Принципы создания системы обработки и хранения GNSS данных для задачи охраны периметра

Размещено на http://www.allbest.ru

Принципы создания системы обработки и хранения GNSS данных для задачи охраны периметра

Костюк Андрей Иванович Доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники института компью-терных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета

Беспалов Дмитрий Анатольевич Доцент, кандидат технических наук, доцент кафедры вычислительной техники института компью-терных технологий и информационной безопасности Южного федерального университета

Романов Виталий Владимирович Магистрант кафедры вычислительной техники института компьютерных технологий и информаци-онной безопасности Южного федерального университета



Аннотация

охрана хранение алгоритм

Описаны принципы создания системы обработки и хранения GNSS данных для задачи ох-раны периметра. Предложен базовый алгоритм работы системы сбора, обработки и хранения GNSS данных, позволяющий отслеживать обработанные GNSS данные на удаленном web-сервисе в общедоступных форма-тах, а также отправлять сигналы через клиентское мобильное приложение доступным платформам и сис-темам о временном приостановлении или отмене записи GNSS данных.

Ключевые слова. GNSS данные, web-сервис, микроконтроллер, постобработка, мобильная роботизиро-ванная платформа, режим реального времени.



Abstract

The principles of creating a system for processing and storage of GNSS data for the task of perimeter protection

Kostyuk Andrey Ivanovich

Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Computer En-gineering, Institute of Computer Technology and Information Security, Southern Federal University

Bespalov Dmitriy Anatolyevich

Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Computer En-gineering, Institute of Computer Technology and Information Security, Southern Federal University

Romanov Vitaliy Vladimirovich

Master's Degree Student of the Department of Computer Engineering, Institute of Computer Technology and In-formation Security, Southern Federal University

The principles of creating a system for processing and storing GNSS data for the task of perimeter protection are described. The article proposes a basic algorithm for the operation of a GNSS data collection, process-ing and storage system that allows you to track processed GNSS data on a remote web service in public formats, as well as to send signals through a client mobile application to available platforms and systems about temporary suspending or canceling GNSS data recording.

Keywords: GNSS data, web service, microcontrol unit, post-processing, mobile robotic platform, real-time op-eration mode.



Введение

Для целей охраны периметра производственного объекта большой террито-риальной протяженности с учетом вероятного наличия угроз несанкционированного физиче-ского проникновения, на территории которого находятся стационарные или подвижные объ-екты, требуется использование необитаемых интеллектуальных взаимодействующих мо-бильных роботизированных платформ.

Для обеспечения охраны протяженного периметра необходимо решить ряд задач, в том числе:

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 20-07-00559).

• создание базы данных системы охраны периметра (БД СОП) для хранения и актуа-лизации информации об объектах системы охраны и угрозах со стороны потенциальных на-рушителей (ПНР);

• разработка подсистемы моделирования системы охраны периметра (ПМ СОП) для планирования совместного действия объектов охраняемой территории;

• разработка средств информационного обмена между БД и ПМ СОП;

• интеграция СЦОД в одну из современных геоинформационных систем (ГИС).

В опубликованных ранее работах [1-10] описана структура и назначение БД СОП, а также предложено использование графовых подходов для реализации подсистемы модели-рования. Целью исследования в данной статье является изучение принципов создания систе-мы сбора, обработки и хранения GNSS данных для задач охраны периметра мобильных или иных роботизированных платформ и систем в реальном времени.

Назначением системы сбора, обработки и хранения GNSS данных (ССОХД) является сбор GNSS данных с помощью штатного микроконтроллера по беспроводной сети с мобиль-ных или иных роботизированных платформ и систем для дальнейшей отправки и постобра-ботки данных на удаленный web-сервис через Интернет-соединение. Что также включает в себя управление базой данных [1] с web-клиентской программной частью или web- интерфейсом серверной части посредством Интернет-технологий.



Описание наблюдаемого объекта

Рассматриваемый объект наблюдения - охраняемая территория с мобильными и иными роботизированными платформами и системами, блок элементов охраняемой территории, блок управления и распределения GNSS данных с мо-бильных или иных роботизированных платформ и систем, а также web-сервис обработки GNSS данных и мобильное или иное устройство с поддержкой web-технологий.

В состав объекта входят:

- охраняемая территория с мобильными и иными роботизированными платформами и системами [2];

- блок элементов охраняемой территории;

- блок управления и распределения GNSS данных с мобильных или иных роботизи-рованных платформ и систем;

- web-сервис обработки GNSS данных;

- мобильное или иное устройство с поддержкой web-технологий.

Каждая мобильная или иная роботизированная платформа и система состоит из:

- GNSS приемника;

- трансивера.

Блок элементов охраняемой территории включает в себя: цех с роботизированным про-изводством, автомобили, вертолет, дроны, патрульные роботизированные платформы и про-чие системы охраны с встроенным или легко монтированным GNSS оборудованием.

Блок управления и распределения GNSS данных с мобильных или иных роботизиро-ванных платформ и систем включает в себя: управляющий микроконтроллер, приемо-передающее устройство (трансивер) для передачи управляющих сигналов на блок элементов охраняемой территории, приема GNSS данных с блока элементов охраняемой территории, а также для отправки полученных GNSS данных на виртуальный или выделенный web-сервис.

Web-сервис включает в себя: виртуальный или выделенный web-сервер, базу данных GNSS данных, а также обработчик GNSS данных. На каждую мобильную или иную роботи-зированную платформу или систему установлен GNSS приемник для записи GNSS данных. Связь и обмен данными элементов охраняемой территории с управляющим микроконтрол-лером осуществляется как по беспроводной, так и по проводной связи. Сырые GNSS данные, поступающие со всех элементов охраняемой территории, распределяются в управляющем микроконтроллере на группы и отправляются на web-сервис через Интернет-соединение и вносятся в базу данных. На устройство пользователя устанавливается клиентское приложе-ние, через которое производится контроль и управление ССОХД. Web-сервис обработки GNSS данных выполняет следующие функции: прием GNSS данных с элементов охраняемой территории через управляющий микроконтроллер, внесение полученных данных в SQL базу данных, а также отправку управляющих сигналов для остановки или включения записи от-дельных типов элементов охраняемой территории.

Пользователю доступен web-интерфейс, а именно: база данных и обработанных GNSS данных, отображение объектов на карте в реальном времени с помощью вспомогательного программного обеспечения, редактирование данных. Под редактированием данных в дан-ном случае подразумевается загрузка и удаление GNSS и обработанных данных по вы-бранному типу элемента. Кроме этого, пользователю будет доступен блок управления главным микроконтроллером, а именно: включение и выключение записи GNSS данных по выбранным элементам.

Каждая мобильная или иная роботизированная платформа и система выполняет сле-дующие функции: передачу GNSS данных к управляющему микроконтроллеру по беспро-водной или проводной сети.



Структура информационного объекта

Информационный объект ССОХД содержит:

- управляющие сигналы для каждой мобильной или иной роботизированной плат-формы и системы на управление потоками GNSS данных;

- управляющие сигналы для блока элементов охраняемой территории на управление сигналов для остановки или включения записи GNSS данных;

- управляющие сигналы для блока управления и распределения GNSS данных с мобильных или иных роботизированных платформ и систем на управление приема GNSS данных;

- управляющие сигналы для блока управления и распределения GNSS данных с мо-бильных или иных роботизированных платформ и систем на управление потоком GNSS дан-ных с элементов охраняемой территории;

- управляющие сигналы для блока управления и распределения GNSS данных с мобильных или иных роботизированных платформ и систем на управление отправкой GNSS данных;

- управляющие сигналы для web-сервиса на управление обработкой GNSS данных;

- управляющие сигналы для web-сервиса на управление SQL базой данных;

- управляющие сигналы для мобильного или иного устройства с поддержкой web- технологий на управление web-сервисом через Интернет-связь посредством браузеров;

- управляющие сигналы для мобильного или иного устройства с поддержкой web- технологий на управление web-сервисом через клиентское приложение.



Целевая функция системы

Целевая функция системы сбора, обработки и хранения GNSS данных для задач охраны периметра - сбор GNSS данных с элементов охраняемой территории, управление потоками GNSS данных и распределение по типам элементов охра-няемой территории, отправка GNSS данных на облачный web-сервис для постобработки и занесения данных в SQL базу данных. Управление потоками GNSS данных производится по беспроводной или проводной сети с мобильного или иного устройства, поддерживающего web-технологию или клиентское приложение. Под управлением подразумевается доступ к web-сервису, а именно: web-интерфейсу, SQL базе данных, включению/выключению записи GNSS данных на элементах охраняемой территории в режиме реального времени.

Функции, выполняемые ССОХД:

- считывание GNSS данных с GNSS оборудования;

- считывание электрического сигнала, а именно включения/выключения записи GNSS данных, подаваемого пользователем с мобильного или иного устройства, поддержи-вающего web-технологии, или клиентского приложения;

- формирование пакетов GNSS данных;

- обмен пакетов GNSS данных элементов охраняемой территории по беспроводной или проводной связи с управляющим микроконтроллером;

- обмен данных управляющего микроконтроллера с web-сервисом по беспроводной или проводной связи;

- обработка GNSS данных web-сервисом;

- постобработка потоков GNSS данных в общепринятый навигационный формат;

- управление потоками (загрузка/удаление) GNSS данных с элементов охраняемой тер-ритории через web-сервис или клиентское приложение по беспроводной или проводной связи;

- визуализация постобработанных GNSS данных на карте.

На каждом элементе охраняемой территории установленное GNSS оборудование счи-тывает сырые GNSS данные и осуществляет передачу через трансивер на управляющий мик-роконтроллер. Управляющий микроконтроллер группирует на типы собранные сырые GNSS данные и транслирует на web-сервис через Интернет-соединение, где происходит постобра-ботка и занесение данных в SQL базу данных. На web-сервисе пользователь может управлять потоками обработанных GNSS данных, просматривать содержимое SQL базы данных, а именно постобработанных GNSS данных на карте, а также отправлять электрические сигна-лы на остановку или включение нужных элементов охраняемой территории путем подачи электрического сигнала на управляющий микроконтроллер. Считывание электрического сигнала осуществляется на управляющем микроконтроллере, где происходит выключе- ние/включение нужного потока GNSS данных. По беспроводной и проводной связи проис-ходит как прием-передача потоков GNSS данных, так и двухканальная отправка электриче-ских сигналов для управления потоками GNSS данных.

Постобработка GNSS данных осуществляется с помощью трех способов, а именно: с помощью доступных web-сервисов постобработки данных, открытой программной реализа-ции и исследовательской программной реализации.

Обобщенный алгоритм функционирования системы ССОХД для задачи охраны периметра

Блок-схема обобщенного алгоритма функционирования системы ССОХД может быть представлена следующим образом (рис. 1).



Рис. 1. Обобщенный алгоритм функционирования системы ССОХД

1. Инициализация системы ССОХД начинается с подачи питания на главный микро-контроллер и загрузки встроенного ПО, далее трансивер, сопряженный с микроконтролле-ром, создает точку доступа, а также идентифицируется в сети Интернет.

2. Подготовленная система ССОХД устанавливает связь с web-сервером и элементами охраняемой территории.

3. Система ССОХД определяет согласованность подключения с web-сервером и эле-ментами охраняемой территории.

4. Если согласование не произошло с web-сервером и элементами охраняемой террито-рии, то система ССОХД переходит в режим ожидания.

5. Происходят повторные согласования системой ССОХД с web-сервером и элементами охраняемой территории в течение 10 минут.

6. После 10 минут безуспешного согласования с web-сервером и элементами охраняе-мой территории система ССОХД завершает работу периферии и отправляет смс-оповещение пользователю.

7. Подготовленная система ССОХД, установив связь с web-сервером и элементами ох-раняемой территории, разрешает установку ручного соединения пользователя к беспровод-ному модулю микроконтроллера через web-сервис или мобильное приложение.

8. Система ССОХД определяет согласованность подключения с пользователем или его присутствие на web-сервере.

9. Если определение пользователя безуспешно, то система ССОХД переходит в режим уведомления.

10. Происходят повторные определения пользователя системой ССОХД в течение 30 минут.

11. После 30 минут безуспешного определения пользователя система ССОХД отправ-ляет смс-оповещение пользователю.

12. Подготовленная система ССОХД, установив связь с пользователем, переходит в режим кинематики реального времени.

13. Система ССОХД определяет, поступает ли сигнал-команда управления элементами охраняемой территории.

14. Блок элементов охраняемой территории отвечает за получение GNSS данных с эле-ментов охраняемой территории, а также получение сигналов-команд от микроконтроллера.

15. Блок управления и распределения GNSS данных отвечает за получение сигналов- команд от пользователя с web-сервера или мобильного приложения для управления GNSS оборудованием на элементах охраняемой территории. Блок также распределяет полученные сырые GNSS данные и состояния GNSS оборудования по типам и выполняет отправку дан-ных и состояний на web-сервис, а также состояния доступны и в мобильном приложении.

16. Система ССОХД определяет, пришла ли сигнал-команда в блок управления, при получении сигнала-команды происходит отправка блоку элементов охраняемой территории.

17. Полученные сырые GNSS данные web-сервером проходят web-серверную обработ-ку GNSS данных.

Таким образом, предлагаемый принцип построения системы обработки и хранения GNSS данных для задачи охраны периметра позволяет пользователям с мобильного или ино-го устройства, поддерживающего web-технологии и Интернет, отслеживать обработанные GNSS данные на удаленном web-сервисе в общедоступных форматах, а также отправлять сигналы через клиентское мобильное приложение доступным платформам и системам о вре-менном приостановлении или отмене записи GNSS данных.



Примечания:

1. Костюк А.И. Структуры данных системы цифро-вого описания данных средств охраны и монито-ринга объектов // Современные наукоемкие техно-логии. 2017. № 12. С. 43-48.

2. Kostyuk A.I. Data structures of the system of digital description of data of funds of protection and monitor-ing of objects // Modern High Technologies. 2017. No. 12. P. 43-48.

3. Костюк А.И., Шаповал Н.Е. Концептуальная мо-дель базы геоданных объектов // Информацион-ные системы и технологии: фундаментальные и прикладные исследования: сб. ст. Второй Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов, магистрантов и студентов. Таганрог, 2017. С. 448-450.

4. Костюк А.И. Изоморфно-статистическая иденти-фикация изображений // Современные наукоемкие технологии. 2017. № 6. С. 58-61.

5. Integration of Models of Adaptive Behavior of Ant and Bee Colony / B.K. Lebedev, O.B. Lebedev, E.M. Lebedeva, A.I. Kostyuk //Artificial Intelligence and Algorithms in Intelligent Systems. CSOC2018 / R. Silhavy (eds.). Vol. 764. Springer Cham. SCOPUS. On-line, 2018. URL: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57 196048780

6. Костюк А.И., Мунтян Е.Р., Поленов М.Ю. О под-ходе к модернизации программной системы под-держки управленческих решений // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 3. С. 46-54.

7. Исследование возможности внедрения виртуали-зации в системах управления Smart House /

8. И. Костюк, М.Ю. Поленов, Е.Р. Мунтян,

9. А. Лукьянов, А.Ю. Николава // Информатизация и связь. 2015. № 3. С. 72-77.

10. VLSI Planning Based on the Ant Colony Method / B.K. Lebedev, O.B. Lebedev, E.O. Lebedeva,

11. A.I. Kostyuk // Intelligent Information Technologies for Industry: рroceedings of the Second International Scientific Conference.Advances in Intelligent Systems and Computing / A. Abraham, S. Kovalev, V. Ta- rassov [et al.] (eds). Springer Cham., 2017. Vol. 679.

12. P. 388-398. URL:

13. https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319- 68321-8_40

14. Поленов М.Ю., Костюк А.И., Лукьянов В.А. Ана-лиз существующих угроз для безопасности вирту-альной среды // Информационные технологии, системный анализ и управление: сб. тр. XII Все-рос. науч. конф. Т. 1. Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2015. C. 76-78.

15. Мунтян Е.Р., Костюк А.И., Лиотвейзен В.В. Осо-бенности виртуальной карты для расчета марша соединений // Инновационное развитие современ-ной науки: сб. ст. Междунар. науч.-практ. конф., 14 марта 2015 г., г. Уфа: в 2 ч. Ч. 1. Уфа: Аэтерна, 2015. С. 49-52.

16. GAPS (GPS Analysis and Positioning Software). URL: http://gaps.gge.unb.ca/submitbasic.php (дата обращения: 25.05.2020).

17. Kostyuk A.I., Shapoval N.E. A conceptual model of the geodatabase of objects // Information systems and technologies: fundamental and applied research: coll. of art. of the Second Russian scient. and pract. conf. of young scientists, graduate students, master students and students. Taganrog, 2017. P. 448-450.

18. Kostyuk A.I. Isomorpho-probablistic identification of images // Modern High Technologies. 2017. No. 6. P. 58-61.

19. Integration of Models of Adaptive Behavior of Ant and Bee Colony / B.K. Lebedev, O.B. Lebedev, E.M. Lebedeva, A.I. Kostyuk //Artificial Intelligence and Algorithms in Intelligent Systems. CSOC2018 / R. Silhavy (eds.). Vol. 764. Springer Cham. SCOPUS. On-line, 2018. URL: https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57 196048780

20. Kostyuk A.I., Muntyan E.R., Polenov M.Yu. On the approach to modernization of the software system for supporting management decisions // News of SFU. Technical Sciences. 2015. No. 3. P. 46-54.

21. Investigation of the possibility of implementation of virtualization in Smart House control systems /

I. Kostyuk, M.Yu. Polenov, E.R. Muntyan, V.A. Lukyanov, A.Yu. Nikolaeva // Informatization and Communication. 2015. No. 3. P. 72-77.

22. VLSI Planning Based on the Ant Colony Method /

23. K. Lebedev, O.B. Lebedev, E.O. Lebedeva,

24. A.I. Kostyuk // Intelligent Information Technologies for Industry: рroceedings of the Second International Scientific Conference.Advances in Intelligent Systems and Computing / A. Abraham, S. Kovalev, V. Ta- rassov [et al.] (eds). Springer Cham., 2017. Vol. 679. P. 388-398. URL: https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-319- 68321-8_40

25. Polenov M.Yu., Kostyuk A.I., Lukyanov V.A. Analy-sis of existing threats to the security of the virtual en-vironment // Information technologies, systems analy-sis and management: coll. of proceedings of the 12^th Russian scient. conf. Vol. 1. Rostov-on-Don: Publish-ing House of SFU, 2015. P. 76-78.

26. Muntyan E.R., Kostyuk A.I., Liotveyzen V.V. Fea-tures of a virtual map for calculating the connection march // The innovative development of modern sci-ence: a collection of articles of the International scient. and pract. conference, March 14, 2015, Ufa: in 2 parts. Pt. 1. Ufa: Aeterna, 2015. P. 49-52.

27. GAPS (GPS Analysis and Positioning Software). URL: http://gaps.gge.unb.ca/submitbasic.php (access date: 25.05.2020).

Размещено на Allbest

...