

A M- -

O+ - * + - M- [ )A

85

) 7 )

- * A-

- - O + - F +

.>

! " 5 )

.?

' =

( - + !-

.@ B

) * F -

Q

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 4/ 20 20

"D O $M

Drodzy Czytelnicy, $ ?

- ! - ! + -

&

- + - ! > M

- !

- + > (

+ - ! -

- > O

- iM 'Xg B - -

-

-

+> -> - - K A -

-

- -

- - - > + -

- ? -

! + _ - + _ ?

+ -

_ - >

#

- & _ B !

!_ - + + + - +> ( -

+ # - - # + - # +

- - + !

- - > - - - A ? - A

? A + > O - - -_ > ) - _ ?_

- + - > * + + - - ! +

! + - - ! - # > # - K + ]- + K^

- > ) - ! + ! - A # - A> G

K + - K - - B ? ) & - ! + >

+ ) & + # - ? + -_ + _ B XH QJQJ > +

-

+ ! !

! #

O)'" -?> * F - > F + +- - +

> > ( + - ( B F @ ! L B ) +

M-

O + ) + # )MO) ( B _

+

- !-

- + >

Redaktor naczelny kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka > A > -?> &

3

4

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 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 5–9, DOI: 10.14313/PAR_238/5

+ -" . & / & " ! " # $ % &

0 6" . $ 8 " ; $ < = > $ # " ? @ + / $ A **B*($ E!F( 6" . $ 0

W pracy rozpatrywany jest problem wykrywania nieautoryzowanego poboru energii z sieci elektrycznej przez identyfikacjÄ™ podĹ‚Ä…czonych urzÄ…dzeĹ„. Estymacja stanu sieci, rozumianej jako zbiĂłr podpiÄ™tych ukĹ‚adĂłw, wraz z ustalonÄ… listÄ… urzÄ…dzeĹ„ dopuszczonych, pozwala okreĹ›lić, czy w danej chwili ma miejsce pobĂłr nieautoryzowany. W celu wykrywania urzÄ…dzeĹ„, proponuje siÄ™ wykorzystać prostÄ… metodÄ™ opartÄ… na analizie wysokoczÄ™stotliwoĹ›ciowego szumu elektromagnetycznego (EMI) indukowanego w sygnale napiÄ™cia zasilajÄ…cego. RozwiÄ…zanie to pozwala na centralny pomiar, w jednym miejscu – bez koniecznoĹ›ci instalacji czujnikĂłw w licznych punktach potencjalnego poboru prÄ…du. BazujÄ…c na danych pomiarowych sygnaĹ‚u EMI, zrealizowano symulator syntezujÄ…cy dane przypominajÄ…ce rzeczywiste spektrogramy. DziÄ™ki zastosowaniu symulatora moĹźliwe jest uzyskanie informacji o stanie sieci w róşnych konfiguracjach w celu przeprowadzenia procedury projektowania detektora z uĹźyciem uczenia pod nadzorem, co rĂłwnieĹź jest prezentowane w pracy. 5( J $ / -G $ -" .

1. Wprowadzenie Problem wykrywania oraz rozpoznawania urządzeń podłączonych do sieci elektrycznej jest istotnym elementem takich zadań inşynierskich, jak bezinwazyjny pomiar prądu [4], rozpoznawanie aktywności, czy wykrywanie naduşyć. Aby przypisać zuşycie energii do danego odbiornika, potrzebna jest informacja, kiedy urządzenie zostało włączone lub zmieniło tryb pracy. Zasadniczym zagadnieniem poruszanym w tej pracy jest wykrywanie naduşyć, jednak metody pomiaru i analizy danych mogą mieć zastosowanie równieş w innych wymienionych zadaniach. Nieautoryzowany pobór energii elektrycznej powoduje straty finansowe właścicieli obiektu. Wykrycie kradzieşy moşe istotnie ograniczyć wydatki, w szczególności w skali przemysłowej. Dodatkowo ze względu na przepisy przeciwpoşarowe, w niektórych budynkach podłączanie urządzeń elektrycznych powinno być ograniczone. Przykładowo, w Schronisku �Murowaniec� znajdującym się w Tatrzańskim Parku Narodowym, podłącza-

nie urządzeń elektrycznych moşliwe jest jedynie w wyznaczonym miejscu, a ponadto istnieją ograniczenia co do rodzaju sprzętu. Podłączanie urządzeń o wysokim ryzyku wywołania poşaru, takich jak grzałki, jest całkowicie zabronione. W pracy zweryfikowano rozwiązanie oparte na pomiarze wysokoczęstotliwościowego szumu w sygnale napięcia wraz z systemem decyzyjnym wyuczonym na symulatorze. Symulator zaprojektowano na podstawie uzyskanych danych pomiarowych tak, aby wiernie oddawał wpływ pracy urządzenia elektrycznego na napięcie zasilania. System decyzyjny przetestowano zarówno na danych z symulacji, jak i na pomiarach rzeczywistych zebranych w lokalu mieszkalnym. Zasadnicza część pracy podzielona została następująco: w rozdziale drugim opisano przedstawione w literaturze metody związane z wykrywaniem oraz rozpoznawaniem urządzeń podpiętych do sieci, w rozdziale trzecim przedstawiono zaproponowaną metodę wykrywania naduşyć, zaś w rozdziale czwartym przedstawiono uzyskane wyniki. W ostatnim rozdziale podsumowano efekty pracy oraz wskazano dalsze kierunki badań.

3 J

" # $ " % & "

L/ 5

3 ( " !' !' (!(! $ " " () ** (!(!

Metody wykrywania i rozpoznawania podpiÄ™tych do sieci urzÄ…dzeĹ„ elektrycznych, moĹźna podzielić ze wzglÄ™du na sposĂłb pomiaru oraz rodzaj mierzonego sygnaĹ‚u. Rozróşnia siÄ™ metody oparte na pomiarze rozproszonym lub jednopunktowym. Pomiar rozproszony polega na instalacji czujnikĂłw

!

5

" - - _ & - - -

- - ! - + -

nadaje siÄ™ do wykrywania momentĂłw wĹ‚Ä…czenia lub wyĹ‚Ä…czenia okreĹ›lonego typu urzÄ…dzenia. Blisko zwiÄ…zana z omawianÄ… problematykÄ… jest metoda zaproponowana przez UbiComp Labs [1], polegajÄ…ca na pomiarze i analizie wysokoczÄ™stotliwoĹ›ciowego szumu elektromagnetycznego w sygnale napiÄ™cia. Wykorzystuje siÄ™ tu fakt, Ĺźe wiele nowoczesnych odbiornikĂłw ma energooszczÄ™dne zasilacze pulsacyjne. Zasilacze te z uwagi na swojÄ… specyficznÄ… zasadÄ™ pracy, wprowadzajÄ… do sieci elektrycznej mocno charakterystyczny szum wysokoczÄ™stotliwoĹ›ciowy. Dwa róşne urzÄ…dzenia, nawet tego samego typu, wprowadzajÄ… na tyle odmienny szum, Ĺźe moĹźliwe jest ich rozróşnienie po przeanalizowaniu widma sygnaĹ‚u napiÄ™cia, a takĹźe trybu pracy konkretnego urzÄ…dzenia [2]. Podobnie jak zasilacze pulsacyjne, takĹźe silniki prÄ…du zmiennego wprowadzajÄ… unikatowy dla danego urzÄ…dzenia szum. Zatem odbiorniki tego rodzaju moĹźna wykrywać przy uĹźyciu tej samej metody. Wnoszony szum moĹźna wykryć nawet bez dedykowanego ukĹ‚adu pomiarowego, jeĹźeli tylko dostÄ™pny jest wzmacniacz i gĹ‚oĹ›niki o duĹźej mocy. Po odpowiednim zwiÄ™kszeniu wzmocnienia takiego sygnaĹ‚u, Ĺ‚atwo moĹźna usĹ‚yszeć szum trwajÄ…cy w czasie podĹ‚Ä…czenia (podpiÄ™cia) Ĺ‚adowarki do laptopa lub innego aparatu z zasilaczem impulsowym do gniazdka sieci. Po odĹ‚Ä…czeniu urzÄ…dzenia, szum siÄ™ wyraĹşnie zmniejsza. Takie wĹ‚aĹ›nie rozwiÄ…zanie bÄ™dzie zastosowane w dalszej części pracy jako podstawowe przy wykrywaniu nieautoryzowanego poboru energii elektrycznej.

M/ ' Oczywiście trudno jest zapewnić warunki badań, w których nie następuje włączenie urządzenia bez wiedzy eksperymentatora. Z tego względu, na tym etapie badań zdecydowano, aby mierzyć szum generowany przez zestaw urządzeń testowych, z pełną wiedzą odnośnie czasu ich pracy, zaś następnie przygotować symulację umoşliwiającą uwzględnienie rozmaitych scenariuszy. Umoşliwiono między innymi dobór zakresu częstotliwości, w którym mieszczą się szumy urządzenia, oraz zmianę tego zakresu w trakcie pracy – ciągłą, jak w przypadku urządzeń z silnikami prądu zmiennego, lub skokową, co jest typowe dla niektórych urządzeń elektronicznych. W ten sposób moşna dowolnie zmieniać charakterystykę wirtualnych urządzeń, które moşna teş swobodnie włączać i wyłączać. Dzięki temu uzyskano w pełni oznaczone dane, zblişające warunki badania do sytuacji rzeczywistej i pozwalające na szerszą ocenę jakości proponowanej metody analizy diagnostycznej, której ogólny schemat przedstawiono na rys. 2.

Rys. 1. Widmo szumu przejĹ›ciowego monitora LCD (gĂłra) oraz telewizora (dół). DuĹźa róşnica w szumie przejĹ›ciowym pozwala na okreĹ›lenie, ktĂłre urzÄ…dzenie zostaĹ‚o wĹ‚Ä…czone Fig. 1. Spectrum of the transient noise of the LCD monitor (top) and the TV set (bottom). The big difference in the transient noise allows determining which device was switched on

przy kaşdym odbiorniku z osobna lub przy listwie łączącej niewielką liczbę urządzeń. Rozwiązanie to pozwala na określenie stanu sieci z duşą dokładnością, jednak wymaga duşej liczby czujników i znacznej ingerencji w instalację elektryczną. Z tego powodu rozwinięto metody wykorzystujące pomiar jednopunktowy, które pozwalają na pomiar bezinwazyjny, tj. bez istotnej modyfikacji instalacji elektrycznej. Klasyfikacja ze względu na rodzaj mierzonego sygnału uwzględnia metody oparte na pomiarze napięcia lub prądu, a takşe rozwiązania, w których analizowane są szumy przejściowe [3] (rys. 1) lub ciągłe [1] (rys. 4). Wykonywany równolegle pomiar napięcia moşe być dokonany bezinwazyjnie, natomiast (szeregowy) pomiar prądu wymaga ingerencji w sieć lub zastosowanie czujników opartych na efekcie Halla. W zaleşności od typu, podłączane urządzenia generują szum przejściowy, związany na przykład z przełącznikami mechanicznymi, lub szum ciągły, pochodzący na przykład z pracy silników AC lub zasilaczy pulsacyjnych. Naleşy zaznaczyć, şe rozwiązania oparte na analizie szumu przejściowego oraz ciągłego są raczej metodami komplementarnymi, a nie konkurencyjnymi, poniewaş z góry trudno ocenić, która z nich lepiej

6

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Rys. 2. Schemat badania oraz weryfikacji metody wykrywania urządzeń elektrycznych (na podstawie pomiarów) Fig. 2. Scheme of testing and verification of the method of detecting electrical devices (based on measurements)

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

M/-/ P ( % Według polskich standardów, napięcie sygnału elektrycznego sieci cechuje amplituda 230 V i częstotliwość 50 Hz. Dopuszczalny zakres mierzonego sygnału napięcia powszechnie dostępnych przetworników analogowo-cyfrowych (ADC) mieści się w granicy od kilku do kilkudziesięciu woltów. Z tego względu zastosowano analogowy filtr górnoprzepustowy przepuszczający składowe powyşej około 1 kHz, usuwając główną składową sygnału napięcia i jej harmoniczne oraz otrzymując na wyjściu sygnał o amplitudzie dopasowanej do zakresu przetwornika ADC. Odfiltrowanie wszystkich składowych sygnału ponişej 1 kHz nie zmniejsza skuteczności przyjętego rozwiązania, gdyş zasilacze impulsowe oraz silniki prądu zmiennego wprowadzają charakterystyczny szum na wyşszych częstotliwościach. W prezentowanej implementacji, tak zmodyfikowany sygnał napięciowy podawany jest na wejście 12-bitowego przetwornika ADC, działającego z częstotliwością 2 milionów próbek na sekundę. Następnie skonwertowany i przesłany do komputera sygnał podlega analizie FFT odcinkami o szerokości 2048 próbek, prowadząc do wygenerowania kolejnych ramek widma. Odcinki tworzone były z 2% nakładaniem się, tj. ze skokiem co 1536 próbek. Zbierany spektrogram sygnału jest dalej wygładzany w czasie na kaşdej z częstotliwości z osobna (filtracja na rys. 2). Wygładzanie spektrogramu oparto na filtracji medianowej z oknem 20 ramek widmowych. Schemat takiego przetwarzania przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Schemat systemu pomiarowo-diagnostycznego Fig. 3. Diagram of the measurement and diagnostic system

M/L/ 5 Po zmontowaniu urządzenia pomiarowo-diagnostycznego i zebraniu pomiarów przy kontrolowanym włączaniu i wyłączaniu urządzeń testowych, uzyskano obserwacje dotyczące charakterystyki szumu EMI. W zaleşności od rodzaju urządzenia, generowany szum moşe zajmować to samo pasmo częstotliwości przez cały czas pracy urządzenia. Moşe teş – w pewnych trybach pracy – podlegać ciągłym i powolnym zmianom (jak w przypadku odkurzacza i innych urządzeń z silnikami AC), albo zmianom skokowym (jak to się dzieje w przypadku konsoli PlayStation 3). Mając na uwadze powyşsze obserwacje, zrealizowano symulator przebiegu widma sygnału zasilania analizowanego układu (przykładowy wynik zilustrowano na rys. 4).

Rys. 4. Przykładowy spektrogram wygenerowany w symulatorze. Na rysunku zaznaczono przykładową paczkę pomiarową, na podstawie której wykrywane i rozpoznawane są urządzenia Fig. 4. Sample spectrogram generated in the simulator. The figure shows an example of a measuring package based on which devices are detected and recognised

Proces generowania przebiegu widma polega na losowaniu urządzeń oraz ich parametrów. Następnie w kaşdym kroku losowane są zdarzenia włączenia i wyłączenia poszczególnych urządzeń oraz zmiany trybu pracy. W celu przyblişenia warunków rzeczywistych, kaşde z urządzeń działa z nałoşonym z góry, minimalnym czasem pracy w danym trybie. Uşytkownik przed rozpoczęciem syntezy spektrogramu moşe określić liczbę i typ urządzeń oraz czas trwania. Historia zmian stanów urządzeń jest przechowywana w pamięci systemu, co ułatwia automatyczny pomiar skuteczności metod detekcji oraz rozpoznawania urządzeń.

M/M/ <

W projekcie zaĹ‚oĹźono brak informacji o zestawie podĹ‚Ä…czanych urzÄ…dzeĹ„. Z tego wzglÄ™du, w przyjÄ™tym rozwiÄ…zaniu najpierw wykrywane jest podpiÄ™cie, bÄ…dĹş odĹ‚Ä…czenie urzÄ…dzenia a nastÄ™pnie analiza zmiany w celu ustalenia toĹźsamoĹ›ci urzÄ…dzenia. Wykrywanie urzÄ…dzeĹ„ polega na przetworzeniu widmowej paczki pomiarowej (rys. 4), zĹ‚oĹźonej z 45 kolejnych ramek widma (odpowiadajÄ…ce mniej wiÄ™cej 0,1 sekundy mierzonego sygnaĹ‚u napiÄ™cia), przez zaprojektowanÄ… splotowÄ… sieć neuronowÄ…. Rozpoznanie urzÄ…dzenia polega na (komparatywnym) wykrywaniu czÄ™stotliwoĹ›ci, na ktĂłrych nastÄ…piĹ‚a istotna zmiana. NaleĹźy zauwaĹźyć, Ĺźe Ĺźadne dotrenowanie sieci neuronowej dla nowych urzÄ…dzeĹ„ nie jest wymagane, gdyĹź jej wyjĹ›cie determinuje wĹ‚Ä…czenie lub wyĹ‚Ä…czenie okreĹ›lonego urzÄ…dzenia (zaĹ› klasyfikacja przeprowadzona jest bez nadzoru). Zastosowana w procesie wykrywania sieć neuronowa zbudowana jest z dwĂłch warstw splotowych z 16 filtrami i wymiarem filtra 3 Ă— 7 (odpowiednio dla wymiaru czasu i czÄ™stotliwoĹ›ci) oraz warstwy w peĹ‚ni poĹ‚Ä…czonej o 128 neuronach. WyjĹ›cie sieci sĹ‚uĹźy klasyfikacji obecnego okna pomiarowego do jednej z trzech kategorii: (1) wĹ‚Ä…czenia bÄ…dĹş (2) wyĹ‚Ä…czenia urzÄ…dzenia lub (3) braku zmiany stanu sieci elektrycznej. Z uwagi na zastosowanie przesuwajÄ…cego siÄ™ okna pomiarowego, zachodzi niebezpieczeĹ„stwo wielokrotnego wykrywania tego samego zdarzenia. Z tego wzglÄ™du, wĹ‚Ä…czenie i wyĹ‚Ä…czenie urzÄ…dzenia jest sygnalizowane jedynie w sytuacji, gdy zachodzi w chwili odpowiadajÄ…cej Ĺ›rodkowej ramce widma z okna pomiarowego (dla 45 ramek w paczce pomiarowej, jest to 23 ramka widma, przypadajÄ…ca na poĹ‚owÄ™ czasu potrzebnego do zebrania peĹ‚nego okna). Przy minimalnym przesuniÄ™ciu, nie nastÄ…pi wykrycie zmiany. Jako alternatywne rozwiÄ…zanie moĹźna zastosować rĂłwnieĹź inne metody, np. typu non-maximum suppression [8]. We wszystkich warstwach wykorzystano funkcjÄ™ aktywacji Relu. Schemat architektury, zaimplementowanej z uĹźyciem biblioteki Jax, przedstawiono na rys. 5. Do optymalizacji parametrĂłw sieci zastosowano algorytm ADAM [5] z domyĹ›lnymi ustawieniami. W celu wyuczenia sieci neuronowej, ze zbioru wygenerowanych w symulatorze spektrogramĂłw, wyodrÄ™bniono okna pomiarĂłw, kaĹźde zĹ‚oĹźone z 45 kolejnych ramek widma, przypadajÄ…ce na kaĹźde z trzech moĹźliwych zdarzeĹ„. Uczenie sieci trwaĹ‚o 10 tysiÄ™cy iteracji, przy czym w kaĹźdej z nich parametry sieci uaktualniano na podstawie 32 przypadkĂłw, podzielonych na poszczegĂłlne kategorie1. JeĹ›li dana paczka pomiarowa zostanie pozytywnie sklasyfikowana przez sieć neuronowÄ… (jako jeden ze zdefiniowanych przypadkĂłw okreĹ›lajÄ…cych zmianÄ™ stanu urzÄ…dzenia), obliczana jest róşnica miÄ™dzy drugÄ… a pierwszÄ… poĹ‚owÄ… analizowanego *

Realizowane jest tu wsadowe przetwarzanie danych w postaci 32 przykładów, równolegle przepuszczanych przez siec, zaś na ich podstawie obliczany jest gradient funkcji kosztu względem parametrów sieci, który jest niezbędny do aktualizacji parametrów.

7

" - - _ & - - -

- - ! - + -

Rys. 5. Architektura wykorzystanej sieci neuronowej: Conv 2d oznacza dwuwymiarową warstwę splotową, zaś FC – warstwę w pełni połączoną o podanej liczbie neuronów Fig. 5. Architecture of the neural network used: Conv 2d means a two-dimensional convolution layer, and FC – a fully connected layer with a given number of neurons

spektrum (dla kaşdej częstotliwości z osobna). Następnie przez progowanie, wyodrębniany jest zbiór częstotliwości (na których zachodzi istotna zmiana), charakteryzujących dane urządzenie. Zatem albo zbiór ten przypisywany jest do nowego urządzenia, albo pozwala zidentyfikować urządzenie istniejące w bazie danych systemu. W przypadku zebranych danych dla sześciu urządzeń, metoda ta pozwoliła bezbłędnie zidentyfikować wszystkie urządzenia. W celu wykrycia nieautoryzowanego poboru, wydaje się, şe istnieją co najmniej dwie moşliwości. Pierwsza wymagałaby rejestracji kaşdego autoryzowanego urządzenia i wpisywania do bazy. Druga metoda polegałaby na rejestracji urządzeń przez pewien okres testowy, w którym zakładamy, şe nie ma poboru nieautoryzowanego. Gdy podłączy się „obce� urządzenie, które nie zostało zarejestrowane w okresie testowym, zasygnalizowany zostanie nieautoryzowany pobór.

urządzeń elektrycznych działających w analizowanej sieci. W sytuacji, kiedy miejsce pomiaru napięcia będzie oddzielone transformatorem od punktu podpięcia urządzenia, szum wysokoczęstotliwościowy moşe być znacznie wytłumiony – co z kolei moşe utrudnić lub uniemoşliwić wykrycie (podłączenia/ odłączenia) urządzeń w przyjętej metodzie. Z tego względu, poşądanym kierunkiem dalszych badań powinno być uwraşliwienie metody na sygnały o stosunkowo niskiej częstotliwości (do kilkudziesięciu kHz). Architektura sieci została tak dobrana, aby umoşliwić pracę w czasie rzeczywistym na standardowym mikroprocesorze. Naleşy zaznaczyć, şe istnieje moşliwość zastosowania bardziej złoşonej architektury sieci neuronowej. Mogłoby to przełoşyć się na poprawę dokładności detekcji zdarzeń nieautoryzowanego poboru energii elektrycznej. Odpowiednią wydajność wnioskowania sieci moşna by teş uzyskać innymi metodami proponowanymi w literaturze na temat uczenia maszynowego, takimi jak restrukturalizacja przez usuwanie niepotrzebnych wag (ang. pruning) [6] lub wnioskowanie z uşyciem uproszczonych/skwantowanych reprezentacji danych [7], na przykład float 16 albo int 8, zamiast formatu domyślnego, jakim jest float 32.

Q/ < Wyuczony model przetestowano na innych zsyntezowanych w symulatorze przebiegach (nieznajdujących się w zbiorze uczącym), jak równieş danych pomiarowych. Dokładność wykrywania momentu włączenia i wyłączenia wyniosła odpowiednio 91% oraz 72% dla danych syntetycznych i rzeczywistych. W trakcie pomiarów uşyto sześciu urządzeń testowych, tj. obwodów światła w pokoju i w korytarzu, telewizora, monitora, konsoli PlayStation 3 oraz odkurzacza. Oznaczono 40 zmian stanu włączenia urządzenia (ON/włączenie bądź OFF/wyłączenie) i na podstawie tych danych sprawdzono skuteczność działania sieci neuronowej. Wyniki symulacyjne moşna było uśrednić korzystając z wygenerowanych 1000 przypadków. Naleşy zaznaczyć, şe architekturę sieci opracowano i proces jej uczenia przeprowadzono na podstawie danych z symulatora, bez uşycia danych rzeczywistych – zgodnie z zasadą uczenia maszynowego, która sugeruje, aby testować model na innym zbiorze danych niş zbiór danych uczących (kształtujących model). Dlatego naleşy oczekiwać, şe otrzymany wynik powinien się potwierdzić w nowych eksperymentach rzeczywistych (równieş będących spoza zbioru testowego). Jednakowoş gorsze wyniki predykcji przy danych rzeczywistych świadczą o potrzebie kontynuacji prac dotyczących lepszego dopasowania syntetycznych charakterystyk szumowych do urządzeń i pomiarów rzeczywistych.

# " 1. Gupta S., Reynolds M.S., Patel S.N., ElectriSense: Single-Point Sensing Using EMI for Electrical Event Detection and Classification in the Home. [in:] Proceedings of the 12th ACM International Conference on Ubiquitous Computing, 2010, 139–148. 2. Chen K.Y., Gupta S., Larson E.C., Patel S., DOSE: Detecting user-driven operating states of electronic devices from a single sensing point. [in:]: Proceedings of the IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications, 2015, 46–54, DOI: 10.1109/PERCOM.2015.7146508. 3. Patel S.N., Robertson T., Kientz J.A., Reynolds M.S., Abowd G.D., At the Flick of a Switch: Detecting and Classifying Unique Electrical Events on the Residential Power Line. [in:] Proceedings of the 9th International Conference on Ubiquitous Computing, 2007, 271–278, DOI: 10.1007/978-3-540-74853-3_16. 4. Zeifman M., Roth K., Non-Intrusive Appliance Load Monitoring: Review and Outlook. [in:] IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. 57, No. 1, 2011, 76–84, DOI: 10.1109/TCE.2011.5735484. 5. Kingma D.P., Ba J., Adam: A Method for Stochastic Optimization. [in:] arXiv e-prints, 2014. 6. Molchanov P., Tyree S., Karras T., Aila T., Kautz J., Pruning Convolutional Neural Networks for Resource Efficient Inference. [in:] arXiv e-prints, 2016. 7. Guo Y., A Survey on Methods and Theories of Quantized Neural Networks. [in:] arXiv e-prints, 2018. 8. Neuback A., Van Gool L., Efficient Non-Maximum Suppression. [in:]: Proceedings of the 18th International Conference on Pattern Recognition, 2006, DOI: 10.1109/ICPR.2006.479.

S/ '

W pracy przedstawiono rozwiązanie umoşliwiające wykrywanie nieautoryzowanego poboru energii elektrycznej. Wpływ urządzeń na wysokoczęstotliwościowy szum w sygnale napięcia został zamodelowany, po czym zrealizowany został symulator, na podstawie którego moşna było dobrać metody wykrywania i rozpoznawania urządzeń. Rozwiązanie zostało przetestowane na danych z symulacji jak i rzeczywistych, pomierzonych w sieci elektrycznej mieszkania. Przyjęte rozwiązanie wykorzystuje szumową charakterystykę wysokoczęstotliwościową, której źródłem są zasilacze

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

NR 4/ 20 20

@ + & " @ > " ; L " M & N () The paper examines the problem of detecting unauthorized energy consumption from the electric network by identifying connected devices. The estimation of the network condition, understood as a set of connected systems, together with a set list of approved devices, allows to determine whether an unauthorized consumption is taking place at a given moment. In order to detect devices, it is proposed to use a simple method based on the analysis of high-frequency electromagnetic noise (EMI) induced in the supply voltage signal. This solution allows for central measurement in one place – without the need to install sensors in numerous points of potential current consumption. Based on the measurement data of the EMI signal, a simulator was implemented that synthesized data resembling actual spectrograms. Thanks to the use of the simulator, it is possible to obtain information about the state of the network in various configurations in order to carry out the detector design procedure using supervised learning, which is also presented in the paper. KeywordsJ K " " $ F " &$ "

' * )' ' ! " #

' % &

" % & " ORCID: 0000-0001-9174-546X

& & % & " ORCID: 0000-0002-6708-6756

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

H/ 8 " ; $ < F = > 0 6" .F " & . (!*I " H + / F # " ? @ + / 8 " ;<= J/ F " " @ & 8 " ; $ < = > 0 6" . 8 > F J > H - $ ? F " & " ? / ?

9

NR 3/2015

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

NR 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 11–18, DOI: 10.14313/PAR_238/11

J" " & / - + ) " , -

" < & $ 8 " ; $ & I$ I!F * $

Model matematyczny jest uproszczonym odwzorowaniem pewnych zjawisk, które uwzględnia jedynie cechy istotne. W dzisiejszych czasach coraz większym problemem stają się przeciąşone infrastruktury drogowe, szczególnie w większych ośrodkach miejskich. Problem ten moşna w pewnym stopniu zredukować, stosując zaawansowane algorytmy sterowania. W niniejszym artykule podjęto próbę sterowania przepływem ruchu drogowego w skali makroskopowej. W tym celu uşyto adaptacji dyskretnego, nieliniowego modelu matematycznego. Przy wykorzystaniu środowiska programistycznego MATLAB opracowano i zoptymalizowano układ sterowania niewielką siecią komunikacyjną. Następnie, zakładając przykładowy scenariusz, przeprowadzono dla tej sieci badania symulacyjne. 5( J " $ " & $ " $ $

1. Wprowadzenie CiÄ…gĹ‚y rozwĂłj motoryzacji i transportu, jaki obserwuje siÄ™ w ostatnich dekadach, w znaczÄ…cy sposĂłb stymuluje potrzeby spoĹ‚eczeĹ„stw w zakresie logistyki. Nieustannie zwiÄ™kszajÄ…ca siÄ™ liczba pojazdĂłw oraz rosnÄ…ce potrzeby komunikacyjne generujÄ… szereg problematycznych zagadnieĹ„, jak np. wzrost emisji, wystÄ™pujÄ…cych w spalinach, szkodliwych zwiÄ…zkĂłw chemicznych do atmosfery oraz znaczny wzrost poziomu natęşenia haĹ‚asu. Z punktu widzenia gospodarki, kluczowym problemem jest przeciÄ…Ĺźenie infrastruktury drogowej. Jest ono wyjÄ…tkowo widoczne w duĹźych oĹ›rodkach urbanistycznych w tzw. godzinach szczytu, gdy tworzÄ… siÄ™ zatory drogowe. MoĹźna wyróşnić przynajmniej parÄ™ metod, ktĂłre pozwalajÄ… na rozwiÄ…zanie problemu przeciÄ…Ĺźonej infrastruktury. NiewÄ…tpliwie podstawowÄ… i powszechnie stosowanÄ…, jest metoda rozbudowy tejĹźe infrastruktury o nowe ciÄ…gi komunikacyjne, a takĹźe modyfikacja juĹź istniejÄ…cych. Jest to niestety rozwiÄ…zanie bardzo kosztowne, ktĂłre w przypadku oĹ›rodkĂłw miejskich o duĹźym zagÄ™szczeniu urbanistycznym jest wĹ‚aĹ›ciwie rozwiÄ…zaniem nierealnym, gdyĹź wymuszaĹ‚oby ono gruntownÄ… przebudowÄ™ juĹź istniejÄ…cej infrastruktury. Innym podejĹ›ciem, bardziej restrykcyjnym w swych zaĹ‚oĹźeniach, jest ograniczenie lub nawet caĹ‚kowita likwidacjÄ™ moĹźliwoĹ›ci korzystania z prywatnych Ĺ›rodkĂłw transportu na terenie wiÄ™kszych oĹ›rodkĂłw miejskich poprzez wprowadzenie odpowiednich regulacji prawnych. RozwiÄ…zanie

3 J @ / $ " 'P% 3 ( " *) *! (!(! $ " " *! ** (!(!

!

to jest z pewnością znacznie tańsze niş poprzednie, jednakşe w zasadniczy sposób wpływa na funkcjonowanie społeczeństwa w mieście, wymuszając korzystanie z publicznych środków transportu. Podstawową wadą tej metody jest oczywiście obnişenie komfortu şycia mieszkańców, a co za tym równieş idzie – moşliwy wzrost niezadowolenia społecznego. Algorytmy sterowania ruchem drogowym są stosunkowo niedrogą alternatywą w stosunku do pierwszego z przedstawionych rozwiązań, a takşe nie zakładają drastycznych ograniczeń w obecnym ruchu drogowym. Stosowane są do efektywnego zarządzania sygnalizacją świetlną, dzięki czemu ograniczają powstawanie zatorów komunikacyjnych i zwiększają bezpieczeństwo na drodze. Umoşliwiają wdroşenie tzw. akomodacyjnego systemu sterowanie ruchem drogowym, który współdziała z czujnikami mierzącymi natęşenie ruchu oraz inteligentnymi systemami zarządzającymi [1–3]. W tym miejscu warto wspomnieć, şe inteligentne systemy transportowe (ITS), które opierają się na syntezie elektroniki pojazdowej z technologiami telekomunikacyjnymi i informatycznymi, posiadają systemy modelowania ruchu drogowego, pozwalające na dokładne testowanie opracowanych rozwiązań przed ich implementacją do rzeczywistego systemu sygnalizacji świetlnej [4]. Przyczynia się to w sposób znaczący do zwiększenia stopnia niezawodności (a pośrednio takşe rentowności) systemów akomodacyjnych. Problem odpornego sterowania ruchem drogowym jest zagadnieniem wciąş aktualnym w literaturze. Powstawanie coraz większych ośrodków miejskich niesie ze sobą nowe wyzwania w zakresie sprawnego sterowania przepływem pojazdów w ruchu ulicznym. Niewątpliwie jednym z rozwiązań dla duşych sieci ruchu miejskiego moşe być wprowadzenie dwupoziomowego systemu kontroli ruchu [12]. Na poziomie koncepcyjnym, poprawę przepustowości ruchu na skrzyşowaniach moşe zapewnić m.in. uwzględnienie w algorytmach sterujących wpływu niepewności [13]. Na poziomie infrastrukturalnym przyczynić się do tego moşe chociaşby zastosowanie pasów wyjazdowych przy skręcaniu w lewo (ang. exit lanes for left-turning), pod warunkiem właściwego zoptymalizowania pracy sygnalizacji świetnej [14]. Interesu-

11

- + - A + + !_ -

+ ! - ! jące jest równieş podejście podziału dnia pracy na kilka okresów kontrolnych i dostosowania strategii kontroli ruchu do aktualnie panującego okresu [15]. Problematyka sterowania nierozerwalnie związana jest z kwestią pomiaru odpowiednich parametrów w układzie. W pracy [17] zaproponowano liczne rozwiązania na poziomie konstrukcyjnym i algorytmicznym, umoşliwiające opracowanie efektywnych systemów pomiarowych w ruchu drogowym. Celem niniejszej pracy jest opracowanie odpornego systemu sterowania ruchem drogowym dla nieskomplikowanej sieci komunikacyjnej, który w zaleşności od przypadku umoşliwi skuteczne unikanie (a przynajmniej ograniczanie) zatorów. Ponadto opis struktury wspomnianego systemu sterowania, a takşe przedstawienie i omówienie wyników badań symulacyjnych wykonanych przy jego uşyciu. Zasadniczym zagadnieniem związanym z modelowaniem ruchu ulicznego jest oczywiście zastosowany model przepływu. W ostatnim czasie widoczne są, takşe w tym obszarze, tendencje do tworzenia hybrydowych układów dynamicznych, łączących w sobie cechy zarówno układów ciągłych, jak i dyskretnych [16]. W niniejszej pracy wykorzystano model, stanowiący modyfikację [5] makroskopowego modelu METANET [6]. Został on przedstawiony w punkcie drugim. Punkt trzeci poświęcony jest opracowanemu układowi sterowania, zaś punkt czwarty porusza zagadnienie optymalizacji tego układu. Piąty punkt prezentuje wyniki przeprowadzonych badań symulacyjnych. Motywacją autora do podjęcia się pracy nad tym tematem była chęć zrozumienia i przetestowania makroskopowego modelu ruchu ulicznego na konkretnym przypadku, a takşe jego osobiste zainteresowanie problematyką współczesnego transportu.

Rys. 1. Schemat zdyskretyzowanej drogi Fig. 1. Schematic diagram of discretized road

osiÄ…gniÄ™ta maksymalna gÄ™stość pojazdĂłw Ď m ,i +1 na kolejnym (i + 1) segmencie drogi m. Wyliczona zgodnie z zasadÄ… przepĹ‚ywu pomocnicza wartość gÄ™stoĹ›ci Ď Ë†m ,i (k + 1) jest nastÄ™pnie ograniczana, dziÄ™ki czemu wyznaczona finalnie gÄ™stość pojazdĂłw rm,i(k + 1) nie przyjmuje wartoĹ›ci ujemnych oraz nie przekracza ustalonej wartoĹ›ci maksymalnej. OgĂłlna zasada wyliczania Ĺ›redniej prÄ™dkoĹ›ci grupowej pojazdĂłw (druga zmienna stanu) dla chwili k + 1 jest taka sama, jak w przypadku gÄ™stoĹ›ci, tzn. najpierw oblicza siÄ™ pomocniczÄ…, nieograniczonÄ… wartość prÄ™dkoĹ›ci vˆm ,i (k + 1), a nastÄ™pnie stosuje siÄ™ odpowiednie ograniczenia, majÄ…ce na celu urealnić uzyskanÄ… wielkość. WspomnianÄ… wartość pomocniczÄ… oblicza siÄ™, dodajÄ…c do prÄ™dkoĹ›ci z chwili k trzy czĹ‚ony skĹ‚adowe 1) czĹ‚on korygujÄ…cy wyliczany na podstawie róşnicy gÄ™stoĹ›ci na segmentach i + 1 oraz i, 2) czĹ‚on aktualizujÄ…cy obliczany na podstawie róşnicy prÄ™dkoĹ›ci na odcinkach i oraz i – 1, 3) czĹ‚on korygujÄ…cy wyliczany na podstawie róşnicy prÄ™dkoĹ›ci rzeczywistej i teoretycznej.

L/ W niniejszej pracy nie jest prezentowany rozbudowany opis makroskopowego modelu ruchu ulicznego od strony analitycznej. Nieliniowe, dyskretne równania stanu, na których bazuje wykorzystywany model zostały szczegółowo omówione w [5]. W tej części pracy zostaną jedynie pobieşnie przedstawione załoşenia, na których wspomniany model bazuje wraz z objaśnieniem poszczególnych zmiennych. Wykorzystywany w pracy model matematyczny jest dyskretny i deterministyczny, o parametrach rozłoşonych. Opiera się na dwóch podstawowych prawach fizyki, tj. na prawie zachowania masy (zachowania pojazdu) oraz na prawie zachowania pędu. Poniewaş nie jest to układ o parametrach skupionych, nie moşna go opisać równaniami stanu ani teş macierzą transmitancji. Ponişej podano parę podstawowych załoşeń, na których ów model bazuje: 1) Sieć komunikacyjna złoşona jest z M dróg. 2) Kaşda droga m dzieli się na Nm odcinków o długości Lm. 3) Kaşda droga ma konkretną liczbę pasów ruchu. Liczba ta jest określona przez wartość lm.

Wzór na prędkość teoretyczną opiera się na trzech parametrach drogi – vfree,m, rcrit,m oraz am. Prędkość vfree,m to średnia prędkość wolnego przepływu drogi m. Gęstość krytyczna rcrit,m jest to gęstość, przy której uzyskiwany przepływ jest moşliwie największy. Parametr wykresu fundamentalnego am określa wpływ gęstości pojazdów na natęşenie ruchu na danej drodze. Parametrami modelu są: okres dyskretyzacji T, stała czasowa t, stała antycypacji g, stała k. Parametr t wpływa na przyśpieszenia uzyskiwane przez pojazdy. Parametry g oraz k wpływają na wielkość przeregulowań uzyskiwanych na wykresie prędkości grupowej. Śle dobrane, powodują występowanie pików na wykresach natęşenia przepływu i prędkości grupowej pojazdów. Dobrany okres dyskretyzacji T musi być na tyle mały, aby iloczyn vfree,mT był mniejszy od długości pojedynczego odcinka drogi Lm. Pozwala to uniknąć sytuacji, w której pojazd poruszający się prędkością typową dla wolnego przepływu drogi, moşe przebyć cały odcinek drogi w czasie mniejszym niş przyjęty okres dyskretyzacji. Tak zdefiniowany model pozwala na tworzenie dosyć rozległych sieci komunikacyjnych, jednocześnie unikając problemów bazowego modelu METANET [6].

Rysunek 1 przedstawia schemat drogi zgodny z wczeĹ›niejszymi zaĹ‚oĹźeniami. Droga m, zĹ‚oĹźona z czterech pasĂłw ruchu, zostaĹ‚a podzielona na Nm segmentĂłw. KaĹźdy segment opisany jest trzema wielkoĹ›ciami: r, v, q. W rozpatrywanym modelu dany i-ty odcinek (segment) drogi m w pewnej chwili k jest opisany dwoma zmiennymi stanu. SÄ… nimi: gÄ™stość rm,i(k) [poj./km/pas] i prÄ™dkość vm,i(k) [km/h]. DodatkowÄ… zmiennÄ… jest natęşenie ruchu pojazdĂłw qm,i(k), ktĂłre jest iloczynem gÄ™stoĹ›ci, prÄ™dkoĹ›ci i liczby pasĂłw ruchu. Wartość pierwszej zmiennej stanu, gÄ™stoĹ›ci, dla chwili przyszĹ‚ej k + 1 jest obliczana w oparciu o gÄ™stość w chwili obecnej k oraz róşnicÄ™ natęşeĹ„ przepĹ‚ywu na dwĂłch sÄ…siednich odcinkach drogi. Przy jest obliczaniu uwzglÄ™dnia siÄ™ rĂłwnieĹź tzw. nadwyĹźkÄ™ w bilansie przepĹ‚ywu ktĂłra wystÄ™puje, jeĹźeli zostanie

12

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

M/ P ( W dalszej części artykułu przedstawione zostaną dwa autorskie algorytmy sterujące. Nim jednak zostaną one szczegółowo omówione, naleşy wyjaśnić kilka waşnych kwestii. Odporność w kontekście prezentowanego układu sterowania naleşy rozumieć jako zdolność układu do poprawnego sterowania ruchem A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

drogowym przy dynamicznie zmieniajÄ…cej siÄ™ liczbie, gÄ™stoĹ›ciach oraz prÄ™dkoĹ›ciach grupowych pojazdĂłw. Wyznaczane sterowanie jest odporne, a wiÄ™c nie prowadzi do uzyskania nierzeczywistych wynikĂłw np. ujemnych czasĂłw pracy poszczegĂłlnych sygnalizatorĂłw. Oznaczenia m i n sÄ… stosowane do okreĹ›lenia dwĂłch róşnych numerĂłw drĂłg. Przez okreĹ›lenie „sygnalizator pierwszyâ€? powinno siÄ™ rozumieć „sygnalizator przy drodze mâ€?, natomiast przez okreĹ›lenie „sygnalizator drugiâ€? naleĹźy rozumieć „sygnalizator przy drodze nâ€?. Symbol Θ1Ă—j stosowany bÄ™dzie do oznaczenia wektora poziomego o wymiarze j, skĹ‚adajÄ…cego siÄ™ z samych zer. Symbol 11Ă—j stosowany bÄ™dzie do oznaczenia wektora poziomego o wymiarze j, skĹ‚adajÄ…cego siÄ™ z samych jedynek. ObjaĹ›nienia wymaga rĂłwnieĹź, stosowane przy opisie wektorowych sygnaĹ‚Ăłw sterujÄ…cych u(c), oznaczenie c. Jest to pewien okres czasu, skĹ‚adajÄ…cy siÄ™ z okreĹ›lonej liczby chwil k, przy czym dla róşnych c, liczba chwil k moĹźe ulec zmianie. Na przykĹ‚ad, dla c = 1 oraz c = 2, moĹźna zdefiniować sygnaĹ‚y sterujÄ…ce u(c): u(c) = u(1) = [0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 0] u(c) = u(2) = [0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 0] W pierwszym przypadku, liczba chwil wyniosĹ‚a k = 8, zaĹ› w drugim k = 13.

dla przypadku czwartego (d): (8)

(9)

gdzie: tdl – dĹ‚uĹźszy okres czasu, wyraĹźony w chwilach k, tkr – krĂłtszy okres czasu, wyraĹźony w chwilach k. Ze wzoru (1) jednoznacznie wynika, Ĺźe sygnaĹ‚y sterujÄ…ce u1(c + 1) oraz u2(c + 1) wyznaczane sÄ… na podstawie porĂłwnania wartoĹ›ci Ď m ,N m (k ) oraz Ď m +1,N m +1 (k ) z wartoĹ›ciÄ… granicznÄ… gÄ™stoĹ›ci rgr. Wyniki porĂłwnaĹ„ okreĹ›lajÄ…, jaki przypadek bÄ™dzie realizowaĹ‚ algorytm. W zaleĹźnoĹ›ci od przypadku (jest ich w sumie 4), regulator bÄ™dzie przydzielaĹ‚ krĂłtsze lub dĹ‚uĹźsze czasy przejazdĂłw na poszczegĂłlnych drogach. Parametrami regulatora sÄ… staĹ‚e: rgr, tdl, tkr. W celu lepszego przedstawienia zasady dziaĹ‚ania rozpatrywanego regulatora czteropoĹ‚oĹźeniowego, zamieszczono Rysunek 2. Zastosowany zwrot czas „1â€? oznacza czas wyĹ›wietlania zielonego Ĺ›wiatĹ‚a na danym sygnalizatorze, a wiÄ™c czas przejazdu pojazdĂłw na danej drodze.

Regulator czterostawny bazuje na prostej koncepcji porównywania dwóch wartości zmiennych gęstości dla ostatnich segmentów dróg z pewną wartością stałą, zwaną wartością graniczną. W zaleşności od wyników tychşe porównań, algorytm generuje odpowiednie sygnały sterujące. Zasadę działania moşna przedstawić za pomocą wzoru:

(1) gdzie:

Ď m ,N m (k ) – gÄ™stość pojazdĂłw dla ostatniego segmentu drogi m, Ď n ,N n (k ) – gÄ™stość pojazdĂłw dla ostatniego segmentu drogi n,

rgr – wartość graniczna gęstości pojazdów, u1(c + 1) – sygnał sterujący dla sygnalizatora pierwszego, u2(c + 1) – sygnał sterujący dla sygnalizatora drugiego, u1a, u2a, u1b, u2b, u1c, u2c, u1d, u2d – pomocnicze sygnały dla poszczególnych przypadków, definiowane następująco:

Rys. 2. Schemat zasady działania regulatora czteropołoşeniowego Fig. 2. Schematic diagram of the principle of operation of the 4 step controller

dla przypadku pierwszego (a): (2) (3) dla przypadku drugiego (b): (4)

Drugi z zaprezentowanych regulatorów jest regulatorem liniowym. Podobnie jak w poprzednim przypadku, równieş ten regulator steruje obiektem na podstawie gęstości. Jednakşe, bierze on pod uwagę większą liczbę zmiennych – wartości gęstości z pięciu ostatnich segmentów dróg m i n. Na ich podstawie wyliczany jest tzw. współczynnik podziału czasu. Współczynnik ten określa, ile czasu na światło zielone naleşy przydzielić pierwszemu i drugiemu sygnalizatorowi. Algorytm opisują następujące równania: (10)

(5) (11) dla przypadku trzeciego (c): (6)

(7)

gdzie: u1(c + 1) – sygnał sterujący dla sygnalizatora pierwszego, u2(c + 1) – sygnał sterujący dla sygnalizatora drugiego, t1 – czas trwania „1� w sygnale sterującym u1 (w chwilach k), tc – całkowity (sumaryczny) czas trwania „1� w sygnałach sterującym u1 i u2 (w chwilach k).

13

- + - A + + !_ -

+ ! - ! Czas tc oblicza się z ponişszej zaleşności:

Wskaźniki jakości dla poszczególnych dróg wylicza się, korzystając ze wzoru:

tc = tmax + tmin

(12)

Nm

Jm = ∑

1

∑ Jˆm (k + 1)

(17)

i =1 N m k = 0

gdzie: tmax i tmin – maksymalny i minimalny dopuszczalny czas trwania „1� na sygnalizatorze, wyraşony w chwilach k.

gdzie: Jˆm (k + 1) – pomocnicza wartość wskaĹşnika jakoĹ›ci w chwili k + 1, obliczana za pomocÄ… schematu:

Natomiast czas t1 jest całkowitym zaokrągleniem zmiennej pomocniczej czasu tˆ1 , z uwzględnieniem ograniczeń. Zaleşność ta wyraşa się wzorem:

(18)

⎧ ≅ tˆ1 ⎪ t1 = ⎨t max ⎪t ⎊ min

dla tˆ1 ≤ t max ∧ tˆ1 ≼ t min dla tˆ1 > t max , dla tˆ1 < t min

t1 ∈ Z

(13)

gdzie: wkr(k) – współczynnik kary, wyznaczany ze wzoru: (19)

gdzie: tˆ1 – zmienna pomocnicza czasu, przyjmująca postać: (14)

W sposób analogiczny wylicza się wskaźnik jakości Jn. Zastosowanie funkcji kosztu z tak zdefiniowanym wskaźnikiem jakości powoduje, iş algorytmy optymalizacyjne próbują dobrać wartości parametrów w poszczególnych regulatorach w taki sposób, aby, ograniczyć zjawisko długotrwałego zatłoczenia na poszczególnych segmentach dróg. Druga z utworzonych funkcji kosztu uwzględnia wartości zmiennej stanu prędkości na kaşdym odcinku dróg przed skrzyşowaniem (drogi m i n). Ponişej zamieszczono opis analityczny, słuşący klarownemu wyjaśnieniu, jak wyliczany jest wskaźnik kosztu JII. W pierwszej kolejności naleşy poczynić zastrzeşenie, iş dla tego wskaźnika równieş mają zastosowanie dwa pierwsze równania, który były stosowane przy poprzedniej funkcji kosztu, patrz wzory (16) i (17). Inaczej natomiast oblicza się pomocniczą wartość Jˆm (k + 1) :

gdzie: wpt – współczynnik podziału czasu, a, b – multiplikatywna oraz addytywna stała korekcyjna. Współczynnik podziału czasu wyliczany jest w następujący sposób: (15)

Wzory (10) i (11) definiują postać wektorowych sygnałów sterujących u1(c + 1) oraz u2(c + 1). Czasy trwania „1� dla poszczególnych sygnalizatorów zaleşą od wartości t1 i tc. Czas całkowity tc wyliczany jest z prostego równania (12). Równanie to zapewnia niezerowy czas trwania „1� w sygnale sterującym u2, w przypadku, gdy t1 osiągnie wartość maksymalną tmax. Zmienna t1 obliczana jest przy wykorzystaniu zmiennej pomocniczej tˆ1 ze wzoru (13). We wzorze tym uwzględniono ograniczenia czasowe. Wspomniana zmienna pomocnicza uzyskiwana jest z równania (14) i zaleşy w głównej mierze od czasu całkowitego tc oraz współczynnika podziału czasu wpt. Omawiany regulator ma w sumie cztery parametry: tmax, tmin, a, b. Dwa pierwsze są stałymi czasowymi, natomiast dwa kolejne pełnią rolę stałych korekcyjnych.

(20)

gdzie: wkr(k) – współczynnik kary, wyznaczany ze wzoru: (21)

Analogicznie obliczany jest wskaźnik jakości Jn. Uşycie funkcji kosztu z tym wskaźnikiem jakości sprawi, şe algorytmy optymalizacji będą starały się dobrać wartości parametrów w poszczególnych regulatorach tak, aby unikać zjawiska długotrwałego utrzymywania się niskich prędkości na poszczególnych segmentach dróg.

Q/ (

Waşną klasę algorytmów optymalizacyjnych stanowią algorytmy metaheurystyczne. Zaliczyć do nich naleşy m.in. algorytm genetyczny oraz tzw. algorytmy stadne, które łatwo adaptują się do przestrzeni rozwiązań [7, 8, 11]. Jednakşe niezbędnym warunkiem skutecznej optymalizacji przy ich wykorzystaniu jest posiadanie odpowiednich funkcji kosztu. Na potrzeby analizowanego problemu zdefiniowano dwie funkcje kosztu. Pierwsza z nich bierze pod uwagę wartości zmiennej stanu gęstości na wszystkich odcinkach wchodzących w skład dróg m i n, dochodzących do skrzyşowania. Zasadę wyliczania wskaźnika jakości JI moşna przedstawić w sposób analityczny:

Dla regulatora czteropołoşeniowego zapis zadania optymalizacji przedstawia wzór: (22)

Natomiast dla regulatora liniowego:

(

min J I , J I I

J = Jm + Jn

t max , t min , a , b

(16)

gdzie: Jm – wskaźnik jakości dla drogi m, Jn – wskaźnik jakości dla drogi n.

14

P

O

M

I

)

(23)

Dla regulatora czteropołoşeniowego zdefiniowane zostały cztery ograniczenia nierównościowe, które wyraşone są zaleşnością:

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

Tabela 1. Zestawienie wynikĂłw optymalizacji wielokryterialnej Table 1. Summary of multiobjective optimization results

(24)

Nastawy regulatora

WskaĹşniki

czteropołoşeniowego

Nr

StaĹ‚a czasowa tdl musi być wiÄ™ksza od tkr, obydwie staĹ‚e powinny być liczbami dodatnimi i caĹ‚kowitymi (dyskretny czas). Dwie Ĺ›rodkowe nierĂłwnoĹ›ci eliminujÄ… takie rozwiÄ…zania, w ktĂłrych czas zmiany Ĺ›wiateĹ‚ na sygnalizatorach wynosi ponad 720 s (12 min). Ostatnia nierĂłwność ze wzoru (24) zapewnia, Ĺźe gÄ™stość graniczna bÄ™dzie wartoĹ›ciÄ… rzeczywistÄ…, tj. nieujemnÄ… i nieprzekraczajÄ…cÄ… wartoĹ›ci gÄ™stoĹ›ci maksymalnej Ď . Dla regulatora liniowego zdefiniowano pięć ograniczeĹ„: ⎧t max ≼ t min + 1 ⎪2 ≤ t max ≤ 200 ⎪⎪ 1 ≤ t ⎨ min ≤ 199 , âŽŞâˆ’ 0,5 ≤ a ≤ 0,5 ⎪ âŽŞâŽŠâˆ’ 5 ≤ b ≤ 5

t max ∈ Z ,

t min ∈ Z

(25)

Cel wprowadzenia pierwszych trzech nierówności dotyczących stałych czasowych jest właściwie taki sam jak przy regulatorze czterostawnym (24). Natomiast kolejne dwie nierówności mają na celu zapobiec nadmiernemu wpływowi zmiennych a oraz b na uzyskiwane wartości czasu t1, patrz wzór (14), a więc sprzyjają zachowaniu ich pierwotnie załoşonej, korygującej roli.

JI

JII

rgr

tdl

tkr

1.

697,5

11,55k

37,96

10

5

2.

808,1

11,08k

44,48

10

5

3.

898,1

10,08k

40,90

8

4

4.

966,0

9960

42,97

8

4

5.

1071

9910

44,19

8

4

6.

1908

9641

48,67

8

4

7.

4365

9632

51,01

8

4

WskaĹşniki

Nastawy regulatora liniowego

Nr JI

JII

tmax

tmin

a

b

1.

318,8

11,69k

10

4

0,06866

0,1391

2.

331,7

11,67k

10

4

0,1740

1,964

S/ # )

3.

646,6

10,19k

8

3

0,1867

0,877

Na potrzeby wykonywanych symulacji numerycznych przyjÄ™to nastÄ™pujÄ…ce wartoĹ›ci parametrĂłw modelu: okres dyskretyzacji T = 0,001, staĹ‚a czasowa t = 0,002, staĹ‚a antycypacji g = 17, staĹ‚a k = 50. PrzyjÄ™to rĂłwnieĹź dla wszystkich segmentĂłw kaĹźdej z drĂłg jednolite wartoĹ›ci 4 parametrĂłw: parametr wykresu fundamentalnego am = 9, gÄ™stość krytyczna rcrit,m = 50, gÄ™stość prÄ™dkość wolnego przepĹ‚ywu vfree,m = 70. maksymalna Na rysunku 3 przedstawiono poglÄ…dowy schemat poĹ‚Ä…czeĹ„ zaimplementowanej sieci komunikacyjnej. Sieć skĹ‚ada siÄ™ z jednego skrzyĹźowania typu X. OprĂłcz wystÄ™pujÄ…cej na skrzyĹźowaniu sygnalizacji ze zmiennymi czasami pracy (C), sieć ma dwie sygnalizacje pracujÄ…ce ze staĹ‚ymi czasami (A, B). CaĹ‚a sieć zĹ‚oĹźona jest z szeĹ›ciu drĂłg, ktĂłre wchodzÄ… w skĹ‚ad dwĂłch gĹ‚Ăłwnych tras. Na schemacie zostaĹ‚y zaznaczone drogi wlotowe (zaczynajÄ…ce siÄ™ od pogrubionej zielonej linii) oraz drogi wylotowe (koĹ„czÄ…ce siÄ™ pogrubionÄ… czerwonÄ… liniÄ…). Sygnalizatory, pracujÄ…ce na staĹ‚ych czasach, zostaĹ‚y dodane w celu urealnienia przepĹ‚ywu pojazdĂłw na drogach przed skrzyĹźowaniem. UwzglÄ™dnienie ich w rozpatrywanej sieci pozwala na sprawdzenie, jak poszczegĂłlne algorytmy sterujÄ…ce sygnalizacjÄ… na skrzyĹźowaniu poradzÄ… sobie ze zmiennym przepĹ‚ywem, zaleĹźnym od sygnalizacji klasycznej. Jak juĹź wspomniano, na badanÄ… sieć komunikacyjnÄ… skĹ‚ada siÄ™ Ĺ‚Ä…cznie 6 drĂłg. TworzÄ… one 2 trasy o Ĺ‚Ä…cznej dĹ‚ugoĹ›ci 31,5 km. Na potrzeby symulacji, kaĹźda z drĂłg zostaĹ‚a podzielona na pewnÄ… iloĹ›ci segmentĂłw, zaĹ› dĹ‚ugość kaĹźdego segmentu wynosi 0,5 km. Wszystkie analizowane drogi sÄ… drogami jednokierunkowymi, o dwĂłch pasach ruchu. W skĹ‚ad trasy pierwszej (niebieskiej) wchodzÄ…: droga nr 1 (wlotowa, 7 odcinkĂłw), droga nr 2 (wewnÄ™trzna, 12 segmentĂłw), droga nr 3 (wylotowa, 9 odcinkĂłw). Natomiast trasÄ™ drugÄ… (pomaraĹ„czowÄ…) tworzÄ…: droga nr 4 (wlotowa, 8 segmentĂłw), droga nr 5 (wewnÄ™trzna, 17 odcinkĂłw), droga nr 6 (wylotowa, 10 segmentĂłw). W puncie przeciÄ™cia siÄ™ obydwu tras znajduje siÄ™ skrzyĹźowanie, na ktĂłrym ruch pojazdĂłw jest sterowany przy pomocy inteligentnej sygnaliza-

4.

671,4

10,19k

9

2

0,04583

0,07787

5.

1279

9688

7

3

0,06862

0,7787

6.

1279

9681

7

3

0,1889

1,519

7.

1294

9680

9

1

0,2517

1,848

Rys. 3. Sieć komunikacyjna składająca się z dwóch tras połączonych ze sobą skrzyşowaniem typu X Fig. 3. A communication network consisting of two routes connected by an intersection of type X

15

- + - A + + !_ -

+ ! - !

cji Ĺ›wietlnej. Za prawidĹ‚owÄ… obsĹ‚ugÄ™ Ĺ›wiateĹ‚ na skrzyĹźowaniu odpowiada wybrany regulator, jeden z dwĂłch rozpatrywanych. Scenariusze symulacyjne pozwalajÄ… na weryfikacjÄ™ efektywnoĹ›ci opracowanego ukĹ‚adu sterowania dla zaĹ‚oĹźonych warunkĂłw drogowych. Przedstawiony w dalszej części pracy scenariusz definiuje nastÄ™pujÄ…ce cechy ukĹ‚adu: a) stan caĹ‚ego ukĹ‚adu w poczÄ…tkowym kroku czasowym k = 1 (wartoĹ›ci zmiennych stanu dla wszystkich odcinkĂłw kaĹźdej z drĂłg tworzÄ…cych sieć komunikacyjnÄ…), b) wartoĹ›ci zmiennych stanu gÄ™stoĹ›ci i prÄ™dkoĹ›ci na pierwszych segmentach (i = 1) wszystkich drĂłg wlotowych dla kolejnych chwil k przez caĹ‚y okres symulacji, c) wartoĹ›ci staĹ‚ych czasĂłw pracy sygnalizatorĂłw A i B, Dla rozpatrywanego scenariusza przyjÄ™to czas symulacji wynoszÄ…cy jednÄ… godzinÄ™ (1000 pojedynczych krokĂłw czasowych). Ustawiono wartoĹ›ci gÄ™stoĹ›ci na 40 poj./km/pas dla pierwszych odcinkĂłw drĂłg wlotowych (droga nr 1 oraz droga nr 4) oraz wartoĹ›ci prÄ™dkoĹ›ci dla tych odcinkĂłw na 40 km/h. Dla wszystkich pozostaĹ‚ych segmentĂłw, wchodzÄ…cych w skĹ‚ad rozpatrywanej sieci komunikacyjnej, ustawiono wartoĹ›ci pierwszej zmiennej stanu na 5 poj./km/pas, zaĹ› drugiej na 30 km/h. Ponadto przyjÄ™to staĹ‚e czasy pracy dla sygnalizatorĂłw A i B. Dla sygnalizatora A naprzemiennie 80 k (288 s) Ĺ›wiatĹ‚a zielonego i 20 k (72 s) Ĺ›wiatĹ‚a czerwonego, natomiast dla sygnalizatora B naprzemiennie 30 k (108 s) Ĺ›wiatĹ‚a czerwonego oraz 30 k (108 s) Ĺ›wiatĹ‚a zielonego. Poprzez okreĹ›lenie „sygnalizator pierwszyâ€? rozumieć naleĹźy sygnalizator przy drodze nr 2, natomiast przez okreĹ›lenie „sygnalizator drugiâ€? – sygnalizator przy drodze nr 5. OptymalizacjÄ™ wielokryterialnÄ… przeprowadzono, stosujÄ…c podejĹ›cie Pareto przy wykorzystaniu algorytmu genetycznego dostÄ™pnego w przyborniku Global Optimization Toolbox [9]. Metoda ta jest dość dobrze opisana w literaturze [10] w kontekĹ›cie problemĂłw optymalizacyjnych bazujÄ…cych na wielu kryteriach. Do jej niewÄ…tpliwych zalet zaliczyć naleĹźy moĹźliwość podjÄ™cia przez decydenta decyzji a posteriori spoĹ›rĂłd elementĂłw zbioru rozwiÄ…zaĹ„ niezdominowanych. Uzyskane w ten sposĂłb rozwiÄ…zania niezdominowane zebrano w tabeli 1, a nastÄ™pnie naniesiono na wykres w przestrzeni funkcji celu, celem utworzenia frontĂłw Pareto. Na rysunku 4 przedstawiono fronty Pareto otrzymane dla obydwu regulatorĂłw. W przypadku regulatora czterostawnego na wykresie nie zaznaczono siĂłdmego (7.) rozwiÄ…zania, z uwagi na jego duşą odlegĹ‚ość od pozostaĹ‚ych rozwiÄ…zaĹ„. AnalizujÄ…c obydwa fronty Pareto, Ĺ‚atwo dostrzec, iĹź linia frontu dla regulatora liniowego biegnie bliĹźej osi rzÄ™dnych. Oznacza to, iĹź algorytm ten lepiej radzi sobie w zadaniu minimalizacji pierwszego wskaĹşnika jakoĹ›ci JI, zwiÄ…zanego z gÄ™stoĹ›ciami pojazdĂłw (zatĹ‚oczeniem) na poszczegĂłlnych segmentach. Natomiast poszczegĂłlne punkty frontu regulatora czterostawnego znajdujÄ… siÄ™ nieznacznie niĹźej wzglÄ™dem ich odpowiednikĂłw dla liniowego regulatora. Algorytm czteropoĹ‚oĹźeniowy umoĹźliwia wiÄ™c znajdowanie rozwiÄ…zaĹ„, ktĂłre w niewielkim stopniu lepiej minimalizujÄ… wskaĹşnik JII.

Rys. 4. Fronty Pareto dla poszczegĂłlnych regulatorĂłw Fig. 4. Pareto fronts for different controllers

W drugim rozwiązaniu, parametry liniowego regulatora dobrano, mając na uwadze przede wszystkim minimalizację wskaźnika JI. Wskaźnik ten „wymuszał� na algorytmie optymalizacji wyszukiwanie takich rozwiązań, w których gęstość poszczególnych segmentów nie przekraczałaby 50 poj./km/pas, a więc ustalonej w modelu wartości gęstości krytycznej rcrit. Dzięki temu na drodze nie pojawiałyby się spadki prędkości związane ze zbytnim zatłoczeniem. Dla uprzednio określonego scenariusza zostaną zaprezentowane wykresy uzyskane z symulacji dwóch wariantów. Wariant pierwszy to zastosowanie w układzie sterowania regulatora czteropołoşeniowego z nastawami, których wartości ustawiono według pierwszego z wybranych rozwiązań niezdominowanych. W wariancie drugim zastosowany jest regulator liniowy, bazujący na gęstości, z nastawami dobranymi zgodnie z wybranym drugim rozwiązaniem. Pominięte zostały wykresy dla dróg nr 1 i 4, które są zaleşne od pracy sygnalizatorów A i B, jako mniej istotne przy analizie działania algorytmu sterowania sygnalizacją świetlną (C) na skrzyşowaniu. Zrezygnowano równieş z wykresów dla dróg nr 3 i 6 z uwagi na fakt, iş są to drogi wylotowe, a więc poszczególne wielkości będą się na nich kształtować jak w sytuacji swobodnego przepływu. Rysunek 5 zawiera w sumie 4 wykresy. Na kaşdym z nich porównano przebiegi danej zmiennej stanu na dwóch segmentach (po jednym segmencie dla dróg nr 2 i 5). Pierwszy wykres ilustruje gęstości uzyskiwane w konkretnych, środkowych segmentach. Moşna tutaj zaobserwować ciągłe oscylacje – dla odcinka szóstego drogi drugiej wokół wartości 20 poj./km/pas, zaś dla odcinka ósmego drogi piątej wokół wartości 10 poj./km/pas. Drugi wykres pokazuje prędkości osiągane na tych segmentach – dla k t 5 są one bliskie prędkości wolnego przepływu vfree. Na trzecim wykresie zaprezentowano, osiągane w kolejnych chwilach k, wykresy gęstości dla przedostatnich segmentów obydwu dróg. Występują tu podobne oscylacje jak na odcinkach środkowych. Jednakşe oscylacje te posiadają zauwaşalnie mniejszą amplitudę. Czwarty z kolei wykres przedstawia przebiegi prędkości dla przedostatnich odcinków. Niewielki spadek prędkości na segmencie drogi drugiej powoduje niewielki wzrost prędkości na analogicznym segmencie drogi piątej (i odwrotnie). Prędkości oscylują na poziomie ok. 60 km/h. Rysunek 6 zawiera, podobnie jak rysunek 5, cztery wykresy. Rozpatrywane są równieş te same segmenty. Wykresy gęstości (pierwszy i trzeci wykres) ilustrują oscylacje, jakie pojawiają się dla kroku czasowego k > 80 i utrzymują się do samego końca czasu symulacji. Niewątpliwie, przebiegi te są dość podobne do

Do badań symulacyjnych wybrano następujące dwa rozwiązania niezdominowane: 1) rozwiązanie 7. uzyskane dla regulatora czterostawnego, 2) rozwiązanie 1. otrzymane dla regulatora liniowego. Pierwsze z wybranych rozwiązań główny nacisk kładzie na minimalizację wskaźnika jakości JII. Oznacza to, şe w procesie poszukiwań algorytm genetyczny starał się ograniczyć do minimum spadki prędkości ponişej 30 km/h, co umoşliwiałoby stosunkowo płynną jazdę.

16

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 4/ 20 20

Rys. 5. Gęstości i prędkości grupowe pojazdów na wybranych segmentach dróg nr 2 i 5 uzyskane przy uşyciu regulatora czteropołoşeniowego Fig. 5. Densities and speeds of the vehicle group on selected road segments No. 2 and 5 obtained with the use of the 4-step controller

Rys. 6. Gęstości i prędkości grupowe pojazdów na wybranych segmentach dróg nr 2 i 5 uzyskane przy uşyciu regulatora liniowego Fig. 6. Densities and speeds of the vehicle group on selected road segments No. 2 and 5 obtained with the use of the linear controller

ich odpowiedników z rysunku 5. Wykres prędkości dla odcinków środkowych pokazuje, iş właściwie przez cały czas symulacji (z wyłączeniem okresu początkowego) pojazdy utrzymują prędkość bliską 70 km/h. Natomiast na wykresie czwartym, obserwuje się niewielkie oscylacje osiąganych prędkości wokół wartości 65 km/h i 60 km/h odpowiednio dla przedostatnich odcinków dróg nr 2 i 5.

przy wykorzystaniu informacji o stanie, jaki panuje na drogach odchodzących. Zagadnieniem, wymagającym osobnej analizy, jest właściwy dobór parametrów modelu, który pozwoli w większym stopniu odwzorować cechy dróg, wchodzących w skład modelowanej sieci komunikacyjnej.

T/ '

W niniejszej pracy podjęto próbę zaprojektowania i zoptymalizowania układu sterowania dla niewielkiej sieci komunikacyjnej. Wyniki uzyskane w części badawczej pokazują, iş opracowany dla sieci dróg układ sterowania działa w sposób prawidłowy, zapewniając poprawny przepływ pojazdów w poszczególnych ciągach komunikacyjnych, które wchodzą w skład tej sieci. Jednakşe zaproponowane rozwiązanie nie jest bynajmniej rozwiązaniem doskonałym i wymaga jeszcze wielu modyfikacji, które przyczyniłyby do zwiększenia jego efektywności w radzeniu sobie z problemem przeciąşonej infrastruktury drogowej. Dalszy rozwój prac nad tym zagadnieniem moşliwy jest na dwóch płaszczyznach. Przede wszystkim obecny, zaprezentowany w niniejszej pracy, makroskopowy model ruchu ulicznego moşna rozbudować o nowe ciągi dróg i skrzyşowań, dzięki czemu moşliwa stanie się analiza sieci komunikacyjnych o wyşszej złoşoności. Drugim obszarem, o nie mniejszym znaczeniu, jest oczywiście rozwój algorytmów sterowania infrastrukturą drogową. Elementów, które warto byłoby tutaj dodać bądź uwzględnić, jest z pewnością wiele – do najwaşniejszych naleşy zaliczyć modyfikację pracy regulatorów w oparciu nie tylko o dane uzyskiwane na drogach dochodzących do skrzyşowania, ale równieş

9

# " 1. Krawiec S., Celiński I., Alternatywny rozwój systemów obszarowego sterowania ruchem drogowym. „Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Transport�, Z. 73, 2010, 45–60. 2. Marczak M., Kozłowski R., Budowa inteligentnych systemów transportowych jako szansa dla zrównowaşonego rozwoju regionów. „Ekonomia i Zarządzanie�, Nr 2, 2014, 34–42, DOI: 10.12846/j.em.2014.02.03. 3. Oskarbski J., Kuprewicz G., Priorytety dla transportu zbiorowego z wykorzystaniem systemu sterowania ruchem. „Logistyka�, Nr 3, 2014, 4878–4887. 4. Gaca S., Suchorzewski W., Tracz M., Inşynieria ruchu drogowego. Teoria i praktyka, Wydawnictwa Komunikacji i Šączności WKŠ, Warszawa 2011. 5. Abrahamowicz E., Orłowski P., Model matematyczny przepływu ruchu ulicznego w skali makroskopowej, „Pomiary Automatyka Robotyka�, R. 21, Nr 3/2017, 5–10, DOI: 10.14313/PAR_225/5. 6. Kotsialos A., Papageorgiou M., Diakaki C., Pavlis Y., Middelham F., Traffic flow modeling of large-scale motorway networks using the macroscopic modeling tool METANET. „IEEE Transactions on intelligent transportation systems�, Vol. 3, No. 4, 2002, 282–292, DOI: 10.1109/TITS.2002.806804.

17

- + - A + + !_ -

+ ! - ! 7. Filipowicz B., Kwiecień J., Algorytmy stadne w problemach optymalizacji. „Pomiary Automatyka i Robotyka�, R. 15, Nr 12, 2011, 152–157. 8. Topolska K., Topolski M., Błachut B., Haber M., Piekarz A., Zastosowanie fuzji klasyfikatorów rozmytych i genetycznych w zadaniu sterowania sygnalizacją świetlną. „Biuletyn Naukowy Wrocławskiej Wyşszej Szkoły Informatyki Stosowanej. Informatyka�, Vol. 2, 2012, 30–33. 9. Mathworks: Genetic Algorithm. Global Optimization Toolbox, 2020, [www.mathworks.com/help/gads/ga.html]. 10. Horn J., Nafpliotis N., Goldberg D. E., A niched Pareto genetic algorithm for multiobjective optimization. „Proceedings of the First IEEE Conference on Evolutionary Computation. IEEE World Congress on Computational Intelligence�, Orlando, FL, Vol. 1, 1994, 82–87, DOI: 10.1109/ICEC.1994.350037. 11. Hao W., Ma C., Moghimi B., Fan Y., Gao Z., Robust Optimization of Signal Control Parameters for Unsaturated Intersection Based on Tabu Search-Artificial Bee Colony Algorithm. „IEEE Access�, Vol. 6, 2018, 32015–32022, DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2845673. 12. Zhou Z., De Schutter B., Lin S., Xi Y., Two-Level Hierarchical Model-Based Predictive Control for Large-Scale

Urban . Traffic Networks. „IEEE Transactions on Control Systems Technologyâ€?, Vol. 25, No. 2, 2017, 496–508, DOI: 10.1109/TCST.2016.2572169. 13. Tettamanti T., Luspay T., KulcsĂĄr B., PĂŠni T., Varga I., Robust . Control for Urban Road Traffic Networks. „IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systemsâ€?, Vol. 15, No. 1, 2014, 385–398, DOI: 10.1109/TITS.2013.2281666. 14. Chen K., Zhao J., Knoop V.L., Gao X., Robust Signal Control of Exit Lanes for Left-Turn Intersections With the Consideration n of Traffic Fluctuation . „IEEE Accessâ€?, Vol. 8, 2020, 42071–42081, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2977134. 15. Kang K., Chang G., A robust model for optimal time-of-day speed control at highway work zones. „IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systemsâ€?, Vol. 7, No. 1, 2006, 115–123, DOI: 10.1109/TITS.2006.869605. 16. OrĹ‚owski P., Hybrid, discrete-time distributed parameter l mathematical model for road traffic with control . [in:] 16th International Conference on Control, Automation, Robotics and Vision (ICARCV). IEEE, 2020. 17. Gajda J., Sroka R., Stencel M., ĹťegleĹ„ T., Pomiary parametrĂłw ruchu drogowego. „Pomiary Automatyka Kontrolaâ€?, Vol. 48, Nr 5–6/2002, 5–9.

K < < Y L " N / J () The mathematical model is a simplified representation of certain phenomena, which takes into account only the essential features. Nowadays, congested road infrastructures are becoming a growing problem, especially in larger urban centres. This problem can be somewhat reduced by using advanced control algorithms. This article attempts to control the traffic flow on a macroscopic scale. For this purpose, a discrete, nonlinear mathematical model was adopted. Using the MATLAB programming environment, a control system for a small communication network was developed and optimised. Then, assuming a sample scenario, simulation studies were conducted for this network. KeywordsJ " $ Y Z $ " $ / $

' + ) " , - " 'P% ORCID: 0000-0002-6399-6816 " " ? & F / 8 " ; " F & < F & & 0 " F & # A & H+= $ " F - & 8 " ;

- / "?

18

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 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 19–26, DOI: 10.14313/PAR_238/19

< N = > L K FJ " ; # . /

$ % 0 1"$ 2 ) 3 45 "

H6R > " < & $ K > ; ; & & H $ " L " ; & &$ H N !$ !F!)' # ? $ 0 "

() The paper presents the implementation of the basic fractional order element sg, g

on the STM32 microcontroller platform. The implementation employs the typical CFE and FOBD approximations, the accuracy of approximation as well as duration of calculations are experimentally tested. Microcontroller implementation of fractional order elements is known; however, real-time tests of such implementations have been not presented yet. Results of experiments show that both methods can be implemented at the considered platform. The FOBD approximation is more accurate, but the CFE one is faster. The presented experimental results prove that the STM32F7 family processor could be used to develop the embedded fractional-order control systems for a broad class of linear and nonlinear dynamic systems. This is crucial during the implementation of the fractional-order control in the hard real-time or embedded systems. 0 J > F " $ $ <N ($ KJL@$ K; \

1. Introduction Fractional calculus is not a new idea. It was mentioned first time in 1695 in a letter from L’Hopital to Leibniz [12]. L’Hopital asked a question about the n-th derivative of the linear function – what would happen if n would be ½. With the increasing computational speed of computers, we can solve more and more difficult mathematical problems. One of those is fractional order calculus, which requires a lot of computing power. Many papers deal with this subject in various aspects, e.g. adaptive control [30], chaotic systems [7, 31], Kalman filter [27], PID controller [29]. The use of fractional calculus in digital control requires to implement the basic element s at a digital platform. It can be done in different ways and using different hardware platforms. The PLC implementation is discussed, i.e. in [16]. The microcontroller implementation using the discrete ORA approximation is thoroughly discussed [1, 2, 25, 28]. However, unlike this article, the mentioned papers do not deal with performance analysis of microcontroller implementations of fractional calculations. Such an analysis is necessary to the industrial, microcontroller-based implementation of fractional-order controllers, for example, fractional-order PID controller. Based on this paper, it will be possible to conclude whether the complicated

3 J T / [ & .F8 " $ & /%& 3 ( " (( !P (!(! $ " " *! ** (!(!

calculations for a controller with a fractional-order calculus can be performed on microcontrollers for real-time systems. This paper deals with the classic discrete approximations: Continuous Fraction Expansion (CFE) and Fractional Order Backward Difference (FOBD), basing on the GrĂźnwald-Letnikov definition. It is analysed with details, for example, in the book [23]. The main difference between those approximations (CFE and FOBD) consists of memory length necessary to obtain the reasonable accuracy and form of discrete transfer function describing it [13]. The CFE requires us to use much less memory and is faster convergent, but its accuracy is generally a little bit worse than FOBD. Furthermore, it requires us to use past values of both output and control signals. On the other hand, the FOBD assures better accuracy, but the memory length necessary to achieve this accuracy is relatively much bigger. This paper is devoted to discussing both the accuracy and speed of calculations. The paper is organised as follows. In the beginning, elementary ideas from discrete fractional calculus are recalled. Particularly the discrete version of the GrĂźnwald-Letnikov definition and CFE approximation are given. Next, the experimental system is presented, and results of experiments are given and discussed.

L/ ' A presentation of elementary ideas is started with a definition of a fractional-order, integro-differential operator. It was given, for example by [6, 11, 26]:

!

19

The Microcontroller Implementation of the Basic Fractional-Order Element Definition 1. (The elementary fractional-order operator) The fractional-order integro-differential operator is defined as follows:

It is proven in [3] that: (8)

From (7) and (8) we obtain at once that: (1)

∞

∑ dl = 1.

(9)

l =2

The expression (5) with coefficients calculated using (7) can be directly implemented at microcontroller to calculate fractional-order difference or integral.

where a and t denote time limits for operator calculation, g ∈ R the non-integer order of the operation. Next, the complete Gamma function needs to be recalled:

An alternative formula to calculate FO operator is to use CFE approximation. It has the form of Infinite Impulse Response (IIR) filter containing both poles and zeros. It is faster convergent and easier to implement due to its relatively low order, typically not higher than 5. It has the form of the discrete transfer function GCFE(z−1, g), obtained after discretisation of the fractional-order element sg, g ∈ with the use of the so-called generating function s | w(z−1). The new operator raised to power g has the following form (see for example [5], [24, p. 119]):

(2)

The fractional-order, the integro-differential operator can be described by different definitions, given by Grünwald and Letnikov (GL definition), Riemann and Liouville (RL definition) and Caputo (C definition). In further consideration, GL definition will be used. It is as follows [4, 23]: Definition 2. (The Grünwald-Letnikov definition of the FO operator)

(3)

⎛γ ⎞ In (3) ⎜⎜ ⎟⎟ is the binomial coefficient: ⎝l ⎠

(10) In (10) a is the coefficient depending on approximation type (for example: a = 0 for Euler approximation, a = 1 for Tustin approximation), h denotes the sample time, M is the order of approximation. If the Tustin approximation is considered (a = 1) then CFED(z−1, g) = CFEN(z−1,−g) and the polynomial CFED(z−1, g) can be given in the direct form (see [5]). Examples of polynomial CFED(z−1, g) for M = 1, 3, 5 are given in Table 1.

(4)

The GL definition is the limit case for h → 0 of the Fractional Order Backward Difference (FOBD), commonly employed in discrete Fractional Order (FO) calculations (see for example [23], p. 68):

Table 1. Coefficients of CFE polynomials CFEN,D(z−1, γ) for Tustin approximation based on [5] Tabela 1. Współczynniki wielomianów CFE CFEN,D(z−1, γ) dla aproksymacji Tustina na podstawie [5]

Definition 3. (The Fractional Order Backward Difference-FOBD)

Order M

(5)

⎛γ ⎞ Denote coefficients (−1)l ⎜⎜ ⎟⎟ by d l: ⎝l ⎠

wm

w1 = −g w0 = 1

v0 = 1

M=3

w3 = −g/3

v3 = g/3

w2 = g2/3

v2 = g2/3

w1 = −g

v1 = g

M=5

(7)

20

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

v1 = g

M=1

(6)

The coefficients (6) can also be calculated with the use of the following, equivalent recursive formula (see for example [4], p. 12), useful in numerical calculations:

vm

T

Y

K

A

w0 = 1

v0 = 1

w5 = −g/5

v5 = g/5

w4 = g2/5

v4 = g2/5

w3 = −(g/5 + 2g3/35)

v3 = − (−g/5 − 2g3/35)

w2 = 2g2/5

v2 = 2g2/5

w1 = −g

v1 = g

w0 = 1

v0 = 1

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

! " # $ % &'( Finally, the analytical formula of the step response for the basic FO element s g should be recalled. It is as follows [4]:

y(t ) =

t âˆ’Îł . Γ(1 − Îł )

(11)

where Γ(..) is the complete Gamma function (2). The above formula will be employed as the reference to estimate the accuracy of approximations implemented at a microcontroller.

M/ V " The diagram of the embedded system used in experiments is shown in Figure 1. The STM32F767ZI device is based on the high-performance Arm Cortex-M7 32-bit RISC core operating at up to 216 MHz frequency. The Cortex-M7 core features a floating-point unit (FPU) which supports Arm double-precision and single-precision data-processing instructions and data types. It also implements a full set of digital signal processor(DSP) instructions. The embedded system was tested using the following peripheral blocks integrated in the structure: static random-access memory (SRAM) memory for storing data tables, timers/counters units capable of interrupts and a serial port universal asynchronous receiver-transmitter (UART). The processed data are duly transmitted (via UART port), monitored and uploaded to a PC.

are implemented in the form of timer interrupt service routine. A selected STM32F7 timer device generates one interrupt every 0.02 s. Notably, the time the interrupt-driven procedure is incorporating a code of two approximation methods: CFE and FOBD (but only one can be active at a time). All data necessary for the correct operation of the calculation procedure (transfer function parameters for CFE, historical data for CFE and FOBD methods, etc.) are stored in the processor RAM. Input signals used to perform functional tests of CFE and FOBD methods are generated by software (e.g. step, square wave, sine wave). It is also possible to use external input signals, connected, for example, to A/D converter, PWM digital input or set via a selected serial interface. The input (control) and output (results) data are transferred to the PC (MATLAB application) by using a serial UART interface. The source files of all elements of the application are written with the use of C language.

S/ * " Cost function describes a difference between analytical step response (11) and approximated step responses using CFE and FOBD. They are calculated at the same time mesh with the sample time h. In this paper two cost functions were employed. The first one is the MSE (Mean Square Error) cost function: MSE =

1 Ks 2 ∑ [ye (k ) − y(k )] . K s k =1

(12)

In (12), Ks is the number of samples collected during the experiment. The analytical response in k-th time moment calculated using (11) is denoted by y(k) = y(kh), k = 1, ..., Ks and the approximated response calculated at microcontroller in the same moment is denoted by ye(k). The next considered cost function is the fitting function (13): FIT =

y − ye y − ye

.

(13)

In (13) ye is the average value from experimental result ye. Fig. 1. The experimental system Rys. 1. Układ eksperymentalny

Logic Analyser of the Logic Pro 16 (Saleae Corporation) is used to monitor and collect digital information from a digital I/Os of the embedded system. Two digital output pins of STM32F767ZI processor are used to measure the duration of calculations using the approximation of the digital fractional-order differentiator/integrator Tdf od and one step time duration of the differentiator/integrator unit step response TStep. The accuracy of time measurement is 20 ns (50 MSample/s). All the data is saved to specific log files to be analysed off-line.

Q/ ! The application running on STM32F7 processor is generally divided into two parts. The first part contains the code responsible for the hardware configuration and algorithm for calculating fractional-order operator parameters. This algorithm is activated after processor power-on reset and on demand, e.g. when a user changes the parameters of the approximating model (M, a, etc.) or fractional order of the operation. The two fractional modules: differentiator s a and integrator 1/s a

6. Experiments Experiments were executed for different parameters of CFE and FOBD methods. Recorded data are sampled with the frequency of 50 Hz (the periodical interrupt-driven function of STM32 processor). The duration of the experiments was set to 20 s or 40 s. Measurement data were recorded, analyzed and processed using a PC with MATLAB/Simulink package. The CFE method parameters applied in experiments were following: sample time was equal: h = 0.02 s, the order of CFE approximation was equal M = 5, a = 0 (the Euler method was applied). In FOBD, the memory was L = 100 samples long. As the reference the analytical step response (11) was employed. It is worth noting that all calculations on the STM32F7 processor carried out using double precision data type. Figure 2 presents experimental frequency characteristic of the fractional differential unit of the CFE method with parameter g set as 0.5. Similar results are presented in Figure 3 for experimental frequency characteristic of the fractional integral unit of the CFE method with parameter g set as –0.5. The same plots were obtained for FOBD method. Figure 4 presents the experimental frequency characteristics of the fractional dif-

21

The Microcontroller Implementation of the Basic Fractional-Order Element

Fig. 2. Experimental frequency characteristic of the derivative element, CFE approximation Rys. 2. Eksperymentalna charakterystyka częstotliwościowa części różniczkującej, aproksymacja CFE

Fig. 5. Experimental frequency characteristic of the integral element, FOBD approximation Rys. 5. Eksperymentalna charakterystyka częstotliwościowa części całkującej, aproksymacja FOBD

1 r = 0.25 r = 0.5 r = 0.75

y(t)

0.5

0

-0.5

-1

0246

81

t [s]

0

Fig. 3. Experimental frequency characteristic of the integral element, CFE approximation Rys. 3. Eksperymentalna charakterystyka częstotliwościowa części całkującej, aproksymacja CFE

Fig. 6. The step responses of the derivative element, CFE approximation Rys. 6. Odpowiedź skokowa części różniczkującej, aproksymacja CFE

Fig. 4. Experimental frequency characteristic of the derivative element, FOBD approximation Rys. 4. Eksperymentalna charakterystyka częstotliwościowa części różniczkującej, aproksymacja FOBD

Fig. 7. The step responses of the integral element, CFE approximation Rys. 7. Odpowiedź skokowa części całkującej, aproksymacja CFE

ferential unit of the FOBD method with parameter GAMMA set as 0.5. Similar results are presented in Figure 5 for experimental frequency characteristics of the fractional integral unit of the FOBD method with parameter GAMMA set as –0.5. The results were obtained for the frequency range from 2.5 Hz to 50 Hz (both CFE and FOBD method). Figure 6 presents the step responses of the fractional differential unit for the three values of parameter g of the CFE method: 0.25, 0.5 and 0.75. The output values are not scaled

by the factor k. Figure 7 compares the step responses of the fractional integral unit for the three values of parameter g of the CFE method: 0.25, 0.5 and 0.75. The output values are not scaled by the factor k. Figures 8 and 9 show the use of the FOBD approximation. Figure 7 compares the step responses of the fractional integral unit for the three values of parameter g of the CFE method: 0.25, 0.5 and 0.75. The output values are not scaled by the factor k. The performance of both approximations in the sense of cost functions (12) and (13) is

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

NR 4/ 20 20

! " # $ % &'(

Fig. 8. The step responses of the derivative element, FOBD approximation Rys. 8. OdpowiedĹş skokowa części róşniczkujÄ…cej, aproksymacja FOBD

Fig. 11. Histogram of the duration Tdf od for CFE Rys. 11. Histogram czasu trwania Tdf od dla CFE

Fig. 9. The step responses of the integral element, FOBD approximation Rys. 9. Odpowiedź skokowa części całkującej, aproksymacja FOBD

Fig. 12. Histogram of the duration Tdf od for FOBD Rys. 12. Histogram czasu trwania Tdf od dla FOBD

Fig. 10. The sequence of tests during real-time measurements Rys. 10. Sekwencja testĂłw podczas pomiarĂłw w czasie rzeczywistym

Fig. 13. Histogram of the duration TStep for CFE Rys. 13. Histogram czasu trwania TStep dla CFE

presented in Tables 2 and 3. The analysis of both tables allows concluding that generally the use of FOBD allows obtaining an approximation more accurate in the sense of examined cost functions. The only exception is observed for g = 0.75 when the CFE is more accurate than FOBD. Generally, this conclusion is not surprising. The next important problem during tests of the proposed solution is meeting the real-time requirements. Tests of calculation speed should be done during calculation of coefficients

as well as of the step response. Figure 10 shows trends of logic states for two STM32F767ZI processor digital outputs employed during measuring of the duration of coefficients calculation Tdf od and step response calculation TStep. The total number of probes was equal to 1000. The logic state of the output was reset before the execution of the analysed code section and then reset after task completion. The limits of the measurement procedure: Tdf od and TStep are marked with arrows in Figure 10. Both durations

23

The Microcontroller Implementation of the Basic Fractional-Order Element

Tdf od and TStep for CFE approximation are illustrated by histograms 11 and 13, and for the FOBD method use are given in Figures 12 and 14.

STM32F7 FPU enables efficient, multiple determination of FOPID controller parameters, depending on the CFE and FOBD approximation parameter set. As mentioned before, the clock frequency set for the STM32F767 processor was 96 MHz while the maximum frequency value given by the vendor is 216 MHz. Thus, the CFE or FOBD calculation durations can be further reduced. The unit experiments carried out at f = 216 MHz have enabled an approximately two-fold reduction in both durations Tdf od F (24.2 Îźs vs. 53.8 Îźs, FOBD) and TStep (78.8 ms vs. 0.1307 ms, FOBD), which is a direct result of the difference in frequency between 96 MHz and 216 MHz.

7. Conclusions The main conclusion from the research is that the elementary fractional element sg can be implemented at the considered microcontroller platform using typical, discrete approximations. The performance of approximation in the sense of the MSE and FIT cost functions is satisfying as well as duration of calculations. From the first experiments a conclusion could be drawn that generally the use of FOBD allows obtaining more accurate approximation in the sense of examined cost functions in this paper. In the next experiments, data was collected showing that calculation of Tdf od is much slower for CFE than for FOBD approximation. However, computation of step response for CFE approximation is much faster than for FOBD. In the last experiment, it was proven that when FPU is enabled on the STM32F7, the calculations were much shorter, significantly for more complex numerical algorithms. It is worth to add that the duration of calculations executed with the use of the microcontroller is much shorter than analogic calculations implemented at PLC (see [16]). Thus, it allows running a single fractional order PID algorithm operating at a sampling frequency of up to 10 kHz. The proposed solution is planned to be used during implementation of the self-tuned FOPID controller on this platform. The results of time tests allow concluding that the proposed implementation can be employed in hard real-time control systems.

Fig. 14. Histogram of the duration TStep for FOBD Rys. 14. Histogram czasu trwania TStep dla FOBD

In histograms 11 and 12 we can see that the coefficients of the CFE approximation are calculated 100 times longer than for FOBD although their number is much smaller. Their higher computational complexity causes this (see Table 1). The coefficients of FOBD are computed according to a simple formula (7). It should be noted that in a real-time system, the approximation coefficients are calculated only once when the fractional order is changed. Simultaneously, the computing of the step response, illustrated by histograms 13 and 14, is 100 times shorter using CFE than in case of the analogical computing using FOBD. This is caused by the smaller complexity of CFE approximation and shorter length of memory. Finally, the differences in the performance of the STM32F7 processor with FPU enabled (hardware double precision) and disabled (software double precision) were tested. Particularly the mean values of Tdf od F and TStep obtained for FOBD method were compared. The mean value of Tdf od is approximately 64.6 times shorter for FPU enabled (53.4 ms vs. 3.372 ms) while TStep is approximately 5 times shorter (0.1307 ms vs. 0.66 ms). This means that the most significant benefits are obtained for complex numerical algorithms related to the FOBD approximation parameters. Also, the use of the

3 This paper was sponsored by AGH University of Science and Technology project no 16.16.120.773.

Table 2. Values of the cost functions (12) and (13) for CFE approximation and different orders Tabela 2. WartoĹ›ci funkcji kosztĂłw (12) i (13) dla aproksymacji CFE oraz róşnych rzÄ™dĂłw g

−0.25

−0.50

−0.75

0.25

0.5

0.75

MSE (12)

0.0067

0.0097

0.0047

0.0244

0.1117

0.1141

FIT (13)

1.0054

1.0462

1.0907

0.9281

0.9205

0.9064

Table 3. Values of the cost functions (12) and (13) for FOBD approximation and different orders Tabela 3. WartoĹ›ci funkcji kosztĂłw (12) i (13) dla aproksymacji FOBD oraz róşnych rzÄ™dĂłw

24

g

−0.25

−0.50

−0.75

0.25

0.5

0.75

MSE (12)

4.0130e-05

2.3069e-05

7.5951e-06

0.0029

0.1024

1.8874

FIT (13)

0.0305

0.0129

0.0056

0.2122

0.6061

2.0450

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 4/ 20 20

! " # $ % &'(

" 1. Bauer W., Implementation of non-integer PI lD m controller for the ATmega328P Microcontroller. [In:] 21st International Conference On Methods and Models in Automation and Robotics, 118−121, DOI: 10.1109/MMAR.2016.7575118. 2. Bauer W., Implementation of the fractional order systems in the embedded systems. PhD dissertation prepared under supervision W. Mitkowski at AGH University, 2020. 3. BusĹ‚owicz M., Kaczorek T., Simple conditions for practical stability of positive fractional discrete-time linear systems, International Journal of Applied Mathematics and Computer Science, Vol. 19, No. 2, 2009, 263−269 DOI: 10.2478/v10006-009-0022-6. 4. Caponetto R., Dongola G., Fortuna l., Petras I., Fractional Order Systems. Modeling and Control Applications. World Scientific Series on Nonlinear Science, Series A, Vol. 72, World Scientific Publishing, 2010. 5. Chen Y.Q., Moore K.L., Discretization schemes for fractional order differentiators and integrators, IEEE Transactions on Circuits and Systems - I: Fundamental Theory and Applications, Vol. 49, No. 3, 2002, 363−367, DOI: 10.1109/81.989172. 6. Das S., Functional fractional calculus for system identification and controls. Springer, Berlin 2008. 7. He S., Sun K., Mei X., Yan B., Xu S., Numerical analysis of a fractional order chaotic system based on conformable fractional-order derivative. “The European Physical Journal Plusâ€?, 132, 36, 2017, DOI: 10.1140/epjp/i2017-11306-3. 8. http://people.tuke.sk/igor.podlubny/usu/matlab/petras/ dfod1.m. 9. http://people.tuke.sk/igor.podlubny/usu/matlab/petras/ dfod2.m. 10. Isermann R., Muenchhof M., Identification of Dynamic Systems. An Introduction with Applications. Springer, 2011. 11. Kaczorek T., Rogowski K., Fractional Linear Systems and Electrical Circuits, Bialystok University of Technology 2014. 12. Machado J.T., Kiryakova V., Mainardi F., Recent history of fractional calculus. “Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulationâ€?, Vol. 16, No. 3, 2011, 1140−1153, DOI: 10.1016/j.cnsns.2010.05.027. 13. Oprzedkiewicz K., Memory-Effective Modifications of PSE Approximation. [in:] Ostalczyk P., Sankowski D., Nowakowski J. (eds) Non-Integer Order Calculus and its Applications. RRNR 2017. Lecture Notes in Electrical Engineering, Vol. 496. 2019, Springer, Cham. DOI: 10.1007/978-3-319-78458-8_11. 14. OprzÄ™dkiewicz K., Non integer order, state space model of heat transfer process using Caputo-Fabrizio operator. Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences, Vol. 66, No. 3, 2018, 249−255. 15. OprzÄ™dkiewicz K., Gawin E., Non integer order, state space model for one dimensional heat transfer process, “Archives of Control Sciencesâ€?, Vol. 26, No. 2, 2016, 261−275, DOI: 10.1515/acsc-2016-0015. 16. OprzÄ™dkiewicz K., Gawin E., Gawin T., Real-time PLC implementations of fractional order operator. Automation 2018: innovations in automation, robotics and measurement techniques, 15−17 March 2018, Warsaw, Poland, eds. Szewczyk R., Zielinski C., Kaliczynska M., Springer International Publishing, cop. 2018. Advances in Intelligent Systems and Computing; ISSN 2194-5357; Vol. 743, 36−51. 17. OprzÄ™dkiewicz K., Gawin E., Mitkowski W., Modeling heat distribution with the use of a non-integer order, state space

model. “International Journal of Applied Mathematics and Computer Scienceâ€?, Vol. 26, No 47, 2016, 49−756, DOI: 10.1515/amcs-2016-0052. 18. OprzÄ™dkiewicz K., Mitkowski W., A memory-efficient noninteger-order discrete–time state–space model of a heat transfer process, “International Journal of Applied Mathematics and Computer Scienceâ€?, Vol. 28, No. 4, 2018, 649−659, DOI: 10.2478/amcs-2018-0050. 19. OprzÄ™dkiewicz K., Mitkowski W., Gawin E., Parameter identification for non integer order, state space models of heat plant, 21th international conference on Methods and Models in Automation and Robotics: 29 August-01 September 2016, Miedzyzdroje, 184−188, DOI: 10.1109/MMAR.2016.7575130. 20. OprzÄ™dkiewicz K., Mitkowski W., Gawin E., An accuracy estimation for a non integer order, discrete, state space model of heat transfer process. Automation 2017: innovations in automation, robotics and measurment techniques, 15-17 March, Warsaw, Poland, eds. Szewczyk R., Zielinski C., Kaliczynska M., Springer International Publishing, cop. 2017. Advances in Intelligent Systems and Computing; ISSN 2194-5357; Vol. 550, 86−98. 21. OprzÄ™dkiewicz K., Mitkowski W., Gawin E., Dziedzic K., The Caputo vs. Caputo-Fabrizio operators in modeling of heat transfer process. Bulletin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciences, Vol. 66, No. 4, 2018, 501−507. 22. OprzÄ™dkiewicz K., Stanislawski R., Gawin E., Mitkowski W., A new algorithm for a CFE-approximated solution of a discrete-time noninteger-order state equation. “Bullin of the Polish Academy of Sciences. Technical Sciencesâ€?, Vol. 65, No. 4, 2017, 429−437, DOI: 10.1515/bpasts-2017-0048. 23. Ostalczyk P., Discrete Fractional Calculus. Applications in control and image processing, Series in Computer Vision, vol. 4, World Scientific Publishing 2016, DOI: 10.1142/9833. 24. PetraĹĄ I., Fractional order feedback control of a DC motor, “Journal of Electrical Engineeringâ€?, Vol. 60, No. 3, 2009, 117−128. 25. PetraĹĄ I., Grega Ĺ ., DorÄ?ak Ä˝., Digital Fractional Order Controllers Realized By Pic Microprocessor: Experimental Results, Proc. of the ICCC’2003 conference, May 26−29 2003, High Tatras, Slovak Republic, 873−678. 26. Podlubny I., Fractional Differential Equations, Academic Press, San Diego, 1999. 27. Ramezani A., Safarinejadian B., A Modified FractionalOrder Unscented Kalman Filter for Nonlinear FractionalOrder Systems. “Circuits, Systems and Signal Processingâ€?, Vol. 37, 2018, 3756−3784, DOI: 10.1007/s00034-017-0729-9. 28. Rhouma A., Hafsi S., A Microcontroller Implementation of Fractional Order Controller, “International Journal of Control Systems and Roboticsâ€?, Vol. 2, 2017, 122−127. 29. Safikhani Mohammadzadeh H., Tabatabaei M., Design of Non-overshooting Fractional-Order PD and PID Controllers for Special Case of Fractional-Order Plants. “Journal of Control, Automation and Electrical Systemsâ€?, Vol. 30, 2019, 611−621, DOI: 10.1007/s40313-019-00491-w. 30. Vinagre B. M., PetraĹĄ I., Podlubny I., Chen Y.O., Using Fractional Order Adjustment Rules and Fractional Order Reference Models in Model-Reference Adaptive Control. “Nonlinear Dynamicsâ€?, 29, 2002, 269−279, DOI: 10.1023/A:1016504620249. 31. Yang, N., Liu, C., A novel fractional-order hyperchaotic system stabilization via fractional sliding-mode control. “Nonlinear Dynamicsâ€?, 74, 2013, 721−732, DOI: 10.1007/s11071-013-1000-y.

25

The Microcontroller Implementation of the Basic Fractional-Order Element

= " & & W pracy przedstawiono implementację podstawowego układu ułamkowego rzędu sg, g

na platformie mikrokontrolera STM32. Implementacja wykorzystuje typowe aproksymacje CFE oraz FOBD. Dokładność aproksymacji oraz czas trwania obliczeń testowane są eksperymentalnie. Implementacja układów ułamkowych na mikrokontroler jest znana, jednak ich testy w czasie rzeczywistym nie były jak dotąd omawiane w literaturze. Wyniki wskazują, şe obie metody moşna wdroşyć na rozwaşanej platformie. Aproksymacja FOBD jest dokładniejsza, z kolei CFE jest szybsza. Przedstawione rezultaty eksperymentów dowodzą, şe procesor z rodziny STM32F7 moşe zostać wykorzystany do opracowania wbudowanych ułamkowych układów sterowania dla szerokiej klasy liniowych i nieliniowych układów dynamicznych. Zaprezentowane wyniki są istotne z punktu widzenia implementacji algorytmów ułamkowych w twardych systemach czasu rzeczywistego lub w systemach wbudowanych.

C( J " $ $ <N ($ KJL@$ K;

' # . /

$ *+ +

% 0 1"$ *+

% & " ORCID: 0000-0002-8162-0011

% & " ORCID: 0000-0003-4278-6470

R / # *'PU R / F " N *'EE$ 0 @ " @ H " + / *'') " (!!' H6R > " < & O# $ 0 "Q R / & H6R @ > H *'EE$ > = (!*(V(!*P " " > > > ; $ H $ = > " L " ; & & H6R + " > @ > H F " + / H6R (!(! / > H " + / > 0 H " > R > " $ > " " & " $ $ " $ 0X " H@H

H 0 > > H6R > " < & # V K > ; ; & &$ H F $ " L F " ; & & R > " " & " > F " F ] " F > & / " " ] " & " > / "" " ] " / " & " / "F " ; " "

2 ) 3 45 " $ % & /%& ORCID: 0000-0003-1857-1461 R / + / F " ? *''U H 0 @ " K > ; ; & F &$ H $ " L " ; & & > H6R F > " < & # H & " > H6R F > " < & > " > " / > > R & " " > K > N " T & = (!*UV(!*P / > = & / & H6R (!*P$ & " > \ F / R " 0X $ " $ > " " & "

26

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 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 27–39, DOI: 10.14313/PAR_238/27

0 / " & /? > " +;@J " $ 6 4

$

0 8 $ = H = > $ A *)B*'$ !!FPP) 8

Długoterminowe przechowywanie zasobów cyfrowych jest powaşnym problemem, który nie znalazł jeszcze ani dostatecznej uwagi ze strony przemysłu IT, ani powszechnie dostępnych rozwiązań. Zachowanie uşyteczności zasobów przechowywanych w archiwum cyfrowym wymaga nie tylko niezawodnego składowania plików z danymi, ale takşe moşliwości skutecznego wyszukania informacji, weryfikacji jej autentyczności oraz jej poprawnej interpretacji, zarówno w sensie technicznym (format danych itd.), jak i semantycznym (zrozumienie informacji w odpowiednim kontekście itp.). Artykuł omawia te problemy i przedstawia ich rozwiązania przyjęte w projekcie CREDO. 5( J " & $ /? > $ > $ " $ "

1. Wprowadzenie

-/-/ * " Z

Jednym z waĹźnych, lecz wciÄ…Ĺź maĹ‚o znanych problemĂłw współczesnoĹ›ci jest dĹ‚ugoterminowe przechowywanie zasobĂłw cyfrowych. Jest to problem nie tylko techniczny, lecz zgoĹ‚a cywilizacyjny. Bez dobrych metod dĹ‚ugotrwaĹ‚ego, a nawet wieczystego zachowania róşnorodnych zasobĂłw w postaci cyfrowej, ludzkość moĹźe utracić część zapisĂłw współczesnej historii i kultury [12]. Dotyczy to zwĹ‚aszcza ostatnich lat, gdy znaczÄ…ca część dorobku cywilizacyjnego powstaje od razu w tej postaci (ang. born digital) i nie ma innej, „analogowejâ€? reprezentacji. Tymczasem powszechnie stosowane sposoby przechowywania informacji cyfrowej wcale nie zapewniajÄ… jej dĹ‚ugotrwaĹ‚ej dostÄ™pnoĹ›ci z co najmniej czterech waĹźnych powodĂłw: − nietrwaĹ‚oĹ›ci noĹ›nikĂłw – wĹ‚aĹ›ciwie nie dysponujemy trwaĹ‚ymi metodami zapisu informacji cyfrowej o duĹźym wolumenie (wiÄ™cej napisano w częściach 2.1 i 3); − nietrwaĹ‚oĹ›ci formatĂłw – uĹźywane formaty zapisu informacji cyfrowej wcale nie sÄ… trwaĹ‚e i podlegajÄ… ciÄ…gĹ‚ej ewolucji bez gwarancji wstecznej zgodnoĹ›ci na dĹ‚uĹźszym horyzoncie, dotyczy to nawet powszechnie stosowanych formatĂłw dokumentĂłw; − nietrwaĹ‚oĹ›ci samego repozytorium – braku gwarancji dĹ‚ugotrwaĹ‚ego dziaĹ‚ania od strony organizacyjnej, prawnej i finansowej; − braku metadanych i dobrych metod wyszukiwania, o czym Ĺ‚atwo siÄ™ przekonać, prĂłbujÄ…c odnaleźć konkretnÄ… fotografiÄ™ sprzed kilku lat.

Pod pojÄ™ciem archiwum rozumie siÄ™ zwykle organizacjÄ™ zajmujÄ…cÄ… siÄ™ przechowywaniem informacji przeznaczonej dla okreĹ›lonej spoĹ‚ecznoĹ›ci uĹźytkownikĂłw [8]. Archiwum jest czymĹ› wiÄ™cej niĹź tylko technicznie zabezpieczonym trwaĹ‚ym repozytorium plikĂłw. Ma teĹź inne zadania i cechy niĹź uĹźywane na bieşąco repozytoria plikĂłw czy teĹź bazy danych. W tzw. archiwum dĹ‚ugoterminowym (wieczystym) gĹ‚Ăłwnym zadaniem jest przechowywanie zasobĂłw przez bardzo dĹ‚ugi czas – nawet wielu pokoleĹ„ – w sposĂłb umoĹźliwiajÄ…cy ich przyszĹ‚e odnalezienie, nieznieksztaĹ‚cony odczyt i poprawnÄ… interpretacjÄ™. W archiwum pĹ‚ytkim dostÄ™p jest realizowany on-line, moĹźliwie szybko po otrzymaniu zadania. Archiwum gĹ‚Ä™bokie [20] jest zaĹ› takim rodzajem archiwum cyfrowego, do ktĂłrego dostÄ™p nie jest realizowany „na şądanieâ€?, lecz „na zamĂłwienieâ€? – odbywa siÄ™ nie natychmiast, lecz wedĹ‚ug zaplanowanego wczeĹ›niej i zoptymalizowanego harmonogramu [24], dziÄ™ki czemu moĹźliwe jest m.in. zapewnienie energetycznej efektywnoĹ›ci dziaĹ‚ania archiwum. Takie podejĹ›cie jest szczegĂłlnie wĹ‚aĹ›ciwe dla archiwĂłw dĹ‚ugoterminowych ze wzglÄ™du na dĹ‚ugi czas ich pracy. W tabeli 1 porĂłwnano cechy archiwĂłw cyfrowych i baz danych. W artykule opisano wymagania, jakie powinno speĹ‚niać dĹ‚ugoterminowe archiwum cyfrowe. Pokazano takĹźe sposoby realizacji tych wymagaĹ„ i zwiÄ…zane z tym problemy na przykĹ‚adzie archiwum cyfrowego CREDO, ktĂłrego współtwĂłrcami byli autorzy.

3 J < < $ % " 3 ( " *) *! (!(! $ " " *! ** (!(!

!

-/L/ +( " * &+ CREDO (Cyfrowe Repozytorium Dokumentów) jest repozytorium cyfrowym, będącym wynikiem projektu o tej samej nazwie, wykonanego w ramach programu Narodowego Centrum Badań i Rozwoju DEMONSTRATOR+ [22] przez konsorcjum złoşone z Polskiej Wytwórni Papierów Wartościowych (lider projektu), Politechniki Warszawskiej oraz firmy Skytechnology Sp. z o.o.

27

) + + - ! A ! # A - ! "D Tab. 1. PorĂłwnanie cech baz danych i archiwĂłw cyfrowych Tab. 1. Comparison of the characteristics of databases and digital archives Baza danych

Archiwum płytkie

Archiwum głębokie

rejestracja i udostępnianie danych

przechowywanie i udostępnianie danych

przechowywanie danych

Czas eksploatacji

kilka – kilkadziesiąt lat

kilkadziesiÄ…t lat

kilkadziesiąt – kilkaset lat

Objętość danych

gigabajty – petabajty

terabajty – exabajty

interaktywne (OLTP, ang. OnLine Transaction Processing) lub wsadowe (hurtownie)

wsadowe

GĹ‚Ăłwny cel

Ĺ adowanie danych

interaktywne lub wsadowe

interaktywne lub wsadowe

wsadowe on request

częste

dość częste

rzadkie: WORO (ang. Write Once, Read Occasionally)

Odczyty danych

głównie tekstowa

głównie multimedialna

Wierność odtworzenia

konieczna 100%

w niektórych przypadkach dopuszczalne określone błędy

Modyfikacja zasobĂłw

moĹźliwa

niemoĹźliwa (tylko ograniczone modyfikacje metadanych)

Przeszukiwanie zasobĂłw

moĹźliwe

zwykle niemoĹźliwe (tylko przeszukiwanie metadanych)

Typ treści

Trwałość nośników Trwałość technologii Trwałość formatów Efektywność energetyczna

mało istotna

bardzo istotna

krytyczna

wystarczajÄ…ca

na ogół wystarczająca

niewystarczajÄ…ca

nie dotyczy

na ogół wystarczająca

niewystarczajÄ…ca

nieistotna

waĹźna

bardzo waĹźna

P7 Principle of Retention – zasada trwałości şąda, by informacja była przechowywana przez właściwy czas, zgodnie z przepisami i innymi wymaganiami. P8 Principle of Disposition – zasada dysponowania wymaga, by w sposób właściwy, zgodny z przepisami i lokalnymi politykami postępować z informacją, której nie trzeba juş dłuşej utrzymywać. O ile zasady P1, P2, P5 i P8 mają właściwie charakter prawno-organizacyjny i co najwyşej mogą być wspierane przez odpowiednie oprogramowanie, o tyle zasady P3, P4, P6 oraz P7 mają juş charakter wyraźnie techniczny, choć wymagają takşe odpowiedniego zaplecza prawno-organizacyjnego, np. odpowiednio zabezpieczonych fizycznie serwerowni. W archiwum cyfrowym ww. techniczne zasady moşna zrealizować stawiając następujące wymagania [13, 27, 28]. A1 Trwałość informacji cyfrowej – odpowiada zasadzie P7. A2 Weryfikowalność poprawności przechowywania – odpowiada zasadzie P3. A3 Dostępność informacji – odpowiada zasadzie P6. A4 Poufność informacji – odpowiada zasadzie P4. Dodano takşe pewne dodatkowe wymagania, niewynikające wprost z wyşej wymienionych zasad, ale niezbędne dla funkcjonowania archiwum. A5 Efektywność ekonomiczna przechowywania informacji – wymaganie niezbędne, by w długim horyzoncie moşna było realizować zasadę P7. A6 Standaryzacja archiwum – uşycie powszechnie przyjętych standardów zapewni realizację większości postulatów, w tym tych o charakterze nietechnicznym. A7 Certyfikacja archiwum – upewnia şe archiwum spełnia niezbędne postulaty i wymagania, w szczególności P2.

CREDO ma mĂłc peĹ‚nić funkcjÄ™ zarĂłwno bezpiecznego repozytorium krĂłtkoterminowego, jak i archiwum dĹ‚ugoterminowego. W tym drugim przypadku jest tzw. archiwum gĹ‚Ä™bokim. CREDO dziaĹ‚a zgodnie z zasadami zawartymi w powszechnie przyjÄ™tym standardzie OAIS [8]. Z zaĹ‚oĹźenia repozytorium CREDO jest dość uniwersalne, jego rzeczywiste oraz potencjalne zastosowania obejmujÄ… róşnego rodzaju archiwa (paĹ„stwowe, zakĹ‚adowe itp.), ale takĹźe potrzeby nadawcĂłw RTV i wytwĂłrni filmowych, rejestry archiwĂłw ksiÄ…g wieczystych [17] czy sĹ‚uĹźby zdrowia [26].

L/ < ) " Powszechnie uznane wymagania stawiane zbiorom zasobów cyfrowych organizacja ARMA International [2] zebrała w postaci tzw. Generally Accepted Recordkeeping Principles [7]. P1 Principle of Accountability – zasada odpowiedzialności wymaga istnienia osoby nadzorującej całość procesu zarządzania informacją. P2 Principle of Transparency – zasada transparentności mówi, iş cały proces przechowywania informacji powinien być udokumentowany w sposób otwarty i dający się zweryfikować. P3 Principle of Integrity – zasada integralności wymaga, by sposób przechowywania danych niezawodnie zapewniał ich autentyczność. P4 Principle of Protection – zasada ochrony mówi, şe informacja powinna być przechowywana w sposób zapewniający odpowiednią ochronę przed niepowołanym dostępem. P5 Principle of Compliance – zasada zgodności şąda, by informacja była przechowywana w sposób zgodny z wymogami prawa oraz przepisami i politykami lokalnymi. P6 Principle of Availability – zasada dostępności wymaga, by przechowywana informacja mogła być pozyskiwana na czas, w sposób efektywny i dokładnie.

28

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Te wymagania przedyskutowano w kolejnych podczęściach, pokazując teş sposób ich realizacji w CREDO. A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

) ) * + , & * + *

L/-/ ( 2[ " " PodstawowÄ… cechÄ… zasobu archiwalnego powinna oczywiĹ›cie być jego trwaĹ‚ość. Jak siÄ™ jednak okazuje, cecha ta moĹźe być róşnie rozumiana i jest przy aktualnym stanie technologii nadspodziewanie trudna do uzyskania. Znaczenie terminu „trwaĹ‚ośćâ€? nie jest wcale oczywiste. Z punktu widzenia celu przechowywania najwaĹźniejsze jest to, by zasĂłb mĂłgĹ‚ być w przyszĹ‚oĹ›ci prawidĹ‚owo zinterpretowany. MoĹźliwość dokĹ‚adnego odczytania przechowywanego ciÄ…gu bitĂłw, np. w postaci pliku, nie wystarcza zaĹ› do poprawnej interpretacji zasobu, gdyĹź moĹźe nie być znany format zapisu lub zabraknie informacji, jakÄ… wĹ‚aĹ›ciwie treść dany zasĂłb reprezentuje. Zatem niezawodność tzw. bitstream preservation nie wystarcza, by uznać zasĂłb za trwale uĹźyteczny. NiezbÄ™dne jest takĹźe co najmniej zapewnienie trwaĹ‚oĹ›ci formatu oraz istnienie trwaĹ‚ych metadanych pozwalajÄ…cych wyszukać zasĂłb i prawidĹ‚owo zinterpretować jego treść (por. 2.3). Z drugiej strony dla niektĂłrych rodzajĂłw zasobĂłw wierność bitstream preservation wcale nie jest niezbÄ™dna, by osiÄ…gnąć zadowalajÄ…cÄ… jakość przechowania zawartej w zasobie treĹ›ci, czyli tzw. content preservation. Na przykĹ‚ad znieksztaĹ‚cenie odosobnionych pikseli w fotografii czy teĹź niektĂłrych klatek w filmie nie przeszkadza istotnie we wĹ‚aĹ›ciwym odbiorze zawartych w takim dziele treĹ›ci. W dalszym ciÄ…gu tego tekstu terminu „trwaĹ‚ość informacji cyfrowejâ€? bÄ™dziemy uĹźywać w węşszym sensie, czyli bitstream preservation, pamiÄ™tajÄ…c jednak, Ĺźe nie jest to cecha wystarczajÄ…ca, jednoczeĹ›nie teĹź nie musi być konieczna dla ogĂłlnej poprawnoĹ›ci przechowywania zasobĂłw. Ze wzglÄ™du na wagÄ™ problemu trwaĹ‚oĹ›ci informacji cyfrowej, poĹ›wiecono mu osobnÄ… część 3.

L/L/ < " 2[ Weryfikowalność poprawnoĹ›ci przechowywania jest cechÄ… niezbÄ™dnÄ… dla zapewnienia trwaĹ‚oĹ›ci. Musi istnieć metoda sprawdzenia, czy nie doszĹ‚o do uszkodzenia informacji. Najprostsza jest oczywiĹ›cie weryfikacja samego przechowywanego strumienia bitĂłw: moĹźna do tego uĹźyć odpowiednio dobranej i przechowywanej, np. w metadanych, sumy kontrolnej. To jednak w wielu przypadkach nie wystarczy, potrzebne bywa takĹźe zapewnienie dodatkowych cech przechowywanej informacji: − integralnoĹ›ci – czyli pewnoĹ›ci, Ĺźe informacja pozostaje kompletna, np. w sensie wymagaĹ„ uĹźytego formatu, a takĹźe pewnoĹ›ci, Ĺźe nie dokonano nieuprawnionych modyfikacji informacji; − autentycznoĹ›ci – czyli zgodnoĹ›ci zawartoĹ›ci rzeczywistej z deklarowanÄ…, np. w metadanych zasobu; − niezaprzeczalnoĹ›ci – czyli moĹźliwoĹ›ci udowodnienia, Ĺźe twĂłrca informacji faktycznie jÄ… utworzyĹ‚. Pierwsze dwie z tych cech moĹźna skontrolować w czasie zapisywania zasobu, a jeĹ›li istnieje moĹźliwość udowodnienia wiernoĹ›ci przechowania strumienia bitĂłw, to cechy te nie zostanÄ… naruszone. W przypadku niezaprzeczalnoĹ›ci rzecz nie jest tak prosta, gdyĹź niezawodne stwierdzenie autorstwa danego zasobu wymaga podpisu cyfrowego. Ten zaĹ› dla swej pewnoĹ›ci wymaga Ĺ‚aĹ„cucha instytucji certyfikujÄ…cych. O ile w przypadku przechowywania krĂłtkoterminowego nie powoduje to specjalnych trudnoĹ›ci, to w archiwum dĹ‚ugoterminowym problem jest powaĹźny: nie moĹźna mieć pewnoĹ›ci, Ĺźe uĹźyte instytucje certyfikujÄ…ce bÄ™dÄ… istniaĹ‚y w odlegĹ‚ej przyszĹ‚oĹ›ci.

L/M/ + 2[ " Dla uşyteczności przechowywanej informacji kluczowe znaczenie ma moşliwość jej odnalezienia. Do tego niezbędne jest istnienie odpowiednich i łatwo dostępnych metadanych oraz

zapewnienie ich efektywnego przeszukiwania. Ze względu na wielkie znaczenie metadanych w przechowywaniu informacji poświęcono im osobną część 4. Uşytkowanie repozytorium ułatwia takşe odpowiednia jego organizacja logiczna. Najlepiej, jeśli jest ona zgodna z przyzwyczajeniami uşytkowników i stosowanymi przez nich procedurami. Archiwum cyfrowe moşna np. logicznie podzielić na tzw. zespoły archiwalne, podobnie jak dzieje się to w archiwach „analogowych�. Po odnalezieniu danego zasobu powinno być moşliwe jego pozyskanie w czasie dostosowanym do celu danego repozytorium. W repozytoriach bieşących oraz archiwach płytkich zwykle oczekuje się moşliwie krótkiego czasu dostępu do zasobu. Inaczej jest w archiwach głębokich, gdzie dostęp z zasady nie jest moşliwy natychmiast – na şądanie, lecz na zamówienie: zasób zamówiony dostarczany jest po pewnym czasie, niekiedy dość długim (dni, a nawet tygodnie). Wskazane jest, by po zamówieniu zasobu moşna było określić przewidywany czas jego pozyskania. Nie mniej waşna jest moşliwość prawidłowej interpretacji zasobu, szczególnie problematyczna przy przechowywaniu długoterminowym ze względu na starzenie się formatów zapisu cyfrowego. Jeśli bowiem nawet zachowano opis danego formatu, mogą juş nie istnieć narzędzia słuşące do jego odczytu. Z tego punktu widzenia waşne jest, by informacje przeznaczone do długotrwałego przechowywania zapisywać w formatach moşliwie prostych i samodokumentujących (świetnym przykładem jest tu XML) lub specjalnie przeznaczonych do celów archiwalnych (jak PDF/A). Niewskazane zaś jest przechowywanie w formatach prawnie zastrzeşonych (ang. proprietary), gdyş nie gwarantują one ani trwałości, ani zgodnej z prawem dostępności w odległej przyszłości. Samo poprawne odczytanie formatu informacji nie zapewnia jego poprawnej interpretacji. W wielu przypadkach prawidłowe zrozumienie informacji moşliwe jest tylko wtedy, gdy umiemy określić kontekst jej powstania, np. fotografia z jakiegoś wydarzenia moşe nie dać się właściwie zinterpretować, jeśli nie znamy czasu i miejsca jej wykonania i/lub przynajmniej zgrubnego opisu fotografowanego wydarzenia. Takich informacji dostarczają odpowiednie metadane skojarzone z zasobem, a niekiedy – a tak moşe być w przypadku fotografii cyfrowej – w nim zawarte.

L/Q/ ' " 2[ " Niezbędna jest gwarancja udostępnienia informacji jedynie podmiotom uprawnionym. Oprócz odpowiedniej ochrony softwarowej samego repozytorium powinna ona obejmować takşe ochronę kanałów zasilania i dystrybucji informacji oraz ochronę fizyczną serwerowni, miejsc przechowywania nośników itp. Powiązanym problemem jest ochrona prawna informacji: niektóre zasoby mogą stanowić własność prywatną lub być chronione prawnie z innych przyczyn.

L/S/ &" 2[ Archiwum – zwłaszcza długoterminowe – musi mieć akceptowalne koszty utrzymania. Archiwa cyfrowe mają znacznie mniejsze wymagania lokalowe od tradycyjnych, ale znaczącym składnikiem kosztów utrzymania są koszty energii. Obnişenie tych kosztów musi się jednak wiązać z pogorszeniem dostępności, gdyş oszczędności uzyskać moşna jedynie okresowo wyłączając zasilanie części urządzeń lub stosując nośniki niewymagające stałego zasilania, jak taśmy czy płyty CD. Takie nośniki jednak mają znacznie dłuşszy czas dostępu od pamięci dyskowej i raczej nie są przeznaczone do częstego dostępu. W przypadku repozytorium on-line moşliwości ograniczenia kosztów energii są zatem dość iluzoryczne. Inaczej jest w przypadku archiwum głębokiego: tu dostęp na zamówienie moşna

29

) + + - ! A ! # A - ! "D

Metadane AIP Metadane SIP

SIP

Metadane DIP

AIP

DIP

Ingest

Outgest

AIP

Producent

Konsument

... AIP

Rys. 1. Przepływ informacji w archiwum cyfrowym (uproszczony) Fig. 1. Information flow in the digital archive (simplified)

organizować tak, by minimalizować koszty energii. Efektywność energetyczna jest szczególnie waşna w przypadku repozytoriów opartych na pamięci dyskowej, gdyş stałe zasilanie duşego zespołu dysków, wraz z zarządzającymi nimi serwerami i chłodzeniem, jest bardzo kosztowne.

tylko spełniać typowe wymagania w zgodności z uznanymi standardami, ale ten fakt musi być potwierdzony przez niezaleşne zaufane instytucje. Istnieje zatem potrzeba certyfikacji archiwów cyfrowych. Wspomniany wyşej model referencyjny OAIS dostarcza terminologii i struktury logicznej wymagań, zaś zasady certyfikacji określa dokument of trustworthy digital repositories [15], stanowiący normę ISO 16363:2012. Co ciekawe, główne normy dotyczące przechowywania danych cyfrowych powstały pierwotnie na potrzeby badań kosmicznych. Być moşe powodem były szczególnie spektakularne przypadki utraty informacji, które zdarzyły się właśnie w tym środowisku, np. oryginalne taśmy z transmisją SSTV z lądowania Apollo 11 na Księşycu zostały wyczyszczone i uşyte jako nośniki dla programu LANDSAT [23]!

L/T/ 5 " Tylko zgodność ze standardami moşe zapewnić długookresową moşliwość poprawnej interpretacji zasobów zgromadzonych w archiwum cyfrowym. Jeśli bowiem archiwum nie korzysta z szeroko uznanych standardów, po dłuşszym czasie wiedza o tym, jak poprawnie korzystać z jego zawartości, moşe zaginąć. Standardy muszą dotyczyć zawartości archiwum, a zatem formatów przechowywanych zasobów, metadanych, organizacji danych itp. Takşe struktura archiwum i procedury jego działania powinny być zgodne ze standardami lub ogólnie przyjętymi dobrymi praktykami. Najwaşniejszym powszechnie uznanym standardem normującym sposób działania archiwów cyfrowych, zarówno pod względem technicznym jak i organizacyjnym, jest model referencyjny dla archiwów cyfrowych Open Archival Information System (OAIS) [8], stanowiący normę ISO 14721:2012.

M/ ( ( " " Głównym problemem w składowaniu informacji cyfrowej jest brak dostatecznie trwałych nośników danych cyfrowych. Istniejące nośniki, takie jak taśmy magnetyczne, dyski czy płyty CD, mają trwałość bardzo ograniczoną, od kilku do kilkudziesięciu lat, lecz by ją uzyskać, potrzebne są specjalne warunki przechowywania. Istnieją wprawdzie specjalne trwałe płyty M-DISK, dla których producent deklaruje około 1000 lat trwałości, dostępne są jednak w pojemności najwyşej BDXL, czyli 100 GB, co moşe wystarczać do archiwizacji zdjęć lub dokumentów, ale juş nie do archiwizacji filmów czy produkcji telewizyjnej; póki co nie zdobyły teş większej popularności. W przypadku najszerzej uşywanych nośników magnetycznych konieczne jest okresowe przepisywanie danych w celu odświeşenia zapisu, a takşe regularne „poruszanie� dyskami czy przewijanie taśm w celu uniknięcia problemów mechanicznych. Jest to kłopotliwe i kosztowne, więcej na ten temat napisano w części 3.1. Dość trwałym nośnikiem są pamięci w postaci kart pamięci, pendrive’ów czy teş dysków SSD, ale ich cena jest ciągle wysoka. Właściwie wszystkich typów pamięci cyfrowej dotyczy problem impulsu elektromagnetycznego, który moşe zniszczyć nośniki pamięci oraz czytniki, a zdarzyć się moşe np. na skutek zwiększonej aktywności Słońca. Inny problem to zmienne technologie: stare nośniki mogą nie pasować do dostępnych napędów. Problem ten dotyka szczególnie taśm magnetycznych, takşe w najszerzej uşywanym stan-

5 Zgodnie z zaleceniami OAIS i szeroko przyjÄ™tÄ… dobrÄ… praktykÄ…, przetwarzanie danych w archiwum powinno odbywać siÄ™ w tzw. sesjach archiwalnych. W czasie sesji Ingest z danych dostarczonych przez producenta zasobu archiwalnego w postaci tzw. Submission Information Package (SIP) tworzony jest pakiet archiwalny Archival Information Package (AIP), ktĂłry zostaje zapisany w archiwum. W sesji Outgest pakiet AIP jest pozyskiwany z repozytorium i przeksztaĹ‚cany na tzw. Dissemination Information Package (DIP), ktĂłry jest udostÄ™pniany odbiorcy. Uproszczony przepĹ‚yw informacji w archiwum przedstawiono na rys. 1. Warto zwrĂłcić uwagÄ™ na fakt, Ĺźe o ile kaĹźdy pakiet AIP powstaje z jednego pakietu SIP, to wyjĹ›ciowy pakiet DIP moĹźe zawierać treĹ›ci pozyskane z wielu pakietĂłw AIP, takĹźe pochodzÄ…cych od róşnych producentĂłw. Inne rodzaje sesji sĹ‚uşą do wyszukiwania informacji oraz do czynnoĹ›ci administracyjnych, np. badania poprawnoĹ›ci przechowywanych pakietĂłw.

L/\/ * " " By uşytkownik chcący przechowywać swoje zasoby w archiwum cyfrowym mógł mieć do tego archiwum zaufanie, musi ono nie

30

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 4/ 20 20

) ) * + , & * + *

Podsystem

SQL

Aplikacje

XML

XML

! " # $% &

pliki ' (

XML

XML

Podsystem

SQL

1.1

1.2

Podsystem

...

Bufor

Rys. 2. Architektura systemu CREDO Fig. 2. Architecture of the CREDO system

dardzie LTO. W tym przypadku znormalizowano wprawdzie kasety od strony mechanicznej, ale standard zapisu zmienia się, zachowując wsteczną kompatybilność tylko w stosunku do kilku ostatnich wersji.

M/-/ ( 2[ 2 ) Jednym z krytycznych wymagań przy projektowaniu archiwum jest zapewnienie, aby nośniki, na których będą przechowywane dane były bezawaryjne. Poniewaş jest to niemal niemoşliwe, naleşy zapewnić odpowiednie monitorowanie ich stanu i wykorzystanie procedur słuşących do relokacji danych i wymiany nośników zagroşonych awarią. Za realizację tych celów w CREDO odpowiada podsystem zarządzania trwałością (por. rys. 2). Jego zadaniem jest stworzenie wspólnego abstrakcyjnego mechanizmu słuşącego do dostarczania informacji na temat pojedynczego nośnika i zbiorów nośników, tzw. obszarów (najczęściej pochodzących z pojedynczego zakupu, od jednego producenta, a nawet z jednej serii produkcyjnej). Podsystem zarządzania trwałością daje podsystemowi zarządzania plikami wytyczne: z którego obszaru naleşy relokować pakiety, do którego obszaru naleşy relokować pakiety i które obszary naleşy uruchomić. Szczegółowe rozwiązanie dotyczące wykorzystywanych w archiwum nośników powinno być dopasowane do ich charakterystyk i dostępnych technologii. Zrealizowane w demonstracyjnej wersji archiwum rozwiązanie wykorzystuje dyski twarde jako wówczas najbardziej rozpowszechnione nośniki pamięci masowej. Wykorzystano wytyczne NARA (ang. U.S. National Archives and Record Administration) [3] odnośnie archiwizowanych danych, teorie niezawodności i dane S.M.A.R.T. cyklicznie odczytywane z dysków.

M/L/ Poniewaş nie dysponujemy technologiami dostatecznie niezawodnego długotrwałego przechowywania masowych danych cyfrowych, by wiarygodnie przechowywać zasoby cyfrowe, musimy uciec się do ich kopiowania i składowania wielu kopii. Na szczęście jedną z głównych zalet cyfrowej reprezentacji informacji jest moşliwość wiernego kopiowania. Archiwum cyfrowe musi zatem przechowywać wiele kopii przechowywanych zasobów [20]. Kopie te powinny być oczywiście przechowywane na odrębnych nośnikach i okresowo weryfikowane. + Niezawodność przechowywania znacząco poprawia dyslokacja, czyli rozproszenie lokalizacji przechowywania kopii. Uniezaleşnia funkcjonowanie archiwum od pojedynczego

punktu awarii oraz chroni zasoby przed negatywnymi skutkami wiÄ™kszoĹ›ci zdarzeĹ„ losowych. PoniewaĹź jest jedynym znanym sposobem zabezpieczenia zasobĂłw przed skutkami katastrof i kataklizmĂłw, naleĹźy uznać, Ĺźe w profesjonalnym archiwum cyfrowym wykorzystanie dyslokacji zasobĂłw jest niezbÄ™dne, a lokalizacje dyslokowanych kopii powinny być istotnie odlegĹ‚e i dobrze wybrane. WdroĹźenie repozytorium z dyslokacjÄ… moĹźe być zrealizowane nawet niskopoziomowo, w rozproszonym systemie plikĂłw. W przypadku archiwum cyfrowego zgodnego z wytycznymi OAIS lepszym rozwiÄ…zaniem wydaje siÄ™ jednak wysokopoziomowe zarzÄ…dzanie replikami caĹ‚ych pakietĂłw archiwalnych. + ] Dodatkowym postulatem, zwiÄ™kszajÄ…cym szanse poprawnego odczytania i interpretacji zasobu w odlegĹ‚ej przyszĹ‚oĹ›ci, jest dywersyfikacja sposobu zapisu zasobĂłw, tj. tzw. odrÄ™bność technologiczna kopii oraz zróşnicowanie formatĂłw zapisu.

4. Metadane Aby zasoby przechowywane w archiwum cyfrowym byĹ‚y uĹźyteczne, zwĹ‚aszcza w dalekiej przyszĹ‚oĹ›ci, trzeba zapewnić moĹźliwość sprawnego wyszukania informacji, weryfikacji jej autentycznoĹ›ci (ewentualnie stwierdzenia, jakie przechodziĹ‚a przeksztaĹ‚cenia) oraz jej poprawnej interpretacji, tak w sensie technicznym (format danych itd.) jak semantycznym (zrozumienie informacji w odpowiednim kontekĹ›cie itp.). ZapewniajÄ… to metadane opisujÄ…ce zarchiwizowane zasoby. Przechowuje siÄ™ metadane wielu rodzajĂłw [25], m.in.: − opisowe – identyfikujÄ…ce i opisujÄ…ce zasĂłb, uĹźywane np. do wyszukiwania; − techniczne – opisujÄ…ce sposĂłb utworzenia zasobu, niezbÄ™dne do jego prawidĹ‚owego odczytywania i interpretacji; − strukturalne – opisujÄ…ce strukturÄ™ zĹ‚oĹźonych (np. wieloczęściowych) obiektĂłw cyfrowych; − konserwatorskie – opisujÄ…ce proces archiwizacji i przechowywania zasobu, np. jego weryfikacjÄ™ i przeksztaĹ‚cenia (migracje); − prawne – okreĹ›lajÄ…ce prawa do zasobu i zakres jego dozwolonego udostÄ™pniania, − administracyjne – sĹ‚uşące do zarzÄ…dzania zasobem. Zalecane jest, by metadane opisujÄ…ce zasĂłb dostarczaĹ‚ jego producent w postaci osobnych ustandaryzowanych plikĂłw (reko-

31

) + + - ! A ! # A - ! "D

mendowanym formatem jest XML), ewentualnie w postaci tzw. metadanych zagłębionych (ang. embedded metadata, patrz [27]). Wiele typowych formatów plików multimedialnych umoşliwia umieszczanie metadanych zagłębionych. Takie moşliwości mają np. najpopularniejsze formaty graficzne (TIFF, JPEG) i audio (MP3). Przechowuje się tak zarówno metadane techniczne, zapisywane automatycznie przez urządzenia produkujące dane zasoby (np. metadane EXIF [4] tworzone przez aparaty fotograficzne i niektóre skanery), jak i metadane opisowe, wpisywane przez ludzi – twórców danego zasobu (np. metadane IPTC [6] opisujące zdjęcia). Metadane zagłębione mają tę zaletę, şe nie istnieje ryzyko ich zagubienia czy teş przyporządkowania do niewłaściwego zasobu. Dlatego chętnie się je wykorzystuje w obiegu informacji, np. przy przesyłaniu zdjęć. W przypadku archiwizacji zaleca się jednak, by kopia wyodrębnionych metadanych zagłębionych była osobno zapisywana w postaci czytelnych plików (np. w XML), co umoşliwi odczytanie tych metadanych bez znajomości formatu samego zasobu i bez konieczności uşycia specjalizowanego oprogramowania oraz ich uşycie w wyszukiwaniu zasobów. Oprócz metadanych pozyskanych od producenta zasobu, archiwum powinno takşe przechowywać wyprodukowane przez siebie metadane opisujące proces archiwizacji i przechowywania zasobu. Takie metadane zmieniają się w czasie przechowywania, gdyş odnotowywane są nie tylko wszelkie zmiany w przechowywanym zasobie, ale takşe kontrole poprawności zasobu, a niekiedy nawet wszystkie dostępy do niego.

alizowaną w technologii Oracle, która przechowuje informacje potrzebne do sterowania archiwum oraz kopie wybranych metadanych umoşliwiające wydajne wyszukiwanie zasobów. Pomocniczy system plików słuşy do przetwarzania metadanych. W tym podsystemie zawarte są takşe aplikacje udostepniające archiwum uşytkownikowi. W wersji demonstracyjnej CREDO zrealizowano je w technologii Oracle Application Express, ale moşliwe jest ich rozbudowywanie w innych technologiach. Aplikacje komunikują się z logiką podsystemu za pomocą API wystawionego przez bazę danych. ' ( 2 zajmuje się diagnostyką stanu nośników archiwum oraz optymalizacja dostępu do systemów plików archiwum pod względem efektywności energetycznej.

CREDO jest repozytorium cyfrowym mogącym pełnić funkcje repozytorium on-line oraz archiwum cyfrowego działającego zgodnie z wytycznymi OAIS, szczególnie jako długoterminowe archiwum głębokie. Z załoşenia repozytorium korzysta przede wszystkim z pamięci dyskowych, choć – dzięki jego otwartej i elastycznej architekturze – moşliwe jest zastosowanie innych rodzajów pamięci. W wersji demonstracyjnej archiwum cześć pamięci zrealizowano z uşyciem biblioteki taśm LTO. Jednym z waşniejszych postulatów realizowanych przez CREDO jest dostosowanie do zmienności technologii, m.in. dzięki modularności, wymienności nośników i systemów plików oraz wymienności technologii i komponentów systemu.

' przechowujÄ… wĹ‚aĹ›ciwÄ… zawartość archiwum. KaĹźdy z takich systemĂłw zawiera pewnÄ… liczbÄ™ systemĂłw plikĂłw, w ktĂłrych przechowuje siÄ™ zasoby (w wersji demonstracyjnej zrealizowano dwa systemy plikĂłw, w osobnych lokalizacjach). Ma teĹź pomocniczÄ… bazÄ™ danych rejestrujÄ…cÄ… parametry pracy noĹ›nikĂłw (np. parametry dyskĂłw S.M.A.R.T.), sĹ‚uşącÄ… do diagnostyki. Bufor archiwum, z osobnym systemem plikĂłw, sĹ‚uĹźy do bezpiecznej wymiany plikĂłw miÄ™dzy archiwum a podsystemem zarzÄ…dzania archiwum i systemem uĹźytkownika. Archiwum moĹźe zawierać wiele podsystemĂłw zarzÄ…dzania plikami, takĹźe zrealizowanych w róşnych technologiach. UmoĹźliwia to stworzenie osobnych podsystemĂłw dla szczegĂłlnie wymagajÄ…cych klientĂłw, na przykĹ‚ad potrzebujÄ…cych szczegĂłlnej ochrony zasobĂłw lub specyficznej ich lokalizacji. CaĹ‚e sterowanie odbywa siÄ™ za pomocÄ… usĹ‚ug sieciowych typu RESTful. DziÄ™ki takiej architekturze podsystem zarzÄ…dzania plikami moĹźe być fizycznie odrÄ™bny od reszty archiwum i geograficznie od niego odlegĹ‚y. MoĹźna teĹź Ĺ‚atwo Ĺ‚Ä…czyć lub dzielić istniejÄ…ce archiwa i przenosić caĹ‚e podsystemy miÄ™dzy archiwami, bez ich fizycznego kopiowania (skopiowania lub przeniesienia wymagajÄ… tylko metadane w bazie danych archiwum). LuĹşne poĹ‚Ä…czenie podsystemĂłw przez klarowne, standardowe interfejsy umoĹźliwia Ĺ‚atwe doĹ‚Ä…czenie do archiwum nowych podsystemĂłw plikowych, być moĹźe zbudowanych inaczej i w obecnie jeszcze nieistniejÄ…cych technologiach.

S/-/ 3 * &+

S/L/ ' ) * &+

Archiwum CREDO jest zbudowane z wyraźnie rozdzielonych podsystemów o dobrze określonych zadaniach, komunikujących się przez klarownie określone interfejsy, co przedstawiono na rys. 2. Podsystemy komunikują się wywołując wzajemnie swoje usługi lokalnie przez wystawione interfejsy programistyczne (API) lub zdalnie przez usługi sieciowe typu RESTful. Wymiana danych między podsystemami następuje przez bazę danych archiwum lub przez komunikaty XML w usługach RESTful. Architektura ta sprzyja rozbudowie systemu i wymienności komponentów, w szczególności systemów plików. Transmisja plików między podsystemami archiwum odbywa się przez zdalne katalogi zamontowane za pomocą protokołu sshfs. Do transmisji plików między archiwum a klientami uşywane są typowe protokoły sieciowe (np. ftp, scp). Klient ma dostęp wyłącznie do wydzielonego, przeznaczonego dla niego systemu plików, nie ma zaś şadnego dostępu do systemów plików samego archiwum.

5 Przetwarzanie danych odbywa się, zgodnie z wytycznymi OAIS, w sesjach archiwalnych. Uşytkownik steruje sesjami za pomocą udostępnionej przez CREDO aplikacji.

S/ # ( * &+

Ingest W czasie sesji Ingest pliki przeznaczone do archiwizacji umieszcza się w wydzielonym systemie plików uşytkownika, skąd zostają pobrane przez oprogramowanie archiwum. Pliki te stanowią pakiet SIP (patrz 2.6). Zalecane jest umieszczenie w takim pakiecie nie tylko samych zasobów, ale i plików z opisującymi je metadanymi. Część metadanych moşna takşe wprowadzić do systemu za pomocą aplikacji. Pliki pakietu SIP są kopiowane do bufora podsystemu zarządzania plikami. Odczytywane i analizowane są pliki z metadanymi. Pliki z archiwizowanymi zasobami są sprawdzane co do zgodności formatów z deklaracjami zawartymi w metadanych oraz co do zgodności skrótów cyfrowych, jeśli były one podane przez producenta zasobów. Jeśli pliki zawierają metadane zagłębione (patrz 4), są one wyodrębniane. Wybrane metadane są zapisywane do bazy danych archiwum. Wyliczane są skróty cyfrowe wszystkich plików; będą one uşywane do sprawdzania poprawności przechowywania. Do pakietu dołą-

' steruje działaniem archiwum oraz zarządza sesjami. Zawiera własną bazę danych, zre-

32

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 4/ 20 20

) ) * + , & * + *

czane sÄ… pliki z ustandaryzowanymi metadanymi opisowymi (zawierajÄ…cymi takĹźe informacje wyodrÄ™bnione z metadanych zagĹ‚Ä™bionych) oraz z metadanymi konserwatorskimi, zawierajÄ…cymi m.in. spis plikĂłw pakietu z ich skrĂłtami cyfrowymi oraz informacje o procesie archiwizacji. Tak uzupeĹ‚niony pakiet staje siÄ™ pakietem AIP i zostaje skopiowany do wĹ‚aĹ›ciwego systemu plikĂłw archiwum. JeĹ›li pakiet ma być przechowywany w kilku replikach wysokopoziomowych (zarzÄ…dzanych przez archiwum), takie repliki sÄ… tworzone w odpowiednich systemach plikĂłw. Na koniec sprawdzana jest poprawność wszystkich plikĂłw w docelowych lokalizacjach i – jeĹ›li wszystko jest w porzÄ…dku – bufory sÄ… opróşniane, a sesja Ingest koĹ„czy siÄ™. Search W sesjach Search uĹźytkownik moĹźe wyszukiwać zasoby z archiwum korzystajÄ…c z metadanych zgromadzonych w bazie danych archiwum. Sesje te w ogĂłle nie potrzebujÄ… dostÄ™pu do systemĂłw plikĂłw przechowujÄ…cych zasoby archiwum. MoĹźliwe jest m.in. wyszukiwanie konkretnych fraz w standardowej strukturze metadanych opisowych (DCMES, patrz 6.9), a takĹźe zadawanie dowolnych zapytaĹ„ w jÄ™zyku XQuery do ustandaryzowanej XML-owej reprezentacji metadanych. Wyniki wyszukania mogÄ… być zapisane i stanowić punkt wyjĹ›cia do kolejnych wyszukaĹ„ lub materiaĹ‚ dla sesji Outgest. Outgest Sesje Outgest buduje siÄ™ na podstawie wynikĂłw sesji Search. Wyszukane pakiety AIP sÄ… pozyskiwane z archiwum przez ich skopiowanie do bufora. Tworzony jest dodatkowy plik metadanych, opisujÄ…cy strukturÄ™ pozyskanych pakietĂłw oraz proces ich pozyskania. Wszystkie te pliki Ĺ‚Ä…cznie tworzÄ… pakiet DIP. Sprawdzana jest poprawność wszystkich plikĂłw pakietu, a nastÄ™pnie pakiet DIP jest kopiowany do systemu plikĂłw uĹźytkownika, ktĂłry moĹźe go pobrać za pomocÄ… typowych protokoĹ‚Ăłw plikowych. ! sÄ… prowadzone wewnÄ™trznie przez archiwum, bez udziaĹ‚u uĹźytkownika. MajÄ… one charakter konserwatorski: w czasie ich trwania wykonywane sÄ… okresowe sprawdzenia poprawnoĹ›ci przechowywania zasobĂłw, a w razie potrzeby dokonywana jest migracja na lepsze (bardziej niezawodne lub taĹ„sze w eksploatacji) albo nowsze noĹ›niki. JeĹ›li CREDO dziaĹ‚a jako archiwum gĹ‚Ä™bokie, ktĂłre z zaĹ‚oĹźenia nie gwarantuje dostÄ™pu on-line, sesja archiwalna moĹźe trwać dĹ‚ugo, nawet wiele dni. Sesja zainicjowana przez uĹźytkownika nie wymaga oczywiĹ›cie jego staĹ‚ego udziaĹ‚u; aktualny stan sesji uĹźytkownik moĹźe w kaĹźdej chwili sprawdzić za pomocÄ… aplikacji. Jednak czas oczekiwania na zamĂłwione przez uĹźytkownika rezultaty moĹźe być znaczny. Wynika to gĹ‚Ăłwnie z optymalizacji zuĹźycia energii przez archiwum (co opisano w części 6.6). Nie dotyczy to wyszukiwania zasobĂłw w sesjach Search – to jest zawsze szybkie, poniewaĹź taka sesja korzysta wyĹ‚Ä…cznie z metadanych zgromadzonych w bazie danych archiwum, a ta jest stale on-line.

T/ * &+ " Repozytorium CREDO spełnia wymagania techniczne stawiane archiwom cyfrowym, ma teş mechanizmy ułatwiające spełnienie wymagań o charakterze prawno-organizacyjnym. Szczegóły opisano nişej.

T/-/ ( 2[ " " W obecnej wersji CREDO podstawowym nośnikiem danych są dyski magnetyczne. Zbudowano w tej technologii dwa repozytoria o objętości 1 PB. Gdy stanie się to ekonomicznie opła-

calne, moĹźna bÄ™dzie bez modyfikacji systemu uĹźyć dyskĂłw SSD. Niewielki fragment repozytorium funkcjonuje – gĹ‚Ăłwnie do celĂłw doĹ›wiadczalnych – w oparciu o bibliotekÄ™ taĹ›m LTO. Budowa archiwum cyfrowego na pamiÄ™ciach dyskowych ma waĹźne zalety w porĂłwnaniu najczęściej spotykanych do archiwĂłw taĹ›mowych: − repozytorium moĹźe peĹ‚nić jednoczeĹ›nie rolÄ™ szybkiego archiwum pĹ‚ytkiego (np. podrÄ™cznego) i archiwum gĹ‚Ä™bokiego; − nawet w przypadku archiwum gĹ‚Ä™bokiego Ĺ‚atwo jest zapewnić sprawny dostÄ™p do metadanych potrzebnych do wyszukiwania informacji oraz do zarzÄ…dzania archiwum; − weryfikacja poprawnoĹ›ci zapisu oraz jego konserwacja, czyli okresowe poruszanie noĹ›nikami oraz przepisywanie danych, nie nastrÄ™cza problemĂłw technicznych ani organizacyjnych i jest szybka; − sprawna i Ĺ‚atwa jest takĹźe migracja na nowe noĹ›niki, np. w celu wymiany noĹ›nikĂłw zuĹźytych. Takie rozwiÄ…zanie ma teĹź jednak wady: − przechowywanie porĂłwnywalnej wielkoĹ›ci danych jest droĹźsze niĹź w archiwach taĹ›mowych; częściowo jest to jednak rĂłwnowaĹźone przez znacznie mniejsze koszty obsĹ‚ugi; − trzeba rozwiÄ…zać problem kosztĂłw energii, ktĂłrej zuĹźycie przez dziaĹ‚ajÄ…ce on-line archiwum dyskowe jest znacznie wiÄ™ksze niĹź w archiwach taĹ›mowych (zastosowane rozwiÄ…zanie opisano w części 6.6). Otwarta architektura CREDO pozwoli bez wiÄ™kszych problemĂłw uĹźyć w przyszĹ‚oĹ›ci innych, nowych noĹ›nikĂłw i wĹ‚Ä…czyć do CREDO oprogramowanie optymalizujÄ…ce sposĂłb ich uĹźycia, np. inne metody zarzÄ…dzania energiÄ…, inne algorytmy badania niezawodnoĹ›ci czy dodatkowe zabezpieczenia. CREDO potrafi teĹź automatycznie migrować dane na nowe noĹ›niki. 5 ) * &+ W obecnej wersji CREDO stosowany jest rozproszony system plikĂłw SZPAK, zbudowany na bazie otwartego systemu plikĂłw MooseFS [21]. Ten system plikĂłw pozwala na tworzenie niskopoziomowych replik, a nawet na ich dyslokacje. Zawiera teĹź pewne potrzebne w archiwum mechanizmy pomocnicze, np. obliczanie sum kontrolnych plikĂłw. MoĹźna jednak w CREDO uĹźyć standardowych systemĂłw plikĂłw. Repozytorium obsĹ‚uĹźy bez wiÄ™kszych problemĂłw dowolny system plikĂłw zgodny z POSIX. Nie musi to nawet być rozwiÄ…zanie natywne danego systemu plikĂłw, zgodność z POSIX moĹźna bowiem uzyskać dziÄ™ki dodatkowej warstwie abstrakcji, np. FUSE over FUSE. * &+ Repozytorium automatycznie wykonuje potrzebne relokacje danych, w tym automatycznÄ… „ucieczkÄ™â€? z noĹ›nikĂłw niepewnych lub oznaczonych przez operatora jako przestarzaĹ‚e. Optymalizacja alokacji i relokacji nastÄ™puje z uwzglÄ™dnieniem danych statystycznych dotyczÄ…cych awaryjnoĹ›ci (patrz 6.2), majÄ…c za cel umieszczenie danych na najpewniejszych dostÄ™pnych noĹ›nikach. * &+ Zastosowano dwa poziomy replikacji. Replikacja niskopoziomowa wykonywana jest na poziomie systemu plikĂłw. Replikacja wysokopoziomowa jest zarzÄ…dzana przez archiwum na poziomie replik caĹ‚ych pakietĂłw archiwalnych. Kopie pakietĂłw sÄ… binarnie identyczne, nie moĹźna zatem automatycznie zrealizować dywersyfikacji formatĂłw. MoĹźliwe jest natomiast tworzenie replik odrÄ™bnych technologicznie, np. na róşnych systemach plikĂłw lub na róşnych noĹ›nikach (dyski + taĹ›my). KaĹźda z replik wysokopoziomowych powinna być zapisana w wielu kopiach niskopoziomowych lub korzystać

33

) + + - ! A ! # A - ! "D

z innych metod wspomagania niezawodności, np. kodów korekcyjnych.

Wymagane przez archiwum metadane umoşliwiają zaś kontrolę zgodności zawartości pakietu oraz formatu plików deklaracjami. Co do niezaprzeczalności, to do jej zapewnienia potrzebna jest infrastruktura podpisu cyfrowego, a to wymaga trwałego istnienia odpowiedniego łańcucha instytucji certyfikujących. Samo archiwum oczywiście nie moşe tego zapewnić, moşe jedynie przechowywać odpowiednie certyfikaty. Trzeba jednak pamiętać, şe w kontekście przechowywania wieczystego moşliwość zagwarantowania trwałości instytucji certyfikujących jest bardzo wątpliwa.

+ * &+ Załoşono, şe w ramach archiwum zasoby będą dyslokowane w co najmniej dwóch odległych lokalizacjach. Dyslokację zrealizowano jako replikację wysokopoziomową zarządzaną przez archiwum. Replikę pakietu archiwalnego moşna umieścić w konkretnym systemie plików. Systemy plików mieszczą się w odrębnych repozytoriach, znajdujących się w odległych od siebie lokalizacjach. W planach rozwojowych CREDO przewidziano takşe moşliwość dyslokacji w ramach federacji archiwów, ze wzajemną świadomością posiadania kopii i stanu ich poprawności oraz z koordynacją działań związanych z ryzykiem uszkodzenia kopii.

T/Q/ + 2[ " Wyszukiwanie zasobĂłw w CREDO jest wykonywane efektywnie dziÄ™ki kopiom kluczowych metadanych przechowywanym w bazie danych archiwum. PoniewaĹź jest to wysokiej klasy relacyjna baza danych Oracle, zapytania sÄ… w niej wykonywane z wysokÄ… wydajnoĹ›ciÄ…. W tej bazie danych przechowywane sÄ… miÄ™dzy innymi metadane opisowe, zrzutowane do standardu Dublin Core [9] i zapisane w strukturze relacyjnej, oraz wskazane metadane w XML. Baza danych przechowuje teĹź róşnorodne identyfikatory zasobĂłw (DOI, URI itp.), ktĂłrych moĹźna uĹźyć do wyszukiwania. Oracle oferuje róşne mechanizmy wyszukiwania w metadanych: zapytania do danych relacyjnych w SQL, wyszukiwanie w XML za pomocÄ… zapytaĹ„ w jÄ™zyku XQuery oraz wyszukiwanie peĹ‚notekstowe. Baza danych archiwum jest stale dostÄ™pna on-line, a przeszukiwanie zapisanych w niej metadanych nie wymaga dostÄ™pu do gĹ‚Ăłwnego systemu plikĂłw archiwum, nie powoduje zatem dodatkowych kosztĂłw energii zwiÄ…zanych z takim dostÄ™pem. Korzystanie z archiwum CREDO uĹ‚atwia jego organizacja logiczna, odpowiadajÄ…ca organizacji klasycznych archiwĂłw. Pakiety archiwalne zapisywane w archiwum sÄ… podzielone na tzw. zespoĹ‚y archiwalne. KaĹźdy zespół archiwalny ma swojego wĹ‚aĹ›ciciela. Czas dostÄ™pu do odnalezionego zasobu zaleĹźy od trybu pracy CREDO. JeĹ›li system lub odpowiednia jego część pracuje jako repozytorium on-line czy archiwum pĹ‚ytkie, dostÄ™p do zasobu jest szybki, poniewaĹź zasoby sÄ… skĹ‚adowane na dyskach. Czas dostÄ™pu odpowiada wĂłwczas praktycznie czasowi dwukrotnego kopiowania zasobu: z systemu plikĂłw archiwum do bufora dostÄ™powego oraz z tego bufora na noĹ›nik uĹźytkownika. JeĹ›li mamy do czynienia z archiwum gĹ‚Ä™bokim, czas dostÄ™pu zaleĹźy od polityki zarzÄ…dzania energiÄ… i moĹźe być dĹ‚ugi, liczony nawet w dniach czy tygodniach. System optymalizuje bowiem dostÄ™p tak, by moĹźliwie rzadko wĹ‚Ä…czać zasilanie zespoĹ‚Ăłw dyskĂłw. Poprawność odczytu i interpretacji zasobĂłw moĹźna zapewnić przechowujÄ…c je wyĹ‚Ä…cznie w odpowiednich formatach, szeroko uĹźywanych i znormalizowanych. Archiwum rekomenduje uĹźycie takich formatĂłw, a prĂłba zapisu danych w formatach niezalecanych wywoĹ‚uje odpowiednie ostrzeĹźenia. W przypadku formatĂłw rekomendowanych, archiwum CREDO przechowuje ich specyfikacje jako chronione zasoby systemowe. Dodatkowe informacje potrzebne do interpretacji zasobu, np. opisowe czy techniczne, mogÄ… być pozyskane z metadanych przechowywanych w pakiecie archiwalnym wraz z zasobem. Szczegóły opisano w części 6.9.

T/L/ ( 2 " Aby zapewnić trwałość archiwizowanych zasobów, naleşy stale monitorować zarówno je jak i sprzęt, na którym są one składowane. W CREDO mamy do czynienia z regularnym dwupoziomowym monitorowaniem stanu zasobów archiwalnych. Na poziomie systemu plików są cyklicznie kontrolowane sumy kontrolne niskopoziomowych porcji informacji (tzw. chunks). Natomiast na poziomie archiwum równieş cyklicznie sprawdzana jest kompletność pakietów oraz poprawność skrótów cyfrowych dla poszczególnych plików naleşących do kaşdego pakietu. W obecnej implementacji wykorzystywana jest funkcja skrótu SHA-256, ale moşliwe jest dostosowanie algorytmu słuşącego do obliczania skrótu do potrzeb, a takşe równoczesne wykorzystanie wielu standardów. Naleşy pamiętać, şe w archiwum głębokim nośniki są przez większość czasu wyłączone. Powoduje to potrzebę planowania, często z duşym wyprzedzeniem, operacji zarówno konserwacyjnych jak i tych związanych z sesjami Ingest czy Outgest, które zapisują lub odczytują odpowiednie pakiety. Na podstawie danych zapewnianych przez podsystem zarządzania trwałością jest obliczane prawdopodobieństwo awarii dla kaşdego nośnika i, kiedy przekroczy ono progową wartość, nośnik jest wprowadzany do harmonogramu operacji monitorowania. Takşe całe obszary mają zagregowaną miarę prawdopodobieństwa awarii. Ponadto dane te są wykorzystywane do określenia czy dany nośnik naleşy wyznaczyć jako cel relokacji dla potencjalnych pakietów, czy teş naleşy określić nośnik jako zagroşony awarią i zacząć planować przeniesienie pakietów, które się na nim znajdują. Zapewnienie trwałości na poziomie nośników polega na ich przemagnesowaniu (w wypadku nośników magnetycznych), przewinięciu (taśmy LTO), czy teş uşyciu innych metod, specyficznych dla danego sprzętu.

T/M/ < " 2[ CREDO zapewnia weryfikacjÄ™ zarĂłwno integralnoĹ›ci jak i autentycznoĹ›ci zapisanych w repozytorium zasobĂłw. Okresowe sprawdzenia sÄ… wykonywane automatycznie. Integralność zasobĂłw moĹźna sprawdzić dziÄ™ki temu, Ĺźe zasoby sÄ… opatrzone metadanymi, a dodatkowo kopia wybranych metadanych jest przechowywana osobno w bazie danych archiwum. Weryfikacja integralnoĹ›ci obejmuje sprawdzenie kompletnoĹ›ci pakietĂłw oraz niezmiennoĹ›ci zapisu na podstawie zawartych w metadanych skrĂłtĂłw cyfrowych. Autentyczność zasobĂłw moĹźe być zweryfikowana na podstawie metadanych. PoniewaĹź metadane sÄ… zapisane w XML, czyli w formacie otwartym i samodokumentujÄ…cym, poprawna ich interpretacja bÄ™dzie moĹźliwa nawet po wielu latach. Kopie metadanych w bazie danych archiwum sÄ… z kolei zapisane w elastycznych strukturach, ktĂłre pozwalajÄ… na zapis metadanych w róşnych standardach, takĹźe jeszcze nieistniejÄ…cych.

34

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

T/S/ ' " 2[ " Repozytorium CREDO zapewnia poufność powierzonej mu do przechowania informacji. Ochrona fizyczna i zabezpieczenia techniczne serwerowni są zgodne z najwyşszymi standardami przemysłowymi, co wynika ze specyfiki podstawowej działalności PWPW – lidera projektu. Dostęp do interfejsów systemu CREDO jest moşliwy wyłącznie w chronionej sieci VPN. Uşytkownicy systemu nigdy nie mają bezpośredniego dostępu do systemu plików archiwum. System plików archiwum jest teş A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

) ) * + , & * + *

chroniony przed nieprawidłowymi działaniami samego oprogramowania archiwum: wydzielony podsystem bezpieczeństwa uprawnia programy CREDO do operowania na plikach archiwum tylko w niezbędnym zakresie i na niezbędny czas. Z zasady repozytorium udostępnia zasoby jedynie ich właścicielowi oraz uşytkownikom przez niego upowaşnionym. Dla zasobów wymagających szczególnych zabezpieczeń moşna w repozytorium stworzyć osobne systemy plików, podlegające szczególnej ochronie, np. fizycznie umieszczone w specjalnych odrębnych lokalizacjach.

T/T/ &" 2[ Długi okres przechowywania danych w archiwum CREDO narzuca szczególnie ostre wymagania dotyczące zuşycia energii. Dostęp do danych wymaga uruchomienia odpowiedniego nośnika lub załadowania kasety z taśmą do czytnika. Kluczowe jest takie zarządzanie przechowywaniem informacji, dostępem do niej i działaniami konserwatorskimi aby, uwzględniając bezpieczeństwo przechowywania i dostępu, brać pod uwagę całkowity koszt działania archiwum, w tym koszt zuşycia energii. Opracowanie odpowiednich algorytmów zarządzania wymaga właściwej identyfikacji źródeł kosztów i ryzyk związanych z bezpieczeństwem. Koszty mieszczą się w jednej z dwóch kategorii: obsługi bieşącej (w tym energii) oraz zuşycia sprzętu. W przypadku składowania danych na klasycznych dyskach twardych (HDD) koszt energii zuşytej w trakcie całego okresu uşytkowania dysku (kilka lat) jest porównywalny do kosztu zakupu dysku, ale przy załoşeniu, şe dysk jest cały czas aktywny. Koszt ten spada znacząco jeśli w okresie bezczynności dysk jest na pewien czas wyłączany. Koszt energii zuşywanej na ponowne włączanie dysku jest zaniedbywalny. Składowanie taśm magnetycznych wymaga znacznie mniejszego zuşycia energii, związanego głównie z operacjami odczytu lub zapisu oraz klimatyzacją magazynów. Koszt zuşycia sprzętu wynika wprost z kosztu zakupu i czasu uşytkowania. Typowy dysk twardy pracujący w trybie ciągłym ma deklarowany średni czas między awariami (MTBF) na poziomie 500 do 1000 tys. godzin, jednak rzeczywiste dane [16] wskazują na prawdopodobieństwo awarii w ciągu roku na poziomie 1% do 10%, zaleşnie od modelu dysku. Równieş liczba uruchomień dysku jest ograniczona i w przypadku większości napędów oscyluje wokół 300 tys. Nie powinno to jednak stanowić większego problemu, o ile dostęp do danych zostanie rozsądnie zaplanowany. Niestety, brak jest danych opisujących trwałość nośnika dyskowego w scenariuszach zakładających jego okresowe wyłączanie. W przypadku taśm magnetycznych producenci deklarują trwałość na poziomie 30 lat, jednak w praktycznych zastosowaniach spada ona do około 10 lat, a chęć zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa danych powoduje, şe taśmy nie powinny być uşywane dłuşej niş 4 lata. Najbardziej ograniczającą cechą taśm magnetycznych w zastosowaniach archiwalnych jest niewielka maksymalna liczba przewinięć taśmy, czyli w praktyce liczba operacji zapisu/odczytu. Wynika ona z fizycznej degra-

Rys. 3. Przykładowa procedura Fig. 3. Sample procedure

dacji nośnika, skutkującej częstszymi błędami. Przyjmuje się, şe liczba przewinięć taśmy nie powinna przekraczać 150. Kolejnym ograniczeniem tego medium jest maksymalna liczba taśm, które mogą być jednocześnie odczytywane/zapisywane. Jest to równowaşne liczbie czytników zainstalowanych w systemie taśmowym. Generalna zasada jest, şe koszt zakupu sprzętu i nośników taśmowych jest znacząco większy od kosztu uşytkowania, a zwłaszcza od kosztu energii. Znając szczegółowe charakterystyki uşycia energii i zuşycia sprzętu moşna prawidłowo zaprojektować algorytmy zarządzające archiwum długoterminowym, zapewniające bezpieczeństwo i niskokosztowe zarządzanie danymi. Faktyczne zadanie, które zostało postawione przed projektantami CREDO, moşe zostać przedstawione następująco. Dany jest zbiór planowanych operacji, np. odczytu, zapisu czy prac konserwatorskich. Operacje te są pogrupowane w procedury. Kaşda procedura jest sekwencją zbiorów operacji wykonywanych równolegle (rys. 3). Dana operacja ma zdefiniowany przedział czasowy, w którym musi się rozpocząć i zakończyć. Chwila rozpoczęcia operacji moşe być narzucona lub pozostawiona do decyzji algorytmowi zarządzania/harmonogramowania. Niektóre z operacji wymagają dostępu do obszarów przechowywania danych. W tabeli 2 wyszczególniono wszystkie istotne parametry operacji.

Tab. 2. Podstawowe parametry operacji Tab. 2. Basic parameters of an operation

Pred

ZbiĂłr operacji poprzedzajÄ…cych (w ramach procedury)

Odst

Obowiązkowy odstęp czasu po poprzedniej operacji

T e, T l

Przedział czasu, w którym operacja moşe być wykonywana

Src

ZbiĂłr obszarĂłw do odczytu (tylko jeden zostanie wybrany)

[Tor ] Dst

[Tow ] [Sow ]

Czas odczytu z kaĹźdego obszaru o ∈ Src ZbiĂłr obszarĂłw do zapisu (tylko jeden zostanie wybrany) Czas zapisu na kaĹźdy z obszarĂłw o ∈ Dst Rozmiar zapisu na kaĹźdy z obszarĂłw o ∈ Dst (moĹźe być róşny)

Lock

Rodzaj blokady zasobu (obszaru): brak, tylko zapis, pełna

Ts

Predefiniowany czas startu (nie musi być ustawiony)

Tab. 3. Podstawowe parametry obszaru Tab. 3. Basic parameters of an area

Size

Rozmiar obszaru

Used

Zajęty rozmiar (bajty)

R, W

Maksymalna liczba operacji odczytu i zapisu wykonywanych jednocześnie

Toff

Minimalny czas bezczynności skutkujący wyłączeniem

Cup

Koszt uruchomienia obszaru

Con

Jednostkowy koszt działania obszaru

Rel

Współczynnik niezawodności

35

) + + - ! A ! # A - ! "D

Obszar przechowywania danych jest najmniejszÄ… niepodzielnÄ… częściÄ… archiwum o znanej pojemnoĹ›ci, ktĂłra moĹźe zostać tymczasowo wyĹ‚Ä…czona. Obszar moĹźe skĹ‚adać siÄ™ z pewnej liczby noĹ›nikĂłw danych, ktĂłre z punktu widzenia algorytmu harmonogramowania dostÄ™pu sÄ… nierozróşnialne. Parametry tych noĹ›nikĂłw mogÄ… jednak mieć wpĹ‚yw na niektĂłre zagregowane parametry obszaru, jak np. trwaĹ‚ość i pewność przechowywanych informacji. Obszary stanowiÄ… zasoby krytyczne. W szczegĂłlnoĹ›ci majÄ… ograniczony rozmiar oraz liczbÄ™ rĂłwnolegĹ‚ych odczytĂłw/ zapisĂłw. Dodatkowo, niektĂłre operacje wymagajÄ… dostÄ™pu do obszarĂłw na zasadzie wyĹ‚Ä…cznoĹ›ci. KaĹźdy obszar ma przypisane parametry niezbÄ™dne dla wyznaczenia prawidĹ‚owego harmonogramu operacji, takie jak koszt uruchomienia obszaru, koszt dziaĹ‚ania, minimalny czas bezczynnoĹ›ci pozwalajÄ…cy wyĹ‚Ä…czyć obszar czy współczynnik niezawodnoĹ›ci danych. NajwaĹźniejsze parametry obszarĂłw zostaĹ‚y zebrane w tabeli 3. Dla kaĹźdej operacji jest zdefiniowany zbiĂłr obszarĂłw, z ktĂłrych jeden zostanie wybrany do odczytu, i zbiĂłr obszarĂłw, z ktĂłrych jeden zostanie wybrany do zapisu. Ostateczny harmonogram operacji zawiera informacje nie tylko o tym, w jakim momencie dana operacja siÄ™ rozpoczyna i koĹ„czy, ale takĹźe o tym, do jakich obszarĂłw uzyskuje dostÄ™p. ModuĹ‚ zarzÄ…dzania, a w nim algorytm harmonogramowania, dostarcza zoptymalizowanego harmonogramu speĹ‚niajÄ…cego kilka kryteriĂłw/celĂłw: minimalizacja caĹ‚kowitego kosztu uĹźycia archiwum w horyzoncie czasowym, maksymalizacja bezpieczeĹ„stwa i spĂłjnoĹ›ci skĹ‚adowanych danych, rĂłwnowaĹźenie zajÄ™toĹ›ci obszarĂłw, rĂłwnowaĹźenie operacji zapisu/odczytu miÄ™dzy obszarami. Algorytm bazuje na rozbudowanej heurystyce konstrukcyjnej. Harmonogram jest tworzony sekwencyjne dla kaĹźdej nowo pojawiajÄ…cej siÄ™ operacji, ktĂłra wymaga zaplanowania. SpoĹ›rĂłd moĹźliwych rozwiÄ…zaĹ„ jest wybierane takie, dla ktĂłrego koszt kraĹ„cowy wartoĹ›ci funkcji celu jest najmniejszy (najmniejszy wzrost wartoĹ›ci funkcji celu). Wartość funkcji celu jest przy tym agregacjÄ… kryteriĂłw dokonanÄ… z uwzglÄ™dnieniem preferencji decydenta. UwzglÄ™dniane sÄ… jednak tylko te rozwiÄ…zania, dla ktĂłrych nie sÄ… przekroczone Ĺźadne ograniczenia, takie jak kolejność wykonania w ramach procedury, pojemność obszaru, maksymalna liczba rĂłwnolegĹ‚ych operacji odczytu/ zapisu w obszarze itp. Opracowany algorytm jest wysoce parametryzowalny, a przy tym efektywny zarĂłwno ze wzglÄ™du na czas wyznaczania harmonogramu, jak i na jego jakość. Bierze pod uwagÄ™ wiele rzeczywistych ograniczeĹ„ i wymagaĹ„, a decydentom pozwala wyraĹźać róşne preferencje dotyczÄ…ce bezpieczeĹ„stwa, niezawodnoĹ›ci czy efektywnoĹ›ci energetycznej.

w odległej przyszłości. Archiwum CREDO rekomenduje stosowanie właściwych formatów oraz ostrzega w przypadku uşycia niezalecanych. Dokumentacja uşytych formatów powinna być dostępna w archiwum i powiązana z zasobami. CREDO ma wspierające to mechanizmy.

T/_/ * " Budując repozytorium CREDO załoşono, şe korzystające z niego archiwum musi być zdatne do certyfikacji. Jest to moşliwe dzięki zgodności z modelem referencyjnym OAIS i przejrzystej architekturze systemu z dobrze określonym podziałem zadań. Zapewniono niezbędne do certyfikacji szczegółowe rejestrowanie wszelkich zdarzeń w archiwum w dziennikach (logach). Poniewaş nie ma krajowych instytucji certyfikujących, całą dokumentację systemu przygotowano w języku angielskim.

T/./ * &+ Archiwum CREDO umoĹźliwia przechowywanie wszelkiego rodzaju metadanych. Zapewnia teĹź specjalne przetwarzanie metadanych konserwatorskich oraz wybranych metadanych opisowych i technicznych. W pakiecie SIP moĹźna zawrzeć manifest w formacie METS [18], w ktĂłrym deklaruje siÄ™ m.in. dostarczone pliki, ich skrĂłty cyfrowe i formaty; mogÄ… tam takĹźe znajdować siÄ™ metadane opisowe. JeĹ›li manifestu nie dostarczono, archiwum tworzy listÄ™ plikĂłw, ktĂłrÄ… uĹźytkownik weryfikuje i uzupeĹ‚nia, np. o deklaracje formatĂłw. W czasie sesji Ingest archiwum weryfikuje zgodność dostarczonego pakietu z takÄ… deklaracjÄ…. Do sprawdzenia formatu pliku i jego wersji nie tylko na podstawie rozszerzenia, ale takĹźe na podstawie zawartoĹ›ci, zastosowano narzÄ™dzie DROID [5]. O ile dany format na to pozwala, archiwum odczytuje z pliku metadane zagĹ‚Ä™bione za pomocÄ… narzÄ™dzia Apache Tika [1]. Metadane moĹźna teĹź wprowadzić lub uzupeĹ‚nić rÄ™cznie przy pomocy aplikacji archiwum. Wybrane metadane uĹźyteczne do wyszukiwania informacji, gĹ‚Ăłwnie opisowe i techniczne, sÄ… zapisywane w bazie danych archiwum. Metadane o prostej budowie klucz-wartość sÄ… zapisywane w strukturze relacyjnej, zapewniajÄ…cej bardzo efektywne wyszukiwanie. Zastosowano tu elastycznÄ… strukturÄ™ generycznÄ…, co umoĹźliwia przechowywanie metadanych pochodzÄ…cych z róşnych standardĂłw i Ĺ‚atwe uwzglÄ™dnienie standardĂłw nowych. Metadane bardziej zĹ‚oĹźone mogÄ… być zapisane w formacie XML; takie metadane mogÄ… być przeszukiwane za pomocÄ… zapytaĹ„ w jÄ™zyku XQuery. PoniewaĹź baza danych zapisuje dokumenty XML nie jako tekst, ale w postaci tzw. drzew DOM, przeszukiwanie takie moĹźe takĹźe być dość wydajne. W bazie danych przechowywane sÄ… takĹźe metadane konserwatorskie, rejestrujÄ…ce wszystkie procedury wykonywane na zasobach przez archiwum. Wszystkie pliki metadanych dostarczone oryginalnie w pakiecie SIP, sÄ… bez zmian zapisywane w pakiecie archiwalnym (AIP). Archiwum dodaje takĹźe wĹ‚asny plik manifestu w formacie METS, definiujÄ…cy zawartość pakietu AIP, oraz plik metadanych konserwatorskich w formacie PREMIS [19], opisujÄ…cy proces archiwizacji. Po kaĹźdym dziaĹ‚aniu na pakiecie AIP, np. po okresowym sprawdzeniu poprawnoĹ›ci pakietu, plik PREMIS jest wymieniany na nowÄ… wersjÄ™, uzupeĹ‚nionÄ… o opisy ostatnich czynnoĹ›ci. Przechowywanie metadanych w oryginalnej formie dostarczonej przez producenta zasobĂłw jest potrzebne ze wzglÄ™du na zachowanie oryginalnoĹ›ci informacji i poprawnÄ… interpretacjÄ™ zasobĂłw. Nie sprzyja jednak efektywnemu wyszukiwaniu informacji, nie pozwala bowiem na formuĹ‚owanie prostych i ujednoliconych kryteriĂłw wyszukiwania. Dlatego w CREDO

T/\/ 5 * &+ Tworząc repozytorium CREDO starano się w maksymalny sposób wykorzystać istniejące normy. Zapewniono więc zgodność „filozofii� i działania systemu ze standardem OAIS. Samo repozytorium zapewnia oczywiście jedynie zgodność techniczną ze standardem. Standard obejmuje teş zagadnienia prawno-organizacyjne, których nie moşna zrealizować technicznie, lecz powinny być zapewnione przez instytucję zarządzającą archiwum. W przypadku metadanych tworzonych i przechowywanych przez archiwum uşyto standardowych formatów (patrz punkt 6.9). Techniczna konstrukcja repozytorium takşe gdzie to moşliwe wykorzystuje standardy, m.in. POSIX [14], FUSE [11] oraz wiele standardów związanych z XML. Producentom archiwizowanych zasobów zaleca się korzystanie z formatów zasobów oraz metadanych zgodnych z otwartymi i powszechnie uznanymi standardami. Uşycie takich formatów zapewni poprawną interpretację zasobów takşe

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

NR 4/ 20 20

) ) * + , & * + *

wprowadzono unifikacjÄ™ metadanych opisowych, ktĂłre najczęściej wykorzystuje siÄ™ do wyszukiwania, przez rzutowanie dostarczonych metadanych na powszechnie uĹźywany standard Dublin Core Metadata Element Set [10]. SposĂłb rzutowania, bazujÄ…cy na wyszukiwaniu w XML-owej reprezentacji metadanych za pomocÄ… jÄ™zyka XQuery, jest nadspodziewanie prosty, elastyczny i Ĺ‚atwy do rozszerzenia. W czasie sesji Outgest tworzony jest pakiet DIP, ktĂłry moĹźe zawierać zasoby z wielu pakietĂłw archiwalnych. Dlatego oprĂłcz metadanych zawartych w pakietach AIP archiwum dodaje do pakietu DIP dodatkowy plik manifestu w formacie METS, definiujÄ…cy zawartość tego pakietu, oraz plik metadanych konserwatorskich w formacie PREMIS, opisujÄ…cy czynnoĹ›ci, jakie na dostarczanych zasobach zostaĹ‚y wykonane przez archiwum. Zrealizowane funkcjonalnoĹ›ci dotyczÄ…ce metadanych umoĹźliwiajÄ… m.in. weryfikacjÄ™ poprawnoĹ›ci przechowywania pakietĂłw archiwalnych, wydajne wyszukiwanie zasobĂłw wedĹ‚ug zróşnicowanych kryteriĂłw oraz moĹźliwość kontroli wszystkich operacji wykonywanych przez archiwum na przechowywanych zasobach. DziÄ™ki temu moĹźliwe jest speĹ‚nienie wymagaĹ„ stawianych archiwom cyfrowym, m.in. co do trwaĹ‚oĹ›ci, weryfikowalnoĹ›ci, integralnoĹ›ci, autentycznoĹ›ci i dostÄ™pnoĹ›ci informacji przechowywanej w archiwum.

−

−

−

\/ '

DĹ‚ugoterminowa archiwizacja zasobĂłw cyfrowych staje siÄ™ coraz waĹźniejszym, choć sĹ‚abo uĹ›wiadomionym, problemem naszej „cywilizacji cyfrowejâ€?. Nie ma powszechnie uznanych i dostÄ™pnych rozwiÄ…zaĹ„, ktĂłre przy rozsÄ…dnych kosztach pozwoliĹ‚yby przedsiÄ™biorstwom, urzÄ™dom czy twĂłrcom medialnym bezpiecznie przechowywać tworzone zasoby cyfrowe. Niezwykle szybki i zwykle cieszÄ…cy nas rozwĂłj technologii cyfrowych w kontekĹ›cie przechowywania dĹ‚ugoterminowego stanowi raczej ĹşrĂłdĹ‚o problemĂłw, gdyĹź sposoby zapisu informacji (rozwiÄ…zania sprzÄ™towe oraz formaty danych) zmieniajÄ… siÄ™ bardzo szybko i juĹź nawet po kilku latach moĹźe być bardzo trudno odczytać zasoby przechowywane na przestarzaĹ‚ych noĹ›nikach czy w formatach, ktĂłre wyszĹ‚y z uĹźycia. Tymczasem chcielibyĹ›my mĂłc przechowywać informacje przez kilkadziesiÄ…t czy nawet kilkaset lat, zachowujÄ…c gwarancjÄ™ moĹźliwoĹ›ci ich odczytania i poprawnej interpretacji. PoniewaĹź jednak problem istnieje od lat, dopracowano siÄ™ przynajmniej zbioru zasad i standardĂłw, ktĂłre powinny być uwzglÄ™dnione przy przechowywaniu informacji cyfrowej. W tym artykule starano siÄ™ przedstawić gĹ‚Ăłwne problemy oraz najwaĹźniejsze z owych zasad i standardĂłw. Tekst oparto na doĹ›wiadczeniach zdobytych przy tworzeniu Cyfrowego Repozytorium DokumentĂłw CREDO, ktĂłre powstaĹ‚o jako tzw. demonstrator, czyli rodzaj rozwiniÄ™tego prototypu, majÄ…cego stanowić proof-of-concept dla zaproponowanej technologii. Na podstawie doĹ›wiadczeĹ„ zdobytych przy tworzeniu systemu CREDO sformuĹ‚ować moĹźna nastÄ™pujÄ…ce wnioski. − IstniejÄ…ce i powszechnie uznane zasady i standardy dotyczÄ…ce przechowywania oraz archiwizacji zasobĂłw cyfrowych wydajÄ… siÄ™ stanowić wystarczajÄ…cÄ… podstawÄ™ do budowy archiwĂłw cyfrowych, w tym archiwĂłw dĹ‚ugoterminowych. − Szeroko stosowane formaty plikĂłw w niewielkim stopniu odpowiadajÄ… potrzebom archiwizacji dĹ‚ugoterminowej. ZastrzeĹźeĹ„ nie moĹźna mieć wĹ‚aĹ›ciwie tylko do prostych plikĂłw tekstowych, do dokumentĂłw w XML, o ile majÄ… prostÄ… strukturÄ™ lub istnieje dokumentacja tej struktury, oraz do formatu PDF/A, specjalnie dostosowanego do celĂłw archiwizacji. Powszechne uĹźycie dokumentĂłw w formatach

−

−

−

prawnie zastrzeşonych (ang. proprietary), w dodatku na ogół szybko i nie zawsze w dobrze kontrolowany sposób ewoluujących, stanowi duşy problem w kontekście archiwizacji. Istniejące nośniki danych cyfrowych mają zdecydowanie zbyt małą trwałość w stosunku do oczekiwań, zwłaszcza związanych z archiwizacją długoterminową. W dodatku niemal şadne nośniki nie są odporne na impuls elektromagnetyczny. Powstały wprawdzie „kamienne� płyty optyczne o potencjalnie wielusetletniej trwałości, ale ich pojemności są mizerne wobec potrzeb, zwłaszcza w kontekście przechowywania multimediów, np. produkcji telewizyjnej czy filmowej. Niezbędnym sposobem zabezpieczenia zasobów cyfrowych jest więc ich wielokrotne kopiowanie i dyslokacja. Obecnie stosowane technologie podpisywania dokumentów cyfrowych, które mogą takşe słuşyć do zapewnienia niezaprzeczalności zasobów, bazują na tzw. infrastrukturze klucza publicznego. Ta zaś zaleşy od istnienia zaufanych instytucji certyfikujących. W przypadku archiwów długoterminowych to rozwiązanie nie sprawdzi się, gdyş trudno od instytucji, zwykle komercyjnych, oczekiwać wieczystego trwania. Choć większość archiwów cyfrowych wykorzystuje taśmy LTO ze względu na stosunkowo niski koszt samych nośników i ich utrzymania, archiwum bazujące na dyskach okazało się mieć wiele zalet, w tym moşliwość łatwego wykorzystania jako repozytorium dostępnego on-line, nieporównanie łatwiejsze prowadzenie czynności konserwatorskich (okresowe sprawdzenia i odświeşanie zapisu, migracje itp.) oraz uniknięcie problemów z kompatybilnością nowych nośników ze starymi napędami. Koszty budowy takiego rozwiązania są wprawdzie wyşsze, ale – dzięki optymalizacji zuşycia energii – koszty eksploatacji mogą być porównywalne lub nawet nişsze. Dominująca obecnie tendencja, by metadane zasobów cyfrowych zapisywać w specjalnych dialektach XML, wydaje się bardzo korzystna. Dobrze skonstruowane dokumenty XML są samoopisujące, zatem nawet w bardzo odległej przyszłości mogą być poprawnie interpretowane. Przetwarzanie XML jest relatywnie łatwe, a narzędzia temu słuşące są rozwinięte i dostępne, co pozwala wygodnie i efektywnie przeszukiwać, przetwarzać i wytwarzać metadane składowanych w archiwum zasobów. Tworzenie archiwum cyfrowego dla instytucji, która ma zamiar nie tyle sama z niego korzystać, ile wynajmować przestrzeń w archiwum innym podmiotom, nie okazało się pomysłem szczęśliwym. Lepiej byłoby, jak się wydaje, tworzyć archiwum bezpośrednio dla instytucji mającej w nim przechowywać swoje zasoby. W takim przypadku zaangaşowanie przyszłego właściciela archiwum byłoby zapewne znacznie większe, łatwiejsze byłoby takşe uzyskanie informacji o rzeczywistych potrzebach przyszłych uşytkowników systemu. Nie sprawdził się pomysł, by wytworzony w wyniku prac badawczo-rozwojowych projekt przechodził na własność partnera przemysłowego. Takie rozwiązanie uniemoşliwia bowiem samodzielne kontynuowanie prac badawczych przez partnera naukowego, zaś partner przemysłowy moşe nie być zainteresowany dalszymi badaniami po zakończeniu ich finansowania przez państwowego sponsora.

Mimo opisanych trudności i problemów, projekt CREDO dowiódł, şe stworzenie spełniającego ogólnie przyjęte wymagania cyfrowego archiwum długoterminowego w oparciu o pamięć dyskową i uznane technologie informatyczne jest moşliwe przy zaangaşowaniu rozsądnych środków i w stosunkowo krótkim czasie.

37

) + + - ! A ! # A - ! "D

'

20. Marasek K., Walczak J., Traczyk T., Płoszajski G., Kazmierski A., Koncepcja elektronicznego archiwum wieczystego. „Studia Informatica�, T. 30, Nr 2B, 2009, 275–307. 21. MooseFS. http://moosefs.com. Dostęp: 2020-08-07. 22. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Demonstrator+ Wsparcie badań naukowych i prac rozwojowych w skali demonstracyjnej. https://www.ncbr.gov.pl/programy/programy-krajowe/demonstrator-wsparcie-badan-naukowychi-prac-rozwojowych-w-skali-demonstracyjnej. Dostęp: 2020-08-11. 23. National Aeronautics and Space Administration. The Apollo 11 telemetry data recordings: A final report. https://www.nasa.gov/pdf/398311main_Apollo_11_ Report.pdf. Dostęp: 2020-08-02. 24. Pałka P., Śliwiński T., Traczyk T., Ogryczak W., Persistence management in digital document repository. Kozielski S. i in., redaktorzy, Advanced Technologies for Data Mining and Knowledge Discovery: 12th International Conference BDAS, Ustroń, Poland, 2016, 668–682. Springer International Publishing, DOI: 10.1007/978-3-319-34099-9_52. 25. Płoszajski G. (ed.), Standardy techniczne obiektów cyfrowych przy digitalizacji dziedzictwa kulturowego. Biblioteka Główna Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008. 26. Teng C.-C., Mitchell J., Walker C., Swan A., Davila C., Howard D., Needham T., A medical image archive solution in the cloud. Software Engineering and Service Sciences (ICSESS), 2010 IEEE International Conference on, 2010, 431–434. IEEE, DOI: 10.1109/ICSESS.2010.5552343. 27. Traczyk T., Ogryczak W., Pałka P., Śliwiński T., Digital Preservation: Putting It to Work, Vol. 700, Studies in Computational Intelligence. Springer International Publishing, 2017, DOI: 10.1007/978-3-319-51801-5. 28. Wallace C., Pordesch U., Brandner R., Long-term archive service requirements. http://www.ietf.org/rfc/rfc4810.txt, March 2007. Dostęp: 2020-08-11.

Projekt Cyfrowe repozytorium dokumentów – CREDO realizowany był w latach 2013–2016 w ramach przedsięwzięcia pilotaşowego NCBiR „Wsparcie badań naukowych i prac rozwojowych w skali demonstracyjnej DEMONSTRATOR+� oraz był współfinansowany z działania 1.5 POIG. Umowa nr UOD-DEM-1-385/001.

# " 1. Apache Tika. http://tika.apache.org. Dostęp: 2020-09-02. 2. ARMA international – Association of Records Managers and Administrators. https://www.arma.org/. Dostęp: 202007-15. 3. National Archives and Records Administration (NARA). http://www.archives.gov/. Dostęp: 2020-00-29. 4. Exchangeable image file format for digital still cameras: Exif version 2.3. http://www.cipa.jp/std/documents/e/ DC-008-2012_E.pdf, 2012. Dostęp: 2020-08-11. 5. DROID: file format identification tool. https://www.nationalarchives.gov.uk/information-management/manage-information/preserving-digital-records/droid/, 2013. Dostęp: 2020-08-11. 6. IPTC photo metadata. http://www.iptc.org/site/Photo_ Metadata/, 2014. Dostęp: 2020-08-11. 7. ARMA International. Generally accepted recordkeeping principles. https://www.arma.org/page/principles. Dostęp: 2020-07-15. 8. Consultative Committee for Space Data Systems. Reference model for an open archival information system (OAIS). Recommended practice. https://public.ccsds.org/pubs/650x0m2.pdf, June 2012. Dostęp: 2020-08-11. 9. Dublin Core Metadata Initiative. http://dublincore.org/. Dostęp: 2020-08-11. 10. Dublin Core Metadata Initiative. Dublin core metadata element set, version 1.1. http://dublincore.org/documents/ dces, 2012. Dostęp: 2020-08-11. 11. Filesystem in Userspace (FUSE). https://github.com/libfuse/libfuse. Dostęp: 2020-08-20. 12. Ghosh P., Google’s Vint Cerf warns of ‘digital Dark Age’. http://www.bbc.com/news/science-environment-31450389, Luty 2015. BBC News. Dostęp: 2020-08-11. 13. Huhnlein D., Korte U., Langer L., Wiesmaier A., A comprehensive reference architecture for trustworthy long-term archiving of sensitive data. 3rd International Conference on New Technologies, Mobility and Security, 2009, 1–5, IEEE, DOI: 10.1109/NTMS.2009.5384830. 14. POSIX.1-2017. The Open Group Base Specifications Issue 7. http://pubs.opengroup.org/onlinepubs/9699919799, 2018. Dostęp: 2020-08-20. 15. International Standard Organization. Space data and information transfer systems – audit and certification of trustworthy digital repositories ISO 16363:2012. 16. Klein A., One billion drive hours and counting: Q1 2016 hard drive stats. http://www.backblaze.com/blog/hard-drive-reliability-stats-q1-2016. Dostęp: 2020-09-29. 17. Lemieux V.L., Evaluating the use of blockchain in land transactions: An archival science perspective. “European Property Law Journal�, Vol. 6, No. 3, 2017, 392–440, DOI: 10.1515/eplj-2017-0019. 18. Library of Congress. Metadata encoding & transmission standard. http://www.loc.gov/standards/mets. Dostęp: 2020-08-11. 19. Library of Congress. PREMIS preservation metadata maintenance activity. http://www.loc.gov/standards/premis. Dostęp: 2020-09-29.

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

NR 4/ 20 20

) ) * + , & * + *

0 / > X &F< H & > @ & + ;\ > +;@J 0 () Long-term archiving of digital resources is a serious problem that has not yet found sufficient attention from the IT industry, nor widely available solutions. Preservation of usability of stored resources in the digital archive requires not only reliable storage of data files, but also the possibility of efficient searching, as well as verification of data authenticity and its correct interpretation both in the technical (data format, etc.), and semantic sense (information understanding in an appropriate context, etc.). The paper discusses these problems and presents solutions adopted in the CREDO project. KeywordsJ &F &$ & > " & $ " & $ " & $ "

' "

' 6 4

% " ORCID: 0000-0002-0006-363X

% " ORCID: 0000-0002-5111-1830

T " 8 " ; F < = > 0 8 $ &" " (!!' T & / F - ? / & $ ? & F $ & " F $ / " . & " $ &? & " & " / ? > - " $ / "

T " 8 " ; < = > 0 8 $ &" " (!!P

" ? V -F & $ " $ V " " ` & F $ & $ " " /? $ F $ & "

'

% " ORCID: 0000-0002-6602-4094 T " 8 " ; F < = > 0 F 8 $ &" " *'E) > " = H = > F " ? " F T & / - ? > / " ^NX$ / " ? > - _ & " F & - /? >

39

NR 3/2015

40

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 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 41–46, DOI: 10.14313/PAR_238/41

0 & " " JM=@F*' # . 0 "

N 0 . 8 " 0 & J $ = -" = G 0 " $ N # / & E$ (FP!! J

Artykuł porusza problematykę uwarunkowań kulturowych decyzji podejmowanych w warunkach ryzyka i niepewności, ze szczególnym uwzględnieniem zachowań konsumentów w dobie pandemii COVID-19. Analizę reakcji na sytuację kryzysową oparto na teorii perspektywy D. Kahnemana, którą wykorzystano do porównania zachowań na wczesnym etapie pandemii na przykładzie Polski, Włoch, Wielkiej Brytanii i Singapuru. Głównym celem podjętych rozwaşań jest wykazanie skali i siły oddziaływania determinant kulturowych na strategie zaspokajanie potrzeb przetrwania i bezpieczeństwa w sytuacji kryzysowej. Przeprowadzona analiza oraz diagnoza narodowych strategii przetrwania słuşy tworzeniu produktów zgodnie z behawioralnymi i kulturowymi determinantami postaw i preferencji konsumentów. Na podstawie wybranych rozwiązań technologicznych monitorujących zachowania pracowników w środowisku roboczym zaprezentowano automatyczne systemy wspomagające zarządzanie personelem w okresie pandemii COVID-19 podnoszące poziom dobrostanu psychicznego i bezpieczeństwa sanitarnego. 5( J " JM=@F*'$ ? $ $ / $ " $ .$ = +

1. Wprowadzenie 11 marca 2020 r. Światowa Organizacja Zdrowia (WHO) uznała wirus SARS-CoV-2 wywołujący COVID-19 za zagroşenie na skalę globalną i ogłosiła stan pandemii [5]. Decyzja ta pociągnęła za sobą ogromne straty w sferze ekonomicznej – notowania i prognozy Banku Światowego wskazują na najgłębszą globalną recesję od dziesięcioleci. Polska gospodarka równieş została dotkliwie osłabiona – w kwietniu 2020 r. produkcja sprzedana przemysłu była nişsza o 24,6 % w porównaniu z kwietniem 2019, kiedy notowano wzrost o 9,2 %, natomiast w porównaniu z marcem 2020 r. spadła o 25,5 % [4]. Kryzys na taką skalę to sytuacja, w której moşliwości i zdolności jednostek oraz grup są wystawione na powaşną próbę. Gwałtowna utrata równowagi i rosnące poczucie zagroşenia nadają priorytety zachowaniom słuşącym zaspokajaniu elementarnych potrzeb – liczy się przetrwanie i bezpieczeństwo.

3 J + > 0 $ > %" " " 3 ( " *) !' (!(! $ " " ** *( (!(!

!

Nasilają się ludzkie predyspozycje i skłonności, których diagnoza jest utrudniona ze względu na utajoną (niepoddającą się indywidualnej refleksji) strukturę postaw ludzkich [14]. Z powyşszym korespondują wyniki eksperymentów i obserwacji prowadzonych w nurcie ekonomii behawioralnej – podmioty decyzyjne nawet w okresach równowagi cechuje niepełna racjonalność, ograniczona samokontrola oraz podatność na wpływ społeczny [25]. Problem ten jest szczególnie waşny w Polsce – poziom lęku o bezpieczeństwo rodziny i osób najblişszych jest u Polaków najwyşszy w całej Europie, co bezpośrednio przekłada się na decyzje podejmowane przez konsumentów [26]. Problem badawczy podniesiony w artykule dotyczy identyfikacji i pomiaru determinant zachowań wywołanych sytuacją pandemiczną COVID-19. Problematyka uwarunkowań decyzji podejmowanych w warunkach ryzyka i niepewności w dobie pandemii została oparta o dwie kategorie uwarunkowań: behawioralne oraz kulturowe. Analizę reakcji na sytuację kryzysową osadzono na gruncie teorii perspektywy D. Kahnemana (podejmowanie decyzji w warunkach niepewności i ryzyka). Następnie, w celu porównania reakcji na pandemię w wybranych krajach, czynniki behawioralne zostały uzupełnione o determinanty kulturowe. Istotną część problemu badawczego stanowi rozpoznanie skali i siły oddziaływania determinant kulturowych w sytuacji kryzysowej na strategie zaspokajania potrzeb, w tym przede wszystkim przetrwania i bezpieczeństwa. Ostatnia część problematyki obejmuje dostosowanie produktów do behawioralnych i kulturowych determinant postaw

41

) + - + iM 'Xg> !

- A & - A - -

i preferencji konsumentów oraz narzędzia i moşliwe działania w zakresie zarządzania kryzysowego w przedsiębiorstwach.

Daniel Kahneman zwraca uwagę, şe taki tryb działania to dla członków nowoczesnych społeczeństw przemysłowych źródło rozmaitych błędów i zniekształceń poznawczych. Błędy te wynikają stąd, şe współczesny system społeczny jest, w sensie ilości informacji otaczających człowieka – daleko bardziej złoşony i wymagający, niş środowisko naturalne. Pierwotne wzorce behawioralne nie odpowiadają wymogom cywilizacji naukowo-technicznej, jednak w momentach kryzysowych aktywują się w sposób automatyczny. Wybuch pandemii doświadczany jest jako awaria na najszerszą skalę, gdyş wszechobecnemu poczuciu zagroşenia (potencjalna bliskość śmiercionośnego patogenu) towarzyszy szok poznawczy (skokowy wzrost kompleksowości otoczenia). Zwłaszcza w początkowej fazie pandemicznej turbulencji, gdy dominuje niepewność i ryzyko – instynktownie bronimy się wybierając automatyczny tryb działania [12]. Powyşszy schemat decyzyjny generuje wzory behawioralne (powtarzające się zachowania), które mają istotną wartość prognostyczną, a trwający obecnie kryzys uwypukla rolę i znaczenie tych skłonności. Wiedza w tym zakresie ma wartość strategiczną – zdolność do przewidywania ludzkich zachowań pozwala na projektowanie systemów decyzyjnych, które optymalizują koszty produkcji i transakcji oraz skuteczniej zaspokajają potrzeby konsumentów. Ponadto, w kontekście zarządzania kryzysowego poszukiwane są rozwiązania wspomagające przedsiębiorstwa w organizowaniu interakcji międzyludzkich. Są to rozmaite narzędzia wykorzystujące technologię 4.0, czyli rozwiązania do automatycznego monitorowania dystansu i kontaktu – parametrów interakcji międzyludzkich ściśle skorelowanych z transmisją koronawirusa. Dalsza część artykułu zostanie więc poświęcona diagnozie postaw względem pandemii COVID-19, zarówno w kontekście zachowań konsumentów, jak i zarządzania przedsiębiorstwem. Wnioskom towarzyszyć będą rozwiązania słuşące identyfikacji uwarunkowań niepewności, kontroli ryzyka oraz zapewnieniu bezpieczeństwa. Decyzje zakupowe konsumentów działających na ogarniętych pandemią rynkach uwarunkowane są przez splot potrzeb na określone produkty oraz powszechnie dostępnych informacji na temat biegu wydarzeń. Postawa względem produktu wynika z kombinacji następujących, opisujących go atrybutów: obiektywne kryteria uşyteczności (wartość uşytkowa bezpośrednio mierzalna), wartość psychologiczna (subiektywne odczucia, oczekiwania i satysfakcja płynąca z konsumpcji danego produktu), wartość symboliczna (produkt jako dys-

L/ J ( w okresie pandemii COVID-19 Społeczeństwo konsumpcyjne u progu trzeciej dekady XXI wieku wymaga specyficznej analizy – zachowania rynkowe, w tym zachowania konsumentów, to często wybory pośród rozległych i rozproszonych danych (bogata oferta rynkowa i wielowymiarowa struktura wartości produktów), pod presją czasu (mnogość potrzeb wymaga szybkich decyzji) i przy wszechobecnej perswazji (promocja i reklama) [14]. Są to warunki pełne ryzyka i niepewności, a obecny kryzys tylko te trudności zwiększa. Model decyzyjny odpowiadający takim determinantom opisany został przez ekonomię behawioralną, w szczególności przez teorię perspektywy, za którą w 2002 r. D. Kahneman otrzymał nagrodę Nobla w dyscyplinie ekonomii [3].

Rys. 1. Krzywa wartości dla zysków i strat wg teorii perspektywy Fig. 1. Prospect theory value function

Rys. 2. Fazy procesu decyzyjnego Fig. 2. Phases of decision-making process

Zgodnie z tym modelem, proces decyzyjny w warunkach niepewności i ryzyka przebiega w oparciu o następujące reguły (rys. 1) [11]: 1. Preferowany jest zysk mniejszy, ale pewny, nad większy, ale niepewny. 2. Preferowana jest strata większa, ale niepewna, nad stratą mniejszą, lecz nieuniknioną. Powyşszy rozkład preferencji ma podłoşe ewolucyjne – w sytuacji zagroşenia ludzie reagują odruchowo, a więc szybko, intuicyjne, w sposób heurystyczny (maksymalnie uproszczony).

42

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

tynkcja – oznaka statusu, noĹ›nik toĹźsamoĹ›ci, mediator norm i wartoĹ›ci). Z kolei informacje ksztaĹ‚tujÄ…ce postawy w danej sytuacji decyzyjnej obejmujÄ… wpĹ‚yw spoĹ‚eczny, w tym odziaĹ‚ywanie mediĂłw, autorytetĂłw, lokalnej spoĹ‚ecznoĹ›ci oraz norm i wartoĹ›ci kulturowych. ObserwujÄ…c zachowania konsumentĂłw w krajach dotkniÄ™tych pandemiÄ… zauwaĹźa siÄ™ przede wszystkim znaczÄ…ce róşnice w strategiach decyzyjnych na etapie oceny alternatyw, spoĹ›rĂłd ktĂłrych na czoĹ‚o wysuwajÄ… siÄ™: „kupować na zapas vs nie kupowaćâ€?, „poddawać siÄ™ kwarantannie vs funkcjonować wzglÄ™dnie swobodnieâ€? [28].

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

" )

M/ 3 J Za punkt wyjĹ›cia do analizy narodowych strategii wzglÄ™dem ryzyka posĹ‚uĹźyĹ‚y przykĹ‚ady odpowiadajÄ…ce fundamentalnym ludzkim potrzebom. PoniĹźsza analiza dotyczy poczÄ…tkowych reakcji na pandemiÄ™ COVID-19, czyli lokalnie obserwowanych strategii zapewnienia podstaw egzystencji: 1. PRZETRWANIE: obserwowane w Polsce i we WĹ‚oszech zachowania w zakresie zakupĂłw dokonywanych na potrzeby bieşącej konsumpcji (Ĺźywność, Ĺ›rodki czystoĹ›ci), czyli strategii indywidualnego przetrwania. 2. BEZPIECZEĹƒSTWO: sposoby zachowania bezpoĹ›rednio skorelowane z rozprzestrzenianiem siÄ™ COVID-19 (WĹ‚ochy, Polska, Wielka Brytania, Singapur). Polscy konsumenci rozpoczÄ™li masowe tworzenie zapasĂłw duĹźo intensywniej, niĹź konsumenci wĹ‚oscy – w dzieĹ„ ogĹ‚oszenia pandemii ze sklepowych półek w szybkim tempie znikaĹ‚ prowiant i to pomimo faktu, iĹź tego dnia nie zanotowano jeszcze w RP zgonu spowodowanego patogenem (pierwsza oficjalna ofiara COVID19 w Polsce zostaĹ‚a zarejestrowana 12 marca 2020 r., gdy we WĹ‚oszech odnotowano juĹź 1020 zgonĂłw) [17]. PostawÄ™ WĹ‚ochĂłw przez dĹ‚ugi czas cechowaĹ‚ optymizm – w lutym, gdy dane alarmowaĹ‚y o wybuchu epidemii, konsumenci niezmiennie spotykali siÄ™ w restauracjach, a podczas zalecanej kwarantanny wyjeĹźdĹźali na wakacje i nie inwestowali w prowiant [19]. Profil behawioralno-decyzyjny oparty na teorii perspektywy ukazuje tabela 1. Jak widać, w sytuacji zagroĹźenia konsument wĹ‚oski tak dĹ‚ugo, jak tylko pozwalaĹ‚o na to prawo, przedkĹ‚adaĹ‚ bieşącÄ… przyjemność nad inwestowanie w przyszĹ‚ość (utrzymanie normalnego poziomu i stylu konsumpcji, w tym jedzenie w restauracjach, unikanie tworzenia zapasĂłw i hamowania konsumpcji), nie byĹ‚ skĹ‚onny do „wykupienia polisy ubezpieczeniowejâ€? (cena poczucia bezpieczeĹ„stwa w formie prowiantu wydaĹ‚a mu siÄ™ zbyt wysoka), pokĹ‚adaĹ‚ za to nadziejÄ™ w pomyĹ›lnym rozwoju wypadkĂłw w przyszĹ‚oĹ›ci (ryzyko gĹ‚odu traktowaĹ‚ jako wzglÄ™dnie niskie - moĹźliwe do zaakceptowania). Tymczasem, konsument polski odsunÄ…Ĺ‚ przyjemnoĹ›ci na bok (teraĹşniejszość budzi niepokĂłj zamiast satysfakcji) i inwestowaĹ‚ w prowiant (przesĹ‚anka: Ĺźywność jutro moĹźe być droĹźsza i trudniej dostÄ™pna), byĹ‚ rĂłwnieĹź skĹ‚onny do poniesienia pewnej straty natychmiast (wydaĹ‚ pieniÄ…dze na zapasy, ktĂłre sÄ… warunkiem przetrwania), nie pokĹ‚adajÄ…c szczegĂłlnych nadziei w przyszĹ‚oĹ›ci (dominujÄ…cy w Polsce sposĂłb myĹ›lenia „nadchodzi kryzys – bÄ™dzie tylko gorzejâ€?). Druga pĹ‚aszczyzna analizy strategii wzglÄ™dem ryzyka dotyczy potrzeby bezpieczeĹ„stwa. WytyczajÄ… jÄ… ramy spoĹ‚eczno-organizacyjne, gĹ‚Ăłwnie zaĹ› sposoby zachowania bezpoĹ›rednio skorelowane z rozprzestrzenianiem siÄ™ COVID-19, czyli – zabezpieczanie siÄ™ przed infekcjÄ…. Do porĂłwnania dodano WielkÄ… BrytaniÄ™ (ktĂłra obraĹ‚a strategiÄ™ peĹ‚nego ryzyka: kwarantanna tylko dla osĂłb po Tabela 1. Strategie PolakĂłw i WĹ‚ochĂłw wzglÄ™dem ryzyka pandemii COVID-19 Table 1. Strategies against COVID-19 pandemic risks in Poland and Italy Strategie wzglÄ™dem ryzyka: przetrwanie Perspektywy

Zyski

Straty

Rozrywka

WĹ‚ochy

Polska

X

Inwestycje

X

Gwarancje

X

Nadzieje

X

70. roku Ĺźycia) oraz Singapur (peĹ‚na mobilizacja Ĺ›rodkĂłw, maksymalna dyscyplina spoĹ‚eczna) [18]. Tym razem do opisu strategii uĹźyto drugiej części teorii perspektywy, czyli matrycÄ™ wag decyzyjnych [11]. Wagi decyzyjne odzwierciedlajÄ… postawy i oczekiwania podmiotĂłw decyzyjnych wzglÄ™dem zyskĂłw i strat w zakresie wysokiego i niskiego prawdopodobieĹ„stwa. NaleĹźy w tym miejscu zaznaczyć, Ĺźe analiza narodowych strategii wzglÄ™dem ryzyka oparta zostaĹ‚a wĹ‚aĹ›nie na wzorach behawioralnych (dominujÄ…cych schematach zachowaĹ„) uksztaĹ‚towanych na bazie oficjalnych, niezwykle alarmujÄ…cych danych [8]. Kompletny obraz zagroĹźenia spowodowanego przez COVID19 dostÄ™pny bÄ™dzie w trudnej do okreĹ›lenia obecnie przyszĹ‚oĹ›ci, jednak juĹź w kwietniu 2020 r. Michael Ryan, dyrektor programu ds. zagroĹźeĹ„ zdrowotnych WHO stwierdziĹ‚, Ĺźe modelowÄ… strategiÄ… walki z koronawirusem byĹ‚ brak pochopnych dziaĹ‚aĹ„, powstrzymanie siÄ™ od lockdownu i oparcie decyzji paĹ„stwa na takiej relacji z obywatelami, w ktĂłrej gĹ‚Ăłwna rolÄ™ odgrywajÄ… spoĹ‚eczne zdolnoĹ›ci i skĹ‚onnoĹ›ci do zachowania wĹ‚aĹ›ciwego dystansu spoĹ‚ecznego i samoregulacji [23]. Stanowisko to jest istotne miÄ™dzy innymi dlatego, Ĺźe badania poĹ›wiÄ™cone publicznemu odbiorowi róşnych czynnikĂłw ryzyka, w tym Ĺ›mierci z powodu chorĂłb i katastrof naturalnych wykazaĹ‚y, jak niezwykle waĹźnÄ… rolÄ™ odgrywa presja spoĹ‚eczna, w tym Ĺ›rodki masowego przekazu [22]. „To, jak szacujemy przyczyny zgonĂłw, jest znieksztaĹ‚cane przez doniesienia medialne. Te z kolei sÄ… znieksztaĹ‚cane przez preferowanie nowoĹ›ci i wiadomoĹ›ci o silnym wydĹşwiÄ™ku emocjonalnym. Nie tylko media ksztaĹ‚tujÄ… spoĹ‚eczne zainteresowania, ale i na odwrĂłt. Redaktorzy naczelni nie mogÄ… ignorować spoĹ‚ecznego popytu, ktĂłry domaga siÄ™ gruntownego opisywania okreĹ›lonych tematĂłw i punktĂłw widzenia (...) Ĺšwiat istniejÄ…cy w naszej gĹ‚owie nie jest dokĹ‚adnÄ… replikÄ… rzeczywistoĹ›ci; nasze oczekiwania na temat czÄ™stotliwoĹ›ci konkretnych zdarzeĹ„ sÄ… znieksztaĹ‚cone przez czÄ™stość i emocjonalnÄ… intensywność przekazĂłw, z ktĂłrymi siÄ™ stykamyâ€? [11]. PorĂłwnywane spoĹ‚eczeĹ„stwa miaĹ‚y otwarty dostÄ™p do oficjalnych danych obrazujÄ…cych rozwĂłj epidemii zarĂłwno w skali globalnej, jak i lokalnej. W perspektywie zysku WĹ‚osi wykazali zdecydowanie najwyĹźszÄ… skĹ‚onność do utrzymania normalnego stylu konsumpcji i bieşącej gratyfikacji, co wskazuje na to, Ĺźe – wbrew oficjalnym danym – bagatelizowali prawdopodobieĹ„stwo wpĹ‚ywu takiej postawy na skutki rozprzestrzeniania siÄ™ COVID19. DĹ‚ugo zwlekali z poddaniem siÄ™ kwarantannie, jak gdyby lekcewaĹźyli szansÄ™ na zgaszenie epidemii w zarodku. Pokierowali siÄ™ strategiÄ… pewnego, krĂłtkoterminowego zysku (na dĹ‚uĹźszÄ… metÄ™ lekcewaĹźenie zasad przeciwdziaĹ‚ania pandemii okazaĹ‚o siÄ™ niemoĹźliwe), co wskazuje na niechęć do ryzyka w zakresie wartoĹ›ci hedonistycznych (potrzeba przyjemnoĹ›ci dominujÄ…ca nad potrzebÄ… bezpieczeĹ„stwa). BiorÄ…c pod uwagÄ™, Ĺźe oficjalnie propagowane prawdopodobieĹ„stwo unikniÄ™cia rozwoju pandemii byĹ‚o przy takiej postawie bardzo maĹ‚e moĹźna powiedzieć, Ĺźe zachowanie WĹ‚ochĂłw przez dĹ‚ugi czas przypominaĹ‚o postawÄ™ gracza w lotto – wystarczyĹ‚ tani kupon (np. kolacja w restauracji), aby wspĂłlnie snuć marzenia o wygranej (myĹ›lenie typu: nasze zwyczaje dotychczas siÄ™ sprawdzaĹ‚y, dlaczego wiÄ™c tym razem miaĹ‚oby być inaczej). Kres nadziejom poĹ‚oĹźyĹ‚y dopiero dane wskazujÄ…ce na skutki niekontrolowanej transmisji patogenu, czyli lawinowy wzrost zachorowaĹ„ oraz zgonĂłw. WĹ‚oski rzÄ…d wydaĹ‚ nakaz kwarantanny, ktĂłrego zĹ‚amanie obĹ‚oĹźono surowymi sankcjami [2]. SpoĹ‚eczno-polityczna strategia wzglÄ™dem ryzyka w Wielkiej Brytanii wyglÄ…daĹ‚a nastÄ™pujÄ…co: ryzyko infekcji COVID-19 uznano za nieuchronne w dĹ‚uĹźszej perspektywie >> nie ma wiÄ™c sensu siÄ™ przed nim chronić >> chronimy jedynie osoby najbardziej zagroĹźone (po 70. roku Ĺźycia) >> zyskujemy tym samym dotychczasowÄ… swobodÄ™ dziaĹ‚ania (spoĹ‚eczeĹ„stwo bierze udziaĹ‚ w imprezach masowych, np. koncertach, ogĂłlne przyzwolenie na spotkania towarzyskie w pubach i restauracjach) >> jednoczeĹ›nie odrzucamy moĹźliwość spĹ‚aszczenia krzywej transmisji COVID-19

43

) + - + iM 'Xg> !

- A & - A - - ryzykujÄ…c szybkie przeciÄ…Ĺźenie systemu zdrowotnego i przerwanie Ĺ‚aĹ„cuchĂłw logistycznych oraz produkcji przemysĹ‚owej. PolakĂłw cechowaĹ‚a postawa wzglÄ™dnie konsekwentna, choć niepozbawiona sprzecznoĹ›ci. Wysokie prawdopodobieĹ„stwo przypisano szybkiemu rozprzestrzenianiu siÄ™ choroby. Polacy niezwĹ‚ocznie udali siÄ™ na zakupy, co wskazywaĹ‚o na gotowość do poddania siÄ™ kwarantannie (aby uniknąć dysonansu poznawczego po tego rodzaju zakupach, duĹźe zapasy prowiantu naleĹźaĹ‚o poĹźytkować zgodnie z ich przeznaczeniem, czyli w domu). SzkoĹ‚y, przedszkola i wyĹźsze uczelnie zamkniÄ™to niemalĹźe natychmiast, to znaczy jeszcze zanim pojawiĹ‚a siÄ™ pierwsza ofiara Ĺ›miertelna. Z drugiej strony, sporadycznie byĹ‚y testy na obecność COVID-19, co obniĹźaĹ‚o prawdopodobieĹ„stwo wykrycia osĂłb zaraĹźonych na etapie, gdy nie majÄ… oni mocnych objawĂłw lub sÄ… nosicielami bezobjawowymi (dość czÄ™ste u maĹ‚ych dzieci – sytuacja niebezpieczna, gdy opiekujÄ… siÄ™ nimi dziadkowie, czyli osoby z grupy podwyĹźszonego ryzyka). Ponadto, do momentu ogĹ‚oszenia w Polsce zakazu zgromadzeĹ„ powyĹźej 50 osĂłb (14 marca 2020 r.), wielu kapĹ‚anĂłw nakĹ‚aniaĹ‚o do zwiÄ™kszenia liczby mszy Ĺ›wiÄ™tych, argumentujÄ…c to koniecznoĹ›ciÄ… modlitw w intencji ustania epidemii i potrzebÄ… zmniejszenia skupisk ludzkich [20]. W tym przypadku zastanawiajÄ…ce byĹ‚o niedoszacowanie ryzyka wynikajÄ…ce z dwĂłch czynnikĂłw: koĹ›cioĹ‚y to miejsca spotkaĹ„ wzglÄ™dnie duĹźych grup ludzi, a same praktyki religijne stanowiÄ… realne ryzyka (bezpoĹ›redni kontakt fizyczny), istotny jest rĂłwnieĹź fakt, Ĺźe koĹ›cioĹ‚y odwiedzajÄ… osoby starsze, czyli znacznie bardziej zagroĹźone powaĹźnymi konsekwencjami infekcji COVID-19. Polacy reprezentowali wiÄ™c postawÄ™ walki i wiary – czyli tradycyjne wartoĹ›ci kojarzone z przeszĹ‚ymi metodami radzenia sobie w sytuacjach kryzysowych. Kulturowe róşnice w zachowaniach przywĂłdcĂłw religijnych dobitnie obrazuje scenariusz, ktĂłry rozegraĹ‚ siÄ™ w Korei PoĹ‚udniowej. TamĹźe, lider lokalnego ugrupowania religijnego podczas konferencji prasowej dosĹ‚ownie padĹ‚ na kolana i bĹ‚agaĹ‚ narĂłd o przebaczenie po tym, jak prowadzone przez niego spotkanie modlitewne poskutkowaĹ‚o rozprzestrzenieniem siÄ™ koronawirusa [13]. SpoĹ‚eczeĹ„stwo w Singapurze wykazaĹ‚o siÄ™ cechami modelowymi z punktu widzenia walki z epidemiÄ… COVID-19: wysoko oceniĹ‚o szanse utrzymania kontroli nad sytuacjÄ… i karnie poddaĹ‚o siÄ™ kwarantannie, w peĹ‚ni zaakceptowaĹ‚o pewne straty wynikajÄ…ce z doraĹşnych testĂłw na obecność patogenu oraz w sposĂłb ciÄ…gĹ‚y i masowy monitorowaĹ‚o Ĺ‚aĹ„cuchy jego transmisji.

stereotypom, co opisywanej w literaturze przedmiotu charakterystyce kulturowej (np. przemoĹźna chęć WĹ‚ochĂłw do wspĂłlnego biesiadowania, gĹ‚Ä™boka potrzeba PolakĂłw do unikania niepewnoĹ›ci czy skrajny indywidualizm i poza obojÄ™tnoĹ›ci u AnglikĂłw) [7]. SiĹ‚Ä™ determinant kulturowych potwierdza rĂłwnieĹź przykĹ‚ad Singapuru – czystość i dyscyplina sÄ… tam nadrzÄ™dnymi wartoĹ›ciami, wokół ktĂłrych wrÄ™cz zreorganizowane zostaĹ‚o caĹ‚e spoĹ‚eczeĹ„stwo [16]. TĹ‚umaczy to naturalne skĹ‚onnoĹ›ci i mobilizacjÄ™ SingapurczykĂłw w obliczu obecnego zagroĹźenia – pogwaĹ‚cenie podstawowych wartoĹ›ci kulturowych od dawna jest tam odbierane jako zagroĹźenie Ĺźycia i bezpieczeĹ„stwa publicznego. Jak widać na powyĹźszych przykĹ‚adach, kultura dziaĹ‚a niczym wielonarzÄ™dziowy zestaw przetrwania [21]. Zestaw ten doskonale sprawdza siÄ™ w czasach rĂłwnowagi (np. wspĂłlne biesiadowanie we WĹ‚oszech cementuje wiÄ™zi spoĹ‚eczne), moĹźe być jednak powodem powaĹźnych bĹ‚Ä™dĂłw poznawczych i decyzyjnych, sygnalizowanych przez modele ekonomii behawioralnej, empirycznie zaĹ› potwierdzonych zachowaniami niezgodnymi z politykÄ… powstrzymania pandemii COVID-19. Zjawiska spoĹ‚eczne spowodowane pandemiÄ… COVID-19 niosÄ… realne konsekwencje dla podmiotĂłw rynkowych oraz dla zarzÄ…dzania. Zróşnicowanie kolektywnych strategii wzglÄ™dem ryzyka pokazuje, Ĺźe obserwowany od dĹ‚uĹźszego czasu opĂłr przed globalizacjÄ… i etnocentryzm konsumencki majÄ… silne podĹ‚oĹźe behawioralne – sposoby zaspokajania potrzeb przetrwania i bezpieczeĹ„stwa wynikajÄ… w duĹźej mierze z wzorcĂłw kulturowych. Trudne do oszacowania ryzyko i rosnÄ…ca niepewność w obliczu pandemii popycha zarĂłwno jednostki, jak i caĹ‚e wspĂłlnoty do dziaĹ‚aĹ„, ktĂłrych kody zostaĹ‚y wczeĹ›niej zaprogramowane (kultura jako system zinternalizowanych norm i dyrektyw). Oznacza to, Ĺźe funkcjonowanie w okresie wolnym od zagroĹźeĹ„ rĂłwnieĹź podlega przewidywalnym schematom, w tym bĹ‚Ä™dom i znieksztaĹ‚ceniom poznawczym. Co wiÄ™cej, obecna pandemia jest bezprecedensowÄ… okazjÄ… do uchwycenia dominujÄ…cych tendencji na skalÄ™ narodowÄ…, w tym postaw wzglÄ™dem ryzyka. Rozpoznanie charakterystyki tych sterownikĂłw sĹ‚uĹźyć moĹźe do tworzenia konkretnych rozwiÄ…zaĹ„ rynkowych, np. ramowania torĂłw decyzyjnych, w obrÄ™bie ktĂłrych konsument kieruje siÄ™ pozornie indywidualnym, wewnÄ™trznym kompasem, podczas gdy z perspektywy statystycznej ulega znormalizowanemu wpĹ‚ywowi spoĹ‚ecznemu i kulturowemu. A skoro wiÄ™kszość dziaĹ‚aĹ„ zakupowych dokonywana jest w warunkach opisywanych ograniczeĹ„ poznawczych, to wskazane jest identyfikowanie kluczowych wartoĹ›ci powiÄ…zanych z produktami stanowiÄ…cymi podstawy biznesowe dla konkretnych przedsiÄ™biorstw, co w istocie dotyczy wiÄ™kszoĹ›ci produktĂłw na rynku. Wynika to z faktu, iĹź przypisywane produktom wartoĹ›ci uĹźytkowe w jakiĹ› sposĂłb sĹ‚uşą zaspokajaniu potrzeb przetrwania i bezpieczeĹ„stwa, nie znana jest jednak ich charakterystyka kulturowa. W tym sensie kaĹźdy produkt okreĹ›la jego wartość symboliczna, ktĂłra stanowi dla konsumenta konieczność oceny ryzyka w kategoriach szans i zagroĹźeĹ„. JeĹ›li wiÄ™c rozpoznana zostaje postawa wzglÄ™dem wartoĹ›ci i znaczeĹ„, ktĂłre konsumenci przypisujÄ… danym produktom – moĹźliwe staje siÄ™ ksztaĹ‚towanie atrybutĂłw tych produktĂłw zgodnie z ich charakterystykÄ… kulturowÄ…. Dokonuje siÄ™ to wĹ‚aĹ›nie w kontekĹ›cie postawy wzglÄ™dem szans i zagroĹźeĹ„, ktĂłre siÄ™ z tymi produktami-wartoĹ›ciami wiąşą - konsumpcja produktĂłw jest wszak zawsze konsumpcjÄ… utoĹźsamianych z nimi wartoĹ›ci. Rozpoznanie charakterystyki kulturowej produktĂłw jest wiÄ™c dla firm podstawÄ… do budowania modeli prognostycznych, gdyĹź jak pokazuje przykĹ‚ad pandemii COVID-19 – uwarunkowania kulturowe sÄ… ĹşrĂłdĹ‚em trwaĹ‚ych postaw i preferencji nawet w obliczu powaĹźnych turbulencji spoĹ‚eczno-gospodarczych. Konsekwencje dla zarzÄ…dzania majÄ… analogiczny charakter. Rozpoznanie charakterystyki kulturowej postaw wzglÄ™dem ryzyka oznacza przede wszystkim zrozumienie stosunku pracownikĂłw do stawianych przed nimi zadaĹ„. Z zadaniami tymi zawsze kojarzone sÄ… – wprost lub implicite – konkretne wartoĹ›ci, z tymi zaĹ› powiÄ…zane sÄ… konkretne znaczenia, a wiÄ™c pojÄ™cia nacechowane

Q/ <

Obserwowane w róşnych krajach podejĹ›cia do walki z pandemiÄ… COVID-19 wskazujÄ… na wystÄ™powanie gĹ‚Ä™bokich róşnic w postawach wzglÄ™dem ryzyka. IstniejÄ… dwie mocne przesĹ‚anki do formuĹ‚owania wnioskĂłw w oparciu o wczesny etap pandemii, tzn. gdy zdecydowana wiÄ™kszość krajĂłw wciÄ…Ĺź znajduje siÄ™ w fazie szybko rosnÄ…cych wzrostĂłw zachorowaĹ„: 1. Powszechny dostÄ™p do informacji o stanie bieşącym umoĹźliwia porĂłwnanie narodowych strategii przetrwania. 2. Obserwowane sÄ… diametralne róşnice w postawach wzglÄ™dem ryzyka utraty bezpieczeĹ„stwa. Róşnice dzielÄ…ce porĂłwnywane spoĹ‚eczeĹ„stwa (dotyczy to rĂłwnieĹź innych krajĂłw, jednak ich omĂłwienie wykracza poza ramy artykuĹ‚u) nakazujÄ… poszukiwanie czynnika stanowiÄ…cego zmiennÄ… poĹ›redniczÄ…cÄ… w formowaniu siÄ™ swoistych strategii wzglÄ™dem ryzyka. BiorÄ…c pod uwagÄ™ ogĂłlnÄ… charakterystykÄ™ zachowaĹ„ opisywanych spoĹ‚eczeĹ„stw widać istotne róşnice zarĂłwno pomiÄ™dzy analizowanymi spoĹ‚eczeĹ„stwami, jak i w odniesieniu do wytycznych WHO. Pandemia COVID-19 pokazuje, jak gĹ‚Ä™boki jest wpĹ‚yw tradycji, nawykĂłw i przyzwyczajeĹ„, czyli kultury. Kultura okazaĹ‚a siÄ™ aktywatorem kolektywnego trybu domyĹ›lnego oraz jego sterownikiem, czyli zestawem dziaĹ‚aĹ„ sĹ‚uşących przetrwaniu i zapewnieniu bezpieczeĹ„stwa. W opisywanych krajach zaobserwowano zachowania w wysokim stopniu odpowiadajÄ…ce tyleĹź

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

NR 4/ 20 20

" ) pozytywnie (szanse) i negatywnie (ryzyka). Rozpoznanie kulturowo uwarunkowanych postaw i skĹ‚onnoĹ›ci umoĹźliwia konkretne rozwiÄ…zania w zakresie zarzÄ…dzania – w jakie wartoĹ›ci pracownicy zaangaĹźujÄ… siÄ™ natychmiast (dajÄ…c im pewny, choć mniejszy zysk teraz), a w jakie bÄ™dÄ… bardziej skĹ‚onni inwestować w przyszĹ‚oĹ›ci (z perspektywÄ… na wiÄ™kszy zysk, obarczony jednak ryzykiem niepowodzenia). DokĹ‚adnie to samo dotyczy strat – konfrontowanie pracownikĂłw z koniecznoĹ›ciÄ… dziaĹ‚aĹ„, ktĂłrych konsekwencje bÄ™dÄ… negatywne rĂłwnieĹź wymaga znajomoĹ›ci dominujÄ…cych strategii wzglÄ™dem tego rodzaju ryzyka (przyjÄ™cia na siebie mniejszej straty od razu lub jej odraczanie z nadziejÄ… na pomyĹ›lny obrĂłt spraw w przyszĹ‚oĹ›ci, co jednak moĹźe pociÄ…gać za sobÄ… jeszcze wiÄ™ksze straty). WaĹźnym elementem wspomagajÄ…cym zarzÄ…dzanie kulturÄ… organizacyjnÄ… w okresie pandemii sÄ… narzÄ™dzia i techniki Ĺ‚agodzÄ…ce lÄ™k i napiÄ™cie poznawcze u współpracownikĂłw doĹ›wiadczajÄ…cych bezpoĹ›redniego kontaktu fizycznego. Kontrola zachowaĹ„ to w dobie pandemii Covid-19 godzenie ze sobÄ… rutynowych obowiÄ…zkĂłw sĹ‚uĹźbowych oraz nowych restrykcji sanitarnych, czyli czÄ™sto wzajemnie wykluczajÄ…ce siÄ™ cele. WywoĹ‚ana pandemiÄ… konieczność jednoczesnego przestrzeganie przepisĂłw i dbaĹ‚oĹ›ci o zdrowie rodzi powaĹźne ryzyko przeciÄ…Ĺźenia poznawczego u personelu pozostajÄ…cego w interakcji fizycznej. Do neutralizacji tego ryzyka sĹ‚uĹźyć mogÄ… technologie i systemy komunikacyjne monitorujÄ…ce zachowania oraz wspomagajÄ…ce podejmowanie decyzji w Ĺ›rodowisku pracy. PrzykĹ‚adem jest wykorzystujÄ…ca Internet Rzeczy technologia typu LoRaWAN (protokół i system komunikacji bezprzewodowej dalekiego zasiÄ™gu o maĹ‚ej mocy) [1]. Kognitywne odciÄ…Ĺźenie personelu polega tutaj na tym, Ĺźe sprzęşone ze sobÄ… automaty monitorujÄ… Ĺ›rodowisko robocze w poszukiwaniu informacji o interakcjach, dobierajÄ… optymalne rozwiÄ…zania i wysyĹ‚ajÄ… poszczegĂłlnym pracownikom gotowe wytyczne. RolÄ… pracownikĂłw jest jedynie reagowanie na sygnaĹ‚y. Takie wspomaganie procesĂłw decyzyjnych zwiÄ™ksza u personelu poczucie bezpieczeĹ„stwa i buduje postawy oparte na zaufaniu. Innym przykĹ‚adem na ksztaĹ‚towanie zabezpieczonego przed koronawirusem Ĺ›rodowiska pracy jest wykorzystanie symulacji czy rzeczywistoĹ›ci rozszerzonej (AR), dziÄ™ki czemu pracownik zyskuje gĹ‚Ä™bszy i szybszy dostÄ™p do infrastruktury zakĹ‚adu przy jednoczesnej eliminacji kontaktĂłw fizycznych (np. minimalizacja opóźnieĹ„ operacyjnych wynikajÄ…cych z przemieszczania siÄ™ specjalistĂłw serwisowych). Jeszcze innym rozwiÄ…zaniem jest wykorzystanie wirtualnej rzeczywistoĹ›ci (VR), co umoĹźliwia operatorom maszyn odbywanie m.in. wirtualnych szkoleĹ„ i poznawanie funkcjonowania oddalonych zakĹ‚adĂłw z pominiÄ™ciem zagroĹźeĹ„ pĹ‚ynÄ…cych z bezpoĹ›rednich kontaktĂłw fizycznych. ZwĹ‚aszcza w przypadku globalnych korporacji widać, Ĺźe wybuch pandemii Covid-19 wymusza przejĹ›cie od zarzÄ…dzania firmÄ… zakĹ‚ad po zakĹ‚adzie – do zintegrowanego centrum operacyjnego, w celu uzyskania szerszego obrazu zuĹźycia energii i zasobĂłw. To z kolei umoĹźliwia peĹ‚nÄ… ocenÄ™ wydajnoĹ›ci zarzÄ…dzanych obiektĂłw i optymalizacjÄ™ kaĹźdej placĂłwki firmy w skali sieci [10]. Co wiÄ™cej, przykĹ‚adowe technologie postrzegać moĹźna jako narzÄ™dzia adaptacyjne, dziÄ™ki ktĂłrym zabezpieczanie Ĺ›rodowiska pracy oznacza rĂłwnieĹź ksztaĹ‚towanie postaw wzglÄ™dem pandemii. Paradoksalnie, kryzys wywoĹ‚any COVID-19 to sytuacja decyzyjna o wysokim potencjale biznesowym, gdyĹź za cenÄ™ modyfikacji zyskuje siÄ™ pozycjÄ™ umoĹźliwiajÄ…cÄ… budowanie przewagi konkurencyjnej. Pandemia jest wiÄ™c tyleĹź zagroĹźeniem, co okazjÄ… – przedsiÄ™biorstwa reagujÄ…ce w sposĂłb zapewniajÄ…cy ciÄ…gĹ‚ość funkcjonowania oraz dajÄ…ce swoim pracownikom poczucie bezpieczeĹ„stwa mogÄ… ostatecznie zyskać wielowymiarowy know-how, procentujÄ…cy dĹ‚ugo po wygaĹ›niÄ™ciu pandemii. Na zakoĹ„czenie naleĹźy zwrĂłcić uwagÄ™, Ĺźe wszystkie omĂłwione w artykule rozwiÄ…zania powinny być bÄ…dĹş to zgodne z kulturowÄ… charakterystykÄ… zarzÄ…dzanych zespoĹ‚Ăłw, lub teĹź stanowić dla menedĹźera zestaw narzÄ™dzi i wskazĂłwek, za pomocÄ… ktĂłrych zarzÄ…dza on kulturÄ… organizacyjnÄ… swojego przedsiÄ™biorstwa.

A jest to zadanie o charakterze strategicznym, gdyş kultura to podstawowy integrator struktury społecznej. Integracja zaś to zarówno dla społeczeństw, jak i przedsiębiorstw warunek bezpieczeństwa oraz siła niezbędna do przetrwania.

# " 1. Anty-COVID19 rozwiązanie do automatycznej kontroli dystansu i kontaktu. Chroni zdrowie pracownika i interesy pracodawcy, [https://automatykaonline.pl/Z-branzy/AntyCOVID19-rozwiazanie-do-automatycznej-kontroli-dystansui-kontaktu]. 2. Coronavirus Italy: PM extends lockdown to entire country, [www.theguardian.com/world/2020/mar/09/coronavirus-italy-prime-minister-country-lockdown]. 3. Daniel Kahneman Facts, [https://www.nobelprize.org/prizes/ economic-sciences/2002/kahneman/facts/]. 4. Dynamika produkcji sprzedanej przemysłu w kwietniu 2020 roku, [https://stat.gov.pl/obszary-tematyczne/przemysl-budownictwo-srodki-trwale/przemysl/dynamika-produkcjisprzedanej-przemyslu-w-kwietniu-2020-roku,13,16.html]. 5. Ghebreyesus T.A., WHO Director-General’s opening remarks at the media briefing on COVID-19 – 11 March 2020, [www. who.int/dg/speeches/detail/who-director-general-s-openingremarks-at-the-media-briefing-on-covid-19---11-march-2020]. 6. Griffiths J., Singapore had a model coronavirus response, then cases spiked. What happened?, https://edition.cnn. com/2020/04/18/asia/singapore-coronavirus-response-intl-hnk/index.html. 7. Hofstede G., Hofstede G.J., Minkov M., Kultury i organizacje, PWE, Warszawa 2011, 38–40. 8. Hofstede insights, [www.hofstede-insights.com/product/compare-countries/]. 9. Ioannidis J.P.A., The infection fatality rate of COVID-19 inferred from seroprevalence data, [www.medrxiv.org/content /10.1101/2020.05.13.20101253v3.full.pdf]. 10. Jak COVID-19 przyspiesza transformację cyfrową na świecie i w Polsce, [https://automatykaonline.pl/Z-branzy/Jak-COVID-19-przyspiesza-transformacje-cyfrowa-na-swiecie-i-wPolsce] 11. Kahneman D., Pułapki myślenia. O myśleniu szybkim i wolnym, Media Rodzina, Poznań 2012. 12. Kahneman D., Tversky A., Wybory, wartości i ramy interpretacyjne, American Psychologist, t. 34, Filadelfia 1984. 13. Leader of South Korean cult linked to around 2,500 cases in the country begs on his knees for forgiveness after officials call for him to be investigated for MURDER, [www.dailymail. co.uk/news/article-8064311/South-Korean-sect-leader-apologises-coronavirus-spread.html]. 14. Lee H., Sohn I, Big Data w przemyśle. Jak wykorzystać analizę danych do optymalizacji kosztów procesów?; PWN, Warszawa 2016. 15. Maison D., Jakościowe metody badań marketingowych, PWN, Warszawa 2010. 16. McDonald T., The cost of keeping Singapore squeaky clean, [www.bbc.com/worklife/article/20181025-the-cost-of-keepingsingapore-squeaky-clean]. 17. Miączyński P., Sklepy oblęşone po wystąpieniu premiera. W dyskontach, super- i hipermarketach gigantyczne kolejki. „Jakby tornado szło�, [https://wyborcza. pl/7,155287,25778869,sklepy-oblezone-po-oredziu-premiera-w-dyskontach-super-i-hipermarketach.html]. 18. Perrigo B., Coronavirus Could Hit the U.K. Harder Than Any Other European Country. Here’s What Went Wrong, [https:// time.com/5823382/britain-coronavirus-response/]. 19. Pisano G.P., Sadun R., Zanini M., Lessons from Italy’s Response to Coronavirus, Harvard Business Review, [https:// hbr.org/2020/03/lessons-from-italys-response-to-coronavirus].

45

) + - + iM 'Xg> !

- A & - A - - 24. Thaler R. H., Zachowania niepoprawne. Tworzenie ekonomii behawioralnej, Media Rodzina, Poznań 2018. 25. Thaler R.H., Sunstein C.R., Impuls. Jak podejmować właściwe decyzje dotyczące zdrowia, dobrobytu i szczęścia, Wydawnictwo Zysk i S-ka, Poznań 2018. 26. The Global Economic Outlook During the COVID-19 Pandemic: A Changed World, [www.worldbank.org/en/news/ feature/2020/06/08/the-global-economic-outlook-during-thecovid-19-pandemic-a-changed-world]. 27. WHO Director-General’s opening remarks at the media briefing on COVID-19 - 3 March 2020, [www.who.int/ director-general/speeches/detail/who-director-general-sopening-remarks-at-the-media-briefing-on-covid-19---3march-2020]. 28. Worldometer, [www.worldometers.info/coronavirus/].

20. Proszę o zwiększenie liczby niedzielnych mszy św, aby nie było duşych zgromadzeń, [www.pap.pl/aktualnosci/ news %2C602165 %2Cabp-gadecki-prosze-o-zwiekszenieliczby-niedzielnych-mszy-sw-aby-nie-bylo]. 21. Rapaille C., Kod kulturowy. Jak zrozumieć preferencje współczesnego konsumenta, motywacje wyborców czy zachowania tłumu, MT Biznes, Warszawa 2019. 22. Slovic P., Fischhoff B., Lichtenstein S., Roe F.J.C., Perceived Risk: Psychological Factors and Social Implications, Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, Vol. 376, No. 1764, The Assessment and Perception of Risk, 17–34. 23. Stringham E. P., Lockdown-Free Sweden Had It Right, Says World Health Organization: Interview with Prof. Johan Giesecke, [https://www.aier.org/article/lockdown-free-sweden-had-it-right-says-world-health-organization-interviewwith-prof-johan-giesecke/].

H " < " JM=@F*' 0 " L @ " + " () The article deals with the issues of cultural determinants of decisions under risk and uncertainty, with emphasis on consumer behavior during the COVID-19 pandemic. The analysis of the crisis response has been based on D. Kahneman’s prospect theory, which was used to compare social behaviors in Poland, Italy, Great Britain and Singapore at an early stage of the pandemic. The main purpose of the considerations is to present the scale and level of impact of cultural determinants on national survival and security strategies against the COVID-19 crisis. The analysis and diagnosis of national survival strategies facilitates creation of products in accordance with behavioral and cultural determinants of consumer attitudes and preferences. In addition, the article presents some automatic systems supporting personnel management during the COVID-19 pandemic. Contemporary technological solutions monitoring employee behavior in the working environment can be implemented to increase the level of mental well-being and sanitary safety. KeywordsJ JM=@F*' " $ / $ " $ / $ " F &$ / &$ = > < &

0 "

> %" " " ORCID: 0000-0002-8603-2796 T = -F " = G 0 " N F 0 . J J . " F (!*E T & - / F & F " . F / " "? ? . ? T " " & / & a# " b + ON< L $ 8 F (!*'Q

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

NR 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 47–56, DOI: 10.14313/PAR_238/47

0 " < > ; " N S = \ > < H / & 6 Katarzyna Kubiak, Jan Kotlarz f + A V = > H $ H # **!B**U$ 8 $ !(F()P$ 0 "

Natalia Zalewska + > 0 H " > $ L *EH$ 8 $ !!FI*P$ 0 "

Urszula Zielenkiewicz = > L " L > 0 H " > $ 0 . & ) $ 8 $ !(F*!P$ 0 "

Abstract: Enceladus, Saturnian satellite, is a very significant object for astrobiologists due to the presence of liquid water that forms the ice-covered ocean. Water ice geysers escape from the south pole region through cracks in the ice shield. During the Cassini flight, the probe took samples of plumes matter recognizing besides other methane and molecular hydrogen. Since then, hypotheses have been formulated that life forms similar to those found in the Lost City Hydrothermal Field in the Atlantic ocean bottom may occur near Enceladus’ hydrothermal chimneys. In our work, we analyzed the possibility of a microbial factor detection in the Enceladus geysers. We used as model organisms selected extremophiles. We investigated multi-spectral cameras and mass spectrometers intended for use in mission proposals to Enceladus: Enceladus Orbiter, Enceladus Life Finder, The Explorer of Enceladus and Titan and THEO mission. The review pointed that the configuration of mass spectrometers and the proposed parameters of scientific orbits are appropriate for detecting volatile organic compounds corresponding to selected microorganisms such as aldehyde, ethanol, benzene, toluene, indole, or violacein. The possible presence of a microbiological component with physical dimensions in the order of several micrometres can only be observed for areas of geyser formation at their higher density (> 10 ppm) and with the occurrence of the “snowing microbesâ€? phenomenon. We have found that particularly useful optical channels are 780–975nm, 860–910 nm, and 5.0–5.3 Âľm. 0 J ; " $ $ $ / &

1. Introduction Enceladus is a particularly attractive Saturnian satellite where life can survive because of liquid water and energy availability [1]. Life finding mission concepts (i.e. Enceladus Orbiter, Enceladus Life Finder, The Explorer of Enceladus and Titan, Testing the Habitability of Enceladus’s Ocean) were proposed, analyzed, and discussed in recent years. Mission designs were focused on direct life detection (i.e. microbial collection during

3 J T # $ T # % & 3 ( " (( *! (!(! $ " " (' *( (!(!

!

passage through plume) or indirect, i.e. measuring relative concentrations of amino acids, amino acid excess, lipid molecular patterns, or lipid distributions. A different area of interest is the environmental parameters of the ocean. Interestingly, such a small astronomical object with a diameter of less than 500 km is thermally active [2]. The origin of the material is emerging into space by the “Tiger Stripes� linear depressions in the southern region. Closer measurements of Cassini’s mission pointed out that these structures are surprisingly analogous to the oceanic ridges on Earth. In addition to the unique “stepped� composition, something like spreading and transformation damage was observed. It is speculated that Enceladus’ “rifting� is associated with the existence of chimneys, as is the case with Earth gaps. The ejected substance of Enceladus plumes forms something like curtains. The flows seem to be continuous and produce a large haze of fine ice dust around the moon, which supplies material to one of Saturn’s rings, the E-ring (fig. 1) [3]. “Tiger stripes� consist of 5 gaps spaced about 35 km apart, and the ice crust under them is only 5 km. Scientists sug-

47

Proposed Tasks of Enceladus Missions’ Instrumentation in the Context of Their Astrobiological Goals Porco et al. estimations proved that for 1-3 Îźm dimension cells (LCHF analog) an average number of the microbial component particle collection during close 50 km altitude pass is ~1 assuming Cassini instrumentation parameters. Also, ParticleIn-Cell kinetic simulations for 10 km deep ocean and 1 Îźm cell sizes suggested the number of the microbial component particles during the flight with in-situ sampling ~1 particle per single plume pass [6]. Those results imply that for the altitudes 50–100 km in-situ sampling methods maybe not proper for microorganisms their self and it can be assumed that to detect biosignatures, it is necessary to use techniques based on the multispectral analysis, i.e. multispectral images of the plumes, surface near plume sources (“snowing microbesâ€? phenomenon) and of the whole surface between “TigerStripesâ€?. Cassini’s Medium Angle Camera (MAC) proved successful in plumes, E-ring, and surface image acquisition. The crucial factor for the effective detection of the microbial component is the spectral signature that distinguishes it from the abiotic elements of the plume and the surface. Plume’s main component is water in two states: solid and vapor. Also, the other organic and biologically significant compounds were detected during previous missions. Cassini during its closest approach to Enceladus’ surface in July 2005 collected data using the Ion and Neutral Mass Spectrometer. The best estimation of the composition gives us: 91 (Âą3) % H2O, 3.2 (Âą0.6) % CO2, 4.0 (Âą1.0) % N2/CO and 1.6 (Âą0.4) % CH4. H2 was also discovered in the plume’s vapor. In our study, we collected the parameters of sample microorganisms (reflectance, mass spectral signatures) and the parameters of the proposed instruments in Enceladus research probes (multispectral cameras, mass spectrometers) and analysed the possibility of detection of the potential biological component.

Fig. 1. Enceladus and Saturnian rings, NASA’s Cassini probe image in 640 nm optical channel [NASA/JPL/University of Arizona] Rys. 1. Enceladus i pierścienie Saturna, zobrazowanie sondy Cassini w kanale 640 nm [NASA/JPL/University of Arizona]

gest that the brackish ocean of Enceladus (-Na, -Cl, -CO3) has an alkaline pH from 11 to 12 [4]. This allows us to make important conclusions such as a high pH may be a consequence of the serpentinization of olivine [5]. As a result of serpentinization, such products are created, among others as H2 and CH4 which are considered as potential places where life could thrive. Possible similarities of conditions between Enceladus ocean bottom and the carbonate mineral matrix of actively venting chimneys of the Lost City Field (LCHF) located 15 km west of the Mid-Atlantic Ridge [6] allow microbial life investigation and development a kinetic model of microbial ascent process through the ice shield to the outer space. Research done in the middle of the 2000s at Washington University gave us knowledge about the biodiversity of the LCHF environment. The porous interior walls of the most actively venting chimney are inhabited by archaeal biofilm dominated in 80–90 % by a single phylotype of Methanosarcinales (Lost City Methanosarcinales [LCMS]) [7]. The biofilms contain 2 ´ 106 and 3.1 ´ 108 cells/mL in regions awash in hydrothermal fluids. Abundant Lost City Methanosarcinales have adapted to the temperature ~90 °C, pH 9–11, and vent fluids with dissolved hydrogen (H2) and methane (CH4). Also, a 16Sr RNA gene sequence analysis showed strains belonging to Thermococcales and uncultured Crenarchaeota identified in vent fluids. In the oldest chimneys (lower temperature, less venting) pores were dominated by a single group of anaerobic methanotrophic archaea [8]. Rare sequences in young chimneys were commonly more abundant than in older chimneys. A small number of species also dominate the bacterial communities, mostly methylotrophic genera [8, 9]. In addition to the microorganisms classified in LCHF, extremophiles whose at least some of the features contribute to survival in the environment characteristic of the Enceladus ocean floor – high salinity, varied temperature or probable sources of X-rays (Saturn rings or probably hydrothermal chimneys themselves) – should be taken into account. These are microorganisms containing very characteristic pigments such as carotenoids, tyrosine, or indole. These microorganisms are diverse in terms of physical parameters. A set of their spectral signatures was collected as part of the “Virtual Planetary Laboratory Biological Pigments databaseâ€? [10]. In situ instruments like a dust analyzer successfully sampled the plume particles on November 2, 2009, during the 100 km pass through the plume resulting mass production rate ~2.5 kg/s. An analysis of dust analyzer data obtained during the closer, 50 km altitude, flyby on October 28, 2015, registered higher particle densities and a mass production rate of ~5 kg/s, consistent with the earlier results. None of the biosignatures were registered during all passes via plume.

48

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

L/ L/-/ * " To select terrestrial microorganisms that can be used as analogues of the biological component of the ocean bottom of Enceladus, a review of typical pigments and their role for microorganisms was performed. Due to the unavailability of sunlight on the ocean floor, typical photosynthesis pigments: chlorophyll-a and chlorophyll-b, as well as pigments absorbing and reflecting light for metabolism or protection, have been omitted. We assumed that useful types of Enceladus ocean bottom environment pigments are: − some rhodopsins (function: phototropism), − carotenoids(antioxidants), − tyrosine derivative (temperature extremes protection), − siderophore (acquisition of iron), − prodignine (growth regulation), − indole derivative (protection against competition and grazing) and − luciferin (bioluminescence). Below are some typical examples of microorganisms that produce the above types of selected pigments. 9 / An extremely halophilic marine obligate aerobic archaeon produces bacteriorhodopsin (pigment type: rhodopsin). As other halophilic archaea species, this archaeon utilises compatible solutes (in particular potassium chloride) to reduce the osmotic stress to survive in the extremely salty environments. This bacteria also produces the carotenoid bacterioruberin [11]. + / A species of extremophilic bacterium that is the most resistant to ionizing radiation organism A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

Katarzyna Kubiak, Jan Kotlarz, Natalia Zalewska, Urszula Zielenkiewicz known to science. D. radiodurans can endure extreme conditions that would kill most lifeforms. Organisms of this species experience high temperatures and exposure to poisons. They are also resistant to oxidative stress. D. radiodurans contains the carotenoid deinoxanthin [12]. * " / This species is an opportunistic fungal pathogen and produces black melanin-like pigments. Melatonin production is associated with virulence and increases resistance to environmental damage as well [13, 14]. '

/ Saprotrophic soil bacterium. It demonstrates a very diverse metabolism, including the ability to degrade organic solvents such as toluene, which was discovered as a component of Enceladus geyser plumes. It produces pyoverdine (pigment type: siderophore), which allows the absorption of iron [15]. 5 / The opportunistic pathogen produces the red pigment – prodigiosin with a broad range of cytotoxic activity [16, 17]. 6 8 / Anaerobic soil-dwelling, biofilm production bacterium with antibacterial, antiviral, antifungal, antioxidant, and anti-insect activity. Commonly isolated from the microbiota of soils and water of rivers, lakes, and springs, it was also found on certain amphibians’ skin, including the red-backed salamander (Plethodoncinereus), where it prevents infection by the devastating chytrid fungus. J. lividum produces dark violet pigment – violacein and biosynthesis is regulated by aquorum – sensing system [18, 19]. + " / Classification subgroup of Protista, as common members of both the phytoplankton and the zooplankton of marine and freshwater ecosystems. They are also common in benthic environments and sea ice. Most dinoflagellates contain the pigments chlorophyll-a, chlorophyll-c, and carotenoids, and a group of xanthophylls that appears to be unique to dinoflagellates, typically peridinin, dinoxanthin, and diadinoxanthin. These pigments give many dinoflagellates their typical golden brown color. These organisms produce dinoflagellate luciferase, the main enzyme responsible for most of the bioluminescence observed in the surface ocean, and luciferin, a chlorophyll-derived tetrapyrrole ring that acts as the substrate to the light-producing reaction [20].

L/L/ The reflectance spectral signatures of selected microorganisms originate from the VPL (Virtual Planetary Laboratory) Biological Pigments database. Example reflectance plots in the 350–800 nm range are shown in fig. 2.

Fig. 2. Example microbial reflectance spectra in visible and near-infrared wavelengths: Brevibacterium aurantiacum (red), Deinoccocus radiodurans (green), Serratia marcescens (blue), and Janthinobacterium lividum (black) Rys. 2. Przykładowe widma reflektancji mikroorganizmów w zakresie fal widzialnych i bliskiej podczerwieni: Brevibacterium aurantiacum (czerwony), Deinoccocus radiodurans (zielony), Serratia marcescens (niebieski) i Janthinobacterium lividum (czarny)

Physical parameters of particular cell s of selected microorganisms (mass, size) were obtained from the literature.

L/M/ & f "

For the analyzed multispectral cameras, we consider the distance from the model plume in the range for which its height (2000 km) corresponds to a single pixel in the image. We also assumed that the main component of the plume’s reflectance is Rayleigh scattering for 1-micrometre diameter ice crystals. The observed pixel brightness corresponding to Rayleigh scattering is disturbed by the influence of the biological component. We estimated this disturbance by calculating Rayleigh scattering for particles with the diameter of a selected microorganism, however, assuming that the molecule will absorb part of the electromagnetic radiation. We also assumed the particle density of the biological component at 104 cells/cm3.

Table 1. Physical parameters of selected microorganisms and examples of volatile organic compounds (VOC) produced by selected species Tabela 1. Parametry fizyczne wybranych mikroorganizmów i przykłady lotnych związków organicznych (LZO) wytwarzanych przez wybrane gatunki Mie scattering parameters for optical bands

Cell size and dimension

VOC assigned to the microorganism

0.4 (blue)

1.0 (NIR)

5.0 (IR)

5.3 (IR)

H. salinarum

Oblong cell with a length of 0.2Â Îźm [21]

2-propylpentan-1-ol, Pentadecane,, Hexadecane, Benzaldehyde, 1-Octen-3-ol [22]

1.6

0.6

0.1

0.1

D. radiodurans

Spherical cell with diameter 1–2 Οm [23]

–

7.8–15.7

3.1–6.3

0.6–1.3

0.6–1.2

C. neoformans

Small-sized basidiospores 1.8–3.0 Οm [24]

Ethanol, Acetaldehyde, Crotonaldehyde (2-butenal) [25]

14.1–29.8

5.7–11.9

1.1–2.4

1.1–2.3

P. putida

Oblong cell with a length of 1.5–3.0Οm [26]

Benzene, Styrene, Toluene, Trichloroethane [27]

11.8–23.5

4.7–9.4

0.9–1.9

0.9–1.8

Sp.

S. marcescens

Dimethyl trisulfide, Oblong cell with the length 1.0–-2.0 Οm and width 0.5 Οm [28] b-Phenylethanol, Benzylnitrile [29]

7.8–15.7

3.1–6.3

0.6–1.3

0.6–1.2

J. lividium

Elongated cell with the length Indole-3-carboxaldehyde, violacein range 3Â Îźm and width 0.5Â Îźm [30] [31]

3.9–23.5

1.6–9.4

0.3–1.9

0.3–1.8

157–392

62.8–157

12.6–31.4

11.8–29.6

Dinoflagellates sp.

Spherical or irregular microorganism, 20–50 Οm [32]

Isoprene, Dimethyl Sulfide [33]

49

Proposed Tasks of Enceladus Missions’ Instrumentation in the Context of Their Astrobiological Goals Table 2. Multispectral cameras and mass spectrometers proposed in five Enceladus missions proposals Tabela 2. Kamery wielospektralne i spektrometry masowe w pięciu proponowanych misjach do Enceladusa Mission

Instrument

Type

Main goal/description

Spectral parameters

Enceladus Orbiter (EO)

Medium- angle Camera (MAC)

VIS+NIR camera

The EO MAC would primarily be used to image the Enceladus surface and plumes. It would also be used for optical navigation.

Visible light and near-infrared 4 optical channels, 3.12 kbps data rate, 5. 8° Ă— 0.15° field of view

The instrument is based on the principle of impact ionization and optimized for the analysis of high dust fluxes and number densities as typically occur during Enceladus plume crossings or in cometary comae. Depending on the density of the dust environment, the sensitive area of the impact target can be switched between 0.8 cm2 and 12,5 cm2, respectively [34].

Size range 0.01–100 Οm [34]. The mass resolution > 970 M/dM

Mass spectrometer capable of high-resolution and higha sensitivity that allows the determination of a wide variety of chemical compounds in complex mixtures.

Mass range > 1000 amu Dynamic range 109/s.

Enceladus Icy Jet Analyzer (ENIJA) Enceladus Life Finder (ELF)

Mass spectrometer Mass Spectrometer for Planetary Exploration (MASPEX)

The Explorer of Ion and Neutral Enceladus and Titan Mass Spectrometer (E2T) (INMS)

Testing the Habitability of Enceladus’s Ocean (THEO)

Titan Imaging and Geology, Enceladus Reconnaissance (TIGER) Space-borne Water Analysis by Molecule Pulverization (SWAMP)

The E2T INMS’ heritage would be based on P-BACE The maximum INMS time instrument [35], RTOF instrument of ROSINA on resolution at Enceladus is 0.1 s Rosetta and the gas chromatograph – neutral gas mass for recording a mass spectrum spectrometer prototype by the Russian Space Agency (corresponding to a spatial [36]. Most recently, a similar instrument, the Neutral resolution of 0.5 km for an Gas and Ion Mass spectrometer (NIM) instrument of S/C velocity of 5 km/s) to the Particle Environment Package (PEP) consortium is resolve small-scale structure in developed for the JUICE mission of ESA. the plume.

Mass spectrometer

NIR camera

Near-infrared (NIR) camera designed to acquire high-resolution images of Titan and Enceladus.

Surface resolution 30–100 m/px in 1.3, 2.0, and 5.0 Οm and Enceladus emissions at 1 m/px at two wavelengths, 5.0 and 5.3 Οm.

Mass spectrometer

SWAMP would measure element and isotope ratios as well as molecule abundances. SWAMP is modelled after MASPEX proposed as a part of ELF.

Extended mass range: 1000 amu, mass resolution 30 000Â M/dM, sensitivity 1Â ppt

Camera

Images of plumes with < 10 m/px spatial resolution. DRIPS would collect data essential to determining the plume ice-vapour ratio, constraining libration amplitudes, and investigating the thermal history of the ice shell. By imaging, the plumes at a high phase in the visible band at an order of magnitude higher resolution than possible with ISS, THEO would create a data set of radiance images that would be converted to I/F maps.

Visible light

Dynamic Resolution Imaging of the Plumes and Surface (DRIPS)

M/ 8

Its instrument requirements was four optical bands: 400–550 nm (blue), 540–700 nm (red), 780–975 nm (NIR), and 860–910 nm (CH4) ) also allowing panchromatic imagining in the range of 400–970 nm [38]. With the MAC field of view 5.8 × 0.15 degrees, it is worthy to note that using Saturn orbit insertion velocity v = 7.073 km/s the time between the plume will cover 5.8 degrees field of view and plume pass is only 8.8 s.

Mission concepts to the moons of Jupiter and Saturn became popular after the success of the Cassini mission. We analyzed a set of instruments — multispectral cameras and mass spectrometers – proposed for four missions: Enceladus Orbiter (NASA), Enceladus Life Finder (NASA), The Explorer of Enceladus and Titan (ESA in collaboration with NASA) and Testing the Habitability of Enceladus’s Ocean (JPL, MissionX).

! 7 g &

Titan Imaging and Geology, Enceladus Reconnaissance (TIGER) is a near-infrared (NIR) camera designed for acquiring high-resolution images. TIGER would observe Enceladus emissions with resolution 1 m/px at two wavelengths: 5.0 Îźm and 5.3 Îźm. Images obtained by TIGER would enable us to characterize the kinematics of Enceladus jets and plumes. The TIGER bands are selected to match the Titan atmospheric transmission windows to allow direct observation of the ground with reflected sunlight and measure thermal emissions from Enceladus. 5.0Â Îźm images would be very sensitive to organic composition. At Enceladus, observations of 5.0 Îźm and 5.3 Îźm would measure the thermal emission of surfaces as cold as 130Â K and provide surface tem-

M/-/ %3 * Medium-Angle Camera (MAC) would be used primarily for imaging Enceladus’ exteriors and plumes to map surface geology and measure sources and variability of plumes. It would also be used for optical navigation. MAC would work in push-broom mode, displaying the planet’s surface with stripes that can be connected to generate a global map of the Enceladus surface. MAC has a high sensitivity in three to four colour bands and allows high-resolution imaging of the tiger stripes area. MAC would be analogous to the New Horizons spectral spectrum [37].

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

NR 4/ 20 20

Katarzyna Kubiak, Jan Kotlarz, Natalia Zalewska, Urszula Zielenkiewicz perature maps on Cassini-ISS image scales. A precision control mirror (FSM) and spacecraft compensation will be used to select and track areas of interest during the flight, allowing longer exposure and a better signal-to-noise ratio (SNR). If necessary, digital time delay integration (TDI) will also be used during the next approach when ground speed is highest. At the closest approach, the velocity concerning the Enceladus surface is ~5Â km/s [39]. + ! " ' 5 "

The Dynamic Resolution Imaging of Plumes and Surface (DRIPS) is the camera dedicated to both main assignments: science tasks and optical navigation. The design is based on the previous cameras produced by Malin Space Science Systems. The camera would be imagining plumes at the high phase in the visible band at an order of magnitude higher resolution than possible with Cassini’s ISS. DRIPS would generate a data set of radiance pictures that would be transformed into I/F maps. DRIPS would be able of recognizing a plume many orders of magnitude less massive than observed by Cassini by increasing the integration time, optimizing the phase angle, and a large number of proposed observations. While observing at 30 km, the camera would map the south polar region up to 50°S with 10 m/px spatial resolution [40]. Proposed flyby velocity is ~6 km/s [39].

M/L/ 5 3 5' " ' &h q& The device was intended for the Enceladus Life Finder mission, but the original purpose was designed for the Europa Clipper mission and also for the comet missions PRIME and Proteus. The mass spectrometer has an extended range for heavy organic particles (> 1000 amu), increased resolution compared to Cassini spectrometers, high throughput (> 5000 samples/s), and sensitivity better than 1 ppt. It is designed to detect isotopes of methane, water, ammonia, carbon monoxide, molecular nitrogen, CO2, and organic compounds that bind C2, C3, and C4. It can also measure noble gases such as argon, krypton, xenon, and their isotopes [41]. & ! 6 3 This mass spectrometer is designed to analyse molecules such as amino acids and all types that can potentially be derived from Enceladus’ plumes. It was designed and proposed for two missions: Enceladus Life Finder (ELF), and the Explorer of Enceladus and Titan (E2T). The construction and operation of the spectrometer are based on the principle of impact ionization, which allows analyzing ice particles with a size of 0.1 Οm at a velocity of 5 km/s [42]. ENIJA record 50 spectra per second and is sensitive for H+, C, and O ions. ENIJA records time-of-flight mass spectra in the range between 1–2000 Οm [34]. It can measure the content of carbon isotopes on ice particles and determine the ratio of elements such as C, N, O, S (NH3/N2, H2) with sensitivity up to 0.1 ppm. Based on the carbon isotope ratio, it is designed to measure the condensation of organic matter in ice particles. The spectrometer may be used for amino acid identification and the ratio of carbon isotopes in ice crystals as life signatures estimation. It can determine the ratio of plume phases volatile to constant, which will allow finding the causes of the formation of eruptions and distribution of plume in space. Its sensitivity will also allow studying the salt content and mineralogical composition in plumes. ! ;

5 The mass spectrometer using the quadrupole mass system was designed to study the composition of Saturn and Titan atmospheres and also to measure the positive ions of the icy moons. It was constructed for the Cassini-Huygens mission, and currently, this type of spectrometer is planned for the mission of Explorer of Enceladus and Titan (E2T) which is to help answer the

question: Are major volatiles in plume material primordial (as opposed to geochemical or biological) and if so, how were they delivered [38]. The spectrometer will determine the quantitative composition of noble gases in Enceladus plumes: Ar, He, Ne and Xe, measure the isotope ratios: 12C/13C, D/H, 14N/15N, 16O/18O in the Enceladus plume and separate the mass characteristics based on mass spectra and connect them to pressure changes. Like the ENIJA spectrometer, it will enable the separation of a solid phase of water and volatile to examine the eruption mechanism and whether processes to occur inside the moon. Based on the NH3/N2 ratios, H2 content will identify oxidized organic substances in the plume [38]. 5 % < 3 ' 8 SWAMP is the spectrometer for the Testing the Habitability of Enceladus’s Ocean (THEO) mission and is modelled on the MASPEX spectrometer. Similar to MASPEX, this instrument is characterized by extended mass range (> 1000 amu), mass resolution (> 30,000 M/dM), and sensitivity (1 ppt). It is dedicated to plume composition research, in particular, detecting salts, amino acids, and higher-order hydrocarbons. The quantitative content of CO2, CO, H2O, CH4, N2, NH3, OH volatiles is to assess the temperature conditions inside the ocean, its pH and examine the chemical and physical conditions of the particle transport mechanism. Na, Cl, K, N measurements in plumes will approximate ocean salinity and the content of noble gases and their ratios will determine hydrothermal activity. Examination of C isotopes will allow estimating the genesis of biotic/abiotic processes. The spectrometer is adapted to detect the abundance of biomarkers in plumes such as amino acids, lipid acids, and nucleic acids [40].

Q/ Assuming the base concentration of microorganisms on the surface of the Enceladus ocean on the order of 104 cells/cm3 [43], we estimate from above the amount of the microbiological component share among the particles forming the geyser at 1:100,000,000. Assuming that the distribution of these particles in the geyser plume is indistinguishable from the propagation of ice crystals and water vapour particles, we should consider this biological component density for the entire geyser. Earlier studies and numerical simulations [3, 6, 45] show, however, that for particles > 1 Îźm, the density distribution of the biological component particles depends on the height above the Enceladus surface. The average height above the moon’s surface drops to 10 % of the plume for particles with a diameter of two micrometres. After reaching maximum altitude, these particles might fall back to the surface creating the “snowing microbesâ€? phenomenon. To estimate the mass spectrometer parameters expected for microbial component detection, we need to estimate the maximum satellite altitude over the surface of Enceladus and estimate the spectral range for which the detection of particles corresponding to microorganisms’ dimensions will be possible. It will be required to calculate the influence of the microbial component presence on the observed reflectance to estimate the parameters of multispectral cameras. The effect of particles with different sizes than water vapour particles and ice crystals on Mie (also Rayleigh approximation) scattering and visible and NIR radiation absorption should be considered.

Q/-/ The detection of the microorganisms by mass spectrometers is not possible. Particles in the order of 1 Οm have a molecular weight of 109 – 1010 amu. The only way to recognize their appearance is to study the presence of their metabolism produces — volatile organic compounds (VOC) – such as alcohols, aldehydes, hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, carboxylic acids,

51

Proposed Tasks of Enceladus Missions’ Instrumentation in the Context of Their Astrobiological Goals

Q/L/

or ketones. Figure 3 contains the molecular weights of some of them. For large particles (comparable or larger than the average size of water vapour particles and ice crystals particles, > 1 μm), we can expect their higher density at the base of the geyser plume. However, it should be assumed for VOC particles that they will be equally distributed throughout the whole plume (see kinetic simulation results for 6F and 1F particles in [44]). VOC’s assigned to selected microorganisms (Table 1) in opposition to the microorganisms themselves might be successfully detected using the spectrometers proposed. A comparison of the sample VOC’s molecular weights with the spectral ranges of spectrometers is shown in figure3. Three mass spectrometers sensitivity ranges: MASPEX, SWAMP, and INMS provide the detection of selected organic volatile compounds. Only the ENIJA spectrometer (ELF mission) can identify only lighter VOCs such as isoprene, benzene, or e.g. ethanol. However, these are often popular organic compounds assigned to the bacteria species. It should be noted that the mission Enceladus Life Finder is equipped with two spectrometers: ENIJA, which can be used to detect light compounds such as methane (16 amu) or carbon dioxide (44 amu) and MASPEX for heavier particles and MASPEX cover all of the selected VOCs. While planning the orbit, the vertical differentiation of the density of microorganisms, especially the heavier ones such as C. neoformans, J. lividum, P. putida (up to 3 μm) or Dinoflagellates sp. (20–50 μm) should not be taken into account. Direct detection of such heavy particles with the proposed spectrometers will be impossible. Only the detection of corresponding VOCs will be possible, while small particles such as VOCs, according to the results of numerical modelling of the spread of particles in Enceladus plumes [44], will spread uniformly throughout the plume volume. Therefore, the proposed for scientific orbits altitudes in the range of 50 km [34, 39, 42] are accurate. Another issue is the frequency of sampling by spectrometers. For velocity about 8 km/s and a reference frequency of the MASPEX spectrometer about 5 kHz, we can estimate that one measurement carried out during the flight through the geyser plume will correspond to 1.6 m of the flight path. This is an excellent frequency that will allow recognizing the spatial distribution of VOC, and indirectly estimate the spatial distribution of microorganisms themselves.

Investigating the parameters of multispectral cameras (MAC, TIGER, and DRIPS), we focused on the possibility of statistically significant differences in the spectrum between a geyser plume without microorganisms and a plume containing microorganisms. We assume that the main component of the spectral signature of the geyser reflectance is Mie or Rayleigh scattering depending on the size of the particles that form the plume and optical channel. Besides, this spectrum shape will be disturbed by the absorption of radiation by microorganisms. Scattering is characterized by a dimensionless parameter x = 2pr/l where r is the radius of the scattering particle and l is the wavelength. For x >> 1 particle will act as geometric shapes. We assumed that for 0.1 < x < 10.0 we will use Mie scattering and for x in the range of 10th we will use Rayleigh approximation. In Table 1, there are listed microorganisms sizes and Mie scattering x parameters for four wavelengths: 0.5 μm, 1.0 μm, 5.0 μm, and 5.3 μm. These wavelengths represent minimum and maximum values for multispectral cameras MAC, TIGER, and DRIPS. In most cases, we can see that Mie scattering should be applied for both the visible – NIR spectrum and infrared spectrum used in the TIGER camera. Only for very small organisms < 0.5 μm, such as H. salinarum, in the case of the TIGER camera we can use the Rayleigh scattering model. For organisms with cells of the order of 3 μm and larger in the case of short visible light wavelengths, e.g. in the blue and green channels, the cells will behave as geometric shapes. The same phenomenon will occur for the entire spectrum of all cameras for very large organisms like Dinoflagellates. Mie (Rayleigh) scattering of a plume for incident sunlight power in the range of Saturnian orbit 14 W/m2 containing ice crystals with a diameter of 1 (±0.5) μm and composed of the microorganisms themselves listed in Table 1 are presented in fig. 4. If we would replace ice particles with microbial component particles in a range a) 1:108 (uniform particles spreading) and b) 1:106 (higher density near plume source) and if we would apply calculated spectra to four visible/near-infrared optical bands proposed for Enceladus Orbiter MAC camera and for

Fig. 3. Selected microorganisms VOCs, their molecular masses in the context of four mass spectrometers (MASPEX, ENIJA, SWAMP, and INMS) sensitivity Rys. 3. Lotne związki organiczne wybranych mikroorganizmów, ich masy cząsteczkowe w kontekście czułości czterech spektrometrów masowych (MASPEX, ENIJA, SWAMP i INMS)

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

NR 4/ 20 20

Katarzyna Kubiak, Jan Kotlarz, Natalia Zalewska, Urszula Zielenkiewicz infrared band proposed for TIGER camera we may estimate reflectance relative change in all bands (see table 3). Due to the dependence of Mie scattering on the dimension of the scattering particles and with a low density of the microbial component of 1:108, the observed changes in plume reflectance can be as low as 10,000 parts of a per cent. This is too little difference to be able to perform effective detection of microorganisms. With 64-bit data storage for large microorganisms (3 μm, e.g. C. neoformans, P. putida), the differences in the Digital Number (DN) in the visible and NIR range between the plume without the biological component and with the biological component would be as low as 200–500 (on a scale of 0 to about 4.5 billion). The situation is slightly better in the 5μm channel. The observed differences for organisms of the order of 2–3 μm are about 2000 DN, for S.marscescens with a length of 2 μm and a width of 0.5 μm it is a difference of about 500 DN. These differences are in this channel, however, lower for very large objects such as Dinoflagellates. These differences are modified by the appearance of pigments in the biological component, which, as shown in fig. 2, − cause light absorption at the level of > 60 % in the entire visible and NIR spectrum, and − differentiate the level of absorption in various bands. For organisms such as S. marcescens and J. lividum, this differentiation is small (< 5 %), but e.g. for B. aurantiacum or D. radiodurans these differences reach 20 % and 10 % respectively. It should be noted that the high light absorption for organisms larger than the average size of ice crystals in the

plumes reduces the difference between the plumes without and with a microbiological component. For example, for J. lividium, a 60 % absorption reduces this difference six times. For D. radiodurans in the NIR range or NH4 channel, this difference decreases fourfold, in the visible range de facto, falls to zero. Examining such properties with the differential indicators, we find that these variations are still too small (e.g. using NIR and Blue-Green channels, the differential indicator [NIR – Blue] /[NIR + Blue] would change by 10−6) to use such simple methods known for the detection of pigments, e.g. chlorophylls in cyanobacteria. On the other hand, for microorganisms that are slightly smaller than 1μm, the light absorption increases the reflectance variation. For significantly smaller organisms (e.g. H. salinarum – 0.2 μm) the main distinction is due to the difference in Mie scattering, and the light absorption itself is less important. It can be assumed that the only opportunity to detect microorganisms in Enceladus plumes is their significant concentration around plume sources. Kinetic simulations [6] suggest that this could happen. If we assume that the same number of particles will spread at an altitude of up to 20 km instead of up to 2000 km causing the phenomenon of “snowing microbes” [34], then all these variations will become two orders of magnitude more significant. The density of microorganisms will increase due to their lower speed at the sources and the presence of cells returning to the surface. The differential ratio discussed earlier would increase for the source region from 10−6 to 10−3. It should be noted that assuming the main target of imaging the source of plumes, the camera parameters should be reconfigured

Fig. 4. Mie scattering (0.4–1.0 µm, MAC and DRIPS cameras, 5.0–5.3 µm for TIGER camera) on the particle representing single-cell power flux observed on 10 km distance (1–2 s before passing plume) calculated for scattered angle 90–180 degrees and basic sunlight flux 14 W/m2 (range of the Saturnian orbit). Colours as in Figure 3. Orange plot representing 1 µm water particles. Rys. 4. Rozpraszanie Mie (0,4–1,0 µm, kamery MAC i DRIPS, 5,0–5,3 µm dla kamery TIGER) na cząstce reprezentującej pojedynczej komórki obserwowany na odległości 10 km (1–2 s przed przejściem przez pióropusz) obliczony dla kąta rozproszenia 90–180 stopni i strumienia padającego światła słonecznego 14 W / m2 (odległość orbity Saturna). Kolory analogiczne do rys. 3. Pomarańczowy wykres przedstawia cząsteczki wody o średnicy 1 µm. Table 3. Change in plume reflectance after replacing ice crystals with particles of a biological component in a proportion of 1: 100,000,000. The values in the table are expressed in thousandths of parts per mil Tabela. 3. Zmiana współczynnika odbicia pióropusza po zastąpieniu kryształków lodu cząstkami składnika biologicznego w proporcji 1: 100 000 000. Wartości w tabeli są wyrażone w tysięcznych częściach na mil Reflectance change due to the Mie scattering in the MAC & TIGER cameras proposed bands [ppm] Blue-Green

Red

Near Infrared

Methane

5 µm infrared

H. salinarum

–0.01

–0.01

–0.01

–0.01

–0.01

D. radiodurans

+0.02

+0.02

+0.02

+0.02

0.00

C. neoformans

+0.05

+0.08

+0.11

+0.11

+0.46

P. putida

+0.05

+0.07

+0.10

+0.09

+0.45

S. marcescens

+0.03

+0.03

+0.03

+0.03

+0.14

J. lividium

+0.01

+0.01

+0.01

+0.01

0.00

Dinoflagellates sp.

+20.0

+23.9

+37.2

+36.18

+579.1

53

Proposed Tasks of Enceladus Missions’ Instrumentation in the Context of Their Astrobiological Goals dozen kilometres are suitable for collecting data. The proposed frequency of 5 kHz will also ensure an appropriate spatial resolution of several meters during the flight. The configuration of multispectral cameras for the detection of these types of organisms is a radically different issue. Due to the relative convergence of a) ice crystals sizes in the geyser (1 μm), b) sizes of microorganisms (0.2–50 μm) and c) visible electromagnetic wavelength, NIR and infrared (0.4–1.0 μm, 5.0–5.3 μm) that the main factors differentiating the reflectance of geyser light without a biological component from a geyser with a biological component will be a) Mie scattering, b) light absorption by microorganisms. The conducted analysis indicates that noticeable changes in the case of at least 64-bit data recording can occur only for larger than 1 μm organisms at the source of geysers. It is troublesome because for such particles with sizes of 1–3 μm Mie scattering causes an increase in geyser brightness; however, the simultaneous absorption of light (40–80 % depending on the organism and optical channel) causes a decrease in brightness. Brightness variations of 1000 DN in selected optical channels were determined for individual organisms in the range of 3 μm size. The analysis showed that data from other parts of the plume (with lower matter density) may not provide sufficient detection information. Particularly noteworthy are the channels belonging to the near-infrared in the MAC camera (NIR and CH4 channels) and the infrared channel in the TIGER camera (5.0-5-3 μm).

Fig. 5. Enceladus’s south polar plumes, as seen by Cassini November 30, 2010. Plume’s sources up to the 4000 m altitude are overexposed allowing higher parts of the plumes investigation [NASA/JPL-Caltech/ Space Science Institute] Rys. 5. Pióropusze południowego bieguna Enceladusa, widziane przez sondę Cassini 30 listopada 2010 r. Źródła pióropusza na wysokości do 4000 m są prześwietlone, co pozwala jedynie na badanie wyższych części pióropusza [NASA / JPL-Caltech / Space Science Institute]

(e.g. lower exposure time) in such a way that the data for other regions of the plume (e.g. lower density regions in the higher altitudes) may be imaged with worse tonal resolution (fig. 5).

S/ * Designing optoelectronic systems for the detection of the microbiological component in Enceladus geysers is a complex process. First, it is necessary to estimate the parameters of the component, which is difficult because the actual parameters of the environmental conditions under the ice crust are unknown. Based on data from the Cassini probe, it is generally accepted that there is as an aline (1–2 %) ocean under the crust with a depth of 10 km to even 70 km and hydrothermal chimneys at its bottom that promote the creation and maintenance of microbiological life. The Cassini mass spectrometer indicated the presence of methane and molecular hydrogen in water plumes. This may indicate the presence of methanogenic archaea – like organisms – similar to the hydrothermal field at the bottom of the Atlantic. However, the possibility of the existence of the microorganisms, extremophiles that tolerate high salinity, different temperatures, and X-rays from Saturn’s rings or possibly from a heating source should not be excluded. In our work, we considered 7 different types of microorganisms. They are characterized by a large variety of sizes (0.2–50 μm), some of them have varying reflectance spectra. Specific volatile organic compounds (VOCs) can be associated with specific microorganisms: from light compounds like ethanol to heavier ones like violaceins. Modelling of phenomena occurring in a hypothetical ocean and data collected on the hydrothermal field in the Atlantic indicate that on the ocean surface, at the place of geyser formation, the concentration of cells could be in the order of 10,000 per cubic centimetre, and at the source of the geyser 1 ppm concerning the micrometre size of ice crystals. We estimated that it is impossible to detect the presence of microorganisms of the dimensions as mentioned above directly in geysers during designed missions using mass spectrometers. Their sensitivity allows for partial (e.g. ENIJA spectrometer in ELF mission) or full detection (MASPEX spectrometers from ELF mission and INMS from E2T mission) of corresponding volatile organic compounds in the range up to 2000 amu. The Enceladus Life Finder mission, which has two mass spectrometers: ENIJA for light particles such as ethanol, isoprene, or benzene, and MASPEX, which can determine e.g. violacein, can gather an extraordinary data set in this case. It is also important to emphasize the wide spectrum of the SWAMP device in the THEO mission. Since numerical models indicate that potential particles of this size should be present in the entire volume of the geyser and its plume, the proposed ceiling of the order of several

54

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

" 1. Eigenbrode J., Gold R.E., McKay C.P., Hurford T., Davila A., Searching for Life in an Ocean World: The Enceladus Life Signatures and Habitability (ELSAH) mission concept, 2018. 2. Matson D.L., Castillo-Rogez J.C., Davies A.G., Johnson T.V., Enceladus: A hypothesis for bringing both heat and chemicals to the surface. “Icarus”, Vol. 221, No. 1, 2012, 53–62, DOI: 10.1016/j.icarus.2012.05.031. 3. Kotlarz J.P., Zalewska N.E., Enceladus’ Plumes Reflectance. Particle-in-Cell Model Parametric Study, Cryovolcanism in the Solar System Workshop, Vol. 2045, 2018. 4. Glein Ch.R., Baross J.A., Waite J.H. Jr. The pH of Enceladus’ ocean, “Geochimica et Cosmochimica Acta”, Vol. 162, 2015, 202–219, DOI: 10.1016/j.gca.2015.04.017. 5. Taubner R.-S., et al. Biological methane production under putative Enceladus-like conditions. “Nature communications”, Vol. 9, No. 1, 2018, 1–11, DOI: 10.1038/s41467-018-02876-y. 6. Kotlarz J., Kubiak K.A., Zalewska N.E., Potential Biological Component of the Enceladus Environment. Kinetic Simulation for the 10 km Thick Ocean Model. LPI Contributions, 2168, 2019. 7. Brazelton W.J., et al. Archaea and bacteria with surprising microdiversity show shifts in dominance over 1,000year time scales in hydrothermal chimneys. Proceedings of the National Academy of Sciences 107.4, 2010, 1612–1617, DOI: 10.1073/pnas.0905369107. 8. Brazelton W.J., et al. Methane- and sulfur-metabolizing microbial communities dominate the Lost City hydrothermal field ecosystem. “Applied and Environmental Microbiology”, Vol. 72, No. 9, 2006, 6257–6270, DOI: 10.1128/AEM.00574-06. 9. Kallmeyer J., ed. Life at Vents and Seeps. Vol. 5. Walter de Gruyter GmbH & Co KG, 2017. 10. Kiang N.Y., Biosignatures of Exoplanets. (2017). 11. Saito Takeshi, et al. Hydroxyl radical scavenging ability of bacterioruberin. “Radiation Physics and Chemistry”, Vol. 50, No. 3, 1997, 267–269, DOI: 10.1016/S0969-806X(97)00036-4. 12. Lemee L., et al. Deinoxanthin: a new carotenoid isolated from Deinococcus radiodurans. “Tetrahedron”, Vol. 53, No. 3, 1997, 919–926, DOI: 10.1016/S0040-4020(96)01036-8. A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

Katarzyna Kubiak, Jan Kotlarz, Natalia Zalewska, Urszula Zielenkiewicz 13. Rocío G.-R., et al. Role of Cln1 during melanization of Cryptococcus neoformans. “Frontiers in Microbiology”, 2015, DOI: 10.3389/fmicb.2015.00798. 14. Liu G.Y., Nizet V., Color me bad: microbial pigments as virulence factors. “Trends in Microbiology”, Vol. 17, No. 9, 2009, 406–413, DOI: 10.1016/j.tim.2009.06.006. 15. Meyer J.-M., Pyoverdines: pigments, siderophores and potential taxonomic markers of fluorescent Pseudomonas species. “Archives of Microbiology”, Vol. 174, No. 3, 2000, 135–142, DOI: 10.1007/s002030000188. 16. Bennett J.W., Bentley R., Seeing red: the story of prodigiosin. “Advances in Applied Microbiology”, Vol. 47, 2000, 1–32, DOI: 10.1016/s0065-2164(00)47000-0. 17. Haddix P.L., Shanks R.M.Q. Prodigiosin pigment of Serratia marcescens is associated with increased biomass production. “Archives of Microbiology”, Vol. 200, No. 7, 2018, 989–999, DOI: 10.1007/s00203-018-1508-0. 18. Schloss P.D., et al. Psychrotrophic strain of Janthinobacterium lividum from a cold Alaskan soil produces prodigiosin. “DNA and Cell Biology”, Vol. 29, No. 9, 2010, 533–541, DOI: 10.1089/dna.2010.1020. 19. Cortés-Osorio N., et al. Influence of Environmental Factors on the Production of Violacein Synthesized By Janthinobacterium lividum. “The International Journal Of Engineering and Science”, Vol. 6, No. 12017, 76–83, DOI: 10.9790/1813-0601037683. 20. Valiadi M., Iglesias-Rodriguez D., Understanding bioluminescence in dinoflagellates – how far have we come? “Microorganisms”, Vol. 1, No. 1, 2013, 3–25, DOI: 10.3390/microorganisms1010003. 21. Offner S., et al. Structural characteristics of halobacterial gas vesicles. “Microbiology”, Vol. 144, No. 5, 1998, 1331–1342, DOI: 10.1099/00221287-144-5-1331. 22. Alfonzo A., et al. Effect of salt concentration and extremely halophilic archaea on the safety and quality characteristics of traditional salted anchovies. “Journal of Aquatic Food Product Technology”, Vol. 26, No. 5, 2017, 620–637, DOI: 10.1080/10498850.2016.1251521. 23. Zahradka K., Deinococcus Radiodurans – a Radiation Resistant Bacterium. 7th Symposium of the Croatian Radiation Protection Associetion, Opatija, Croatia 2008. 24. Karkowska-Kuleta J., Rapala-Kozik M., Kozik A., Fungi pathogenic to humans: Molecular bases of virulence of Candida albicans, Cryptococcus neoformans and Aspergillus fumigatus, “Acta Biochimica Polonica”, Vol. 56, No. 2, 2009, 211–224. 25. Scotter J.M., et al. Real-time detection of common microbial volatile organic compounds from medically important fungi by Selected Ion Flow Tube-Mass Spectrometry (SIFT-MS). “Journal of Microbiological Methods”, Vol. 63, No. 2, 2005, 127–134, DOI: 10.1016/j.mimet.2005.02.022. 26. Nelson K.E., Weinel C., Paulsen I.T., et al. Complete genome sequence and comparative analysis of the metabolically versatile Pseudomonas putida KT2440. “Environmental Microbiology”, Vol. 4, No. 12, 2002, 799–808, DOI: 10.1046/j.1462-2920.2002.00366.x. 27. Detchanamurthy S., Gostomski P.A., Biofiltration for treating VOCs: an overview. “Reviews in Environmental Science and Bio/Technology”, Vol. 11, No. 3, 2012, 231–241, DOI: 10.1007/s11157-012-9288-5. 28. Lee A., et al. Use of Hydrogenophaga pseudoflava penetration to quantitatively assess the impact of filtration parameters for 0.2-micrometer-pore-size filters. “Applied and Environmental Microbiology”, Vol. 76, No. 3, 2010, 695–700, DOI: 10.1128/AEM.01825-09. 29. Kai M., et al. Volatiles of bacterial antagonists inhibit mycelial growth of the plant pathogen Rhizoctonia solani.

“Archives of microbiology”, Vol. 187, No. 5, 2007, 351–360, DOI: 10.1007/s00203-006-0199-0. 30. Valdes N., et al. Draft genome sequence of Janthinobacterium lividum strain MTR reveals its mechanism of capnophilic behavior. “Standards in Genomic Sciences”, 2015, DOI: 10.1186/s40793-015-0104-z. 31. Woodhams D.C., et al. Prodigiosin, violacein, and volatile organic compounds produced by widespread cutaneous bacteria of amphibians can inhibit two Batrachochytrium fungal pathogens. “Microbial Ecology”, Vol. 75, No. 4, 2018, 1049–1062, DOI: 10.1007/s00248-017-1095-7. 32. Wall D., Dale B., Quaternary calcareous dinoflagellates (Calciodinellidae) and their natural affinities. “Journal of Paleontology”, Vol. 42, No. 6, 1968, 1395–1408. 33. Dani K.G.S., Loreto F., Trade-off between dimethyl sulfide and isoprene emissions from marine phytoplankton, “Trends in Plant Science”, Vol. 22, No. 5, 2017, 361–372, DOI: 10.1016/j.tplants.2017.01.006. 34. Srama R., Postberg F., Henkel H., et al. Enceladus Icy Jet Analyzer (ENIJA): Search for life with a high resolution TOF-MS for in situ characterization of high dust density regions. Eur. Planet. Sci. Congr. 2015. 35. Abplanalp D., et al. A neutral gas mass spectrometer to measure the chemical composition of the stratosphere, “Advances in Space Research”, Vol. 44, No. 7, 2009, 870–878, DOI: 10.1016/j.asr.2009.06.016. 36. Hofer L., et al. Prototype of the gas chromatograph–mass spectrometer to investigate volatile species in the lunar soil for the Luna-Resurs mission. “Planetary and Space Science”, Vol. 111, 2015, 126–133, DOI: 10.1016/j.pss.2015.03.027. 37. Spencer J.R., Niebur C., Mission Concept Study: Titan Saturn System Mission. National Aeronautics and Space Administration, 2010. 38. Reuter D.C., et al. Ralph: A visible/infrared imager for the New Horizons Pluto/Kuiper Belt mission. “Space Science Reviews”, Vol. 140, No. 1–4, 2008, 129–154, DOI: 10.1007/s11214-008-9375-7. 39. Mitri G., Postberg F., Soderblom J.M., et al. Explorer of Enceladus and Titan (E2T): Investigating ocean worlds’ evolution and habitability in the solar system. “Planetary and Space Science”, Vol. 155, 2018, 73–90, DOI: 10.1016/j.pss.2017.11.001. 40. Mackenzie S.M., Caswell T.E., Phillips-Lander C.M., et al. THEO concept mission: testing the habitability of Enceladus’s Ocean. “Advances in Space Research”, Vol. 58, No. 6, 2016, 1117–1137, DOI: 10.1016/j.asr.2016.05.037. 41. Brockwell T.G., Meech K.J., Pickens K., et al. The mass spectrometer for planetary exploration (MASPEX). 2016 IEEE Aerospace Conference, DOI: 10.1109/AERO.2016.7500777. 42. Lunine J., Waite H., Postberg F., Spilker L., Clark K., Enceladus life finder: the search for life in a habitable moon. EGU General Assembly Conference Abstracts (2015) 43. Porco C.C., Dones L., Mitchell C., Could it be snowing microbes on Enceladus? Assessing conditions in its plume and implications for future missions, “Astrobiology”, Vol. 17, No. 9, 2017, 876–901, DOI: 10.1089/ast.2017.1665. 44. Kotlarz J., Zielenkiewicz U., Zalewska N., Kubiak K., Microbial component detection in Enceladus snowing phenomenon; proposed missions instrumentation analysis. EANA Astrobiology Conference 2019.

55

Proposed Tasks of Enceladus Missions’ Instrumentation in the Context of Their Astrobiological Goals

0 " ; " ? / & Streszczenie: Enceladus, księşyc Saturna, jest obiektem bardzo waşnym dla astrobiologów ze względu na obecność ciekłej wody, która tworzy ocean pokryty lodem. Gejzery lodu wodnego wydobywają się z regionu bieguna południowego przez pęknięcia w pokrywie lodowej. Sonda Cassini pobrała podczas lotu próbki pióropusza, rozpoznając, między innymi, metan i wodór cząsteczkowy. Od tamtej pory sformułowano hipotezy, şe w poblişu hydrotermalnych kominów Enceladusa mogą występować formy şycia podobne do występujących w polu hydrotermalnym Lost City na dnie Atlantyku. W naszej pracy przeanalizowaliśmy moşliwość wykrycia czynnika mikrobiologicznego w gejzerach Enceladusa. Posłuşyliśmy się wybranymi ekstremofilami jako organizmami modelowymi. Przebadaliśmy kamery wielospektralne i spektrometry masowe przeznaczone do wykorzystania w proponowanych misjach do Enceladusa: Enceladus Orbiter, Enceladus Life Finder, The Explorer of Enceladus and Titan oraz misji THEO. Ich przegląd wykazał, şe konfiguracja spektrometrów masowych oraz proponowane parametry orbit są odpowiednie do wykrywania lotnych związków organicznych odpowiadających wybranym mikroorganizmom, takich jak aldehyd, etanol, benzen, toluen, indol czy wiolaceina. Ewentualną obecność składnika mikrobiologicznego o wymiarach fizycznych rzędu kilku mikrometrów moşna zaobserwować jedynie dla obszarów formowania się gejzerów przy ich większej gęstości (> 10 ppm) oraz przy występowaniu zjawiska „snowing microbes�. Stwierdziliśmy, şe szczególnie przydatne kanały optyczne to 780–975 nm, 860–910 nm oraz 5,0–5,3 ¾m. C( J ; " $ $ $ / &

Katarzyna Kubiak, PhD

Jan Kotlarz, MSc

# # / % & ORCID: 0000-0002-4156-3139

T # % & ORCID: 0000-0002-8212-7798

& " " > 8 F > X > (!*) / & > @ > + &$ f F V = > H " F g " F > " O / " > " $ HM$ Q < F > > & > > > & & / "

R & " " > K > 0 F > 8 (!*( / & + & @ > f V = F > H $ " > " & F / " > = (!(!$ " > AH HS T 0 X / 0 " O " Q ;\ F / & 0 H " > N / > 0 H / &

Natalia Zalewska, PhD

Urszula Zielenkiewicz, PhD

% / ORCID: 0000-0001-8843-4396

% // ORCID: 0000-0003-0615-7546

+ > 0 H " > ] > " > N & & " " / " " > N ;\ " N+J = (!!) " (!*'$ $ & " / N $ N / " F $ " > " F > > N " > & F "

@ > N / L = > L F " L > 0 H F " > $ " & " F & / " > / > " "

56

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 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 57–60, DOI: 10.14313/PAR_238/57

A @ N & @ & A A N " Laith Al Rawashdeh, Igor Zakharov, Oleg Zaporozhets # A > + " ; $ A H $ *U$ # $ # J/ $ $ P*!!!

Abstract: A neural network compensator for the nonlinearity of a dynamic measuring instrument is proposed, which allows restoring the value of the measured input signal. The inverse model of a nonlinear dynamic measuring device is implemented based on a three-layer perceptron supplemented by delay lines of input signals. The properties of the proposed neural network compensator are studied through simulation computer modelling using various types of calibration input signals for the training of an artificial neural network. 0 J _ $ F $ &$ " $

1. Introduction The advances of modern signal processing can improve measurement accuracy and implement fairly complex measurement procedures. Artificial neural networks are one of the promising areas for the development of intelligent information management and processing technologies.Neural networks are used to solve complex problems that require analytical calculations similar to those made by the human brain, including pattern recognition, classification (clustering), forecasting, approximation, decision making and control, data compression and associative memory. Currently, there are many studies of neural networks. The works of Wasserman [1], Haykin [2], Rojas [3] described in sufficient detail the theoretical foundations of neural networks and practical recommendations for their use. The main advantages of neural networks over traditional computational methods are the ability to learn, adapt to environmental changes, the flexibility of the structure, fault tolerance.Neural networks are also an essential tool for machine learning in artificial intelligence [4]. Recently, neural network technologies are increasingly being used in measurement practice. The development of neural network dynamic models of measuring devices is one of the promising areas of intellectualization of modern measurement technology. Such models significantly improve the metrological characteristics and efficiency of existing nonlinear dynamic measuring transducers [5–7]. The use of neural network dynamic models allows the creation of intelligent measuring devices

3 J X H + " $ / % 3 ( " !U !' (!(! $ " " *P ** (!(!

!

with the ability to individualize their dynamic parameters to external factors and measurement conditions.

L/ ' In measurement practice, one often has to deal with dynamic measuring devices having substantially nonlinear characteristics. It is necessary to have an appropriate mathematical model to analyze such objects and study their behaviour. The theoretical analysis allows obtaining a mathematical description in the form of differential equations. Experimental analysis based on observations can result in a parametric or nonparametric model. The most widespread are parametric models that require solving structural and parametric identification problems and have a limited number of parameters. Let us consider a nonlinear dynamic measuring transducer, generally described by the nonlinear autoregressive equation (NARX model) [8]

(1) where t = 0, 1, 2, ‌ is the discrete time, y(t) is the output signal, x(t) is the input signal, and x(t) is the additive random noise reduced to the output, describing the influence of internal and external disturbing factors. The nonlinearity of the conversion function of the measuring chain link is an undesirable property since it introduces an additional error into the measurement result. A universal method for reducing the nonlinearity of the conversion function is its algorithmic correction using an additional corrector filter. This filter implements theinverserelation to the conversion function (1):

(2)

57

Nonlinearity Correction in Dynamic Measuring Devices Using Neural Network Models This device, connected in series with the measuring device, allows compensating for its nonlinear dynamics and obtaining an estimate of the measured input signal. An additional condition is the invariance of such a corrector to any nonlinear conversion function. It is proposed to use a three-layer perceptron supplemented by delay lines of input signals as a corrector that implements the inverse model of a nonlinear measuring device. This choice is justified by the fact that neural networks are nonlinear, have good approximating properties and can be synthesized by training [1–4].

M/ ;

" " 8

The search for unknown optimal parameters of a neural network model is carried out using the training procedure shown in Fig. 1. As a training sample for adjusting the synaptic weights of the neural network, time sequences of the input and output signals of the nonlinear measuring device are used.

Fig. 2. Structure of the dynamic neural network model Rys. 2. Struktura modelu dynamicznej sieci neuronowej

where Wij is the synaptic weight of the connection of the i-th input synapse with the j-th neuron of the hidden layer, and ji(t) is the i-th component of the vector of input signals of the perceptron.

Fig. 1. Training of a neural network model Rys. 1. Uczenie modelu sieci neuronowej

The vector of input signals of the perceptron with the dimension is described as

The signal x(t) is fed to the input of the measuring device, and thenits output signal y(t) is measuredand fed to the input of the neural network model. The output signal of the corrector xˆ(t ) is compared to the input signal x(t), and the error signal e(t ) = x (t ) − xˆ(t ) is generated. This signal is used to adjust the synaptic weights of the neural network model. The adjustment is carried out so that the output signal of the corrector xˆ(t ) is the best approximation of the input signal of the measuring device x(t). In this case, the optimality criterion is to ensure a minimum of the objective function .

(6) The neural network training algorithm consists of the following steps: 1. assign random initial values to the synaptic weights of neurons; 2. feed the next sample from the training set <y(t), x(t)> to the input of the neural network; 3. calculate the output signal xˆ(t ) and the error e(t ) = x (t ) − xˆ(t ) ; 4. correct the synaptic weights of neurons using backpropagation [1–4]; 5. repeat steps 2–4 until the value of the objective function (3) becomes sufficiently small or until the number of iterations (learning epochs) reaches the specified value. After that, the training is completed.

(3)

The neural network corrector is implemented based on a three-layer perceptron supplemented by delay lines of input signals. It is an inverse model of a nonlinear dynamic measuring device. The structure of the dynamic neural network model is shown in Fig. 2. The output layer of the perceptron is made up of one neuron, which forms a signal as a weighted sum of the output signals of the hidden layer neurons k

xˆ(t ) = ∑VjO j (t ),

Q/

(4)

Computer simulation modelling was performed tostudy the proposed inverse neural network model of a nonlinear dynamic measuring device. A three-layer perceptron with sigmoid activation functions in the hidden layer and an adder at the output was used as a neural network. The synaptic weights were adjusted using the Levenberg-Marquardt algorithm, which has a higher speed compared to the gradient descent method. The neural network modelwas trained for 100 epochs. The computer with double CPU 3.3 GHz and 4 GB of RAM was used for modelling.

j =1

where Vj, j = 1, ‌, k are the synaptic weights of the output network neuron, and Oj are the output signals of the hidden layer neurons. Neurons with the sigmoid activation functions form the hidden layer. The following equations describe each neuron of this layer: (5)

58

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 4/ 20 20

Laith Al Rawashdeh, Igor Zakharov, Oleg Zaporozhets A nonlinear measuring device was modelled by a serial connection of nonlinear static and linear dynamic links (Hammerstein model) described by equations:

The influence of the type of input calibration signal on the training of a neural network model was studied. Samples for the network training were selected by feeding the following calibration signals to the input of the measuring device: 1) pseudo-random white Gaussian noise; 2) periodic sequence of rectangular pulses with a period T = 100; 3) periodic sequence of triangular pulses with a period T = 100; 4) sinusoidal signals with different frequencies

a) rectangular impulses a) impulsy prostokątne

5) sum of two sinusoidal signals with different frequencies and amplitudes 6) frequency-modulated signal with a linear law of frequency variation. The standard uncertainty of type A of the signal restored by the corrector was chosen as a criterion of the system efficiency:

uA (xˆ) =

1 N 2 ∑ (xˆ(n) − x (n)) , N − 1 n =1

(7)

where N = 500 is the length of the training sample collection. The results of the modelling, which was carried out for different types of input signals, are presented in Table 1 and Fig. 3.

b) sinusoidal signal b) sygnał sinusoidalny

5. Conclusions The obtained results confirm the operability of the proposed neural network nonlinearity correctorand are entirely consistent with the theoretical assumptions. This opens up vast possibilities for using neural network architectures to solve the problems of inverse modelling of nonlinear dynamic measuring instruments. An advantage of the proposed approach is the invariance of the neural network model to thetype of nonlinear transformation. A positive factor is also the ability to synthesize the corrector by training without involving complex design methods. This opens up great opportunities for creating intelligent measuring systems with adaptive properties based on the proposed neural network model.

c) sum of two sinusoids c) suma dwu sinusoid

Table 1. Modelling results Tabela 1. Wyniki modelowania Type of input signal

Standard uncertainty

Random signal

0.324

Rectangular impulses with period T = 100

0.352

Triangular impulses with period T = 100

0.155

Sinusoidal signals: 0.030 0.064 0.066 Sum of two sinusoids 0.118 Frequency-modulated signal

0.434

d) triangular impulses d) impulsy trójkątne Fig. 3. Input signal and signal restored by the corrector Rys. 3. Sygnał wejściowy I sygnał odtworzony przez korektor

59

Nonlinearity Correction in Dynamic Measuring Devices Using Neural Network Models

"

6. Degtyarov A.V., Zaporozhets O.V., Ovcharova T.A., Adaptive system for the measuring device nonlinearity compensation based on three-layer perceptron, “Elektrotekhnicheskiye i komp’yuternyye sistemyâ€?, Vol. 06(82), 2012, 235–241 (in Russian) 7. Degtyarov A.V., Zaporozhets O.V., Ovcharova T.A., Identification of nonlinear dynamic measuring devices with artificial neural network, “Metrolohiya ta pryladyâ€?, Vol. 2(41), 2013, 85–89 (in Russian) 8. Nelles O., Nonlinear System Identification: from Classical Approaches to Neural Networks and Fuzzy Models, Springer, Berlin 2013.

1. Wasserman P.D., Neural Computing: Theory and Practice, N.Y., Van Nostrand Reinhold, 1989. 2. Haykin S., Neural Networks. A Comprehensive Foundation, New Jersey, Prentice Hall, 2006. 3. Rojas R., Neural Networks: A Systematic Introduction, Springer-Verlag, Berlin 1996. 4. Haykin S., Neural Networks and Learning Machines (3rd Edition), Prentice Hall, 2010. 5. Zaporozhets O.V., Korotenko V.A., Ovcharova T.A., The compensationof the nonlinearity of the measuring devices with artificial neural network, “Systemy upravlinnya, navihatsiyi ta zv’yazku�, Vol. 4 (16), 2010, 99–103, (in Russian).

# - " " " -" . Streszczenie: Zaproponowano kompensator sieci neuronowej dla nieliniowoĹ›ci dynamicznego przyrzÄ…du pomiarowego, ktĂłry umoĹźliwia odtworzenie wartoĹ›ci mierzonego sygnaĹ‚u wejĹ›ciowego. Odwrotny model nieliniowego dynamicznego urzÄ…dzenia pomiarowego realizowany jest w oparciu o trĂłjwarstwowy perceptron uzupeĹ‚niony o linie opóźniajÄ…ce sygnaĹ‚Ăłw wejĹ›ciowych. WĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci proponowanego kompensatora sieci neuronowej sÄ… badane poprzez symulacyjne modelowanie komputerowe z wykorzystaniem róşnego rodzaju sygnaĹ‚Ăłw wejĹ›ciowych kalibracji do uczenia sztucznej sieci neuronowej. KeywordsJ h $ ? $ $ " " $

Laith Ahmed Mustafa Al Rawashdeh

Prof. Igor Petrovitch Zakharov, DSc

/ % ORCID: 0001-7343-7738

& % ORCID: 0000-0003-3852-4582

6 " "` H " F F= & " < & K > F H " > + < (!!P 0 & " " > @ F > N & " < ;\ > # A > + " ; F $ # $ + ` " $ & $ _

6 " "` + " K > # = > + " ; *'IE] 0 F & " # A > + " ; *'E*$ @ & " & (!!P] > (!!I 0 > > @ > N & " < ;\ > # A > + " ; O# $ Q > (!!I + F ` ] "

Oleg Vasyliovych Zaporozhets, PhD & % ORCID: 0000-0002-7831-8479 6 " "` K > # = > + " ; *'' ] 0 & " # A F > + " ; $ 0 @ " *''P] " (!!! H F 0 > O@ Q > @ > N & " < ;\ > # A > + " ; F O# $ Q > *''I + ` > F F & $ " " & & &$ _

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 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 61–72, DOI: 10.14313/PAR_238/61

A ? " & h ( A " j " Zygmunt Lech Warsza h L " f V 0 = H 0 ? 0=H0$ H T (!($ !(FUEP 8

Jacek Puchalski 6 ? -" N $ ; ($ !!F!!* 8

Streszczenie: Część druga pracy autorĂłw dotyczy oceny dokĹ‚adnoĹ›ci parametrĂłw linii prostej wyznaczanej metodÄ… regresji dla róşnych przypadkĂłw skorelowania współrzÄ™dnych punktĂłw pomiarowych. W pierwszej części pracy rozpatrzono istotÄ™, kryteria i zaleĹźnoĹ›ci metody regresji oraz wyznaczono rĂłwnania prostej i jej pasma niepewnoĹ›ci dla symulowanych przykĹ‚adĂłw punktĂłw o nieskorelowanych rzÄ™dnych. NawiÄ…zano do zasad oceny dokĹ‚adnoĹ›ci wedĹ‚ug Przewodnika GUM i uwzglÄ™dniono niepewność typu B nierozpatrywanÄ… w literaturze o zastosowaniu metod regresji w pomiarach. W tej pracy omawia siÄ™ wyznaczanie rĂłwnania prostej regresji i jej pasm niepewnoĹ›ci dopasowanych do pomiarĂłw punktĂłw o rzÄ™dnych skorelowanych. IlustrujÄ… to przykĹ‚ady o róşnym skorelowaniu oraz niepewnoĹ›ciach bezwzglÄ™dnych i wzglÄ™dnych typĂłw A i B mierzonych wartoĹ›ci zmiennej zaleĹźnej Y przy precyzyjnie znanych wartoĹ›ciach zmiennej niezaleĹźnej X. OmĂłwiono teĹź wpĹ‚yw autokorelacji przy stosowaniu sposobu zwiÄ™kszania dokĹ‚adnoĹ›ci przez wielokrotne powtarzanie pomiarĂłw rzÄ™dnej kaĹźdego punktu, w tym dla wielokrotnych pomiarĂłw tylko dwu punktĂłw. 5( J & $ ? H L$ "

1. Wprowadzenie Metoda regresji liniowej jest podstawowym narzÄ™dziem matematycznym stosowanym do wyznaczania linii prostej, lub innej zlinearyzowanej funkcji, dopasowanej do danych pomiarowych wedĹ‚ug okreĹ›lonego kryterium [1–4]. OcenÄ™ dokĹ‚adnoĹ›ci wynikĂłw pomiarĂłw w sĹ‚uĹźbach metrologicznych, nauce, przemyĹ›le i wielu innych dziedzinach dokonuje siÄ™ obecnie wedĹ‚ug zaleceĹ„ Przewodnika Wyznaczania NiepewnoĹ›ci GUM [5], opisanych teĹź w literaturze [6–9]. W literaturze o metodzie regresji liniowej dokĹ‚adność wyznaczania parametrĂłw linii prostej ocenia siÄ™ statystycznie tylko z niepewnoĹ›ci eksperymentu pomiarowego. WpĹ‚ywu niepewnoĹ›ci typu B nie rozpatrywano. Poprawna heurystyczna ocena tej niepewnoĹ›ci jako spodziewanego skutku róşnych oddziaĹ‚ywaĹ„, nieznanych co do wartoĹ›ci

3 J

& X 8 $ *' P%& 3 ( " *P !P (!(! $ " " (! !' (!(!

!

w trakcie eksperymentu, wymaga zwykle dosyć szczegółowej wiedzy i praktyki metrologicznej z wielu dziedzin pomiarowych. Nawet w najnowszych pracach o metodzie regresji opartej na podejĹ›ciu Bayesa [10, 12], proponowanym do stosowania w nowej wersji Przewodnika GUM 2 [13] wpĹ‚ywu niepewnoĹ›ci typu B na ocenÄ™ dokĹ‚adnoĹ›ci prostej regresji nie rozpatrywano. Autorzy, w pracy o zastosowaniu regresji liniowej [19], analizowali wyznaczanie rĂłwnania prostej i jej pasma niepewnoĹ›ci dla nieskorelowanych wartoĹ›ci mierzonej zmiennej zaleĹźnej Y. W oszacowaniach dokĹ‚adnoĹ›ci uwzglÄ™dnili teĹź niepewność typu B. PoniĹźej analizuje siÄ™ zastosowanie metody regresji i jej niepewność dla skorelowanej zmiennej Y. Skorelowanie obu zmiennych rozpatrzono w pracy [11]. WpĹ‚ywy znanych bĹ‚Ä™dĂłw systematycznych analizuje siÄ™ za pomocÄ… wzorĂłw wynikajÄ…cych z róşniczki zupeĹ‚nej i eliminuje siÄ™ przez poprawki. DokĹ‚adność pomiarĂłw opisuje siÄ™ niepewnoĹ›ciÄ… rozszerzonÄ… jako przedziaĹ‚em, w ktĂłrym z zadanym prawdopodobieĹ„stwem znajduje siÄ™ wartość mierzona. PrzedziaĹ‚ ten wyznacza siÄ™ na podstawie niepewnoĹ›ci zĹ‚oĹźonej jako standardowego odchylenia rozkĹ‚adu wynikĂłw pomiaru od estymatora wartoĹ›ci mierzonej. Jej skĹ‚adowymi geometrycznymi sÄ… niepewnoĹ›ci typĂłw A i B. Niepewność typu A opisuje rozrzutu wynikĂłw pomiarĂłw powtarzanych w przeprowadzanym eksperymencie. ZaĹ› za pomocÄ… niepewnoĹ›ci typu B szacuje siÄ™ heurystycznie nieznanego pochodzenia bĹ‚Ä™dy systematyczne,

61

G - + # + ! - !> K Q> G - ! + -- ! p

- A >>> SK(a, b) = – ln(f(Y)) → min

stałe lub wolno zmienne, mogące występować w danym eksperymencie, które randomizuje się. Zwykle niepewność typu B szacuje się na podstawie wartości maksymalnego dopuszczalnego błędu przyrządów pomiarowych MPE o symbolu E. Na przykład dla mierników cyfrowych, jako niepewność uB przyjmuje się standardowe odchylenie E / 3 rozkładu równomiernego o rozpięciu równym 2E. Niepewność uB tych przyrządów wzrasta liniowo z wartością średnią wielkości mierzonej. Informacje o szacowaniu niepewności pomiarów wieloparametrowych podaje Suplement 2 GUM i prace autorów [16–18]. Istotne znaczenie w metodzie regresji mają odchylenia powstałe przy nieadekwatności modelu matematycznego i zakłócenia w badanej wielkości. Traktuje się je jednolicie jak niepewności.

Przyjmuje się, şe suma znormalizowanych kwadratów odległości mierzonych punktów o współrzędnych (xi, yi) dla i = 1, ‌, n, od określonych punktów (xi, ypi) na prostej regresji osiągnie minimum dla równej zeru sumy kwadratów pochodnych cząstkowych po parametrach a i b tej prostej. W ogólnym przypadku, gdy mierzy się wartości obu współrzędnych, moşe wystąpić autokorelacja zarówno między wartościami yi, jak i dla xi punktów pomiarowych, Wyznaczenie prostej metodą regresji wymaga znajomości dwu macierzy kowariancji, UY i UX dla obu zmiennych Y i X.

L/L/ ' 2 % Równanie wynikające z kryterium (4) upraszcza się, gdy wartości odciętych xi punktów mierzonych nie mają rozrzutu, czyli są określone precyzyjnie, tzn. ich niepewność u(xi) = 0. Wówczas Xp = X i równanie (4) jako suma kwadratów niepewności znormalizowanych przez odwrotność macierzy kowariancji przyjmie postać:

L/ ' v 2 zmiennej L/-/ 0 W metodzie regresji liniowej dla losowej zmiennej Y wyznacza siÄ™ rĂłwnanie linii prostej y = ax + b i jej pasma niepewnoĹ›ci U z pomiarĂłw n wartoĹ›ci yi (gdzie i = 1, ‌, n), dokonywanych z niepewnoĹ›ciami u(yi), dla dokĹ‚adnie okreĹ›lonych wartoĹ›ci xi (dla i = 1, ‌, n) zmiennej niezaleĹźnej X. Do opisu niepewnoĹ›ci dla skorelowanych wartoĹ›ci y stosuje siÄ™ macierz kowariancji

UY

(4)

⎥ u 2 (y 1 ) ! Ď y 1n u(y 1 )u(y n )⎤ ⎼ ⎢ # % # =⎢ ⎼ ⎼ ⎢ Ď u(y )u(y ) ! u 2 (y n ) n ⎌ ⎣ y 1n 1

(5) ZaleĹźnoĹ›ci współrzÄ™dnych punktĂłw Pi (rys. 1) prostej regresji y = ax + b o rzÄ™dnych xpi = xi i odciÄ™tych ypi, opisuje rĂłwnanie wektorowe Yp = aXp + b. OdlegĹ‚ość mierzonego punktu Qi od punktu Pi na prostej zaleĹźy od róşnic współrzÄ™dnych obu tych punktĂłw (rys. 1).

(1)

gdzie: ryij – współczynniki korelacji par yi, yj zmiennej Y, u(yi), u(yj) – ich niepewności, i, j = 1, ‌, n. W tworzeniu prostej regresji dla danych rzeczywistych, skorelowanie wartości rzędnych y dla punktów sąsiednich jest zwykle znacznie silniejsze niş dla punktów oddalonych. Elementy z największymi wartościami współczynników korelacji występują wokół głównej przekątnej macierzy kowariancji UY, a pozostałe jej elementy moşna traktować jako równe zeru. Przy tworzeniu kryterium metody najmniejszych kwadratów dla wielowymiarowej zmiennej Y wykorzystuje się wielowymiarowy rozkład Gaussa o gęstości prawdopodobieństwa:

f (Y ) =

1

(2Ď€ )n / 2 â‹… det(U Y )

( [Y

⋅ exp −

1 2

P

Rys. 1. Prosta regresji dla mierzonej wartości y zmiennej Y przy znanych stałych wartościach xi Fig. 1. Regression straight-line for measured y-value of variable Y with known constant values xi

)

− Y ]TU Y-1 [YP − Y ]

(2) Rozpatrzmy metodę regresji dla równoległych rzutów punktów Qi w kierunku 0Y na wyznaczaną prostą. Punkt mierzony Qi znajduje się w odległości ypi – yi = axi + b – yi od punktu Pi. Zaleşności prostej regresji będą miały prostszą postać po wprowadzeniu parametrów pomocniczych:

gdzie: Y = [y1, ‌, yi, ‌, yn]T – n-wymiarowy wektor rzędnych yi mierzonych punktów, Yp – wektor yip ich rzutów równoległych na prostą regresji w kierunku 0Y, UY-1 – odwrotność macierzy kowariancji.

[ ]

S = 1TU Y-1 1 = ∑ni=1 ∑nj=1 uy−1

Poszukuje siÄ™ rozwiÄ…zania rĂłwnania liniowego: Yp = aXp + b1 = aXp + b

(3)

ij

(6a)

S x = X TU Y-1 1 = 1TU Y-1 X

(6b)

S xx = X TUY-1 X

(6c)

gdzie: Xp – wektor odciętych mierzonych punktów, 1 = [1, ‌, 1]T – wektor jednostkowy n-wymiarowy.

(6d) Funkcja celu P określa gęstość prawdopodobieństwa wielowymiarowej zmiennej o rozkładzie gaussowskim. Jeśli mierzy się tylko zmienną Y, to şąda się, aby funkcja P = f(Y) → max. Wystąpi to dla minimum funkcji kryterialnej SK(a, b)

62

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

S y = Y TU Y-1 1 = 1TU Y-1 Y

(6e) (6f)

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

+ - ` A ( $ ) A

Dla Xp = X i Yp = aXp + b równanie (5) przyjmuje postać:

gdzie: rab jest współczynnikiem korelacji między parametrami a i b. jest symetryczna podobnie jak UY,

Poniewaş macierz (7) tzn. U Y = U YT , Warunek minimalizacji wyraşenia (7) jako sumy kwadratów odległości n punktów Qi od prostej regresji w kierunku osi 0Y (rys. 1), wynika z rozwiązania układu dwóch równań dla jego pochodnych cząstkowych względem parametrów a i b prostej

oraz

– macierz jenost-

kowa, to otrzymuje siÄ™: oraz

regresji, tj. a elementy macierzy Uab upraszczajÄ… siÄ™ do postaci: (8a, b)

(12b)

Rozwiązując układ równań (8a, b) metodą wyznaczników uzyskuje się:

(12c)

(9a)

(12d)

(9b)

Standardowa niepewność jednowymiarowej zmiennej Y opisanej prostą regresji y = ax + b wynosi:

gdzie: Δa = SSxy – SxSy, Δb = SySxx – SxSy i Δ = SSxx – (Sx)2. Kryterium SKMIN z (5) bÄ™dzie speĹ‚nione przez parametry a i b o wartoĹ›ciach z (9a, b), gdy SKMIN = – aSxy – bSy + Syy

(13)

i po wykonaniu działań:

(9c)

Pasmo niepewności U(y) dla rzędnych y punktów prostej regresji leşy symetrycznie po obu jej stronach. Wyznacza się je z uwzględnieniem niepewności ua współczynnika kierunkowego a i niepewności ub wyrazu wolnego b. Parametry a i b we wzorach (9a, b) są skorelowane. Pochodne cząstkowe parametrów prostej regresji, wyznaczają wektory c i d:

(14)

Równanie to określa niepewność zmiennej Y w funkcji dwóch skorelowanych wielkości ax i b. Niepewność złoşona u(y) jest wg GUM [5] sumą geometryczną niepewności typów A i B: (15)

(10a)

d =

∂S y ∂Y

= U Y-1 1 = 1TU Y-1

(10b)

Macierz czułości dla parametrów a, b ma postać AB = [A, B] i jej elementy są określone przez: A= B=

Sc - S x d ∂a = ∂Y Δ

(11a)

S d - Sxc ∂b = xx ∂Y Δ

(11b)

Wzór (15) dotyczy przypadków, gdy współrzędne yi wszystkich punktów pomiarowych mierzy się tym samym przyrządem i w tych samych warunkach. Wówczas nie ma konieczności, by uwzględniać osobno niepewności typu B dla kaşdego mierzoNiepewność typu B, tj. uB(y) nego punktu i wyznacza się wtedy dla zakresu dopuszczalnego maksymalnego błędu Emax miernika. Parametry a i b prostej regresji zaleşą od współrzędnych yi n punktów pomiarowych. Efektywna liczba stopni swobody wynosi n – 2. Niepewność rozszerzoną U prostej regresji, np. o poziomie ufności 0,95, wyznacza się z niepewności złoşonej u(y) mnoşonej przez współczynnik rozszerzenia k0,95. Dla małej liczby punktów n stosuje się rozkład t-Studenta i otrzymuje się wzór: (16)

Z macierzowego rĂłwnania propagacji wariancji wynika macierz kowariancji parametrĂłw a i b:

Równanie prostej regresji z uwzględnieniem jej pasma niepewności jest wiec następujące: y = ax + b ¹ U

(17)

i ostatecznie (12a)

(18)

63

G - + # + ! - !> K Q> G - ! + -- ! p

- A >>> Tabela 1. Parametry prostej regresji y = ax + b dla auto-skorelowanej i nieskorelowanej zmiennej Y Table 1. Parameters of regression line y = ax + b for autocorrelated and noncorrelated variable Y

mierzony: Y = [y1, ‌, yi, ‌, yn]T z niepewnością u iT ; znany: X = [x1, ‌, xi, ‌, xn], ui(xi) = 0

Parametr Zmienna Y

skorelowana

nieskorelowana

Macierz kowariancji Y i jej odwrotność

-1 , UY

UY, UY-1 tylko wyrazy na przekÄ…tnej Kryterium SK

Współczynnik kierunkowy Parametry prostej regresji

wyraz wolny

gdzie: Δ = SSxx – (Sx)2, Δa = SSxy – SxSy, Δb = SySxx – SxSy 1)

S

∑ni=1 u i−2

Sx

∑ni=1 x i u i−2

Sxx

∑ni=1 x i u i

Sy

∑ni=1 y i u i

Sxy

∑ni=1 x i y i u i−2

Syy

∑ni=1 y i2u i−2

2 −2

Parametry pomocnicze

−2

ABT = [ai, bi]

AB = [A, B] Macierz czułości i jej elementy

Macierz kowariancji Uab Wariancje i element kowariancyjny

standardowa Niepewności typu A prostej regresji rozszerzona

Uab = t95, n-2 uab

Macierz UY zastępuje się korelatorem R

Jednakowe niepewności ui = u

UY = u2 RY i U Y-1 = RY-1 /u 2 gdzie

Estymator wariancji

1)

WzĂłr ten otrzymuje siÄ™ po transformacji wektorĂłw 1 i X odpowiednio na wektory v i Z w taki sposĂłb, aby 1 = Hv i X = HZ. Transformacji tej dokonuje -1 siÄ™ za pomocÄ… operatora liniowego H, tj. macierzy ortogonalnej diagonalizujÄ…cej macierz kowariancji U Y , macierz H, jako symetryczna, ma rzeczywiste −1 wartoĹ›ci wĹ‚asne Îťi , zaĹ› li sÄ… wartoĹ›ciami wĹ‚asnymi macierzy kowariancji UY (i = 1, ‌, n).

64

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 4/ 20 20

+ - ` A ( $ ) A

Wyznaczone wzory parametrów prostej regresji dla skorelowanych wartości zmiennej Y i ich przypadki szczególne są zestawione w tabeli 1 w lewej kolumnie. Przy braku autokorelacji, macierz kowariancji UY i jej odwrotność UY-1 redukują się do postaci diagonalnej i zaleşności dla parametrów prostej regresji upraszczają się. Zestawiono je w prawej kolumnie tabeli 1. Są one szczególnymi przypadkami wzorów dla wielkości skorelowanych. Parametry i pasma niepewności dla przypadków braku skorelowania z uwzględnieniem niepewności uB autorzy analizują szczegółowo w pracy o niepewnościach linii prostej wyznaczanej metodą regresji [19]. Dla zmiennych o wartościach skorelowanych i nieokreślonej macierzy kowariancji moşe pojawić się osobliwość Δ = 0, która nie występuje, gdy macierz ta jest dodatnio lub ujemnie określona. Poprawnie zdefiniowane współczynniki korelacji gwarantują dodatnią określoność macierzy, tj. wszystkie dodatnie jej wartości własne, jak wszystkie wyznaczniki minorów głównych. W regresji dla nieskorelowanych wartości punktów pomiarowych rozwiązania dla wartości parametrów a i b równania linii prostej są jednoznaczne, gdyş we wzorach (9a, b) zawsze mianownik Δ > 0. W literaturze o regresji liniowej nie natrafiono ani na informację o istnieniu tej osobliwości, ani na wskazówki – jak jej uniknąć. Przy większej liczbie punktów moşna, po usunięciu jednego lub kilku punktów, ponownie poszukać rozwiązania numerycznego lub zastosować statystykę odporną. Brakuje analizy tego zagadnienia oraz propozycji dalszego postępowania.

M/-/ ' 2

M/L/ 0 )

Autokorelacja moĹźe wystÄ…pić w serii m powtarzanych pomiarĂłw yi1, ‌, yik, ‌, yim (k = 1, ‌, m) rzÄ™dnej yi pojedynczego punktu. Dla punktu o odciÄ™tej xi, przy jednakowych niepewnoĹ›ciach ߪik = ߪ = const kaĹźdej rzÄ™dnej yik i wynikach skorelowanych ze współczynnikami korelacji, od r1 dla sÄ…siednich punktĂłw do rm–1 dla najbardziej oddalonych, otrzymuje siÄ™ lokalnÄ… macierz kowariancji rozmiaru m Ă— m.

(21)

W macierzy kowariancji Uyi największe skorelowanie występuje dla wyrazów bliskich wartości średniej yi. Rzeczywista niepewność typu A tego punktu uyi jest większa niş wyznaczana z klasycznego wzoru dla m powtarzanych pomiarów wartości yi. W ocenie niepewności uAi wartości średniej yi punktu xi, zamiast liczby wykonanych pomiarów m trzeba wówczas zastosować efektywną ich liczbę: nieff < m opisaną wzorem [4, 7–9]:

Dla jednakowej wartości niepewności bezwzględnych ui = u, macierz kowariancji wynosi: UY = u2 RY

gdzie: m – liczba skorelowanych pomiarów, rik – wartość funkcji autokorelacji dla pomiaru yik.

(19)

gdzie korelator RY jest kwadratową symetryczną macierzą o wymiarach n × n, której elementami są współczynniki korelacji ryij między wartościami yi i yj dla i, j = 1, ‌, n. Wówczas dla danego układu współczynników korelacji równanie prostej regresji będzie zawsze takie same, gdyş wartości jego parametrów a i b ze wzorów (9a, b) nie zaleşą od niepewności u, a tylko od macierzy korelatora. Proste dla punktów o określonym zestawie współrzędnych i jednakowych niepewnościach względnych ma inne parametry niş dla jednakowych bezwzględnych. Dla nieznanych ale jednakowych niepewności bezwzględnych wprowadza się pojęcie estymatora wariancji zdefiniowanego jako kwadrat minimalnej odległości dzielony przez n – 2 stopni swobody:

(20)

(22a)

W przypadku, gdy sąsiednie punkty serii pomiarów są skorelowane ze stałym współczynnikiem rik = r efektywna liczba serii pomiarów dla badanego punktu xi wynosi: u ieff =

m 1 + Ď (m − 1)

(22b)

W tabeli 2 podano przykład efektywnych niepewności uyi dla m-krotnych pomiarów rzędnej yi badanego punktu i trzech wartości współczynnika korelacji r między kolejnymi pomiarami. W kaşdej z trzech serii wykonano m = 20 pomiarów o jednakowej niepewności si. Z tabeli 2 wynika, şe ze wzrostem współczynnika korelacji r zwiększa się standardowa niepewność serii, gdyş efektywna liczba pomiarów zmniejsza się z 20 do 1,9 i 1 dla współczynników korelacji odpowiednio 0, 0,5 i 1. Efektywna niepewność dla nieskorelowanych obserwacji będzie około 5 razy mniejsza, niş gdy są one w pełni skorelowane.

Tabela 2. Efektywne niepewnoĹ›ci serii pomiarĂłw o trzech róşnych współczynnikach korelacji Table 2. Effective uncertainties of measurement series with three different correlation coefficients

Współczynnik korelacji

r

r= 0

Efektywna liczba pomiarĂłw

nieff

nieff = m = 20

Efektywne niepewności serii pomiarów punktu (xi, yi)

n ieff

Ďƒi

0,22 si

r = 0,5

n ieff =

2m = 1,9 m +1

0,72 si

r= 1

nieff = 1

si

65

G - + # + ! - !> K Q> G - ! + -- ! p

- A >>>

M/M/ 0 )v )

a)

Do wyznaczenia macierzy kowariancji opisujÄ…cej pomiary skorelowanych rzÄ™dnych yi, yj punktĂłw (xi, yi), (xj, yi) przy jednakowych niepewnoĹ›ciach ui = uj = u = const moĹźna teĹź uĹźyć funkcji autokorelacji. W macierzy (21) niepewność ߪ pojedynczych pomiarĂłw w serii zastÄ™pujemy niepewnoĹ›ciÄ… punktĂłw pomiarowych. Autokorelacja jest funkcjÄ… symetrycznÄ… szybko malejÄ…cÄ… od wartoĹ›ci maksymalnej do zera, a jej poczÄ…tkowe ramiona moĹźna przybliĹźyć liniÄ… prostÄ… [4]. Zwykle wystarczy uwzglÄ™dnić jÄ… tylko dla sÄ…siednich wartoĹ›ci mierzonej rzÄ™dnej yi-1, yi, yi+1 punktĂłw o znanych odciÄ™tych xi-1, xi, xi+1, tzn. r1 = r i rk = 0 dla i = 2, ‌, n–1. Dla jednakowo odlegĹ‚ych n punktĂłw oraz jednakowych niepewnoĹ›ci u i współczynnikĂłw korelacji macierzy kowariancji UY z (22c) o wymiarach n Ă— n ma wszystkie współczynniki korelacji rk = r dla i = 1, ‌, n–1.

UY = u 2

1

Ď 1

Ď 1

! !

!

1 !

Ď k

!

!

Ď k

1 ! !

Ď n −1

!

Ď k

Ď k

!

Ď n −1

! !

Ď k

!

!

Ď k

! !

! 1

!

!

Ď 1

1

b)

(22c)

Ď 1

Gdy wpływ autokorelacji jest pomijalny, to macierz UY redukuje się do głównej przekątnej.

Q/ ' (

Symulowane przykłady numeryczne pokaşą i przyblişą ilościowo podane zaleşności teoretyczne.

Rys. 2 a) Prosta regresji z pasmem niepewności rozszerzonej typu A i b) rozkłady gęstości prawdopodobieństwa Gaussa dla y punktów pomiarowych dla jednakowych niepewności u = 0,5 punktów z pdf f(y) w 3D Fig. 2. a) Graphs of regression line with band of its extended uncertainty type A and b) Gaussian probability density distributions (pdf-s) with uncertainty u = 0.5 equal for all measured points and pdf-s f(y) of y uncertainties along the regression line in 3D view

Q/-/ ' 2 ) 2 W Tabeli 3 podano współrzędne i niepewności standardowe 10 mierzonych punktów. Tabela 3. Współrzędne mierzonych punktów i ich niepewności typu A bezwzględne lub względne Table 3. Coordinates of measured points and their absolute and relative uncertainties type A Symbol

nych punktĂłw mierzonych (kreski czerwone). Z rysunku wynika, Ĺźe obszar niepewnoĹ›ci rozszerzonej o pokryciu 95 % zmienia siÄ™ wzdĹ‚uĹź linii regresji w taki sposĂłb, Ĺźe jego szerokość maleje od wartoĹ›ci poczÄ…tkowej do minimum w pobliĹźu Ĺ›rodka zakresu linii regresji, a nastÄ™pnie ponownie rozszerza siÄ™ do rozmiaru poczÄ…tkowego. Na rysunku 2b u gĂłry podane sÄ… wykresy gaussowskich rozkĹ‚adĂłw gÄ™stoĹ›ci prawdopodobieĹ„stwa (pdf) (czerwone krzywe) dla rzÄ™dnych punktĂłw mierzonych poĹ‚oĹźonych po obu stronach prostej regresji. Funkcje gÄ™stoĹ›ci prawdopodobieĹ„stwa (pdf) rzÄ™dnych yi sÄ… dla pokrycia 95 % o odchyleniu standardowym u = 0,5. PoniĹźej przedstawione sÄ… krzywe gÄ™stoĹ›ci prawdopodobieĹ„stwa dla y wokół prostej regresji, w pasmie jej niepewnoĹ›ci. W Ĺ›rodkowej części zakresu linii regresji funkcja pdf jest najwęşsza, a wiÄ™c i najwyĹźsza. Maksimum pdf (najwęşszy rozkĹ‚ad) wystÄ™puje dla minimum szerokoĹ›ci pasma niepewnoĹ›ci w części Ĺ›rodkowej zakresu prostej. Przy oddalaniu siÄ™ od maksimum w przeciwnych kierunkach wartość maksymalna funkcji pdf zmniejsza siÄ™ i rozkĹ‚ad rozszerza siÄ™, gdyĹź granice pasma niepewnoĹ›ci oddalajÄ… siÄ™ od siebie. Rysunek 3a przedstawia dwie proste regresji wraz z ich pasmami niepewnoĹ›ci typu A dla rzÄ™dnych yi punktĂłw z tabeli 3 o roĹźnych współczynnikach korelacji, mierzonych z róşnymi, ale jednakowymi niepewnoĹ›ciami bezwzglÄ™dnymi lub wzglÄ™dnymi, a rysunek 3b – same ich pasma typu A i B.

Współrzędne i niepewności punktów

xi

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

yi

2

1

4

3

6

5

8

7

10

11

ui(yi)

0,5

si(yi)

5%

uB(yi)

uB(yi) = 0,01(1 + y) %

Wartości yi są średnimi z wielokrotnych pomiarów rzędnych yi kaşdego z punktów o stałej odciętej xi. Aby zidentyfikować wpływy pojedynczych czynników analizowane będą przypadki uproszczone. Przyjęto, şe niepewności bezwzględne ui lub teş względne di pomiarów wartości rzędnych yi wszystkich punktów są jednakowe, a ich odcięte xi są stałe i znane dokładnie. Aby porównać z wynikami dla nieskorelowanych rzędnych przyjęto takie same dane, jak w pracy [19]. Rysunek 2a przedstawia prostą i jej pasmo niepewności (kreski niebieskie) wyznaczone metodą regresji liniowej dla danych z Tabeli 3 przy braku korelacji. Pokazuje teş niepewności rzęd-

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

NR 4/ 20 20

+ - ` A ( $ ) A

a)

Ze wzrostem współczynnika korelacji między wynikami powtarzanych obserwacji pomiarowych mierzonej wielkości zwiększa się jej niepewność [4, 7–9]. W punkcie 3.2 wykazano, şe efektywna liczba obserwacji próbki o 20 pomiarach dla współczynników korelacji 0, 0,5 i 1 zmniejszyła się z 20 do 1,9 i 1. Najwęşsze pasmo niepewności otrzyma się dla obserwacji nieskorelowanych, tj. dla r = 0. Jeśli takie pomiary wykona się dla rzędnych wszystkich 20 punktów z jednakową niepewnością, to dla współczynnika korelacji r = 1 otrzyma się pasmo niepewności prostej regresji ponad czterokrotnie szersze niş przy braku korelacji. Ujemne współczynniki r w tych pomiarach nie występują.

Q/L/ ' ) 2 2 )

b)

Na rys. 4a,b porównano pasma niepewności typu A dla dwu prostych regresji o współrzędnych y nieskorelowanych oraz skorelowanych z macierzą kowariancji (21) o ui = 0,5, r = 0,5 dla punktów sąsiednich r1 = r i rk = 0 dla punktów pozostałych (k = 2, ‌, 9). Z wykresów na rys. 4a, b wynika, şe niewielkie skorelowanie między rzędnymi punktów mierzonych niewiele zmienia szerokości pasma niepewności, a uwzględnienie niepewności typu B opisane w tabeli 3 poszerza pasmo niepewności rozszerzonej na końcu zakresu prostej regresji.

Q/Q/ < ( 2 )( Na rys. 5 porównuje się dwie proste regresji i pasma niepewności dla macierzy kowariancji UY wg wzoru (21) o parametrach ui = 0,5, r1 = 0,6; r2 = 0,5; r3 = 0,4; r4 = 0,2; r5 = 0,1 i rk = 0 dla pozostałych o k = 6, ‌, 9 – prosta regresji dla punktów skorelowanych y = 0,981x + 0,417. Widoczny jest znaczny wzrost (ponad 30 %) szerokości pasma prostej regresji, gdy występuje wpływ autokorelacji punktów opisany przy uşyciu macierzy kowariancji. Natomiast niepewność typu B ma większy wpływ na pasmo wyznaczone bez korelacji, niş na pasmo z korelacją, gdyş przy rozpatrywanych tu danych wzrost niepewności o 1 % jest pomijalny.

Q/S/ ' ) (

Rys. 3. a) Prosta regresji i b) jej pasma niepewnoĹ›ci typu A dla trzech wartoĹ›ci współczynnika korelacji Ď jednakowego w kaĹźdej z serii 20 pomiarĂłw dla 10 mierzonych o współrzÄ™dnych z tabeli 3 Fig. 3. a) Regression line and b) its uncertainty bands type A for three values of the correlation coefficient Ď for series of 10 measuring points of 20 measurements each with coordinates from Table 3

Proste regresji i ich pasma niepewności bezwzględnej dla pełnego skorelowania (r = 0,99 | 1) mierzonych rzędnych Yi punktów o macierzy kowariancji UY = u2|1| i dla braku skorelowania (r = 0), przedstawiono na rys. 6 dla niepewności.

a)

b)

Rys. 4. PorĂłwnanie pasm niepewnoĹ›ci dwu prostych regresji wyznaczonych dla nieskorelowanych i skorelowanych punktĂłw sÄ…siednich o macierzy kowariancji UY (21) a) prosta y = 1,044x – 0,028 dla punktĂłw skorelowanych o Ď = 0,1; b) prosta regresji y = 1,023x + 0,129 dla Ď = 0,3 Fig. 4. Uncertainty bands of uncorrelated and correlated nearest points with covariance matrix UY (21): a) regression line y = 1.044x – 0.028 for Ď = 0.1 of correlated points; b) regression line y = 1.023x + 0.129 for Ď = 0.3 of correlated points

67

G - + # + ! - !> K Q> G - ! + -- ! p

- A >>> Taka prosta dla maĹ‚ych wartoĹ›ci jednakowych współczynnikĂłw korelacji (rys. 8a) odchyla siÄ™ od kierunku prostej dla tych samych rzÄ™dnych punktĂłw bez korelacji. Jej współczynnik kierunkowy zmniejszyĹ‚ siÄ™ z 0,978 do 0,869. Granice pasma niepewnoĹ›ci ulegajÄ… nieznacznemu poszerzeniu dla niepewnoĹ›ci bezwzglÄ™dnych i praktycznie bez zmian pozostajÄ… granice pasma dla niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnych. Liniowo narastajÄ…ca niepewność typu B powoduje zachwianie symetrii granic pasma typu A wzglÄ™dem Ĺ›rodka prostej regresji i przesuniÄ™cie w kierunku wiÄ™kszych wartoĹ›ci. Wskutek tego szerokość pasma wzrasta wraz ze zmiennÄ… x, zarĂłwno dla punktĂłw pomiarowych o skorelowanych jak i nieskorelowanych współrzÄ™dnych.

Rys. 5. PorĂłwnanie pasm niepewnoĹ›ci linii regresji y = 1,048x – 0,067 dla nieskorelowanych i skorelowanych punktĂłw pomiarowych o trzech macierzach kowariancji UY z (21) dla u = 0,5, Ď k = Ď dla i = 1, ‌, 9: Ď = 0,1, Ď = 0,5 i Ď = 1 z uwzglÄ™dnieniem niepewnoĹ›ci typu B Fig. 5. Uncertainty bands for regression line y = 1.048x – 0.067 for correlated and non-correlated measurements point for three covariance matrixes UY from (21) for u = 0.5, Ď k = Ď for i = 1, ‌, 9: Ď = 0.1, Ď = 0.5 and Ď = 1 with uncertainty of type B

Rys. 7 Pasma niepewności dla nieskorelowanych i skorelowanych mierzonych odciętych yi punktów o macierzy kowariancji UY z (21) Fig. 7. Uncertainty bands for uncorrelated and correlated yi of measured points with covariance matrix UY (21)

a)

Rys. 6. Proste regresji i pasma niepewnoĹ›ci dla punktĂłw pomiarowych z zaznaczonymi niepewnoĹ›ciami przy nieskorelowanych i skorelowanych sÄ…siednich punktach o Ď â‰ˆ 1 o macierzy kowariancji UY Fig. 6. Regression lines and uncertainty bands for measuring points with uncertainties marked at uncorrelated and correlated points with Ď â‰ˆ 1 for covariance matrix UY

b)

Z rys. 6 wynika, şe przy pełnej korelacji (r = 1) granice pasma niepewności o charakterze hiperbolicznym stają się liniami prostymi stają się równoległymi do prostej regresji. Zanika teş przewęşenie pasma w środkowej części linii regresji. Parametry tej prostej nie zmieniają się ze wzrostem jednakowych współczynników w macierzy kowariancji.

Q/T/ < ( ) Wykresy z rys. 7 dotyczą przypadku o macierzy kowariancji między punktami z jednakowymi wartościami współczynników korelacji wg macierzy (21). Obserwuje się wzrost szerokości pasma niepewności przy występowaniu dodatniej korelacji.

Rys. 8. Przypadki jednakowych niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnych δ = 1 % dla nieskorelowanych i skorelowanych odciÄ™tych yi mierzonych punktĂłw o macierzy kowariancji UY (21) z δ = 1 %, Ď k = 0,1 dla i = 1, ‌, 9; a) proste regresji; b) pasma niepewnoĹ›ci z uwzglÄ™dnieniem niepewnoĹ›ci typu B Fig. 8. Cases of equal relative uncertainty δ = 1 % for uncorrelated and correlated yi of measured points for the covariance matrix UY of (21) with δ = 1 %, Ď k = 0.1 for i = 1, ‌, 9; a) regression lines; b) uncertainty bands with uncertainty of type B

Q/\/ ' ) ( 2 ) Proste regresji i pasma niepewności otrzymane dla skorelowanych i nieskorelowanych rzędnych yi punktów mierzonych z niepewnościami względnymi d = 1 %, porównano na rys. 8a, b.

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

NR 4/ 20 20

+ - ` A ( $ ) A

S/ 5 2 v 2 2

(26a) (26b)

Obok skorelowania między punktami pomiarowymi, lub jego braku, punkty naleşące do prostej regresji y = ax + b są teş ze sobą skorelowane. Wynika to stąd, şe macierz kowariancji dwóch punktów prostej regresji yi = axi + b (dla i = 1, 2) jest określona przez równanie propagacji wariancji:

(26c)

Kwadraty niepewności złoşonej w punktach xi dla i = 1, 2 wynoszą

(27)

(23) gdzie:

∂y 1 ∂y 1 ∂y 2 ∂y 2 = x1, = 1, = x2, = 1. ∂a ∂b ∂a ∂b

Na rys. 9 przedstawiono pasma niepewności względnych i bezwzględnych opisanych przez (27) dla niepewności bezwzględnych 0,5 i dla względnych 1 % skorelowanych zmiennych rk = 0,3 dla i = 1, ‌, 9 z narastającą liniowo niepewnością uB(y) = d(1 + y) dla d = 1 %, gdy uB0 = dB, y0 = 0. Z rys. 9 wynika, şe w obszarze przewęşenia pasma, niepewność dla wartości skorelowanych yi wzrasta prawie dwukrotnie w stosunku do nieskorelowanych yi o jednakowych niepewnościach bezwzględnych przy niewielkim wpływie niepewności typu B nieznacznie asymetryzującej pasmo względem centralnego obszaru prostej regresji.

Dla yi w punktach i = 1, 2 kwadraty niepewności uyi i współczynnik korelacji między y1 i y2 są następujące (23a)

(23b)

(23c)

Jeśli pomiary dotyczą wyznaczenia prostej regresji opisującej charakterystykę przyrządu, procesu lub urządzenia i będzie ona stosowana przy występowaniu nieznanych cząstkowych błędów systematycznych, niemoşliwych do eliminacji w zmiennych warunkach wpływających, to trzeba teş oszacować niepewność typu B. Zwykle przyjmuje się, şe wynika ona z dopuszczalnego maksymalnego błędu Emax mierników cyfrowych, jako funkcja liniowa uB(y) = uB0 + d(y – y0) lub w funkcji x jako uB(x) = uB0 + dB(b – y0) + dBax. Niepewności złoşone uC prostej regresji są większe od analizowanych dotąd niepewności typu A. Niepewność złoşoną uC(x) prostej opisuje wzór:

(24) Po uporzÄ…dkowaniu wyrazĂłw otrzymuje siÄ™:

(25) Z równania (25) wynika, şe po uwzględnieniu wpływu niepewności typu B, efektywne wartości niepewności złoşonych uaC, ubC i współczynnik korelacji rabC wyniosą odpowiednio:

Ď y1y 2 =

(u

2 a

Rys. 9. WzglÄ™dne i bezwzglÄ™dne niepewnoĹ›ci typu A oraz typu A i B Ĺ‚Ä…cznie dla skorelowanych Ď k = 0,3 dla i = 1, ‌, 9 nieskorelowanych zmiennych i z niepewnoĹ›ciÄ… typu B δ = 1 % z (27) dla u = 0,5 i δ = 1 % Fig. 9. Relative and absolute uncertainties for type A and Type A and B for correlated variables Ď k = 0.3 for i = 1, ‌, 9 and noncorrelated variables with taking into account type B as linear uncertainty δ = 1 % of (27) for u = 0.5 and δ = 1 %

Wyjściowe niepewności względne zmniejszają się z poziomu kilkudziesięciu procent na początku prostej regresji do ponişej 10 % na końcu. Dla niepewności względnych, pasma skorelowanych i nieskorelowanych zmiennych niemal pokrywają się. Nieznacznie są większe dla wartości zmiennych nieskorelowanych, niş dla skorelowanych. Wyjściowe wielkości względne liniowo narastają do poziomu ponişej 0,3, natomiast wartości względne nie przekraczają poziomu 2–3 %. Wpływ liniowo narastającej niepewności typu B jest praktycznie niezauwaşalny. Współczynnik korelacji między zmiennymi y1 i y2 z (23b) prostej regresji z uwzględnieniem niepewności typu B (27) ma postać:

)

+ a 2δ B2 x 1x 2 + (x 1 + x 2 )Ď ab uaub + δ B (u B 0 + δ B (b − y 0 )) + ub2 + δ B (u B 0 + δ B (b − y 0 ))2 uyC uyC 1

2

(28)

69

G - + # + ! - !> K Q> G - ! + -- ! p

- A >>> w punktach x1 i x2 oznacza się odpowiednio przez ui = u(yi), dla i = 1, 2 i współczynnik korelacji między ich zmiennymi Y – jako r. Po przyjęciu oznaczeń e = u1/u2 i γ =

1 . 1 − Ď 2

z macierzy kowariancji i jej odwrotności w postaciach

(29) wyznacza się parametry (6a–f). Dla dwu mierzonych punktów są one następujące: (30a)

Rys. 10. ZaleĹźnoĹ›ci współczynnika korelacji Ď y1y2 dwu wartoĹ›ci y prostej regresji w funkcji x1 bez wpĹ‚ywu niepewnoĹ›ci typu B (δB = 0) dla róşnych wartoĹ›ci x2 u = 0,5 Fig. 10. Relationships of the correlation coefficient Ď y1y2 of two values y of the regression line as a function of x1 without influence of the uncertainty type B (δB = 0) for different values of x2 u = 0.5

(30b)

(30c) Ze wzglÄ™du na liniowÄ… zaleĹźność wielkoĹ›ci y od x zmienne te sÄ… w peĹ‚ni skorelowane, co oznacza, Ĺźe taki sam współczynnik korelacji (28) majÄ… zmienne x1 i x2. Rysunki 10 i 11 przedstawiajÄ… zaleĹźność współczynnika korelacji Ď y1y 2 ze wzoru (28) miÄ™dzy dowolnymi rzÄ™dnymi y prostej regresji o niepewnoĹ›ci wedĹ‚ug (27). Z rys. 10 wynika, Ĺźe współczynnik korelacji w funkcji zmiennej zaleĹźy od wzajemnego poĹ‚oĹźenia punktĂłw, niezaleĹźnie czy mierzone odciÄ™te y punktĂłw sÄ… skorelowane, czy nie oraz czy uwzglÄ™dniono liniowo narastajÄ…cÄ… niepewność typu B. NajwiÄ™ksza wartość współczynnika Ď y1y 2 → 1 jest dla punktĂłw najbliĹźszych i zmniejsza siÄ™ wraz z ich oddalaniem siÄ™. Rysunek 11 pokazuje zaleĹźność współczynnika Ď y1y 2 w funkcji dwĂłch zmiennych x1 i x2 dla trzech wartoĹ›ci procentowych niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnej typu B. Współczynnik ten ma wartość Ď y1y 2 = 1 dla linii prostej x1 = x2 i zmniejsza siÄ™ symetrycznie wzglÄ™dem tej linii, w miarÄ™ oddalania siÄ™ punktĂłw na prostej regresji. OdpowiadajÄ…ce niepewnoĹ›ciom typu B powierzchnie wyznaczajÄ…ce współczynnik korelacji ukĹ‚adajÄ… siÄ™ nad sobÄ… ze wzrostem lub zmniejszaniem siÄ™ wartoĹ›ci dB = 1 %, 3 % i 5 %, odpowiednio przy braku skorelowania i przy peĹ‚nym skorelowaniu miÄ™dzy punktami pomiarowymi.

(30d)

(30e)

(30f)

Z (9a, b) otrzymuje się współczynnik kierunkowy a i wyraz wolny b równania prostej dla dwu punktów

(31a)

T/ < ) )

(31b)

Jest to taka sama prosta regresji, jak dla dwu punktów o współrzędnych bez korelacji. Z (12b–d) wyznacza się następujące wariancje i element niediagonalne macierzy kowariancji Uab:

Najprostszym przypadkiem jest wyznaczenie prostej i jej pasma niepewności dla liczby punktów pomiarowych n = 2 [14, 15]. Linia ta przebiega przez wartości średnie wyników wielokrotnych pomiarów obu punktów, a zaleşność niepewności w funkcji połoşenia wybranej wartości zmiennej Y jest waşonym splotem zmiennych Y1 i Y2 z uwzględnieniem ich korelacji. Niepewności

S u12 + u 22 − 2 Ď u1u 2 = Δ (x 2 − x 1 )2

(32a)

Sx x 2u 2 + x 12u 22 − 2 Ď u1u 2x 1x 2 = 2 1 Δ (x 2 − x 1 )2

(32b)

ua2 = ub2 =

(33)

Pasmo niepewnoĹ›ci prostej regresji wyznaczono z niepewnoĹ›ci skorelowanych parametrĂłw a i b: Rys. 11. Wykresy 3D współczynnika korelacji w funkcji x1 i x2 dla skorelowanych i nieskorelowanych odciÄ™tych y punktĂłw pomiarowych i róşnych niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnych typu B Fig. 11. Three dimensional (3D) charts of the correlation coefficient as a function of x1 and x2 for correlated and non-correlated variable y of measurements points and different relative uncertainties of type B

70

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

(34) Po podstawieniu (32a, b) do (34) oraz zgrupowaniu wyrazĂłw dla i otrzymuje siÄ™: M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

+ - ` A ( $ ) A

(35)

Gdy zmienną X przedstawi się jako średnią waşoną dwóch punktów sąsiadujących o współrzędnych x1 i x2, czyli jako x = (1 – k)x1 + kx2 ze zmienną k z przedziału 0 d k d 1, która określa pozycję punktu x, to niepewność uab przyjmie prostszą postać: (36) Identyczną postać zaleşności, jako pierwiastka kwadratowego z waşonej sumy kwadratów niepewności dla końców interpolowanego przedziału oraz podwójnego iloczynu niepewności z wagami i współczynnikiem korelacji, autorzy otrzymali dla wyznaczania niepewności w punkcie x [14, 15].

7. Podsumowanie i wnioski Jest to druga z serii prac, ktĂłre autorzy poĹ›wiÄ™cili analizie dokĹ‚adnoĹ›ci metod regresji liniowej pod kÄ…tem ich zastosowania w metrologii i technice pomiarowej. Przypadki dla nieskorelowanych danych mierzonej zmiennej zaleĹźnej Y omĂłwiono w [19]. W niniejszej pracy analizuje siÄ™ uogĂłlnienie dla skorelowanych danych pomiarowych Y. RĂłwnanie linii prostej i jej pasmo niepewnoĹ›ci wyznacza siÄ™ tu metodÄ… waĹźonej regresji liniowej. Zastosowano ocenÄ™ niepewnoĹ›ci pomiarĂłw opartÄ… na zaleceniach Przewodniku GUM [5], w tym uwzglÄ™dniono niepewność typu B pomijanÄ… dotychczas w literaturze o regresji oraz niepewnoĹ›ci wzglÄ™dne charakteryzujÄ…ce pomiary cyfrowe. RĂłwnanie prostej zaleĹźy od wartoĹ›ci mierzonych rzÄ™dnych yi i od elementĂłw macierzy kowariancji. Korelacje zmiennej Y opisuje siÄ™ przez niediagonalne elementy macierzy kowariancji UY. RozwaĹźono wpĹ‚yw dodatniego skorelowania miÄ™dzy rzÄ™dnymi punktĂłw pomiarowych. Taka korelacja zmienia parametry rĂłwnania prostej regresji i poszerza jej pasmo niepewnoĹ›ci. Przy wzroĹ›cie współczynnika korelacji sÄ…siednich punktĂłw mierzonych wzrasta teĹź nachylenie prostej regresji. Najszersze pasmo niepewnoĹ›ci tej prostej wystÄ™puje przy peĹ‚nym skorelowani wartoĹ›ci zmiennej Y, tj. gdy r = 1. WĂłwczas prosta regresji dla rzÄ™dnych skorelowanych jest identyczna jak bez korelacji. Zmienne x i y punktĂłw prostej sÄ… w peĹ‚ni skorelowane jako zaleĹźne liniowo. Przy proporcjonalnej zmianie niepewnoĹ›ci wszystkich mierzonych punktĂłw, parametry prostej regresji pozostajÄ… bez zmiany i zaleşą tylko od elementĂłw macierzy kowariancji. Szerokość pasma niepewnoĹ›ci zaleĹźy liniowo od jednakowej dla wszystkich punktĂłw niepewnoĹ›ci bezwzglÄ™dnej zdeterminowanej przez niediagonalne elementy macierzy korelatora. Jednakowe współczynniki korelacji miÄ™dzy rzÄ™dnymi punktĂłw pomiarowych dajÄ… rĂłwnanie prostej regresji identyczne jak w przypadku wielkoĹ›ci nieskorelowanych. Przy jednakowej niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnej wszystkich punktĂłw otrzymuje siÄ™ te same rĂłwnanie prostej regresji dla róşnych wartoĹ›ci tej niepewnoĹ›ci. Jest ono inne niĹź dla jednakowej niepewnoĹ›ci bezwzglÄ™dnej. Dotyczy to teĹź granic pasm niepewnoĹ›ci. Wyznaczane z pomiarĂłw pasma niepewnoĹ›ci typu A prostej regresji, podobnie jak dla zmiennych nieskorelowanych, przebiegajÄ… hiperbolicznie i ich odciÄ™te sÄ… symetryczne wzglÄ™dem tej prostej. Dla jednakowych niepewnoĹ›ci wzglÄ™dnych granice pasma niepewnoĹ›ci prostej regresji teĹź sÄ… rozchylonymi hiperbolami o stycznych ukoĹ›nych wzglÄ™dem tej prostej. W Ĺ›rodkowej części pasma wystÄ™puje przewęşenie o szerokoĹ›ci S zaleĹźnej od parametrĂłw macierzy kowariancji. Przy peĹ‚nej korelacji, tj. dla r = 1, hiperboliczne przebiegajÄ…ce granice pasma niepewnoĹ›ci stajÄ… siÄ™ liniami rĂłwnolegĹ‚ymi do prostej regresji. Ze wzrostem współczynnika korelacji miÄ™dzy rzÄ™dnymi punktĂłw badanych istotnie zmniejsza siÄ™ współczyn-

nik kierunkowy prostej regresji. Punkty znajdujące się wewnątrz pasma niepewności prostej regresji są skorelowane tym silniej, im są blişej siebie i ich współczynnik korelacji dąşy do 1. Dotyczy to całego zakresu zmiennej y. Niepewność typu B szacuje się heurystycznie na podstawie maksymalnego dopuszczalnego błędu miernika E o angielskim akronimie MPB jako odchylenie standardowe E / 3 równomiernego rozkładu o rozstępie 2E. Zwykle błąd E zaleşy liniowo od mierzonej wartości y (np. dla przyrządów cyfrowych). Niepewność typu B sumuje się geometrycznie z niepewnością typu A prostej regresji otrzymanej z pomiarów (pierwiastek z sumy kwadratów). Wskutek tego wypadkowe pasma niepewności złoşonej i rozszerzonej poszerzają się wraz ze wzrostem y i x. Dokładność parametrów prostej regresji prostej zwiększa się przy wielokrotnym pomiarze wartości rzędnej yi punktów o określonej odciętej xi. Wyniki obserwacji w takiej serii są bliskie siebie i trzeba uwzględnić wpływ autokorelacji za pomocą lokalnej macierzy kowariancji dla danego punktu, lub skorzystać ze wzoru na efektywną liczbę pomiarów [4, 7–9]. Wykryto, şe dla zmiennych o wartościach skorelowanych i nieokreślonej macierzy kowariancji moşe pojawić się osobliwość Δ = 0, która nie występuje, gdy macierz ta jest dodatnio określona. W literaturze o regresji liniowej nie natrafiono na informację o istnieniu tej osobliwości ani na wskazówki – jak dalej postępować.

# " 1. Draper R.D., Smith H., Analiza regresji stosowana, PWN, Warszawa 1973. 2. MaĹ„czak K., Technika planowana eksperymentu, WNT, Warszawa 1976. 3. Dobosz M. Wspomagana komputerowo statystyczna analiza wynikĂłw badaĹ„, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2004. 4. ZiÄ™ba A., Analiza danych w naukach Ĺ›cisĹ‚ych i technice, PWN, Warszawa 2013. 5. JCGM 100:2008, Evaluation of measurement data – Guide to the expression of uncertainty in measurement; +JCGM101:2008 Supplement 1 – Propagation of distributions using a Monte Carlo method; JCGM102:2011 Supplement 2 – Extension to any number of output quantities. 6. Kessel R., Kacker R., Correlation in uncertainty of measurement -a discussion of state-of-the-art techniques, Proceedings of XIX IMEKO World Congress Fundamental and Applied Metrology September 6−11, 2009 Lisbon Portugal, p.2352 7. Dorozhovets M., Warsza Z.L., Propozycje rozszerzenia metod wyznaczania niepewnoĹ›ci wyniku pomiarĂłw wg Przewodnika GUM (2) „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, 2 2007, 6–12. 8. Warsza Z.L., Evaluation of the type A uncertainty in measurements with autocorrelated observations, “Journal of Physics: Conference seriesâ€?, Vol. 459, 2013 Joint IMEKO TC1+TC7+TC13 Symposium: Measurement Across Physical and Behavioral Sciences, Genova 4-6 Sept. Italy, DOI: 10.1088/1742-6596/459/1/0120356. 9. Warsza Z.L., Metody rozszerzenia analizy niepewnoĹ›ci pomiarĂłw. Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa 2016. 10. Elster C, Toman B., Bayesian uncertainty analysis for a regression model versus application of GUM Supplement 1 to the least-squares estimate. “Metrologiaâ€?, Vol. 48, 2011, 233–240, DOI:10.1088/0026-1394/48/5/001 11. Amiri-Simkooei A.R., Zangeneh-Nejad F., Asgari J., Jazaeri S., Estimation of straight-line parameters with fully correlated coordinates, “Measurementâ€?, Vol. 48, 2014, 378–386, DOI: 10.1016/j.measurement.2013.11.005. 12. Chunovkina A., Stepanov A., Estimation of Linear Regression Confidence Bands in Case of Correlated Noise. Proceedings of 12th International Conference Measurement, 2019, 58–61, DOI: 10.23919/MEASUREMENT47340.2019.8779916.

71

G - + # + ! - !> K Q> G - ! + -- ! p

- A >>> 13. Fotowicz P., Modyfikacja sposobu obliczania niepewności pomiaru, „Pomiary Automatyka Robotyka�, R. 20, Nr 3, 2016, 29–32, DOI: 10.14313/PAR_221/29. 14. Warsza Z.L., Puchalski J., Estymacja niepewności charakterystyki z pomiarów w punktach kontrolnych, „Pomiary Automatyka Robotyka�, R. 22, Nr 4, 2018, 39–50, DOI: 10.14313/PAR_230/39. 15. Warsza Z., Puchalski J., Ocena niepewności punktów charakterystyki z dwu pomiarów kontrolnych, „Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej�, Nr 66, 2019, 101–108, DOI: 10.32016/2.66.21. 16. Warsza Z.L., Puchalski J., Rozszerzona metoda oceny niepewności pośrednich pomiarów wieloparametrowych i układów do tych pomiarów. Cz. 1. Wpływ korelacji i niepewności funkcji przetwarzania – zaleşności podstawowe. „Pomiary Automatyka Robotyka�, R. 23, Nr 3, 2019, 55–63, DOI: 10.14313/PAR_233/5.

17. Warsza Z.L., Puchalski J., Niepewność wieloparametrowych pomiarów wielkości skorelowanych. „Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej�, Nr 66, 2019, 95–100, DOI: 10.32016/2.66.20. 18. Warsza Z.L., Puchalski J., Estimation of uncertainties in indirect multivariable measurements Part 1. Case of correlated quantities. Proceedings of AUTOMATION 2020, Towards Industry of the Future. AISIC series, Vol. 1140, 2020, 309–325, DOI: 10.1007/978-3-030-40971-5_29. 19. Warsza Z.L., Puchalski J., Niepewności pomiarów w metodzie regresji liniowej. Część 1. Prosta i jej pasma niepewności dla nieskorelowanych danych pomiarowych, „Pomiary Automatyka Robotyka�, R. 24, Nr 3, 2020, 79–91, DOI: 10.14313/PAR_237/79.

> N X + & N " 0 ( L " > + & & FX > " @ > M / Abstract: This is the continuation of authors’ works on the description of the accuracy of various straight-line cases determined from the results of linear regression measurements. In the first work, the essence, criteria and dependencies of the regression method were examined, as well as simulated examples of determining simple uncertainty bands fitted to measured points with uncorrelated ordinates. The GUM Guide was referred to and the B type uncertainty not discussed yet in the literature about the application of the regression method in measurements was taken into account. This work discusses determining the equation of a simple regression and its uncertainty bands from measuring points with ordinates with autocorrelation. This is illustrated by examples with precisely known abscissa and ordinates with different correlation variants, and absolute and relative uncertainty types A and B. Proposed is the extended method for assessing the accuracy of simple regression takes into account both the correlation of the Y variable data and the impact of type B uncertainty in routine measurements. KeywordsJ & $ / "$ > H " L $ $

' ' ! 9 *

' 2 *

*' P%& ORCID: 0000-0002-3537-6134

%& & ORCID: 0000-0002-5055-8550

H/ 8 " ; & 0 8 *')'$ " F *'PI$ " " *'I! 0 ` = ; *')EV*'P *''UV*'')$ 0 8 *'P!V*'I!$ 0 k *'I!V*'IE O & " 8 " < + " Q$ J & ` J " H F 0 = N & 6 " 8 " *'IEV*'E( " H 0 ? = 0 *'E V*''( @ " N ;" A " *''(V*'')$ 0 + " *'E V(!!( J/ & ? 0 = F H 0 ? 0=H0 H " U! / $ P & > $ " / " $ ** ? F ( " ? 0 0 & < N & & 0 0H+ H " N &

H/ 8 " K < F N O*'EP Q 8 " ; F O*'EE Q 0 8 F 8 *'EIV*'') 0 8 $ *'') / " - # *! / G & > " -F - - 0 & F > " N K ? " F -" . > J" (!!P 6 ? " N " - & " ? ? " " & $ / & ? & "

72

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 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 73–80, DOI: 10.14313/PAR_238/73

H G " ? = < % " 6 ? = 6? $ 6 ? *$ U!F*PP #

W artykule rozwaşono wpływ usytuowania budynku i konstrukcji dachowych na skuteczność uzyskania energii elektrycznej z paneli fotowoltaicznych. Podczas analizy uwzględniono równieş dane meteorologiczne oraz astronomiczne. Wynik analizy, na podstawie instalacji w domach jednorodzinnych, został uşyty jako baza dla instalacji w systemach IoT. Ponadto zostanie rozwaşony mechaniczny montaş paneli fotowoltaicznych dla systemów pomiarowych w konfiguracji wyspowej. Artykuł został przygotowany w ramach Pracy Statutowej 11155038-173. 5( J > $ & " $ p ?" & " $ &

1. Wprowadzenie Obecnie coraz częściej spotyka siÄ™ instalacje fotowoltaiczne zamontowane na dachach domĂłw mieszkalnych. Instalacje takie nie tylko sÄ… stosowane w domach jednorodzinnych, ale rĂłwnieĹź na blokach czy zakĹ‚adach pracy. MoĹźliwoĹ›ci rozliczania siÄ™ z ZakĹ‚adem Energetyki za wytworzonÄ… energiÄ™ jeszcze bardziej podkreĹ›la sensowność takich instalacji. DuĹźe instalacje paneli fotowoltaicznych o mocach rzÄ™du 2–20 kWh, nadajÄ…ce siÄ™ dla pojedynczych gospodarstw domowych nie mogÄ… być stosowane w systemach IoT [1, 2]. Internet of Things to przede wszystkim urzÄ…dzenia komunikujÄ…ce siÄ™ przez Internet, najczęściej bezprzewodowo – ze Rys. 1. Róşnorodność nachylenia dachĂłw Fig. 1. Variety of roof pitches Ĺ›rodowiskiem bazodanowym, z innymi urzÄ…dzeniami oraz uĹźytkownikami. Zapotrzebowanie na energiÄ™ urzÄ…dzeĹ„ stosowanych jako IoT jest [5] stwierdzono, Ĺźe niemoĹźliwe jest wyznaczenie jednej wartoĹ›ci o wiele mniejsza niĹź gospodarstwa domowego, dodatkowo urzÄ…kÄ…ta pochylenia panelu fotowoltaicznego, przy ktĂłrym uzyskuje dzenia te najczęściej nie pracujÄ… bez przerwy, tylko w trybach siÄ™ maksymalnÄ… energiÄ™, dla kaĹźdej miejscowoĹ›ci w warunkach praca-sen, minimalizujÄ…c tym samym zuĹźycie energii elektryczpolskich. Na podstawie analiz i badaĹ„ [6] wykazano, Ĺźe dla nej. PoniewaĹź takie urzÄ…dzenia nie sÄ… zasilane ze ĹşrĂłdeĹ‚ publiczwarunkĂłw pogodowych wiÄ™kszy wpĹ‚yw na osiÄ…ganÄ… moc paneli nych, konieczne jest stosowane innego sposobu projektowania fotowoltaicznych ma zmiana kÄ…ta azymutalnego niĹź kÄ…ta pochysystemĂłw zasilania, bazujÄ…cego na ĹşrĂłdĹ‚ach odnawialnych. lenia wzglÄ™dem poziomu. Moc efektywna moduĹ‚u fotowoltaicznego jest liniowo zaleĹźna od temperatury, a wraz ze wzrostem Temat instalacji fotowoltaicznych [3, 4] jest znany juĹź od temperatury panelu spada jego sprawność [7]. W publikacjach wielu lat, powstaĹ‚y liczne opracowania na ten temat. W pracy naukowych oraz w literaturze branĹźowej sugeruje siÄ™ stosowanie ukĹ‚adĂłw regulujÄ…cych poĹ‚oĹźenie paneli za pomocÄ… ukĹ‚adĂłw nadÄ…Ĺźnych za SĹ‚oĹ„cem. Sugeruje siÄ™ stosowanie ukĹ‚adĂłw regula3 J cji jednoosiowej [5], a takĹźe ukĹ‚adĂłw dwuosiowych [8]. N $ %& & Coraz częściej moĹźna spotkać oferty na instalacje fotowoltaiczne dla domĂłw jednorodzinnych, przy okazji wskazujÄ…ce 3 ( moĹźliwość otrzymania dofinansowania. Dla podkreĹ›lenia ich " *) !' (!(! $ " " ** *( (!(! atrakcyjnoĹ›ci pokazuje siÄ™, Ĺźe kaĹźdy dach nadaje siÄ™ do wykorzystania pod instalacjÄ™ fotowoltaicznÄ…. Ale czy tak rzeczywi ! Ĺ›cie jest?

73

O- - + - ? - - - A +# M *

przez panel fotowoltaiczny o sprawnoĹ›ci 100 %. Jednak dla okreĹ›lenia parametrĂłw paneli stosuje siÄ™ pomiary wedĹ‚ug STC (ang. Standard Test Conditions), dla ktĂłrych przyjmuje siÄ™ nasĹ‚onecznienie o mocy 1000 W/m2, temperaturÄ™ 25 °C oraz widmie promieniowania AM = 1,5. Bardziej wiarygodne i mogÄ…ce wystÄ…pić w rzeczywistych warunkach pracy sÄ… parametry podawane wg NOTC (ang. Normal Operating Cell Temperature), gdzie przyjmuje siÄ™ nasĹ‚onecznienie o mocy 800 W/m2, przy temperaturze powietrza 20 °C oraz wietrze o prÄ™dkoĹ›ci 1 m/s i AM = 1,5 [14, 15]. Dla Polski Ĺ›rednie roczne nasĹ‚onecznienie waha siÄ™ w granicach 850–1200 kW/h/m2 [16]. IstniejÄ… powszechnie dostÄ™pne dwa rodzaje paneli fotowoltaicznych (rys. 3): monokrystaliczne i polikrystaliczne [17]. Ogniwa w kolorze czarnym to ogniwa monokrystaliczne, ktĂłre sÄ… najbardziej zaawansowane

Rys. 2. Zróşnicowanie poĹ‚oĹźenie domkĂłw wzglÄ™dem stron Ĺ›wiata Fig. 2. Differentiation of the location of the houses in relation to the cardinal directions

Instalacje fotowoltaiczne montowane sÄ… na dachach o róşnym nachyleniu (rys. 1). RĂłwnieĹź usytuowanie domĂłw wzglÄ™dem kierunkĂłw stron Ĺ›wiata moĹźe być bardzo róşne (rys. 2). NasuwajÄ… siÄ™ kolejne pytania: 1. Czy kaĹźdy z tych dachĂłw nadaje siÄ™ pod instalacjÄ™ fotowoltaicznÄ…? 2. Czy nachylenie dachu ma wpĹ‚yw na sprawność instalacji? 3. Czy ma znaczenie, jak zostanie wybudowany dom? Na pierwsze pytanie moĹźna szybko odpowiedzieć: TAK, na kaĹźdym z tych dachĂłw moĹźna zainstalować panele fotowoltaiczne. Teraz moĹźna postawić pytanie pomocnicze: Czy kaĹźda instalacja bÄ™dzie opĹ‚acalna? OdpowiedĹş na to pytanie wiÄ…Ĺźe siÄ™ z odpowiedziami na kolejne pytania, ktĂłre zostaĹ‚y wczeĹ›niej zadane, o wpĹ‚yw nachylenia i poĹ‚oĹźenia na ilość otrzymanej energii elektrycznej. WczeĹ›niej jednak warto przedstawić zasadÄ™ dziaĹ‚ania paneli fotowoltaicznych. W uproszczeniu panel fotowoltaiczny przeksztaĹ‚ca promieniowanie sĹ‚oneczne w energiÄ™ elektrycznÄ… [9]. Na energiÄ™ elektrycznÄ… zamieniane jest promieniowanie padajÄ…ce bezpoĹ›rednio ze sĹ‚oĹ„ca, promieniowanie Ĺ›wiatĹ‚a rozproszonego, ktĂłrego udziaĹ‚ jest róşny w zaleĹźnoĹ›ci od pory roku, oraz promieniowanie odbite, ktĂłrego wpĹ‚yw jest tak maĹ‚y, Ĺźe moĹźna go w dalszych rozwaĹźaniach pominąć [10, 11]. Promieniowanie rozproszone powstaje na skutek przejĹ›cia fotonĂłw przez atmosferÄ™, tym samym nastÄ™puje ich rozproszenie w chmurach. Taki strumieĹ„ fotonĂłw ma mniejszÄ… energiÄ™, a kierunek ich padania na powierzchniÄ™ pĹ‚askÄ… jest przypadkowy, dlatego w niniejszym artykule zostanie pominiÄ™te [12]. Przyjmuje siÄ™, Ĺźe na terenie Polski wartość energia promieniowania sĹ‚onecznego przyjmuje wartoĹ›ci 0–5,5 kWh/m2/dzieĹ„, natomiast Ĺ›rednie napromieniowanie sĹ‚oneczne wynosi 1000 kWh/m2/rok [13]. StrumieĹ„ promieniowania sĹ‚onecznego docierajÄ…cy do zewnÄ™trznych warstw ziemskiej atmosfery jest nazywany staĹ‚Ä… sĹ‚onecznÄ… i wynosi 1367 W/m2. Oznacza to, Ĺźe przy idealnie czystym powietrzu teoretycznie takÄ… moc moĹźna uzyskać

74

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Rys. 3. Panel polikrystaliczny i monokrystaliczny Fig. 3. Polycrystalline and monocrystalline panels

i nowoczesne. CharakteryzujÄ… siÄ™ najwiÄ™kszÄ… efektywnoĹ›ciÄ…. Ich sprawność to okoĹ‚o 15–19 %. Ogniwa w kolorze niebieskim to ogniwa polikrystaliczne, stosowane sÄ… juĹź od wielu lat. Jest to starsza technologia o mniejszej sprawnoĹ›ci, wynoszÄ…cej okoĹ‚o 14–16 %. PeĹ‚nÄ… sprawność panelu fotowoltaicznego uzyskujemy, gdy promieniowanie sĹ‚oneczne pada prostopadle na niego. Gdy promienie padajÄ… na panel pod kÄ…tem a, to spada sprawność wprost proporcjonalnie do cosinusa kÄ…ta padania promieni [5]. P = Pmax ¡ cos a

(1)

Najczęściej panele fotowoltaiczne instalowane są na sztywno, bez moşliwości zmiany ich połoşenia. Jak łatwo moşna się domyślić, ruch słońca po niebie (rys. 4) będzie miał znaczący wpływ na ilość energii elektrycznej otrzymanej z instalacji. Do analizy wpływu połoşenia słońca na sprawność instalacji będą potrzebne informacje o ruchu słońca po niebie. A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

- F

21 marca i 23 wrzeĹ›nia h = 90° – j 22 czerwca h = 90° – j + 23°27¢ 22 grudnia h = 90° – j – 23°27¢ gdzie: j – szerokość geograficzna.

Rys. 4. Ruch słońca po niebie Fig. 4. The motion of the Sun in the sky

Rys. 5. Ruch słońca po niebie – azymut i kąt Fig. 5. Sun movement in the sky – azimuth and angle

ObserwujÄ…c w pogodny dzieĹ„ przemieszczanie siÄ™ sĹ‚oĹ„ca po niebie moĹźna zauwaĹźyć, Ĺźe w poĹ‚udnie latem sĹ‚oĹ„ce jest najwyĹźej nad horyzontem, a zimÄ… najniĹźej. Zaobserwować moĹźna rĂłwnieĹź, Ĺźe pozycja sĹ‚oĹ„ca o wschodzie jak i zachĂłd teĹź jest inna. Przy instalacji paneli fotowoltaicznych bardzo waĹźne jest odpowiednie ich uĹ‚oĹźenie, aby uzyskać jak najwiÄ™kszÄ… ilość energii. Aby okreĹ›lić kÄ…t padania promieni sĹ‚onecznych na panele naleĹźy znać azymut sĹ‚oĹ„ca (rys. 5) oraz wysokość sĹ‚oĹ„ca nad horyzontem. Ĺ atwo zauwaĹźyć, Ĺźe poĹ‚oĹźenie obserwatora sĹ‚oĹ„ca bÄ™dzie miaĹ‚o wpĹ‚yw na kÄ…t sĹ‚oĹ„ca nad horyzontem – inaczej bÄ™dzie na północy Europy, a inaczej na poĹ‚udniu. Aby przeprowadzić dokĹ‚adnÄ… analizÄ™ zostanie uĹźyta lokalizacja (współrzÄ™dne geograficzne) stolicy ĹšlÄ…ska, Katowic: − dĹ‚ugość geograficzna: 19°01¢ E, − szerokość geograficzna: 50°16¢ N. ZnajÄ…c współrzÄ™dne geograficzne miejsca moĹźna okreĹ›lić wpĹ‚yw poĹ‚oĹźenia sĹ‚oĹ„ca na skuteczność instalacji fotowoltaicznej. W tym celu potrzebne sÄ… jeszcze dane z zakresu astronomii [18]. Dla kaĹźdego dnia w roku niezbÄ™dne bÄ™dÄ… nastÄ™pujÄ…ce dane: − czas wschodu sĹ‚oĹ„ca, − czas zachodu sĹ‚oĹ„ca, − czas gĂłrowania sĹ‚oĹ„ca w poĹ‚udnie. OkreĹ›lenie godzin, kiedy wschodzi i zachodzi sĹ‚oĹ„ce nie stanowi problemu, gdyĹź te dane sÄ… ogĂłlnie dostÄ™pne dla kaĹźdego miejsca na Ĺ›wiecie. OkreĹ›lenie gĂłrowania sĹ‚oĹ„ca w poĹ‚udnie jest trudniejsze, gdyĹź najczęściej spotyka siÄ™ te wartoĹ›ci dla okresu rĂłwnonocy i przesileĹ„. Aby dokĹ‚adnie okreĹ›lić tÄ™ pozycjÄ™ dla kaĹźdego dnia, naleĹźy skorzystać z tabeli deklinacji sĹ‚oĹ„ca [19], zawierajÄ…cej korekty pozycji sĹ‚oĹ„ca dla dowolnego dnia w roku. Internet, jako praktycznie nieograniczone ĹşrĂłdĹ‚o wiedzy, przychodzi z pomocÄ…. IstniejÄ… serwisy pozwalajÄ…ce na dokĹ‚adne obliczenie poĹ‚oĹźenia sĹ‚oĹ„ca na niebie dla dowolnego miejsca na Ĺ›wiecie, dla dowolnego dnia w roku oraz dla dowolnej godziny w ciÄ…gu dnia (np. https://darekk.com/sun/solar-position-calculator). PozycjÄ™ sĹ‚oĹ„ca nad horyzontem dla półkuli północnej moĹźna obliczyć z nastÄ™pujÄ…cego wzoru:

Na podstawie informacji o połoşeniu słońca na niebie, moşna w pierwszym kroku zobrazować, kiedy słońce jest nad horyzontem (rys. 6). Znając godziny, kiedy wstaje i zachodzi słońce, moşna dokładnie określić azymut słońca dla dowolnej pory dnia. Znając wartość górowania słońca w południe moşna określić kąt między pozycją słońca a horyzontem dla dowolnej godziny. Z tak przygotowanymi danymi moşna przejść do analizy kąta padania promieni słonecznych na powierzchnię panelu fotowoltaicznego. Najpierw zobrazujemy, jak wygląda ruch słońca po niebie w kaşdym dniu (rys. 7). Najlogiczniejsze, co równieş jest potwierdzone w literaturze naukowej [8], wydaje się ustawienie paneli fotowoltaicznych prostopadle do słońca, które świeci o 12:00 w dniu 21 marca lub 23 września. W dalszej części artykułu ta teza zostanie potwierdzona lub zaprzeczona. Znając juş dokładne połoşenie słońca w dowolnym momencie roku moşemy dla kaşdego chwili określić kąt padania promieni słonecznych na panel fotowoltaiczny. Moşemy ten kąt określić dla dowolnego kąta nachylanie panelu oraz dla dowolnego jego odchylenia od kierunku południowego. W dalszej części artykułu zajmiemy się analizą wyprodukowanej energii w ciągu roku kalendarzowego. Aby znormalizować wyniki, do obliczania zostanie wykorzystany panel fotowoltaiczny o mocy znamionowej 100 W, jest to jego maksymalna moc przy całkowitym nasłonecznieniu promieniami padającymi prostopadle do jego powierzchni.

Rys. 6. Zobrazowanie, kiedy świeci słońce w ciągu doby Fig. 6. Image of when the Sun is shining during the day

Rys. 7. Ruch słońca po niebie Fig. 7. The motion of the Sun in the sky

75

O- - + - ? - - - A +# M * Jednym z najwaşniejszych czynników, jeşeli nie najwaşniejszym, wpływającym na ilość wytworzonej energii elektrycznej ma usłonecznienie. Jest to wskaźnik określający, ile czasu w ciągu dnia świeci słońce. Dostęp do takich danych jest powszechny, jednak najczęściej są to dane uśrednione w ciągu miesiąca. Ten problem moşna rozwiązać inaczej. Mając informację o średnim zachmurzeniu w danym dniu, moşna statystycznie obliczyć, ile światła dotarło do ziemi. Wielkość zachmurzenia podaje się w skali oktantowej, gdzie 8 oznacza całkowite zachmurzenie, natomiast 0 oznacza brak chmur. Idąc tym tokiem rozumowania usłonecznienie, liczbę słonecznych godzin w ciągu dnia moşna określić za pomocą wzoru:

Wykresy na rys. 1 przedstawiajÄ…, jaki wpĹ‚yw ma nachylenie panelu na wielkość wytworzonej energii w funkcji kolejnych dni w roku. NajwiÄ™ksze wahania wystÄ™pujÄ… w przypadku uĹ‚oĹźenia poziomego a najmniejsze, gdy kÄ…t nachylenia jest w przedziale 50–60°. Dla lepszego zobrazowania wynikĂłw zsumowano wytworzonÄ… energiÄ™ w ciÄ…gu roku (rys. 9). Potwierdza to hipotezÄ™, Ĺźe gdy nachylenie panelu jest takie, Ĺźe promienie sĹ‚oĹ„ca w poĹ‚udnie w dniach rĂłwnonocy pada prostopadle do jego powierzchni, to ustawienie takie jest poprawne. OczywiĹ›cie takie rozumowanie jest sĹ‚uszne w przypadku, gdy caĹ‚Ä… nadwyĹźkÄ™ wyprodukowanej energii w okresie letnim moĹźna zmagazynować lub odsprzedać, a okresie zimowym braki dokupić, podobnie w okresach US = (1 – NT/8) ¡ Dd dzieĹ„/noc. (2) Do tej pory analiza dotyczyĹ‚a tylko strony teoretycznej bazugdzie: US – usĹ‚onecznienie, NT – Ĺ›rednie zachmurzenie, Dd – dĹ‚ujÄ…cej na bezchmurnej pogodzie. Do analizy zachmurzenia wziÄ™to gość dnia. dane obserwacyjne z lat 2012–2015 dla miasta Katowice. Dla kaĹźdego dnia obliczono usĹ‚onecznienie zgodnie ze wzorem (2). Z duşą dokĹ‚adnoĹ›ciÄ… moĹźna zaĹ‚oĹźyć, Ĺźe wielkość zachmurzeWykres z rys. 10. przedstawia statystycznÄ… liczbÄ™ godzin sĹ‚onia wpĹ‚ywa liniowo na ilość wygenerowanej energii [20]. necznych w kaĹźdym dniu na przestrzeni czterech lat. Widoczne osiÄ…gane maksima sÄ… ograniczane przez dĹ‚ugość dnia. Jako wartość Ĺ›redniÄ… wziÄ™to Ĺ›redniÄ… arytmetycznÄ… wartoĹ›ci w anaL/ 3 logicznych dniach roku z badanych lat. Analogiczne wykresy pokazujÄ…ce wytworzonÄ… energiÄ™ w ciÄ…gu dnia i roku z uwzglÄ™dnieniem zachmurzenia przedstawiajÄ… kolejne wykresy. W pierwszym etapie naleĹźy okreĹ›lić, jaki jest wpĹ‚yw kÄ…ta pochylenia w pionie panelu fotowoltaicznego na energiÄ™, jakÄ… Wykresy na rys. 11 wskazujÄ… na wpĹ‚yw zachmurzenia na moĹźe wytworzyć. Referencyjnym panelem bÄ™dzie taki, ktĂłrego ilość generowanej energii przez panel w ciÄ…gu dnia. Natomiast rys. 12 pokazuje, Ĺźe podczas realnie wystÄ™pujÄ…cego zachmurzemaksymalna moc wynosi 100 W. nie nieba, ilość wytworzonej energii spada do okoĹ‚o 33 % w stosunku do wartoĹ›ci teoretycznej, gdy nie ma chmur. Taka regularność oczywiĹ›cie wystÄ™puje bez wzglÄ™du na nachylenie panelu. Przedstawione rozwaĹźania pokazujÄ… wielkość produkowanej energii elektrycznej, gdy analizowane sÄ… warunki klimatyczne [21]. Takie rozwaĹźania wpĹ‚ywu kÄ…ta nachylenia sÄ… sĹ‚uszne dla instalacji w gospodarstwach domowych, domach mieszkalnych, do ktĂłrych rĂłwnieĹź podĹ‚Ä…czona jest sieć energetyczna Rys. 8. Teoretyczna energia wytworzona w ciÄ…gu dnia w zaleĹźnoĹ›ci od nachylenia panelu Fig. 8. Theoretical energy generated during the day depending on the slope of the panel umoĹźliwiajÄ…ca zarĂłwno zakup jak i sprzedaĹź energii elektrycznej. ZupeĹ‚nie inne podejĹ›cie naleĹźy przyjąć dla systemĂłw wyspowych, ktĂłre muszÄ… być samowystarczalne przez caĹ‚y rok. Do takich systemĂłw moĹźna zaliczyć urzÄ…dzenia pomiarowe, czy jakiekolwiek inne urzÄ…dzenia kontrolno-sterujÄ…ce w sytuacjach, gdy nie ma moĹźliwoĹ›ci podĹ‚Ä…czenia zewnÄ™trznego ĹşrĂłdĹ‚a zasilania. UĹ‚oĹźenie paneli fotowoltaicznych systemĂłw IoT bÄ™dzie zdecydowanie róşnić siÄ™ od wczeĹ›niej rozwaĹźanych systemĂłw podĹ‚Ä…czonych do publicznej sieci energetycznej. W ramach Rys. 9. Teoretyczna energia wytworzona w ciÄ…gu roku w zaleĹźnoĹ›ci od nachylenia panelu budowy takich systemĂłw Fig. 9. Theoretical energy generated during the year depending on the panel slope

76

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 4/ 20 20

- F

Rys. 10. Usłonecznienie w ciągu dnia Fig. 10. Sunshine during the day

Rys. 11. Realna energia wytworzona w ciągu dnia w zaleşności od nachylenia panelu Fig. 11. Real energy generated during the day depending on the slope of the panel

być zasilane. W kolejnym krokach naleĹźy przeanalizować najgorszy scenariusz usĹ‚onecznienia w terenie, w ktĂłrym ma być wykonana instalacja. Kolejne kroki to dobranie odpowiedniego ogniwa sĹ‚onecznego oraz akumulatora do magazynowania energii. Z rysunku 11 wynika, Ĺźe najmniej energii uzyskuje siÄ™ w miesiÄ…cach zimowych grudzień–styczeĹ„. AnalizÄ™ systemu zasilajÄ…cego najlepiej zacząć od miesiÄ…ca wrzeĹ›nia, wtedy to akumulator z bardzo duĹźym prawdopodobieĹ„stwem bÄ™dzie naĹ‚adowany w 100 % po sĹ‚onecznym okresie letnim. RozwaĹźmy przykĹ‚ad rzeczywistego systemu pomiarowego: − zasilanie ukĹ‚adu 3,3 V, − Ĺ›redni pobĂłr prÄ…du 10 mA, − panel sĹ‚oneczny o mocy 3 W, − akumulator litowo-polimerowy 560 mAh/3,7 V, − Ĺ‚adowarka akumulatora o sprawnoĹ›ci 90 %, − przetwornica impulsowa step-down 3,3 V o sprawnoĹ›ci 90 %. W trakcie analizy naleĹźy wziąć pod uwagÄ™ nastÄ™pujÄ…ce dane: − dĹ‚ugość dnia, − Ĺ›rednie zachmurzenie, − poĹ‚oĹźenie sĹ‚oĹ„ca na niebie, − parametry systemu pomiarowego.

Podstawowym parametrem okreĹ›lajÄ…cym jakość ukĹ‚adu zasilania bÄ™dzie zapas – minimalna wartość energii w akumulatorze. JeĹźeli wartość spadnie do 0, bÄ™dzie to oznaczać, Ĺźe urzÄ…dzenie na 100 % przestanie dziaĹ‚ać. Z rysunku 13 wynika, Ĺźe dla kÄ…tĂłw 70–80° w akumulatorze w najtrudniejRys. 12. Realna energia wytworzona w ciÄ…gu roku w zaleĹźnoĹ›ci od nachylenia panelu Fig. 12. Real energy generated during the year depending on the slope of the panel szym okresie pozostanie jeszcze energia, umoĹźliwianaleĹźy dobrze zaplanować stronÄ™ zasilania, pozyskiwania enerjÄ…ca poprawne dziaĹ‚anie ukĹ‚adu pomiarowego. Z tego wykresu wynika, Ĺźe dla urzÄ…dzeĹ„ IoT kÄ…t nachylenia panelu bÄ™dzie inny gii odnawialnej. Systemy takie powinny być z zaĹ‚oĹźenia tworzone jako energooszczÄ™dne. Takimi urzÄ…dzeniami sÄ… szeroko niĹź dla paneli podĹ‚Ä…czanych do sieci energetycznej. Specjalnie rozumiane systemy IoT. pozostawiono wartoĹ›ci ujemne, aby dokĹ‚adnie pokazać, jak duĹźy niedobĂłr energii powstaje przy Ĺşle dobranym kÄ…cie nachyleM/ $ ! nia panelu. Aby dokĹ‚adnie wyznaczyć, pod jakim kÄ…tem naleĹźy montować Konstruowanie systemu zasilania powinno zacząć siÄ™ od panel, zostanie wykonana kolejna seria obliczeĹ„, tym razem dla kÄ…tĂłw 73–85°. dokĹ‚adnej analizy poboru mocy przez urzÄ…dzenie, ktĂłre ma

77

O- - + - ? - - - A +# M *

Optymalnym kÄ…tem (rys. 14) montowania paneli sĹ‚onecznych dla systemĂłw wyspowych jest okoĹ‚o 75°. Obliczenia potwierdzajÄ… sĹ‚uszność tezy, Ĺźe kÄ…t nachylenia paneli sĹ‚onecznych w systemach IoT bÄ™dzie zdecydowanie inny niĹź w przypadku instalacji dla domĂłw mieszkalnych podĹ‚Ä…czonych do sieci energetycznej. Kolejnym problemem, jaki napotykamy przy instalacji paneli, jest brak moĹźliwoĹ›ci skierowania ich dokĹ‚adnie na poĹ‚udnie. Ustawienie paneli w kierunku innym niĹź poĹ‚udniowy, bÄ™dzie wymagać ustawienia ich pod innym kÄ…tem nachylenia, aby osiÄ…gnąć maksymalnÄ… ilość uzyskanej energii. Dalej zostanÄ… przeanalizowane efekty wytwarzania energii elektrycznej przez instalacjÄ™ fotowoltaicznÄ…, gdy panele sÄ… skierowane w innym kierunku niĹź poĹ‚udnie. Z duĹźym prawdopodobieĹ„stwem moĹźna zaĹ‚oĹźyć, Ĺźe dla kÄ…tĂłw azymutalnych innych niĹź 180°, w celu uzyskania najwiÄ™kszej sprawnoĹ›ci, kÄ…t nachylenia paneli sĹ‚onecznych bÄ™dzie trzeba skorygować do innych wartoĹ›ci. W ukĹ‚adzie pomiarowym, zasilanym z analizowanej instalacji panelem fotowoltaicznym o mocy 3 W wprowadzimy modyfikacjÄ™, polegajÄ…cÄ… na zmianie Ĺ›redniego poboru prÄ…du z 10 mA na 4,2 mA. MoĹźna zaobserwować (rys. 15), Ĺźe wraz ze zmianÄ… kÄ…ta azymutalnego, zmienia siÄ™ teĹź optymalny kÄ…t nachylenia instalowania paneli fotowoltaicznych. Dla ustawienia paneli w kierunku poĹ‚udniowym, panele naleĹźy ustawić pod kÄ…tem 75° w stosunku do pionu, a im bardziej kÄ…t azymutalny zmienia siÄ™, tym kÄ…t nachylenia naleĹźy zwiÄ™kszać. Dla kÄ…ta azymutalnego 140–160°, nachylenie wynosi 76°, a dla kÄ…ta 120° odpowiednio 77°. Zmiana kÄ…ta nachylenia dla róşnych kÄ…tĂłw azymutalnych ma zwiÄ…zek z tym, Ĺźe poĹ‚oĹźenie paneli naleĹźy dostosować do ruchu sĹ‚oĹ„ca

Rys. 13. Zapas zgromadzonej energii dla kÄ…tĂłw 0–90° Fig. 13. Storage of accumulated energy for angles 0–90°

Rys. 14. Zapas zgromadzonej energii dla kÄ…tĂłw 73–85° Fig. 14. Storage of accumulated energy for angles 73–85°

Rys. 15. Wykres zapasu energii w zaleşności od zmian kątów instalacji paneli Fig. 15. Chart of energy storage depending on the changes in panel installation angles

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 4/ 20 20

- F

Rys. 16. Wykres mocy uzyskanej w ciÄ…gu roku dla róşnych kÄ…tĂłw instalacji Fig. 16. Chart of the power generated during the year for different installation angles

po niebie. Analogiczny wniosek jest dla instalacji przyĹ‚Ä…czonej do sieci energetycznej. Dla instalacji podĹ‚Ä…czonej do sieci energetycznej wraz ze zmianÄ… kÄ…ta azymutalnego instalacji naleĹźy zmienić kÄ…t nachylenia paneli. AnalizujÄ…c panel o mocy 3 W podĹ‚Ä…czony do systemu pomiarowego, kÄ…t nachylenia z 56° od pionu dla kierunku poĹ‚udniowego, naleĹźy zwiÄ™kszać wraz ze zmianÄ… kÄ…ta azymutalnego. Dla kÄ…ta 160° nachylenie powinno wynieść 57°, dla 140° odpowiedni 58°, a dla 120° aĹź 61°. W obu przypadkach instalacji zmiany uzyskiwanej energii w zaleĹźnoĹ›ci od kÄ…tĂłw instalacji nie sÄ… zbyt duĹźy, ale dla systemĂłw IoT kaĹźdy mW jest waĹźny.

Q/ '

Systemy zasilania wykorzystujÄ…ce panele sĹ‚oneczne stajÄ… siÄ™ coraz bardziej powszechne. Jest wiele poradnikĂłw, a takĹźe publikacji naukowych mĂłwiÄ…cych, jak takie instalacje wykonywać, pod jakimi kÄ…tami montować, jakiej mocy panele moĹźna stosować. KÄ…t nachylenia oraz kÄ…t azymutalny instalacji paneli jest parametrem bardzo waĹźnym dla wszystkich instalacji, gdyĹź to od niego zaleĹźy, jakÄ… skuteczność osiÄ…gnie system. PodobnÄ… analizÄ™ przeprowadzili teĹź inni autorzy [5]. W obu przypadkach osiÄ…gniÄ™to dla systemĂłw zasilania domĂłw mieszkalnych bardzo podobne wyniki. Dla Katowic odchylenie panelu od pionu powinno wynosić ok 50°. BiorÄ…c pod uwagÄ™ warunki meteorologiczne, kÄ…t nachylenia paneli dla systemĂłw podĹ‚Ä…czonych do sieci energetycznych powinien wynosić okoĹ‚o 56°. Dla systemĂłw IoT, po dokĹ‚adnej analizie ruchu sĹ‚oĹ„ca po niebie oraz zachmurzenia dla kaĹźdego dnia, kÄ…t nachylenia panelu dla tej samej lokalizacji powinien wynosić okoĹ‚o 75°. Przy braku moĹźliwoĹ›ci skierowania instalacji fotowoltaicznej dokĹ‚adnie na poĹ‚udnie, naleĹźy skorygować kÄ…t jej nachylenia. Przy kÄ…cie azymutalnym 120° lub 240° dla instalacji podĹ‚Ä…czonych do sieci energetycznych nachylenie powinno wynieść 61°, a dla systemĂłw IoT 77°. W celu podniesienia skutecznoĹ›ci systemĂłw zasilania sĹ‚onecznego moĹźna wykorzystać ukĹ‚ady do Ĺ›ledzenia sĹ‚oĹ„ca, aby kÄ…t horyzontalny i nachylenia paneli byĹ‚ identyczny z kÄ…tem poĹ‚oĹźeniem sĹ‚oĹ„ca na niebie. IstniejÄ… dwa rozwiÄ…zania takich urzÄ…dzeĹ„: − jednoosiowy system nadÄ…Ĺźny za sĹ‚oĹ„cem [5], − dwuosiowy system nadÄ…Ĺźny za sĹ‚oĹ„cem [8].

Moşna jeszcze rozwaşyć, pod jakim kątem naleşy instalować panele słoneczne dla systemów zasilania domów mieszkalnych oraz dla zastosowań IoT w przypadku uşycia jednoosiowego systemy nadąşnego za słońcem. Dla systemów nadąşnych dwuosiowych z załoşenia promienie słońca padają zawsze na panel pod optymalnym kątem. Podczas projektowania takich systemów naleşy dokładnie przeanalizować, czy dodanie układu nadąşnego nie spowoduje zbyt duşego obciąşenia energetycznego dla układu zasilania fotowoltaicznego, w taki sposób, şe będzie trzeba zwiększyć znacznie moc paneli.

# " 1. Chrzan M., Pietruszczak D., Wiktorowski M., Wybrane zagadnienia projektowania instalacji elektrycznej typu OZE na przykĹ‚adzie domowej elektrowni fotowoltaicznej, „Autobusy: technika, eksploatacja, systemy transportoweâ€?, T. 19, Nr 12, 2018, 66–74, DOI: 10.24136/atest.2018.357. 2. Noszczyk T., Wolny Ĺ ., Dyjakon A., System awaryjnego zasilania domu jednorodzinnego z autonomicznym systemem fotowoltaicznym, „Budownictwo o Zoptymalizowanym Potencjale Energetycznymâ€?, Vol. 7, Nr 2, 2018, 91–98. 3. Teneta J., Fotowoltaiczne systemy zasilania, Zielone prÄ…dy w Edukacji, KrakĂłw 2005. 4. Sarniak M., Zastosowanie mikroinstalacji fotowoltaicznych współpracujÄ…cych z sieciÄ… elektroenergetycznÄ… w ukĹ‚adach zasilania budynkĂłw, „elektro.infoâ€?, Vol. 2, Nr 12, 2017. 5. Baran K., LeĹ›ko M., Wachta H., Badania pozycjonowania paneli fotowoltaicznych na terytorium Polski, „Pomiary Automatyka Kontrolaâ€?, R. 59, Nr 10, 2013, 1097–1100. 6. Sarniak M.T., Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008. 7. Mazur M., Partyka J., Marcewicz T., WpĹ‚yw temperatury na sprawność baterii sĹ‚onecznych, „PrzeglÄ…d Elektrotechnicznyâ€?, Vol. 92, Nr 8, 2016, 109–112, DOI: 10.15199/48.2016.08.30. 8. Trzasko W., Analiza wydajnoĹ›ci dwuosiowego solarnego ukĹ‚adu nadÄ…Ĺźnego, „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, R. 22, Nr 1, 2018, 11–17, DOI: 10.14313/PAR_227/11. 9. Martin H.L., Yogi Goswami D., Solar Energy Pocket Reference, New York 2005. 10. Figura R., Zientarski W., Analiza parametrĂłw pracy moduĹ‚u fotowoltaicznego, „Autobusy: technika, eksploatacja, systemy transportoweâ€?, T. 17, Nr 12, 2016, 602–611. 11. NÄ™cka K., Knaga J., Maciejewski D., Charakterystyka jakoĹ›ci energii elektrycznej w zakĹ‚adzie usĹ‚ug komunalnych współpracujÄ…cym z mikroinstalacjÄ… fotowoltaicznÄ…, „PrzeglÄ…d Elektrotechnicznyâ€?, Vol. 96, Nr 2, 2020, 56–59, DOI: 10.15199/48.2020.02.12. 12. Mertens K., Photovoltaics: Fundamentals, Technology and Practice, Munich: John Wiley & Sons Ltd, 2019. 13. JabĹ‚oĹ„ski W., Wnuk J., ZarzÄ…dzanie odnawialnymi zrĂłdĹ‚ami energii. Aspekty ekonomiczno-techniczne, Oficyna Wydawnicza HUMANITAS, Sosnowiec 2009.

79

O- - + - ? - - - A +# M *

18. Borkowski K., Astronomiczne obliczenia nie tylko dla geografĂłw, Wydawnictwo Uniwersytetu MikoĹ‚aja Kopernika, ToruĹ„ 1991. 19. WszoĹ‚ek B., KuĹşmicz A., Elementy astronomii dla geografĂłw, Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej Uniwersytetu JagielloĹ„skiego, KrakĂłw 2009. 20. Matuszko D., WpĹ‚yw zachmurzenia na usĹ‚onecznienie i caĹ‚kowite promieniowanie sĹ‚oneczne, Wydawnictwo Uniwersytetu JagielloĹ„skiego, KrakĂłw 2009. 21. Gong J., Li C., Wasielewski M.R., Advances in solar energy conversion, “Chemical Society Reviewâ€?, Vol. 48, No. 7, 2019, 1862–1864.

14. Chwieduk B., Ogniwa fotowoltaiczne – budowa, dziaĹ‚anie, rodzaje, „Polska Energetyka SĹ‚onecznaâ€?, Nr 1–4, 2015, 15–20. 15. Duffie J.A., Beckman W.A., Blair N., Solar Engineering of Thermal Processes, Photovoltaics and Wind, New Jersey: John Wiley & Sons Inc, 2020. 16. Buriak J., Ocena warunkĂłw nasĹ‚onecznienia i projektowanie elektrowni sĹ‚onecznych z wykorzystaniem dedykowanego oprogramowania oraz baz danych, „Zeszyty Naukowe WydziaĹ‚u Elektrotechniki i Automatyki Politechniki GdaĹ„skiejâ€?, Nr 40, 2014, 29–32. 17. Nayak P.K., Mahesh S., Snaith H.J., Cahen D., Photovoltaic solar cell technologies: analysing the state of the art. “Nature Reviews Materialsâ€?, No. 4, 2019, DOI: 10.1038/s41578-019-0097-0.

H > = > 0 > = < () The article considers the impact of the building and roof structures on the efficiency of obtaining electricity from photovoltaic panels. Meteorological and astronomical data were also taken into account. The result of the analysis on the basis of installations in single-family houses was used as a base for installations in IoT systems. In addition, mechanical installation of photovoltaic panels for measuring systems in island configuration will be considered. The article was written as a part of Statutory Work 1115538-173. KeywordsJ $ / & $ / & $ &

' % " %& & ORCID: 0000-0001-8325-3270 H/ 8 " H ; F = > 0 k -F 6 V *'') J/ F 6 ? = 6? # 8 ? " / & $ / a H @ ; & b$ ? F ? - . & " ? 0

$ F $ " & ? $ " $ " F $ & / & $ / . $ > F

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

NR 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 81–84, DOI: 10.14313/PAR_238/81

0 / & / & _ & / " & &? > Piotr Witkowski 0 J $ 8 " ; $ H = > $ = ; & ; & J" $ # " = G L " $ 0 ? IP O/ " (Q$ U)FI)E J

Streszczenie: W artykule omĂłwiono pojÄ™cie profilu lutowniczego wraz z jego fazami oraz zbadano wpĹ‚yw temperatury otoczenia na jego wykonywalność. Autor przeprowadziĹ‚ eksperyment na dwĂłch identycznych pĹ‚ytach PCB w róşnych temperaturach pomieszczenia, obserwujÄ…c przebiegi temperaturowe dla poszczegĂłlnych faz lutowania. 5( J 0 L$ _ $ $ $ / " L6H

1. Wprowadzenie Unijna dyrektywa zwana RoHS I (2002/95/EC) oraz jej uzupełnienie ROHS II, która obowiązuje od 1 lipca 2006 r. zakazuje producentom sprzętu elektrycznego i elektronicznego stosowania niebezpiecznych materiałów, tj. domieszki ołowiu, kadmu, rtęci, chromu (VI) itd. (w produktach przeznaczonych na rynek europejski). Cyna bez domieszki ołowiu ma dość duşą tendencję m.in. do utleniania się i pękania. Proces ten staje się gwałtowniejszy, jeşeli na element działa wysoka temperatura [1–3]. W latach 2005–2008 powstał problem – większość płyt głównych urządzeń typu: laptopy, konsole do gier, karty graficzne wprowadzanych na rynek, miało układy w obudowie BGA z wadą fabryczną, która dotyczyła połączenia krzemowego rdzenia z jego obudową, wskutek czego naprawa była niemoşliwa, a usterka powracała maksymalnie w ciągu pół roku po wykonaniu operacji reballingu matrycy układu przez serwisy. Jedyną formą naprawy była wymiana układu na nowy, co wiązało się często z kosztami przekraczającymi wartość urządzenia [3–4]. Był to takşe problem dla wszystkich producentów laptopów, płyt głównych, konsol do gier, kart graficznych, poniewaş jeśli wada ujawniła się w okresie gwarancji, zmuszeni oni byli do wymiany układu lub całej płyty głównej, a takşe podjęcia prac nad rozwiązaniem eliminującym ten problem. Na chwilę obecną dzięki stosowaniu układów poprawionych, układy w obudowie BGA wytrzymują dłuşszy okres czasu i czę-

3 J 0 8 $ %" " 3 ( " *) !' (!(! $ " " ** *( (!(!

!

Rys. 1. Zatkanie wylotów powietrza między şebrami radiatora a wentylatorem Fig. 1. Clogging of air outlets between radiator fins and fan

ściej obserwuje się utlenienie spoiwa pod układem. Nie znaczy to jednak, şe problem został definitywnie rozwiązany, gdyş po kilku latach uşytkowania połączenie rdzenia układu z obudową ulegają degradacji. Nie jest to jednak okres tak krótki jak w pierwszych czterech latach po wejściu RoHS I [5–7]. Obecnie jednymi z najczęściej występujących usterek, z którymi moşna się spotkać w serwisach komputerowych, czy konsol do gier są awarie związane ze spoiwem pod układami w obudowie BGA (mostki północne, układy graficzne, oraz procesory zamontowane w technologii BGA). Śródłem tych problemów są często zatkane wyloty powietrza między şebrami radiatora i wyschnięcie pasty termoprzewodzącej, wynikające z braku odpowiedniej konserwacji w postaci regularnej wymiany pasty/podkładek termoprzewodzących na nagrzewających się układach oraz oczyszczenia układu chłodzenia urządzenia, z kurzu co przyspiesza proces degradacjil lutowia pod układem, a takşe niekorzystnie wpływa na połączenie rdzenia obudową układu [8–9]. Sam proces wymiany spoiwa pod układem jest procesem wieloetapowym i dosyć trudnym; wymagającym specjalistycznych urządzeń oraz wiedzy z zakresu przebiegu profilów

81

) +

E -

- +

- >>>

M/ $ " )

lutowniczych czy znajomości wytrzymałości temperaturowej wlutowywanego układu (producenci podają go w notach katalogowych) [10]. Niniejszy artykuł przedstawia w pierwszej części definicję profilu lutowniczego oraz jego fazy. W kolejnych opisuje zakres i przebieg przeprowadzonego eksperymentu polegającego na wykonaniu identycznego profilu z uwzględnieniem dwóch temperatur otoczenia, prezentuje wyniki przeprowadzonego badania oraz wnioski, które wyciągnięto po jego przeprowadzeniu.

Faza preheat jest pierwszÄ… fazÄ… procesu lutowania ukĹ‚adĂłw w obudowie BGA. Jej przedziaĹ‚ temperaturowy zaczyna siÄ™ od temperatury poczÄ…tkowej pĹ‚yty PCB, a koĹ„czy na 150 °C. Faza musi być powolna i stopniowa, gdyĹź zbyt gwaĹ‚towne podgrzanie moĹźe prowadzić do odksztaĹ‚ceĹ„ pĹ‚yty na późniejszych etapach lutowania. W jej ramach wokół ukĹ‚adu nakĹ‚adany jest topnik (najlepsza efektywność okoĹ‚o 140 °C). W zaleĹźnoĹ›ci od typu stacji lutowniczej uruchamiana jest teĹź gĂłrna grzaĹ‚ka stacji np.: dla Puhui T-890 jest to temperatura 80–100 °C, natomiast dla Jovy Systems Re-7500 jest to temperatura okoĹ‚o 150 °C, czyli poczÄ…tek fazy soak. Faza soak zaczyna siÄ™ po zakoĹ„czeniu fazy podgrzewania wstÄ™pnego i trwa do osiÄ…gniÄ™cia temperatury od 150 °C do okoĹ‚o 180 ÂşC (w zaleĹźnoĹ›ci od wykonywanego profilu lutowniczego). W tej fazie kluczowe jest dziaĹ‚anie topnika polegajÄ…ce na usuniÄ™ciu tlenkĂłw, korozji czy innych zanieczyszczeĹ„ jak rĂłwnieĹź zwilĹźenie powierzchni i przygotowanie do fazy lutowania wĹ‚aĹ›ciwego. Ma teĹź na celu wyrĂłwnanie temperatur ukĹ‚ad – pĹ‚yta PCB. Faza reflow jest kluczowa dla ukĹ‚adu i trwa do osiÄ…gniÄ™cia temperatury rozpĹ‚ywu spoiwa. ĹšledzÄ…c przebiegi, moĹźna w jej koĹ„cĂłwce zaobserwować zatrzymanie siÄ™ temperatury w momencie osiÄ…gniÄ™cia punktu rozpĹ‚ywu. DziaĹ‚anie to, ma na celu rozpĹ‚yw wszystkich kulek lutowia pod ukĹ‚adem oraz zapobiegniÄ™cie wyrwania pĂłl lutowniczych podczas jego podnoszenia. Celem poprawy efektĂłw lutowania, ukĹ‚ad, przed osiÄ…gniÄ™ciem temperatury rozpĹ‚ywu, moĹźna jeszcze podlać topnikiem. Faza cooling, to ostatnia faza majÄ…ca na celu rĂłwnomierne i powolne chĹ‚odzenie pĹ‚yty po zakoĹ„czonym procesie wylutu/ wlutu. WĂłwczas zostajÄ… wyĹ‚Ä…czone dolne i gĂłrne grzaĹ‚ki stacji, a stacja zostaje przeĹ‚Ä…czona w tryb chĹ‚odzenia. Na przebiegu obserwuje siÄ™ natomiast spadek temperatury –ΔT (°C)[10].

L/ ' " |5 " } Profilem lutowniczym (nazywanym rĂłwnieĹź temperaturowym) jest nazywana charakterystyka wzrostu temperatury w stosunku do czasu wykonania procesu lutowania rozpĹ‚ywowego. Dzieli siÄ™ na na cztery fazy: nagrzewanie wstÄ™pne (ang. preheat), wygrzewanie (ang. soak), rozpĹ‚yw (ang. reflow) oraz chĹ‚odzenie (ang. cooling). IstotnÄ… rzeczÄ… jest dobranie odpowiedniego profilu do lutowanych elementĂłw w celu zapewnienia ich prawidĹ‚owego montaĹźu w procesach serwisowych. Podczas procesu lutowania serwisowego waĹźne jest dobranie optymalnej temperatury. Dla kaĹźdej z poszczegĂłlnych faz naleĹźy wziąć pod uwagÄ™, Ĺźe zbyt nagĹ‚y wzrost temperaturowy moĹźe prowadzić do odksztaĹ‚ceĹ„ PCB/ukĹ‚adu mikropÄ™knięć, czy uszkodzenia elementĂłw znajdujÄ…cych siÄ™ na pĹ‚ycie. Dlatego zalecane jest stopniowe oraz bardzo powolne nagrzewanie pĹ‚yty. Podczas dobierania profilu lutowniczego naleĹźy uwzglÄ™dnić takie czynniki jak: wytrzymaĹ‚ość temperaturowa ukĹ‚adu w obudowie BGA, temperaturÄ™ otoczenia, wielkość i grubość pĹ‚yty PCB, na ktĂłrej znajduje siÄ™ ukĹ‚ad (odprowadzanie ciepĹ‚a przez jej powierzchniÄ™), stop spoiwa lutowniczego [11–14]. Obecnie stosowane spoiwa lutownicze wraz z ich temperaturÄ… rozpĹ‚ywu przedstawiono w tabeli 1. PrzykĹ‚adowy przebieg profilu lutowniczego na stacji lutowniczej BGA przedstawiono na rysunku 2. Po przyjrzeniu siÄ™ charakterystyce moĹźna bez problemu rozróşnić poszczegĂłlne fazy lutowania z pominiÄ™ciem poczÄ…tku fazy nagrzewania wstÄ™pnego do temperatury 100 °C[6].

Q/ '

W eksperymencie uĹźyto stanowiska pomiarowego wyposaĹźonego w stacjÄ™ lutowniczÄ… do ukĹ‚adĂłw BGA Jovy Systems RE-7500. DobĂłr stacji wynikaĹ‚ z faktu, iĹź stacja zapewnia peĹ‚nÄ… kontrolÄ™ nad profilem w wyniku czego moĹźna byĹ‚o zbadać czas osiÄ…gania ustalonych dla profilu puĹ‚apĂłw temperaturowych. Specyfikacja stacji przedstawia siÄ™ nastÄ™pujÄ…co: − moc dolnej grzaĹ‚ki 600 W (moĹźliwe sterowanie mocÄ… w trzech trybach: Preheat 390 W, Reflow 450 W, Fast Reflow 540 W), − moc gĂłrnej grzaĹ‚ki 300 W (moĹźliwe sterowanie mocÄ… w dwĂłch trybach: Reflow 225 W, Fast Reflow 270 W), − komputer, z poziomu ktĂłrego odbywaĹ‚o siÄ™ sterowanie stacjÄ… oraz rejestrowano przebieg temperaturowy dla poszczegĂłlnych faz lutowania, − termometr BLOW TH103 rejestrujÄ…cy aktualnÄ… temperaturÄ™ otoczenia zgodny z normami opartymi na dyrektywie 2014/30/EU, o czym informuje producent urzÄ…dzenia.

Tabela 1. Przedstawienie obecnie spotykanych niektórych stopów lutowniczych wraz z ich temperaturą rozpływu [3] Table 1. Presentation of currently encountered soldering alloys together with their reflow temperature [3]

Stop lutowniczy

Temperatura rozpływu

SnAg3Cu05 (SAC)

217–221 ºC

SnAg2Cu08Sb05(CASTIN)

217–221 ºC

SnAg3,5

221 ÂşC

SnCu07

227 ÂşC

Sn63Pb37

183–190 ºC

Za materiaĹ‚ badawczy posĹ‚uĹźyĹ‚y dwie identyczne pĹ‚yty, wyposaĹźone w procesor X806416-005 (XENON) w obudowie FCBGA (ang. flip chip ball grid array), wykonany w technologii 65 nm oraz ukĹ‚ad graficzny o oznaczeniu X02056-010 w obudowie FCBGA wykonany w technologii 65 nm. Badanie polegaĹ‚o na przeĹ›ledzeniu przebiegĂłw w poszczegĂłlnych fazach profilu lutowniczego, w dwĂłch odmiennych temperaturach otoczenia. Demontowany byĹ‚ zamontowany fabrycznie ukĹ‚ad graficzny osadzony na pĹ‚ycie za pomocÄ… spoiwa bezoĹ‚owiowego. Proces przebiegaĹ‚ w dwĂłch temperaturach otoczenia: T1 = 13,4 °C oraz T2 = 28,3 °C. ZdjÄ™cie stanowiska pomia-

Rys. 2. Przebieg fabrycznie ustawionego profilu lutowniczego dla spoiwa bez domieszki ołowiu przedstawiony na stacji BGA Puhui T-890 Fig. 2. The course of the factory set soldering profile for lead-free binder shown at BGA Puhui T-890 station

82

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 4/ 20 20

Piotr Witkowski Tabela 2. Wyniki eksperymentu wraz z obliczeniami Table 2. Results of the experiment with calculations

Preheat/Soak

Soak/Reflow

Reflow/Cooling

Czas T1 (min)

~20 min

~21 min 15 s

~23 min 55 s

Czas T2o (min)

~13 min 40s

~15 min 30 s

~17 min 20 s

Temp. przejścia (°C)

150 °C

183 °C

217 °C

T1(min) – T1(s)

20 min = 1200 s

1 min 15 sek = 75 s

2 min 40 s =160 s

T2o (min) – T2o(s)

13 min 40 s = 820 s

1 min 50 sek = 110 s

1 min 50 s = 110 s

Δ (T1, T2) °C

150 °C

33 °C

34 °C

t1o – t2o

~6 min 20 s

~5 min 45 s

~6 min 35 s

T1oΔT(°C/s)

0,125 °C/s

0,44 °C/s

~0,212 °C/s

T2oΔT(°C/s)

~0,182 °C/s

0,3 °C/s

~0,309 °C/s

Rys. 3. Zdjęcie stanowiska pomiarowego Fig. 3. Photo of the measuring station

Rys. 4. Różnica między przebiegami dla dwóch pomiarów Fig. 4. The difference between the runs for two measurements

rowego zostało przedstawione na rysunku 3. Pomiar ze stacji z wyraźną różnicą temperatur przedstawia rysunek 4. Przebieg eksperymentu zobrazowano na wykresie (rys. 5).

W Tabeli 2 przedstawiono wyniki obliczeń, w których uwzględniono kolejno: czas przejścia między poszczególnymi fazami dla obu pomiarów [Czas T1 (min), Czas T2o (min)], temperatura przejścia z jednej fazy lutowania do następnej [Temp. przejścia (°C)], zamianę czasu z minut na sekundy [T1(min) = T1(s), T2o(min) = T2o(s)], wzrost temperatury między fazami [Δ (T1, T2) °C], różnica czasu między poszczególnymi pomiarami dla każdej z faz [t1o – t2o] oraz wzrost temperatury w °C/s [T1oΔT(°C/s), T2oΔT(°C/s)]. Po wykreśleniu przebiegów na podstawie zebranych wyników oraz analizie danych, widać wyraźną różnicę między czasem wykonania obydwu przebiegów, która wynosiła około 6 min. Można też zaobserwować szybszy wzrost temperatury w czasie, co przekłada się na czas uzyskania profilu.

5. Wnioski

Rys. 5. Przebieg eksperymentu Fig. 5. Experiment progres

Temperatura otoczenia ma istotny wpływ na wykonywalność profili temperaturowych na stacjach BGA. Eksperyment wykazał, że różnica w wykonaniu tego samego profilu wynosiła w przybliżeniu 6,5 minuty. Po obliczeniu wzrostu ΔT(°C/s) zauważono stosunkowo niski wzrost temperaturowy wynikający ze specyfikacji stacji lutowniczej. Podczas wykonywania obu cyklów nie zaobser-

83

) +

E -

- +

- >>> 7. Gain A.K., Zhang L., Nanoindentation Creep, Elastic Properties, and Shear Strength Correlated with the Structure of Sn-9Zn-0.5nano-Ag Alloy for Advanced Green Electronics, “Metalsâ€?, Vol. 10, No. 9, 2020, DOI: 10.3390/met10091137. 8. Schmid M., Bhogaraju S.K., Liu E., Elger G., Comparison of Nondestructive Testing Methods for Solder, Sinter, and Adhesive Interconnects in Power and Opto-Electronics, “Applied Sciencesâ€?, Vol. 10, No. 23, 2020, DOI: 10.3390/app10238516. 9. Rauter L., Zikulnig J., Sinani T., Zangl H., Faller L.-M., Evaluation of Standard Electrical Bonding Strategies for the Hybrid Integration of Inkjet-Printed, “Electronic Materialsâ€?, Vol. 1, No. 1, 2020, 2–16; DOI: 10.3390/electronicmat1010002. 10. Witkowski P., The Use of IR Soldering Stations in the Process of Disassembling in BGA Packaging, „Pomiary Automatyka Robotykaâ€?, R. 24, Nr 2, 2020, 59–62, DOI: 10.14313/PAR_236/59. 11. Terek P., Kukuruzović D., KovaÄ?ević L., Miletić A., Terek V., Ĺ korić B., Panjan P., ÄŒekada M., The Influence of CrAlN Coating Chemical Composition on Soldering Resistance in Contact with Al-Si-Cu Alloy, “Materials Proceedingsâ€?, Vol. 2, No. 28, 2020, DOI: 10.3390/CIWC2020-06837. 12. Liu M., Yang W., Ma Y., Tang C., Tang H., Zhan Y., The electrochemical corrosion behavior of Pb-free Sn-8.5Zn-XCr solders in 3.5 wt.% NaCl solution, “Materials Chemistry and Physicsâ€?, Vol. 168, 2015, 27–34, DOI: 10.1016/j.matchemphys.2015.10.003. 13. Atieh A.M., Abedalaziz T.J., AlHazaa A., Weser M., Al-Kouz W.G., Sari M.S., Alhoweml I., Soldering of Passive Components Using Sn Nanoparticle Reinforced Solder Paste: Influence on Microstructure and Joint Strength, “Nanomaterialsâ€?, Vol. 9, No. 10, 2019, DOI: 10.3390/nano9101478. 14. Bukat K., Hackiewicz H., Lutowanie bezoĹ‚owiowe, BTC, Warszawa 2007.

wowano wystąpienia zjawisk: delaminacji obudowy układu (ang. popcorning) czy odkształceń płyty PCB. Eksperyment pokazał iş technik wykonujący wymianę spoiwa lub całego układu w obudowie BGA powinien zadbać, aby temperatura w laboratorium, szczególnie w okresie zimowym, nie była zbyt niska. Co moşe przyczynić się do zbyt powolnej wymiany ciepła między chłodnym powietrzem a wygrzewaną płytą drukowaną.

# " 1. Chung S., Kwak J.B., Comparative Study on Reliability and AdvancedNumerical Analysis of BGA Subjected toProduct-Level Drop Impact Test for Portable, “Electronicsâ€?, Vol. 9, No. 9, 2020, DOI: 10.3390/electronics9091515. 2. Petrosyants K.O., Ryabov N.I., Quasi-3D Thermal Simulation of Integrated Circuit Systems in Packages, “Energiesâ€? Vol. 13, No. 12, 2020, DOI: 10.3390/en13123054. 3. Dziurdzia B., Ball Grid Array failure diagnosis, „Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowaniaâ€?, Vol. 52, Nr 3, 2011, 61–65. 4. Bissuel V., Joly F., Monier-Vinard E., Neveu A., Daniel O., Thermo-Fluidic Characterizations of Multi-Port Compact Thermal Model of Ball-Grid-Array Electronic Package, “Energiesâ€?, Vol. 13, No. 11, 2020, DOI: 10.3390/en13112968. 5. Li Y., Fu G., Wan B., Jiang M., Zhang W., Yan X., Failure Analysis of SAC305 Ball Grid Array Solder Joint at Extremely Cryogenic Temperature, “Applied Sciencesâ€?, Vol. 10, No. 6, 2020, DOI: 10.3390/app10061951. 6. Friedel K., BezoĹ‚owiowe technologie montaĹźu elementĂłw elektronicznych na pĹ‚ytkach obwodĂłw drukowanych, „Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowaniaâ€?, Vol. 46, Nr 9, 2005, 32–34.

< > X "FK " & 0 _ " " > = Z > H / < = " " 0 Abstract: The paper discusses the concept of soldering profile and its phases and examines the influence of ambient temperature on its workability. The author carried out an experiment on two identical PCBs at different room temperatures, observing the temperature waveforms for individual soldering phases. KeywordsJ 0 L$ " & _ $ $ Z " &$ L6H &

'

%" " ORCID: 0000-0002-2293-6462 H/ 8 " ; $ H F = > $ 0 J ` = > J/ " F == " ? === F ` ; 8 " ; F $ H = > $ 0 J ` & ? $ > F " $ / F " - " ? - G

84

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 4/ 20 20

Pomiary Automatyka Robotyka, ISSN 1427-9126, R. 24, Nr 4/2020, 85–91, DOI: 10.14313/PAR_238/85

A & ? Mariusz Pauluk H6R H " 6? FR $ # " H + / $ N !$ !F!)' # ?

Streszczenie: W pracy omówiono stosowane obecnie techniki wytwarzania systemów automatycznej regulacji. Rozpoczęto od przyblişenia stosowanych w inşynierii oprogramowania pojęć: kryzys oprogramowania, katastrofa oprogramowania oraz cykl şycia oprogramowania. To ostatnie zostało w kolejnych rozdziałach poszerzone o najbardziej popularne modele wytwarzania oprogramowania. Następnie przyblişono na bazie modelu V rolę weryfikacji i walidacji w cyklu şycia oprogramowania i sterownika oraz przedstawiono techniki testowe stosowane w walidacji sterownika. Są to testy typu: oprogramowanie w pętli, procesor w pętli oraz sterownik w pętli. Ostatni rozdział opisuje technikę projektowania systemów automatyki w oparciu o zaawansowane modele matematyczne Model Based Design. 5( J / " $ h & $ & $ G & $ N " M$ _ " $ N=X$ =X$ 0=X$ R=X

-/ < Ostatnia dekada, to kolejny okres intensywnego rozwoju mikroprocesorowych układów elektronicznych oraz narzędzi informatycznych. Doprowadziło to do zastosowania w praktyce znacznie bardziej zaawansowanych matematycznie algorytmów oraz do wytworzenia oprogramowania składającego się ogromnej liczby rozkazów (nawet rzędu dziesiątków milionów) i posiadającego niespotykaną wcześniej funkcjonalność. Ten rozwój wymusił takşe opracowanie nowych metodyk, koncentrujących się na jakości wytwarzanego oprogramowania. Praca ma charakter interdyscyplinarny. Šączy w sobie elementy z obszarów informatyki, automatyki i robotyki, a takşe elektroniki. Celem tego opracowania jest przyblişyć czytelnikom stosowane obecnie koncepcje realizacji projektów z punktu widzenia osób zajmujących się projektowaniem i budową autonomicznych sterowników. W informatyce, tego rodzaju rozwiązania klasyfikowane są jako systemy wbudowane (ang. Embedded Systems). Ogólnie pod tym pojęciem rozumie się urządzenie mikroprocesorowe wraz ze zintegrowanym oprogramowaniem, zaprojektowane do realizacji konkretnej funkcjonalności, na ogół wymagającej intensywnej interakcji z otoczeniem. Bardziej ogólną definicją posługuje się I. Sommerville [1, str. 21]:

3 J N 0 $ % & " 3 ( " !P !E (!(! $ " " ** *( (!(!

!

System wbudowany. Jest to system, w którym oprogramowanie steruje pewnym urządzeniem i jest umieszczone w tym urządzeniu. W pracy zostały przyblişone technologie i pojęcia opracowane i stosowane przez informatyków na potrzeby wytwarzania oprogramowania. Zaprezentowano takşe rozwiązania bazujące na powyşszych pomysłach, a zaadaptowane przez inşynierów do konstrukcji systemów wbudowanych. W pierwszym rozdziale przyblişono pojęcie kryzysu oprogramowania [1, 2] i podano parę przykładów, w których miały miejsce katastrofy oprogramowania, obrazujących skalę problemów, z jaką obecnie mierzą się twórcy oprogramowania. Jednym ze sposobów przeciwdziałania kryzysowi oprogramowania jest doprecyzowanie i utworzenie zbioru dobrych praktyk, a następnie zalecenie ich stosowania przez wprowadzenie uregulowań lub opublikowaniu ich w formie unormowań. Rozdział drugi prezentuje najbardziej popularne unormowania pomocne przy projektowaniu i budowie systemów wbudowanych. Innym sposobem przeciwdziałania temu zjawisku jest projektowanie i wytwarzanie oprogramowania w sposób zaplanowany i systematyczny. Popularne koncepcje modeli wytwarzania oprogramowania przyblişono pokrótce w rozdziale trzecim. Rozdział czwarty omawia Model V i powiązane z nim procesy weryfikacji i walidacji. Jest to jeden z bardziej znanych modeli wytwarzania oprogramowania.Wyszukiwarka Google zwraca ok. 6,5 mld wyników dla tego pojęcia. W rozdziale piątym zaprezentowano wybrane techniki testowania w tzw. pętli. Są to podejścia typu: model w pętli, procesor w pętli oraz sterownik w pętli. W literaturze anglojęzycznej odpowiednio spotyka się określenia: MIL – Model In the Loop, PIL – Procesor In the Loop oraz HIL – Hardware in the Loop. W rozdziale szóstym przyblişono proces wytwarzania systemów wbudowanych z wykorzystaniem modeli matematycznych do symulacji obiektu sterowanego i regulatora. Układ regulacji rozpoczyna się projektować w środowisku projektowo-symu-

85

Nowoczesne technologie projektowania systemów automatyki

M/ P

lacyjnym wyższego rzędu, w sposób graficzny. W literaturze anglojęzycznej dla takiego podejścia używa się określenia: MBD – Model Based Design. Całość zakończono podsumowaniem.

Istnieje wiele unormowań dotyczących zapewnienia bezpieczeństwa przy projektowaniu systemów sprzętowo-programowych wobszarze automatyki i robotyki. Przestrzeganie tych norm często jest konieczne, aby otrzymać wymagane w niektórych branżach i zastosowaniach certyfikaty dopuszczające produkt do użytku. Przytaczane poniżej normy zakreślają wymagany poziom bezpieczeństwa dla oprogramowania oraz współpracującego z nim sprzętu i stanowią punkt odniesienia dla jakości oferowanych przez przemysł produktów. Norma IEC 61508, do której bardzo często spotyka się w literaturze odwołania, np. [5, 7–15], precyzuje m.in. reguły postępowania przy konstrukcji i upowszechnianiu urządzeń elektrycznych, elektronicznych oraz programowalnych elektrycznie, chociaż została zredagowana jako ogólna norma, bez precyzowania branż, w których zaleca się ją stosować. Odpowiednikiem tej normy dla układów projektowanych na potrzeby przemysłu samochodowego jest norma: ISO 26262 [16]. Norma ISO 13482 [17] określa standardy bezpieczeństwa dla układów robotycznych, wytwarzanych w celu sprawowania bezpośredniej opieki nad człowiekiem. Z kolei norma ISO 10218 [7] została poprawiona w kontekście robotów przemysłowych i ich współpracy z człowiekiem, np. na liniach montażowych i podczas prac spawalniczych. Dalsze prace nad tą normą mają na celu doprecyzowanie innych czujników bezpieczeństwa, aby móc poszerzyć w sposób bezpieczny obszar współpracy człowieka i maszyny. W szczególności norma IEC 61496 [18] określa standardy bezpieczeństwa dla stosowania czujników obrazu typu 3D w celu wykrycia ludzkiego ciała, ewentualnie przeszkody. Jednocześnie powyższe normy zostawiają bardzo dużo swobody w doborze narzędzi, którymi można się posługiwać przy wytwarzaniu bezpiecznych systemów. Takie podejście czyni te unormowania elastycznymi i zapewnia ich niezmienność w dłuższej perspektywie czasu.Pozostawia to również twórcom narzędzi dużą niezależność w dobie szybko zmieniających się technologii i rozwiązań informatycznych. W dalszej części pojęcie system (często pojawiające się w normach) będzie stosowane zamiennie z pojęciami: układ regulacji, sterownik, system wbudowany lub układ: regulator-obiekt.

L/ 0 Pojęcie to sformułowano po raz pierwszy w 1968 r. na konferencji NATO na temat inżynierii oprogramowania [3]. Już wówczas F. David i A. Fraser zwracali uwagę, „…na pojawiający się rozdźwięk: między obietnicami składanymi użytkownikowi, a jakością finalnie dostarczanego oprogramowania między tym, co wydaje się być możliwe do osiągnięcia a tym, co jest w praktyce osiągalne, między przewidywanymi kosztami wytworzenia oprogramowania, a rzeczywistymi wydatkami…” Ponadto zauważali, że „…ten rozdźwięk wraz z upływem czasu powiększa się, a konsekwencje awarii oprogramowania we wszystkich jego aspektach są coraz poważniejsze. Szczególnie alarmująca jest wyraźnie widoczna i nie do uniknięcia zawodność dużej skali oprogramowania, ponieważ awaria zaawansowanego systemu sprzętowo-programowego może być sprawą życia i śmierci…” Ciekawe spostrzeżenia kilka lat później zamieścił w swojej pracy E.W. Dijkstra [4] pisząc o narastającym rozczarowaniu, czy wręcz frustracji związanej z gwałtownie rozwijanymi możliwościami sprzętu i nie nadążają za nimi funkcjonalnością oprogramowania. On również użył pojęcia kryzys oprogramowania.Współcześnie pojęcie to poszerza się ponadto o ogromne koszty utrzymania oprogramowania, kosztowny i długotrwały cykl wytworzenia oprogramowania, a także o brak odpowiednich narzędzi i języków do pełnego wykorzystania możliwości oferowanych przez sprzęt. Jako kryzys oprogramowania traktuje się także powszechne zjawisko wielokrotnego przesuwania terminów oddania oprogramowania w związku z wykrywaniem nowych błędów. Warto zwrócić uwagę, że pojęcie to sformułowano już pięćdziesiąt lat temu. Obecnie w użytkowaniu na masową skalę są m.in.: systemy wspomagające kierowanie pojazdami, autopiloty, systemy bezpieczeństwa, systemy podtrzymujące funkcje życiowe i nadzorujące stan zdrowia, urządzenia diagnostyczne, a także wszelkiego rodzaju aplikacje uruchamiane w urządzeniach przenośnych. Przewidywane ponad pół wieku temu „nieuniknione awarie dużego oprogramowania” niestety miały miejsce. Prawdopodobnie jednym z bardziej znanych i spektakularnych przykładów katastrofalnych konsekwencji błędu oprogramowania jest nieudany start rakiety ARIANE 5, zakończony samozniszczeniem w 40 sekundzie lotu na wysokości ok. 3700 m [5] . Ten wypadek zainicjował zintensyfikowanie wysiłków nad opracowaniem metod wytwarzania bezpiecznego w użytkowaniu oprogramowania. Mniej poważne w skutkach tego typu zdarzenia obserwujemy na co dzień, jak zawieszający się smartfon lub laptop. Jednakże łatwo sobie wyobrazić bardziej niebezpieczne sytuacje, jak np. zawieszenie się komputera odpowiedzialnego za wspomaganie układu kierowniczego w samochodzie, czy też systemów pokładowych w samolocie. O realnej możliwości wystąpienia takiego zdarzenia świadczy, nie tak odległy w czasie, wypadek samochodu Tesla ze skutkiem śmiertelnym, mający miejsce w maju 2016 r. [6]. Przyczyną wypadku był błąd funkcjonalny w oprogramowaniu autopilota samochodu. Skręcająca przed pojazdem ciężarówka z naczepą miała duży prześwit i nie została prawidłowo rozpoznana przez algorytm analizujący obraz z kamer. Samochód w pełnym pędzie wjechał w ciężarówkę.

86

P

O

M

I

A

R

Y

•

A

U

T

O

M

Q/ * v Z pojęciem tym wiążą się wszystkie etapy, jakie podejmuje się w celu wytworzenia oprogramowania oraz utrzymania go funkcjonalnym przez okres użytkowania. W literaturze cykl życia oprogramowania na ogół pojawia się zamiennie z modelem procesu wytwarzania oprogramowania. Istnieje wiele modeli procesu wytwarzania oprogramowania. Uznaje się, że praktycznie w każdym takim przedsięwzięciu powinny znaleźć się następujące elementy: – określenie funkcjonalności oprogramowania, – wytworzenie oprogramowania, – testy, – wdrożenie (konserwacja) oprogramowania. Jednym z najczęściej przytaczanych w literaturze modelem cyklu życia oprogramowania jest model kaskadowy (ang. waterfall model), którego początki sięgają lat siedemdziesiątych ubiegłego wieku (rys. 1). W modelu tym proces tworzenia oprogramowania podzielony jest na etapy, które twórcy kolejno przechodzą. Model kaskadowy nie jest jedynym, jaki rozważa się przy opisywaniu oprogramowaniu lub stosuje się w trakcie jego wytwarzania. Obecnie jest on już dość anachronicznym podejściem,

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

Mariusz Pauluk

Rys. 1. Model kaskadowy Fig. 1. The cascade model

gĹ‚Ăłwnie ze wzglÄ™du na hermetyczność poszczegĂłlnych etapĂłw i brak elastycznoĹ›ci w przechodzeniu miÄ™dzy wyszczegĂłlnionymi na rysunku etapami. Tym niemniej, bardzo trafnie ujmuje specyfikÄ™ procesu powstawania oprogramowania, a takĹźe jego uĹźytkowania. Wiele zaleĹźy od charakteru opracowywanego systemu. Nie istnieje uniwersalne podejĹ›cie. Prezentowane w nastÄ™pnych częściach artykuĹ‚u rozwiÄ…zania sÄ… rozwiniÄ™ciem tego podejĹ›cia. PoniĹźej pokrĂłtce wspomniano o innych wybranych i spotykanych w literaturze modelach. SÄ… to: − zmodyfikowany model kaskadowy – pozwalajÄ…cy na wiÄ™kszÄ… swobodÄ™ w przechodzeniu miÄ™dzy kolejnymi etapami, przewidujÄ…cy takĹźe moĹźliwość powrotu do wczeĹ›niejszych etapĂłw, − model spiralny – iteracyjnie przechodzi siÄ™ wielokrotnie wszystkie etapy przyjÄ™te w modelu (niekoniecznie takie same jak w modelu kaskadowym), dobrane adekwatnie do rozwiÄ…zywanego problemu, − model ewolucyjny – dopuszcza rozwĂłj specyfikacji w trakcie projektowania i tworzenia oprogramowania − podejĹ›cie oparte na modelowaniu formalnym – inaczej, operujÄ…ce na formalnym opisie matematycznym od samego poczÄ…tku, tj. od formuĹ‚owania specyfikacji. PrzejĹ›cia do kolejnych etapĂłw w tym podejĹ›ciu odbywajÄ… siÄ™ na podstawie przeksztaĹ‚cania rĂłwnaĹ„. WĹ‚aĹ›ciwoĹ›ci modelu dowodzi siÄ™ rĂłwnieĹź matematycznie. W tym modelu nie ma potrzeby testowania, zgodność ze specyfikacjÄ… moĹźna wykazać w formie dowodu matematycznego, podobnie jak brak bĹ‚Ä™dĂłw w oprogramowaniu, − projektowanie z wykorzystaniem modelu MBD (ang. Model Based Design) – omĂłwiono nieco szerzej w poniĹźszym akapicie i ostatnim rozdziale, zaliczane jest do wariantu metod formalnych. Metody formalne wydajÄ… siÄ™ być najtrudniejsze do zastosowania w praktyce, z racji m.in. trudnoĹ›ci w precyzyjnym opisie zjawisk fizycznych za pomocÄ… rĂłwnaĹ„, a takĹźe z koniecznoĹ›ci odwzorowania ich nastÄ™pnie w jÄ™zyku programowania. W ostatnich latach nastÄ…piĹ‚ znaczny rozwĂłj narzÄ™dzi pozwalajÄ…cych modelować zjawiska fizyczne [19], szczegĂłlnie w Ĺ›rodowisku graficznym. NastÄ…piĹ‚a istotna poprawa jakoĹ›ci narzÄ™dzi rozwiÄ…zujÄ…cych rĂłwnania matematyczne metodami numerycznymi [20–22], jak rĂłwnieĹź symbolicznymi [23, 24]. DuĹźy postÄ™p odbywa siÄ™ takĹźe w automatycznej generacji kodu [25, 26] na podstawie modeli utworzonych w Ĺ›rodowiskach graficznych wyĹźszego rzÄ™du.

S/ , Pojęcie Model V (ang. V-Model) nie ma ścisłej definicji. Jest jednym spośród wielu znanych w literaturze określeń cyklu şycia oprogramowania. Model V najczęściej kojarzony jest z usystema-

tyzowanym zbiorem procedur, ścieşką postępowania, która ma zapewnić otrzymanie wysoce niezawodnego produktu finalnego. W postępowaniu według Modelu V szczególny nacisk kładziony jest na prowadzenie testów w usystematyzowany sposób. Istnieją formalne dokumenty określające metodykę zgodną z Modelem V, jednakşe przyjęte w nich definicje i ich rozumienie są w dość szerokim zakresie płynne. Koncepcja ta narodziła się pośród twórców oprogramowania w Wielkiej Brytanii. Swoje własne odpowiedniki w tym zakresie rozwinęły Stany Zjednoczone oraz Niemcy. Pojęcie Model V często spotyka się tam, gdzie istotna jest duşa niezawodność produktu. W szczególności, formalnym dokumentem regulującym to pojęcie jest wspomniana juş norma IEC 61508 (rys. 2) traktująca o bezpieczeństwie funkcjonalnym projektowanych urządzeń elektrycznych, elektronicznych oraz ogólnie pojętych jako programowalnych E/E/PE (ang. Electrical/Electronic/Programmable Electronic Systems). Nie wszyscy jednakşe pod pojęciem Model V rozumieją ten właśnie sposób postępowania.

Rys. 2. Model-V według normy IEC 61508 Fig. 2. V-model according to IEC 61508 standard

Intensywny rozwój techniki mikroprocesorowej i narzędzi programistycznych doprowadził do pojawienia się w skali masowej sterowników wbudowanych. Koncepcja tworzenia oprogramowania w oparciu o Model V stała się atrakcyjna takşe dla dostawców kompleksowych rozwiązań mechatronicznych. Na rysunku 3 zaprezentowano koncepcję Modelu V zaadaptowaną na potrzeby rozwoju systemów wbudowanych. Podejście to jest popularne równieş wśród producentów rozwiązań dla przemysłu lotniczego, samochodowego oraz obronnego. Przyjęcie tej metodyki w złoşonych projektach znacząco skraca czas pomiędzy chwilą pojawienia się pomysłu (rozpoczęcia określania specyfikacji), a momentem przedłoşenia gotowego (tzn. „wolnego od błędów� i zgodnego ze specyfikacją) do masowej produkcji wytworu. Koncepcja Model V ma takşe szerokie grono krytyków, podnoszących uciąşliwość konieczności prowadzenia w sposób rygorystyczny dokumentacji. W przypadku mniej złoşonych projektów jest to istotnym utrudnieniem i czynnikiem znacząco spowalniającym tempo prac. Z pojęciem Model V wymiennie stosuje się inne sformułowanie: weryfikacja i walidacja V&V (ang. Verification and Validation) [12]. Weryfikacja to badanie zgodności opracowywanego

87

Nowoczesne technologie projektowania systemĂłw automatyki

Rys. 3. OgĂłlna koncepcja realizacji systemĂłw wbudowanych bazujÄ…ca na metodyce Model V Fig. 3. General concept of the implementation of embedded systems based on the Model V methodology

projektu ze specyfikacją. Podczas weryfikacji bada się takşe spójność specyfikacji i ewentualnie występujące w niej błędy. Walidacja to działania, procedury i metodyki mające na celu wykazać poprawność zrealizowania projektu i brak błędów związanych bezpośrednio z programowaniem i projektem układów mechatronicznych. Proces walidacji i weryfikacji realizuje się w sposób kołowy, np. po wykryciu błędu podczas walidacji z reguły powraca się na ten sam poziom do weryfikacji i ponownie przechodzi się przez kolejne etapy w modelu. Kaşdy wykryty błąd wymusza cofnięcie się o kilka kroków. Im na dalszym etapie błąd zostanie odkryty, tym większą ilość kroków naleşy się cofnąć w testowaniu.

cja odbywa się symulacyjnie, a rezultaty są na tyle wiarygodne, na ile dokładny jest zastosowany model (rys. 4). Technikę model w pętli stosuje się takşe w celu uzyskania tzw. dowodu poprawności koncepcji. Na tym poziomie projektowania nie uwzględnia się jeszcze szczegółowych rozwiązań, jak: typ procesora, wielkość pamięci czy rodzaj portu szeregowego.

T/L/ ' Testowanie typu procesor w pętli wymaga zaimplementowania algorytmu regulatora w tym samym rodzaju procesora, który ma być zastosowany w finalnym produkcie. Procesor nie musi być umiejscowiony w otoczeniu planowanym jako docelowe. Moşe to być np. płytka ewaluacyjna. Obiekt sterowany w dalszym ciągu jest symulowany w środowisku wyşszego poziomu (rys. 5).

T/ < " Stosuje się kilka sposobów weryfikowania i testowania opracowanych rozwiązań. Są one tak podzielone, aby stopniowo wykrywały niezgodności ze specyfikacją oraz w kolejnych etapach błędy w implementacji. Etapy te przechodzi się w sposób iteracyjny. Poruszanie się w iteracyjny sposób po Modelu V minimalizuje prawdopodobieństwo odkrycia znaczącego błędu w końcowych etapach. W literaturze, opisane powyşej postępowanie moşna spotkać pod określeniem testowanie w pętli MIL/SIL/PIL/HIL (rys. 3). Dalej przedstawiono wybrane techniki testowania.

Rys. 5. Testowanie typu procesor w pętli –PIL Fig. 5. Processor-in-the-loop testing – PIL

PoniewaĹź w ukĹ‚adzie testowania typu procesor w pÄ™tli kod uruchamia siÄ™ w tym samym procesorze, ktĂłry planowany jest w rozwiÄ…zaniu koĹ„cowym, procedury testowe moĹźna wiÄ™c poszerzyć o: − testowanie zaleĹźnoĹ›ci czasowych, − testowanie przerwaĹ„, − testowanie prawidĹ‚owoĹ›ci wykorzystania zasobĂłw procesora, − testowanie wydajnoĹ›ci mocy obliczeniowej procesora, − testowanie skali procesora, czyli szerokoĹ›ci magistral danych, ukĹ‚adu ALU, sprzÄ™towego ukĹ‚adu mnoşącego itp.

T/-/ Ten rodzaj testowania stosuje się na etapie opracowywania architektury systemu. Matematyczne modele regulatora i obiektu sterowanego opracowuje się w środowisku wyşszego rzędu, np. SCADE Suit, MATLAB/Simulink, LabVIEW [20–22].Weryfika-

Testowanie procesor w pętli przeprowadza się na etapie testowania spójności podsystemów (rys. 3). Nie testuje się prawidłowości zachowania jednostki sterującej podczas współpracy z układami peryferyjnymi, np. łączami szeregowymi typu: RS-232/485 czy Ethernet.

Rys. 4. Model systemu w pętli testującej – MIL Fig. 4. Model-in-the-loop testing – MIL

88

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 4/ 20 20

Mariusz Pauluk

T/M/ 5 Jest to ostatni etap walidacji projektu przed finalnym testem.W układzie regulacji umieszczony jest kompletny sterownik w wersji finalnej wraz z zaprojektowanymi peryferiami, tj. portami transmisji szeregowej, czujnikami oraz układami mocy. Testowaniu poddawany jest sterownik w takiej formie, w jakiej ma sterować rzeczywistym obiektem. Obiekt sterowania w dalszym ciągu jest symulowany (rys. 6).

Rys. 6. Sterownik w pętli –HIL Fig. 6. Hardware-in-the-loop – HIL

Testy typu sterownik w pętli umoşliwiają walidację regulatora w pełnym zakresie jego funkcjonalności z uwzględnieniem takşe zastosowanych peryferii. Testy ułatwiają weryfikację zgodności zachowania sterownika z warunkami podanymi w specyfikacji z uwzględnieniem takşe wszelkich interakcji czasowych.

T/Q/ 2 Przedstawione techniki (MIL, PIL i HIL) wymagają dobrze przygotowanego modelu matematycznego całego środowiska, w którym planuje się umieścić sterownik. Jest to podstawowy warunek, aby przeprowadzić proces weryfikacji i walidacji w sposób wiarygodny. Pod pojęciem dobrze przygotowany rozumie się nie tylko własność dokładnego symulowania dynamiki obiektu, ale takşe moşliwość podpięcia regulatora do sterowanego obiektu za pomocą zaprojektowanych linii wejściowych czujników, magistral komunikacyjnych, elementów wykonawczych i wzmacniaczy mocy. Spełnienie tego warunku nie zawsze jest łatwe. W zastosowaniach przemysłowych klasyczny komputer PC wyposaşony w standardowe karty wejścia/wyjścia na ogół nie wystarcza. Dalej zamieszczono przykładowe zdjęcie przemysłowych symulatorów dedykowanych do testów typu HIL (rys. 7).

Rys. 7. Przykładowe symulatory do zastosowań typu sterownik w pętli [15] Fig. 7. Exemplary simulators for hardware-in-the-loop applications [15]

Przemysłowe symulatory wyposaşone są w specjalistyczne linie I/O, które potrafią symulować sygnały z enkoderów, magistrale: CAN, FlexRay lub RS-485, sygnały z czujników typu: kamera, radar lub lidar, a takşe odpowiednio reagować na podłączone do nich sygnały sterujące.

\/ ' Obserwowany gwaĹ‚towny rozwĂłj technologiczny spowodowany jest w duĹźej mierze pojawieniem siÄ™ zaawansowanych narzÄ™dzi do modelowania zjawisk fizycznych i ogĂłlnie pojÄ™tego otoczenia, z ktĂłrym współpracujÄ… systemy wbudowane [19–22, 27]. PowstaĹ‚y biblioteki z kompletnymi modelami: − procesĂłw fizycznych i chemicznych – przepĹ‚yw ciepĹ‚a lub cieczy, rozkĹ‚ad napręşeĹ„ w materiaĹ‚ach, fermentacja, destylacja itp., − urzÄ…dzeĹ„ mechanicznych i elektroenergetycznych, − otoczenia – ruch drogowy z uwzglÄ™dnieniem sygnalizacji Ĺ›wietlnej, przemieszczajÄ…cych siÄ™ pojazdĂłw i pieszych, ruch morski, portowy, ruch powietrzny, − systemĂłw – ukĹ‚ady wspomagania autonomiczne przemieszczanie siÄ™ pojazdĂłw, czujniki radarowe, laserowe, kamery, autopiloty, − sieci neuronowych. Obecnie nie jest konieczna rozlegĹ‚a wiedza matematyczna, aby przygotować zaawansowany matematycznie model Ĺ›rodowiska pracy sterownika. Najczęściej w tym celu wystarczy umiejÄ™tność obsĹ‚ugi jednego z dostÄ™pnych Ĺ›rodowisk projektowo-symulacyjnych oraz znajomość zawartoĹ›ci dostarczonych wraz z tym Ĺ›rodowiskiem bibliotek. Ĺ atwość, z jakÄ… moĹźna wykorzystać zgromadzonÄ… w udostÄ™pnianych modelach wiedzÄ™ spowodowaĹ‚ powstanie nowej metodyki projektowania systemĂłw wbudowanych. Jest to projektowanie okreĹ›lane jako: na bazie modelu matematycznego (ang. Model Based Design). Jest ono takĹźe intensywnie promowanym podejĹ›ciem projektowym przez twĂłrcĂłw od narzÄ™dzi do modelowania [21, 24, 28]. Podstawowa róşnica miÄ™dzy podejĹ›ciem MBD, a klasycznym, polega na prowadzaniu wiÄ™kszoĹ›ci testĂłw, ocen i poprawek w Ĺ›rodowisku wirtualnym, tj. symulujÄ…cym warunki panujÄ…ce w rzeczywistoĹ›ci. NajwiÄ™kszÄ… zaletÄ… tego podejĹ›cia jest moĹźliwość szybkiego przygotowania i przeprowadzenia testĂłw. W praktyce, nierzadko przygotowanie pojedynczego testu zajmuje kilka dni lub dĹ‚uĹźej. W Ĺ›rodowisku wirtualnym przygotowanie analogicznego testu moĹźe trwać kilkanaĹ›cie minut. W metodyce opartej na MBD moĹźna wskazać kilka charakterystycznych faz: − modelowanie docelowego Ĺ›rodowiska pracy regulatora lub sterownika wbudowanego, − opracowanie wirtualnego sterownika, − przeprowadzenie symulacji pracy wirtualnego ukĹ‚adu sterowania1, − wdroĹźenie regulatora w wirtualnym Ĺ›rodowisku, − finalne testy w Ĺ›rodowisku rzeczywistym. Koszty testĂłw wirtualnych sÄ… rĂłwnieĹź nieporĂłwnywalnie mniejsze, zwĹ‚aszcza jeĹ›li podczas eksperymentĂłw moĹźe dojść do uszkodzenia mechanicznego. Przeprowadzenie symulacji prowadzÄ…cej do zniszczeĹ„ w Ĺ›rodowisku lub sterowniku nie zatrzymuje dalszych testĂłw. Symulacje z tymi samymi wirtualnymi obiektami moĹźna dalej kontynuować. W tych cechach podejĹ›cia typu MBD przejawia siÄ™ ogromna przewaga. Trudno sobie wyobrazić, aby moĹźna byĹ‚o prowadzić dziesiÄ…tki testĂłw, ktĂłre prowadzÄ… do uszkodzenia obiektĂłw sterowanych. CzÄ™sto sÄ… to bardzo drogie urzÄ…dzenia, np. samoloty lub instalacje rafineryjne. MBD umoĹźliwia sprawdzenie projektu rĂłwnieĹź w warunkach prowadzÄ…cych do katastrofy. *

k " " " & HL " " " $ " $ " ? $ " $ ?

89

Nowoczesne technologie projektowania systemów automatyki Podobny sposób postępowania przy tworzeniu oprogramowania narzucają normy przemysłowe ISO 26262 oraz DO-178C.

9. Kirner R., Testen von Embedded, Hardware in the Loop (HIL) Testing. wrzesieĹ„ 2008 r., UdostÄ™pniono: 1.10.2006 r. [Online]. http://ti.tuwien.ac.at/cps/teaching/courses/testing_emb_sys-ws07/Documents/slides/tes6_hil_testing. pdf. 10. Hanaii R. i in., Proposal of architecture and implementation process for IEC61508 compliant, dependable robot systems, 2012 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO), Guangzhou, China, grudzieĹ„ 2012 r., 1218–1223, DOI: 10.1109/ROBIO.2012.6491136. 11. International Electrotechnical Commission, IEC 615083:2010 Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems – Part 3: Software requirements. 2010. 12. Erkkineni T., Conrad M., Verification, Validation, and Test with Model-Based Design, paĹşdziernik 2008 r., DOI: 10.4271/2008-01-2709. 13. Babbage Charles named blog by N.V., „Tech. View: Cars and software bugsâ€?, The Economist, 16.05.2010 r. 14. dSPACE. [www.dspace.com/en/pub/start.cfm] (udostÄ™pniono 6.07.2020 r.). 15. dSPACE press images for downloading. [www.dspace.com/ en/ltd/home/news/dspace_pressroom/visuals.cfm] (udostÄ™pniono 1.06.2016 r.). 16. „ISO 26262-1:2011(en), Road vehicles — Functional safety — Part 1: Vocabularyâ€?. https://www.iso.org/ obp/ui/#iso:std:iso:26262:-1:ed-1:v1:en (udostÄ™pniono 6.07.2020 r.). 17. Technical Committee : ISO/TC 299 Robotics, ISO 13482:2014 Robots and robotic devices — Safety requirements for personal care robots. 2014. 18. IEC 61496-1:2012 Safety of machinery – Electro-sensitive protective equipment – Part 1: General requirements and tests. 19. COMSOL: Multiphysics Software for Optimizing Designs, COMSOL. [www.comsol.com] (udostÄ™pniono 21.10.2020 r.). 20. MathWorks– Makers of MATLAB and Simulink. [www. mathworks.com]. 21. SCADE Suite: Integrated Model-Based Design & Development Environment | Ansys. [www.ansys.com/products/ embedded-software/ansys-scade-suite] (udostÄ™pniono 8.07.2020 r.). 22. What is LabVIEW? – National Instruments. [www.ni.com/ pl-pl/shop/labview.html]. 23. Baranowski J., Garbarz-Glos B., Noga H., Pauluk D., Pauluk M., Platforma Maple T.A. – zastosowanie w edukacji matematycznej, „Edukacja Ustawiczna DorosĹ‚ychâ€?, T. 1, Nr 92, 2016, 132–140. 24. Model-Based Design of Large-Scale Mining Equipment using MapleSim and Maple – Maplesoft. [www.maplesoft. com/company/casestudies/Stories/Model-BasedDesign. aspx]. 25. Embedded Coder. [www.mathworks.com/products/embedded-coder.html]. 26. TargetLink – dSPACE. [www.dspace.com/en/pub/home/ products/sw/pcgs/targetlink.cfm]. 27. Dymola – Dassault Systèmes. [www.3ds.com/products-services/catia/products/dymola]. 28. Simulink – Simulation and Model-Based Design. [www. mathworks.com/products/simulink.html].

_/ ' Analizując korzyści oraz niedoskonałości przedstawionych technik weryfikacji i walidacji, w pierwszej chwili moşna odnieść wraşenie, şe jest to przysłowiowe „dzielenie włosa na czworo� i moşna by z powodzeniem pominąć testy: model w pętli i oprogramowanie w pętli, a poprzestać na procesor w pętli i sterownik w pętli i równie dobrze na poziomie tych ostatnich wykrywać błędy. W przypadku mniejszych projektów takie podejście jest racjonalne. Naleşy jednak podkreślić, şe błędy niewykryte na wcześniejszym etapie mogą w kolejnych fazach projektu generować dodatkowe „swoje� błędy. Pomijając techniki model i oprogramowanie w pętli twórca systemu wbudowanego moşe stanąć przed koniecznością „rozprawienia się� ze znacznie większą ilością błędów, niş wynikałoby to z prostej sumy niewykrytych błędów z poszczególnych etapów. Pominięcie wspomnianych etapów testowania zwiększa równieş prawdopodobieństwo przedostania się większej ilości błędów do końcowego etapu testów, czyli podczas testowania systemu w naturalnym środowisku pracy, lub w jeszcze gorszym scenariuszu, część z nich zostanie wykryta dopiero na etapie uşytkowania przez nabywców. Do tego ostatniego szczególnie nie naleşy dopuszczać, gdyş jest to poziom, na którym usuwanie i wykrywanie błędów jest najdroşsze i najbardziej równieş destrukcyjne dla wizerunku producenta. Warto zwrócić uwagę, şe wdroşenie nowoczesnych narzędzi do modelowania zjawisk fizycznych odwróciło nieco trend niewykorzystywania przez oprogramowanie moşliwości sprzętu. Obecnie ma się wraşenie, şe sytuacja jest odwrotna. Istnieje wiele problemów, dla których znane są algorytmy prowadzące do ich rozwiązania, ale moc obliczeniowa sprzętu jest zbyt mała, aby otrzymać rozwiązanie w satysfakcjonującym czasie.

# " 1. Sommerville I., Inşynieria Oprogramowania, X. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 2020. 2. Sacha K., Inşynieria oprogramowania. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2014. 3. Nauri P., Randell B. (red.), Software Engineering: Report on a conference sponsored by the NATO SCIENCE COMMITTEE, Garmisch, Germany, październik 1969 r. [Online]. http://homepages.cs.ncl.ac.uk/brian.randell/ NATO/nato1968.PDF. 4. Dijkstra E.W., The humble programmer, Commun. ACM, t. 15, Nr 10, 1972, 859–866, DOI: 10.1145/355604.361591. 5. Lions J.-L., Ariane 5, Flight 501 Failure Report by the Inquiry Board, The Inquiry Board set up by Director General of ESA and the Chairman of CNES, Paris 1996. Udostępniono: 4.07.2020 r. [Online]. https://esamultimedia.esa. int/docs/esa-x-1819eng.pdf. 6. Zhang B., Pierwszy śmiertelny wypadek Tesli jadącej z włączonym autopilotem, Business Insider, 1.07 2016 r. //businessinsider.com.pl/technologie/nowe-technologie/ tesla-z-autopilotem-pierwszy-smiertelny-wypadek/jhcjz8m (udostępniono 2020.07.04.) 7. Technical Committee : ISO/TC 299 Robotics, ISO 102181:2011 Robots and robotic devices – Safety requirements for industrial robots – Part 1: Robots. 2011. 8. Technical Committee : ISO/TC 210, IEC 62304:2006 Medical device software – Software life cycle processes, 2006.

90

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 4/ 20 20

Mariusz Pauluk

N " < & > @ & & H Abstract: The paper presents the currently used techniques for the development of the automation control systems. It begins with the introduction of the concepts used in software engineering: software crisis, software disaster, and software life cycle. The subsequent chapters extend the latter by including the most popular software development models. Then, based on the V model, the role of verification and validation in the software and controller life cycle is presented, and the test techniques used in the controller validation are given. These test types include: software in the loop, processor in the loop, and controller in the loop. The last chapter describes the technique of designing automation systems based on the advanced mathematical models Model-Based Design. KeywordsJ / "" " $ g > q $ q $ q > $ MFN " $ _ " " $ N=X$ =X$ 0=X$ R=X " F F F &

' %

% & " ORCID: 0000-0002-3829-3561 H/ H " 6? FR F # " F . " " / (!!* F 8 " ; $ H $ = > ; 0 F " # " H + / H6R 8 / " F " G & ? - $ &? & " " $ > & & ? ? &

91

NR 3/2015

92

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 4/ 20 20

) + O + "

MFFG XTQW'gXQV "> QT G TCQJQJ

Informacje dla Autorรณw - B -

+ - + - G

F - ( ?

- Qg + !

QJXj > #

-

+ - A B - ? + K

- !_ -

- - A

&

A + - +

- + A- - +

- - + !_ !

- + - # A

E !_ !_

- -

+ &

!

-

- - + - !

] E ^>

#

- A ?

-

+ A - A

-

A + - E - +

+ - + _ + !

# - ? + - - >

Wskazรณwki dla Autorรณw ( O - -

! - - ' A- - + Pomiary Automatyka Robotyka -- - K - !_

+ - . B ]- !_

UJ - # ^ ! +

- + B + -

O CO #

'+ E ! ] - ! -

- ^ B - ]

!

XHJBQJJ # ^ ! +

- + B ]HBU A ^ !

+

!

- + - + B - K B !

+ ] !> - +^ B - + !

+

! - + B !

! - + B ! C E C ! !

-

+ > > >! > c

+ -> jJJ + ->

XJJJ

-

- - + !_ E >

O - - + K

! K # -_

- !+- ! J V -

- - - K

!

X -

]TJ JJJ - #

! + jJJJ +Q !

# ^

!

> U - ? -

> ( #

!_ A

! K -

! - > Nie drukujemy komunikatรณw!

+ _ K _ -

- E - A O #

] ! ^

!

HJJBWHJ - #

A - E > " !

- - # # ! !

- !

+ -

+ - - A>

) !_ !_

& _ K >

5 '3 ( ( g 2 g ) ( ] >

O - _ _

- K K >

O + # - - A

! _

-

- >

# -

K ! - !

! ! + _ - K

- O - +

+ _ K

- -

+ - - +

- ย # >

2 3 ) ) 5

# - ! ! >

#!- ! - ! > ) !_

- ! - ? -_K

+ - !_ - A -

B - O # A E !

- E - >

- ! A

- A " - - #

! + - -

! + + > (

? - A +# +

- " !_>

Kwartalnik naukowotechniczny Pomiary Automatyka Robotyka jest indeksowany w bazach BAZTECH, Google Scholar oraz INDEX COPERNICUS O= M (!*'` IU$()Q$ G w bazie naukowych / G H+=HA<H 0 - - " realizacji idei Otwartej Nauki, " / / naukowo-technicznym Pomiary Automatyka Robotyka. 0 NA 8 / naukowe w kwartalniku Pomiary Automatyka Robotyka wynosi obecnie (! O naukowych i recenzowanych ? > " " " * (!*' $ (I'!(Q 0 " naukowe โ automatyka, elektrotechnika i elektronika.

gj

MGl " O $D `O OZ* "Â&#x;(

2 2 " " ! - - ' A- -

Pomiary Automatyka Robotyka

? !_ - G

F - ( ?

- _ _

+ - - -

- O # +

O CO # #

- ! +

-

- !_ . 1. " v wymieniowego Autora B

+ ! - #

> a A A b !>

-

O #

! -

# # A

- !

- +

# -

+ + ! > 2. " ) g ) ( ( jej powstanie B + ! . B - ?

+ !_

-

- -

!

#

!

# + C !_

+

- ! B - ? - !

a A - b ->

- ! ! # !

- _ - -

- -

+ - - !

# -

- + - -

! !

- A - +

-

# - - -

- ! ž

gT

P

O

M

I

A

" ! - + - ! - !

+

-

_ - - + - -

-_ A- _ + ?

- -_

+

A- -

- +

- + !- + >

3. " ‚ ) ( ] g ) B

E- - - !

- ! - '

- -- +

+ - ! - - + !

Â? # # - ?- A >

aE- - b B !

- + !

!- -

! ! +

+ - + - & !

- + ! -

E- - - &>

4 )( ) + - +

! + # - ? +

- + !_

- A - A

! - - !

- -

A ! - ?

- A ! A - A

B +

+

+ ?

- K - K

- > +

- - C - A A

_? - A>

P ( przeniesienie praw )

**%#ƒ A _ !

! - ! - -

+ !_ A A -

> Z+ ! -

- +

- ! > ( - - A

- !

- +

_ - >

Redakcja kwartalnika Pomiary Automatyka Robotyka %

4 ) - # - A - - ' A- - +

) + O + " +

- - A #

-_ - +

- + M - >.

" # $ N 6 & $ + -" . & / & " $ = A *U(IF'*(P$ + (U$ A UB(!(!$ )V'$ @J=` *! *U * B0H+“( EB)

R

Y

•

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

•

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

czasopisma

pomiary

sprawdzian

miara

POLSPAR

eksperyment

automatyka PIAP

seminarium

kalendarium

szkolenie

kwartalnik

federacja

nauka

publikacje

automatyka

stowarzyszenie

HORIZON 2020 _? innowacje organizacja projekt konkurs

konferencje

relacja

POLSPAR

POLSA

publikacje

AutoCAD streszczenie

agencja kosmiczna

dr h.c.

innowacje

IFAC

ZPSA

Â?

profesura

recenzje

relacja

szkolenie

doktorat

robotyka seminarium

sterowanie

-

esa

szkolenie

czasopisma

pomiary

sprawdzian

miara

POLSPAR

eksperyment

automatyka PIAP

seminarium

kalendarium

szkolenie

kwartalnik

federacja

nauka

publikacje

automatyka

stowarzyszenie

HORIZON 2020 _? innowacje organizacja projekt konkurs

konferencje

relacja

POLSPAR

POLSA

publikacje

AutoCAD streszczenie

agencja kosmiczna

dr h.c.

innowacje

IFAC

ZPSA

Â?

profesura

recenzje

relacja

szkolenie

doktorat

robotyka seminarium

sterowanie

-

esa

szkolenie

) `D OGD FM % M

Wieloagentowe systemy decyzyjne >?@B ' . / *

Wieloagentowe systemy decyzyjne C 1 *' 2 ' " '

) - - ! ! K

! - + - + _ ! + tyki systemów wieloagentowych – to tylko 264 strony. Autor rozpoczyna opis agentów

A - !_ ! - #! A- + - > $

+

& + !

-

+ - -

E- - - > * - -

wprowadzenie do opisu metod konstrukcji +# - A # - -

?_ A> ( K - + - # E- ! ! + _ A ! -- - K +. - + - K _? -

_ -

-

> - + - K - -

+ - -- + - + > F _

- K - ! + - ! > O

K #! # - # + - - ! ! K

! # + - ! - #

! # # + - !- A

# - ! + - + >

K _? - ! + todom projektowania systemów agentowych. - - !_ - E ! -

0 0 $ Wieloagentowe systemy decyzyjne$ J_ 8 " 0 8 $ (!*'$ = LA 'IEFE FIE*UF' F!$ (PU

+# # - -

- A ! -

+ > !_

-

# - - -

-? -

+ - > _ # -

! - + ! A &

- ! + - !_ gólne agenty. Projekty systemów obiekto A ! ? - _ + _ ! Z `> F + - -

! -

-

- ! > F _ _ - A -

- -- #

A A # + !_ K + -towe. $ - # - ! ! - - + + + _ - + - +

! + - +> F ?_

-

-

# -

- - A - # ! A

+# - A> A + _

! - + K

! +

+ - K -- + - + > _?

!

- + > ( # - + !- - + cyjne systemy wieloagentowe. ) - ? O ! ! _

+ - ! - K _?

- ! - + - #

- +# + -

! - - - _ +

&

!- A> ) +

!_ A - #

_ nia konkretnych problemów optymalizacyj- A> _ - - - !

# + !- A #?- A #

A + - + - + -

- # ! - ? #

_ _ - - # A + # >

O -

+ ! - ! ? - K !_

+# - ! !- A> " ?

#?- - ! !- ?

!

+ A - +# -kowych. _? - - ! - #

- + - - A #rych zasadniczym elementem jest projek - ? - A +# !_ A

+ - !

- A --

> ? K

-

+ + + !_ +

systematycznego wprowadzenia w dzie - ! - + -

- > ( # -

' " H/ 8 " ; < = > 0 8 J" (!!) " $ " (!!' $ " (!*! " L " . J ? -" = H = > 0 8

V / & $ & $ & " $ / " & " $ &? & " & " / ? > - " $ / " 8 ? $ & > $ & $ & $ $ $ " $ > $ " - ? - / H ? " '! / 8 " (! ? " $ " " $ 8 ? $ ? ? 0 " " " " " " " O(!*UV(!(!Q O " (!(! Q & " > 8 ? " & "- " & & / / " & # ? " - " " & ? " " ? H OK " Q$ 0 " 0 O0 & Q 0 $ OA T $ HQ 0 " " " 0 / " " " - " 8 ?G " " - & "- + 08 = -& " " $ - & "- + 08 == -& & N " # ;" A "

oprogramowania symulacyjnego i interfej # ? - + > ( !

A -_ A - K

- # # K -

# ! ! _ -

K>

0 > .

97

1951–2020

) + O + "

MFFG XTQW'gXQV "> QT G TCQJQJ

Profesor Tadeusz Sarnowski ! "/)

/ - -E$ @F >?>? ' GB " ) ) ) $ '

'

* F - Xg -

XgHX > ( +> @

-- - > ( XgWW > & ) A- ) - & !

( @ - !_

+ -? - > $ ? - +

# + A - O +

D - + - ! ) - - -

D - + + # &

XgUJ > @ ? - + - + - ?

- ! - ! ?

_ -

O + ) + ! O) FO - +

D ! - ? ! XggV > ( XggU >

& - A- - A

- !

1 (

- - ! " _ ( M-? -

) ! ) A- ( !> F !

- - _ - -

NAUKA

!_ _ - - - +

D ! ` - ! QJJJ >

% * F -

_ - $

-- + + +

+ ( +

A O + ) + !

O) FO !-

!

A- ]XgWQBXgWg^

- ) - ) * A- -

]XgWgBXgUH^ - ) -

) ! ]XgUHBXgUW^ # - ! >

# ]XgUWBXggX^ -

" # ) + A ]XggXBXggj^

!

" #

) + A ]XggjBXggg^> QJJJ >

+ O)'" F > >

> > l - !

-

- XH QJQJ >

$

- +

+ - iM 'Xg>

F ! - -

- !- !_ !

-

NAUKA

4. Realizacja praktyczna i wdroĹźenie

Nowe konstrukcje i metody projektowania zewnętrznych osi do lokomocji robotów przemysłowych Paweł Cegielski*, Dariusz Golański*, Andrzej Kolasa*, Tadeusz Sarnowski** *Zakład Inşynierii Spajania, Politechnika Warszawska **ZAP-Robotyka Sp. z o.o., Ostrów Wielkopolski

Streszczenie: Robotyzacja wielu zadań produkcyjnych moşe wymagać zwiększenia zasięgu ramienia robota ponad jego standardowe rozmiary. W tym celu mogą być zastosowane dodatkowe maszyny lokomocyjne, tzw. zewnętrzne osie robota, w tym wszelkiego rodzaju tory jezdne. Wysokie parametry uşytkowe tego typu maszyn zagwarantować mogą nowoczesne metody projektowania i analizy konstrukcji juş na etapie wstępnego modelowania. ZAP-Robotyka, wspólnie z Zakładem Inşynierii Spajania Politechniki Warszawskiej od szeregu lat prowadzi prace badawczo-rozwojowe i wdroşeniowe w dziedzinie urządzeń do automatyzacji i robotyzacji. W artykule przedstawiono efekty ostatnich prac związanych z modelowaniem i budową zewnętrznych osi robotów przemysłowych. Słowa kluczowe: robot przemysłowy, tor jezdny, MES

1. Wprowadzenie Uwarunkowania współczesnego rynku wymuszają częstą modernizację i zmiany wyrobów produkowanych przy szerokim wykorzystaniu elastycznych środków wytwórczych, w tym robotów przemysłowych. Wysoka elastyczność robotów musi iść w parze z odpowiednią konfiguracją i wyposaşeniem stanowisk produkcyjnych. W stosunku do tzw. zewnętrznych osi robotów, definiowanych jako odrębne maszyny manipulacyjne współdziałające z robotem, w tym sterowane z poziomu tego samego programu uşytkowego, a nawet kontrolera (takich jak pozycjonery czy tory jezdne) konieczna moşe okazać się ich kaşdorazowa wymiana lub stosowanie droşszych, ale bardziej wszechstronnych urządzeń, np. o większej nośności i większej liczbie stopni swobody. Aby sprostać nowym wyzwaniom, projektowanie i eksploatacja nowych urządzeń wymaga innowacyjnego zastosowania tradycyjnej wiedzy z zakresu technologii, konstrukcji maszyn i urządzeń, elektroniki, automatyki czy programowania. Tory jezdne pozwalają na przemieszczanie się zamocowanych na nich robotów przemysłowych, umoşliwiając realizację zadań obejmujących obszary nawet znacznie wykraczające poza przestrzeń roboczą samego robota [2, 3].

90

+ # A F #

* A- - A G X ( + A XgWWBQJJJ> @ - +

( + !

( + F - ! O + G ]FOG^

L A QJJHBQJJg> ) -

- ! - ( + !

( + F - ! O + G L A

QJJgBQJQJ - - - -

> @ - _ + +

- !-

- - ! G A

7

B - - - !

A QJJjBQJXg

- + F + ) +

_ - @ & + f -_ ) > ) - ? - ! ) - _

" ) + !

Z- MMM !_

) - + G + ( + !

( + FOG

L

- + " G !

GĹ‚Ăłwne parametry torĂłw to: rodzaj i liczba osi (przewaĹźajÄ… konstrukcje jednoosiowe – liniowe), zasiÄ™g, noĹ›ność i powtarzalność pozycjonowania, a takĹźe rodzaj zastosowanego napÄ™du i sterowania. Przy powtarzalnoĹ›ci pozycjonowania nie gorszej niĹź robotĂłw przemysĹ‚owych i znacznej noĹ›noĹ›ci (powyĹźej 200 kg) osiÄ…gajÄ… wysokie prÄ™dkoĹ›ci i zakresy ruchu. W grupie prostych, jednoosiowych torĂłw jezdnych, szczegĂłlnÄ… rolÄ™ odgrywajÄ… jednostki podwieszane, przeznaczone do przemieszczania robotĂłw pracujÄ…cych w pozycji bocznej lub odwrĂłconej. Przyjmuje siÄ™, Ĺźe w takiej pozycji uzyskuje siÄ™ okoĹ‚o 50 % wzrost wykorzystania przestrzeni roboczej. MoĹźliwe staje siÄ™ stosowanie lĹźejszych i taĹ„szych robotĂłw o mniejszym zasiÄ™gu oraz realizacja zadaĹ„ o znacznie utrudnionym dostÄ™pie do miejsca obrĂłbki. PodjÄ™cie opracowania i wdroĹźenia nowych generacji torĂłw podwieszanych miaĹ‚o na celu rozszerzenie oferty produkowanych w kraju, a wiÄ™c Ĺ‚atwiej dostÄ™pnych i taĹ„szych urzÄ…dzeĹ„, przy zachowaniu najwyĹźszych parametrĂłw i funkcjonalnoĹ›ci. Dotychczas produkowane tory podĹ‚ogowe nie sÄ… w stanie sprostać wszystkim zadaniom produkcyjnym. Zastosowanie urzÄ…dzeĹ„ z importu, z uwagi na wysokÄ… cenÄ™, a niekiedy takĹźe Ĺ›cisĹ‚e dopasowanie do okreĹ›lonego typu robotĂłw (pochodzÄ…cych od tego samego producenta), czÄ™sto nie jest uzasadnione ekonomicznie, a wrÄ™cz nie jest moĹźliwe. W artykule przedstawiono efekty ostatnich prac, zwiÄ…zanych z opracowaniem i budowÄ… nowych konstrukcji torĂłw jezdnych, wdraĹźanych do produkcji seryjnej w ramach projektu celowego FSNT-NOT [8].

Rys. 9. Tor jezdny o długości 10 m (powstały podczas realizacji projektu) Fig. 9. The 10 m driving track built based on the project results

poprzeczne rur prostokątnych belki jezdnej i słupów podporowych. Pod wpływem działania siły poprzecznej oraz masy własnej robota następuje deformacja spręşysta całej konstrukcji w płaszczyźnie z–x oraz x–y (rys. 7). Powstające wygięcia w lewej części belki poprzecznej osiągają maksymalnie –0,0754 mm w kierunku pionowym (płaszczyzna z–x) oraz –0,09 mm w płaszczyźnie x–y. Największe siły w słupach pionowych to siły poprzeczne osiągające wartości do –5,7 kN, natomiast w belce poprzecznej największe wartości przyjmuje moment gnący My = 1,3 kNm (rys. 8).

Podczas projektowania i budowy serii docelowej wykorzystano wyniki modelowania konstrukcyjnego, obliczeniowego MES oraz badaĹ„ laboratoryjnych fizycznych modeli doĹ›wiadczalnych, w tym wytypowane podzespoĹ‚y oraz rozwiÄ…zania konstrukcyjne, m.in. przekroje rur prostokÄ…tnych. Ostatecznie powstaĹ‚ typoszereg o dĹ‚ugoĹ›ci belki jezdnej w zakresie od 2 m do 10 m (rys. 9), z napÄ™dem opartym na nieruchomej zÄ™batce przytwierdzonej do toru i jednostkÄ… napÄ™dowÄ… poruszajÄ…cÄ… siÄ™ wraz z platformÄ… robota (rys. 10). Przy takim rozwiÄ…zaniu przekĹ‚adnia napÄ™dowa nie stanowi ograniczenia zasiÄ™gu ruchu, co uĹ‚atwia budowÄ™ torĂłw o dowolnych dĹ‚ugoĹ›ciach. DodatkowÄ… korzyĹ›ciÄ… jest moĹźliwość zainstalowania na jednym torze wiÄ™cej niĹź jednego robota na niezaleĹźnych platformach jezdnych. DziÄ™ki wymiennej platformie jezdnej, roboty mogÄ… być zamocowane zarĂłwno w wariancie odwrĂłconym, gdzie oĹ› Z robota skierowana pionowo w dół (rys. 9), jak i naĹ›ciennym, z osiÄ… Z skierowanÄ… poziomo (rys. 11).

podporowych wraz z podwieszonym robotem umoĹźliwiĹ‚ okreĹ›lenie wygiÄ™cia belki wzdĹ‚uĹźnej pod wpĹ‚ywem masy wĹ‚asnej konstrukcji oraz obliczenia rozkĹ‚adu siĹ‚ wzdĹ‚uĹźnych, poprzecznych i momentĂłw gnÄ…cych w caĹ‚ej konstrukcji. Przedstawione wyniki porĂłwnawcze dla szeregu konstrukcji róşniÄ…cych siÄ™ dĹ‚ugoĹ›ciÄ… belki wzdĹ‚uĹźnej wskazujÄ… na poprawność charakteru wynikĂłw w przedstawionych modelach. Tak przygotowany model bazowy posĹ‚uĹźyĹ‚ do dalszej analizy konstrukcji bramowych, celem okreĹ›lenia wymaganej geometrii caĹ‚ej konstrukcji oraz ksztaĹ‚tĂłw i przekrojĂłw belek i wspornikĂłw, pod kÄ…tem zapewnienia odpowiedniej sztywnoĹ›ci w czasie ruchĂłw poprzecznych robota, przy zaĹ‚oĹźonych wartoĹ›ciach jego masy oraz przyspieszeĹ„, jakie bÄ™dzie uzyskiwaĹ‚ przy ruchu ustawczym. Dalsze prace, ukierunkowane na szczegółowe modele 2D i 3D, w tym przeprowadzone analizy rozkĹ‚adu siĹ‚ i przemieszczeĹ„, pozwoliĹ‚y na dobĂłr optymalnego ksztaĹ‚tu i wielkoĹ›ci przekroju belki wzdĹ‚uĹźnej dla zaĹ‚oĹźonego zakresu jego dĹ‚ugoĹ›ci, rozstawu sĹ‚upĂłw wspornikowych oraz przyspieszenia robota w czasie pracy. Wyniki obliczeĹ„ uzyskane z analizy przyjÄ™tych modeli MES konstrukcji bramowych ostatecznie potwierdzono podczas badaĹ„ rzeczywistych modeli i prototypĂłw.

1. 2.

3.

4. 5. Rys. 11. Platforma jezdna w wariancie z poziomym mocowaniem robota Fig. 11. Moving platform with horizontal-type robot fixing

5. Podsumowanie

Rys. 10. Szczegóły zamocowania i oprzyrządowania belki jezdnej: 1) osłona gąsienicowego prowadnika przewodów sterująco-zasilających, 2) belka jezdna, 3) łącznik słupa, 4) zębatka układu przeniesienia napędu, 5) bieşnia (dolna), 6) słup podporowy Fig. 10. Fixing details and equipment of the travel track: 1) shielding of caterpillar guide for control and power cables, 2) driving track, 3) column fastener, 4) gear rack for drive transmission, 5) lower track, 6) support column

94

Przedstawione urzÄ…dzenia powstaĹ‚y w oparciu o oryginalne projekty, zakĹ‚adajÄ…ce wykorzystanie najnowszych ukĹ‚adĂłw mechanicznych i napÄ™dowych. Z drugiej strony, uwzglÄ™dniajÄ… potrzeby i moĹźliwoĹ›ci potencjalnych, gĹ‚Ăłwnie krajowych uĹźytkownikĂłw, zarĂłwno pod wzglÄ™dem ceny jak i oferowanej uniwersalnoĹ›ci. Nowe typy torĂłw jezdnych pozwolÄ… na elastyczne zestawianie zrobotyzowanych stanowisk i ich efektywne wykorzystywanie w odniesieniu do wielu róşnych procesĂłw technologicznych. Zbudowany bazowy model obliczeniowy 2D, dla konstrukcji bramowej z belkÄ… wzdĹ‚uşą opartÄ… na dwĂłch sĹ‚upach

Keywords: industrial robot, linear axis for robot, FEM

dr hab. inş. Andrzej Kolasa Profesor w Zakładzie Inşynierii Spajania na Wydziale Inşynierii Produkcji Politechniki Warszawskiej. Zajmuje się badaniami równowagi statycznej i zjawisk dynamicznych w układach źródło zasilania–łuk spawalniczy, właściwościami zasilaczy spawalniczych oraz automatyzacją procesów spawalniczych. e-mail: akolasa@wip.pw.edu.pl dr inş. Paweł Cegielski

Bibliografia

6. 7.

2. Analiza numeryczna MES W przypadku współczesnych, coraz bardziej precyzyjnych robotów przemysłowych, o powtarzalności pozycjonowania rzędu ¹0,01– 0,10 mm, pojawia się potrzeba zapewnienia najwyşszej sztywności ich zamocowania i manipulacji. W przypadku torów podłogowych, pewne niedostatki mogą być zrekompensowane odpowiednim fundamentem i mocowaniem toru do podłoşa. Dla torów podwieszanych konieczny jest staranny dobór wszystkich elementów nośnych (belki, słupów podporowych) i prowadzących (prowadnice, przekładnie), poparty obliczeniami i próbami ruchowymi modeli

high usable parameters of these machines, application of new methods of design and construction analysis is required at the initial stage of model design. ZAP Robotics together with Department of Welding Engineering at Warsaw University of Technology has been engaged in research, development and implementation work in the area of equipment for automation and robotization. This paper presents the results of last work related to modelling and design of the external robot axes.

8.

Beer F.P., Johnston E.R. Jr., Mechanics of Materials, McGraw-Hill, New York, 1981. Cegielski P., Golański D., Kolasa A., Sarnowski T., Nowe konstrukcje i metody projektowania zewnętrznych osi robotów przemysłowych [w:] Problemy Robotyki, pod redakcją Krzysztofa Tchonia i Cezarego Zielińskiego. Prace Naukowe. Elektronika. T. 1, z. 175, OW Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010, 263–274. Cegielski P., Kolasa A., Sarnowski T., Oneksiak A., Wdroşenia przemysłowe projektów badawczo-rozwojowych w zakresie mechanizacji i automatyzacji procesów spawalniczych, „Przegląd Spawalnictwa� 6/2011, 53–59. Cook R.D., Finite element modelling for stress analysis, John Wiley and Sons, 1995. Golański D., Cegielski P., Kolasa A., Analiza numeryczna odkształceń w elementach konstrukcyjnych podwieszonego toru jezdnego, Zeszyty Naukowe PW. Seria Mechanika, z. 230 „Spajanie materiałów we współczesnej technice�, Warszawa 2010, 61–69. LUSAS Modeller User Manual v.13.8. FEA Ltd. UK. Timoshenko, S.P., Goodier, J.N., Theory of Elasticity, Second Edition, McGraw-Hill, New York, 1951. Projekt Celowy FSNT-NOT Nr ROW-III-032-2009 pn. „Uruchomienie produkcji typoszeregu podwieszanych torów jezdnych do robotów�, 2009–2010.

New designs and design methods for external travel axes of industrial robots Abstract: Robotization of production tasks may require an increase of robot arm range beyond its nominal size. Additional transportation machines may be used for this purpose, called external robot axes, including all kind of driving tracks. To ensure

Adiunkt w Zakładzie Inşynierii Spajania na Wydziale Inşynierii Produkcji Politechniki Warszawskiej. Zajmuje się problematyką budowy i eksploatacji źródeł energii elektrycznej do spawania łukowego oraz automatyzacją i robotyzacją spawania. e-mail: pcegiels@wip.pw.edu.pl dr hab. inş. Dariusz Golański, prof. PW Pracownik naukowo-dydaktyczny Zakładu Inşynierii Spajania na Wydziale Inşynierii Produkcji Politechniki Warszawskiej. Zajmuje się zagadnieniami komputerowej analizy napręşeń własnych w spajanych złączach ceramiczno-metalowych, kompozytach oraz warstwach powierzchniowych. Wykorzystuje głównie analizę numeryczną opartą na metodzie elementów skończonych do modelowania rozkładów pól temperatury i napręşeń w połączeniach spajanych. e-mail: dgol@wip.pw.edu.pl dr inş. Tadeusz Sarnowski Dziekan Wydziału Zamiejscowego w Ostrowie Wielkopolskim Społecznej Akademii Nauk w Šodzi. Prezes Zarządu Spółki ZAP-Robotyka zajmującej się automatyzacją i robotyzacją procesów wytwarzania. Zainteresowania badawcze dotyczą nowych rozwiązań urządzeń do aplikacji stanowisk zrobotyzowanych. e-mail: sarnowski@zap.com.pl; www.zap-robotyka.com.pl

Pomiary Automatyka Robotyka nr 7–8/2013

95

K & V 0 H + / $ IFEB(!* $ '!V')

99

WSPOMNIENIA

# O)MF F>O>

QJXT > (

- K ? ? + +

! B ( & - A

! -

+ A +

!-

M-- !- B ! $ E

E E

+ A B M" V - XH ! A A _ A

+ ! ! ! >

" ! @G Z

- !- > ( + A

! # !+ + -- +

+ !_ - - + # M" V> $ ? +

! -

!

-

' 5 0 ' 5 + - - ' A- - ' C

#

! C ?

#

'!5'> ) ? !

E - ( - ! ) A-

( ! ) A- ( !

) A- ) - & !> @

- - - ! A + - A !

! - - ! " !

- - ! F - G

* A- - - - ! F -

C . * F - # + - + A- - + + -- +

) A- _ ( _ ) A- _

( _ ) A- _ ) - & _

- !_ - A Z - A + ! - A A

>

ย ?" ` < 0 B (U >

-- A - & - + - + + )** A XgWTBXgUX B + A

XgUXBXgUT B + _

)** ( >

+ F -

A QJJgB QJXJ> @ ? - _ +#

- - - # - A

+ # A -

D ! G ! QJJW > * F - - +

+ # ] # - ^ + -- + - + " ) + ! + - - ' A- -

' 5 0 )O A

QJJTBQJXX - + F ! "

+ O + " )OG A QJJWBQJXJ - + "

_ !_ ! E !

( # ) + + M-

O + ) + # )MO) A

QJJUBQJXV - + " - !- !

( A - -

D-

` - ) A- ( !

QJXT > - + " - !- !

( M-? - ) ! ) A-

( ! QJXH > - + "

) + ! ( @ -

_ - ) A- ) - & !

QJXH > - + " G ! ! !

- - ! "

QJXU >

- + + O + " )OG

- ! QJQJBQJQT>

+ ! -

A A> $

- -

+ !_ _ -

# ! - A A !- A

> )

+

?_ -_ # _ - _ A- -_ - _ # - - A + _ - -

G

-

! + ! !> $

+ - #! _ - -

A-

- + - A

# + ! ! !

+ ! # + ?- _ K

-_ _ -_

#?- + + A- - + > @

_

+- - ? -_ #!

! + !> "

? - ! # _ - - !- > -

# - - + > (

- + - K ? # O)' " # ! +

- QJJ ! #

+ ! ! >

P

O

M

I

A

R

0 > # > #

$ + # + HW # - A !

_ - > F_

#

A + A A- - A !

( & - A

- A + - + ! A #

100

) -

_

+-_

- _ !_ _ - --_ - # !_ _ !_ _ -

+

- > ( +

+ -

> *

F - _

-_ - ? -_> -

+ _> K $

) + ยก

Y

โ ข

A

U

T

O

M

A

T

Y

K

A

โ ข

R

O

B

O

T

Y

K

A

NR 4/ 20 20

Kalendarium wybranych imprez Data konferencji * + - &

!

17th IFAC Conference on ) ++ [ -

D+ F +

PDES 2021

18–20 / 05 / 2021

Sarajewo @ -

i Hercegowina

XXV Konferencja G '* A- -

+ - QJQX B

O + ! B G

)

26–28 / 05 / 2021

( )

17th MlO F + +

-

M- + - - ) +

- - -

INCOM 2021

08–11 / 06 / 2021

)

Cypr

17th MlO F + +

- l

- F [ - -

F * A- )

SAFEPROCESS 2021

07–09 / 06 / 2021

@

(

24th M- - - F + +

on Mathematical Theory of G - F +

MTNS 2020

24–28 / 08 / 2020 12 / 01 / 2020

Cambridge Wielka Brytania

jJ>JUBJj>Jg C QJQX

Jokohama Japonia

www: A .CC > + QJQX>

mail: + QJQXY > - > >!

13–15 / 09 / 2021

(

)

www: A .CC > +> [>

Nazwa konferencji

hhMMM ( -

A

M- - - + -

Confederation IMEKO 2021 Hj> - -

Konferencja Metrologów MKM 2021

Informacje dodatkowe

www: A .CC > ' - > C [ - C ++ ' [ ' - ' + ' ' + 'XW A' 'QJQX

mail: ! ->! Y > >

www: A .CC + -> > C mail: - - ! Y > > [>

www: A .CC - +QJQX> C

mail: - Y - +QJQX>

www: A .CC QJQX> CC

www: A .CC+ - QJQJ> - > +> > C

Katarzyna Kubiak, Jan Kotlarz, Natalia Zalewska, Urszula Zielenkiewicz

47

Proposed Tasks of Enceladus Missions’ Instrumentation in the Context "1 3 7 Laith Al. Rawashdeh, Igor Zakharov, Oleg Zaporozhets

57

; * + + 8 P ;

Network Models Zygmunt Lech Warsza, Jacek Puchalski

61

; 2 ) / * 2[ L/ ; 2 o skorelowanych danych - F

73

3 2 v ( ) ! Piotr Witkowski

81

' ( ] ( ) " Mariusz Pauluk

85

; )

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.