Doktoraty Wydziału IET

mgr inż. Łukasz Krzak

Promotor: Prof. dr hab. Tadeusz Pisarkiewicz – Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
Dyscyplina: Elektronika

Transport kolejowy jest jedną najbardziej efektywnych i przyjaznych środowisku metod transportu towarów na większe odległości. W ostatnim czasie na świecie podejmuje się wiele badań w celu optymalizacji różnych technicznych, logistycznych i eksploatacyjnych procesów dot. transportu kolejowego, wykorzystując do tego celu bezprzewodowe sieci sensorowe. Takie sieci najczęściej występują w kontekście monitorowania stanu infrastruktury i taboru kolejowego oraz przewożonych towarów, ale bardzo niewiele badań zostało podjętych w celu wykorzystania tego typu rozwiązań w procesie samej lokalizacji wagonów, która to funkcjonalność jest silnie pożądana z punktu widzenia optymalizacji procesów logistycznych. Niniejsza dysertacja bazuje na wynikach projektu POIG.01.04.00-12-077/10-00 pt. „Przeprowadzenie badań nad nowymi produktami w zakresie cyfrowej platformy radiowej” zrealizowanego we współpracy pomiędzy czołowym polskim dostawcą systemów radiokomunikacyjnych dla kolei – firmą Radionika sp. z o.o. oraz Akademią Górniczo-Hutniczą im. Stanisława Staszica w Krakowie. Głównym celem projektu było udoskonalenie referencyjnych urządzeń służących do lokalizacji pojazdów szynowych, opracowanych prze firmę Radionika poprzez wprowadzenie autorskiego niskomocowego interfejsu radiowego. Dzięki umożliwieniu lokalizatorom wymiany informacji w lokalnej sieci bezprzewodowej możliwa stała się znaczna redukcja zużycia energii przeznaczonej na komunikację z nadrzędną infrastrukturą informatyczną (chmurą internetową), poprzez zmniejszenie ilości niezbędnych sesji połączeń do sieci komórkowych wykonywanych za pomocą energochłonnej usługi GSM/GPRS. Połączenia takie wykonywane osobno przez lokalizatory zostały zastąpione przez autorskie rozwiązanie oparte o proces tworzenia lokalnej sieci, prowadzący do wyodrębnienia w tej sieci klastrów urządzeń, w których informacja o członkach klastra jest agregowana i wysyłania do infrastruktury informatycznej tylko przez jeden węzeł – tzw. głowę klastra. W ramach prowadzonych prac opracowano również opatentowany podsystem wybudzania sygnałem radiowym, który pozwala na wprowadzenie do systemu dodatkowych, niskomocowych sensorów, które mogą być ulokowane w różnych miejscach monitorowanego taboru kolejowego i komunikować się asynchronicznie z lokalizatorami. Tego typu czujniki mogą wybudzić lokalizator ze stanu głębokiego uśpienia o bardzo niskim poborze energii i szybko przekazać do systemu informatycznego ważne informacje na temat stanu wagonu lub jego ładunku. Rozwiązania te wprowadzają nową jakość w zasilanych bateryjnie urządzeniach do lokalizacji taboru kolejowego. Równolegle ze szczegółowym opisem opracowanego autorskiego sprzętu i oprogramowania implementującego zaproponowane usprawnienia, w niniejszej dysertacji przedstawiono analizę sieci typu ad-hoc, skupiając się głównie na aspekcie jej efektywności energetycznej. W celu estymacji ilości ładunku pobieranego z baterii opracowano oryginalne narzędzie symulacyjne bazujące na autorskiej warstwie abstrakcji sprzętu oraz symulatorze sieci wyzwalanym zdarzeniami. Dodatkowo, zaproponowany protokół zestawiania sieci i tworzenia klastrów został opisany analitycznym modelem probabilistycznym. Oba te narzędzie zostały następnie wykorzystane w celu wyboru odpowiedniego zestawu parametrów dla opracowanych algorytmów sterujących pracą sieci ad-hoc. Przedstawiono również finalną analizę poboru ładunku z baterii posługując się kilkoma referencyjnymi topologiami sieci, uwzględniając nie tylko typowo spotykany w literaturze łańcuch węzłów, jakim jest skład kolejowy, ale również nie mniej ważną topologię występującą na stacji kolejowej. Zaproponowane rozwiązanie pozwala na zmniejszenie o ponad 90% ilości ładunku pobieranego z baterii przez warstwę komunikacji w lokalizatorze taboru kolejowego, wprowadzając dodatkowo nową funkcjonalność umożliwiającą podłączenie zewnętrznych sensorów zasilanych bateryjnie, wykorzystujących wybudzanie sygnałem radiowym.

Tezy rozprawy

1) Istnieje możliwość wydłużenia czasu pracy zasilanych bateryjnie kolejowych urządzeń lokalizacyjnych, które przesyłają dane przez sieć komórkową, dzięki zastosowaniu niskomocowego interfejsu radiowego, pozwalającego na komunikację w obrębie lokalnej sieci i agregację danych z klastra węzłów sieci w celu minimalizacji ilości niezbędnych komórkowych sesji połączeniowych.

2) Istnieje możliwość wykorzystania narzędzi do symulacji sieci w celu oszacowania spodziewanego czasu pracy na zasilaniu bateryjnym dla urządzeń opisanych w pierwszej tezie, poprzez modelowanie ich zużycia energii i wykorzystanie warstwy abstrakcji sprzętu do emulowania dokładnego zachowania węzłów w wirtualnym środowisku, pozwalając na symulacje wielkoskalowe.

3) Istnieje możliwość integracji w kolejowych urządzeniach lokalizacyjnych układów wybudzania, wykorzystującego ten sam interfejs radiowy opisany w pierwszej tezie w celu umożliwienia asynchronicznej komunikacji z sensorami monitorującymi stan taboru kolejowego i/lub jego ładunku.

Recenzje pracy

prof. dr hab. inż. Ryszard Romaniuk
dr hab. inż. Marek Natkaniec

Ważniejsze publikacje :

• C. Worek, Ł.Krzak, „Method for radio communication and activation of a position locators and the position locator,” P.412566, Zgłoszenie patentowe z dnia 29.05.2015, patent przyznany 14.09.2017
• C.Worek, Ł.Krzak, D.Rzepka, „Cyfrowa platforma komunikacji radiowej dla inteligentnych systemów elektroenergetycznych” Wiadomości Elektrotechniczne, 2010
• D.Rzepka, Ł.Krzak, C.Worek, „Automatyzacja pomiarów pakietowej stopy błędów w cyfrowym torze radiowym,” Pomiary, Automatyka, Kontrola, 2010
• Ł.Krzak, C. Worek, „Increasing performance of integrated sub-GHz IEEE 802.15.4 compatible radio transceivers,” Elektronika, 2014
• C. Worek, Ł.Krzak, D.Nowak, „Digital radio modem operating in a 433 MHz band with an innovative front-end circuit,” Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania, 2014
• Ł.Krzak, „Simulation framework for modelling energy consumption in ultra-low duty cycle mobile ad-hoc networks,” IFAC-PapersOnLine, 2015
• J. Macheta, Ł.Krzak, M.Kubaszek, C.Worek, „Measurement synchronization in a ZigBee network for applications in machine health diagnostics,” Przegląd Telekomunikacyjny, Wiadomości Telekomunikacyjne, 2017