Цифровые технологии дали возможность создать ряд современных аппаратных средств, которые оказывают существенную помощь работе правоохранительных органов. К ним относятся мобильная сотовая связь, цифровые диктофоны, цифровые фото- и видеокамеры.
Связь называют мобильной, если источник информации или ее получатель (или оба) перемещаются в пространстве. Сущность сотовой связи заключается в разделении пространства на небольшие участки - соты (или ячейки радиусом 1-5 км) и отделении радиосвязи в пределах одной ячейки от связи между ячейками. Это позволяет использовать в разных сотах одни и те же частоты. В центре каждой ячейки располагается базовая (приемно-передающая) радиостанция для обеспечения радиосвязи в пределах ячейки со всеми абонентами. У каждого абонента своя микрорадиостанция - мобильный телефон - комбинация телефона, приемопередатчика и мини-компьютера. Абоненты связываются между собой через базовые станции, соединенные друг с другом и с городской телефонной сетью. Каждая ячейка сотов обслуживается базовым радиопередатчиком с ограниченным радиусом действия и фиксированной частотой. Это дает возможность повторно использовать ту же частоту в других сотах. Во время разговора сотовый радиотелефон соединен с базовой станцией радиоканалом, по которому передается телефонный разговор. Размеры ячейки сотов определяются максимальной дальностью связи радиотелефонного аппарата с базовой станцией. Эта максимальная дальность является радиусом соты.
Идея мобильной сотовой связи состоит в том, что, еще не выйдя из зоны действия одной базовой станции, мобильный телефон попадает в зону действия любой соседней вплоть до наружной границы всей зоны сети.
Для этого созданы системы антенн-ретрансляторов, перекрывающих свою соту - область поверхности Земли. Для обеспечения надежности связи расстояние между двумя соседними антеннами должно быть меньше радиуса их действия. В городах оно составляет около 500 м, а в сельской местности около 2-3 км. Мобильный телефон может принимать сигналы сразу от нескольких антенн- ретрансляторов, но настраивается он всегда на самый мощный сигнал.
Идея мобильной сотовой связи заключается еще и в применении компьютерного контроля за телефонным сигналом от абонента, когда он переходит от одной сотовой ячейки к другой. Именно компьютерный контроль позволил в течение всего лишь тысячной доли секунды переключать мобильный телефон с одного промежуточного передатчика на другой. Все происходит так быстро, что абонент просто этого не замечает.
Центральной частью системы сотовой мобильной связи являются компьютеры. Они отыскивают абонента, находящегося в любой из сот и подключают его к телефонной сети. Когда абонент перемещается из одной ячейки в другую, они передают абонента с одной базовой станции на другую.
Важным преимуществом мобильной сотовой связи является возможность пользоваться ею вне общей зоны своего оператора - роуминг. Для этого различные операторы договариваются между собой о взаимной возможности пользования своими зонами для пользователей. При этом пользователь, покидая общую зону своего оператора, автоматически переключается на зоны других операторов даже при перемещении из одной страны в другую, например из России в Германию или во Францию. Либо, находясь в России, пользователь может звонить по сотовой связи в любую страну. Таким образом, сотовая связь обеспечивает пользователю возможность связываться по телефону с любой страной, где бы он ни находился. Ведущие компании-производители сотовых телефонов ориентируются на единый европейский стандарт - GSM.
Диктофон (от лат. dido - говорю, диктую) - это разновидность магнитофона для записи речи в целях, например, последующего печатания ее текста. Диктофоны делятся на механические, в которых в качестве накопителя информации используются стандартные кассеты или микрокассеты с магнитной пленкой, и цифровые.
Цифровые диктофоны отличаются от механических полным отсутствием подвижных деталей. В них в качестве накопителя информации вместо магнитной пленки используется твердотельная флэш-память.
Цифровая фотография позволяет оперативно и без использования дорогостоящих, длительных и вредных для здоровья химических процессов получать в цифровой форме качественные фотографии.
Принцип работы цифровой фотокамеры заключается в том, что ее оптическая система (объектив) проецирует уменьшенное изображение фотографируемого объекта на миниатюрную полупроводниковую матрицу из светочувствительных элементов, так называемый прибор с зарядовой связью ПЗС (CCD). ПЗС-матрица - это аналоговое устройство: электрический ток возникает в пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать фотокамера. Далее полученный аналоговый сигнал с помощью цифрового процессора преобразуется в оцифрованное изображение, которое сжимается в формат JPEG (или аналогичный ему) и затем записывается в память камеры. Емкостью этой памяти определяется число снимков. В качестве памяти цифровых фотокамер используются различные накопители - дискеты, карточки флэш-памяти, оптические диски CD-RW и др. Запомненные электрические сигналы в виде картинки можно вывести на экран компьютера, телевизора, напечатать на бумаге с помощью принтера или передать по электронной почте в любую страну. Чем больше пикселей содержит ПЗС-матрица, тем больше четкость цифрового фотоизображения. В матрицах современных цифровых фотоаппаратов число пикселей - от 2 млн до 6 млн и более.
Цифровой фотоаппарат снабжен миниатюрным жидкокристаллическим дисплеем, на котором сделанный снимок появляется сразу же после нажатия кнопки. Никакого проявления и закрепления изображения (как в традиционной фотографии) при этом не требуется. Если снимок не понравился, его можно «стереть» и на его место поместить новый. Единственное, что в цифровом фотоаппарате осталось от традиционной фотографии, - это объектив.
В цифровой фотографии полностью исключено использование светочувствительных материалов с солями дефицитного серебра. По сравнению с традиционными, цифровые фотокамеры содержат значительно меньшее количество механических подвижных деталей, что обеспечивает их высокую надежность и долговечность.
Во многих цифровых фотокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием - трансфокаторы или zoom-объективы), обеспечивающие оптическое (чаще всего трехкратное) увеличение. Это означает, что при фотосъемке можно, не сходя с места, зрительно приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран.
Еще одно преимущество цифровых фотокамер - возможность не только делать фотографии, но и снимать короткие видеосюжеты длительностью до нескольких минут. В наиболее совершенных цифровых фотокамерах имеется встроенный микрофон, позволяющий снимать видеосюжеты со звуком.
Введенные в компьютер цифровые фотографии могут быть подвергнуты обработке, например кадрированию (выделению отдельных участков с увеличением), изменению яркости и контрастности, цветового баланса, ретуши и т.д. В компьютере можно создавать альбомы цифровых фотографий, которые можно просматривать либо последовательно, либо в режиме слайд-фильма.
Качество цифровых фотоснимков уже сегодня не уступает качеству обычных. Можно предположить, что в ближайшие годы цифровая фотография полностью вытеснит традиционную.
Видеокамеры позволяют записывать движущееся изображение со звуком. В современных видеокамерах оптическое изображение, так же как в цифровых фотокамерах, преобразуется в электрическое с помощью ПЗС-матрицы. В них также не нужна кинопленка, не требуется проявление и закрепление. Изображение в них записывается на магнитную видеопленку. Однако для записи вдоль магнитной ленты (как это осуществляется при записи звука) потребовалась бы очень высокая скорость ее движения - более 200 км/ч (приблизительно в 10 000 раз большая, чем при записи звука): человек слышит звуки в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц. Качественная запись звука осуществляется в этом диапазоне. Для записи видеоизображения требуются гораздо более высокие частоты - свыше 6 МГц.
Вместо того чтобы увеличивать скорость движения магнитной ленты при записи и воспроизведении изображения, магнитные головки в видеокамере и видеомагнитофоне закреплены на вращающемся с высокой скоростью барабане, а сигналы записываются не вдоль, а поперек ленты. Ось вращения барабана наклонена к ленте, а его магнитная головка при каждом обороте записывает на ленте наклонную строчку. При этом плотность записи значительно увеличивается, а магнитная лента должна двигаться сравнительно медленно - со скоростью всего 2 мм/с. Они записывают цветное изображение и звук (с помощью встроенного микрофона), обладают высочайшей чувствительностью. Измерение яркости изображения, установка диафрагмы и наводка на резкость полностью автоматизированы. Результат видеосъемки можно просмотреть сразу же, ведь никакой проявки пленки (как при киносъемке) не требуется.
Видеокамеры снабжаются высококачественными объективами. В наиболее дорогих видеокамерах используются вариообъективы с переменным фокусным расстоянием, обеспечивающие оптическое 10-кратное увеличение. Это означает, что при видеосъемке можно, не сходя с места, приблизить или отдалить снимаемый объект, причем это можно делать постепенно. Кроме того, применяется и цифровое увеличение до 400 раз и более, при котором фрагмент изображения растягивается на весь экран. Применяется также система стабилизации изображения, которая корректирует дрожание камеры с большой точностью и в широких пределах.
Применение ПЗС-матриц обеспечивает видеокамерам высочайшую чувствительность, дающую возможность снимать почти в полной темноте (при свете костра или свечи).
В видеофильме, как и в звуковом кинофильме, движущееся изображение и звук записываются на один и тот же носитель информации - магнитную видеопленку. Наиболее распространенный бытовой стандарт видеозаписи - домашнее видео (video home system, VHS). Ширина магнитной пленки в этом стандарте - 12,5 мм. Для портативных видеокамер применяется уменьшенная кассета с пленкой той же ширины - VHS Compact.
Фирма Sony разработала и выпускает миниатюрные видеокассеты стандарта Video-S (Ш8). Ширина пленки в них равна 8 мм. Это позволило уменьшить габариты портативных бытовых видеокамер. Наиболее совершенные из них для контроля изображения во время видеосъемки помимо видоискателя снабжены миниатюрным цветным жидкокристаллическим дисплеем. С их помощью можно просмотреть только что отснятый видеофильм прямо на съемочной видеокамере. Другой способ просмотра - на экране телевизора. Для этого выход видеокамеры соединяют со входом телевизора.
Переход на цифровой метод записи позволяет избежать потери качества даже при многократной перезаписи. В 1995 г. консорциум 55 ведущих производителей электроники, в том числе Sony, Philips, Hitachi, Panasonic и JVC, приняли цифровой формат видеозаписи на магнитную пленку DVC (digital video cassette ) или DV (digital video). Уже в конце 1995 г. Sony представила первую DV-видеокамеру. Теперь цифровой видеофильм можно перенести с видеокамеры на винчестер компьютера и обратно непосредственно, без всяких сложных преобразований.
Каждому кадру на магнитной ленте соответствуют 12 наклонных строк-дорожек шириной 10 мкм. На каждой из них, кроме записи аудио- и видеоинформации, часа, минуты, секунды и порядкового номера кадра, есть возможность записать дополнительную информацию о видеосъемке. Все DV-камеры могут работать в режиме фотосъемки и фиксировать отдельные изображения со звуковым сопровождением в течение 6-7 с. Они превращаются в цифровые фотоаппараты с емкостью 500-600 кадров. Создан уже и D V-видеомагнитофон.
Наряду с цифровым форматом DV фирма Sony разработала новую цифровую технологию Digital 8, которая призвана стереть границу между аналоговыми и цифровыми форматами. Она позволяет использовать цифровую запись DV на обычной кассете Ш8, применявшейся для аналоговой записи.
Выпускаются цифровые видеокамеры без видеокассеты. Изображение в них записывается на жесткий съемный диск (винчестер). Записанный в цифровом формате видеофильм можно просмотреть на персональнрм компьютере или преобразовать его в аналоговый сигнал и посмотреть по телевизору. Запись ведется со сжатием информации в формате МРЕв/ЗРЕв, стандартном для компьютеров, поэтому ее можно просматривать и даже редактировать на мониторе персонального компьютера.
В новейших видеокамерах вместо магнитной ленты для записи видеоизображения применены перезаписываемые оптические ЭУО- ИЛУ-диски. Записанный на них диск можно сразу же вставить в БУО-плеер для просмотра. Благодаря малому диаметру диска (8 см) габариты видеокамеры такие же, как и у обычных - с использованием кассет с магнитной пленкой. Время записи на ОУО-диске составляет 30 мин, а в «режиме экономии» - 60 мин с некоторым понижением качества видеоизображения.
Цифровым видеокамерам, фотокамерам, диктофонам без подвижных узлов и деталей принадлежит будущее. Они более надежны, долговечны, легки и миниатюрны, не боятся встрясок при ходьбе, ударов.
Контрольные вопросы
1. Что понимается под аппаратным и программным обеспечениемкомпьютера? 2. Назовите отличительные особенности ПК типа 1ВМ РС. 3. Рассмотрите историю клона 1ВМ РС по типу используемогомикропроцессора. 4. Каковы основные устройства входят в аппаратное обеспечениеПК? 5. Каково назначение системной шины и разъемов расширения ПК? 6. Как связаны быстродействие микропроцессора и быстродействие ПК? 7. Как влияют характеристики МП и памяти на производительность ПК? 8. Объясните назначение адаптеров и контроллеров. 9. Что такое аналого-цифровой (АЦП) и цифроаналоговый (ЦАП)преобразователи? 10. В чем различие между носителями и накопителями информации?}}
- Назовите основные виды носителей и накопителей информациив компьютере. 12. В чем заключается различие между оперативной и долговременной памятью компьютера? 13. Назовите основные типы оптических компакт-дисков. 14. Что такое флэш-память? 15. В чем заключается разница между принтером и плоттером?
Современные ЦФС должны быть универсальными, принимать в обработку всевозможные данные с различных устройств, предоставляя на выходе широкий спектр продуктов для картографии, ГИС, систем 3D-моделирования. Важной характеристикой ЦФС является оперативная поддержка новых видов сенсоров, прежде всего космических
А.Ю. Сечин (ЗАО «Ракурс»)
Развитие цифровой фотограмметрии прежде всего определяется уровнем развития техники. Быстродействие современных компьютеров позволяет оперативно решать задачи, выполнение которых некогда требовало значительных затрат времени. Совершенствуются сенсоры систем дистанционного зондирования, появляются новые цифровые камеры, приборы и устройства, улучшаются характеристики существующих. Увеличивается возможное число снимков в блоках для совместного уравнивания. Растут требования к выходным продуктам цифровых фотограмметрических станций (ЦФС), все чаще пользователи запрашивают не только традиционные ортофотопланы и векторные данные для ГИС, но и полноценные трехмерные модели как результат обработки данных ДЗЗ. На взгляд автора, современные ЦФС должны быть универсальными, принимать в обработку всевозможные данные с различных устройств, предоставляя на выходе широкий спектр продуктов для картографии, ГИС, систем 3D-моделирования. Важной характеристикой ЦФС является оперативная поддержка новых видов сенсоров, прежде всего космических.
В последние годы стало отчетливо заметно стремление к использованию цифровых аэросъемочных камер, позволяющих получать цифровые изображения непосредственно в полете, вместо пленочных. Этапы проявки и сканирования пленок скоро уйдут в прошлое. При аэрофотосъемке используются как привычные кадровые системы (например, DMC фирмы Intergraph Corp. (США) или UltraСamX фирмы Vexcel Imaging (США), входящей в состав корпорации Microsoft), так и сенсоры, основанные на ПЗС-линейках (например, ADS-40 фирмы Lieca Geosystems, Швейцария), имеющие непривычные для фотограмметристов геометрию кадра и математическую модель. Современные цифровые камеры обладают большой глубиной цвета (более 8 бит на канал), увеличивается число одновременно регистрируемых каналов к традиционным красному, синему, зеленому добавляются инфракрасные (ближняя и дальняя зоны) каналы. Большая глубина цвета позволяет различать детали, ранее недоступные для восприятия (например, в тени). Современная ЦФС должна на входе, выходе и в процессе обработки изображений поддерживать произвольное число каналов с любой глубиной цвета. При работе с данными спутниковых сенсоров ЦФС должна иметь возможность обрабатывать изображения как обобщенными методами (модель сенсора отсутствует или известна в грубом приближении), так и с учетом сопутствующих метаданных, а при наличии строгой модели использовать ее для точной обработки.
 Рис. 1. Современные цифровые камеры |
Фотограмметрическая обработка снимков подразумевает максимально возможную, субпиксельную, точность измерений. Поэтому растровые данные, поступающие на вход ЦФС, не должны подвергаться обработке, снижающей их точность. Допустим минимальный набор алгоритмов предобработки растровых данных, например, паншарпенинг. Выходные растровые данные (ортофото) могут подвергаться различным методам постобработки для улучшения визуальных свойств. Наличие в составе ЦФС модулей постобработки, сохраняющих геопривязку изображений, является несомненным достоинством фотограмметрической системы.
При аэрофотосъемке с борта самолета все чаще кроме цифровых камер используют интегральные навигационные комплексы системы GPS/IMU, позволяющие измерять элементы внешнего ориентирования снимков в полете, а также лазерные сканеры, которые обеспечивают формирование модели рельефа местности без стереообработки снимков. Точность подобных устройств постоянно возрастает. В настоящее время при наличии на борту системы GPS/IMU и данных о рельефе местности, полученных с помощью технологии лазерного сканирования, можно строить ортофотопланы с точностью 2xGSD (GSD Ground Sample Distance размер пиксела на местности, определяет параметры съемки цифровой камерой, подобие масштаба аэрозалета для аналоговых камер) и лучше без традиционного уравнивания аэрофотоснимков и построения рельефа фотограмметрическими методами.
Если для достижения максимальной точности при обработке блока снимков требуется его уравнивание, в современных ЦФС все чаще используются методы автоматического измерения связующих точек, результаты которого, как правило, требуют последующего контроля со стороны оператора. В ближайшее время можно ожидать появления более надежных алгоритмов автоматической расстановки точек и их отбраковки при уравнивании, не требующих вмешательства человека.
Если методы построения цифровых моделей рельефа в ЦФС новых поколений автоматизированы и со стороны оператора требуют только простейших операций по фильтрации и, иногда, проведению дополнительных орографических линий, то процесс векторизации строений, дорог, участков и т. п. пока еще выполняется в ручном режиме. Работы по его автоматизации ведутся давно, автор надеется, что в ближайшие годы появятся надежные системы, облегчающие этот тяжелый труд.
С точки зрения вычислений, наиболее трудоемким процессом в ЦФС является построение ортофотопланов. Для больших (несколько тысяч снимков) блоков время, требуемое для ортофототрансформирования на одном компьютере, может составлять десятки и сотни часов. С развитием многопроцессорных компьютерных систем и быстрых локальных вычислительных сетей процесс ортофототрансформирования может быть распределен по компьютерам локальной сети и процессорам (ядрам) компьютеров. Хорошая масштабируемость и возможность параллельной обработки значительных объемов данных в локальной сети являются признаками современной ЦФС. С увеличением размеров обрабатываемых блоков и объемов данных возрастает роль централизованных серверов хранения данных. Возможно, в ближайшее время появятся системы с возможностью распределенного хранения снимков и сопутствующей информации, обеспечивающие автоматическое оптимальное размещение ресурсов хранения.
Безусловно, современная ЦФС должна «понимать» широкий спектр растровых, векторных и иных данных разных форматов. При этом выходные результаты фотограмметрической обработки должны быть доступны в форматах, принимаемых различными ГИС и картографическими системами. В последнее время наметилась тенденция к использованию и визуализации трехмерных данных, получаемых с помощью ЦФС, прежде всего для городской местности. Такого рода данные интересны муниципальным службам, телекоммуникационным компаниям, отделениям МЧС, военным и разработчикам навигационных систем, в последующем они могут быть использованы для построения реалистичных трехмерных моделей городов.
Отметим, что 3D-модели нужны и для построения в ЦФС так называемых «истинных» ортофотопланов (true orthophoto), которые, несмотря на высокую трудоемкость изготовления и вычислительную сложность, получают все большее распространение.
Важной характеристикой ЦФС является поддержка современных аппаратных средств стереовизуализации. В первых фотограмметрических станциях для стереонаблюдений использовались оптико-механические устройства (специальные насадки на монитор) или анаглифические очки. В последующем появились системы, выводящие изображения на монитор через строку (interlace) и подразумевающие использование специальных поляризационных очков. Эти системы иногда еще применяются, хотя характеризуются невысокой точностью, суженным полем обзора, а также низким качеством изображения. Как правило, анаглифический и чересстрочный методы вызывают у операторов повышенную утомляемость глаз, и они, на наш взгляд, могут быть использованы только для демонстрации возможностей ЦФС и первоначального обучения работе с программной системой. Современные способы вывода стереоизображений основаны на профессиональных видеокартах, аппаратно поддерживающих стереорежим, и программном интерфейсе (API) OpenGL. При этом могут использоваться различные стереоустройства: специальные мониторы, основанные на экранах 2хLCD и поляризационном стекле, стереопроекторы. Поддержка новых аппаратных решений для стереовывода в этом случае не требует адаптации ЦФС.
Традиционно на аналитических приборах для перемещения стереомаркера использовались специальные штурвалы. Операторы, только осваивающие ЦФС, считают управление с помощью таких штурвалов неудобным и предпочитают многокнопочные манипуляторы типа «мышь», специально предназначенные для работы в стереорежиме. Для эффективной работы желательно, чтобы ЦФС поддерживала работу и со штурвалами, и со специальными манипуляторами.
Несколько в стороне от традиционных фотограмметрических систем находятся системы обработки радарных снимков. С появлением на рынке данных сенсоров космического базирования с высокой разрешающей способностью (TerraSAR-X, COSMO-Skymed, RADARSAT-2) роль последних существенно возросла. Эти системы, называемые радарграмметрическими, позволяют строить цифровые модели местности с точностью по высоте в пределах первых метров, создавать ортоизображения (в том числе с использованием моделей местности, получаемых по радиолокационным снимкам), а также высокоточные карты смещений земной поверхности (с миллиметровой точностью при интерферометрической обработке).
Подводя итоги, можно отметить, что современная ЦФС должна «понимать» максимально возможное число форматов растровых, векторных и других данных, обеспечивать высокий уровень автоматизации и производительности, поддерживать современные компьютерные технологии. Наличие в составе ЦФС модулей пред- и постобработки изображений, средств работы с 3D-моделями, полученными фотограмметрическими методами, должно стать неотъемлемой частью таких систем.
В прошедшем столетии были сделаны многие открытия и изобретения, сыгравшие революционную роль в развитии современной цивилизации.
создание и развитие средств связи, особенно беспроводной.
Изобретение кинематографа.
Возникновение и развитие авиации и космической техники. Современные летательные аппараты по своим техническим и конструктивным характеристикам не сопоставимы с первыми летательными аппаратами.
Но наиболее разительный прогресс произошел в области вычислительной техники. (ок 50 лет назад первые ЭВМ имели вез ок. 30 тонн, площадь ок. 200м 2)
время выполнения вычислений измерялось часами или сутками.
Теперь ЭВМ можно разместить на кремниевом кристалле S=5мм 2 , время выполнения расчетов – микросекунды, стоят мало.
При этом в отличие от 1ых ЭВМ, которые программируют в математических кодах и способны были выполнять главным образом только громоздкие математические вычисления, то современные ЭВМ способны доказывать теоремы, переводить текст, воспроизводить движущиеся объекты.
Появление первой машины для выполнения четырех арифметических действий дотируется началом 17 в. (1623 г В. Шикард изобрел мех. машину сложения, вычитания, частично умножения и деления), но более известным оказался настольный арифмометр (1642г.) франц. ученым Паскалем. 1671г. Лейбниц изобрел т.н. зубчатое колесо Лейбница, позволяющее выполнять 4 арифметические операции.
В 19 в. обострилась потребность в выполнении вычислении, связанных с обработкой результатов астрономических наблюдений, расчеты, связанные с составление математических таблиц. Поэтому в 1823 англ. математик Чарльз Бэббидж начал разрабатывать автоматизированную разностную машину, приводимую в действие паровым двигателем.
Машина должна была вычислять значения полиномов и печатать результаты на негативе для фотопечати, однако существующее в то время технические средства не дали возможности завершить воплощение этой идеи, а кроме того, сам Бэббидж увлекся проектированием более мощной счетной машины. Новая счетная машина Бэббиджа получила название «аналитическая».
1894 г. он изложил ее основные принципы, которые были воплощены в ткацком станке программы с перфокарточным управлением француза Жаккаром.
Аналитическая машина явилась одной из первых программируемых автоматических вычислительных машин с последовательным управлением. Она имела арифметическое устройство и память.
Меценат проекта была графиня Ада Августа Лавлейс – первый женщина программист. В честь ее назван язык программирования «Ада».
В конце 19 в. Холлерит разработал машину с перфокарточным вводом, способную автоматически классифицировать и составлять таблицу данных. Она была использована в 1890 г. в Америке на ней проведены переписи населения. Программа считывалась с перфокарты с помощью электроконтактных щеток. В качестве цифровых счетчиков – эм реле.
1896 г. Хоррелит основал фирму, предшественницу IBM.
После смерти Бэббиджа заметно прогрессов не было.
скорость вычисление механич. или элетромех. машин была ограничена, поэтому в 30хх гг. 20 в началась разработка электронных вычислительных машин (ЭВМ). На основе вакуумных 3х электродных лампах (триодах), которые изобрел в 1906 Лид Фрест.
Первая универсальная ЭВМ «Эниак» была разработана в пенсильваском институте США (1940-1946 г.) – разработка численных таблиц для вычисления траектории полета объектов. (18 тыс. электронных плат, 140 кВт, 10ая СС, программировалась вручную с помощью переключателей.
Современные тенденции развития средств вычислительной техники.
В настоящее врем в мире происходит переход от индустриального общества к информационному. Если главным содержанием индустриального общества было производство и потребление мат. благ, то движущей силой информационного общества является создание и потребление информационных ресурсов различного типа и назначения. При этом достижение экономических и социальных результатов определяется не сколько и не столько наличием мат.-энергетических ресурсов, сколько масштабом и темпами информатизации общества и широким использованием информационных технологий во всех сферах человеческой деятельности.
Независимость от различия и особенностей процессов информации в различных областях общественной жизни для них характерно наличие 3х составляющих:
идентичность (единообразие) основных средств производства (средства выч. техники и информатики)
идентичность «сырья» (исходные данные, подлежащие анализу и обработке)
Идентичность выпускаемой продукции («обработанная» информация)
Ключевая роль в инфраструктуре информации принадлежит системным телекоммуникациям, а также выч. системам и их сетям.
В этих областях сосредоточены новейшие средства выч. техники, информатики и связи, а также используются наиболее прогрессивные информационные технологии.
В прошедшей истории развития ЭВТехники (начавшиеся с 40х гг 20в) можно выделить 4 поколения ЭВМ, отличающихся между собой элементной базой, функционально логической организацией, конструктивно-тех. исполнением, программным обеспечением, тех и эксплуатационным характеристиками режимами пользования.
Смене поколений сопутствовала изменение тех-эксплуатацион и тех-
экономических показателей ЭВМ.
В первую очередь это:
быстродействие, емкость памяти, надежность, стоимость.
Одновременно этому сопутствовала тенденция совершенствования программного обеспечения и повышение эффективности использования и обращения к ней.
В настоящее время ведутся работы над создание ЭВМ 5ого поколения, которые приблизили реальность создание искина.
Классификация средств эвТехники
К настоящему времени в мире уже произведенные работают и вновь создаются миллионы ЭВМ различного типа, класса и уровня.
ЭВТ принято делить на аналоговую и цифровую.
В АВМ информация представляется соответствующими значениями тех или иных аналогов (непрерывных физ. величин) – тока, напряжения, угла поворота и т.д.
АВМ обеспечивают приемлемое быстродействие, но умеренную точность вычислений ок. 10 -2 -10 -3
АВМ имеют достаточно ограниченное распространение и применяются главным образом в НИИ и проектно-конструкторских организациях при разработке исследований и совершенстве след. образцов техники, т.е. АВМ относятся к области специализируемых ЭВМ.
Более широкое распространение получили ЦВМ, в которых информация отображается с помощью цифровых или бинарных кодов.
Быстрые темпы развития и смены моделей ЦВМ затрудняют использование какой-либо их стандартной классификации.
Академик Глужков отмечал, что можно выделить 3 глобальных сферы, требующие использования качественно различных типов ЭВМ, а и.:
традиционное применение ЭВМ для автоматизированных вычислений
использование ЭВМ в различных системах управления (с 60х гг - сфера в наибольшей степени предполагает использование линии ЭВМ)
Машины этого профиля должны отвечать след. требованиям:
более дешевыми по сравнению с большими централизованными ЭВМ.
более надежными, особенно при работе непосредственно в контуре управления.
обладать большей гибкостью и адаптивностью к условиями работы
было архитектурно прозрачным, т.е. структура и функции ЭВМ должны быть понятны широкому пользователю.
3. Для решения задач искусственного интеллекта.
Рынок ЭВМ имеет широкий диапазон классов и моделей ЭВМ. Например, IBM, выпускающий приблизительно 80% мирового машинного парка производит главным образом 4 класса компьютеров:
большие ЭВМ (mainframe ) – многопользовательские машины с централизованной обработкой информацию и различными формами удаленного доступа. По оценкам специалистов IBM ок. 50% всего объема данных в информационных системах мира должны хранится в больших машинах. Новое их поколение предназначено для использования в сетях в качестве крупных серверов.
Развитие ЭВМ данного класса имеет большое значение и для РФ, т.к. у нас имеется огромный задел по программе ЕС ЭВМ, заимствовавших архитектуру IBM 360 / 310 , поэтому принято решение продолжить развитие этого направления и в 1993 г. с IBM было подписано соглашение, согласно которому РФ получила право производить 23 вида новейших моделей – аналогов IBM с производительностью от 1,5 до 167 миллионов операций в сек.
Машины RS / 6000 , у которых высокая производительность и предназначены для построения работы станций, для работы с графикой, для UNIX серверов и кластерных комплексов для научных исследований.
Средние ЭВМ в первую очередь для работы в финансовых структурах (бизнес компьютеры). В них особенное внимание уделяется сохранению и безопасности данных, также программной совместимости. Эти машины используются в качестве серверов локальных сетей.
Компьютеры на платформе микропроцессоров Intel
Вычислительные системы, использующие параллельную работу.
Можно использовать след. классификацию средств ЭВМ на основе их разделения по быстроте действия :
супер ЭВМ , для решения сложных вычислительных задач и для обслуживания крупнейших информационных банков данных
большие ЭВМ , для ведомств, территориальных и региональных вычислительных центров.
средние ЭВМ , для АСУТП (АСУ технологического процесса) и АСУП (производства), а также для управления распределенной обработкой информации в качестве серверов.
персональные и профессиональные ЭВМ на их базе формируются АРМ (автоматизированные рабочие места) для специалистов различного профиля.
встраиваемые микропроцессоры (микро ЭВМ) для автоматизированного управления отдельными устройствами и механизмами.
РФ испытывает потребность:
Супер ЭВМ ~ 100-200 шт.
Большие ЭВМ ~ 1000 шт.
Средние ЭВМ ~ 10 4 -10 5 шт
Внедрение автоматизированных систем управления подстанциями представляет собой сложную задачу, плохо поддающуюся унификации. Появление новых международных стандартов и информационных технологий открывает возможности современных подходов к решению этой проблемы, позволяя создать подстанцию нового типа — цифровую. Широкие перспективы в этом направлении открывают группы стандартов МЭК 61850 (сети и системы связи на подстанциях).
Основной особенностью и отличием стандарта МЭК 61850 является то, что в нем регламентируются не только вопросы передачи информации между отдельными устройствами, но и вопросы формализации описания схем подстанции и защиты, автоматики и измерений, конфигурации устройств. В стандарте предусматриваются возможности использования новых цифровых измерительных устройств вместо традиционных аналоговых измерителей (трансформаторов тока и напряжения). Информационные технологии позволяют перейти к автоматизированному проектированию цифровых подстанций, управляемых цифровыми интегрированными системами. Все информационные связи на таких подстанциях выполняются цифровыми, образующими единую шину процесса. Это дает возможность быстрого прямого обмена информацией между устройствами, что дает возможность сокращения количества кабельных связей, сокращения числа микропроцессорных устройств и более компактного их расположения.
Цифровые технологии более экономичны на всех стадиях внедрения: при проектировании, монтаже, наладке и в эксплуатации. Они обеспечивают возможность расширения и модернизации системы в процессе эксплуатации.
Сегодня во всем мире выполнено уже много проектов, связанных с применением стандарта МЭК 61850, показавших преимущества данной технологии. Вместе с тем ряд вопросов еще требует дополнительных проверок и решений. Это относится к надежности цифровых систем, к вопросам конфигурирования устройств на уровне подстанции и энергообъединения, к созданию общедоступных инструментальных средств проектирования, ориентированных на разных производителей микропроцессорного и основного оборудования.
В таблице приводится сравнение традиционных и цифровых подстанций, а также соображения о преимуществах использования цифровых источников информации.
Первым крупным пилотным проектом по внедрению стандарта МЭК 61850 стала подстанция TVA Bradley 500 кВ США, введенная в эксплуатацию в 2008 г. Цель проекта заключалась в проверке совместимости реализации стандарта МЭК 61850 в устройствах различных производителей. Внедрение проекта позволило улучшить совместимость между устройствами различных производителей, повысить квалификацию персонала сетевой компании в части стандарта МЭК 61850, а также выявить проблемы, возникающие при его внедрении.
В 2009 г. в Испании была завершена работа над пилотным проектом подстанции Alcala de Henares 132 кВ (г. Мадрид). В реализации проекта также использовались устройства различных производителей. Особенностью данного проекта являлось экспериментальное внедрение «Шины процесса» в части передачи дискретной информации. Системы РЗА и АСУ ТП на подстанции можно условно разделить на 4 уровня: верхний, станционный, уровень присоединения, (устройства МПРЗА и контроллеры присоединения) и полевой, включающий приборы, установленные на распределительном устройстве.
В непосредственной близости с коммутационными аппаратами на распределительном устройстве были установлены выносные модули УСО (MicroRTU), которые с помощью оптических кабелей подключались к коммутаторам, установленным в ОПУ. Все информация о состоянии коммутационных аппаратов, а также команды управления ими передавались по цифровым каналам связи (с помощью GOOSE-сообщений). На MicroRTU была реализована лишь простейшая логика с целью повышения надежности этих устройств. Функции оперативной блокировки были реализованы в устройствах уровня присоединения. Таким образом, на подстанции были внедрены следующие виды информационных потоков:
. вертикальный GOOSE для обмена информацией между MicroRTU и устройствами уровня присоединения;
. диагональный GOOSE для обмена информацией между MicroRTU одного присоединения и устройствами защиты и управления другого (например, для быстрого информирования этих устройств об отказе выключателя);
. горизонтальный GOOSE для обмена информацией между устройствами уровня присоединения (для целей организации оперативных блокировок, пуска осциллографа и т.д.);
. передача динамической информации по протоколу MMS от устройств уровня присоединения на станционный уровень;
. команды управления со станционного уровня на уровень присоединения по протоколу MMS.
Команды управления проходили через контроллеры присоединения, которые транслировали эти команды в GOOSE-сообщения для MicroRTU, что позволяло на уровне контроллеров присоединения осуществить функции оперативной блокировки.
На подстанции Alcala de Henares не были внедрены цифровые трансформаторы тока и напряжения. Однако проект является крайне интересным с точки зрения использования «Шины процесса» для передачи дискретной информации.
Тестирование цифровых трансформаторов тока и напряжения в реальных условиях работы происходило на подстанции Osbaldwick 400 кВ, которая принадлежит национальной сети NGT U.K. Проводились эксперименты, цель которых заключалась в сравнении временных характеристик МПРЗА на базе традиционных трансформаторов тока и МПРЗА на базе цифровых трансформаторов тока с использованием Mergin Units (устройств, передающих информацию о мгновенных значениях токов и напряжений по протоколу МЭК 61850-9 SMV). Результаты показали хорошие эксплуатационные характеристики цифровых трансформаторов и МПРЗА, построенных на цифровых технологиях.
Большое развитие цифровые подстанции получили в Китае. В 2006 г. была введена в эксплуатацию первая цифровая подстанция 110 кВ Qujing, Yunnan. К 2009 г. Китай занял лидирующее место в мире по цифровым подстанциям, введя в эксплуатацию 70 подстанций. Ожидается, что рынок цифровых подстанций в Китае вырастет до 4—4,5 млрд юаней в год за ближайшие 10 лет.
ОАО «НИИПТ» активно проводит исследования в области цифровых подстанций. В 2008—2010 гг. был создан испытательный стенд для проверки работы АСУ ТП с устройствами различных производителей по различным протоколам и интерфейсам. Большая часть устройств в комплексе работает по стандарту МЭК 61850: Satec SA330, Siemens Siportec 4 (7SJ64, 7UT63), Siemens TM1703, AK1703, BC1703, Areva Micom, General Electric (F60), SEL-451, Mikronika, ZIV 7IRV, МКПА Прософт, МПРЗА ЭКРА.
Для автоматизации процесса подключения устройств был создан конфигуратор МЭК 61850, позволяющий экспортировать конфигурацию из устройства в базу данных АСУ ТП. Таким образом, удалось значительно упростить интеграцию устройств различных производителей в АСУ ТП.
Создание стенда позволило оценить сложность интеграции устройств, работающих по различным протоколам в АСУ ТП. Результаты испытаний показали, что интеграция устройств, работающих по стандарту МЭК 61850, требует значительно меньше времени за счет автоматизации процесса подключения.
В рамках испытаний также проводилась проверка совместимости устройств по протоколу GOOSE. Стендовые испытания показали, что не всегда удается обеспечить совместную работу устройств различных производителей по протоколу GOOSE.
С внедрением стандарта МЭК 61850 появилась возможность производить тестирование компонентов и всего комплекса АСУ ТП без наличия необходимого количества устройств нижнего уровня. Для решения указанной задачи устройства замещаются необходимым количеством серверов МЭК 61850 (эмуляторов). Модель данных устройств загружается на серверы в виде ICD-файлов. Для осуществления таких испытаний в ОАО «НИИПТ» был разработан сервер МЭК 61850, позволяющий тестировать взаимодействие интеллектуальных электронных устройств на цифровой подстанции без наличия необходимого количества устройств нижнего уровня.
В ОАО «НИИПТ» активно ведутся работы по созданию автоматизированной системы проектирования для цифровых подстанций, которая позволит использовать преимущества МЭК 61850-6 (SCL) и CIM-моделирования в процессе проектирования подстанций.
Зарубежный и отечественный опыт внедрения систем на базе стандарта МЭК 61850 показывает, что на современном этапе необходимо уделять повышенное внимание вопросам надежности всего цифрового комплекса устройств подстанции. Для этого все устройства должны проходить вначале тестирование на функциональное соответствие стандарту. Поскольку это тестирование представляет само по себе достаточно сложную задачу, для ее решения необходимо создание специального сертификационного центра, который мог бы осуществлять в полном объеме тестирование на соответствие стандарту любых устройств.
Помимо разовых сертификационных испытаний должны быть организованы длительные испытания на надежность, которые наиболее целесообразно проводить в полной схеме действующей подстанции в реальных эксплуатационных условиях. Испытаниям должны подвергаться в первую очередь цифровые источники информации. Для решения этих задач целесообразно, по опыту США, создать пилотную цифровую подстанцию, оборудованную полным комплектом цифровых измерительных устройств и микропроцессорных устройств защиты, регулирования и измерений.
Создание пилотной цифровой подстанции должно обеспечить решение следующих целей и задач:
. проверку открытости архитектуры цифровой подстанции для защиты, управления и сбора данных;
. тестирование новых цифровых измерительных устройств вместо традиционных аналоговых измерителей (трансформаторов тока и напряжения);
. проверку совместимости интеллектуальных Электронных устройств (ИЭУ) разных производителей, реализующих функции управления и защиты. Проверку настройки системы средствами, предоставленными производителями устройств без необходимости постоянной поддержки со стороны самих производителей;
. оценку сопоставимой функциональности и производительности по сравнению с традиционным принципом исполнения подстанций при значительном уменьшении площадей, занимаемых оборудованием контроля и управления;
. оценку уровня безопасной и надежной работы системы в целом, основанной на своевременной и надежной передаче данных;
. оценку экономической эффективности проекта; опыт, полученный в рамках проекта, должен быть повторно использован для других подстанций;
. упрощение эксплуатации: мониторинг и диагностика сети для уменьшения времени обслуживания, мониторинг работоспособности системы;
. тестирование эффективного высокоскоростного управления передачей данных; проверка обмена данными между ИЭУ;
. разработку методологии тестирования и проверки системы, в том числе возможность проверки любого ИЭУ с сохранением работоспособности других ИЭУ в одной сети;
. разработку и тестирование инструментов и методологии автоматизированного проектирования системы, соответствующих новым функциям и принципам работы системы; разработку русифицированных и адаптированных под российские стандарты инструментов;
. разработку специального нормативного документа на базовые алгоритмы логики для ИЭУ.
Интернет вещей из концепции превращается в цифрового монстра, наверное, в хорошем смысле этого слова.
Какие цифровые технологии сегодня в тренде? И почему успех компаний в будущем будет во многом зависть от способности интегрироваться в интернет вещей (IoT)?
IoT, Analytics, Edge, 5G в первой четверке
По мере того, как мы приближаемся к концу 2018 года, аналитики цифрового пространства отмечают, что человечество все глубже интегрируется в цифровое пространство. И хотя для все еще многих людей многие интернет технологии представляются чем-то из рода фантастики, недалеко то время, когда дома, машины, станки, бытовые приборы смогут общаться в интернете через своих интернет-агентов, заботясь о нашем благе — вовремя подать в дом тепло, воду, газ, вовремя заправить машину и отправить ее на техосмотр, вовремя привезти порошок для стирки белья и т.д.
Станки будут сами находить себе необходимые заказы и материалы для выполнения этих заказов, конвейерные заводы и цеха будут сами искать поставщиков и затем из поставленных комплектующих собирать машины, оборудование и всякую всячину. Интернет вещей, будучи еще пару лет назад всего лишь концепцией, сегодня уверенно обрастает плотью в виде появления умных домов, умных машин, умных приборов и т.д.
Какие же цифровые технологии сегодня претендуют на лидерство?
Вездесущий интернет вещей (IoT)
Интернет вещей IoT, о котором мы уже упомянули, заслуженно нашел свой путь к вершине. По оценкам Gartner, в 2017 году более 8,4 млрд. «вещей» находились в Интернете, что на 30% больше, чем год назад. В 2018 году эта тенденция сохраняется. И все-таки IoT — это только начало. Речь идет не столько о вещах, сколько о том, что мы делаем с этими вещами, когда они связаны и поставляют нам данные.
Три из основных тенденций, которые видятся экспертам — революция аналитики, краевые вычисления и обработка ячеек 5G, — все это обусловлено IoT в их основе. Фактически, IDC прогнозирует, что до 40% всех вычислений произойдет в ближайшие пару лет. Вот почему тенденции 1-4 все с IoT. Если говорить очень простым языком, то вещи сначала нужно оцифровать, чтобы они смогли войти в систему интернета вещей. Но вы же наверное понимаете, что интернет — это в сущности система цифр.
Аналитика от IoT
Если вы думаете, что основная функция IoT — обслуживать своих хозяев, то это не совсем так. Взаимодействуя между собой, они создают базу, которую затем анализируют.
Массовое количество информации, создаваемой IoT, имеет возможность революционизировать все: от производства и здравоохранения до функционирования целых городов, что позволяет им работать более эффективно и выгодно, чем когда-либо прежде. Одна из компаний, например, обнаружила, что она смогла снизить стоимость управления своим флотом из 180 000 грузовиков с 15 центов за милю до 3 центов. Такую же эффективность можно реализовать практически в каждой отрасли, от розничной торговли до городского планирования.
Технические гиганты, такие как Microsoft, IBM, SAS и SAP, все активно инвестируют в Google Analytics, в особенности в IoT Analytics, поскольку они видят силу этой комбинации в продвижении новых бизнес-идей в широком спектре отраслей и приложений.
На третьем месте Edge Computing
Если вы считаете, что уже достигли предела, когда дело доходит до использования цифровых технологий, то на самом деле вы еще ничего не видели. Просто, когда многие компании наконец начинают двигаться к облачным вычислениям, краевые вычисления, обусловленные огромным объемом и скоростью информации, созданной IoT, выпрыгивают на передний план бизнес-сцены. В тренде цифровых технологий в 2018 году уверенно проявляют себя краевые вычисления Edge Computing
Лидеры отрасли, такие как Cisco и HPE, сделали огромное количество аппаратных, программных и сервисных ставок для этого движения, на что следует смотреть, как на сильную проверку этой тенденции. Поскольку интеллектуальные беспилотные летательные аппараты, автономные транспортные средства и другие интеллектуальные устройства на базе AI стремятся к мгновенному подключению и передаче через IoT, вопрос отправки данных «полностью» в облако станет крайне нецелесообразным. Многие из этих устройств потребуют отклика и обработки в реальном времени, что делает краевые вычисления единственным жизнеспособным вариантом.
Для тех из вас, кто только что прыгнул в облачное поколение: не беспокойтесь. Хотя край будет оставаться подходящим для обработки данных в режиме реального времени, вероятно, что наиболее важные и релевантные данные по-прежнему будут обладать облачной областью. То есть краевые вычисления нужны для тех интернет приложений, где требуется мгновенное принятие решений.
Одной из технологий, которая предложена для мгновенного вычисления транзакций, не обращаясь к облачным хранилищам, является Блокчейн (о ней чуть дальше) — цепочка блоков, которая позволяется вычислять все транзакции в реальном времени. Транзакция — минимальная осмысленная операция.
Четверку лидеров замыкает 5G
Точно так же, как растущий объем данных, создаваемых IoT, заставит использовать краевые вычисления, он же заставит мобильные провайдеры двигаться быстрее, чем когда-либо, — к 5G. Уровень гиперсвязности, ожидаемый сегодня пользователями, оставляет мало места, чтобы не двигаться вперед по 5G-пути, но не слишком волнуйтесь. Переход на 5G не произойдет в одночасье. В лучшем случае на это уйдет года 2. Говорят, именно благодаря ему интернет вещей, беспилотные авто и виртуальная реальность перейдут со страниц технологических медиа в нашу повседневную жизнь.
Blockchain находит путь к славе
В то время как его более популярный кузен Биткойн продолжает сдувать аналитиков фондового рынка, Blockchain, наконец, может заявить, что нашел свое место в 2018 году. Gartner показывает, что по состоянию на февраль этого года блокчайн стал вторым самым лучшим поисковым термином на своем веб-сайте, увеличившись на 400% всего за 12 месяцев.
В то время как финансовая индустрия будет первой, кто начнет использовать этот удивительный инструмент, многие другие — от здравоохранения до развлечений и гостиничного сервиса — не будут далеко позади. Разумеется, переход к блочной цепи также не наступит в одночасье — только 20% торгового финансирования в глобальном масштабе будут использовать его к 2020 году. Но как только он найдет свои морские ноги — скорее всего, в этом году — буквально не будет возврата назад.
Искусственный интеллект по прежнему в десятке
Незаслуженно обойденный громкой славой AI (искусственный интеллект, ИИ) тем не менее продолжает активно развиваться и имеет много почитателей. На стороне бизнеса в искусственном интеллекте так много потенциала, как во всем: от обслуживания клиентов и робототехники до аналитики и маркетинга. Компании будут продолжать использовать ИИ, чтобы удивлять, подключаться и общаться со своими клиентами так, как они могут даже не оценить или понять.
Это включает в себя более быструю, дешевую и разумную автоматизацию всего: от электронной почты и создания контента до промышленного производства. Некоторые аналитики уверены, что ИИ еще себя не проявил.
Мы видели подобных IBM Watson, SAP Leonardo, Salesforce Einstein и других крупных компаний-разработчиков программного обеспечения, которые запустили внедренный AI прямо на свои платформы. Это признак того, что все самое главное в развитии искусственного интеллекта еще должно произойти.
Справочно:
Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) - концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.
Концепция сформулирована в 1999 году. сетей.
В 2017 году термин «Интернет вещей» распространяется не только на киберфизические системы для «домашнего» применения, но и на промышленные объекты. Развитие концепции «Интеллектуальных зданий» получило название «Building Internet of Things»(BIoT, «Интернет вещей в здании»), развитие распределенной сетевой инфраструктуры в АСУ ТП привело к появлению «Industrial Internet of Things» (IIoT, «Индустриальный (промышленный) интернет вещей»)