СОДЕРЖАНИЕ

• Введение
• 1 Анализ существующих систем автоматизированного табельного учета рабочего времени
• 2 Цели и задачи диссертации
• 3 Обоснование направления разработки и состав аппаратного комплекса новой системы табельного учета
• 4 Практическая значимость системы АТУРВ
• 5 Разработка схемотехнического решения системы автоматизированного табельного учета
• 5.1 Разработка структурной схемы носителя информации
• 5.2 Разработка структурной схемы считывающего устройства
• 5.3 Разработка структурной схемы удаленного считывающего устройства
• 5.4 Описание элементной базы системы радиопередачи
• 6 Разработка алгоритма антиколлизии
• 6.1 Обоснование проблемы коллизии
• 6.2 Разработка алгоритма
• 6.3 Моделирование работы алгоритма антиколлизии
• Заключение
• Нерешенные вопросы и перспективы исследований
• Перечень ссылок

ВВЕДЕНИЕ

     Одним из современных направлений технического прогресса является создание и внедрение автоматизированных систем управления производством (АСУП) шахты на базе комплекса взаимосвязанных технических средств сбора, передачи и обработки информации, основанные на базе различных датчиков и носителей информации, средств телемеханики и управляющих вычислительных машин.
     Среди множества факторов, влияющих на управление производством, немаловажное место занимает обеспечение безопасных условий труда и управление трудовыми ресурсами. В связи с этим на угольных предприятиях необходимо вести точный и непрерывный учет всех лиц как спускающихся в шахту, так и выезжающих из нее, а также производить сбор информации о рабочем времени трудящихся. Сбор такого рода информации обусловлен не только необходимостью выполнения всех функций по безопасности труда, но и необходимостью осуществления контроля и поддержания трудовой дисциплины, централизованного начисления заработной платы, т. е. необходимостью осуществления оперативного контроля, анализа и управления трудовыми ресурсами.
     Во времена всеобщей компьютеризации и автоматизации еще на многих угольных шахтах табельный учет осуществляется ручным способом и тем самым представляет собой многооперационный и трудоемкий процесс, требующий значительных затрат времени на сбор, обработку и регистрацию информации. Созданные ранее подсистемы автоматизированного табельного учета на базе управляющих вычислительных комплексов (УВК) технически и морально устарели и имеют ряд недостатков. Но несмотря на это, опыт их эксплуатации [1] показал, что переход на машинную технологию учета резко уменьшает затраты времени как на отдельные операции, так и на весь цикл управления (внедрение подобной подсистемы позволило сократить сменный цикл табельного учета на 6,5 ч, т. е. на 73%). По данным [2] сокращение потерь рабочего времени из-за опозданий и преждевременных выездов горнорабочих из шахты до 50%; снижение численности персонала, занимающегося табельным учетом до 30%. Из приведенных фактов видно, что происходит процесс экономии времени, что непосредственно является сущностью интенсификации управления.
     Таким образом, основываясь на приведенных фактах, создание принципиально новой подсистемы автоматизированного табельного учета рабочих, которая отвечала бы современным требованиям, является актуальной задачей. Такая система позволит не только ускорить процесс управления, но и повысить его качество за счет полноты, своевременности и достоверности информации.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТАБЕЛЬНОГО УЧЕТА РАБОЧЕГО ВРЕМЕНИ

     Согласно правилам безопасности в угольных шахтах на угольных предприятиях должен осуществляться точный и непрерывный учет всех лиц, спускающихся в шахту и выезжающих из нее [3]. На сегодняшний день такой вид учета осуществляется следующими способами: с применением ручной технологии учета и с применением подсистем автоматизированного табельного учета рабочего времени.
     Применение ручного способа табельного учета, являющимся самым распространенным в данное время на угольных шахтах, малоэффективен и имеет ряд недостатков к основным, из которых можно отнести:

• субъективность данных учета;
• низкая оперативность сведений;
• информационная недостаточность статистической информации для анализа;
• большие затраты времени на ведение бумажного документооборота.

     Если первый способ является весьма трудоемким и многооперационным процессом, требующий значительных затрат времени на сбор, обработку и регистрацию информации, то применение второго способа позволило значительно сократить сменный цикл табельного учета (около 17 ручных операций были заменены автоматизированными).
     В настоящее время на некоторых шахтах применяются системы автоматизированного табельного учета номеров САТУРН на базе управляющих вычислительных комплексов (УВК).
     Эта система предназначена для комплексной автоматизации сбора, передачи, первичной обработки и представления табельной информации о трудящихся, работающих на пологих, наклонных и крутых пластах угольных шахт вне зависимости от категории шахты по пылегазовому режиму. САТУРН представляет собой сложную систему с широким набором информационных функций, реализуемых в реальном масштабе времени. Основными укрупненными функциями системы являются: сбор и накопление информации от считывающих устройств (ИСУ) о приходе и уходе трудящихся; переработка полученной информации в соответствии с заданным алгоритмом; выдача оперативному персоналу шахты табельной информации в виде индикационных и печатных форм.
     Комплекс технических средств подсистемы (рис. 1) состоит из комплекта носителей информации 1, индукционных считывающих устройств (ИСУ) для отметки спуска в шахту 2 и подъема из шахты 3 трудящихся, распределительной коробки 4, кабеля связи 5, согласующих устройств 6 и 7, управляющей вычислительной машины, в состав которой входят устройство связи с объектом 8, процессор 9, пульт 10 технолога-оператора, внешний накопитель 11 и устройство печати 12. Информация А с пульта оператора представляет собой оперативные данные на цифровых индикаторах, получаемые по запросу оператора. С внешнего накопителя информация Б на машинном носителе (перфоленте) поступает для дальнейшей обработки. Информация В представляет собой машинные документы по табельному учету. Следует отметить, что УВМ используется и для решения других задач, т. е. является групповым устройством обработки информации в АСУП шахты.

Рисунок 1 - Блок-схема подсистемы учета выхождаемости и времени работы трудящихся шахты

     Носитель информации представляет собой металлический жетон, предназначенный для ввода табельной информации о трудящихся через ИСУ в УВМ. Он содержит десятичную запись табельного номера и его двоичный код в виде разомкнутых отверстий. Табельный жетон закрепляется на корпусе фары шахтного головного светильника.
     Информация формируется следующим путем. Табельный номер каждого трудящегося закодирован на его табельном жетоне. Перед спуском в шахту каждый трудящийся обязан отметиться в пункте учета. Для этого он должен свой табельный жетон вставить в считывающее устройство, готовое к приему жетона, т.е. на котором высвечивается надпись "Вставьте жетон", и, получив световой сигнал "Идите", означающий, что отметка произведена, вынуть жетон и следовать на рабочее место.
     Аналогичные операции каждый трудящийся осуществляет и после окончания работы в соответствующем пункте учета.
     Информация о табельном номере, считанная в ИСУ, по линии связи передается в УВМ.
     Учитываемые переменные данные, а именно: время спуска, время подъема, а также данные о времени предыдущего пребывания в шахте трудящегося при повторном спуске хранятся в памяти системы в течение смены или суток и могут выводится совместно с постоянными данными (номер участка и профессия) на бланки алфавитно-цифровой периодической печати, на перфоленту и цифровые индикаторы.
     Главным условием нормального функционирования вышеописанной системы является непрерывность реализации функции сбора и накопления информации, так как даже кратковременные отказы приводят к невосстанавливаемым потерям табельной информации, в то время как на угольных шахтах должен вестись точный и непрерывный учет всех лиц, спускающихся в шахту и выезжающих из нее [3]. Однако, как показал опыт эксплуатации, система не в состоянии обеспечить непрерывность реализации функций по ряду причин, основными из которых являются недостаточная надежность технических средств, отказы программного обеспечения, необходимость остановов УВК для профилактических и ремонтных работ. По данным журналов учета времени работы на шахтах, простои системы составляют 5,6% всего ресурса рабочего времени, причем на долю простоев по причине отказов УВК приходится свыше 70% общего времени простоев [4]. Продолжительные перебои в работе системы, обусловленные указанными причинами, безусловно, значительно снижают эффективность ее применения. Кроме того, конструкция выпускаемых ИСУ предусматривает только два типа сигналов: "вставьте жетон" и "идите", что, как показывает опыт эксплуатации систем с такими ИСУ, приводит к значительному количеству преждевременных выводов жетона из паза считывающего устройства, так как после ввода жетона гаснет табло "вставьте жетон", а подсветка табло "идите" появляется через определенный промежуток времени. Это повергает к снижению пропускной способности считывающих устройств и возможности образования очереди при интенсивном спуске - подъеме работающих шахты.
     В итоге можно сделать следующий вывод: описанная подсистема основана на морально и технически устаревшей элементной базе, обладающей низкой надежностью, а используемый алгоритм связи считывающих устройств с УВК не обеспечивает достаточной совместимости (понимания) "человека" и "машины", что приводит к увеличению времени обслуживания работающих аппаратами считывания информации, а также не эффективным режимам работы УВК по обработке данных и решения других задач, кроме того данная аппаратура не отличается низкими показателями по энергопотреблению.
     В последнее время крупных угольных предприятиях начали применяться системы табельного учета АСТУ-АМИ [5]. Эта система была создана на основе анализа и обобщения опыта разработки, внедрения и эксплуатации автоматизированных систем табельного учета угольных и горнорудных предприятий Украины, а также существующих систем контроля доступа и реализована с использованием самых современных технических и программных средств, обеспечивающих оперативную и достоверную обработку и представление информации, многопользовательский доступ к данным, удобство в эксплуатации, гибкость и наращиваемость системы.
     Данная система обеспечивает:

• контроль и управление доступом на предприятие и его объекты персонала и посетителей на основе прав допуска;
• обеспечение безопасных условий труда на основе своевременного, точного и объективного представления информации о местонахождении персонала на рабочих местах;
• улучшение использования трудовых ресурсов и повышение производственной дисциплины за счет сокращения потерь рабочего времени от недоработок (на 50-90% от существующего уровня);
• улучшение управления производственными подразделениями за счет высвобождения части рабочего времени среднего руководящего персонала от ведения рутинного бумажного учета (на 60-70% от существующего уровня);
• высвобождение части персонала, занятого табельным учетом и подготовкой исходных данных на начисление заработной платы (на 4-8 человек).

     Основные функциональные возможности системы:

• автоматизированный централизованный контроль и учёт трудящихся, находящихся в шахте и на территории предприятия, с целью обеспечения безопасных условий труда;
• идентификация персонала с помощью электронных пластиковых карточек - пропусков;
• автоматизированный оперативный учёт отработанного времени, количества выходов и неявок трудящихся;
• контроль и управление доступом персонала и посетителей на предприятие и его объекты на основе прав доступа, с использованием выбранных технических средств;
• получение сведений для обеспечения безопасных условий труда;
• получение сведений для поддержания производственной дисциплины;
• получение данных табельного учета и анализ использования трудовых ресурсов;
• подготовка данных для начисления заработной платы.
• формирование итоговых данных о работе персонала за месяц;
• отслеживание оперативной информации о работниках на текущий момент и за любой предыдущий период времени;
• ведение архива данных системы и обеспечение надежного их хранения.

     Программное обеспечение (ПО) АСТУ-АМИ состоит из общесистемного программного обеспечения для сервера базы данных, сервера управления и рабочих станций, а также прикладного программного обеспечения системы автоматизированного табельного учета. ПО работает под управлением операционной системы Windows и с использованием системы управления базой данных Sybase Adaptive Server Anywhere.
     В состав технических средств комплекса входят: локальная вычислительная сеть, комплекс устройств для сбора и передачи информации (считыватели, контроллеры, концентратор, линии связи) и устройств управления доступом (турникеты).
     Для идентификации персонала в системе АСТУ-АМИ используются электронные пластиковые карточки (рис.2 а) и средства считывания кода с кодоносителя которые могут использоваться в опасных средах (рис.2 б).

     
     а)                    б)
Рисунок 2 - Средства сбора данных: а) электронные пластиковые карточки; б) считывающее устройство

     Однако, несмотря на большинство своих достоинств, система АСТУ-АМИ имеет также свои недостатки, связанные в основном с носителем информации, важнейшими из которых являются:

• применение электронных пластиковых карточек обуславливает низкую пропускную способности пункта регистрации трудящихся из-за малого радиуса действия электронных пластиковых карточек (от 2 до 10 см), что способствует образованию очереди при интенсивном спуске - подъеме работающих;
• применение электронных пластиковых карточек крайне неудобно в шахтных условиях из-за специфики ведения горных работ (большая вероятность повреждения или утери пластиковой карты).

     Таким образом, были рассмотрены применяемые в настоящее время автоматизированные системы учета рабочего времени и табельных номеров трудящихся.

2 ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

     Целью данной диссертации является разработка такой автоматизированной системы табельного учета, которая отвечала бы современным требованиям, обладала расширенными функциональными возможностями и была лишена недостатков вышеуказанных систем автоматизированного табельного учета. Кроме того, разрабатываемая система должна выполнять все функций по безопасности труда, а также способствовать более эффективному и качественному оперативному контролю, анализу и управлению трудовыми ресурсами горных предприятий.
     Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:

• выбрать и обосновать наиболее рациональный и эффективный метод регистрации трудящихся (контактный или бесконтактный);
• на основе выбранного метода регистрации сформировать структуру и состав аппаратного комплекса системы;
• на основе структуры и состава аппаратного комплекса разработать и обосновать принцип действия разрабатываемой системы табельного учета;
• разработать структурные и функциональные схемы и описать принцип действия аппаратного комплекса;
• осуществить математическое моделирование системы, обосновать допущения, представить результаты и сделать выводы, которые должны лечь в основу построения системы;
• разработать принципиальные электрические схемы аппаратного комплекса системы;
• осуществить конструктивную разработку аппаратного комплекса системы;
• написать программное обеспечение;
• осуществить экспериментальное подтверждение результатов работы, для чего разработать схему лабораторного стенда для проведения экспериментальных исследований;
• обработать результаты экспериментальных исследований, сделать соответствующие выводы.

3 ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТКИ И СОСТАВ АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА НОВОЙ СИСТЕМЫ ТАБЕЛЬНОГО УЧЕТА

     Учитывая состояние современной элементной базы рационально применить в разрабатываемой системе автоматизированного табельного учета рабочего времени трудящихся (АТУРВ) бесконтактный способ передачи информации о трудящихся между носителями информации и считывающими устройствами основанный на применении радиочастотного канала связи. Отличительной особенностью системы АТУРВ от системы табельного учета АСТУ-АМИ, которая также основана на использовании радиоканала, является то, что дальность связи между носителями информации и считывающим устройством будет составлять несколько метров. Эта особенность позволит трудящемуся отметиться о спуске/подъеме в шахту, без каких либо дополнительных действий - просто достаточно пройти рядом со считывающим устройством и система автоматически идентифицирует его (рис.3).
     На рисунке 3 приведена обобщенная структурная схема предлагаемой системы.
     Принцип работы такой системы заключается в следующем: в шахтном головном светильнике устанавливается специальное устройство - носитель информации, в памяти которого "зашита" информация о табельном номере трудящегося. В пунктах учета устанавливаются считывающие устройства, количество которых устанавливается согласно нормам технического проектирования угольных шахт, при условии, что их должно быть не менее двух. При этом можно предусмотреть размещение пунктов учета непосредственно на участках шахты, что ранее не применялось. Связь между носителем информации и считывающим устройством будет осуществляется посредством применения приемопередатчиков, которые встроены как в носитель информации, так и в считывающие устройства.

Рисунок 3 - Обобщенная структурная схема системы АТУРВ

     Все считывающие устройства, кроме тех, что установлены на участках шахты (удаленных считывающих устройств), через концентратор по проводной линии связи подключены к Серверу управления АТУРВ, где полученная информация обрабатывается и передается Серверу базы данных АТУРВ для последующей обработки и хранения. При незначительной численности трудящихся Сервер управления АТУРВ и Сервер базы данных АТУРВ могут работать совместно на одном компьютере.
     Сервер управления АТУРВ на основании данных, хранящихся на Сервере базы данных АТУРВ, представляет данные по использованию трудовых ресурсов за сутки, неделю и месяц, ежесуточно обобщает данные о количестве явок и неявок трудящихся всего по шахте и участкам с подразделением на категории, учитывает ежесменные и ежесуточные потери рабочего времени трудящихся от недоработки смен по шахте, участкам с подразделениям по профессиям, учитывает распределение трудовых ресурсов по бригадам и т. д.
     По вызову оператора сервера или пользователей системы АТУРВ, подключенных к локальной сети шахты и имеющих доступ к информации, хранящейся на сервере базы данных АТУРВ, в соответствии с предоставленными правами могут получать следующую информацию: о любом табельном номере, учитываемом системой, спустившихся в шахту и приступивших к работе в данную смену по участкам, шахте и категориям трудящихся; задержавшихся в шахте после окончания смены; выходах за неделю (месяц) по любому индивидуальному табельному номеру; другие сведенья о трудящихся по заданному признаку. Выдача на печать необходимых документов, например список отработавших смену, будет осуществляться автоматически, либо по вызову оператора.
     Удаленные считывающие устройства (УСУ) не подключены к концентратору с помощью проводной линии связи. В связи с этим передача информации от УСУ (расположенных, например, на участках шахты) будет осуществляется с помощью особого носителя информации (ОНИ), имеющего расширенную память по сравнению с остальными носителями информации. Удаленное считывающее устройство накапливает информацию о прибытии/убытии трудящихся на рабочее место в течение смены. Когда в зоне действия приемопередатчика УСУ находится ОНИ, то это считывающее устройство "скачивает" последнему хранящуюся в нем информацию, а трудящийся, у которого находится такой носитель информации, доставляет ее на поверхность шахты. При этом достаточно чтобы ОНИ имел хотя бы один трудящийся на данном участке в каждую смену. Однако для 100%-го доставления на поверхность шахты информации накопленной за смену удаленным считывающим устройством, на трудящегося, обладающего ОНИ, необходимо накладывать определенные обязанности. Рационально при этом, чтобы такой носитель информации был у звеньевого, бригадира или начальника участка шахты. На поверхности шахты устанавливаются специальные считывающие устройства для особых носителей информации, которые также как и обычные подключены к концентратору сети.
     Таким образом, предложенная система автоматизированного табельного учета рабочего времени трудящихся не только может позволить увеличить пропускную способность в пунктах учета, но позволить более эффективно управлять трудовыми ресурсами за счет функции, ранее не реализуемой - функции удаленного табельного учета рабочих. Особенно это касается улучшения качества контроля и поддержания трудовой дисциплины.

4 ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ СИСТЕМЫ АТУРВ

     Практическая значимость разрабатываемой системы автоматизированного табельного учета заключается в том, что сведенья, которые будут предоставляться данной системой, нужны: во-первых - для обеспечения безопасных условий труда[3], обеспечение которых, происходит за счет своевременного, точного и объективного представления информации о местонахождении трудящихся; во-вторых - для поддержания и повышения производственной дисциплины, и в-третьих - для начисления заработной платы. Кроме того, применение данной системы позволит осуществлять планирование рабочего времени, проводить анализ использования трудовых ресурсов на предприятии.
     Использование данной системы будет способствовать улучшению использования трудовых ресурсов и повышению производственной дисциплины за счет сокращения потерь рабочего времени от недоработок.
     Еще одно не мене важное значение имеет то, что использование такой системы позволит высвободить часть рабочего времени среднего руководящего персонала от ведения рутинных функций сбора, сортировки, поиска, обработки и заполнения форм отчетности, что в свою очередь будет способствовать улучшению управления производственными подразделениями. Более того, данная система позволит высвободить часть персонала, занятого непосредственно табельным учетом и подготовкой исходных данных на начисление заработной платы.
     Особое значение имеет также та практическая значимость, которую трудно измерить общепринятыми показателями экономической эффективности, но которая в известных обстоятельствах могут приобретать главенствующее положение. Так, практически невозможно оценить в натуральном и денежном выражении преимущества такой системы во время аварийных ситуациях в шахте, когда необходимы точный учет и наискорейшее представление данных о людях, находящихся в шахте.
     Таким образом, система АТУРВ позволит не только уменьшить количество выполняемых операций по табельному учету, сократить персонал, занимающийся табельным учетом и упорядочить документооборот, но также повысить оперативность представления и использования информации.

5 РАЗРАБОТКА СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ТАБЕЛЬНОГО УЧЕТА

     В процессе разработки системы АТУРВ были составлены следующие структурные схемы: структурная схема носителя информации (рисунок 4), структурная схема считывающего устройства (рисунок 5) и структурная схема удаленного считывающего устройства (рисунок 6).

5.1 Разработка структурной схемы носителя информации

     Носитель информации (рисунок 4) состоит из микроконтроллера (МК) к порту ввода/вывода которого подключены AM/ЧМ передатчик, AM/ЧМ приемник и индикатор состояния, а также двух кварцевых резонаторов 1-2. Вся схема получает питание от литьевой батареи и размещена в шахтном головном светильнике.
     В AM/ЧМ передатчик входят блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), усилитель мощности (УМ) и кварцевый генератор (КГ), а также генератор, управляемый напряжением (ГУН).
     Передатчик осуществляет преобразование цифрового сигнала поступающего с порта вывода микроконтроллера на вход передатчика в радиочастотный сигнал (приемник осуществляет обратную операцию). Несущая радиосигнала синтезируется с помощью ГУН. Радиосигнал передается на настроенную петлевую антенну, которая может быть реализована медным проводником на печатной плате.
     В состав AM/ЧМ приемника входят малошумящий усилитель (МУ), генератор, управляемый напряжением (ГУН), блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), кварцевый генератор (КГ), фильтр промежуточной частоты (ФПЧ), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), демодулятор (Д) и блок интерфейса данных (ИД).

Рисунок 4 - Структурная схема носителя информации

     Входной каскад РЧ приемника представляет собой супергетеродин с промежуточной частотой 1МГц и состоит из малошумящего усилителя (МУ), гетеродина, смесителя с подавлением зеркального канала до 30дБ и усилителя УПЧ. Сигнал с входного каскада РЧ фильтруется интегрированным фильтром ФПЧ 4-го порядка, поступает на усилитель промежуточной частоты УПЧ, демодулятор Д и затем на блок интерфейса данных ИД. Далее сигнал передается в схему обработки данных (в микроконтроллер).
     Приемник и передатчик используют узкополосную передачу на одном канале, что позволяет снизить влияние паразитных сигналов, а также иметь высокую чувствительность и хорошее соотношение сигнал-шум. Благодаря узкополосному фильтру промежуточной частоты (ФПЧ) с крутым срезом и высокостабильному генератору удается достигнуть избирательности 60дБ по соседнему каналу.
     Принцип работы носителя информации заключается в следующем: посредством передатчика, подключенного к его порту вывода по связи "TxD", микроконтроллер МК отправляет посылку с табельным номером, в радиочастотный канал связи, при этом приемник находится в "спящем" (sleep) режиме. Табельный номер записан в энергонезависимой памяти микроконтроллера. После передачи посылки, микроконтроллер по связи "Enable" переводит приемник в активное состояние и переходит в режим ожидания квитирования регистрации. Под последним понимается получения от считывающего устройства посылки, подтверждающая то, что табельный номер был принят правильно.
     Получив посылку от НИ, считывающее устройство посылает посылку квитирования регистрации, которая содержит табельный номер, распознанный в посыле от НИ. Полученная приемником посылка квитирования регистрации отправляется по связи "RxD" в порт ввода микроконтроллера, где она сравнивается с записанным в энергонезависимой памяти табельным номером. При совпадении микроконтроллер переключает индикатор состояния, представляющий собой двухцветный светодиод, в режим "зарегистрирован" (светодиод горит красным цветом), сигнализирующий трудящемуся о том, что он успешно зарегистрировался. В случае несовпадения табельных номеров, либо отсутствия посылки квитирования регистрации в течение 10 мс, осуществляется повторная попытка регистрации.
     Индикатор состояния может находится в следующих трех режимах:

1. Режим "не зарегистрирован" - отсутствие свечения.
2. Режим "зарегистрирован" - светодиод горит красным цветом.
3. Режим "повторно зарегистрирован" - светодиод горит зеленым цветом.

     Особый носитель информации (ОНИ) не имеет особых структурных отличий от обычного носителя информации. Основные его отличия заключаются в следующем: 1) микроконтроллер имеет энергонезависимую память значительно большего объема, чем в обычных НИ; 2) наличие режима приема данных от удаленного считывающего устройства (для индикации этого режима предусматривается дополнительный светодиод).
     Принцип действия ОНИ заключается в следующем: после осуществления регистрации (получения посылки квитирования), микроконтроллер посылает посылку-запрос удаленному считывающему устройству, получив которую последнее передает накопленные в его памяти данные о регистрации других НИ особому носителю информации.

5.2 Разработка структурной схемы считывающего устройства

     Считывающее устройство (СУ) состоит из следующих структурных единиц (рисунок 5): микроконтроллера (МК) к порту ввода/вывода которого подключены AM/ЧМ передатчик, AM/ЧМ приемник и индикатор режима, а к входам/выходам УАПП подключен преобразователь КМОП/RS485, кварцевых резонаторов 1-2. Схема получает питание от стабилизированного блока питания БП.

Рисунок 5 - Структурная схема считывающего устройства

     AM/ЧМ передатчик и AM/ЧМ приемник аналогичны тем, что применяются в носителе информации.
     Принцип работы считывающего устройства заключается в следующем: в исходном состоянии (отсутствии в радиусе действия приемника носителей информации) микроконтроллер (МК) поддерживает активное состояние приемника (в линии Enable присутствует сигнал высокого уровня), т.е. приемник готов принять посылку с табельным номером, а передатчик в это время находится в режиме "sleep". Индикатор режима, подключенный к порту вывода МК, сигнализирует о готовности считывающего устройства - на передней панели горит зеленый светодиод.
     При получении по линии "RxD" микроконтроллером с выхода блока ИД приемника посылки от носителя информации он записывает полученный табельный номер и время его получения в свою энергонезависимую память (ЭП). После этого он отключает приемник (в линии Enable присутствует сигнал низкого уровня) и по линии "TxD" передает посылку с полученным табельным номером передатчику, который в свою очередь, отправляет ее по радиочастотному каналу связи. После отправления посылки квитирования передачи считывающее устройство переходит в исходное состояние.
     Для связи считывающих устройств с Сервером управления АТУРВ используется проводная линия связи RS 485. Передача накопленных данных о зарегистрированных трудящихся осуществляется посредством преобразователя КМОП/RS485, который с одной стороны подключен к микроконтроллеру а с другой к сети RS485.
     Специальное считывающее устройство (ССУ) состоит из тех же структурных единиц, что и описанное выше СУ. Его отличие заключается в выполняемой им функции: оно предназначено не для осуществления регистрации трудящихся, а для "скачивания" информации с особых носителей информации, которая была доставлена ими от удаленных считывающих устройств. ССУ периодически посылает посылку-запрос, получив которую особый носитель информации передает специальному считывающему устройству содержимое свое энергонезависимой памяти.

5.3 Разработка структурной схемы удаленного считывающего устройства

     Структурное отличие удаленного считывающего устройства (УСУ) от простого СУ заключается в том, что оно не имеет преобразователя КМОП/RS485, так как не подключено в сеть RS485. В остальном структурный состав аналогичен структурному составу вышеописанного считывающего устройства.
     Удаленное считывающее устройство (рисунок 6) может работать в двух режимах: "Регистрация" и "Передача". Работа устройства в первом режиме аналогична работе обычного считывающего устройства. О работе УСУ в режиме "Регистрация" сигнализирует индикатор режима (светодиод на передней панели УСУ горит зеленым цветом), подключенный к порту вывода микроконтроллера УСУ

Рисунок 6 - Структурная схема удаленного считывающего устройства

     В режиме "Передача" работа удаленного считывающего устройства осуществляется следующим образом: получив посылку-запрос от особого носителя информации, микроконтроллер МК УСУ посредством передатчика начинает передавать посылки, представляющие собой накопленные данные о табельных номерах зарегистрированных на участке трудящихся. При этом индикатор режима находится в режиме индикации "Передача" (светодиод на передней панели УСУ горит красным цветом). После передачи всех данных МК УСУ переводит приемник в активный режим (высокий уровень в линии Enable) и ждет подтверждения получения данных особым носителем информации. После получения посылки квитирования от особого носителя информации микроконтроллер переводит УСУ в режим "Регистрация".
     В выше приведенных структурных схемах линия CLK используется для осуществления тактирования микроконтроллера с передатчиком.

5.4 Описание элементной базы системы радиопередачи устройства

     В данной разработке в качестве элементной базы для приемников и передатчиков предполагается использовать АМ/ЧМ передатчики U2741B и АМ/ЧМ приемники U3741BM в интегральном исполнении производства фирмы Atmel. U2741B и U3741BM работают в паре на частотах 300-450 МГц. Диапазон рабочих температур составляет от -40 до +85?С. Скорость передачи данных может достигать 20 Кбод при мощности до 5 дБм. Приемник поддерживают скорость приема данных в режиме АМ до 10кБод и в режиме ЧМ до 3,2кБод, при этом чувствительность приемника может достигать - 91 дБм. Диапазон напряжения питания составляет для передатчика - от 2 В до 5.5 В, для приемника - от 4.5 В до 5.5 В.
     Потребление тока передатчиком в активном режиме (в режиме передачи данных) составляет 4.7 мА, а "спящем" режиме (режиме ожидания) ток потребления снижается до 0.35 мкА. Для приемника эти параметры составляют соответственно 7 мА и 190 мкА. Максимальный потребляемый ток микроконтроллером составляет - 8 мА.
     Для передачи (приема) цифрового сигнала по радиочастотному каналу связи может использоваться как амплитудное (AM) так и частотное (ЧМ) манипулирование. В данной разработке принимается режим амплитудного манипулирования. Так как данный режим обеспечивает наибольшую скорость приема данных, ослабляет некоторые типы помех, а также позволяет строить более простые алгоритмы антиколлизии по сравнению с применением режима ЧМ.
     Принцип работы передатчика при амплитудном манипулировании заключается в следующем: при подаче на вывод ENABLE передатчика высокого уровня активизируется блок фазовой автоподстройки частоты ФАПЧ, при этом сигнал тактирования с вывода CLK подается на микроконтроллер МК. Подачей соответствующего сигнала на вход передатчика (линия TxD) осуществляется включение и выключение усилителя мощности УМ, таким образом, и реализуется амплитудная манипуляция (AM) на частоте f1 (рисунок 7).

Рисунок 7 - Временная диаграмма передатчика в режиме амплитудной манипуляции

     Для подсоединения внешней петлевой или l/4 антенны передатчик и приемник имеют одиночный вывод с открытым коллектором. В качестве приемной антенны используется проводная антенна, а в качестве передающей - печатная петлевая антенна (печатный проводник). Основное требование, которому должны соответствовать такие антенны, это способность возбуждать сильные токи для создания электромагнитного поля. Выходная мощность антенны определяется значением ее сопротивления излучения:

     Для осуществления эффективной радиопередачи, т. е. обеспечения относительно высоких характеристик радиосистемы, перед тем как отправить посылку в радиочастотный канал связи необходимо осуществлять ее кодирование. Двумя самыми распространенными приемами кодирования являются - код без возвращения к нулю (БВН) и код Манчестера.
     Применяемые приемники U3741BM и передатчики U2741B поддерживают манчестерское или бидвоичное кодирование.

Рисунок 8 - Форма бидвоичной кодовой последовательности

     Манчестерский код (рисунок 8) получается преобразованием бита "1" в последовательность "10", и преобразованием нуля в "01". Этот способ кодирования очень надежен, но удваивает количество импульсов, необходимых для передачи данных. Применение манчестерского метода кодирования позволяет отбрасывать посылки, содержащие ошибки, которые также могут возникать в результате коллизии. Приемники анализируют принимаемый сигнал, и если он отличается от кода Манчестера, то прием такой посылки прекращается.

6 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА АНТИКОЛЛИЗИИ

6.1 Обоснование проблемы коллизии

     При описанном выше подходе к реализации автоматизированной системы табельного учета возможна ситуация когда несколько носителей информации одновременно попытаются занять радиочастотный канал связи. Это неизбежно приведет к искажению передаваемой ими информации в результате наложения содержимого нескольких посылок друг на друга. Говорят, что при этом происходит коллизия (collision). Применяемый метод кодирования не позволяет выделять сигналы каждого носителя информации из общего сигнала, такие посылки просто не принимаются, так как при этом нарушается структура кода Манчестера.
     На рисунке 9 приведен типичный пример возникновения коллизии.

Рисунок 9 - Возникновение коллизий

     Из приведенного выше рисунка видно, что носитель информации НИ1 успешно передал свою посылку. Во время передачи вторым носителем информации (НИ2) своей посылки носитель информации НИ3 также начал передачу своей посылки. В результате произошло "наложение" посылок носителей информации НИ2 и НИ3, т. е. возникла коллизия. Коллизия приведет к тому, что эти посылки либо будут не приняты считывающим устройством из-за нарушения применяемого метода кодирования, либо восприняты с ошибками, т. е. считывающее устройство распознает в посылке табельный номер, который не соответствует исходному.

6.2 Разработка алгоритма

     Чтобы предотвратить явления коллизий или хотя бы свести к минимуму вероятность их появления необходимо применять специальные алгоритмы антиколлизии.
     В данной работе был разработан такой алгоритм, блок-схема которого приведена на рисунке 10. Основная идея в работе данного алгоритма заключается в следующем: чтобы не допустить возникновения коллизий при нахождении в зоне приема нескольких носителей информации, все носители информации должны одновременно наблюдать за возникающими в радиоканале сигналами, при этом, если канал связи занят (присутствует модуляция), то каждый конкретный носитель информации откладывает передачу своей посылки на интервал времени, определяемый случайно. Такой алгоритм не исключает появление коллизий, однако позволяет свести к минимуму их возникновение.
     Алгоритм антиколлизии работает следующим образом: при запуске носителя информации (подаче питания на схему) вначале выдерживается пауза tп1 (блок 2). Пауза tп1 определяется временем нечувствительности используемого приемника, т. е. временем запуска его цепей обработки сигнала. Это время можно определить из следующих соотношений:

     После выдержки паузы tп1 запускается приемник носителя информации (блок 3) и отслеживается наличие несущей частоты в радиоканале (блок 4). Отсутствие несущей частоты (модуляции) в радиочастотном канале связи дает сигнал микроконтроллеру для начала передачи посылки с табельным номером (блок 9). После этого микроконтроллер переход в режим ожидания посылки квитирования и переводит приемник в активный режим (блок 10). Если в течение 10 мс посылка квитирования не была получена (блок 11), то алгоритм повторяется заново. Если посылка квитирования была успешно принята, то перед последующей передачей регистрационной посылки выдерживается пауза tп3 в течение которой носитель информации "молчит".

Рисунок 10 - Блок - схема алгоритма антиколлизии

     Длительность этой паузы может достигать пяти минут. Она необходима, для того чтобы разгрузить канал связи от уже зарегистрировавшихся носителей информации и тем самым уменьшить вероятность появления коллизий. По истечении паузы tп3 алгоритм начнет свою работу с начала.
     Если в результате "прослушивания" канала связи было обнаружено присутствие модуляции, то микроконтроллер НИ перед попыткой передать посылку с табельным номером должен сделать паузу в течение короткого случайного интервала времени, а затем снова попытаться занять радиочастотный канал связи.
     Для этого он генерирует случайное целое число S из интервала [0, 64] (блок 5). Далее выдерживается пауза tп2, называемая интервалом отсрочки (блок 6). Общая случайная пауза выбирается по следующей формуле:

     Из выражения видно, что пауза T∑ кратна паузе tп2, а ее длительность определяется случайным числом S и будет продолжатся до тех пор, пока S не станет равным нулю (блоки 7, 8).
     Интервал отсрочки равен 5 битовым интервалам и соответствует времени определяемому из выражения:

     Таким образом, случайная пауза (без учета времени выполнения команд) может принимать значения от 0 до 32 мс.
     После того как выполнится условие блока 8, будет осуществлена повторная попытка зарегистрироваться, т.е. выполнение алгоритма начнется с блока 4.
     На рисунке 11 изображена ситуация аналогичная той, что приведена на рисунке 9, но при использовании алгоритма антиколлизии.

Рисунок 11 - Метод доступа к каналу связи с использование алгоритма антиколлизии

     Теперь при попытке передать свою посылку носитель информации НИ 3 обнаружил путем прослушивания радиоканала канала связи, что последний занят и только после выдержки случайной паузы tсл вновь попытался передать свою посылку. Так как канал связи на этот раз оказался свободным, то третий носитель информации успешно зарегистрировался. Таким образом, данный метод позволил избежать возникновения коллизии.
     Из описанного выше метода избежания коллизий видно, что он носит вероятностный характер, и вероятность успешного получения носителем информации в свое распоряжение радиочастотного канала связи зависит от загруженности последнего. Поэтому чем меньше НИ находится в радиусе действия считывающего устройства, тем меньше вероятность возникновения коллизий. Последним объясняется необходимость в паузе tп3.

6.3 Моделирование работы алгоритма антиколлизии

     Цель моделирования - убедится в работоспособности разработанного алгоритма антиколлизии, выявить его достоинства и недостатки.
     На языке программирования Visual Basic 6.0 была разработана программа для моделирования ведения регистрации трудящихся с учетом и без учета алгоритма антиколлизии, а электронные таблицы и графические возможности пакета Microsoft Excel использовались для наглядного представления полученных результатов.
     Моделирование состоит из двух этапов: на первом этапе используется модель ведения регистрации трудящихся без учета приведенного выше алгоритма, а на втором - модель ведения регистрации трудящихся, в основу которой заложен указанный алгоритм.
     В моделировании принимают участие три носителя информации: НИ1, НИ2, НИ3, которые посылают свои посылки в радиочастотный канал связи. Масштаб времени, используемый при моделировании, составляет - 1000:1
     Моделирование без использования алгоритма антиколлизии. В данном режиме моделирования посылки отправляются носителями информации без предварительного "прослушивания" канала связи, что как видно из рисунка 12 ведет к наложению посылок. Так носитель информации НИ1 начал передачу своей посылки на 8 секунде моделирования (рис. 12). Всего длительность посылки составляла 2 секунды, однако уже на 9 секунде хода процесса моделирования начал передачу своей посылки носитель НИ2. В результате возникла коллизия и обе посылки были "отброшены". В итоге из трех носителей информации только носитель НИ3 успешно передал свою посылку.

Рисунок 12 - Результаты моделирования без применения алгоритма антиколлизии

     При повторном моделировании (рис. 13) все посылки из-за коллизии были "отброшены" и, соответственно, ни один из носителей не зарегистрировался.

Рисунок 13 - Результаты повторного моделирования без применения алгоритма антиколлизии

     В ходе данного моделирования специально была уменьшена длина посылки до 2 мс (в реальном масштабе времени) с целью уменьшения вероятности появления коллизий, но как показывают результаты моделирования коллизии все равно возникают. Таким образом, при использовании длинных посылок избежать коллизий без принятия специальных мер просто невозможно.
     Моделирование с использованием алгоритма антиколлизии. На данном этапе моделирования использовался метод случайного расположения очередности попыток передать свою посылку носителей информации НИ1, НИ2, НИ3. Это объясняется тем, что вероятность того, что все носители одновременно попытаются зарегистрироваться очень мала. Вероятнее всего, то, что их попытки будут разнесены во времени. Поэтому в модели была рассмотрена именно такая ситуация.
     По случайному закону распределения формируется следующая очередность попыток: в начале НИ1, потом НИ3 и в конце НИ2. Так как во время попытки зарегистрироваться первым НИ канал связи был свободен, то НИ1 успешно передал свою посылку, длительностью 15с (рис. 14).

Рисунок 14 - Результаты моделирования с применением алгоритма антиколлизии

     Первая попытка зарегистрироваться у НИ3 была на восьмой секунде моделирования, однако так как канал связи в этот момент времени был занят носителем НИ1, то передачу своей посылки носитель информации НИ3 отложил на время, которое определялось сгенерированной случайной паузой и которая составила около 30 секунд. По истечении этой паузы была предпринята вторая попытка носителем НИ3 зарегистрироваться, которая на сей раз увенчалась успехом.
     Первую попытку зарегистрироваться носитель НИ2 осуществил на девятой секунде моделирования, но из-за занятости канала связи носителем НИ1 отложил ее на время равное примерно 6 секунд. Через 6 с канал связи был еще занят первым носителем информации, и поэтому носитель НИ2 отложил свою попытку во второй раз теперь уже на 26 с. Третья попытка зарегистрироваться была пересечена занятостью канала связи носителем НИ3, в связи с чем была сгенерирована третья пауза которая составила 29 с. На этот раз произошла регистрация, так как радиочастотный канал связи был свободен.
     При повторении этапа моделирования (рис. 15) образовалась очередь НИ3-НИ1-НИ2. Анализируя полученные результаты моделирования, не трудно убедится в том, что и на этот раз все носители информации провели успешную регистрацию.
     Как в первом, так и во втором случае общее время регистрации составило 86 мс (в реальном масштабе времени).

Рисунок 15 - Результаты повторного моделирования с применением алгоритма антиколлизии

     Таким образом, на данной модели была доказана работоспособность разработанного алгоритма, который позволил избежать появления коллизий, т. е. наложения посылок от различных носителей информации в процессе их регистрации. Однако модель кроме достоинств разработанного алгоритма позволила выявить и его недостаток - увеличение времени регистрации при увеличении количества носителей информации находящихся в зоне действия считывающего устройства. Однако реально в зоне действия считывающего устройства может находится не более 20 человек, что не приведет к заметному увеличению времени регистрации. Это видно уже по результатам моделирования, т. к. время регистрация трех носителей информации составляет 86 мс, а время, за которое трудящийся сможет выйти из зоны действия считывающегося устройства составляет не менее 3 с, что значительно больше времени их регистрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     Таким образом, была предложена принципиально новая система автоматизированного табельного учета рабочего времени трудящихся - АТУРВ, позволяющая осуществлять регистрацию трудящихся не только при подъеме и спуске в шахту, но и непосредственно на рабочем участке или любой другой точке, где это вызывает необходимость. Кроме того, в системе реализован бесконтактный способ учета табельных номеров с большим радиусом действия, что позволяет освободить трудящегося от каких либо действий при осуществлении регистрации о прибытии/убытии на рабочее место.
     Бесконтактный способ был реализован путем применения радиочастотного канала связи. Однако у применяемой системы радиопередачи есть один недостаток - возникновение коллизий при одновременной попытке несколькими носителями информации зарегистрироваться. Для решения данной проблемы был разработан алгоритм, позволяющий свести к минимуму вероятность появления коллизий, а при малом количестве носителей информации (от 2 до 4) в радиусе действия считывающего устройства вообще избавится от данного недостатка, что непосредственно было доказано на реализованной модели.
     Преимуществами системы АТУРВ перед системой АСТУ-АМИ являются, во-первых, отсутствие идентификационных пластиковых карточек, имеющих малый радиус действия и вызывающих ряд неудобств при их эксплуатации, а во-вторых - наличие дополнительной функции удаленного учета трудящихся. Эти преимущества позволят, не только более эффективно выполнять функции по безопасности труда, но и осуществлять более эффективно функции по контролю и поддержанию трудовой дисциплины, оперативному контролю, анализу и управлению трудовыми ресурсами, что в свою очередь непосредственно влияет на эффективность производства в целом.

НЕРЕШЕННЫЕ ВОПРОСЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

     На данном этапе выполнения магистерской диссертации остается еще целый ряд нерешенных вопросов, которые в ближайшем будущем необходимо будет решить.
     Во-первых, необходимо еще глубже и детально проработать принцип действия аппаратного комплекса системы, особенно это касается непосредственно осуществления процесса регистрации носителями информации и доставления информации от удаленных считывающих устройств.
     Во-вторых, необходимо будет расширить область моделирования, так как на данном этапе она коснулось только вопроса борьбы с коллизиями. Моделирование поможет выявить те неявные на первый взгляд нюансы, которые должны быть учтены при дальнейшей разработке системы АТУРВ.
     В-третьих, необходимо разработать принципиальные электрические схемы аппаратного комплекса системы и осуществить его конструктивную разработку. В данном контексте очень важно выбрать наиболее рациональную элементную базу, особенно это касается вопроса энергопотребления, которое должно быть минимальным.
     В-четвертых, необходимо разработать программное обеспечение для аппаратного комплекса системы.
     После решения вышеуказанных задач в перспективе планируется осуществить физическое подтверждение результатов проведенной работы, для чего необходимо будет разработать схему лабораторного стенда для проведения экспериментальных исследований. Это является, пожалуй, самым сложным этапом выполнения данной диссертации, но его выполнение необходимо, так как именно экспериментальные исследования помогут выявить все недочеты, допущенные в проделанной работе и уже на практике выявить все недостатки и достоинства разрабатываемой системы.

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Гольдин М.А, Напрасников В.Н., Коваленко Г. Г., Боронин В. Ф. Автоматизированная система управления производственными процессами угольной шахты. М.: ЦНИЭИуголь,1974. - 96с.
2. Автоматизированные системы управления технологическими процессами на угольных предприятиях. Труды института. Выпуск 32. М.: Гипроуголеавтоматизация, 1979. - 168с.
3. Правила безопасности в угольных шахтах. К.: Госнадзорохрантруда, 2001.
4. Макаров М.И. Надежность шахтной автоматизированной системы САТУРН. - Уголь, 1978, №9, с. 63 - 64.
5. Официальный сайт компании "АМИ": www.ami.ua.
6. Ли У. Техника подвижных систем связи: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1985. - 392 с., ил.
7. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы./ В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. - СПб.: Питер,2001. - 672 с.
8. Официальный сайт компании Atmel: www.atmel.com.
9. Сайлер Б., Споттс Д. Использование Visual Basic 6. Специальное издание.: Пер. с англ. - М.; СПб.; К.: Издательский дом "Вильямс",2001. - 832 с.: ил. - Парал. тит. англ.
10. Браун С. Visual Basic 6:учебный курс - СПБ: ЗАО "Издательство "Питер"" , 1999 - 576с.