Интеграция системы видеонаблюдения в АСУ ТП зернопунктов

Введение. В электрифицированном агропромышленном производстве достаточно длительное время эффективно применяют автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Сфера применения АСУ ТП в агропроизводстве постоянно расширяется. На современной элементной базе создаются системы управления зернопунктов, мясо-молочных и птицеводческих товарных комплексов, тепличных хозяйств, овощехранилищ, заводов по переработке продукции агропроизводства, перспективных систем дифференцированного растениеводства и животноводства и ряда других производств.

Современный подход к ведению промышленного агропроизводства рассматривает объект аграрного производства (растения, животные), среду его обитания, техногенные комплексы производства, переработки и хранения сельскохозяйственной продукции в составе единой системы, где иерархически объединены системы управления производственными процессами, а также коллективы специалистов. Каждая система управления обеспечивает реализацию конкретного технологического процесса, обменивается актуальной информацией с АСУ ТП смежных и вышестоящих уровней. Все необходимые данные о функционировании отдельных АСУ ТП передаются на верхний уровень управления, а именно, в АСУ предприятием (АСУ П).

Специфика функционирования агропромышленных систем, в отличие от индустриальных систем, заключается в том, что объектом управления здесь, наряду с техногенными устройствами, являются живые самоорганизующиеся и саморазвивающиеся особи объекта аграрного производства (растения, животные) и его экологической среды обитания. Взаимодействие техногенных устройств между собой, их режимные параметры в значительной степени определяют состояние природной составляющей объекта аграрного производства. Также существует обратное взаимодействие: режимные параметры техногенных устройств меняют состояние объекта аграрного производства. Система управления агропроцессами должна обеспечить реализацию указанных состояний и взаимодействий.

Одна из наиболее сложных и важнейших проблем при формировании топологии структур АСУ ТП и АСУ П - получение данных о состоянии компонентов технобиоценоза, а также объективная интерпретация этих данных устройствами информационно-аналитического обеспечения для обработки и принятия адекватных реальным ситуациям технологии управленческих решений. При этом целесообразно, с целью упрощения и удешевления системы, минимизировать количество биосенсорных атрибутов, широко использовать универсальные многофункциональные устройства контроля параметров технологических процессов. Формирование структур систем управления и алгоритмов их работы целесообразно основывать на системном подходе.

Перспективным с точки зрения упрощения топологии, снижения стоимости производства и эксплуатации, унификации компонентов и программного обеспечения АСУ ТП сельскохозяйственного назначения является интеграция базового технологического оборудования автоматизированных систем с устройствами технического зрения и видеоконтроля агропроцессов [1-5]. Базовые методологические принципы проектирования обеспечивают подобным системам ряд технологических и экономических преимуществ при разработке и эксплуатации (достоверность, высокая наглядность и информативность контроля параметров процессов, оперативность управления техногенными и развивающимися и саморегулирующимися природными объектами, экономичность и др.) [1-5].

Использование информации о частных и обобщённых характеристиках состояния агропродукции на отдельных этапах технологического цикла увеличит интенсификацию технологических процессов аграрных производств, обеспечит дальнейшее совершенствование систем управления агротехнологиями.

Принципы интеграции АСУ ТП и устройств видеоаналитического наблюдения

В настоящее время в индустрии используется широкий спектр специализированных устройств технического зрения, подсветки (в световом, ультрафиоле товом и инфракрасном диапазонах), обеспечивающих достоверную точность изображения контролируемых характеристик объекта управления в различных, в том числе тяжёлых, условиях применения. В целях ускорения разработки и широкого внедрения интегрированных с устройствами технического зрения и видеоконтроля агропроцессов АСУ ТП (без выполнения НИОКР) целесообразно адаптировать научно-практический задел по применению аналогичных технических средств и программного обеспечения, используемый в других отраслях народного хозяйства.

Видеокамеры наблюдения отечественного и зарубежного (JVC, SONY, HITACHI, PANASONIC и др.) производства обладают широким спектром специальных возможностей: функционирование в тяжёлых условиях (агрессивная среда, высокие температуры, значимые механические воздействия, опасность взрыва и др.), прецизионная цветопередача, чёткость и скорость получения информации; с возможностью анализа данных, запись звука и др. Рациональный выбор видеооборудования способствует росту эффективности реализаций агротехнологий и обеспечивает:

• -    сокращение количества ошибок управления за счёт уменьшения интенсивности нагрузки обслуживающего персонала и упрощения контроля за его действиями;

• -    регулирование качества на всех этапах производства продукции, учёт биофизиологических характеристик природной составляющей агротехноценоза;

• -    постоянный корректный целенаправленный видеомониторинг и документирование событий на основных и вспомогательных (в том числе, логистика) этапах реализации агротехнологий;

• -    снижение объёмов бракованной продукции при увеличении производительности оборудования;

• -    возможность оперативного анализа причин возможных брака, хищений, травматизма, критических и других нештатных ситуаций.

Согласно конкретным требованиям к системе управления, ее назначению и особенностям эксплуатации различные аппаратные реализации устройств технического зрения и видеоконтроля агропроцессов используются на различных иерархических уровнях системы [6-11].

Весьма актуально с помощью системы технического зрения обеспечить видеонаблюдение за ходом ряда технологических операций (нижние уровни управления). При этом система управления обеспечивается актуальной информацией о реализации конкретной технологической операции. Оперативное принятие управленческих решений обеспечит интеграция устройств управления отдельных и (или) групп технологических операций с использованием системы компьютерного зрения (средние уровни управления). На верхнем уровне управления используется информация нижних уровней, а также данные устройств внешнего видеоконтроля, технического и компьютерного зрения.

Рисунок 1 - Блок-схема системы управления технологической операцией с использованием системы технического зрения

Вариант 1. В системе управления технологической операцией с интегрированной системой технического зрения (рисунок 1) максимально используются информационные (сенсорные) потоки данных базовой (традиционной) системы. Кроме этого, эксплуатируются потоки информации с выхода системы технического зрения.

Анализ актуальной видеоинформации осуществляет блок системы технического зрения. Результаты видеоаналитики совместно с сенсорной информацией в системе управления технологическим оборудованием служат базой для выработки управляющих воздействий управления технологическими процессами (изменения режимных параметров установки, перемещения рабочих органов, согласования их режимов работы т.п.).

Весь объем информации (интегрированные контекстные данные сенсорики и видеоинформация, сформированные управляющее воздействия и их интерпретация) поступает на пульт оператора. Данные с выхода системы технического зрения, как и сенсорная информация, фокусируются в режиме непрерывного либо дискретного мониторинга, что существенно увеличивает прецизионность технологических процессов, позволяет снизить затраты энергии и ресурсов при их выполнении.

Вариант 2. В системе управления технологической операцией с интегрированной системой компьютерного зрения (рисунок 2) предусматривается использование данных о входных и выходных видеопотоках агропродукции. При управлении технологической установкой привлекаются данные о характеристиках используемой агропродукции (засорённость, объём, структура и качество, отсутствие заражённости сырья и, по необходимости, другие характеристики). Исполь зование в системе управления устройств компьютерного зрения обеспечивает выборочный (актуальный) либо постоянный видеоконтроль сырья и готовой продукции. Аналитический блок устройств компьютерного зрения осуществляет статистическую обработку информации, определяет параметры продукции на разных этапах технологического процесса.

Анализу и определению подлежат данные, используемые для оценки качества сырья, готовой продукции, степени загрузки и эффективности функционирования технологической установки, например, состав и биоморфологические характеристики продукции, объёмы качественной и количество бракованной продукции, производительность рабочих машин, изменение и прогнозирование упомянутых расчётных статистических характеристик, оценка на соответствие действующей нормативно-технической документации по нормам и качеству сырья и выходной продукции.

Вариант 3. В системе управления технологической операцией с интегрированной системой внешнего видеонаблюдения (рисунок 3) предусматривается контроль периферийных территорий и помещений, смежных с зоной размещения агротехнологических комплексов.

Видеосканированию подлежат помещения вспомогательного назначения, периметр ограждения и территория, относящаяся к агротехнологическому комплексу (транспортные и складские зоны и др.). Полученные от системы внешнего видеонаблюдения данные обеспечивают контроль актуальных событий, связанных с эффективностью управления технологическими процессами, сохранностью и безопасностью объекта производства агропродукции, ходом логических операций, контролем экологических условий производства и др.

Рисунок 2 - Блок-схема системы управления технологической операцией с использованием системы компьютерного зрения

_ _______________J

зона производства и окружающая среда

Рисунок 3 - Блок-схема системы управления технологической операцией с использованием системы внешнего видеонаблюдения

Рисунок 4 - Блок-схема системы управления технологической операцией с использованием систем внешнего видеонаблюдения, технического и компьютерного зрения с АСУ ТП

Вариант 4. В системе управления технологической операцией с интегрированными системами технического и компьютерного зрения, внешнего видеонаблюдения (рисунок 4) используются информационные (сенсорные) потоки данных базовой (традиционной) системы, данных о входных и выходных видеопотоках агропродукции, данные контроля периферийных территорий и помещений, смежных с зоной размещения агротехнологических комплексов. Пользователи, в зависимости от приоритета и степени участия в реализации технологии, имеют полный или частичный доступ к технологической информации о ходе технологических процессов, в том числе, данные анализа видеоинформации компьютерного и технического зрения, внешнего наблюдения (идентификация, аналитика, логистические операции, семантика). Функционирование АСУ ТП выполняется по единым интегрированным текущим актуальным событиям и состояниям, контролируемым иерархически различными уровнями устройств управления.

Методологические принципы разработки, интегрированной с видеоаналитической системой контроля АСУ ТП агропроизводства

Алгоритм проектирования АСУ ТП с интегрированной видеоаналитической системой контроля включает следующие мероприятия:

• 1.    Доскональный анализ и синтез технологических процессов, выявление операций, их параметров и характеристик, чрезвычайных событий и др., важных с точки зрения эффективной реализации агротехнологии. Определение сферы использования видеоустройств.

• 2.    Создание модулей, технические решения получения требуемых ракурсов и качества видеоизображений с необходимым программным обеспечением, использование существующих программных сред (IP Video System Design Tool и др.) либо разработка специализированных программ.

• 3.    Выбор методов идентификации объекта наблюдения, обнаружения, дислокации и времени фиксации контролируемого объекта и(или) события, требующих изменения технологических воздействий на объект управления, а также соответствующего программного обеспечения анализа и обработки видеоинформации (Adaptive Vision Studio и др.):

• -    средства технического зрения - в составе технологической установки или самостоятельно;

• -    устройств анализа и обработки видеоданных;

• -    устройств видеодетектирования.

• 4.    Выявление характера требуемых реакций при изменении технологических событий, в том числе, по сигналам средств технического зрения и видеоконтроля агропроцессов:

• -    пуск, корректировка, принудительное завершение любой операции технологического процесса;

• -    информирование о возникновении и завершении событий;

• -    целевое направление на объект наблюдения;

• -    видеокоммутация - выбор экрана или другого устройства приёма информации и отображение на них конкретного вида изображения или группы видов;

• -    оперативное получение архивированной информации, отображение эталонного или актуального изображений;

• -    активация видеоинформации;

• -    корректировка характеристик устройств видеоаналитики.

Интеграция в АСУ ТП устройств технического зрения и видеоконтроля агропроцессов обеспечит увеличение эффективности применения как традиционных систем, так и интегрированных в них видеоустройств. При этом возможна более оперативная и эффективная реакция системы управления на возникающие в ходе реализации агропроцессов события. Мероприятия интеграции устройств технического зрения и видеоконтроля агропроцессов в АСУ ТП - необходимый этап ускорения скорейшего внедрения стратегии и технологий точного (дифференцированного) растениеводства и животноводства.

Практическое применение рассматриваемых систем на удалённых объектах предусматривает возможность использования не только проводных, но и беспроводных линий передачи информации. Технические возможности систем обеспечат штатное функционирование удалённых технологических комплексов и их дистанционное управление по единому каналу связи. В аварийных ситуациях (отказ канала связи или др.) технологический комплекс будет функционировать автономно с протоколированием и архивацией информации о ходе реализации процессов.

Интегрированные в АСУ ТП видеоцифровые устройства, кроме технологического сопровождения процессов, гарантируют контроль безопасности агрообъектов. Технологическое сопровождение агротехнологических процессов обеспечивает круглосуточное наблюдение любых производственных участков или зон, расположенных в непосредственной близости к центру управления или удалённо. Система позволяет накапливать, архивировать данные о ходе процессов, вести протокол и предупреждать любые аварийные события на контролируемом объекте. Возможна работа оборудования системы по предварительному плану (расписанию) с различными алгоритмами реакции на происходящие события (активация, нацеливание, перемещение устройств видеонаблюдения для фиксации нештатных ситуаций и т.п.).

Выводы

• 1.    Для целенаправленного эффективного совершенствования АСУ ТП в растениеводстве и животноводстве на всех этапах производства необходимо системное использование информации об индивидуальных и совокупных особенностях воспроизводства агропродукции на технологических циклах.

• 2.    При интеграции АСУ ТП с устройствами технического зрения и видеоконтроля агропроцессов возможна реализация различных вариантов расширения их функциональных возможностей для реализации

• 3.    В целях ускорения разработки и широкого внедрения интегрированных с устройствами технического зрения и видеоконтроля агропроцессов АСУ ТП целесообразно адаптировать из других отраслей народного хозяйства научно-практический задел по применению аналогичных технических средств и программного обеспечения.

более эффективных, своевременных и точных управленческих воздействий на агрообъект.