Развитие общества требует постоянного повышения качества жизни и комфортности среды нашего обитания. Реальным отображением этого процесса является степень удовлетворённости населения своей жизнью. К сожалению, отрасль ЖКХ не может похвастаться желаемым уровнем оказания услуг, несмотря на внедрение различных инноваций. Включаясь в цифровизацию, мы как потребители ожидаем, что тарифы должны снижаться, но они почему-то растут. Необходимо переломить сложившуюся ситуацию, попытаться вернуть доверие жителей через значимые для них элементы взаимодействия. Одним из таких элементов является учёт энергоресурсов.
Приборам доверяем мы все. Худо-бедно даже научились снимать с них показания. Появляются «умные» электросчётчики, правда, цена у них немаленькая. Может ли здесь помочь пресловутый «интернет вещей»? Можно ли снизить цену этих миллионов устройств, ведь именно этот критерий переводит жильё с автоматизированным учётом и сбором данных в категорию «бизнес» и «комфорт», хотя подобный сервис должен быть просто тотальным. Где искать резервы?
Сегодня мы решили побеседовать с представителями компании «Интеллектуальные технологии мониторинга»: руководителем проекта «ЭлектроNET» Леонидом Гапотченко, научным руководителем проекта, к.т.н. Юрием Карякиным и экспертами — д.ф.-м.н. Валерием Петровым и членом президиума Научно-экспертного совета при Рабочей группе Совета Федерации ФС РФ по мониторингу реализации законодательства в области энергетики, энергосбережения и повышения энергетической эффективности Рашидом Артиковым.
Мы хотим разобрать «по косточкам» проблемы современного учёта потребления ресурсов, тарифы на которые постоянно стремятся вверх, и, как говорится, придумываются всё новые и новые способы отъёма денег у населения. Последний известный способ — введение тарифов на оплату общедомовых нужд (ОДН). Получим ли мы ожидаемый ответ на вопрос, как положить конец всему этому?
Первый вопрос зададим руководителю проекта Леониду Гапотченко. Расскажите, что у вас за проект? Мы знаем, что вы были финалистами конкурса «Энергопрорыв», устраиваемого Фондом «Сколково» при поддержке «Россетей», и конкурса «Мосгортех», стали лауреатом Премии мэра Москвы «Новатор Москвы», провели успешные пилотные испытания на Московском заводе тепловой автоматики (МЗТА) под эгидой Агентства инноваций города Москвы, получив положительный отзыв устроителей. А что сегодня?
Л. Гапотченко: Наш проект мы назвали «ЭлектроNET», и он посвящён связи, решению проблем организации сбора данных на самом нижнем уровне городского хозяйства, насыщенном постоянно растущим множеством устройств, генерирующих незначительный объём информации.
Такими устройствами являются практически все технические средства учёта ресурсов: воды, газа, электричества, тепла, мусора, датчики устройств безопасности, освещения, транспорта, то есть устройства так называемого «интернета вещей», среди которых могут быть и будущие частные устройства населения.
Логичнее начать с проблем, которые исторически сложились в данном вопросе. Ведомственное разделение ресурсоснабжения породило строительство отдельных систем по сбору данных о потреблении каждого ресурса. Это обернулось повышенными расходами, которые, соответственно, были заложены в тарифы. В СССР мы этого практически не чувствовали, была стабильность. Затем стабильность пропала, тарифы стали расти, возникли идеи как-то изменить архитектуру сбора данных, при этом, кроме выделенных проводных каналов связи, почти ничего и не было. И около 30 лет назад пришло понимание того, что неплохо бы строить комплексные системы, собирать данные сразу по нескольким видам ресурсов. Появилось понятие дистанционного учёта, возникли системы, использующие радиоканалы. Москва была зачинателем, увидело свет Распоряжение Правительства Москвы №803 о создании городской системы сбора данных об энергопотреблении [1]. Однако новые решения оказались ещё более дорогими (дешевле вручную собирать показания, чем содержать такие системы связи), энергетически неэффективными и далёкими от оптимальности. Хотя положительное зерно было и тут: начал формироваться некий центр сбора всей информации.
Чуть позже, да и сегодня это продолжается, видим попытки объединить в одной системе разношёрстные оконечные изделия, что оказывается практически нереальной задачей: у каждого свой протокол связи. Понятно, что универсальность всегда стоила дорого, и непонятно, почему подобные решения поддерживались. Быстрыми темпами стали развиваться технологии радиосвязи, которые сегодня «на коне», но этим «коням» тесно в своём «загоне»: эфир тоже не безграничен. Да и проблема «последней мили» никуда не делась. Разработчики упёрлись в технологический барьер и в необходимость постоянного повышения скорости передачи данных в канале связи. Преодолеть его пока не могут, поэтому приходится его отодвигать, авось «в будущем перелезем». Всё это тянет за собой необходимость постоянной и достаточно дорогой модернизации инфраструктуры связи. Замечаете, что лес антенн в Москве вдоль автодорог растёт быстрее натуральных деревьев? Это устройства сбора данных приближаются к потребителю — конечно, за его же счёт. Ну как тут удержать тарифы?
Иными словами, проблем накопилось очень много, как внутренних, так и внешних, и сегодня сложились все условия для того, чтобы наконец-то решиться и сделать качественный технологический рывок, перейти на новый уровень и подходы, обеспечив импортозамещение и технологическую независимость нашей страны в части тотального учёта ресурсопотребления, что мы и предлагаем в нашей Концепции, опираясь на новые достижения в связи. Но для её реализации нужны здравый смысл и, конечно, воля власти изменить сложившуюся ситуацию — в первую очередь необходимо понимание того, что дальше так продолжаться не может, поскольку ведёт к непомерным затратам, в свою очередь тормозящим наше дальнейшее развитие.
Как же так? Нам со всех экранов и из всех газет твердят, что вот придут «умные» приборы — и не нужно будет отправлять данные показаний, в смартфоне всё увидим, только платите вовремя. Понятно, что перевооружение будет чего-то стоить, но цифры и сроки пока пугают: от 1,5 трлн до 4,5 трлн рублей на десять лет. Для этого могут быть реализованы соответствующие инвестпрограммы — конечно, в итоге за наш с вами счёт посредством увеличения тарифов. Вы считаете иначе?
Л. Гапотченко: Пугают цифры не зря. Разделите 4,5 триллиона рублей на 150 миллионов населения, и получится, что даже российским младенцам уже нужно готовить 30 тыс. рублей, чтобы обеспечить аппетиты такого «инфраструктурного перевооружения». Я лично 30 лет не видел никакого перевооружения с тех пор, как аналоговый счётчик заменили на электронный, и ничего дальше разговоров пока нет.
«Умный» прибор — это старый счётчик плюс передающее устройство. Почему же он должен обходиться конечному потребителю в три-пять раз дороже старого? Плюс в тарифы добавится строка «передача данных», и понятно, что «ради трёх копеек» такую компанию затевать не будут, поэтому в платёжках ожидать нужно цифры побольше. Имеющийся опыт заставил нас пошевелить мозгами, поискать иные варианты, и, как вы уже поняли, стало очевидно, что это прежде всего задача построения эффективной связи.
Основа нашей Концепции построения оптимальной системы сбора данных — использование для передачи данных нестандартной линии связи: существующей широко разветвлённой электропроводки зданий и сооружений. Добавив к этому способы сверхбыстрой обработки сложных шумоподобных сигналов с кодовым доступом к каналу связи, мы получим реальную возможность построения целой платформы связи нового поколения для надёжной и дешёвой передачи данных на нижнем уровне, то есть там, где есть электросеть 0,4 кВ: в многоквартирных домах, садовых и гаражных товариществах, деревнях и посёлках.
В самом деле, питание огромного количества устройств обеспечивается по электросети, значит и данные от них, как известно из истории существования технологии Power-Line Communication (PLC), можно передавать по ней же. Это очень значительная экономия на всём, в том числе на кабеле, если говорить о выделенных проводных каналах связи, или на батарейках, если говорить о радиоканале.
А те устройства, которые не подключены непосредственно к электросети, смогут передавать информацию по микромощному радиоканалу на короткое расстояние до ближайшего узла в электросети.
Мы предполагаем эффективную организацию передачи данных «снизу вверх», «по событию», подразумевающую преобладание устройств класса А, только передающих. Это упрощает протоколы связи и значительно экономит трафик. Самое главное: реализация надёжной связи позволяет применить вместо сложных и избыточных «умных» оконечных устройств дешёвые датчики-измерители, которые передают лишь появляющиеся приращения показаний, что делает новую систему в разы дешевле навязываемой нам всем системы сбора данных, построенной на основе «умных» устройств.
Итак, в пределах трансформатора для практически неограниченного количества точек учёта и контроля строится сенсорная ячеисто-узловая асинхронно-адресная сеть связи (рис. 1) — фактически, это прообраз киберфизической системы, все данные в которой стекаются на привычное специалистам устройство приёма и передачи данных (УСПД). Оно управляет сетью и по стандартным каналам связи коммуницирует с верхним её уровнем, передавая накопившуюся информацию, получая или самостоятельно формируя управляющие сигналы для тех устройств, которые требуют или имеют техническую возможность управления, например, отключить неплательщика, перекрыть воду в случае аварии и т. п.
Таким образом, практически в реальном времени мы сможем обеспечить автоматизированный комплексный сбор данных для их последующей обработки в настоящей интеллектуальной системе, и абсолютно понятно, что она окажется в сотни раз дешевле, чем десятки миллионов маленьких «умных систем» в каждом оконечном устройстве, порождающих при этом огромный поток информации. Теперь ясно, откуда начинаются рассказы про Big Data и необходимость строительства ЦОДов. Мы за простые и дешёвые решения, которые в реализации должны быть на уровне «выстрелил и забыл».
Если всё должно быть так просто, расскажите, как это должно работать, например, в моей квартире? Я должен или смогу что-то приобрести сам или мне всё установят?
Л. Гапотченко: В идеале представители ресурсоснабжающих организаций (РСО) предоставят всё необходимое оборудование для дистанционного учёта управляющей компании или ТСЖ, а их специалисты установят это оборудование во всех квартирах дома.
Что это за оборудование? Прежде всего, это могут быть два счётчика воды (холодной и горячей), тревожная кнопка и датчики протечки (это и безопасность, и повышение лояльности жителей). Счётчики воды пока могут быть любые с импульсным выходом — они остаются дешёвыми и могут выпускаться производителями до тех пор, пока не начнётся массовый переход на сенсоры-измерители расхода воды с перекрывающим клапаном, что, помимо сбора показаний, позволит ещё больше обезопасить дом от аварий.
Эти оконечные устройства подключаются к контроллеру, который также установлен в квартире, имеет микромощный радиоканал (868 или 433 МГц) и при срабатывании тревоги или «накручивании» очередного кубометра воды (мы же платим за кубы, а не литры) передаёт сигнал на следующий уровень — узловой элемент системы.
Что это за элемент? Это электрический счётчик (на переходном этапе — также самый дешёвый) с телеметрическим выходом, подключённым к электросетевому коммуникатору.
К этому же коммуникатору могут быть подключены и все другие счётчики в электрощитке. Необходимая информация (адреса счётчиков и замеряемые ими параметры) передаётся уже по электрическому проводу на УСПД, установленное на границе УК и РСО или в другом удобном месте. УСПД ведёт таблицу всей сети, получая информацию о приращениях каждого устройства и просто обновляя данные в каждой ячейки таблицы с привязкой ко времени. Периодически данные направляются «выше» по иерархии системы, в «облако» на обработку, при этом обновляется информация в личных кабинетах потребителей, управляющей компании и РСО.
Постепенно (я надеюсь, что очень скоро) мы уже не будем даже проверять показания приборов, достаточно будет периодически заглядывать в смартфон, тем более что существующие счётчики заменят сенсоры-измерители без дисплеев. Будут и какие-то исключения, но тотальная унификация всё-таки грядёт, и желания экономить, в хорошем смысле этого слова, никто не отменял. Ведь экономию можно превратить в прибыль. Как только платформа себя зарекомендует, к ней можно будет адаптировать устройства различных производителей и выпускать собственные. И можно предположить, что через четыре-пять лет, войдя в «Личном кабинете» в раздел «Мой Холодильник», вы получите список продуктов с истекшим сроком хранения и предложение обновить его содержимое. Да, мы готовы работать и в этом направлении, но сначала нужна простая, надёжная и, главное, дешёвая платформа связи. Мы — за массовый сервис, настолько дешёвый, что его сможет себе позволить каждый!
Новизна всегда пугает. Очень хорошо сидеть на месте, получать вовремя зарплату, а вы заставляете кого-то как минимум думать. Заглядывать в дисплей даже «умного» счётчика или на смартфоне видеть все свои виртуальные счётчики сразу? Ответ очевиден. Какие пути вы видите, чтобы пробиться вперёд?
Л. Гапотченко: Прорывные инновации рождаются на стыке нескольких наук. До известных событий техническая коммуникационная база в части энергоучёта опиралась на зарубежные решения и элементную базу. Как можно нам измениться, наработать свой технологический иммунитет, если мы и сегодня продолжаем пытаться «догнать» и ориентируемся на стандарты Запада — вместо продвижения собственных достижений?
Нужно отдать должное руководству государства и отрасли. Появление Федерального закона №522-ФЗ [2] стало неплохим «холодным душем» для РСО, обязав их заменять приборы учёта электроэнергии за свой счёт. А как тогда им зарабатывать? И вот появляются «умные» счётчики. Их пытаются внедрять через энергосервисные контракты, инвестиционные программы, то есть немного «маскируются».
Дело здесь даже не в бизнесе, а в непонимании фундаментальных основ построения интеллектуальных сетей — по некомпетентности или от отсутствия ответственности. Вообще, «умные» счётчики (они же «интеллектуальные») — наша «особая любовь». Они как нельзя лучше демонстрируют зависимость от чужих решений, являясь наихудшей основой для построения сети сбора данных, которая должна быть «интеллектуальной».
В настоящей «интеллектуальной сети» все элементы, особенно первичные, не должны быть «умными», этого не нужно. Получится «масло масляное». Задача интеллектуальной сети состоит в том, чтобы «перенести» интеллект на самый верх системы, то есть множество оконечных устройств должны быть очень простыми (примитивными) и очень дешёвыми. Нарушать этот принцип и пытаться всюду «внедрять интеллект» — системная ошибка. И возникает вопрос, почему мы должны оплачивать чужие ошибки?
На наш взгляд, государство, говоря о цифровой трансформации, должно оставлять более широкие возможности для трактования своих пожеланий, указывая лишь основные цели и критерии. Соответствующие законы и постановления правительства должны появляться не «по щелчку пальцев» бизнеса или монополистов, а в результате многоступенчатой проработки с участием научных кругов. Это позволит новаторам свободнее представлять свои решения на рынке, а уж рынок, поверьте, быстро отберёт лучшее. Когда будет конкуренция, будет и снижение цен, и благодарность электората.
Наш проект опирается на фундаментальную научную базу и авторские решения по сверхбыстрой обработке сигналов. Разработаны действующие прототипы отдельных элементов будущей системы. Мы уверены, что представляемая нами Концепция рано или поздно осуществит практическое внедрение и не только обеспечит решение задач цифровой трансформации, но и выполнит это эффективно, то есть надёжно и дёшево. Сегодня же мы нуждаемся в серьёзных и амбициозных партнёрах, глубоко понимающих этот специфический рынок.
Спасибо! Предлагаемая вами Концепция заслуживает внимания, но очевидно, что в России сегодня имеется определённый уровень решений (в том числе отечественных) по сбору данных, и доказать, что вы лучше, пока, видимо, сложно. Передача по электросети всегда упиралась в необходимость борьбы с помехами. Вероятно, это стоит определённых затрат. Сможет ли научный руководитель проекта Юрий Карякин в доступной форме объяснить мне и нашим читателям, в чём состоит оптимальность вашей сети сбора данных, каковы научные предпосылки инновации и, самое главное, как скоро их можно претворить в жизнь?
Ю. Карякин: Важным элементом «умного» решения учёта энергоресурсов является некая «интеллектуальная» система, состоящая из множества оконечных устройств (датчики, счётчики, исполнительные устройства, анализаторы и т. д.), объединённых каналами связи, и программного обеспечения, обеспечивающего приём данных, их обработку и хранение результатов, формирование и передачу управляющих воздействий для обеспечения и поддержания оптимальных условий работы всего этого комплекса. Для удобства реализации решение должно быть легко масштабируемым, а для рынка — функциональным, надёжным, удобным, понятным и максимально дешёвым. Здесь, наверное, будет уместно на примере простых расчётов и рассуждений показать оптимальность и энергоэффективность нашей системы.
Если вы неплохо учились в школе, то понимаете, что основным критерием энергетической эффективности системы связи со множеством источников данных является энергия, необходимая для передачи всего объёма информации для обеспечения нормального функционирования системы. Но энергия, необходимая для передачи каждого бита, квадратично зависит от дальности связи. То есть передавать радиосигнал на пять километров от датчика до базовой станции, как это делает, например, технология LoRaWAN, и на 50 метров, как в нашей системе от датчика до узла, подключённого к электросети (а далее — практически бесплатно), это «две большие разницы». Во втором случае потребуется энергии в десять тысяч раз меньше!
Что это нам даёт? При той же ёмкости батарей можно передавать данные в десять тысяч раз чаще, например, не раз в сутки, а каждые десять секунд, или уменьшить ёмкость батареи (то есть стоимость передающего устройства), или ввести дополнительную логику (блоки микросхем) на борт контроллера и передавать больше разнообразной информации.
Второй «пожиратель» энергии — это низкоэффективные протоколы связи, в которых доля полезной информации может уменьшаться до нескольких процентов. Этот недостаток особенно заметен в синхронно-адресных системах связи, когда центральная станция обеспечивает распределение общего частотно-временного ресурса между оконечными устройствами, формируя специальные сигналы синхронизации. В случае периодического запроса данных от низкоинформативных датчиков, с вероятностью, близкой к единице, они будут передавать сигналы об отсутствии полезной информации.
То есть вы ушли на работу, воду никто не тратит, а система всё запрашивает и запрашивает. Большинство запросов будут безрезультатными, а это бесполезная трата ресурсов системы связи, следовательно, и денег. Отметим, что практически все известные системы связи в ЖКХ используют именно такой протокол связи, который и предопределяет их высокую стоимость и низкую эффективность.
Итак, обеспечить лучшие возможности нашей системе позволяют те самые волшебные сигналы, о которых говорил руководитель проекта, высокоэффективные методы их обработки и использование асинхронно-адресного протокола обмена данными, когда каждый датчик для передачи данных использует ресурсы канала связи только тогда, когда у него есть новая полезная информация. Этот набор делает нашу Концепцию уникальной, не имеющей аналогов в мире. В её основе лежат алгоритмы быстрых преобразований.
В качестве примеров их успешного внедрения можно назвать реализацию следующих систем:
1. Гидроакустический комплекс «Структура» сверхдальней гидроакустической связи между подводными лодками. Комплекс был принят на вооружение ВМФ СССР в 1991 году.
2. Система охранно-пожарной сигнализации «AXIS-1000», использующая для передачи информации провода электросети. Она была установлена в головном здании банка «Беларусь» в городе Минске в 1996 году.
3. Система АСКУЭ Хенаньской электротехнической компании (КНР) 2000–2003 годов разработки, ставшая прототипом нового решения. До начала работ по её внедрению в Китае прошёл конкурс по сравнению 29 систем различных производителей, в том числе известнейших мировых компаний и концернов. Выбрали нашу систему.
В разработанной технологии PLC нового поколения — nG-PLC — применены наилучшие существующие и собственные научно-технические достижения:
1. Сложные широкополосные кодовые сигналы (ансамбль из 1024 биортогональных сигналов) с большой базой (от 400 до 24000), что совместно с нелинейной обработкой позволило обеспечить эффективную защиту от импульсных, узкополосных и других помех. Рабочая полоса частот 20–148,5 кГц, без несущей, скорость в канале по трём фазам — до 3 Кбит/с.
2. Адаптивная интеллектуальная согласованная фильтрация, позволяющая обеспечить высокоэффективную защиту от многолучёвости.
3. Асинхронно-адресное разделение каналов и передача данных от каждого источника «по событию», что обеспечивает эффективную защиту от коллизий и возможность значительного уменьшения трафика в сети плюс радикальное уменьшение объёмов служебной информации в асинхронно-адресном протоколе связи.
4. Сверхбыстрые преобразования цифровой корреляционной обработки сложных сигналов, позволяющие обеспечить аппаратную реализацию на дешёвой элементной базе. Способ и устройство передачи информации по электросети защищены патентом РФ №2491719 [3].
В результате проведения пилотного проекта на Московском заводе тепловой автоматики (МЗТА) мы получили реальные результаты в виде высокого процента доставки данных (99,92 процента), то есть высокой помехоустойчивости прототипа нашей системы, причём в условиях промышленных помех. Достижение качественного прорыва в преодолении технологического барьера и создания оптимального канала связи стало возможным с реализацией потенциального приёмника «по Котельникову». Во-первых, с появлением nG-PLC мы получили возможность значительно надёжнее доставлять данные по электропроводке от множества устройств, при этом передача и приём сигналов происходят, даже если помехи значительно превышают уровень сигнала.
Во-вторых, алгоритмы, разработанные для обработки сигналов по электросети, мы применяем также и в микромощном радиоканале, увеличивая его характеристики по надёжности и дальности доставки, что для радиоканала, также подверженного множеству влияющих на него помех, порой преднамеренных, достаточно актуально. В результате такой двухуровневой передачи мы получаем надёжную доставку данных с помехоустойчивостью, близкой к максимально возможной.
Возникает резонный вопрос: почему мы пытаемся повторять старое, по лекалам наших недоброжелателей, если у нас уже есть реальная возможность просто обогнать их на долгие годы?
Вы так просто рассказываете о сложном, что в голове сразу всплывают школьные и институтские знания. Вы преподаватель?
Ю. Карякин: Да. Кроме того, что я это придумал, я также преподавал в Белорусском национальном технологическом университете (БНТУ) на кафедре «Интеллектуальные системы». Естественно, что в эпоху хозрасчёта мы решали и интересные прикладные задачи, что помогало совершенствовать мои алгоритмы обработки сигналов.
Чтобы было ещё понятнее, я представлю короткое научное обоснование нашего решения. Надеюсь, что и читатели «тряхнут стариной» и вспомнят, что огурцы появляются не из банки. Итак, пропускная способность канала связи определяется формулой Шеннона:
C = ∆Flog(1 + h0),
где ∆F — полоса частот канала; h0 — отношение сигнал/шум (SNR).
Из этой формулы следует, что:
1. Пропускная способность канала связи при фиксированной полосе частот канала неограниченно возрастает при увеличении отношения энергии сигнала к мощности помех.
2. Энергия сигнала пропорциональна его длительности, то есть, увеличивая длительность сигнала ограниченной мощности, можно обеспечить надёжную передачу информации при сколь угодно большом уровне помех.
Произведение полосы частот сигнала на его длительность называется базой сигнала. Из п. 2 следует, что чем больше база сигнала, тем при большем уровне помех будет обеспечена передача информации. На рис. 2 представлена схема потенциального приёмника Котельникова. Этот приёмник обеспечивает максимально возможную помехоустойчивость приёма известного сигнала в канале с гауссовым шумом. Отметим, что при фиксированном значении мощности сигнала и шума помехоустойчивость приёмника не зависит от полосы частот сигнала, а определяется лишь его базой и числом используемых сигналов. Для случая дискретных М-сигналов потенциальный приёмник изображён на рис. 3. Он обеспечивает скорость передачи, равную пропускной способности канала при бесконечном количестве сигналов бесконечной длины. Очевидно, что на практике такой приёмник нереализуем. Однако при достаточно большом конечном числе сигналов скорость передачи приближается к теоретическому пределу, и такой приёмник можно реализовать.
Обязательным условием достижения потенциальной помехоустойчивости является равномерное распределение вероятности передаваемых сигналов, максимальное разнесение сигналов в многомерном пространстве признаков, то есть выбор такого множества сигналов, для которых попарные расстояния максимальны. По мере роста размерности пространства признаков (базы сигнала) расстояние между сигналами также возрастает, поэтому эффективность системы связи возрастает с ростом М и N. Ещё одним обязательным условием нормальной работы приёмника является знание всех параметров, искажённых в канале связи принимаемых сигналов, и статистики помех. Понятно, что на практике приёмнику известна только эталонная форма всех используемых для передачи сигналов, большинство же остальных параметров приёмнику неизвестны или известны статистически с некоторой погрешностью. Во всех случаях неизвестна амплитуда, фаза и относительная задержка принимаемого сигнала. В большинстве случаев частота сигнала также задаётся с большой погрешностью (необходимо помнить, что чем выше требования к стабильности частоты, тем дороже оборудование). Поэтому потенциальный приёмник дополняется измерительным трактом, который должен на первом этапе измерить неизвестные параметры сигналов и помех, а на втором — использовать эту информацию для оптимального приёма и распознавания передаваемых сигналов, например, управляя характеристиками корректирующего фильтра на входе приёмника.
Линии связи характеризуются изменчивостью своих характеристик во времени, помехи также меняют свою интенсивность и спектр. Измерительная информация быстро устаревает, необходимо её постоянное обновление. В результате оптимальный приёмник становится адаптивным, то есть осуществляющим непрерывный мониторинг характеристик линии связи и адаптивную коррекцию принимаемых сигналов на входе оптимального приёмника. На рис. 4 приведена его обобщённая схема.
При любом способе практической реализации данного потенциального приёмника (в виде множества параллельных устройств или в виде одного процессора, выполняющего все вычисления последовательно) сложность и стоимость реализации нелинейно зависит от требуемого количества операций. В первом приближении общее число математических операций при реализации приёмника «в лоб» пропорционально произведению М×N.
Учитывая, что приёмник должен работать в масштабе реального времени и успевать обрабатывать текущий сигнал до поступления следующего, технические ограничения на цифровой процессор существенно уменьшают достижимые значения М и N, снижают помехоустойчивость и увеличивают стоимость непосредственного самого приёмника.
Применение специальных быстрых алгоритмов цифровой обработки сигналов, например, быстрого преобразования Фурье (БПФ), позволяет существенно снизить требования к процессору. Однако в сложных каналах связи (гидроакустических, сейсмических, PLC и т. д.) для обеспечения требуемой помехоустойчивости уменьшения сложности вычислений за счёт БПФ недостаточно. Алгоритмы быстрых преобразований Карякина (БПК) [4–6], то есть алгоритмы, разработанные мной, позволили на несколько порядков уменьшить количество математических операций, требуемых для реализации потенциального приёмника, что дало возможность не только резко увеличить его помехоустойчивость, но и существенно снизить стоимость. Сверхбыстрые преобразования основаны на использовании структурных свойств сигналов и позволяют в процессе цифровой обработки исключить повторные вычисления.
Нами разработаны прототипы отдельных элементов системы, реализовано базовое программное обеспечение для приёма и передачи. Таким образом, мы не находимся где-то в начале пути с неясной идеей. Мы достаточно далеко продвинулись в своём решении и, при наличии партнёра или партнёров, в адекватном свете воспринимающих сегодняшнюю действительность и следующие за ней перспективы, способны принять участие во внедрении, как на уровне пилотного образца легко масштабируемой в будущем системы, так и в дальнейшем её развитии для решения будущих задач передачи данных и связи, в том числе в других приложениях нашего решения.
На мой взгляд, при должном уровне финансирования разумный срок дополнительных исследований, внедрения и развёртывания серийного производства на базе существующего предприятия, например, завода электросчётчиков, может составить от полутора до двух лет.
Спасибо вам, Юрий! Я знаком со связью на научно-популярном уровне, в том числе с задачами построения систем сбора данных, но вам удалось объяснить основы передачи информации по нестандартному каналу связи, с чем, конечно, мы никогда не сталкивались. Надеюсь, что наши читатели по достоинству оценят ваши достижения.
Понятно, что электросеть строится и развивается для передачи важнейшего ресурса — электрической энергии, а не как канал для организации связи. Хотя примеры организации высокочастотной связи посредством ЛЭП мы можем припомнить и в России. Возможно, превращение электросетей в каналы связи изменит в будущем и подходы энергетиков к их строительству. В начале 2000-х годов был организован ряд международных консорциумов для решения и стандартизации связи по электросети. Мы знаем о G3 и PRIME, в которые входят крупнейшие производители электротехники. Ряд российских предприятий, среди которых концерн «Энергомера» — крупнейший производитель электросчётчиков в нашей стране, активно сотрудничал с G3, используя их достижения. PLC активно использовался в российских электросчётчиках как интерфейс. Но сегодня интерес к PLC пошёл на спад, и если технология и используется, то как дублирующий канал связи для радиоканала. Выслушав наших гостей из ООО «Интеллектуальные технологии мониторинга» о возможностях нового технологического решения, мы можем предположить, что в PLC реально вдохнуть новую жизнь и реализовать современную отечественную программу «Умное ЖКХ» [7].
Хочу спросить ещё одного учёного, д.ф.-м.н., профессора Валерия Петрова, что он думает о перспективах применения PLC для контроля ресурсопотребления в нашей стране, а также построения оптимальных сенсорных систем для сбора данных? Здесь я сразу поддержу гостей в том, что импортозамещение не должно быть повторением старого, привычного, пусть даже в прогрессивной форме. Нужно менять именно качество, делать тот самый рывок в отрасли, который действительно можно было бы называть цифровой трансформацией.
В. Петров: Проблема «последней мили» — мировая проблема, которая не даёт покоя пытливым умам. Задача сбора данных от многих миллионов устройств, например, в большом городе — это необходимость решения проблемы в той или иной части. Коллеги выбрали одно из сложных направлений действительно перспективного её решения — достижение оптимальности передачи информации по электросети.
Известны многочисленные попытки решения данной задачи крупными ассоциациями (G3, PRIME) производителей NB-PLC-оборудования (рис. 5), но достигаемый ими при этом уровень помехоустойчивости нельзя назвать достаточным для работы в «плохих» электросетях РФ и многих других стран со схожей инфраструктурой.
Работа в помехах и при этом с высокой надёжностью доставки информации, хотя и на меньших скоростях, это не недостаток, а, учитывая упрощённые протоколы связи, несомненное преимущество при использовании низкоскоростных источников данных.
Нужно признать, что основной задачей зарубежных ассоциаций было достижение высоких скоростей и попытка внедрения на рынок передачи интернет-контента. Частично им это удалось. И в РФ применялись устройства связи для передачи интернет-трафика на коротком расстоянии, но их соответствие требованиям электромагнитной совместимости было сомнительным. На Западе прекрасно понимали, что тянуть сотни тысяч километров выделенных каналов связи очень дорого, а нам при этом пытались продавать решения, когда электросчётчики для снятия показаний и отдельных параметров подключались к Ethernet. Эффективность такой связи — доли процентов полезной информации в общем потоке. Между тем, участниками консорциумов были реализованы глобальные проекты по автоматизации сбора данных от электросчётчиков в Европе по электросетям, одним из которых был проект компании Enel на севере Италии по автоматизации сбора с 25 миллионами электросчётчиков.
Нужно ли заменять инфраструктуру передачи электроэнергии в РФ ради возможности передавать данные? Нужно ли подтягивать к точкам учёта высокоскоростные и дорогие каналы связи? Однозначно нет. Это очень дорогие мероприятия, а нам сегодня требуется простое и дешёвое решение, способное быстро и легко заменить устаревшие методы съёма показаний, желательно без создания специализированной инфраструктуры, в том числе связи. Наши инфраструктура распределения электроэнергии и инфраструктура ЖКХ отлично подходят для наложения на них представленной Концепции. При этом нужно чётко определить и разделить потоки коммерческого и технического учёта: за что должно платить население, а за что — РСО.
Предлагаемое решение требует достойной экспертной оценки. Что мешает самостоятельной реализации? Тут нужно вспомнить, что пик моды на PLC пришёлся на 2006–2008 годы. Решения оказались не совсем надёжными. Даже собрав данные с 90 процентов электросчётчиков, десять процентов приходилось идти и снимать вручную. Эти недочёты посеяли недоверие к технологии. Например, в «Мосэнергосбыте» до сих пор даже слушать не хотят про PLC, так много крови она им попортила. Новое поколение PLC — однозначный шаг вперёд, но и задача наукоёмкая, достаточно сложная в реализации на любом этапе. Причиной медленной монетизации проекта коллег я бы назвал отсутствие специалистов в данной области, принимающих решение о вложении денег. Мелкие предприниматели вкладываться просто не хотят и не будут — не их уровня проект, они ждут готового решения, а большие боятся испортить своё реноме, поскольку далее придётся идти против устоявшихся на рынке правил. Получается, что таким масштабным комплексным инновациям хода нет, и мы попадаем в замкнутый круг.
Оценивая технические решения, заложенные в Концепцию двухступенчатой передачи данных на нижнем уровне, стоит отметить следующее: в отличие от дорогого набора оконечных «интеллектуальных» устройств, здесь обеспечивается перенос максимального количества функций от оконечных устройств на самый верх или на верхние узлы системы. Это реализация настоящей интеллектуальной системы, основная задача которой в части экономики — максимально снизить стоимость оконечных устройств, поскольку их сумма достигает 90–95 процентов стоимости всей системы. Основное достижение и отличие новой системы передачи информации от применяемых систем — восходящий канал связи, работающий «по событию» со случайным адресным доступом к каналу связи. Минимальная стоимость одного бита полезной информации обеспечивается путём абсолютного уменьшения общего трафика с переходом на передачу данных «по событию» и увеличения в нём доли полезной информации за счёт эффективного кодирования и использования сложных шумоподобных сигналов. Это отступление от сегодняшних, во многом навязанных нам канонов позволяет сделать электросеть основной платформой для передачи информации, то есть «интеллектуальной» сетью на «последней миле», а микромощный радиоканал — существенным её дополнением, по сути, «последним дюймом», используя дешёвые сенсоры измерения необходимых параметров в качестве первичных источников данных.
Предлагаемое решение — это не только путь существенной экономии энергоресурсов самой системы и, как следствие, повышения надёжности. Это и путь к новым преобразованиям, которые можно считать преодолением того самого технологического барьера.
Как поведут себя nG-PLC и микромощные радиоканалы в реальных условиях? У меня нет никаких сомнений, что при серийном производстве производитель достигнет высоких характеристик и обеспечит стабильный выпуск оборудования связи. Верхние уровни сегодняшней системы сбора данных под эгидой Минстроя и ЖКХ практически готовы. В их модернизацию было вложено большое количество ресурсов. Взаимодействие между нижним и верхним уровнями является чисто программной задачей и может быть успешно реализовано.
Вопросы появляются к нашим производителям оконечного оборудования. Готовы они выпускать новое поколение приборов, кратно увеличить производство измерителей нового поколения и тем самым обеспечить форсированное внедрение систем комплексного учёта взамен морально и физически устаревших АСКУЭ различного назначения? Кто сможет им помочь перестроиться? Готово ли само государство ускорить темпы такого обновления? Я, как учёный, поддерживаю такие глобальные преобразования в отрасли, поскольку сам являюсь потребителем. На протяжении последних 15 лет мы только и слышим, что «умный» учёт уже на пороге, и сколько он принесёт нам радости. Но я понимаю, что проблема «последней мили» в этом случае не может быть решена «в лоб». Необходим качественный рывок, который за разумные деньги сможет обеспечить необходимый результат. Нельзя постоянно увеличивать скорость и пропускную способность каналов связи — это рост цены информации и приборов. Порой виден злой умысел наших «доброжелателей», сумевших не только подсадить нас на свои технологии и компоненты, но и отправивших нас по ложному пути совершенствования.
Я вижу путь реализации и развития новых технологий в проведении любых сравнительных испытаний. При этом, учитывая сегодняшнюю потребность государства в эффективном учёте всех видов ресурсов, интеллектуальном анализе этого потребления и использовании получаемых результатов для дальнейшего развития, государство должно помогать в реализации нового решения. Поставьте параллельно действующей новую систему! Кстати, даже оценка затрат на проведение подобных испытаний может стать одним из критериев последующего выбора. Как при этом правильно построить отбор решений и продвижение инноваций подобного уровня? Сложившаяся система, на мой взгляд, просто не позволяет это делать в разумные сроки или требует очень существенных расходов.
Внедрение предлагаемой Концепции может существенно повлиять на увеличение скорости технического перевооружения в области коммерческого учёта, внедрения «умных» электросетей, производства киберфизических систем и устройств.
Простота и стоимость реализации каналообразующего оборудования не только сэкономит многочисленные ресурсы, но и снизит нагрузку на экологию. Перевооружение только электроучёта в РФ, по сообщениям различных источников, может составить около полутора триллионов рублей. Новая технология может сократить эти затраты в разы. А возможности появления новых сервисов и направлений для частной реализации сегодня пока трудно даже оценить.
На одном из научных форумов в Казахстане известный казахстанский учёный Г. М. Мутанов после моего выступления на данную тему сказал, что это ему напоминает фразу Шарля де Голля: «Всегда выбирайте самый трудный путь — на нём вы не встретите конкурентов». Конкуренции действительно нет, не хватает только высококвалифицированных учёных, специалистов и экспертов, которые смогут помочь продвинуть предлагаемую Концепцию.
Валерий Александрович! Вы являетесь учёным и остаётесь преподавателем, и не понаслышке знаете о плюсах и проблемах технологии PLC, имели практический опыт работы с этой технологией в казахстанском ТОО «Power Line Communication Company LTD», участвуя на базе технопарка «Алтай» при Восточно-Казахстанском техническом университете (ВКТУ) имени Даулета Серикбаева в создании инновационных решений для удалённого выхода в Интернет и организации телефонной связи. Поэтому ваше мнение особенно ценно для нас. Спасибо вам!
Для окончательной оценки мы хотели бы услышать мнение Рашида Худай-Бердыевича Артикова, члена президиума Научно-экспертного совета при рабочей группе Совета Федерации ФС РФ по мониторингу реализации законодательства в области энергетики, энергосбережения и повышения энергетической эффективности. Уважаемый Рашид! Вы услышали мнения разработчиков и эксперта, сами являетесь экспертом, занимаетесь практической работой, связанной с энергоэффективными проектами, в том числе в Арктике. Как вы считаете, почему в нашей стране так трудно бывает донести своё предложение до принимающих решение людей? Возможно, вы поделитесь не только оценкой, но и алгоритмом дальнейшего развития? Сегодня, говоря о цифровизации и трансформации отрасли ЖКХ, мы пока видим лишь увеличение цифр в платёжках, но положительных изменений за ними практически нет. Где у нас во власти тот «волшебный фильтр» отбора: каким решениям жить, а каким нет? Не могут ли там скрываться проблемы отсутствия некоего сопровождения наукоёмких решений?
Р. Артиков: Я уже слышал выступление руководителя проекта «ЭлектроNET» на онлайн-форуме, устроенном Университетом «Дубна». Мне уже тогда показалось, что в нём есть зёрна новизны и серьёзная инновационная составляющая, практически применимая для решения мировой проблемы «последней мили» хотя бы для низкоскоростных устройств нижнего уровня. Их число у нас растёт очень быстро со строительством нового жилья, транспортных магистралей, развитием электроэнергетического хозяйства. И, конечно, все появляющиеся и существующие датчики и сенсоры требуют мониторинга. Опрашивать их принудительно раз в минуту или в час, при отсутствии у них изменения состояния, это пустая трата энергии, и предложение организации связи «по событию» — для меня наиболее заметный критерий. Рынок требует простое и надёжное решение, дешёвое и удобное для всех уровней передачи и управления, которое может быть обеспечено только при наличии эффективной технологии связи на «последней миле». Большинство потребителей на «последней миле» объединяет сеть электропитания. Объединяющей технологией связи также может и должна стать технология передачи данных по электросети. Это было отмечено в рекомендациях Минэнерго России для её использования в многоквартирных домах ещё в 2011 году [8]. Эксперты понимали, что линии электросети — это надёжные, проводные, практически бесплатные каналы связи, но отсутствие доступных технических решений по связи не позволило обеспечить массовую практическую реализацию рекомендаций, поэтому радиоканалы сейчас вышли вперёд. Это рынок, на котором в том числе соревнуются и современные технологии.
Несмотря на научное обоснование проекта, мы должны рассчитывать на компетентность и объективность руководителей отраслей ЖКХ и Минэнерго, принимающих ответственные решения в пользу цифрового развития, прозрачности, удобства получения данных для потребителей и контролирующих органов.
Не стоит забывать и о хищениях. Их необходимо предупреждать, а не действовать только карательными мерами. Хищение электроэнергии является правонарушением, влекущим административную и уголовную ответственность, вплоть до лишения свободы. Согласно статье 7.19 Кодекса об административных правонарушениях (КоАП РФ), самовольное подключение к электрическим сетям, а также безучётное использование электрической энергии влечёт наложение штрафа на граждан в размере от 10 тыс. до 15 тыс. рублей; на должностных лиц — от 30 тыс. до 80 тыс. рублей или дисквалификацию на срок до двух лет; на юридических лиц — от 100 тыс. до 200 тыс. рублей (в редакции Федерального закона №307-ФЗ [9]).
Реализация «обратной связи» в данном случае подойдёт как нельзя лучше: нейросеть выявит попытку хищения и тут же отключит такого антисоциального потребителя до уровня, когда у него горит только лампочка при входе. Даже желания воровать у него больше не будет!
А вода? Тепло? Их тоже воруют, и они сегодня очень дорогие! Но, опять же, отсутствуют интеллектуальные и дешёвые технические решения для их выявления. Мы сможем мгновенно реагировать на нарушения, когда учёт (контроль) в рамках одной системы будет тотальным, охватывающим всех потребителей и балансовые счётчики. При этом в учёте ресурсов должна быть точность. Добившись этого, мы получим доверие населения, у него появится вера в справедливость, но появится также и ответственность: за своевременную оплату, за экономию ресурсов на общее потребление. К хорошему быстро привыкаешь, и многим жителям захочется улучшить ещё что-то в своей жизни. А проблем и задач в отечественном ЖКХ действительно хватает.
Для преодоления существующих административных барьеров при продвижении значимых инноваций сегодня необходимо прилагать усилия профессионального сообщества, подключать профильные комитеты и институты, на которые возложена задача подготовки и оценки потенциальных преобразований в отрасли ЖКХ — в частности, и организация комплексного учёта ресурсов и сбора данных. Не должны оставаться в стороне городские власти, поскольку высокий потенциал в данном случае имеется и для подключения городских устройств и систем (освещение, метеонаблюдение, транспорт). Проведение пилотного проекта говорит об их участии, однако, если сказал «А», то нужно говорить и «Б»: хорошие результаты необходимо дальше продвигать в городскую среду, что не всегда получается.
Предлагаемая Концепция, особенно в части внедрения сенсорного учёта, пока противоречит сегодняшним правилам учёта. Но она полностью соответствует тем задачам, которые Президент России В. В. Путин поставил для будущего национального проекта по формированию экономики данных. В связи с этим лично у меня появилось желание поближе ознакомиться с решением и попробовать донести до коллег в Совете Федерации и Государственной Думе РФ информацию о нём. Надеюсь, общими усилиями мы найдём, как вы говорите, оптимальный путь и подготовим соответствующие предложения в нацпроект.
Спасибо, коллеги! Теперь, выслушав вас, я и сам могу ответить на поставленные в начале статьи вопросы. Есть технологическое решение, которое может устранить большинство существующих технических проблем, не позволяющим нам внедрить сегодня так называемый «тотальный интеллектуальный учёт ресурсопотребления». Но такое решение требует поддержки властей, поскольку оно лишь в какой-то части соответствует тем правилам учёта, которые сегодня у нас существуют. Это говорит о инновационности решения и о потенциале цифровой трансформации отрасли. Мотивация установки избыточных «умных» устройств, требующих высоких вложений и, как следствие, повышения тарифов на поставку ресурсов, очевидно, становится необдуманной. Конечно, тарифы могут повышаться, но только за счёт вложений в инфраструктуру: замена труб, силовых проводов, трансформаторов, котлов, насосов, наконец, повышение зарплат обслуживающего персонала, что наверняка повысит его мотивацию выполнять свою работу лучше. Мне очень приятно, что появляются такие концептуальные решения, и мы будем рады видеть вас снова уже с рассказом о новых успехах во внедрении вашего продукта. Надеюсь, что читатели с интересом ознакомятся с предложениями авторов статьи и выскажут свои мнения по этому поводу.
