Способ мониторинга контролируемых параметров в множестве локальных областей с использованием маркировок

Способ мониторинга контролируемых параметров в множестве локальных областей с использованием маркировок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к автоматизированным системам мониторинга, комплексам мониторинга чрезвычайных ситуаций, средствам диагностики, устройствам для наблюдения за оборудованием и системам для наблюдения и обнаружения утечек.

Технический уровень изобретения

Требования к современному уровню техники определяются тем, что предприятия, эксплуатирующие химическое, нефтехимическое, газовое, атомное, а также и другое оборудование, работа которого может нести угрозы населению и окружающей среде, заинтересованы в регулярном контроле уровней радиации, амплитуды вибрации или/и звуковых колебаний (в том числе - изменений спектра шумов), концентраций взрыво- и/или пожароопасных, а также едких и/или ядовитых веществ вблизи производящих их установок и емкостей хранения, соответствующих трубопроводов и их стыков. При этом важно определить конкретную локализацию утечек, причем желательно это делать с использованием автоматизированной системы, что позволяет уменьшить риски, связанные с ошибками или недобросовестностью персонала, и ускорить реагирование на внештатную ситуацию.

Традиционным подходом является привязка точек, в которых проводятся измерения при мониторинге различных объектов, в конструкторской, проектной или/и технической документации. Современные рекомендации предлагают использовать для этих целей глобальные навигационные спутниковые системы ГЛОНАСС и/или GPS. Заметим, что использование документации при регулярном мониторинге контролируемых параметров трудоемко и неудобно, а максимальная точность локализации при совместной обработке сигналов систем Глонасс и GPS специализированным оборудованием составляет 1,5-2 метра, что недостаточно для ряда объектов мониторинга, особенно внутрицеховых с трехмерной структурой трубопроводов и установок.

В патенте РФ №2451874 с приоритетом от 29.03.2011 предложен способ непрерывного мониторинга технического состояния магистральных трубопроводов. Способ включает измерение физических параметров набором датчиков, расположенных внутри и с внешней стороны трубопровода по его длине, и обработку измеренных физических величин. Система мониторинга и оценки включает набор датчиков для измерения физических параметров и средства для обработки измеренных физических параметров.

Измерение ряда параметров набором датчиков, наличие средств для обработки измеренных параметров характерны и для заявляемого изобретения, однако предложенный способ предполагает наличие стационарной системы непрерывно работающих датчиков с фиксированным местоположением и не применим для периодического мониторинга состояния объектов сложной пространственной структуры мобильными средствами.

Наиболее близкое решение предложено в патенте РФ №2467298 с приоритетом от 04.10.2011, где предложена система спутникового мониторинга смещений инженерных сооружений с использованием спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS на основе аппаратно-программного комплекса датчиковой и преобразующей аппаратуры, включающего:

двухчастотные приемники ГЛОНАСС/GPS, датчики наклона, метеостанцию с датчиками температуры, относительной влажности, давления, силы и направления скорости ветра, осадков, солнечной радиации, а также средства связи и информационного обмена.

В результате использования предложенной системы предполагается повышение точности и эффективности мониторинга смещений инженерных сооружений, расширение функциональных возможностей объектового центра мониторинга, позволяющего определять спектральные характеристики колебаний элементов конструкции и создавать реальную модель поведения объекта.

Измерение пространственных координат в совокупности с некоторыми иными параметрами, использование для передачи данных в объектовый центр мониторинга средств связи и информационного обмена, определение спектральных характеристик колебаний элементов конструкции характерны и для заявляемого изобретения, однако предложенная система предполагает наличие стационарной непрерывно работающей датчиковой и преобразующей аппаратуры с фиксированным местоположением и не применима для периодического мониторинга состояния объектов сложной пространственной структуры мобильными средствами. Кроме того, точность локализации смещений даже при совместной обработке сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS составляет 1,5-2 метра, что значительно хуже, чем в заявляемом способе - около 0,1 метра.

Основной идеей заявляемого способа является использование в целях пространственной привязки точек, в которых проводятся измерения в процессе мониторинга различных контролируемых параметров, операции считывания машиносчитываемых маркировок, нанесенных на подлежащее мониторингу оборудование при его изготовлении, или/и монтаже, или/и в процессе его эксплуатации. Расположение маркировок должно быть предварительно зафиксировано при монтаже оборудования, или/и при их изготовлении на трехмерной компьютерной модели, или/и путем нанесения на карту, схему, чертеж.

Рассмотрение современного технического уровня в области нанесения и считывания машиносчитываемых маркировок позволяет сделать вывод, что в наибольшей степени для использования при мониторинге пригодны разновидности маркировок прямого нанесения (МПН), конкретнее флуоресцентные машиносчитываемые маркировки прямого нанесения (ФМПН). МПН состоят из информационных элементов, сформированных путем изменения поверхности маркируемого изделия тем или иным способом. МПН могут быть удалены только вместе с материалом маркируемой поверхности, являясь, таким образом, надежным способом контроля всего жизненного цикла изделия.

В настоящее время существует несколько методов нанесения МПН, оборудование для которых предлагается на рынке, - это иглоударное нанесение, нанесение с помощью лазера (несколько видов), электроискровое нанесение и нанесение методами химического и электрохимического травления.

При нанесении МПН используется, как правило, двумерное (2D) кодирование, обладающее высокой информационной емкостью и помехозащищенностью (2D МПН). 2D коды имеют преимущественно матричную форму. Практически все современные технологии 2D кодов содержат средства коррекции ошибок. Существует множество разновидностей 2D кодов (например, PDF417, MaxiCode, DataMatrix).

Считыватели 2D кодов сначала улавливают изображение, затем анализируют полученный образ и лишь потом извлекают из него и декодируют информацию. В связи с этим считывание и декодирование 2D МПН связано с технологическими трудностями в части аппаратных решений и разработки необходимого программного обеспечения (ПО). При считывании 2D МПН основная проблема состоит в получении изображения маркировки с качеством, достаточным для надежного декодирования содержащейся в ней информации, независимо от внешнего освещения и состояния поверхности, на которую маркировка нанесена.

В части ПО проблема состоит в повышении декодирующей способности при анализе гетерогенных («размытых») изображений. При этом существенное влияние на процесс декодирования оказывает сильная зависимость получаемого электронного изображения от состояния поверхности и внешнего освещения.

Эффективным способом решения проблем считывания 2D МПН является заполнение информационных элементов 2D МПН при ее изготовлении композицией, содержащей флуоресцирующие вещества и/или частицы (изготовление ФМПН). Это приводит к существенному улучшению качества изображения маркировки при ее считывании, в частности его контрастности, уменьшает зависимость надежности декодирования маркировки от характера поверхности, на которой нанесена ФМПН, расстояния до считывающего устройства и угла, под которым проводится считывание.

Повышение надежности считывания ФМПН и упрощение требований к пространственному расположению считывающего устройства позволяют расширить область применения таких маркировок. В частности, ФМПН могут быть применены в качестве точек привязки (якорных точек) при мониторинге параметров, значения которых могут сильно зависеть от пространственных координат точки, в которой проводится измерение. Локализация точки, в которой проводится измерение параметров, фиксируется автоматически с высокой точностью при считывании соответствующей ФМПН и сопрягается с полученными в результате измерения каждого контролируемого параметра значениями.

В результате обеспечивается точность и воспроизводимость локализации измеренных значений пространственно неоднородных параметров, значительно превосходящая возможности глобальных навигационных спутниковых систем, причем для этого не требуется использования специального, дополнительного или дорогостоящего высокоточного оборудования.

Современный технический уровень области нанесения и считывания машиносчитываемых маркировок может быть охарактеризован следующими публикациями.

Известно техническое решение по повышению устойчивости декодирования маркировок, предложенное в US 2003/9106994, где для идентификации объекта предложена защитная маркировка, включающая флуоресцирующий или фосфоресцирующий материал с ориентационно-упорядоченной молекулярной структурой. При облучении маркировки УФ излучением она переизлучает поляризованный флуоресцентный или фосфоресцентный свет, поляризационные и частотные параметры которого являются защитными признаками для выявления подлинности объекта.

Использование флуоресценции и защитных признаков характерны и для заявляемого изобретения, однако предложенная маркировка не является МПН и легко удаляется с поверхности детали. Кроме того, предложенное техническое решение не решает проблему повышения контрастности и зависимости изображения маркировки от оптических свойств поверхности, особенно в случае наличия оптических неоднородностей, близких по размерам к информационным элементам маркировки.

Наиболее эффективное решение предложено в патенте РФ с приоритетом от 23.10.2009 г. №2490709, где предложен способ решения проблемы считывания 2D МПН путем использования при изготовлении маркировок композиций, содержащих флуоресцирующие вещества и/или частицы с длинной волны возбуждения от 250 до 600 нм и излучением в области длин волн 600-700 нм. Это приводит к существенному улучшению качества изображения маркировки при ее считывании, в частности его контрастности, и уменьшает зависимость надежности декодирования маркировки от характера поверхности, на которой нанесена 2D МПН. Данное решение позволяет считывать маркировки как обычным считывающим устройством (ридером), так и специальным, регистрирующим флуоресцентное изображение.

Использование этого решения существенно облегчает считывание ФМПН, уменьшает цену ридера, позволяет проводить считывание на большем расстоянии и снижает требования к качеству и глубине углублений, а следовательно, и к маркирующему устройству.

В дальнейшем были предложены решения, позволяющие расширить сферу применимости технологии изготовления и последующего декодирования ФМПН на разнообразных поверхностях. В частности, предложены способы преодоления трудностей, возникающих при нанесении и последующем декодировании 2D МПН и 2D ФМПН на поверхностях, обладающих свойствами, исключающими нанесение на них ФМПН традиционным (например, иглоударным) методом, например, хрупких, с высокой твердостью, эластичных, загрязненных, имеющих покрытия с недостаточной адгезией или покрытых рыхлыми отложениями (заявка на изобретение РФ №2013132807 от 16.07.2013 г.); предложены методы увеличения производительности оборудования и расширения спектра достижимых параметров ФМПН, таких как размер, стойкость к различным воздействиям, скорость нанесения, применимость дополнительных защитных процедур (заявка на изобретение РФ №2013152383 от 26.11.2013 г.).

Методы изготовления и основные свойства ФМПН в предложенных решениях характерны и для заявляемого изобретения, однако предложенные решения не предполагают использования изготавливаемых ФМПН в процессе мониторинга контролируемых параметров в качестве точек пространственной привязки измерительной аппаратуры при измерении тех или иных контролируемых параметров.

Таким образом, наиболее близки к заявляемому изобретению по некоторым признакам решения, которые содержится в вышеупомянутых публикациях - патенте РФ №2467298 с приоритетом от 04.10.2011 и в патенте РФ с приоритетом от 23.10.2009 г. №2490709, но их совокупность не исчерпывает совокупности признаков заявляемого изобретения.

Сущность изобретения

Сущность изобретения заключается в том, что при проведении регулярного или периодического мониторинга контролируемых параметров локализация точки, в которой проводится измерение, фиксируется автоматически с высокой точностью при считывании соответствующей маркировки (в частности, ФМПН) и одновременно сопрягается с полученными в результате измерения каждого контролируемого параметра значениями. Одновременно может осуществляться привязка к данным, полученным в результате измерений:

- даты и времени проведения измерений, что облегчает интерпретацию данных при периодическом мониторинге объектов;

- индивидуальных данных измерительного устройства;

- персональных данных оператора;

- факта наличия тех или иных защитных свойств у считываемой ФМПН.

В результате:

- значительно повышается надежность получаемых данных;

- персонализируется ответственность за проведенные измерения;

- предотвращается несанкционированное внесение данных в соответствующие протоколы измерений;

- предотвращается передача фальсифицированных данных во внешние автоматизированные системы.

Для реализации сущности изобретения используется комбинация стандартных измерительных и считывающих маркировки модулей и отпадает необходимость в дополнительных навигационных устройствах.

Цель изобретения

Целью изобретения является применение МПН и, в частности, ФМПН в качестве точек привязки (якорных точек) при мониторинге параметров, значения которых могут сильно зависеть от пространственных координат точки, в которой проводится измерение, а также для обеспечения точности и воспроизводимости локализации измерений пространственно неоднородных параметров. Например, при организации на предприятиях, эксплуатирующих химическое, нефтехимическое, газовое, атомное, а также и другое оборудование, работа которого может нести угрозы населению и окружающей среде, регулярного контроля уровней радиации, амплитуды вибрации или/и звуковых колебаний (в том числе изменений спектра шумов), концентраций взрыво- и/или пожароопасных, а также едких и/или ядовитых веществ вблизи стыков соответствующих трубопроводов, вблизи производящих их установок, при контроле условий хранения или перевозки опасных веществ в логистике.

Технический результат

Осуществление мониторинга контролируемых пространственно неоднородных параметров в множестве локальных областей, заданных множеством машиносчитываемых маркировок, координаты которых фиксируются при монтаже оборудования, или/и их изготовлении на трехмерной компьютерной модели, или/и путем нанесения на карту, схему, чертеж.

В результате обеспечивается точность и воспроизводимость локализации измеренных значений пространственно неоднородных параметров, значительно превосходящая возможности глобальных навигационных спутниковых систем, причем для этого не требуется использования специального, дополнительного или дорогостоящего высокоточного оборудования.

Технический результат достигается, в частности, тем, что свойства ФМПН, изготовленных ранее предложенными способами, такие как:

- стабильность считывания информации;

- возможность считывания информации в широком диапазоне углов;

- возможность нанесения ФМПН на разнообразные материалы;

- возможность придания ФМПН разнообразных защитных признаков,

позволяют использовать ФМПН в качестве точек пространственной привязки измерительной аппаратуры при измерении тех или иных контролируемых параметров. Конкретные типы контролируемых параметров, которыми не исчерпывается возможная сфера применения заявляемого изобретения, перечислены в патентной формуле.

Технический результат достигается также особенностями использования стандартных модулей в конструкции измерительно-считывающих устройств, которая должна обеспечивать:

- надежное считывание ФМПН на штатном расстоянии (около 10 см), в широком диапазоне углов (до 50 градусов от перпендикуляра к плоскости маркировки) и на криволинейных поверхностях (с кривизной до 10 мм);

- надежное считывание ФМПН, которым приданы защитные признаки, затрудняющие или исключающие их считывание неавторизированным устройством;

- неизменность взаимного расположения считывающего и измерительного (измерительных) узлов устройства;

- измерение контролируемого параметра (контролируемых параметров) с необходимой точностью;

- фиксацию времени начала и окончания измерений контролируемых параметров и считывания ФМПН при помощи встроенного таймера устройства;

- периодическое считывание ФМПН с заданным периодом до окончания измерений контролируемых параметров;

- передачу измеряемых параметров, данных и параметров ФМПН, временных параметров измерений и идентификационных данных измерительного устройства и оператора во внешнюю автоматизированную систему.

Сущность изобретения иллюстрируется блок-схемой, на которой изображены:

1А; 1В; 1C; 1D… - локальные области, заданные множеством маркировок с известным пространственным расположением;

D1 - поток данных, возникающий при измерении контролируемых параметров устройством, считывающим маркировки и одновременно измеряющим контролируемые параметры (3);

2 - машиносчитываемая двумерная флуоресцентная маркировка прямого нанесения (2D ФМПН);

D2 - поток данных, возникающий при считывании 2D ФМПН устройством, считывающим маркировки и одновременно измеряющим контролируемые параметры (3);

3 - устройство, считывающее маркировки и одновременно измеряющее контролируемые параметры;

D3 - поток данных, возникающий при передаче во внешнюю автоматизированную систему (АС) результатов считывания маркировки и измерений контролируемых параметров устройством, считывающим маркировки и одновременно измеряющим контролируемые параметры (3);

AC - внешняя автоматизированная система.

1. Способ мониторинга значений параметров в множестве точек пространства, положение каждой из которых задается индивидуальной машиносчитываемой маркировкой прямого нанесения с известным пространственным расположением, отличающийся тем, что для обеспечения точности и воспроизводимости локализации измерений значений параметров в процессе считывания машиносчитываемых маркировок создают, фиксируют и воспроизводят в дальнейшем при мониторинге контролируемых параметров взаимно однозначное соответствие измеряемых значений контролируемых параметров и координат конкретных точек, в которых проводились измерения контролируемых параметров, причем координаты фиксируют автоматически за счет необходимости для осуществления считывания машиносчитываемой маркировки позиционирования считывающего маркировки и одновременно измеряющего контролируемые параметры устройства относительно машиносчитываемой маркировки в момент ее считывания, при этом конструкция измерительного устройства должна обеспечивать неизменность взаимного расположения считывающего и измерительных узлов устройства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что с целью предотвращения подделки маркировок машиносчитываемой маркировке могут быть приданы защитные признаки, которые затрудняют или исключают ее считывание неавторизированным устройством.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе проведения измерений контролируемых параметров и считывания машиносчитываемой маркировки фиксируют время начала, а при необходимости и окончания измерений, и/или изменение со временем контролируемых параметров, причем дополнительно может оцениваться время достижения одним или несколькими из измеряемых параметров опасных или/и предельно допустимых значений.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что если время, необходимое для измерения нескольких подлежащих измерению в конкретной точке пространства параметров, значительно превышает время, необходимое для считывания машиносчитываемой маркировки, то, с целью исключения влияния на измерения изменения пространственного расположения считывающего маркировку и одновременно измеряющего контролируемые параметры устройства относительно машиносчитываемой маркировки, считывание маркировки производят неоднократно, например в моменты начала измерения каждого параметра.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при измерении контролируемого параметра фиксируют факт достижения измеряемым параметром опасных или/и предельно допустимых значений, причем в этом случае автоматически генерируется и передается в автоматизированную систему соответствующий сигнал и/или значения параметров, причем совместно с данными измерений могут передаваться данные о времени проведения измерений, и/или данные, определяющие локализацию точки проведения измерений контролируемых параметров, и/или идентификационные данные измерительного устройства и/или оператора.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в число контролируемых параметров включены концентрации химических веществ или факты их присутствия в количествах, превышающих порог чувствительности применяемых сенсоров, и/или предельно допустимые концентрации.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является доза ионизирующего излучения, превышающая природный фон и/или предельно допустимое значение, причем при необходимости может избирательно или дополнительно контролироваться излучение высоких энергий и/или высокой проникающей способности.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является амплитуда вибрации и/или звука, инфразвука, ультразвука, превышающая заданное или предельно допустимое значение, причем при необходимости могут избирательно или дополнительно контролироваться амплитуда вибраций и/или звука на заданной частоте или/и в заданном диапазоне частот или/и изменение спектра частот со временем.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является температура или/и интенсивность теплового ИК-излучения, в том числе их превышение заданного или падение ниже минимального или предельно допустимого значения.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является интенсивность электромагнитного излучения, в том числе превышение ею заданного и/или предельно допустимого значения, причем при необходимости может избирательно или дополнительно контролироваться излучение на заданной частоте или/и в заданном диапазоне частот или/и изменение спектра частот со временем.

11. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является напряженность электрического поля или/и величина магнитной индукции, в том числе превышение ими заданного и/или предельно допустимого значения.

12. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является относительная или абсолютная влажность воздуха, в том числе превышение ею заданного или верхнего предельно допустимого значения или падение ниже минимального или нижнего предельно допустимого значения.

13. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является величина атмосферного давления, в том числе превышение ею заданного или верхнего предельно допустимого значения или падение ниже минимального или нижнего предельно допустимого значения.

14. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является интенсивность испускаемого или отраженного светового, или/и УФ, или/и ИК-излучения, превышающая заданное или предельно допустимое значение, причем при необходимости может избирательно или дополнительно контролироваться излучение в заданном телесном угле или/и в заданном диапазоне телесных углов или/и на заданной частоте или/и в заданном диапазоне частот.

15. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является величина окислительно-восстановительного потенциала, в том числе превышение ею заданного или верхнего предельно допустимого значения или падение ниже минимального или нижнего предельно допустимого значения.

16. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одним из контролируемых параметров является величина показателя кислотности рН, в том числе превышение ею заданного или верхнего предельно допустимого значения или падение ниже минимального или нижнего предельно допустимого значения.