автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Анализ и обработка экспертной информации по идентификационным характеристикам состава нефтепродуктов методом распознавания образов

На правах рукописи

Егориков Павел Николаевич

АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ИДЕНТИФИКАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ СОСТАВА НЕФТЕПРОДУКТОВ МЕТОДОМ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ

05.13.01 — системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2013

005531992

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Шарапов Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: Успенская Майя Валерьевна, доктор технических

наук, доцент, ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра информационных технологий топливно-энергетического комплекса,

заведующий

Вакуленко Сергей Васильевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России, кафедра общетехнических и специальных дисциплин, доцент

Ведущая организация ФГБОУ ВПО Воронежский институт

Государственной противопожарной службы МЧС России

Защита состоится 27 июня 2013 г. в 12:00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д205.003.04 при Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России по адресу (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

Автореферат разослан » мая 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 205.003.04 кандидат военных наук, доцент

В.В. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современное развитие промышленности невозможно без использования нефти и нефтепродуктов. Высокая концентрация технологических процессов и оборудования на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях, наличие сложной трубопроводной транспортной инфраструктуры, большие запасы топлива и нефтяного сырья, необходимые для бесперебойного функционирования промышленных предприятий, создают потенциальную угрозу возникновения чрезвычайных ситуаций.

Нефтегазовая промышленность России является одним из важнейших экономическим фундаментов государства — это около 40% валового внутреннего продукта и 42% бюджета. Нефть является основным экспортируемым товаром, на которую приходится большая часть валютных поступлений - 80%. В России создана уникальная транспортная система нефти и газа, протяженностью в 250 тыс. км. И хотя в России и используются в основном заводы первичной переработки нефти, в числе которых 27 крупных комбинатов, их общая мощность составляет 6,4 миллиона бар/день.

Такая сложная инфраструктура не в состоянии функционировать без риска возникновения чрезвычайных ситуаций связанных с аварийным разливом нефтепродуктов и возможными пожарами. Анализ этих чрезвычайных ситуаций требует комплексного использования всех имеющихся на вооружении специалистов методов и технических устройств, а также постоянную разработку новых методов, осуществление которой невозможно без привлечения научных исследований. Производство криминалистической экспертизы материалов, веществ, изделий в особенности таких сложных по составу и разнообразию, как нефтепродукты, является важным этапом сложного, многоступенчатого процесса раскрытия и расследования преступления, в частности, пожаров и поджогов, фальсификации нефтепродуктов, загрязнения окружающей среды, дорожно-транспортных происшествий. Одной из важнейших задач, решаемых при этом, является идентификация нефтепродуктов с целью установления

индивидуально определенного источника их происхождения. Изучение материальной обстановки на месте происшествия неизбежно включает действия конкретного лица — эксперта. Проводимое экспертом исследование является сложным творческим процессом, в котором не последнюю роль играет умение эксперта, освоение им современных эффективных методов исследования. При этом обоснованность и достоверность делаемых экспертами выводов не всегда поддается проверке, поскольку основывается, в том числе и на эвристических методах. В то же время объем информации, которой располагает эксперт, вынужденный сделать свои выводы в условиях неопределенности, постоянно увеличивается именно в силу развития новых научных методов и технологий. Постановка экспертных задач и их решение при идентификации нефтепродуктов в настоящее время в научных разработках чаще всего ограничивается описанием конкретных методик. Между тем решить эти задачи невозможно без комплексного исследования с применением методов системного анализа.

Все это делает актуальной научную задачу совершенствование методики получения экспертной информации при идентификации нефтепродуктов с использованием теории распознавания образов.

Целью диссертационной работы является повышения эффективности обработки информации по составу нефтепродуктов при выявлении причин чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах.

Объект исследования - экспертная информация о составе нефтепродуктов, служащих потенциальным источником возникновения чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах.

Предмет исследования - способы, методы и алгоритмы получения и обработки информации по идентификационным признакам состава нефтепродуктов.

Задачи исследования:

1. Провести оценку экспертной значимости результатов инструментальных исследований нефтепродуктов в судебной экспертизе и выработать основные требования к методикам их изучения.

2. Разработать методику обработки спектральных и хроматографических данных методом зонального кодирования с использованием теории распознавания образов.

3. Разработать структурно-функциональную модель организации процесса получения и обработки информации, позволяющую ставить и решать задачи системного анализа при идентификации нефтепродуктов.

Методы исследования. При разработке основных положений диссертационной работы использовались методы системного анализа, экспертного оценивания, кодирования графической информации, распознавания образов, регрессионного анализа, математической статистики.

Научная новизна:

1. Впервые с использованием метода экспертного оценивания установлена экспертная значимость результатов исследования нефтепродуктов в судебной экспертизе и разработаны основные требования к методикам их изучения.

2. Разработана методика обработки спектральных и хроматографических данных методом зонального кодирования с использованием теории распознавания образов.

3. Предложена структурно-функциональная модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов.

Практическая значимость. Внедрение структурно-функциональной модели организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов повышает качество и эффективность проведения судебных экспертиз.

Результаты работы используются в экспертных органах МЧС России для повышения эффективности и достоверности проведения судебных экспертиз.

Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по дисциплине «Пожарно-техническая экспертиза» на кафедре криминалистики и инженерно-технических экспертиз.

Достоверность научных положений и выводов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием современных методов системного анализа, математической статистики, обработкой результатов экспериментальных исследований с использованием компьютерной техники и современного пакета прикладных программ.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

1. Основные требования к методикам изучения нефтепродуктов и комплекс методов их исследования, позволяющие решать задачи системного анализа при идентификации нефтепродуктов.

2. Методика обработки спектральных и хроматографических данных методом зонального кодирования с использованием теории распознавания образов.

3. Модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов.

Апробация работы. Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на научно-практических конференциях: Международная научно-практическая конференция «Совершенствование работы в области обеспечения безопасности людей на водных объектах при проведении аварийных поисково-спасательных работ». Вытегра: УСЦ «Вытегра» МЧС России. 2012; Совершенствование деятельности по расследованию преступлений: уголовно-правовые, уголовно-процессуальные и криминалистические аспекты. Материалы Всероссийской межведомственной научно-практической конференции. Псков: Псков, юрид. ин-т ФСИН России. -2013.

Реализация н внедрение результатов работы.

Результаты диссертации внедрены в деятельность ФБГУ СЭУ ФПС ИПЛ по Санкт-Петербургу и в учебный процесс кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы (111 наименований). Общий объем работы составляет 142 страницы печатного текста, содержит 57 рисунков, 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются выбор темы диссертации, её актуальность, цели, задачи, объект и предмет исследования, методы исследования, научная новизна и положения, выносимые на защиту, а также приводятся сведения об апробации и реализации результатов диссертационного исследования.

В первой главе «Состояние комплексной проблемы решения идентификационных задач в рамках деятельности судебно экспертных органов ГПН МЧС России» рассматривается постановка общей задачи идентификационных исследований в судебной экспертизе. Для создания реальных предпосылок раскрытия и расследования преступлений требуется применение методов системного анализа, подразумевающих комплексное изучение материальной обстановки по делу. Одной из основных задач судебно-экспертного исследования является идентификация объектов. Свойства объекта экспертизы выражаются в признаках, каждый из которых можно рассматривать как информационный сигнал. При этом важно сознавать, что признак — неоднозначная, способная изменяться величина. Идентификационные признаки характеризуют объект определенным образом и используются в целях идентификации. Комплекс идентификационных признаков составляет информационное идентификационное поле. Для принятия решения необходимо преобразовать содержание информации. На основании собранной информации создаются модели развития ситуаций в зависимости от процесса их проявления.

Идентификационная значимость напрямую связана с вероятностью появления какого-либо признака объекта материального мира. Чем меньше вероятность встречаемости признака, тем выше его идентификационная значимость. Без принятия уровня доверительной вероятности сама возможность решения задач идентификации применительно к отдельно обособленным объемам нефтепродуктов или нефтяным загрязнения,

обнаруживаемым в так или иначе измененном виде на объектах окружающей обстановки должна быть признана невыполнимой.

Установление идентичности двух или более образцов нефтепродуктов может быть осуществлено только путем математической (статистически-вероятностной) обработки полученной информации с применением многофакторного, корреляционного и других вариантов многомерных статистических методов обработки измерительной информации, а также применения подходов, основанных на методе распознавания образов. Распознавание образов — это отнесение исходных данных к определенному классу с помощью выделения существенных признаков, характеризующих эти данные, из общей массы несущественных данных. Образ - классификационная группировка, выделяющая определенную группу объектов по некоторому признаку. Наиболее часто в задачах распознавания образов рассматриваются монохромные изображения, что дает возможность рассматривать изображение как функцию на плоскости. К типу плоскостных монохромных изображений относятся графические изображения спектров, хроматограмм, при этом данные в системе распознавания образов описывают реальные объекты.

В главе проведен подробный анализ существующих методов исследования нефтепродуктов. Многообразие используемых методов ставит перед исследователем сложную задачу выбора их рационального комплекса для решения конкретных задач. Данная задача, как это часто возникает при исследовании сложных систем, по различным причинам не может быть строго поставлена и решена с применением разработанного в настоящее время математического аппарата. В этих случаях прибегают к услугам экспертов (системных аналитиков), чей опыт и интуиция помогают уменьшить сложность проблемы.

Вторая глава «Декомпозиция общей задачи идентификации нефтепродуктов в комплекс локальных задач» начинается с постановки задачи идентификации нефтепродуктов на содержательном уровне (рис. 1). В основе криминалистического материаловедения лежат, в основном, данные, получаемые экспериментальным путем. Важным гносеологическим

принципом экспертно-криминалистических исследований выступает принцип двойственности свойства-признака.

признак проявление свойства свойства выражаются в признаках

Рисунок I - Двойственность системы свойств - признаков

Элементы обстановки на месте ЧС (ЭВО) имеют абстрактную структуру (рис. 2), представляемую в виде иерархической системы признаков тех предметов, явлений, процессов и т.п., которые информативны с точки зрения решения задач розыска и расследования.

Рисунок 2 — Иерархическая система признаков предметов, явлений, процессов и т.п. на месте ЧС.

Декомпозиция при изучении элементов обстановки на месте происшествия позволяет заменить решение целостной задачи решением серии локальных задач, обязательно взаимосвязанных предметом исследования, т.е. нефтепродуктами.

На этапе анализа происходит накопление первичного «массива» данных, которые в большинстве физико-химических методов исследования нефтепродуктов выражается в виде графического изображения. Среди этих данных уже можно вести поиск идентификационных признаков. На этапе синтеза выделенные при анализе идентификационные признаки сличаются с аналогичными признаками образцов сравнения. Каждая группа однородных по своей природе свойств образует информационное поле. Система взаимосвязанных информационных полей образует информационное пространство, с определенной степенью вероятности характеризующее объект исследования. Затем происходит объединение взаимосвязанных информационных полей в единое информационное пространство, как это показано на рисунке 3.

Важной процедурой на этапе анализа является формализация графических аналитических данных, то есть разбиение их на элементарные составляющие (сегменты). Совокупность выбранных сегментов представляет собой своеобразный код аналитической информации. Затем по построенным кодам методом регрессионного анализа осуществляется его визуализация, то есть создается некий первоначальный образ нефтепродукта в виде аппроксимирующей функции. Путем наложения аппроксимирующих функций (новых упрощенных графических образов) проводится визуальная идентификация нефтепродукта по признакам похожести или по шкале интервалов (шкале разностей).

Нефтепродукт

Выбор методо в идентификации

"V

1г

Информационное

поле, сформированное методом 1

Информационное поле, сформированное методом 2

Информационное

поле, сформированное методом 3

Единое информационное пространство

ИДЕНТИФИКАЦИЯ НЕФТЕПРОДУКТА В ЦЕЛОМ

Рисунок 3 - Этапы идентификации нефтепродуктов на месте ЧС.

В целях декомпозиции аналитических признаков, отображающих свойства нефтепродуктов, в работе было проведено установление значимости методов физико-химического исследования нефтепродуктов и выбор на этой основе рационального комплекса. Выбор был проведен методов путем экспертного оценивания по методу Дельфи (рис.4). В результате установлено, что диагностические признаки нефтепродуктов наилучшим образом могут быть установлены методами инфракрасной спектроскопии, молекулярной люминесценции и газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором, при этом метод ГЖХ с ПИД может быть также в некоторых случаях использован для идентификации нефтепродуктов.

модератор ^

Формирование группы экспертов

Вариан ы отве )в на поставленный вопрос (в сленном виде)

Самооценка экспертов

модератор

модератор

Численная оценка по вопросу голосования

Статистическая обработка и анализ результатов Среднее значение Средневзвешенная оценка Медиана

Доверительный интервал

т

Переформулирование вопросов для уточнения точек зрения

©00©

©

модератор

Синтез информации и выработка рекомендаций

Рисунок 4 - Экспертная оценка способов идентификации нефтепродуктов по методу Дельфи.

В работе сформулированы основные требования к комплексу методик изучения микроколичеств нефтепродуктов.

1. Основой методологии исследования должен быть системный подход, подразумевающий совокупное рассмотрение объекта носителя и занесенных извне следов горючей.

2. Оценка достоверности полученных результатов должна быть подтверждена вероятностно-статистическими методами.

3. Лишь комплексное сочетание или система аналитических методов исследования позволяет успешно решать экспертные задачи.

4. По принципу экономической целесообразности разработка новых методов должна быть ориентирована не только на увеличение чувствительности, селективности и информативности, но и на повышение экспрессности и доступности.

5. Сочетание массовости с высокой информативностью могут обеспечить только компьютерно-аналитические комплексы, базирующиеся на использовании ПЭВМ со специально разработанным программным обеспечением.

В третьей главе «Анализ, преобразование и формализация информации об индивидуальных характеристиках нефтепродуктов» проведен анализ графических образов нефтепродуктов выбранным комплексом физико-химических методов. Показано, что инфракрасные спектры и спектры люминесценции таких сложных смесей, какими являются нефти и нефтепродукты представляют собой графические образы, в которых отдельные структурные единицы (максимумы поглощения, максимумы люминесценции) не могут быть выделены в полностью разрешенном виде. Метод газожидкостной хроматографии позволяет получать хорошо разрешенные графические образы, где каждому компоненту смеси отвечает индивидуальный пик на хроматограмме. С целью преобразования суммарных ИК-спектров и спектров люминесценции для выделения отдельных структурных единиц в разрешенной форме использован метод нелинейной аппроксимации функциями Лоренца. Аппроксимация функцией Лоренца позволяет обрабатывать сложные спектры, состоящие из нескольких

перекрывающихся пиков различной формы и интенсивности. Функция Лоренца имеет вид:

У = У о +"

(1)

7Г 4(х-хс)2+о)2

у0 - смещение.

хс-длина волны (частота, волновое число) спектрального максимума, ш — полуширина спектрального максимума, нм;

А - интегральная интенсивность спектрального максимума (площадь,

ограниченная спектрально кривой).

Разница между значением функции в точке максимума и смещением образует высоту спектрального максимума:

Н = у-у„ (2)

В точке спектрального максимума при х = хс интегральная интенсивность равна:

А =:

(3)

Например, на спектре люминесценции бензина АИ-92 ПТК удалось получить разрешение практически неразделимого максимума у длины волны 375 нм на два максимума 365 и 385 нм (рис.5).

сё 0,08 ш

о 0,07

0,06 0,05 -0,04 0,03 0,02 0.01 0,00 --0,01

максимум 3

максимум 4

280 300 320 340 ЗВО 380 400 420 440 460 480 500

(длина волны, нм)

Рисунок 5 - Аппроксимация функцией Лоренца спектра люминесценции микроколичеств бензина АИ-92 ПТК

На рисунке 6 показано разрешение взаимно перекрывающихся полос поглощения в ИК-спектре застарелого нефтяного загрязнения.

Рисунок 6 - Аппроксимация функцией Лоренца ИК-спектра застарелого нефтяного загрязнения в диапазоне 900 - 1900 см"1.

На основании рассмотренного метода обработки спектров были установлены характеристические параметры спектров люминесценции и ИК-спектров, позволившие разработать частные идентификационные признаки нефтепродуктов. С использованием реализованного методического подхода инфракрасные спектры нефтепродуктов закодированы в координатах: длина волны максимума поглощения - интегральная интенсивность люминесценции.

Сравнение точечных кодов ИК-спектров нефтепродуктов показывает, в основном их количественное различие. Качественные характеристики изученных нефтепродуктов заметно не различаются между собой (рис. 7).

А

70 60 50 40 30 20

..•••" .х '••• ы масло

..И ...•- ...............

........ ............ ...... ••. диз.топл.

Ю 1 41 .ж■■"'" ........................"'4 керосин

•••••■..........-а-"'.'.'- бензин

""¡а"-......

0 Н-1-1-1-1-!-1

2850 2870 2890 2910 2930 2950 297(У см-1

Рисунок 7 -. Кодировка ИК-спектров светлых нефтепродуктов в области валентных колебаний С-Н связей в координатах волновое число (у) -интегральная интенсивность полосы поглощения (А)

Точечные коды спектров люминесценции изученных нефтепродуктов, в координатах: длина волны максимума люминесценции (к) - интегральная интенсивность люминесценции (А) позволяют выявить их существенные качественные различия (рис. 8) и достаточно уверенно диагностировать автомобильные бензины, дизельные топлива, автомобильные масла и технические жидкости.

Рисунок 8 -. Кодировка спектров люминесценции в координатах: длина волны максимума люминесценции - интегральная интенсивность

люминесценции (А) для различных моторных топлив

Таким образом, системный подход к проблеме идентификации реализуется путем формализации спектра, то есть разбиения его на элементарные составляющие (сегменты). Это наиболее ответственная процедура, требующая глубокого теоретического обоснования. Формализация базируется не на максимальном числе всех возможных переборов, а основываться на системе, имеющей конечное число признаков. Используемые в настоящей работе три аналитических метода получения идентификационных характеристик нефтепродуктов различаются уровнем определенности семантических данных, принадлежащих единичным знакам кодовых систем.

Так, газохроматографический анализ дает хорошо разрешенные графические образы, каждому элементу которых, представленному пиком на хроматограмме, соответствует строго определенная информация о содержании индивидуального компонента в пробе. С другой стороны, большое количество индивидуальных единичных знаков в кодовой системе

хроматограммы, которое составляет обычно не менее 30-40 пиков, соответствующих индивидуальным компонентам, требует сужения объема их генеральной совокупности. Такое сужение может быть проведено путем замены единичных знаков их соотношениями. Для интерпретации результатов газохроматографического анализа использованы соотношения в распределении метановых углеводородов нормального и изопреноидного строения. Математическое описание графических образов нефтепродуктов, полученных данным методом, сводится к регрессионной зависимости общего распределения метановых углеводородов и трем коэффициентам, отражающим их индивидуальный состав.

Метод инфракрасной спектроскопии (ИКС) дает, по сравнению с газохроматографическим анализом меньшую определенность семантической информации. Полосы поглощения отдельных молекулярных структур отражают групповой функциональный состав исследуемых нефтепродуктов, а схожесть функциональных составов большинства нефтепродуктов предопределяет совпадение их спектров. Однако, сложность состава нефтепродуктов обуславливает низкую степень разрешения отдельных полос в спектре, что делает визуальное сличение спектров весьма сложной процедурой. Уверенно установить степень сходства-различия различных нефтепродуктов по их ИК-спектрам возможно только после аппроксимации спектров.

Например, визуальное изучение плохо разрешенного спектра застарелого нефтяного загрязнения (рис. 9) не допускает его идентификации. После аппроксимации функцией Лоренца выявляются полосы поглощения, которые по волновым числам совпадают с полосами поглощения сырой нефти в диапазоне 2800 - 3000 см"1 и отвечающие валентным колебаниям С-Н связей (рис. 10).. В то же время в спектре застарелого загрязнения появляются полосы поглощения в диапазоне 3000 - 3600 см"1, отвечающие ароматическим и окисленным структурам.

Рисунок 9-, Аппроксимация функцией Лоренца ИК-спектра микроколичеств сырой нефти о

волновое число, см-1

Рисунок 10 - Аппроксимация функцией Лоренца ИК-спектра застарелого нефтяного загрязнения в диапазоне 2700 - 3600 см"1.

В четвертой главе «Результативность практического использования методики анализа и обработки экспертной информации при идентификации нефтепродуктов» приведена разработанная структурно-функциональная модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов.

Центральной проблемой системного анализа является проблема принятия решений. Выбор приходится осуществлять в условиях неопределённости, которая обусловлена наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке. Неопределенность в изучаемой области обусловлена сложностью состава нефтепродуктов, воздействием случайных факторов в ходе динамического развития системы, микроколичествами имеющихся образцов и прочими условиями.

В настоящей работе для диагностики и идентификации образцов нефтей предлагается набор критериев, в основе которых лежат параметры группового, индивидуального и функционального состава нефтей полученные методами газо-жидкостной хроматографии, инфракрасной спектроскопии, молекулярной люминесценции.

Для принятия решения необходимо преобразовать содержание информации. Эта задача является главной в системе управления. Она выражается в преобразовании содержания информации о состоянии объекта управления и внешней среды в управляющую информацию.

На рисунке 11 показана структурно-функциональная модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов.

Рисунок 11 - Модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов

Основные выводы по работе сводятся к следующему:

1. Впервые с использованием метода экспертного оценивания установлена экспертная значимость результатов исследования нефтепродуктов в судебной экспертизе и разработаны основные требования к методикам их изучения. Наилучшим методом для скрининговой диагностики признается метод полевой спектролюминесценции. Хорошие результаты для этих целей может также дать газовая съемка. Диагностические признаки наилучшим образом могут быть установлены методами инфракрасной спектроскопии, молекулярной люминесценции и газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектором. Метод ГЖХ с ПИД может быть также в некоторых случаях использован для идентификации нефтепродуктов.

2. Разработана методика обработки спектральных и хроматографических данных методом зонального кодирования с использованием теории распознавания образов. Для обработки ИК-спектров используются волновые числа характеристических полос поглощения. Для интерпретации хроматограмм использованы времена удерживания метановых углеводородов. Для формализации спектров люминесценции теоретически использованы длины волн, отвечающие различным типам ароматических структур.

3. Предложена структурно-функциональная модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов.

Список опубликованных работ по теме диссертации

Статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Егориков П.Н. Установление индивидуальных характеристик состава нефтепродуктов методами системного анализа / Егориков П.Н., Бельшина Ю.Н., Шарапов C.B., Архипов М.И. // Проблемы управления риском в техносфере. - 2013 г. - № 1(25). -1,2/0,4 п.л.

2. Егориков П.Н. Методическая система криминалистического исследования нефтепродуктов в судебной экспертизе / Егориков П.Н., Решетов A.A., Галишев М.А. // Научный интернет журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», vestnik.igps.ru — 2013. - № 1. - 1,2/0,4 п.л.

Статьи в иных научных изданиях:

3. Егориков П.Н. Анализ выводов пожарно-технической экспертизы автотранспортных средств стохастическими методами / Абразумов О.В., Галишев М.А., Моторыгин Ю.Д., Егориков П. Н. // «Право. Безопасность. Чрезвычайные ситуации» научно - аналитический журнал СПб Университет ГПС МЧС России. - 2009 г. - № 4(5).- 0,2/0,04 п.л.

4. Егориков П.Н. Проблемы загрязнения и очистки акваторий от нефти и нефтепродуктов / Джиошвили O.A., Егориков П.Н. // Международная научно-практическая конференция «Совершенствование работы в области обеспечения безопасности людей на водных объектах при проведении аварийных поисково-спасательных работ». Вытегра: УСЦ «Вытегра» МЧС России. 2012 г. - 0,2/0,04 п.л. ,

5. Егориков П.Н. Решение задач обнаружения, диагностики и идентификации нефтепродуктов в природной среде / Арапханов С.М., Егориков П.Н., Решетов A.A. // Сборник трудов докторантов, аспирантов и соискателей. СПб., СПб университета ГПС МЧС России. 2012 0,4/0,08 п.л.

6. Егориков П.Н. Криминалистическая идентификация нефтепродуктов путем распознавания образов методом зонального кодирования / Архипов М.И, Егориков П.Н. // Совершенствование деятельности по расследованию преступлений: уголовно-правовые, уголовно-процессуальные и криминалистические аспекты. Всероссийская межведомственная научно-практическая конференция. Псков: Псковский юридический институт ФСИН России. - 2013 г. - 0,4/0,08 п.л.

7. Егориков П.Н. Сравнительный анализ методов исследования следов нефтепродуктов при проведении пожарно-технических экспертиз и мониторинге чрезвычайных ситуаций / Егориков П.Н., Рубилов С.Н., Шарапов C.B. // Надзорная деятельности и судебная экспертиза в системе безопасности. 2013 г. - № 2. - 0,5/0,1 п.л.

Подписано в печать 23.05.2013 г. Формат 60x84 1/16

Печать цифровая. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149

04201360008

Нгишавах рукописи

Егориков Павел Николаевич

АНАЛИЗ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПО ИДЕНТИФИКАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ СОСТАВА НЕФТЕПРОДУКТОВ МЕТОДОМ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ

05.13.01 — системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель

доктор технических наук, профессор,

Шарапов Сергей Владимирович

Санкт-Петербург 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

Глава 1. СОСТОЯНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОБЛЕМЫ РЕШЕНИЯ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ ЗАДАЧ В РАМКАХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СУДЕБНО ЭКСПЕРТНЫХ ОРГАНОВ ГПН МЧС РОССИИ 8

1.1. Постановка общей задачи идентификационных исследований в судебной экспертизе 8

1.2. Идентификация материальных объектов методом распознавания образов 19

1.3. Методы физико-химического исследования нефтепродуктов 29

1.4. Процедура оценки проблемы на основе мнения экспертов 39 Глава 2. ДЕКОМПОЗИЦИЯ ОБЩЕЙ ЗАДАЧИ ИДЕНТИФИКАЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ В КОМПЛЕКС ЛОКАЛЬНЫХ ЗАДАЧ 47

1.1. Постановка задачи идентификации нефтепродуктов на содержательном уровне 47

1.2. Установление значимости результатов физико-химического исследования нефтепродуктов путем экспертного оценивания 53

1.3. Получение графических образов нефтепродуктов комплексом физико-химических методов 65 Глава 3. АНАЛИЗ, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ ОБ ИНДИВИДАУЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ НЕФТЕПРОДУКТОВ 79

1.1. Аппроксимация инфракрасных спектров и спектров люминесценции нефтепродуктов нелинейными функциями 79

1.2. Выбор логически определенных составляющих элементов графических образов нефтепродуктов методом зонального кодирования 94 Глава 4. РЕЗУЛЬТАТИВНОСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДИКИ АНАЛИЗА И ОБРАБОТКИ ЭКСПЕРТНОЙ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ИДЕНТИФИКАЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ 116

1.1. Синтез аналитической информации об идентификационных характеристиках нефтепродуктов 116

1.2. Структурно-функциональная модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов 120

1.3. Примеры использования метода идентификации нефтепродуктов в экспертных исследованиях 124 ВЫВОДЫ 131 ЛИТЕРАТУРА 133

ВВЕДЕНИЕ

Современное развитие промышленности невозможно без использования нефти и нефтепродуктов. Высокая концентрация технологических процессов и оборудования на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях, наличие сложной трубопроводной транспортной инфраструктуры, большие запасы топлива и нефтяного сырья, необходимые для бесперебойного функционирования промышленных предприятий, создают потенциальную угрозу возникновения чрезвычайных ситуаций.

Нефтегазовая промышленность России является одним из важнейших экономическим фундаментов государства - это около 40% валового внутреннего продукта и 42% бюджета. Нефть является основным экспортируемым товаром, на которую приходится большая часть валютных поступлений- 80%. В России создана уникальная транспортная система нефти и газа, протяженностью в 250 тыс. км. И хотя в России и используются в основном заводы первичной переработки нефти, их общее количество составляет 27 единиц, общей мощностью 6,4 миллиона бар/день.

Такая сложная инфраструктура не в состоянии функционировать без риска возникновения чрезвычайных ситуаций связанных с аварийным разливом нефтепродуктов и возможными пожарами. Анализ этих чрезвычайных ситуаций требует комплексного использования всех имеющихся на вооружении специалистов методов и технических устройств, а также постоянную разработку новых методов, осуществление которой невозможно без привлечения научных исследований.

Находящиеся на промышленных объектах горючие жидкости, в частности нефть и нефтепродукты могут выступать в качестве инициаторов горения на пожарах, а также быть причиной их быстрого развития. Места пожаров относятся к категории наиболее сложных объектов криминалистического исследования. Это связано с многообразием и сложным взаимодействием мно-

гих факторов, к которым помимо традиционного криминального воздействия добавляется разрушающее влияние горения, действия пожарных подразделений при ликвидации пожара, обрушения конструкций и пр. На промышленных объектах количество таких факторов существенно возрастает за счет наличия разнородных элементов пожарной нагрузки, разнообразия возможных аварийных ситуаций, вовлечения в процесс большого количества людей, неосторожные или умышленные действия которых способны привести к пожаРУ-

Производство криминалистической экспертизы материалов, веществ, изделий в особенности таких сложных по составу и разнообразию, как нефтепродукты, является важным этапом сложного, многоступенчатого процесса раскрытия и расследования преступления, в частности, пожаров и поджогов, фальсификации нефтепродуктов, загрязнения окружающей среды, дорожно-транспортных происшествий. Одной из важнейших задач, решаемых при этом, является идентификация нефтепродуктов с целью установления индивидуально определенного источника их происхождения. Изучение материальной обстановки на месте происшествия даже при условии реализации всех современных достижений науки и техники неизбежно включает действия конкретного лица - эксперта. Проводимое экспертом исследование является сложным творческим процессом, в котором не последнюю роль играет умение эксперта, освоение им современных эффективных методов исследования. При этом обоснованность и достоверность делаемых экспертами выводов не всегда поддается проверке, поскольку основывается, в том числе и на эвристических методах. В то же время объем информации, которой располагает эксперт, вынужденный сделать свои выводы в условиях неопределенности, постоянно увеличивается именно в силу развития новых научных методов и технологий. Постановка экспертных задач и их решение при идентификации нефтепродуктов в настоящее время в научных разработках чаще всего ограничивается описанием конкретных методик. Между тем решить эти задачи

невозможно без комплексного исследования с применением методов системного анализа.

Все это делает актуальной научную задачу совершенствование методики получения экспертной информации при идентификации нефтепродуктов с использованием теории распознавания образов.

Целью диссертационной работы является повышения эффективности обработки информации по составу нефтепродуктов при выявлении причин чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах.

Объект исследования - экспертная информация о составе нефтепродуктов, служащих потенциальным источником возникновения чрезвычайных ситуаций на промышленных объектах.

Предмет исследования - способы, методы и алгоритмы получения и обработки информации по идентификационным признакам состава нефтепродуктов.

Задачи исследования:

1. Провести оценку экспертной значимости результатов инструментальных исследований нефтепродуктов в судебной экспертизе и выработать основные требования к методикам их изучения.

2. Разработать методику обработки спектральных и хроматографи-ческих данных методом зонального кодирования с использованием теории распознавания образов.

3. Разработать структурно-функциональную модель организации процесса получения и обработки информации, позволяющую ставить и решать задачи системного анализа при идентификации нефтепродуктов.

Методы исследования. При разработке основных положений диссертационной работы использовались методы системного анализа, экспертного оценивания, кодирования графической информации, распознавания образов, регрессионного анализа, математической статистики.

Научная новизна:

1. Впервые с использованием метода экспертного оценивания установлена экспертная значимость результатов исследования нефтепродуктов в судебной экспертизе и разработаны основные требования к методикам их изучения.

2. Разработана методика обработки спектральных и хроматографи-ческих данных методом зонального кодирования с использованием теории распознавания образов.

3. Предложена структурно-функциональная модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов.

Практическая значимость. Внедрение структурно-функциональной модели организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов повышает качество и эффективность проведения судебных экспертиз.

Результаты работы используются в экспертных органах МЧС России для повышения эффективности и достоверности проведения судебных экспертиз.

Основные положения работы используются в учебном процессе Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России при проведении занятий по дисциплине «Пожарно-техническая экспертиза» на кафедре криминалистики и инженерно-технических экспертиз.

Достоверность научных положений и выводов, изложенных в диссертации, подтверждается использованием современных методов системного анализа, математической статистики, обработкой результатов экспериментальных исследований с использованием компьютерной техники и современного пакета прикладных программ.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

1. Основные требования к методикам изучения нефтепродуктов и комплекс методов их исследования, позволяющие решать задачи системного анализа при идентификации нефтепродуктов.

2. Методика обработки спектральных и хроматографических данных методом зонального кодирования с использованием теории распознавания образов.

3. Модель организации процесса получения и обработки информации при идентификации нефтепродуктов.

Апробация работы. Основные научные результаты исследования докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на научно-практических конференциях: Международная научно-практическая конференция «Совершенствование работы в области обеспечения безопасности людей на водных объектах при проведении аварийных поисково-спасательных работ». Вытегра: УСЦ «Вытегра» МЧС России. 2012; Совершенствование деятельности по расследованию преступлений: уголовно-правовые, уголовно-процессуальные и криминалистические аспекты. Материалы Всероссийской межведомственной научно-практической конференции. Псков: Псков, юрид. ин-т ФСИН России. - 2013.

Реализация и внедрение результатов работы.

Результаты диссертации внедрены в деятельность ФБГУ СЭУ ФПС ИПЛ по Санкт-Петербургу и в учебный процесс кафедры криминалистики и инженерно-технических экспертиз Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы (111 наименований). Общий объем работы составляет 142 страницы печатного текста, содержит 57 рисунков, 11 таблиц.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ ПРОБЛЕМЫ РЕШЕНИЯ ИДЕНТИФИКАЦАИОННЫХ ЗАДАЧ В РАМКАХ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СУДЕБНО ЭКСПЕРТНЫХ ОРГАНОВ ГПН МЧС РОССИИ

1.1. Постановка общей задачи идентификационных исследований в судебной экспертизе

«Место происшествия» является сложной системой, включающее в себя не только место совершения преступления, но и место его подготовки, место сокрытия объектов преступного посягательства, орудий преступления и иных вещественных доказательств. При совершении преступления эта система претерпевает определенные изменения, в результате которых элементы вещной обстановки места происшествия (ЭВО) становятся материальными носителями информации [1]. Для создания реальных предпосылок раскрытия и расследования преступлений требуется применение методов системного анализа, подразумевающих комплексное изучение материальной обстановки по делу. Эта комплексность состоит в использовании всех материальных источников криминалистически значимой информации о событии преступления.

Производство криминалистической экспертизы материальных объектов находящихся на месте происшествия является важным этапом сложного, многоступенчатого процесса раскрытия и расследования преступления, в частности таких социально опасных, как пожары и поджоги.

В процессе принятия решений приходится осуществлять выбор в условиях неопределённости, которая обусловлена наличием факторов, не поддающихся строгой количественной оценке. Процедуры и методы системного анализа направлены на выдвижение альтернативных вариантов решения проблемы, выявление масштабов неопределённости по каждому из вариантов и сопоставление вариантов по тем или иным критериям эффективности.

Далеко не всегда при этом обоснование решений связано с использованием строгих формализованных методов и процедур; допускаются и суждения, основанные на личном опыте, интуиции, внутреннем убеждении спе-

циалиста или эксперта. Необходимо лишь, чтобы это обстоятельство было ясно осознано [2].

В зависимости от конечной цели экспертного исследования выделяются следующие основные классы задач криминалистического исследования материальных объектов, которые являются типовыми.

Обнаружение, то есть определение наличия (отсутствия) искомых веществ и материалов на представляемых объектах. Это самостоятельная задача исследования, имеющая конкретное практическое значение. Так, наличие на полу, стенах, мебели следов горючих жидкостей, является основанием для выдвижения версии о том, что имел место поджог.

Диагностические задачи, то есть установление свойств и состояний объекта, существенных для выявления фактических обстоятельств расследуемого события: определение природы, наименования, назначения, области применения, происхождения, условий существования, причин изменения свойств или иных классификационных характеристик объектов - элементов вещной обстановки.

Классификацией называется система соподчинённых понятий (классов объектов) какой-либо области знания или деятельности человека, часто представляемая в виде различных по форме схем (таблиц) и используемая как средство для установления связей между этими понятиями или классами объектов, а также для ориентировки в многообразии понятий или соответствующих объектов. Научная классификация фиксирует закономерные связи между классами объектов с целью определения места объекта в системе, которое указывает на его свойства (например, классификация нефтепродуктов, классификация горюче-смазочных материалов, классификация моторных топлив).

[3].

Сущность диагностики вообще состоит в сопоставлении трех тесно взаимосвязанных познавательных процессов: узнавания, распознавания и научного познания. Узнавание состоит в воспроизведении и представлении в памяти целостного образа объекта по существенным признакам. Распознава-

ние как более сложный процесс состоит в сознательном отражении объективной реальности, где на основе накопленного обществом и известного данному лицу опыта знаний происходит проникновение во внутреннюю сущность предмета познания. Наконец, научное познание относится к области проникновения в ранее неизвестные стороны объективной реальности.

Основываясь на распознавании, криминалистическая диагностика имеет целью установление обстоятельств дела, опираясь на ранее известную связь этих обстоятельств со свойствами материальных объектов.

Идентификационные задачи, то есть установление индивидуально-конкретного тождества элемента вещной обстановки, общей родовой или групповой принадлежности. В криминалистике идентификация - это процесс установления тождества конкретного объекта или личности по совокупности общих и частных признаков путём сравнительного их исследования. Итоги криминалистической идентификации должны быть выражены в процессуальных актах, в противном случае они не будут иметь доказательственного значения. Такими актами являются предъявление для опознания и экспертиза [4, 5,6].

Установление родовой принадлежности в криминалистике означает отнесение объекта (конкретного элемента вещной обстановки, материала, вещества) к множеству, выделенному в соответствии с общепринятыми в науке и технике классификационными системами.

Установление групповой принадлежности тех же объектов — это отнесение их к множеству, специально выделенному по признакам общности возникновения (изготовления), существования (эксплуатации) или уничтожения (разрушения).

Индивидуальная идентификация не является сферой только криминалистической экспертизы. Достижения криминалистики используются другими науками: геологией, экологией, археологией, палеонтологией и др. Действительно, если в других областях возникает необходимость в решении задач

идентификационного отождествления, то при этом используется научный потенциал кримина