В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Казкеева Алижана Бауржанулы на тему «Разработка программно-аппаратного комплекса на основе сенсоров и веб-ГИС для мониторинга канализационных систем» по образовательной программе «8D07329 – Строительство».
Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Строительство» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - на английском
Официальные рецензенты:
Колпакова Валентина Павловна – д.т.н., доцент, заведующая кафедрой «Центр трансфера компетенций и технологий в области водного хозяйства и водопользования» Восточно-Казахстанского технического университета имени Д. Серикбаева» (г. Усть-Каменогорск, Республика Казахстан);
Халхабай Бостандык – к.т.н., профессор кафедры «Инженерные системы и сети» Казахского национального исследовательского технического университета имени К.И. Сатпаева (г. Алматы, Республика Казахстан).
Временные члены Диссертационного совета:
Eun Chul Shin – PhD, профессор, председатель KOREA Consultant Co., Ltd. (г. Инчеон, Южная Корея);
Оспанов Кайрат Тулегенович – к.т.н., профессор кафедры «Гидрогеология, инженерная и нефтегазовая геология» Казахского национального исследовательского технического университета имени К.И. Сатпаева (г. Алматы, Республика Казахстан);
Молдамуратов Жангазы Нуржанович – PhD, ассоциированный профессор, проректор по Науке и инновациям Международной образовательной корпорации (г. Алматы, Республика Казахстан).
Научные консультанты:
Утепов Елбек Бахитович – PhD, профессор кафедры «Строительство» ЕНУ имени Л.Н. Гумилева (г. Астана, Республика Казахстан);
Анискин Алексей – к.т.н., Ассоциированный профессор кафедры «Строительство» Университета Север (г. Вараждин, Республика Хорватия).
Защита состоится: 22 мая 2025 года 11:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D073 – Архитектура и строительство» по образовательной программе «8D07329 – Строительство» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Заседание диссертационного совета пройдет в смешанном формате (онлайн, оффлайн).
Ссылка: https://clck.ru/3LTX5T
Адрес: г. Астана, ул. К. Сатпаева, 2, Учебно-административный корпус, аудитория №302.
Аннотация (рус.): Цель диссертационного исследования: Разработать и внедрить программно-аппаратный комплекс на основе сенсоров и веб-ГИС для мониторинга канализационной сети в режиме реального времени с целью обнаружения переливов, засоров и несанкционированного снятия крышек колодцев. Задачи исследования: 1) Анализ текущего состояния и проблем канализационных сетей; 2) Разработка архитектуры системы, сочетающей IoT- аппаратуру и веб-ГИС для визуализации данных; 3) Изготовление аппаратуры и разработка прошивки; 4) Тестирование производительности, выбор и анализ точности сенсоров; 5) Разработка веб-ГИС, алгоритмов, проведение симуляций; 6) Стендовые испытания аппаратуры и оценка ее производительности; 7) Оценка материальных затрат и экономической эффективности. Методы исследования: В исследовании использовался разносторонний подход. Так, для анализа текущего состояния, выявления проблем и оценки потенциальных решений использовались следующие методы: запросы, полевые обследования, поиск и обзор патентов, диссертаций и статей. Для разработки системной архитектуры предлагаемого решения использовались следующие методы: пользовательские истории, сбор требований, компоненты Arduino, фреймворки, API и базы данных. Для изготовления устройств использовались проектирование, изготовление печатных плат, сборка и программирование. Имитация, серийные измерения и статистический анализ использовались для тестирования производительности и выбора наилучшей комбинации сенсоров. Программирование, составление блок-схем и моделирование различных условий были использованы для разработки веб-ГИС. Стендовые испытания включали в себя физическое моделирование, проведение измерений, наблюдений и анализ. При оценке стоимости и экономической эффективности использовались валютные курсы и стандарты оценки. Основные положения (доказанные научные гипотезы и другие выводы, являющиеся новыми знаниями), выносимые на защиту: 1. Предложена система мониторинга канализации в режиме реального времени, объединяющая беспроводные сенсорные устройства (БСУ) на базе IoT, станцию сбора данных (ССД) и веб-ГИС для решения проблем засорения канализационных труб, переполнения колодцев и кражи крышек люков. Модульная архитектура системы обеспечивает одновременный сбор данных, интерактивную визуализацию и автоматическое оповещение, предлагая комплексное и масштабируемое решение критических проблем канализационной инфраструктуры. Система была проверена в ходе стендовых испытаний, продемонстрировавших ее пригодность для использования в реальных условиях. Стоимость системы составляет 170 долларов США, с возможностью снижения стоимости в 1,5 раза. 2. Испытания различных комбинаций сенсоров показали, что лидарный сенсор TF Luna Benewake и лазерный сенсор TOF400 VL53L1X наиболее подходят для мониторинга уровня сточных вод в колодцах и наличия крышек колодцев, реагируя на переполнение колодцев и кражи крышек. TF Luna Benewake обеспечил точность измерения расстояния ±10 см до 8-10 м, а TOF400 VL53L1X продемонстрировал точность ±5 см до 2 м. Эти результаты хорошо согласуются с типичными размерами стандартных канализационных колодцев и обеспечивают точное обнаружение в различных условиях окружающей среды. 3. В качестве внешнего модуля для обнаружения засоров в канализационных трубах предложено использовать инфракрасный датчик YL-63, герметично упакованный в прозрачный контейнер с расположенными друг против друга излучателем и фотоприемником. В ходе испытаний модуль продемонстрировал надежное обнаружение препятствий, а калибровка его измерений по мутности сточных вод по шкале Формазина (40-4000 FAU) может позволить проводить точный мониторинг уровня заиления. Компактный размер печатной платы YL-63 обеспечивает гладкую конструкцию модуля, исключая риск застревания на ней мусора. 4. Предложена веб-ГИС-платформа с интегрированными алгоритмами обнаружения для мониторинга и визуализации состояния канализации в режиме реального времени. Платформа сочетает в себе интерактивное картографирование с помощью OpenLayers API, управление данными с помощью MariaDB и собственные алгоритмы для обнаружения переливов, состояния крышки люка и засоров труб. Генерируя автоматические предупреждения и визуальные индикаторы критических состояний канализации, веб-ГИС облегчает принятие проактивных решений и повышает эффективность эксплуатации. Описание основных результатов исследования: Теоретическая значимость диссертации заключается в восполнении пробела в существующих исследованиях, в которых отсутствуют знания об эффективной интеграции IoT и ГИС для решения актуальных проблем канализационной инфраструктуры. Предложенная конструкция представляет инновационные комбинации сенсорных технологий и коммуникационных протоколов для мониторинга в режиме реального времени, предлагая взгляды на оптимизацию коммунальных услуг и устойчивость инфраструктуры. Данное исследование расширяет существующие знания о практической интеграции аппаратного и программного обеспечения для мониторинга окружающей среды, решая задачи, характерные для городских канализационных систем. Разработанная система мониторинга предоставляет практическую пользу городским властям, предоставляя данные о состоянии канализации в режиме реального времени, обеспечивая проактивное обслуживание и быстрое реагирование на инциденты. Веб-ГИС-интерфейс позволяет визуализировать состояние канализационной сети, генерировать автоматические оповещения и улучшать процессы принятия решений. Предотвращая переливы и кражи, система снижает затраты на ремонт, уменьшает экологические риски и повышает общественную безопасность. Кроме того, модульная конструкция и экономически эффективная стратегия внедрения делают систему пригодной для развертывания в других регионах, сталкивающихся с аналогичными проблемами. Обоснование новизны и важности полученных результатов: Новизна диссертации заключается в том, что впервые в Казахстане предложена беспроводная система мониторинга, позволяющая своевременно обнаруживать и интерактивно отображать сценарии засорения канализационных трубопроводов, переполнения колодцев, отсутствия их люков в режиме реального времени, отличающаяся от зарубежных аналогов многофункциональностью и дальностью действия до нескольких километров за счет использования LiDAR, лазерных и инфракрасных датчиков совместно с технологиями LoRa и ГИС. Соответствие направлениям развития науки или государственным программам: Диссертационное исследование соответствует Государственной бюджетной программе № 217 «Развитие науки», в рамках которой оно финансировалось Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан (грант № АР09057970), внося значительный вклад в строительную отрасль и науку, и в частности, в дальнейшее развитие систем канализации. Описание вклада соискателя в подготовку каждой публикации: Соискатель внес значительный вклад в подготовку каждой публикации. Результаты диссертации были опубликованы в отечественных и международных рецензируемых журналах, материалах конференций и патенте, а именно: 1. Advancing sanitary surveillance: Innovating a live-feed sewer monitoring framework for effective water level and chamber cover detections // Heliyon. ‒ 2024. ‒ Vol. 10, No6. ‒ P. e27395. (CiteScore: 4.5; Percentile: 82%; IF: 3.4; Q1). 2. Prototyping an integrated IoT-based real-time sewer monitoring system using low-power sensors // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. ‒ 2023. ‒ Vol. 3, No. 5 (123). ‒ P. 6-23 (CiteScore: 2.0; Percentile: 46%). 3. Development of a sewer monitoring system using ultrasonic and infrared sensors // Bulletin of Almaty University of Power Engineering and Telecommunications. ‒ 2022. ‒ Vol. 56, No. 1. ‒ P. 58–68. (Рекомендовано КОКСНВО МНВО РК). 4. Rehabilitation of lengthy sewer pipelines by polymer-composite CIPP / Y. Zhumagaliyev, A. Mukhamejanova, A. Yeleussinova, D. Bakirova, A. Baketova, A. Kazkeyev, T. Muzdybayeva // Technobius. — 2025. — Vol. 5, No. 1. — P. 0072. (Рекомендовано КОКСНВО МНВО РК). 5. Development of a prototype system for automatic monitoring of the condition of sewer wells and manholes based on sensors and GIS // Proceedings of the XIV International scientific conference: Vol. 1. ‒ Penza, Russia: ICSU Science and Education, 2024. ‒ P. 51-57. 6. Bench testing of a prototype system for automatic condition monitoring of sewer manholes and manholes based on sensors and GIS // Proceedings of the IV International Scientific and Practical Conference. ‒ Penza, 2024. ‒ P. 38–43. 7. Hardware-software complex of integrated automatic early warning system of sewer overflow, clogging and vandalism: patent No. 7576; publ. 2023. ‒ 4 p. 8. A multi-criteria analysis of sewer monitoring methods for locating pipe blockages and manhole overflows // Technobius. ‒ 2021. ‒ Vol. 1, No. 4. ‒ P. 0006.
Отзыв зарубежного консультанта
Заключение комиссии по этической оценке исследований
Решение диссертационного совета
Защита диссертации: https://www.youtube.com/watch?v=1bWzjkvwzjc
