Автоматизированная система контроля охраны вагонов и контейнеров

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ функционирования системы в круглосуточном режиме,устранение проблемы с функционированием электронных устройств в условиях ограниченного ресурса по электропитанию и упрощение схемы организации связи между устройствами за счет применения однотипных,простых и относительно дешевых устройств. Это достигается тем, что, автоматизированная система контроля охраны вагонов и контейнеров,включающая антенну и спутниковый модуль,антенну и модуль /, антенну и радиомодуль,источник питания модулей,контроллер и аккумуляторную батарею, согласно полезной модели, содержит линейно соединенные между собой,по меньшей мере, одно устройство сбора и передачи данных, включающее антенну и модуль, микроконтроллер , интерфейсную плату с источником питания модулей,аккумуляторную батарею,по меньшей мере, одну электронную пломбу,включающую антенну и радиомодуль,комбинированный датчик открывания пломбы,микроконтроллер , интерфейсную плату с источником питания модулей, аккумуляторную батарею,терминальное устройство,представляющее собой смартфон на основе операционной системы(72) Бегалиев Серик Мулкаманович Уряднов Алексей Викторович Бурков Игорь Анатольевич Родин Игорь Анатольевич(74) Тусупова Меруерт Кырыкбаевна Дюсенов Еркебулан Рамазанович(54) АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ОХРАНЫ ВАГОНОВ И КОНТЕЙНЕРОВ(57) Полезная модель относится к области информационных технологии и может быть использована к неограниченному количеству контролируемых грузов и составов в качестве средств дистанционного автоматизированного сбора данных о состоянии и местоположении грузов при железнодорожных перевозках, мониторинга их местоположения по сигналам космических навигационных систем, а также слежения за их передвижением с использованием каналов мобильной и спутниковой связи в диспетчерском пункте. Техническим результатом является повышение сохранности перемещаемых железной дорогой ценных и опасных грузов, снижение затрат охранных служб на выполнение рутинных операций по инспектированию составов, диспетчеризацию движения грузового подвижного состава в условиях Полезная модель относится к области информационных технологий и может быть использована к неограниченному количеству контролируемых грузов и составов в качестве средств дистанционного автоматизированного сбора данных о состоянии и местоположении грузов при железнодорожных перевозках, мониторинга их местоположения по сигналам космических навигационных систем, а также слежения за их передвижением с использованием каналов мобильной и спутниковой связи в диспетчерском пункте. Из современного уровня развития техники известны способы использования разного рода электронных устройств для выполнения задач охраны, сопровождения и контроля перевозимых железной дорогой грузов. Наиболее простой способ подразумевает применение отдельных, не объединенных в единую систему электронных пломб,передающих сообщения от каждой в диспетчерский пункт в индивидуальном порядке по каналам мобильной сети /. Известна автоматизированная система контроля охраны вагонов и контейнеров, выбранная в качестве наиболее близкого аналога, имеющая в своем составе антенну и спутниковый модуль,антенну и модуль /, антенну и радиомодуль,источник питания модулей,контроллер и аккумуляторную батарею. В данном устройстве построение охранных систем основано на групповом формировании устройств вокруг общего устройства (терминала) проводным или беспроводным способом по одной из известных сложных топологий построения сетей, именуемых как звезда или дерево. При групповом варианте формирования сообщения, терминал прототипа собирает данные о состоянии всех датчиков, формирует единое сообщение с единой информацией обо всех устройствах системы, а также прочей служебной и вспомогательной информацией и следующим шагом отправляет объединенный пакет данных в диспетчерский пункт. Объем передаваемого сообщения в этом случае превышает объем,отправляемый при индивидуальной отправке каждым устройством, но существенно ниже, чем суммарный объем всех отправляемых сообщений от каждого устройства при первом варианте / 1110, 15.05.2014 г./. Недостатками данного аналога является следующее.- При неполном покрытии сетями / территорий с проходящими по ним железными дорогами, возможны потери грузов за счет хищений на этих участках В случае установки на груз охранныхпломб, как следствие, также необходим строгий контроль абонентской платы и трафика для каждой электронной пломбы. Эксплуатационные расходы по абонентской плате за каждое устройство и генерируемый трафик при таком построении охранной системы возрастают пропорционально количеству используемого оборудования.- Отсутствие внешнего источника питания на подвижном составе позволяет использовать его в мобильном варианте на железной дороге всего несколько часов от встроенного аккумулятора.- Еще один недостаток данного аналога проявляется из-за применения в нем для связи с соседними устройствами радио-технологии по стандарту . При организации сети по этому стандарту используются устройства трех различных типов (рангов), включающих одно устройство с функциями координатора сети, определенного количества маршрутизаторов, расположенных в узловых точках сети и конечных устройств,размещаемых непосредственно на контролируемом объекте.- Полное отсутствие возможности смены маршрута отправки сообщений от конечного устройства к ближайшему маршрутизатору, далее по цепочке маршрутизаторов к координатору сети. Однотипные конечные устройства не участвуют в формировании единой локальной сети. Применение одновременно маршрутизаторов и конечных устройств в сети усложняет и одновременно приводит к удорожанию комплекса охранного оборудования и, что особенно важно, требует для своего обслуживания большого штата специально подготовленных профессиональных сотрудников,заменяющих или сопровождающих обычных сотрудников охраны. Последнее является практически невыполнимой задачей. К тому же по спецификации стандарта , автономное питание имеют только конечные устройства сети и возникает проблема длительного функционирования маршрутизаторов в условиях полного отсутствия источника внешнего электропитания. Задачей полезной модели является создание автоматизированной системы контроля охраны вагонов и контейнеров в составе грузовых поездов. Техническим результатом является повышение сохранности перемещаемых железной дорогой ценных и опасных грузов, снижение затрат охранных служб на выполнение рутинных операций по инспектированию составов, диспетчеризацию движения грузового подвижного состава в условиях функционирования системы в круглосуточном режиме,устранение проблемы с функционированием электронных устройств в условиях ограниченного ресурса по электропитанию и упрощение схемы организации связи между устройствами за счет применения однотипных,простых и относительно дешевых устройств. Достижение технического результата основано на объединении функций двух устройств маршрутизатора и конечного устройства, при этом однотипные устройства самостоятельно организуют единую закрытую сеть, с выбором режима работы,при котором часть времени проводят в неактивном или спящем режиме, что значительно снижает энергопотребление,увеличивает длительность работы устройств между циклами заряда встроенных аккумуляторных батарей. Это достигается тем, что, автоматизированная система контроля охраны вагонов и контейнеров,включающая антенну и спутниковый модуль,антенну и модуль /, антенну и радиомодуль,источник питания модулей,контроллер и аккумуляторную батарею, согласно полезной модели, содержит линейно соединенные между собой,по меньшей мере, одно устройство сбора и передачи данных, включающее антенну и модуль, микроконтроллер , интерфейсную плату с источником питания модулей,аккумуляторную батарею,по меньшей мере, одну электронную пломбу,включающую антенну и радиомодуль,комбинированный датчик открывания пломбы,микроконтроллер , интерфейсную плату с источником питания модулей, аккумуляторную батарею,терминальное устройство,представляющее собой смартфон на основе операционной системы с программным обеспечением,и снабженное дополнительным шлюзом. Дополнительный шлюз содержит радиопередающий модуль стандартадля связи со смартфоном, контроллер, и радиомодуль для связи с элементами сети. Радиомодуль выполнен на микросхеме 2401. На фиг.1 изображена структурная схема автоматизированной системы контроля охраны вагонов и контейнеров. ВУ - верхний уровень УК - уровень коммуникации НУ - нижний уровень ДП - диспетчерский пункт- беспроводная сеть связи- беспроводная сеть связи Ан С - антенна спутниковая. На фиг.2 изображена структурная схема устройства сбора и передачи данных (УСПД). Ан 1 - антеннаАн 2 - антенна / Ан 3 - антенна радиомодуля на чипе 2401 Ан 4 - антенна спутникового модуля 1 -модуль 2 - модуль / 3 - радиомодуль на чипе 2401 4 - модуль спутникового модуля 5 - микроконтроллер 6 - интерфейсная плата с источник питания модулей 7 - аккумуляторная батарея. На фиг.3 изображена структурная схема электронной пломбы (ЭП). Ан 3 - антенна радиомодуля на чипе 2401 3 - радиомодуль на чипе 2401 5 - микроконтроллер 6 - интерфейсная плата с источник питания модулей 7 - аккумуляторная батарея Д - комбинированный датчик открывания пломбы. На фиг.4 изображена схема передачи сигнала тревоги.- радиус действия электронной пломбы УСПД - устройство сбора и передачи данных ЭП - электронная пломба ВЭП - вскрытая электронная пломба п 1 - п 11 - электронные пломбы с порядковыми номерами 1-11. Иерархически комплекс технических средств заявленной полезной модели представляет собой многоуровневую структуру классической автоматизированной системы. В соответствии с распределением по уровням система содержит(ДП) с автоматизированным рабочим местом,оператор которого с помощью программного обеспечения (ПО) следит за состоянием и текущим местоположением перевозимых грузов на территории в масштабе области или государства- уровень коммуникаций (УК) - осуществляется обмен данными со всеми грузовыми железнодорожными составами, контролируемыми системой- нижний уровень (НУ) - комплексы технических средств, устанавливаемых непосредственно на подвижных составах. Комплекс технических средств нижнего уровня(НУ) для одного состава включает в себя- устройство сбора и передачи данных (УСПД),выполняющее также роль координатора локальной сети вдоль состава- устройства контроля состояния запорных механизмов, в качестве которых используются электронные пломбы,по количеству контролируемых запорных механизмов контейнеров, вагонов или цистерн отдельного подвижного состава терминальное устройство(терминал),служащий для конфигурирования сети, обмена данными с электронными пломбами и УСПД,контроля сети, приема и отправки команд,получения и дальнейшей передачи сигналов состояния или тревоги. В качестве последнего используется смартфон на основе операционной системыс предустановленным на него программным обеспечением, позволяющим вести обмен с локальной сетью, конфигурировать устройства с отображением их состояния на экране. Локальная закрытая беспроводная сеть строится с использованием приемопередающих радиомодулей на основе микроконтроллера 2401,которые представляют широко распространенную в компьютерной технике и наиболее массовую и дешевую альтернативу радиомодулям на основе стандарта . Радиопередающие модули входят в состав комплекса технических средств всех устройств нижнего уровня. Терминал, в качестве которого используется смартфон с операционной системой , это законченное многофункциональное устройство 3 заводской сборки, позволяющее работать только с программной частью системы, но не позволяющее вносить какие-либо изменения в свою аппаратную часть. В смартфоне отсутствует техническая возможность вести обмен данными с сетью пломб и УСПД, поскольку в нем отсутствует физический интерфейс, поддерживающий соответствующий информационный протокол. Для целей сопряжения локальной сети и смартфона использовано дополнительное устройство - шлюз, содержащее радиопередающий модуль стандартадля связи со смартфоном, контроллер, и радиомодуль с микросхемой 2401 для связи с любыми элементами сети. Особенность радиомодуля состоит в том, что он имеет 6 каналов в приемной части,работающих одновременно на одной частоте. Это позволяет вести прием от шести устройств с разных направлений и строить сети различной топологии. Шлюз осуществляет сопряжение беспроводных интерфейсов различных стандартов и поддерживает протокол обмена данных между элементами локальной сети охранной системы и смартфономтерминалом. Роль координатора нижнего уровня системы и локальной беспроводной сети для отдельного состава выполняет устройство сбора и передачи данных (УСПД). Его функциональность достигается при помощи входящих в его состав телекоммуникационных модулей для ведения обмена данными по внутренней локальной сети и отправки сообщений по заданному программному алгоритму в диспетчерский пункт системы по каналам мобильной связи /, который используется в качестве основного канала связи. В случае невозможности отправки сообщений в зонах,где отсутствует покрытие сетями /, их отправка производится по резервному каналу спутниковой связи стандартаи далее сигнал от провайдера спутниковой связи по наземным линиям связи сети интернет поступает в диспетчерский пункт системы. УСПД помещен в защищенный ударопрочный корпус из радиопрозрачного пластика, внутри которого располагается плата микроконтроллера с подключенным к ней спутниковым модулем стандарта , связанным со спутниковой антенной, беспроводным сетевым модулем на 2,4 МГц, связанным с внешней всенаправленной антенной, модулем /, соединенным с совмещенной антенной /. Внутри корпуса располагается общая монтажная плата, на которой крепятся все перечисленные модули, источник питания всех модулей и общая для всех устройств литиевая аккумуляторная батарея достаточной емкостью для работы в течение длительного времени. Электронное устройство контроля состояния запорного механизма для удобства установки выполнено в виде пломбирующего устройства с легкосъемной конструкцией запирания механизма. При срабатывании запорного механизма радиопломбы срабатывает установленный внутри корпуса кнопочный микровыключатель, состояние 4 контактов которого считывается установленным также внутри корпуса микроконтроллером, данные от которого передаются по радиоканалу через приемо-передающий модуль диапазона 2,4 ГГц в эфир. В состав электронной пломбы помимо радиомодуля включен микроконтроллер с низким энергопотреблением и компактная аккумуляторная литиевая батарея. Корпус пломбы выполнен из ударопрочного пластика. Срабатывание пломбы происходит размыканием контакта при е вскрытии. Состояние контакта постоянно считывается микроконтроллером и отправляется в эфир по запросу от УСПД через заданные промежутки времени. Задачей контроллера является постоянное прослушивание эфира в ожидании получения команд, поступивших по сети, организованной пломбами от УСПД, либо получения сигнала тревоги от какой-либо из пломб, находящихся в радиусе действия приемника о трансляции сигнала тревоги. В случае несанкционированного вскрытия пломбы микроконтроллер обнаруживает срабатывание контакта и начинает непрерывно посылать сигналы тревоги в эфир. Сигнал тревоги при переходе соседних пломб в активный режим обнаруживается и дублируется последовательно в эфире в порядке убывания нумерации пломб в сторону расположения УСПД. В итоге сигнал тревоги мгновенно распространяется по беспроводной локальной сети в обе стороны от сработавшей пломбы и достигает приемника УСПД. При получении сигнала тревоги,УСПД подтверждает его получение отправкой ответной команды на отключение всех активных пломб и перевод их в нормальный режим охраны и подтверждения получения сообщения сработавшей пломбе. Организационно сеть формируется на этапе установки пломб на запорные механизмы охраняемых объектов с одновременной привязкой их положения в будущей локальной сети путем присвоения ей порядкового номера. Параллельно в интерактивном режиме на смартфоне идет привязка устанавливаемой пломбы к номеру вагону или платформе с грузом внесением их номеров во внутреннюю таблицу. Главное при этом, чтобы соблюдался принцип изменения порядкового номера, в сторону увеличения или уменьшения. Некоторые номера могут быть пропущены,поскольку пломбы уже сняты или не установлены,но сеть должна продолжать функционировать на оставшихся пломбах. По окончании процесса пломбировки эта таблица по беспроводному интерфейсу со смартфона передается в память УСПД, который таким образом узнает о составе сети, количестве пломб за которыми устройству предстоит вести мониторинг. Алгоритмически процесс передачи сигнала от сработавшей пломбы выглядит следующим образом. Пломба начинает отправлять сообщения в радиоэфир. Пломбы работают асинхронно, часть находится в активном режиме, другая в спящем. В пределах радиуса действия сработавшей пломбы может находиться несколько пломб, которые могут вернуться в активный режим ранее пломбы, к которой по алгоритму обращается аварийная пломба. Такие пломбы уже не возвращаются по своему рабочему циклу в режим сна и ожидают обращения к ним для трансляции тревожного сообщения. Этот процесс показан на рисунке 6. Для примера пломба номер 8 отсутствует и не участвует в процессе охраны и формировании локальной сети. Не требуется ожидания с задержкой до момента активизации каждой пломбы и последовательной передачи по цепочке сообщения, поскольку проснувшиеся пломбы уже готовы к обращению к ним и мгновенной передаче информации по цепочке далее. Линия от 10 пломбы к 6, от 6 к 3 на фиг.6 демонстрирует, как далеко может передаваться сообщение за то время, которое необходимо для пробуждения и установления сессии обмена с соседней пломбой. Полезная модель осуществляется следующим образом. Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером, описанным ниже, который наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата. Энергосбережение достигается отключением неиспользуемых электронных модулей в электронной пломбе, из которых особенным потреблением выделяются приемник и передатчик. Причем часть рабочего времени в режиме сна находится и сам контроллер, управляющий всеми процессами пломбы. При длительности активной фазы, составляющей 0,2 секунды и нахождения устройств в режиме сна в течении 8 секунд, когда потребление тока от батареи составляет микроамперы или практически равно нулю,электронная пломба функционирует в режиме охраны от внутренней аккумуляторной батареи 1300 мА/час при среднем потреблении 1,5-5 А,длительный срок, достигающий до одного месяца без перезарядки. Срок работы пломб от одного заряда батареи также зависит от периодичности программных опросов сети со стороны УСПД, что увеличивает общее потребление за счет самого энергоемкого потребителя - передатчика, а также температуры окружающей среды, влияющей на характеристики аккумуляторной батареи. При цикличности опросов со стороны УСПД локальной сети пломб через 30 минут потребность в последующей подзарядке аккумуляторов пломб может потребоваться только через 2-3 недели, чего по времени достаточно для осуществления нескольких поездок пломб с охраной сопровождаемых грузов. Радиомодуль может работать в топологии звезда, без возможности выхода за ее пределы. В полезной модели предлагается способ использовании данного типа радиомодулей в топологии цепочка. При выходе в эфир пломбы под номером 10, ее могут обнаружить переходящие в активный режим ближайшие пломбы,находящиеся в ее радиусе действия, который может составлять в разных случаях от 20 до 50 и более метров. Но алгоритм передачи сообщения реализован таким образом, что все пломбы после активации сети и постановки под охрану имеют информацию, в какой стороне сети от их расположения в цепочке располагается устройство УСПД. Эта информация загружается по беспроводному интерфейсу в память всех пломб после первого опроса локальной цепи со стороны УСПД. К примеру, УСПД располагается в сторону уменьшения порядковых номеров. Тогда информацию от просигнализировавшей пломбы под номером 10 передает дальше по сети пломба номер 9, за ней должна под номером 8, но она изначально отсутствовала, следовательно, следующая под номером 7 и так далее, пока информация не достигнет УСПД. Если пломба 6 проснется ранее пломбы 9, она уже не засыпает, а ждет своей очереди обращения к ней со стороны пломбы 7. Согласно фиг.6 в каждый момент времени в эфире только одно устройство, остальные в режиме прослушивания. Пломба 6 получает сообщение от пломбы 7, отвечает ей, что сообщение получено. Пломба 7 переходит в режим приема. Пломба 6 обращается к пломбе 5 и при получении ответа, что подтверждает факт приема сообщения, перестает передавать сигналы в эфир, в противном случае следует повторное обращение к пломбе 5, пока не будет получено подтверждение. Далее процедура повторяется со всеми следующими пломбами в сети с меньшими номерами. В частном случае, при использовании топологии звезда в одном кластере могут организовываться усеченные лучи этой топологии, к примеру пломбами 7-6-5, 6-5-4, 5-4-3 и так далее. Но, при использовании предложенного полезной моделью алгоритма, эти отдельные кластеры объединяются в единую цепочку через соседние между ближайшими кластерами пломбы. При этом, крайние пломбы в одном кластере играют роль конечных устройств, а центральная в собственном кластере выполняет роль объединяющего эти конечные устройства и по функции является аналогом маршрутизатора в стандарте . После достижения передаваемого сигнала УСПД, последняя электронная пломба подтверждает получение сигнала сработавшей пломбе, но пока еще активной сети обратно. Сообщение мгновенно в порядке увеличения присвоенного пломбам номера возвращается и все пломбы вновь переходят в стандартный режим охраны с чередованием активной и фазы сна. Функционирование устройств в таком режиме позволяет им обходиться без подключения к внешнему источнику электропитания и выполнять заложенные в систему функции охраны сопровождаемых железной дорогой грузов. Отличительной чертой заявленной полезной модели является выявление локальной сетью отсутствующих по каким либо причинам зарегистрированных первоначально в сети пломб, к примеру - поврежденных, блокированных. Для этих целей в алгоритме передачи вдоль локальной сети предусматривается обязательная передача информации по цепочке от пломбы к пломбе, без 5 пропусков, хотя радиус действия позволяет перескакивать через группу пломб. При этом,появляется дополнительная функция системы охраны, когда пломба с меньшим номером контролирует неоднократное игнорирование обращения по радиоэфиру ближайшей и с большим номером пломбы и далее принимает на себя очередность передачи сообщения, добавляя в него при этом информацию об отсутствующей пломбе. Конечным результатом заявленной полезной модели является построение автономной от внешнего электропитания и полностью мобильной автоматизированной системы с такими отличительными чертами- контроль наличия соседних пломб и в случае их неоднократного выпадения из эфира передача сообщения в УСПД- простота в установке и снятии при постановке на охрану- возможность работы в группе, территориально расположенной прямолинейно на удаленности элементов группы от начала до конца линейки до 2 км- отправляемое в диспетчерский пункт единое сообщение содержит всю полноту информации обо всех электронных устройствах охранной группы,объединенных в единую сеть возможность отправки сообщений в диспетчерский пункт и сопровождающему состав персоналу охраны любым доступным на текущий момент видов связи, мобильной через /,спутниковой по стандарту , тем самым позволяя снизить общие расходы на организацию и содержание системы безопасности перевозок грузов в масштабах государства. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ 1. Автоматизированная система контроля охраны вагонов и контейнеров, включающая антенну и спутниковый модуль, антенну и модуль /,антенну и радиомодуль, источник питания модулей,контроллер и аккумуляторную батарею,отличающаяся тем, что содержит линейно соединенные между собой,по меньшей мере, одно устройство сбора и передачи данных, включающее антенну и модуль, микроконтроллер , интерфейсную плату с источником питания модулей,аккумуляторную батарею,по меньшей мере, одну электронную пломбу,включающую антенну и радиомодуль,комбинированный датчик открывания пломбы,микроконтроллер , интерфейсную плату с источником питания модулей, аккумуляторную батарею,терминальное устройство,представляющее собой смартфон на основе операционной системы с программным обеспечением,и снабженное дополнительным шлюзом. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный шлюз содержит радиопередающий модуль стандартадля связи со смартфоном, контроллер, и радиомодуль для связи с элементами сети. 3. Система по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что радиомодуль выполнен на микросхеме 2401.