Перспективы развития интеллектуальных сенсоров. Заключительные замечания

Ответы

Ответы на вопросы

1. Основными направлениями развития техники интеллектуальных сенсоров являются: а) совершенствование существующих и создание новых видов интеллектуальных сенсоров; б) создание сенсорных систем; в) создание сенсорных сетей.

2. Искусственные органы чувств нужны, во-первых, для замены того естественного органа чувств, который по каким-то причинам у человека не функционирует, и, во-вторых, для получения возможности непосредственно ощущать то, что природой не было предусмотрено, но требуется человеку по роду его деятельности. Например, ионизирующей радиации, присутствия в воздухе или воде некоторых веществ ("без вкуса и без запаха" для обычного человека).

3. "Внутреннее зрение" – это способность человека непосредственно ощущать некоторые важные параметры внутренней среды организма. Например, концентрацию глюкозы или холестерина в крови, своё артериальное давление и т.д.

4. "Наномедициной" называют будущие новые методы исследования, лечения и контроля биологических систем человека с применением интеллектуальных медицинских "микророботов", изготовленных с применением нанотехнологий.

5. Под "медицинскими микророботами" понимают интеллектуальные сенсоры микронных размеров, которые будут вводиться в организм человека, двигаться там по слизистым оболочкам, кровеносным или лимфатическим сосудам, выполняя филигранные медицинские функции: доставка лекарств, обследование, выявление очагов заболеваний, лечение.

6. "Интеллектуальное здание" – это здание, снабженное продуманной, достаточно полной системой сенсоров, позволяющей всесторонне контролировать функциональное состояние здания и на этой основе разумно управлять функционированием всех его важнейших систем жизнеобеспечения.

7. Выражение "умный дом" означает жилище, оборудованное системой сенсоров и иерархической системой управления, призванными обезопасить нашу жизнь, оптимизировать энерго- и ресурсопотребление, облегчить домашние заботы, создать нам всё больше удобств и комфорта.

8. "Видеодомофон" – это интеллектуальный сенсор, обеспечивающий двустороннюю, в том числе и визуальную связь между пультом, установленным на входе в здание, и хозяевами квартиры (офиса), а также автоматическое открывание входной двери по команде хозяина. Хозяева квартиры (офиса) могут не только переговариваться с посетителем, но и видеть его благодаря тому, что в пульт встроена миниатюрная видеокамера.

9. Под "интеллектуальным транспортным средством" понимают транспортное средство, оборудованное достаточно полной системой интеллектуальных сенсоров, обеспечивающей иерархическую систему автоматического управления, способную даже при воздействии случайных факторов (нештатные ситуации, отказы или сбои компонент) функционировать так же "разумно", как и опытный человек-оператор, и даже надежней.

10. "Интеллектуальная дорога" означает транспортный путь (автодорогу, железнодорожный или трамвайный путь, улицу города, судоплавную реку, ...), оборудованный системой интеллектуальных сенсоров, которая позволяет собирать достаточно полную информацию о состоянии пути и его загруженности транспортом, информировать об этом водителей и службы пути и на этой основе оптимизировать движение, повышать его безопасность.

11. Под "интеллектуальной транспортной системой" (ИТС) понимают систему автоматического регулирования транспортного движения, которая используют данные интеллектуальных сенсоров транспортных потоков. Собирая информацию от многих таких сенсоров, ИТС соответствующим образом оптимизирует работу светофоров, сообщает по радио рекомендации водителям о целесообразных в данный период времени маршрутах проезда, направляет регулировщиков в наиболее напряженные участки. Она также рассылает счета нарушителям правил движения на оплату штрафа и представления на применение других санкций, предусмотренных законами.

12. "Беспроводная сенсорная сеть" – это тысячи миниатюрных интеллектуальных сенсоров с возможностями беспроводной радиосвязи, которые размещаются на контролируемой территории. Они сами налаживают между собой связь, формируют беспроводную сеть и начинают передавать данные на заранее указанные пункты сбора информации. Объединенные в сеть сенсоры могут отслеживать параметры окружающей среды (влажность, давление, движение, освещенность, состав, температуру), выявлять наличие аналитов, вибраций, электромагнитных колебаний и т.д.

Ответы к упражнениям

Упражнение 27.1.

Вариант 1. С помощью интеллектуальных сенсоров в будущем можно создать искусственные органы чувств, которые позволят человеку непосредственно ощущать то, что природой не было предусмотрено. Для этого выход интеллектуального сенсора будет непосредственно связан с нервными окончаниями или, например, с тактильными сенсорами человека. Благодаря "вживлению", скажем, миниатюрного интеллектуального сенсора радиации, человек получит возможность непосредственно ощущать ионизирующую радиацию, начиная даже от незначительных доз. Одетый на пальцы искусственный "орган ощущения радиации" поможет легко найти источник радиации. После "вживления" миниатюрного газового сенсора обладатель этого дополнительного "органа обоняния" будет ощущать присутствие химических соединений, которые для обычного человека не имеют запаха. Например, на ряде опасных химических производств персоналу чрезвычайно важно иметь сенсоры, непосредственно информирующие его об опасных химических агентах: угарном газе, фосфорорганических пестицидах, ядах. Человек, которому это требуется по роду профессии, сможет слышать инфразвуки или ультразвуки определенных диапазонов, например, ультразвуки, издаваемые дельфинами.

Вариант 2. На уровне сознания мы почти не ощущаем свои внутренние биохимические процессы. Имеющаяся сигнальная система информирует нас о возникающих нарушениях метаболизма только посредством болевых ощущений от внутренних органов (желудка, печени и т.д.). Эти ощущения возникают, как правило, только после значительных и уже необратимых изменений. Вживленные в организм сенсоры смогут успешно определять содержание важных биохимических соединений (кислотность желудочного сока, концентрацию глюкозы, мочевины, холестерина в крови и т.д.) и позволят нуждающемуся в этом человеку проводить мониторинг своего внутреннего метаболического состояния на уровне сознательного индивидуального постоянного контроля. Уже и сейчас имеются интеллектуальные сенсоры, измеряющие артериальное давление, выявляющие нарушения сердечного ритма и т.д. Но сигналы от них мы получаем, глядя на дисплей. А можем, в принципе, ощущать это непосредственно, если выход сенсора связан с нервами или воздействует на какие-то наши тактильные сенсоры.

Вариант 3. Интеллектуальные медицинские "микророботы" уже начинают создавать. Уже применяют в медицинской практике миниатюрные интеллектуальные видеосенсоры для обследования пищеварительного тракта. Применение новейших микросистемных и нанотехнологий может со временем сделать возможным создание интеллектуальных медицинских "микророботов" микронных размеров. Они будут вводиться в организм человека, двигаться там по слизистым оболочкам, кровеносным или лимфатическим сосудам, выполняя филигранные медицинские функции. Будут обследовать соответствующие органы, участки тела, брать анализы, доставлять лекарства, лечить.

Вариант 4. Миниатюрные видеокамеры, заключённые в пилюле, уже применяют в медицинской практике. Пациент глотает эту пилюлю, и она начинает своё естественное путешествие по пищеварительному тракту. А видеосенсор ведет цветную съёмку крупным планом состояния слизистой оболочки и передает получаемую информацию в маленький приёмник на поясе или в сумке пациента. Клинические испытания показали, что для диагностики воспалений, язв, эрозий, полипов и прочих аномалий слизистой желудка и кишечника, пилюля вдвое эффективнее, чем традиционная эндоскопия. Кроме того, обычный эндоскоп не дает возможности обследовать тонкий кишечник, имеющий в длину около 7 м. Некоторые "пилюли" имея миниатюрные крючочки, могут останавливаться и внимательнее обследовать интересующее врача место. Таким образом выявляются язвы, подозрительные на рак места в кишечнике и т.д.

Вариант 5. Под медицинскими "транспортными микророботами" понимают изготовленные с применением нанотехнологий миниатюрные рoботы, которые будут доставлять требуемые дозы лекарства в заданное врачом время к определенным больным участкам и клеткам тела. Прототипы таких рoботов имеются уже и сейчас. Например, интеллектуальная пилюля iPill имеет в своём составе микроконтроллер, микронасос, датчики, контролирующие температуру и кислотно-щелочной баланс окружающей среды, а также лекарство в объёме 1 мл. Пилюля может быть запрограммирована так, чтобы выпускать лекарства через различные интервалы времени или при заданных обстоятельствах. Для этого микроконтроллер включает микронасос, выталкивающий требуемую дозу препарата.

Вариант 6. Пилюля-робот, помогающая выявить в желудочно-кишечном тракте места, подозрительные на рак, функционирует следующим образом. Продвигаясь по желудочно-кишечному тракту, она передает цветное видеоизображение внутренних слизистых оболочек на монитор врача. Замечая место, подозрительное на рак, врач посылает радиосигнал роботу, который останавливается и производит анализ отраженного от этого места света. Известно, что в местах роста раковых клеток образуется более густая сеть кровеносных сосудов, и в силу этого увеличиваются локальное кровенаполнение и локальная концентрация гемоглобина в ткани. Такие изменения и можно увидеть в отраженном свете соответствующей длины волны.

Вариант 7. "Респироцит" – один из ожидаемых инструментов будущей "наномедицины" – это будущий искусственный аналог красных кровяных телец, который будет аккумулировать в легких значительные запасы кислорода и адресно доставлять его с потоком крови к органам и клеткам, которые особенно в этом нуждаются. Место отдачи кислорода будет автоматически определяться по повышению концентрации накопленной углекислоты либо по специальному "маркеру" – локальному повышению температуры, локальному магнитному полю и т.д.

Вариант 8. "Цифровой скальпель" – это хирургический скальпель, на острие или вблизи острия которого располагаются интеллектуальные сенсоры микронных размеров, сигнализирующие о том, что вблизи скальпеля находится кровеносный сосуд или ответственный нервный узел. Такие сенсоры нужны хирургам и микрохирургам, выполняющим операции на головном мозге, в глазах, в ушной раковине, на микрососудах или на нервных узлах, – везде, где важна исключительная точность и безопасность. Они будут страховать хирурга от неверных движений и существенно повысят количество удачных операций.

Упражнение 27.2.

Вариант 1. Для построения "интеллектуальных зданий" необходим следующий набор интеллектуальных сенсоров:

• сенсоры, контролирующие систему электроснабжения (напряжение на входе, его стабильность, потребляемую мощность, косинус фи, мощность, потребляемую каждым отдельным помещением, датчик короткого замыкания);
• сенсоры газоснабжения (давление газа на входе, общее потребление газа, потребление газа отдельными помещениями, датчики утечки газа вблизи каждого газового прибора и на стыках газовых магистралей);
• сенсоры водоснабжения (давление и состав воды на входе, общее потребление воды, потребление воды отдельными помещениями, датчики утечки воды);
• сенсоры отопления (давление, температура и объёмный поток горячей воды или др. теплоносителя на входе, общее потребление тепловой энергии, потребление тепловой энергии отдельными помещениями, температура в каждом помещении);
• сенсоры пожарной безопасности (датчики дыма, загорания в каждом помещении);
• сенсоры освещения (общая освещенность в каждом помещении и локальная освещенность каждого занятого рабочего места и места отдыха);
• сенсоры микроклимата (температура, влажность и состав воздуха в каждом помещении, датчики потока воздуха);
• сенсоры санкционированного доступа в здание и в его отдельные части (сенсоры видеонаблюдения и видеорегистрации, сенсоры приближения, пересечения пограничной линии, присутствия, домофоны, дактилоскопические сенсоры и т.п.);
• сенсоры услуг связи и Интернета, кабельного телевидения и т.д.

Вариант 2. Опыт показывает, что потребление энергоресурсов и затраты на обслуживание в "интеллектуальных зданиях" сокращаются на 20-30%. Повышаются комфорт и безопасность. Затраты справедливо и объективно распределяются между всеми пользователями. Грамотно спроектированное "интеллектуальное" здание в случаях аварийного отключения внешней энергосети или подачи воды по сигналам от соответствующих сенсоров автоматически задействует резервный электрогенератор, запасную схему водоснабжения, аварийное освещение и т.д. и предупредит пользователей здания об аварийной ситуации. Это практически сводит на нет возможность выхода из строя высокотехнологического оборудования, что также ведет к экономии средств. Такое оборудование может работать бесперебойно в течение многих лет.

Вариант 3. Для построения "умного дома" необходим примерно следующий набор интеллектуальных сенсоров:

• сенсоры, контролирующие систему электроснабжения (напряжение на входе, его стабильность, потребляемую мощность, косинус фи, датчики короткого замыкания);
• сенсоры газоснабжения (давление газа на входе, общее потребление газа, датчики утечки газа вблизи каждого газового прибора и на стыках газовых магистралей);
• сенсоры водоснабжения (давление и состав воды на входе, общее потребление воды, датчики утечки воды в каждом помещении и на стыках труб);
• сенсоры отопления (давление, температура и объёмный поток горячей воды или др. теплоносителя на входе, общее потребление тепловой энергии, температура в каждом помещении);
• сенсоры пожарной безопасности (датчики дыма, загорания в каждом помещении);
• сенсоры освещения (общая освещенность в каждом помещении и локальная освещенность каждого занятого рабочего места и места отдыха, сенсоры присутствия человека);
• сенсоры микроклимата (температура, влажность и состав воздуха в каждом помещении, датчики потока воздуха);
• сенсоры санкционированного доступа в здание и в его отдельные части (сенсоры видеонаблюдения, приближения, пересечения пограничной линии, присутствия, домофоны и т.п.);
• сенсоры-регистраторы услуг связи и Интернета, кабельного телевидения и т.д.;
• сенсоры для обеспечения иных удобств (наблюдение и уход за детьми, членами семьи, нуждающимися в уходе, за домашними растениями и животными и т.д.).

Вариант 4. "CyCab" – это "интеллектуальный" двухместный электромобиль массой 300 кг и размерами 1,9?ешьуж1,2 м, имеющий по одному электромотору мощностью 1 кВт на каждое колесо, развивающий скорость до 30 км/час и обеспечивающий дальность пробега 40 км без подзарядки. В электромобиле реализованы две технологии управления: ручного и автоматического. В ручном режиме пассажир ведет автомобиль с помощью ручки управления (джойстика) и сенсорного экрана. Джойстик соединен с компьютером, который в действительности управляет движением, обеспечивая его безопасность: например, он автоматически ограничивает скорость на поворотах и в других опасных местах. Для управления не требуется специальных навыков, им может пользоваться каждый. Через сенсорный экран можно узнать свое местоположение, скорость движения, пройденную дистанцию, доступную дальность пробега; можно установить автоматический режим работы электромобиля, связаться со службой поддержки и т.д. Также можно реализовать и другие режимы автономного движения (например, радиоуправление или движение по указателям).

Вариант 5. На основе интеллектуальных электромобилей можно создать систему "такси". Множество таких электромобилей будет доступно всем пользователям с помощью электронной кредитной карты. Такое "такси" можно "взять" на стоянке или вызвать через Интернет. Тогда оно само подъедет к указанному клиентом месту. Когда клиент освобождает "такси", электромобиль сам отъезжает к ближайшему месту парковки и подзаряжает аккумуляторы. Такой вид транспорта удобен для пользования, создает мало шума, не загрязняет атмосферу города, занимает мало места для парковки и экономичен.

Вариант 6. Для построения "интеллектуальной дороги" необходим следующий набор интеллектуальных сенсоров:

• автоматические видеокамеры с регистрацией и определением скорости движения;
• интеллектуальные сенсоры, автоматически распознающие номера автомобилей, находящихся в поле зрения камеры;
• интеллектуальный сенсор для контроля характеристик транспортных потоков, который подсчитывает число проезжающих автомобилей, измеряет их среднюю скорость, рассчитывает интенсивность движения на заданном участке, может определять типы транспортных средств, автоматически фиксировать факты ДТП, автомобильных пробок, замедлений движения;
• web-видеокамеры на наиболее напряженных перекрестках, которые непрерывно транслируют информацию о транспортной обстановке в Интернет, и т.д.

Вариант 7. Интеллектуальные сенсоры, автоматически распознающие номера автомобилей, фиксируют и сохраняют распознанный номер и время регистрации в своей базе данных вместе с изображением транспортного средства и кадром с номерным знаком. Формируется база всех транспортных средств, прошедших через зону контроля, с возможностью добавления текстового комментария к каждому распознанному номеру. Такой сенсор может также сравнивать номера автомобилей с перечнем номеров автомобилей, находящихся в розыске. В случае совпадения немедленно включается его видеосъемка и отсылается сообщение в соответствующие органы. По зафиксированным сенсором номерам автомобилей в случае нарушений в базе данных отыскивается адрес владельца. И ему автоматически высылается счет на оплату штрафа.

Вариант 8. "Интеллектуальные транспортные системы" – это системы автоматического регулирования транспортного движения, которые используют данные сенсоров транспортных потоков. Собирая информацию от многих таких сенсоров, они соответствующим образом оптимизируют работу светофоров, сообщают по радио рекомендации водителям о целесообразных в данный период времени маршрутах проезда, направляют регулировщиков в наиболее напряженные участки. На наиболее напряженных перекрестках устанавливают web-видеокамеры, которые непрерывно транслируют информацию о транспортной обстановке в Интернет. Водители получают возможность лично увидеть обстановку на соответствующем перекрестке и своевременно оптимизировать маршрут своего движения. Накапливаемая интеллектуальной транспортной системой статистика помогает объективно определить, куда в первую очередь надо вкладывать средства, выделяемые на совершенствование инфраструктуры дорог.