·        дорожно-строительные компании, выполняющие работы по проектированию, созданию и ремонту транспортных артерий;

·        строительные организации для мониторинг транспорта, спецтехники, дорогостоящего оборудования, стройматериалов и грузов;

·        организации, предоставляющие услуги перевозки: сетевые торговые компании, сбытовые подразделения, коммерческие перевозчики, осуществляющими заказную транспортировку грузов, корреспонденции и пассажиров;

·        производственные и торговые предприятия (для ежедневного контроля работы агентов и использования ими служебного автотранспорта);

·        оперативные службы (охрана, МЧС, скорая помощь, аварийные службы);

·        спецавтохозяйства;

·        банки, для которых важно отследить перевозку ценных грузов и контролировать работу инкассаторских;

·        простые граждане и водители авто, ежедневно нуждающиеся в информации о пробках, ремонтных работах на дорогах и т.д.

Области применения ГИС на транспорте сегодня крайне разнообразны:

·        безопасность предприятия и прилегающих территорий;

·        моделирование чрезвычайных ситуаций;

·        экологическая оценка;

·        моделирование и мониторинг шумового загрязнения;

·        управление имуществом компаний и контроль за арендой площадей;

·        организация информационных сервисов для пассажиров по плану транспортного предприятия и ближайшему его окружению;

·        управление складскими помещениями;

·        планирования и оптимизациия маршрута следования;

·        оценки и планирования пропускной способности;

·        расчет пассажиропотоков;

·        анализ грузопотоков;

·        управление парком транспортных средств;

·        мониторинг техники;

·        учет уровня расхода и распределения топлива;

·        анализ стиля вождения;

·        идентификации водителя;

·        учета рабочего времени;

·        мониторинг грузов;

·        формирование отчетов;

·        планирования развития социальной инфраструктуры, транспортной сети.

Сегодня многие транспортные предприятия используют в своей повседневной деятельности ГИС и Т для решения вопросов безопасности. С помощью ГИС и Т производится прогнозирование чрезвычайных ситуаций (пожаров, наводнений, землетрясений, селей, ураганов). Рассчитывается степень потенциальной опасности и на основе этого принимается решение об оказании помощи. Оценивается необходимое количество сил и средств для ликвидации чрезвычайных ситуаций, планируется и оптимизируется маршрут движения к месту бедствия, исследуется возможность нанесения ущерба и его последствия для предприятия транспортной отрасли. При моделировании развития чрезвычайных ситуаций используется электронная и атрибутивная информация о потенциально опасных объектах, силах и средствах для ликвидации ЧС и их последствий [3]. В результате моделирования все исходные данные (места источников возникновения ЧС, дислокация сил и средств ликвидации ЧС, проживание людей и т.п.) отображаются на отдельных слоях карты. Изначально подготовка к проведению учебной эвакуации было крайне сложной задачей, так как нужно было анализировать множество планов и несвязных данных. Применение ГИС и Т позволило связать информацию о всех объектах предприятия и отобразить ее на карте. С помощью ГИС и Т удалось разработать различные сценарии проведения эвакуации в зависимости от мест расположения источника ЧС, местоположения и описания противопожарного оборудования, размещения всех дверей и знаков опасности. На основе информации о несчастных случаях и прочих инцидентах, отслеживаемых с помощью ГИС, руководство и служба безопасности могут принять решение о повышении безопасности на территории здания (порта, автовокзала, ж/д вокзала, аэропорта) и на прилегающей территории [4]. Среди таких решений может быть как увеличение количества фонарей в наиболее темных местах, так и расширение штата сотрудников безопасности, поддерживающих правопорядок, например, в ночное время суток.

ГИС и Т могут применяться не только для прогнозирования чрезвычайных ситуаций, но и для определения экологического состояния. Использование ГИС приложений помогает спрогнозировать загрязнение от источников на местности при:

·        дорожно-транспортных происшествиях на автомобильном транспорте;

·        крушении поездов с нефтеналивными цистернами на железнодорожном транспорте;

·        падении воздушных судов на объекты ядерной промышленности;

·        при разливе нефтепродуктов на воде и т.д.

При таких экстремальных ситуациях нужно оперативно и более точно оценить экологический ущерб и выбрать способ ликвидации последствий. Для этого слой электронной карты с результатами экологического моделирования можно наложить на карты растительности или на карты жилых массивов в данном районе. Гис-технологии – хорошее подспорье руководителям, принимающим решения в этой области, ведущее, в конечном итоге, к уменьшению аварий и затрат на ликвидацию их последствий [5].

Итак, использование ГИС-технологий при прогнозировании чрезвычайных ситуаций в транспортной сфере позволяет [6]:

·        моделировать последствия аварий;

·        расчитывать поля концентрации загрязнений;

·        оптимизировать маршруты следования специалистов по транспортным сетям к объектам в зоне ЧС;

·        определять зоны досягаемости для спецсредств при движении по транспортным сетям;

·        определять маршруты стока жидких веществ в случае их разлива или прорыва трубопроводов (более применительно к аэропортам);

·        расчитывать зоны затопления при наводнениях и паводках;

·        координировать работу информационно-справочной системы о потенциально опасных объектах.

Руководство аэропортов, железнодорожной и автотранспортной инфраструктуры, используют ГИС-приложения для отображения уровней шумового загрязнения. Отображение этой информации на ГИС-картах позволяет гораздо быстрее подготовить предложения о проведении административно-организационных, архитектурных и инженерно-технических мероприятий (ограничение движения грузового автотранспорта на внутригородских автомагистралях, своевременный ремонт и содержание в надлежащем порядке дорожного полотна, разграничение улиц и дорог по их назначению, строительство домов со специальной архитектурно-планировочной структурой и т.п.)

Таким образом, ГИС и Т позволяют не только повышать безопасность предприятия, анализировать пассажиро и грузопотоки, планировать перевозки, но и осуществлять управление парком транспортных средств (мониторинг объектов, топлива и т.д.) с учетом особенностей бизнес-процессов транспортного предприятия. Система управления включает GPS-приемник, установленный на автомобиль (локомотив, судно, самолет), координатная информация с которого передается в диспетчерский центр и накапливается в единой базе геоданных. ГИС и Т используются здесь для отображения этой информации в географическом контексте.

В РФ ГИС и Т нашли широкое применение в многообразных сферах и направлениях территориальной деятельности силовых ведомств: МО, МВД, МЧС, ФСБ, ФСО и др. Несмотря на разницу в задачах этих структур, их организацию и т.д., все они работают с пространственно-координированными данными, данными дистанционного зондирования, цифровой картографической информацией, причем не только с целью просмотра, но и анализа.

Системы мониторинга автотранспортных средств, опирающаяся на данные, полученные с помощью систем ГЛОНАС и GPSпредназначена для автоматизированного управления транспортными средствами (ТС) со стороны диспетчерского центра (ДЦ).

Основные функции, выполняемые системами мониторинга [3]:

·        Передача навигационной и телеметрической информации на ДЦ (по запросу; автоматически с дистанционно задаваемым интервалом; по событию).

·        Определение координат места нахождения, скорости и направления движения ТС в привязке к текущему времени в любое время суток при любой погоде с помощью сигналов спутниковых навигационных систем GPS и/или ГЛОНАСС. Среднеквадратичная ошибка (СКО) определения координат – не более 15 м.

·        Накопление навигационной и телеметрической информации в энергонезависимой памяти.

·        Передача информации из энергонезависимой памяти на ДЦ по сотовому каналу связи или по радиоканалу.

·        Представление местоположения ТС в виде условного знака на электронной карте диспетчера.

·        Прием, хранение и отображение на рабочем месте диспетчера навигационной и телеметрической информации, получаемой от ТС.

·        Ввод и хранение информации о ТС (модель, госномер, автохозяйство и др.).

·        Разработка маршрутов следования (в ручном режиме).

·        Учет пробега автомобилей и средней скорости движения ТС.

·        Учет времени простоя ТС.

·        Получение отчетов в бумажном и электронном виде.

·        Осуществление голосовой связи между ДЦ и ТС.

Около 80% всей информации содержит геоданные, то есть разнородные сведения о распределенных в пространстве объектах, явлениях и процессах. Обладание такой координатно привязанной информацией и возможность ее быстрого просмотра и анализа играет важную роль в управлении и развитии транспортной инфраструктуры. Работать с такими данными помогают ГИС и Т. Таким образом, современная экономическая ситуация эксплуатации транспортного комплекса показывает, что эффективная деятельность и развитие рынка перевозок невозможны без модернизации производства и внедрения новых инновационных технологий в данной отрасли, преимущественно, в области организации движения, управлении парком транспортных средств, повышении качества обслуживания, реализации комплексной системы безопасности и т.д.

Одной из основных задач при воздухоплавании является навигация, а при использовании безмоторных аппаратов,  зависящих от восходящих и нисходящих потоков воздуха,  необходимо также определять границы потоков и значения скороподъемности. Здесь на помощь приходит полетный компьютер.

Моя работа предполагает разработку специализированного блока сенсоров и программного обеспечения для смартфона,  позволяющего использовать его в качестве полетного компьютера. Программное обеспечение будет обеспечивать фильтрацию поступающих с сенсоров данных,  а так же их слияние и отображение в удобном интерфейсе. Такое применение значительно расширяет возможности полетных компьютеров по сравнению со специализированными. В ходе работы предполагается решить следующие научные задачи: подбор оптимального по критерию минимизации ошибки типа фильтра Калмана для фильтрации данных с сенсоров, слияние данных GPS/ГЛОНАСС, барометра и блока инерциальной навигации.

Существуют специализированные полетные компьютеры, обладающие определенным функционалом, которые позволяют измерять и отображать:

• скорость изменения высоты (скороподъемность);
• высота полёта (фактическая и над уровнем моря);
• измерение температуры;
• ориентирование на местности с использованием карты;
• измерение скорости ветра;
• скорость движения относительно земли.

На рынке существует большое количество полетных компьютеров разных производителей. На рисунке 1 представлены одни из самых популярных и цены на них. Причем в зависимости от функций и формируется конечная цена. Например, если в полетном компьютере есть система навигации, то такие компьютеры будут иметь цену уже от 300 евро, а это примерно 20тыс рублей. Не все могут себе позволить покупать специализированные полетные компьютеры, но без них полет становится небезопасным.

Рисунок 1 – Производители и цены на полетные компьютеры

У меня возникла идея создания программно-аппаратного комлпекса на базе смартфона, который решит эту проблему.

Данный разрабатываемый комплекс включает в себя:

• сам смартфон или планшет на базе Android OS со специализированным программным обеспечением (ПО), которое будет разработано. В качестве ПО также будет возможность использовать сторонние ПО, такие как Xcsoar или Xctrack, но с рядом ограничений.
• специализированный блок сенсоров – это небольшое устройство, размера примерно 5х3х1.5 см. Планируется выпуск нескольких версий креплений: можно крепить на запястье (особенно актуально для парапланеристов), а также если используются в планерах – то креплениие в кабине пилота.

Связь со смартфоном возможна с помощью Bluetooth или USB. Внешний блок сенсоров будет включать в себя:

• блок инерциальной навигации в составе: акселерометр,  гироскоп,  магнетометр (IvenSense MPU-9250);
• высокоточный барометр (STMicroLPS25HB);
• микроконтроллер;
• батарея.

Прототип блока сенсоров представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Прототип блока сенсоров

Как и было сказано ранее, в рамках данной работы будет реализовано специализированное ПО на базе Android OS. Прототип данного ПО представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Прототип специализированного ПО

Интерфейс в отличие от существующих ПО (таких как Xcsor, Xctrack) более дружелюбный и простой для использования конечными пользователями. Основные характеристики расположены в центре экрана. Маршрут, который прорисовывается на экране позволяет анализировать входные данные: красным цветом отображаются восходящие потоки, а синим нисходящие (т.е. тот момент, когда параплан двигался вниз). Также ПО позволяет записывать данные полетов и сохранять сам маршрут полета. При этом количество записей неограниченно, ограничение только во внутренней памяти используемого смартфона/планшета.

Любой измерительный прибор обладает некоторой погрешностью, на него может оказывать влияние большое количество внешних и внутренних воздействий, что приводит к тому, что информация с него оказывается зашумленной (неточной). Чем сильнее зашумлены данные, тем сложнее обработать такую информацию.

Фильтр — это алгоритм обработки данных, который исключает шумы (или уменьшает их количество) и лишнюю информацию, которая негативно влияет на результат.

В рамках первого этапа работы было проведено сравнение различных фильтров, используемых во многих областях науки и техники.

Выбор пал в сторону фильтра Калмана. Данный фильтр является одним из самых популярных алгоритмов анализа и фильтрации данных. В фильтре Калмана есть возможность задать входную информацию о характере системе, связи переменных и на основании этого построить более точную оценку, но даже в простейшем случае (без ввода априорной информации) он показывает себя очень хорошо.

Работа фильтра состоит в следующем:

1. Этап прогнозирования, когда прогнозируется, как будут вести себя величины (значения) в следующий момент времени (с учетом неточности).
2. Далее происходит измерение величин.
3. Анализируются прогнозируемые данные и те данные, которые были измерены на втором этапе.
4. Корректируется механизм предположения (также с учетом неточности и зашумленности этой информации).

В результате проведения тестирования алгоритма фильтра Калмана был получен следующий результат, изображенный на рисунке 4.

Рисунок 4 – Результат тестирования

,где:

• синяя линия – обрабатываемые значения;
• красная линия – результат работы фильтра Калмана.

В рамках исследования были проведены также тестирования и других алгоритмов: минимаксный фильтр, медианный фильтр и другие вариации фильтра Калмана. Но именно классический вариант фильтра Калмана показал наилучшие результаты.

В итоге схема программного комплекса изображена на рисунке 5. Входными данными являются: показатели с Инерциального измерительного блока (IMU), GPS/ГЛОНАСС, Барометар/высотомера. Далее эти показатели анализируются, обрабатываются и с помощью фильтра Калмана мы получаем данные с минимизированной погрешностью, которые передаются на блок расчета инерциальной навигации. Так мы получаем более точные выходные данные, такие как высота, местонахождение и скорость, которые мы уже видим на экране своего смартфона.

Рисунок 5 – Схема программной составляющей комплекса

Заключение

Цена разрабатываемого комплекса предполагается ниже, чем у всех текущих разработчиков полетных компьютеров. В отличие от конкурирующих устройств, разрабатываемый комплекс будет иметь более низкую цену за счет того, что основные операции выполняются на смартфоне (т.е. на стороне ПО), а также во внешний блок нет необходимо встраивать экран, так как все данные отображаются на смартфоне.

Кроме того, использование планшета в качестве полетного компьютера позволит отображать большее количество данных, поскольку планшет по сравнению с другими устройствами имеет большую диагональ.