close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Обоснование параметров системы радиочастотного мониторинга лесного фонда

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ПОБЕДИНСКИЙ Андрей Анатольевич
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ
РАДИОЧАСТОТНОГО
МОНИТОРИНГА ЛЕСНОГО ФОНДА
05.21.01 - Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Екатеринбург - 2018
2
Работа выполнена на кафедре автоматизации производственных процессов ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет».
Научный
руководитель
– Санников Сергей Петрович
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Уральский
государственный лесотехнический университет», доцент
кафедры автоматизации производственных процессов
Научный
консультант
– Побединский Владимир Викторович
доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Уральский
государственный лесотехнический университет», профессор
кафедры сервиса и технической эксплуатации транспортных
и технологических машин
Официальные
оппоненты:
– Казаков Николай Владимирович
доктор технических наук, доцент, ООО «Аэростатнокомплексные системы» (г. Хабаровск), директор
– Танрывердиев Илья Орунжиевич
кандидат технических наук, ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет», доцент кафедры
проектирования
и
производства
электронновычислительных средств
Ведущая
организация
– ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный
лесотехнический университет им. С.М. Кирова»
Защита диссертации состоится 25 апреля 2018 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.281.02 при ФГБОУ ВО «Уральский государственный лесотехнический университет» (620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский
тракт, 37), к. 401.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «Уральский
государственный лесотехнический университет».
Автореферат разослан «___» ___________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор технических наук, доцент
Шишкина Елена Евгеньевна
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В настоящее время в лесной отрасли все актуальнее
становятся проблемы сохранения и эффективного использования лесов. Несмотря на большой исторический опыт России в управлении лесами, в новых
социально-экономических условиях усиливающихся природных и техногенных
катастроф существующие подходы к лесоуправлению требуют совершенствования, а это в первую очередь требует организации контроля за состоянием
лесного фонда. Такая концепция нашла законодательную поддержку на правительственном уровне [79, 84], где в числе мероприятий по совершенствованию
системы федерального государственного лесного надзора (лесной охраны) и
федерального государственного пожарного надзора в лесах указаны меры по
созданию новых дистанционных систем наземного, авиационного и космического мониторинга пожарной опасности, защиты от незаконных рубок и использованию инновационных информационных технологий.
В этом направлении еще с 60-х годов прошлого столетия активно развивались методы аэрокосмического наблюдения за лесом. Были созданы региональные авиаотряды охраны лесов, имеются системы спутникового слежения за
массивами лесов, используется аэрофотосъемка. Также развивается видеонаблюдение лесов со стационарных вышек и с использованием беспилотных летательных аппаратов. К наблюдению подключена геоинформационная система,
но существующий мониторинг не обеспечивает ни контроль перемещений сырьевых потоков, ни выявление пожаров в начальной стадии их возникновения
и, тем более, основную информацию о лесном фонде. Как следствие, количество несанкционированных вырубок и пожаров увеличилось до катастрофических объемов. Реальная доля незаконно заготавливаемой древесины оценивается
в 20-25 % от общего объема рубок, а нарушения по кубомассе достигают 40 %.
В отдельных регионах до 50 % заготавливаемой древесины имеют нелегальное
происхождение. В огне лесных пожаров ежегодно уничтожаются тысячи гектаров леса, жилые поселки, гибнут люди.
Аналогичная ситуация с созданием новых систем мониторинга и в зарубежной практике. Вместе с тем, отечественный и зарубежный опыт последних
лет показал, что развитие информационных технологий, достижения математики в различных областях элементной базы позволяют решать ранее недоступные для практической реализации задачи конструктивного исполнения систем
мониторинга. Промышленность выпускает любое оборудование и комплектующие элементы для создания подобных конструкций, однако отсутствие теоретических разработок, посвященных вопросам проектирования таких систем, не
позволяет в полной мере реализовать достижения прогресса и создавать новые
системы, обеспечивающие необходимые на сегодняшний день функциональные
требования.
Следует отметить еще одну, связанную с мониторингом леса, нерешенную проблему. Специфика лесной среды характеризуется изменчивостью параметров в широких пределах, что делает задачу исследований и проектирования
систем мониторинга чрезвычайно сложной. И если по отдельным элементам
4
леса имеется огромная база таксационных статистических данных, то для описания параметров лесной среды в целом статистические методы будут неприемлемы, т.к. параметры характеризуются свойствами неопределенности, и в
этом случае необходимо использовать аппарат теории нечетких множеств.
Степень разработанности темы. Мониторингу состояния лесного покрова в РФ посвящена работы Казакова Н.В., Абузова А.В, Фомина В.В., Полевщиковой Ю.А., Симоненкова М.В., Губаева А.В., Громова И.А., Танрывердиева И.О. и др. Эти исследования имеют большую научную и практическую ценность при изучении проблемы состояния лесов. Также подобные исследования
проводятся учеными из США, Индии, Китайской Народной Республики и Европейского Союза (Nelson et al., 2011; Kharol et al., 2013; Yang et al., 2014; Hostert et
al., 2011). Однако во всех исследования рассматриваются системы на основе спутниковой связи, ГИС, а не наземного типа и, тем более, не в виде сети радиочастотных устройств. Это обстоятельство обусловило выбор темы, определило цели
и задачи исследований.
Таким образом, разработка новых систем мониторинга, обеспечивающих
непрерывный контроль состояния лесного фонда, движения сырьевых потоков,
обнаружения лесных пожаров в начальной стадии возникновения, а также методов исследования и проектирования таких систем, позволяет решить важную
практическую задачу и является чрезвычайно актуальной.
Целью исследований была разработка системы радиочастотного мониторинга лесного фонда с возможностью непрерывного контроля движения лесосырьевых потоков и раннего обнаружения лесных пожаров.
Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:
- на основе анализа результатов работ, посвященных различным системам
мониторинга, определить наиболее перспективный метод, тип и принципиальное
решение системы мониторинга лесного фонда;
- разработать модель информационного обеспечения автоматизированной
системы лесоуправления и лесопользования на основе непрерывного мониторинга лесного фонда;
- выполнить обоснование принципиальной схемы, топографии сети и параметров устройств мониторинга;
- выполнить теоретические исследования распространения электромагнитных волн в лесной среде, разработать модели информационных потоков в
сети радиочастотного мониторинга и падения мощности сигнала в лесной среде;
- обосновать функциональные зависимости основных параметров системы радиочастотного мониторинга с применением нечетких моделей и в виде
продукционной нейронечеткой сети;
- выполнить экспериментальные исследования работы системы радиочастотного мониторинга в лесной среде, получить необходимые данные для проектирования таких систем и подтвердить адекватность теоретических моделей;
- для обеспечения использования результатов исследований в практике
разработать методику и алгоритм программы для проектирования систем радиочастотного мониторинга и оценить экономическую эффективность от внед-
5
рения результатов исследований в проектно-конструкторскую практику и лесную отрасль.
Объект исследований. Участки леса с различными характеристиками.
Предмет исследований. Закономерности влияния характеристик лесной
среды, конструктивного исполнения, топографии сети устройств RFID и лесосырьевых потоков на основные параметры системы радиочастотного мониторинга.
Методы исследований. Для проведения исследований в качестве основных научных методов использованы методы математического и нечеткого моделирования, лесной таксации, процессов лесозаготовок, теории информации и
передачи сигналов, теории массового обслуживания, математического моделирования систем связи, математической статистики, автоматического управления, цифровой обработка сигналов, методы расчета УКВ полей в лесных районах и теория эксперимента.
Научная новизна. Впервые разработана модель информационного обеспечения автоматизированной системы лесоуправления и лесопользования на
основе мониторинга лесного фонда.
Предложены конструктивное исполнение системы радиочастотного мониторинга лесного фонда в виде сети устройств RFID, математические модели
информационных потоков в системе, модель комплексной диэлектрической
проницаемости лесной среды в виде нейронечеткой продукционной сети и результаты экспериментальных исследований, включающие зависимости основных параметров системы от влияющих факторов. Новой является методика
проектирования системы радиочастотного мониторинга лесного фонда.
На защиту выносятся следующие результаты:
- модель информационного обеспечения автоматизированной системы
лесоуправления и лесопользования на основе мониторинга лесного фонда;
- конструктивное исполнение системы радиочастотного мониторинга
лесного фонда в виде сети устройств RFID;
- математические модели информационных потоков в системе радиочастотного мониторинга лесного фонда;
- математическая модель падения мощности сигнала в лесной среде;
- модель комплексной диэлектрической проницаемости лесной среды в
виде нейронечеткой продукционной сети;
- экспериментально полученные зависимости параметров системы радиочастотного мониторинга лесной среды от технологических параметров.
Достоверность результатов. Обоснованность результатов определяется
обращением к известным экспериментальным данным для расчетов и сопоставлений результатов, корректным использованием современных методов исследования, накопленным опытом работы по лесной таксации, непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, полученных теоретическим путем,
проведением оценки адекватности разработанных моделей с использованием
экспериментальных данных. Полученные алгоритмы реализованы на компьютере и апробированы в учебном процессе кафедры автоматизации производ-
6
ственных процессов УГЛТУ в качестве новой учебной дисциплины «Радиочастотный мониторинг лесного фонда».
Практическая ценность работы и ее реализация в промышленности. В
результате исследований определены параметры системы радиочастотного мониторинга лесного фонда, обеспечивающей контроль сырьевых потоков и раннее обнаружение лесных пожаров. Разработана методика проектирования системы мониторинга в виде сети устройств RFID. Результаты исследований были приняты для использования в практике создания систем мониторинга ООО
«УралНИИЛП» (г. Екатеринбург).
Результаты исследований составили содержание НИОКР «Экологический
и экспериментальный мониторинг лесов и управление ими на основе технологии RFID» (рег. № 01 ЛИФ-2009) и раздел «Разработка методики и регламента
на проведение мониторинга движения сырьевых потоков в лесопромышленном
производстве на основе технологий RFID» в отчете НИОКР «Разработка новых
технологий заготовки и переработки древесного сырья в рамках научноисследовательских программ Уральского лесного технопарка» (рег. № 11-01).
Экономическая эффективность от внедрения предлагаемой по результатам исследований системы мониторинга составляет более 60 млн. руб. в год для
условий Тюменской области, а срок окупаемости не более 1 года.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует пункту 1 «Исследование параметров и показателей предмета труда, деревьев и их частей, природно-производственных условий произрастания лесов и лесопользования, создание информационной базы»,
пункту 9 «Автоматизация управления машинами, выбор систем учета лесопродукции, эргономики и безопасность условий труда», пункту 14 «Разработка
инженерных методов и технических средств обеспечения экологической безопасности в лесопромышленном и лесохозяйственном производствах» паспорта специальности 05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства».
Апробация. Результаты исследований докладывались и обсуждались на
кафедрах сервиса и эксплуатации транспортных и технологических машин,
автоматизации технологических процессов Уральского государственного лесотехнического университета, кафедре лесного хозяйства, деревообработки и
прикладной механики Государственного аграрного университета Северного
Зауралья, а также прошли апробацию на XI Международной научнотехнической конференции «Лесная наука в реализации концепции уральской
инженерной школы: социально-экономические и экологические проблемы лесного сектора экономики» 4-5 апреля 2017 г. (Екатеринбург), XIII Всероссийской
научно-технической конференции студентов и аспирантов «Научное творчество
молодежи – лесному комплексу России» 25-26 апреля 2017 г. (Екатеринбург).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ [114-127], в том числе 6 работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, выводов и рекомендаций, списка литературы из 126 наименований. Основное содержание изложено на 194 страницах, содержит 72 рисунка, 16 таблиц.
7
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении рассмотрены основные положения диссертационной работы, обоснована актуальность исследований, дана краткая аннотация работы.
В первой главе выполнен анализ состояния проблемы мониторинга леса,
изучены конструкции систем, известных в мировой практике, выявлены тенденции их совершенствования, в числе которых нужно отметить попытки в зарубежных работах исследовать наземные беспроводные системы мониторинга.
В этом направлении получены некоторые результаты, но полноценная система
радиочастотного мониторинга еще не создана. Таким образом, было определено, что наиболее перспективным будет использование наземной системы в виде
сети устройств RFID (радиочастотной идентификации), которая в настоящих
исследованиях и рассматривается с точки зрения базовой системы.
Следует отметить, что такие исследования ранее не проводились, кроме
работы д.т.н. Попова (Латвия), где рассмотрены вопросы распространения радиоволн в лесу. Поэтому в некоторой степени близкими к настоящей теме могут быть исследования д-ров техн. наук Н.В. Казакова, А.В. Абузова, канд.
техн. наук С.В. Князевой, А.Л. Магазинниковой, Ю.А Полевщиковой, также
известны работы авторов д-ров техн. наук Е.А. Лупяна, С.А. Барталева, канд.
техн. наук Д.В. Ершова, В.А. Толпина, Ф.В. Стыценко.
В качестве новых методов исследований в условиях неопределенностей с
применением нечеткого моделирования можно привести работы зарубежных
авторов Л. Заде, А. Пегата, Е.Н. Мамдани. В России эта тема получила развитие
в работах д-ров техн. наук А.В. Леоненкова, Н.Г. Ярушкиной, Ю.А. Гастева и
др. В лесной промышленности известны работы д-ров техн. наук Н.К. Климушева, В.В. Побединского, канд. техн. наук А.В. Андрейчука, А.А. Дубинина.
Ряд положений настоящей работы в дальнейшем базируется на этих исследованиях.
Обзор исследований показал, что, несмотря на интенсивный поиск новых
технологий, достаточно эффективная система, способная отслеживать лесосырьевые потоки, появление пожаров в начальной стадии из возгорания с возможностью использования этой системы для сбора информации о состоянии
лесного фонда, а в перспективе с автоматизированной системой лесоуправления, еще далека от создания. Также в российской и зарубежной печати отсутствуют работы, посвященные использованию современных методов нечеткого
моделирования для исследований параметров лесной среды, характеризующихся неопределенностью, недостаточностью данных.
На основании анализа состояния проблемы мониторинга леса, выявлена
актуальность темы, ее чрезвычайная сложность и многоплановость, а для решения проблемы определен ряд научных первоочередных задач, включающих
обоснование типа и конструктивного исполнения системы, задач теоретических
и экспериментальных исследований информационных потоков в системе мониторинга и их параметров, а также разработана общая методология исследований.
Вторая глава посвящена обоснованию конструктивных параметров системы мониторинга лесного фонда.
8
Учитывая исключительно широкие возможности современных технологий мониторинга, а также их актуальность, первоначально была разработана модель информационного обеспечения системы лесоуправления, отвечающая современным требованиям законодательных актов и проблемам лесной
отрасли.
В главе приведены результаты обоснования типа системы мониторинга
лесного фонда. В этом плане предложена система, аналогичная с использованием известных в зарубежной практике элементов ZigBee, которые объединяются
в виде радиочастотной беспроводной наземной сети. Для этой системы предложены основные технические средства и стандарт протокола обмена информацией в сети мониторинга. Рассматриваемая система является многофункциональной, поэтому объединяет системы двух типов. Так, для контроля состояния лесной среды, прироста древостоя, фитомассы, таксационных характеристик должна быть система пассивного типа с датчиками без автономных источников тока,
а для следящих систем, сигнализирующих о возникновении пожаров, движении
сырьевых потоков, должны применяться системы активного типа с автономными источниками питания. Проблема длительного энергопитания системы решена путем использования современных известных элементов, последние образцы
которых на сегодня имеют срок службы до 20 лет, и предложенных альтернативных источников питания.
На основе анализа существующих в мировой практике средств дистанционной передачи информации разработана соответствующая классификация, и
основные конструктивные параметры системы мониторинга были определены
экспертным путем по совокупности параметров (скорости передачи данных,
времени ожидания, энергоэффективности, дальности действия, пикового энергопотребления и др.).
Исследования параметров информационных потоков показали, что, используя различные частоты и модуляцию сигнала, закодированного в RFIDметках, их возможности по объему информации становятся практически неограниченными. Взаимосвязь элементов RFID-метки и считывателя, входящих
в систему RFID мониторинга показана на принципиальной схеме функционирования системы (рисунок 1).
Рисунок 1 – Принципиальная схема функционирования системы RFID
9
В завершении первого этапа были обобщены основные положения исследований конструктивных параметров системы мониторинга. В результате
разработана классификация комплектующих устройств системы, предложено
терминологическое определение радиочастотного мониторинга лесной среды
Третья глава посвящена исследованиям топографии системы мониторинга, потоков информации в структуре сети мониторинга и проблемы оценки рассеяния радиочастотного сигнала в лесной среде. В результате предложена система радиочастотного мониторинга в виде сети устройств RFID, изображенная
на схеме (рисунок 2). Разработанные схемы расположения устройств RFID в
лесу с датчиками контроля перемещения показаны на рисунках 3, 4.
а)
б)
а – сетевая модель системы; б – схема графа информационной сети
Рисунок 2 – Схема системы радиочастотного мониторинга
в виде сети устройств RFID
а)
б)
Рисунок 3 – Схемы расположения сканирующих устройств
на второстепенных (а) и магистральных (б) дорогах
Для проведения исследований маршрутов потоков информации в структуре сети мониторинга были разработаны расчетные модели распространения
прямой волны в лесной среде (рисунок 5) и геометрическая расчетная модель
распространения луча радиоволны (рисунок 6).
В результате исследований потоков информации в сети устройств RFID
разработано математическое описание маршрутов потоков информации в
структуре сети, количества информации в потоках по каналам сети, информационных характеристик сигналов в сети.
10
а)
б)
в)
- просека;
- дорога;
а – выборочная (сплошная) установка датчиков; б – установка датчиков по координатной
сетке; в – установка датчиков по периметру участка (в узлах, пересечениях просек и т. д.)
Рисунок 4 – Схемы расположения системы RFID на лесном участке
H, L – координаты модели (высота, расстояние); Tx, Rx –трансмиттер, приемник; U(x) – энергия источника электромагнитных волн, которая ослабляется на пути L; ld – координата

приемной антенны с диаметром dант; ra – энергии электромагнитной волны в точке приема ld
Рисунок 5 – Расчетная модель распространения прямой волны в лесной среде
U, U(x) – энергия источника электромагнитных радиоволн и вектор ее распространения;
ra – радиус-вектора расстояния до антенны ресивера (приемника); dант – диаметр антенны
(луча электромагнитных волн); ld – координата приемной антенны; L – протяженность
распространения радиоволн; в – длина антенны; α – угол раствора луча
Рисунок 6 – Геометрическая расчетная модель распространения луча радиоволны
В результате исследования характеристик распространения радиосигналов получена модель рассеивания радиоволн в лесной среде:
11


 Gd 2 ант *

W (l d )  exp ikld 1 
(  1)  ,
(1)
4



где l – расстояние от источника радиоволны до точки измерения;
dант – диаметр антенны (луча электромагнитных волн).
ε*– комплексная диэлектрическая проницаемость лесной среды
в точке приема сигнала;
k – волновое число лесной среды;
G – коэффициент пропорциональности, густота
деревьев в лесной среде;
i – мнимая единица, равная √-1.
Полученные модели необходимы для выполнения проектирования систем
радиочастотного мониторинга леса.
В четвертой главе изложены результаты исследований одного из важнейших параметров для проектирования систем радиочастотного мониторинга
– диэлектрической проницаемости лесной среды.
В общем виде схема исследуемой системы приведена на рисунке 7.
Для оценки диэлектрической проницаемости с использованием аппарата
нечеткого моделирования была разработана нейронечеткая продукционная сеть
(рисунок 8).
RFID-1 – RFID-4 – датчики; Р – мощность сигнала; W – влажность; T – температура;
n – количество деревьев; L – расстояние между датчиками; Vi – объемная доля i-го
компонента лесной среды; α – константа вида лесного массива; εк – комплексная
диэлектрическая проницаемость
Рисунок 7 – Схема системы радиочастотного мониторинга лесного фонда
Нейронечеткая продукционная сеть вывода функции εк = f(Y12, Y34) = f(V, α,
W, T) программно реализована в среде Simulink приложения Matlab (рисунок 9).
Предлагаемая нейронечеткая модель диэлектрической проницаемости
участка леса учитывает основные параметры лесной среды, климатические
факторы и позволяет реализовать принципиально новый подход к решению
задачи.
12
Х1
V
Х2
α
Х3
W
Х4
T
НВ
Y12
НВ
НВ
ε
Y34
X1 - X4 – входные параметры; Y12 – объемно-видовой фактор лесной среды;
Y34 – фактор климатический
Рисунок 8 – Схема нейронечеткой продукционной сети моделирования
величины диэлектрической проницаемости εк = f(Y12, Y34) = f(V, W, α, T)
в)
а)
б)
а – модель в Simulink-формате; б – фрагмент m-файла организации вывода данных;
в – форма пользовательского интерфейса программы ввода данных
Рисунок 9 – Нейронечеткая продукционная сеть вывода функции
εк = f(Y12, Y34) = f(V, α, W, T) в среде Simulink приложения MatLab
В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований,
целью которых являлась проверка адекватности моделей диэлектрической проницаемости и падения мощности сигнала при радиочастотном мониторинге
лесной среды, а также получение экспериментальных зависимостей этих величин от различных параметров.
Для достижения цели в экспериментальных исследованиях решались следующие задачи:
- разработка методики проведения лабораторных экспериментов;
- разработка методики натурных экспериментальных исследований радиочастотного мониторинга лесной среды;
- разработка аппаратуры проведения лабораторных экспериментов;
- разработка измерительной аппаратуры для проведения натурных экспериментов;
- выполнение лабораторных измерений диэлектрической проницаемости
древесины;
- выполнение натурных измерений параметров лесной среды;
- обработка результатов экспериментальных исследований;
- анализ результатов экспериментальных исследований.
Структурная схема установки сети устройств RFID и экспериментальный
13
комплекс приведены на рисунках 10-12, а фрагменты натурных экспериментальных исследований в лесу показаны на рисунке 13. Исследования проводились в Красноуфимском ЛПХ (Свердловская область), в парке Лесоводов России (г. Екатеринбург) и в лаборатории кафедры автоматизации производственных процессов УГЛТУ. Некоторые обработанные данные с регрессионными
зависимостями в формате интерфейса программы «STATISTIСA» приведены
на рисунке 14. В таблице 1 приведены результаты оценки диэлектрической
проницаемости древесины. Для оценки мощности принимаемого сигнала P в
зависимости от расстояния между L получены регрессионные модели (рисунок
15-16):
- для открытого пространства P = – 27,72 – 25,82lоg L,
(2)
- для лесной среды P = – 24,49 – 24,25lоg L,
(3)
1
2
5
4
3
1 – компьютер; 2 – анализатор спектра; 3 – XBee
модуль (приемник); 4 – передатчик; 5 – датчик
RFID; 6,7 – таймер
Рисунок 10 – Структурная схема
установки сети устройств RFID
1 – образцы; 2 – датчики;
3 – антенна; 4 – приемник;
5 – компьютер
Рисунок 11 – Экспериментальный комплекс
1 – объект исследования; 2, 3 – антенны передатчика (Tx) и приемника (Rx);
4 – модули Xbee XB24-Z7SIT-004; 5 – компьютер
Рисунок 12 – Экспериментальный комплекс для лабораторных исследований
14
Таблица 1 – Диапазон изменения действительной и мнимой части
диэлектрической проницаемости древесины
Порода
древесины
(хвоя)
Ель
Сосна
Частота 868,0 МГц
Действительная
Мнимая
диэлектрическая
диэлектрическая
проницаемость, ε'
проницаемость, ε
40—56
14—16
35—50
11,5—14
Частота 2400,0 МГц
Действительная
Мнимая
диэлектрическая
диэлектрическая
проницаемость, ε'
проницаемость, ε
30—55
11—16
35—48
10—12,5
а)
б)
в)
а – крепление приемника на дереве; б – установка передатчика на точке измерения; в – схема
выполнения эксперимента; 1 – передатчик; 2 – приѐмник; 3 – промежуточное положение
приѐмника; 4 – лесная среда
Рисунок 13 – Выполнение натурных экспериментальных исследований
а)
б)
а – береза – 1; осина – 2;
б – пихта – 1; ель – 2; сосна – 3; 4 – лиственница; кедр – 5
Рисунок 14 – Усредненные данные рассеивания различных пород
Рисунок 15 – Зависимость
ослабления мощности сигнала
● – в лесном массиве,
Δ – на открытом пространстве
Рисунок 16 – Сравнительные
зависимости мощности приема
от расстояния
15
Шестая глава посвящена проработке вопросов практического применения результатов исследований и оценке экономического эффекта. С использованием результатов проведенных исследований разработаны методика и программы для проектирования сети.
Рассчитан экономический эффект от внедрения результатов исследований, который проявляется в двух направлениях:
- на стадии проектирования за счет сокращения сроков создания новых
моделей и повышения качества разработки проектов систем мониторинга;
- на стадии использования систем за счет практически исключенных хищений лесоматериалов и раннего обнаружения лесных пожаров.
В настоящей работе расчеты показали, что внедрение результатов в практику обеспечивает экономическую эффективность более 60 млн. руб. в год для
Тюменской области, а срок окупаемости составляет менее 1 года.
7 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Как показано в настоящих исследованиях, за последние два десятилетия
важнейшую роль в процессе совершенствования процессов лесоуправления
сыграло использование информационных технологий, в первую очередь для
мониторинга лесного фонда. Именно эти изменения в управлении и обеспечат
преимущества современных технологий в сравнении с применявшимися ранее.
Однако именно в этом направлении наблюдается отставание как в области исследовательских работ, так и в лесопромышленном производстве. Из результатов исследований видно, что дальнейший прогресс в совершенствовании лесоуправления и лесопользования может быть достигнут, главным образом, путем
внедрения систем мониторинга, информационных баз данных лесного фонда.
В настоящей работе сделан определенный шаг в этом направлении, предложены тип, топография и конструктивное решение системы радиочастотного
мониторинга, предложены модели для расчета основных параметров системы.
Вся работа ориентирована на внедрение информационных технологий в
научные исследования и практику лесоуправления и лесопользования. В этой
связи использованы современные наиболее развитые системы математики в
инженерных расчетах Matlab с приложениями нечеткого моделирования.
Подытоживая, можно заключить, что в настоящей работе решена актуальная научно-техническая задача, имеющая существенное значение для развития лесной отрасли. В целом, полученные результаты по направленности применения можно разделить на следующие группы:
- общая рекомендация по актуальному направлению дальнейшего совершенствования лесоуправления на базе системы информационного обеспечения
о состоянии лесного фонда;
- модели основных параметров для проектирования систем мониторинга;
- методики и средства выполнения лабораторных и натурных экспериментов по исследованию параметров древесины и лесной среды при радиочастотном мониторинге.
16
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
В процессе исследований получены следующие основные результаты,
выводы и рекомендации.
1 На основании исследований показано, что внедрение в лесную промышленность информационных технологий, систем мониторинга, информационных баз данных обеспечит им значительное повышение технического уровня
и наибольший эффект. В этой связи со всей очевидностью возникает необходимость скорейшего проведения соответствующих научно-исследовательских
работ.
2 Разработанная модель информационного обеспечения базы данных о
состоянии лесного фонда для системы лесоуправления будет соответствовать
современным требованиям законодательных актов и функционально задачам
лесной отрасли.
3 Обоснован тип и конструктивное решение системы мониторинга в виде
наземной сети устройств RFID (по типу элементов ZigBee протокол IEEE
802.15.4), которое обеспечивает контроль сырьевых потоков с точностью до одного ствола, а возникновение лесных пожаров фиксирует в начале задымления.
4 Предложено математическое описание информационных потоков в сети
устройств RFID.
5 Разработана модель рассеивания радиочастотного сигнала в лесной среде, несовпадение результатов расчетов по которой с экспериментальными данными не превышает 27 %.
6 Создана модель в виде нейронечеткой продукционной сети для оценки
важнейшего параметра системы – комплексной диэлектрической проницаемости лесной среды, расхождение результатов расчета по модели с экспериментальными данными составляет в пределах 22-36 %.
7 Разработанные методика и аппаратура экспериментальных исследований параметров лесной среды и радиочастотного сигнала с автоматизированной
дистанционной передачей экспериментальных данных могут быть рекомендованы для дальнейших исследований в этой области и совершенствования систем мониторинга.
8 Перспективой дальнейшего совершенствования предложенной конструкции является создание автоматизированной системы лесоуправления на
основе предложенной модели информационного обеспечения.
9 Использование системы мониторинга в лесах Тюменской области с параметрами по результатам исследований обеспечивает расчетный экономический эффект более 60 млн. руб. в год, а срок окупаемости – менее 1 года.
17
Основные научные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
I. Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК
1. Побединский А.А. Метод мониторинга незаконных рубок деревьев с
использованием радиочастотных устройств и беспроводной сенсорной сети /
С.П. Санников, В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский // Системы. Методы. Технологии, г. Братск. – №1 (33). – 2017. – С. 118–123.
2. Побединский А.А. Метод радиочастотного мониторинга лесного фонда
/ С.П. Санников, В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский // Лесной вестник МГУЛ. – Т. 21. – № 2. – 2017. – С. 45–54.
3. Побединский А.А. Модель информационного обеспечения системы лесоуправления на базе радиочастотного мониторинга лесного фонда / С.П. Санников, В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский // Системы. Методы. Технологии, г. Братск. – № 2 (34). – 2017. – С. 118–123.
4. Побединский А.А. Зависимость диэлектрической проницаемости лесного фонда от климатических факторов при радиочастотном мониторинге /
С.П. Санников, В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия:
Лес. Экология. Природопользование. – 2017. – № 2 (34). – С. 28–36.
5. Побединский А.А. Модель рассеивания радиоволн в лесной среде /
С.П. Санников, В.В. Побединский, А.А. Побединский // Научный журнал Пензенского государственного университета. Измерение. Мониторинг. Управление.
Контроль. – 2017. – № 3 (21). – С. 39-48.
6. Побединский А.А. Экспериментальное исследование характеристик
сигнала при радиочастотном мониторинге лесной среды / С.П. Санников,
В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский // Вестник Поволжского
государственного технологического университета. Серия: Лес. Экология. Природопользование. – 2017. – № 4 (36). – С. 48-58. DOI: 10.15350/23062827.2017.4.48
II. Доклады к научным конференциям, статьи в сборниках научных трудов
7. Побединский А.А. Сбор данных о состоянии и транспортировке леса /
В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский // Лесная наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социально-экономические и
экологические проблемы лесного сектора экономики: матер. XI Междунар.
науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2017. – С. 85–88.
8. Побединский А.А. Методика проведения мониторинга движения лесосырьевых потоков в лесопромышленном производстве на основе технологии
RFID / С.П. Санников, В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский //
Лесная наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социально-экономические и экологические проблемы лесного сектора экономики: ма-
18
тер. XI Междунар. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т,
2017. – С. 88–91.
9. Побединский А.А. Нечеткий вывод зависимости падения мощности
сигнала от конструктивных параметров при радиочастотном мониторинге / С.П.
Санников, В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский // Лесная
наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социальноэкономические и экологические проблемы лесного сектора экономики: матер.
XI Междунар. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т,
2017. – С. 108–111.
10. Побединский А.А. Влияние анизотропных характеристик леса на распространение радиочастотного сигнала датчика / С.П. Санников, В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский // Лесная наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социально-экономические и экологические
проблемы лесного сектора экономики: матер. XI Междунар. науч.-техн. конф. –
Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2017. – С. 91–95.
11. Побединский А.А. Нечеткие модели для оценки падения мощности
сигнала при радиочастотном мониторинге в зависимости от параметров лесной
среды / С.П. Санников, В.В. Побединский, И.В. Бородулин, А.А. Побединский
// Лесная наука в реализации концепции уральской инженерной школы: социально-экономические и экологические проблемы лесного сектора экономики:
матер. XI Междунар. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн.
ун-т, 2017. – С. 111–114.
12. Побединский А.А. Влияние лесной среды на распространение радиочастотного сигнала RFID метки / И.В. Бородулин, С.П. Санников, В.В. Побединский, А.А. Побединский // Научное творчество молодежи – лесному комплексу России: матер. XIII Всерос. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Урал. гос.
лесотехн. ун-т, 2017. – C. 128–130.
13. Побединский А.А. Перспективные возможности использования RFIDтехнологии в управлении лесами / И.В. Бородулин, С.П. Санников, В.В. Побединский, А.А. Побединский // Научное творчество молодежи – лесному комплексу России: матер. XIII Всерос. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Урал. гос.
лесотехн. ун-т, 2017. – C. 131–133.
14. Побединский А.А. Экспериментальная оценка потери мощности радиочастотного сигнала в лесной среде / И.В. Бородулин, С.П. Санников, В.В.
Побединский, А.А. Побединский // Научное творчество молодежи – лесному
комплексу России: матер. XIII Всерос. науч.-техн. конф. – Екатеринбург: Урал.
гос. лесотехн. ун-т, 2017. – C. 133–136.
___________________________________________________________________________________________________________
Просим принять участие в работе диссертационного Совета или прислать
Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенными подписями
по адресу: 620100, г. Екатеринбург, ул. Сибирский тракт, 37, УГЛТУ,
диссертационный совет Д.212.281.02, e-mail: d21228102@yandex.ru
Подписано в печать ______________. Объем 1 авт.л. Заказ № _____. Тираж 100 экз.
620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37, ФГБОУ ВО «Уральский государственный
лесотехнический университет», Отдел оперативной полиграфии.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
8
Размер файла
1 461 Кб
Теги
мониторинг, радиочастотного, фонда, обоснование, система, лесного, параметры
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа