автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Методы и средства снижения ложных тревог в информационно-измерительных системах оповещения и управления

На правах рукописи

Лаппо Антон Юрьевич

Методы и средства снижения ложных тревог в информационно -измерительных системах оповещения и управления.

Специальность 05.11.16 - «Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

0034В8405

Тула-2009

003488405

Диссертация выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Зайцев Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Акиншин Николай Степанович - доктор технических наук, профессор Осадчий Владимир Иванович

Ведущая организация: ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения», г. Тула.

Защита состоится «28» декабря 2009г. в 14— на заседании диссертационного совета Д212.271.07 при Тульском государственном университете (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92, 9-101).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан «20» ноября 2009г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Ф.А. Данилкин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В современных условиях, создание эффективных информационно-измерительных систем оповещения и управления становятся всё более важным направлением науки и техники. К числу таких систем можно отнести системы мониторинга окружающей среды, системы оповещения об опасных техногенных аномалиях: выбросов химических и радиоактивных веществ (отходов), степных, лесных и городских пожаров. В последнее время резко возросло значение охраны периметров важных объектов: атомных и гидроэлектростанций, пусковых установок ракет, Государственных границ (особенно в зонах локальных конфликтов).

Несмотря на кажущееся различие структур и разные физические принципы функционирования, такие системы, как показал анализ, имеют много общего. Так, они в своём составе содержат те или иные измерители состояния подконтрольных внешних сред. Средой может быть химический состав атмосферы, температура помещения или радиолокационное поле местности вокруг объекта или на Государственной границе. Регистрация аномальных явлений сред происходит по результатам измерений их состояния. Факты опасных аномалий в старых системах регистрировались визуально наблюдателями, а в современных -автоматическими обнаружителями. При наличии таких фактов выдается визуальная и (или) звуковая информация и выполняется управляющее воздействие. Управляющим воздействием может быть организационное мероприятие: вывод людей из зоны пожара, посылка группы захвата на участок нарушения границы, или автоматическое: включение закачки инертного газа или пены в очаг возгорания, подрыв сигнального или боевого боеприпаса.

Одними из самых распространённых негативных проявлений в работе систем являются ложные оповещения (тревоги) и, соответственно - команды управления. В ряде случаев это не раз приводило к трагическим последствиям. Известна всему миру Чернобыльская катастрофа. В ноябре 2008 года во время испытаний российской атомной подводной лодки не вовремя была подана команда на систему пожаротушения, которая включила закачку инертного газа в помещение, где находились люди. В результате чего погибло 3 члена экипажа и 17 инженеров разработчиков. В середине 60-х годов прошлого столетия ложные сообщения о подлёте ядерных бомбардировщиков в системе ПВО США чуть не привели к ядерной катастрофе. На территории России, на химических заводах неоднократно срабатывали системы оповещения и выдавались ложные оповещения о химических заражениях. На охраняемых участках Государственной границы ложные тревоги на погранзаставах являются типичным явлением. Не раз

прибывшие на место пограничники не находили нарушителей.

Анализ существующих информационно-измерительных систем управления показал, что вопросами снижения уровня ложных тревог и сообщений занимались недостаточно глубоко, а в структурах систем практически отсутствуют элементы, позволяющие существенно снизить их уровень.

В настоящей диссертационной работе исследуются причины ложных сообщений и на основе проведённых исследований предлагаются методы и средства их снижения.

Объектом исследования являются информационно-измерительные системы оповещения и управления.

Предметом исследования являются методы и средства снижения ложных тревог в информационно-измерительных системах оповещения и управления.

Цель работы

Повышение эффективности и качества работы информационно-измерительной системы оповещения и управления путём разработки методов и средств снижения вероятностей ложных тревог и управляющих воздействий.

Задачи исследования

Для достижения цели работы в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Анализ причин возникновения ложных оповещений в информационно -измерительных системах оповещения об аномалиях среды или нарушениях охраняемых границ.

2. Разработка методов и средств снижения ложных сообщений в системах с пассивными измерителями состояния внешней среды.

3. Разработка методов и средств снижения ложных сообщений в системах с активными измерителями состояния внешней среды.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Модель информационно-измерительного канала.

2. Методы и средства снижения ложных сообщений пассивными измерителями состояния внешней среды.

3. Методы и средства снижения ложных сообщений активными измерителями состояния внешней среды радиолокационного обнаружителя и измерителя.

Методы исследований.

В работе применялись вероятностные методы анализа сигналов и согласованной фильтрации. Методы дифференциального исчисления, статистические методы обработки результатов эксперимента.

в системах с

в системах с на примере

Научная новизна

1. Предложены и научно обоснованы методы совершенствования информационно-измерительных систем оповещения и управления, в которых с целью снижения вероятностей ложных тревог и управляющих воздействий:

- Введено два раздельных канала, в частности, канал предупреждения без управляющего воздействия и канал тревоги с управляющим воздействием, что позволяет существенно снизить последствия возможного фатального управления.

- Использована раздельная согласованная фильтрация огибающих сигналов в каналах предупреждения и тревоги, что позволяет выиграть время для организации контрольных или эвакуационных мероприятий.

- Введён периодический выборочный анализ состояния среды взамен непрерывного, что может снизить вероятность ложного сообщения и фатального управления от 2 до 20 раз в зависимости от типа среды и системы.

- Выполнен логический критерий принятия решения по алгоритму скользящего накопления, что может снизить вероятность ложных сообщений и неадекватных управляющих воздействий на порядок и более.

- Внедрены фильтры с перестраиваемыми амплитудно-частотными характеристиками в системы с активными каналами, позволяющие регистрировать объекты, движущиеся со скоростями 1-2 км/час при благоприятных погодных условиях.

2. Разработана модель работы информационно-измерительного канала системы оповещения и управления, основанная на применении разработанных методов и отличающаяся высоким качеством обнаружения и низкими уровнями ложных тревог.

Практическая ценность

1. Применение двухканальной системы с согласованными фильтрами позволяет снизить вероятность ложных тревог и фатальных управляющих воздействий в 2-5 раз при сохранении высокой вероятности обнаружения предварительных выбросов.

2. Применение в информационно-измерительной системе всех предложенных методов позволяет в совокупности снизить уровень ложных сообщений на порядок и более.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в ОАО ЦКБА (НИР «Когерентность», «Исследование разностно-дальномерного метода радиолокации для работы по наземным целям»), НИИ «Стрела» (НИР «Таганрог ТулГУ», «Хореография -СЧ1»), а также учебный процесс Тульского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях: Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2006» и «ЭВРИКА-2007», Открытый конкурс на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в ВУЗах Российской федерации, Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы наземной радиолокации», Вторая научно-практическая конференция ТулГУ «Молодёжные инновации»

Публикации: Основное содержание работы отражено в 14 статьях, в т.ч. 3-х публикациях уровня ВАК (в библиографии помечены жирным шрифтом), а так же в 5 тезисах докладов на всероссийских НТК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность решаемой в диссертации научной проблемы, изложена структура диссертации и кратко раскрыто содержание её разделов.

В первой главе рассматриваются существующие информационно-измерительные системы, а также составляющие их основу пассивные и активные, в том числе радиолокационные измерители состояния внешней среды.

В работе показано, что информационно-измерительные системы оповещения и управления находят разнообразное применение в различных областях народного хозяйства: от структур, включенных под контроль МЧС, до подразделений охраны границ. Существующие системы являются широко распространенным классом со сложной иерархией и структурой. Но все они базируются на низовых звеньях: информационно-измерительных каналах, задачей которых является измерение состояния среды, выявление опасных аномалий и генерирование тревожных сообщений и управляющих воздействий.

Отмечено, что сигналы о состоянии сред, получаемые от измерителей, имеют много общих черт: выбросы предварительных возмущений, выбросы сигналов фатальных возмущений, стохастический флюктуирующий фон сред и стохастические электрические шумы измерителей и усилительных устройств. Все

виды возмущений и помех имеют свои частотно-временные характеристики. Это необходимо учитывать при проектировании устройств согласованной фильтрации, регистраторов-обнаружителей возмущений, а также информационных табло и генераторов управляющих воздействий.

Проведён обзор, дана классификация и сформулирована обобщённая структура информационно-измерительной системы оповещения и управления.

Во второй главе рассматриваются методы и средства снижения ложных тревог информационно-измерительных систем оповещения с пассивными измерителями состояния внешних сред.

В диссертации отмечено, что основной проблемой информационно-измерительных систем является ложная тревога, которая может вызвать и фатальное управляющее воздействие. Не меньшее значение имеют и пропуски системой опасных предварительных возмущений сред или запоздалое оповещение.

Поэтому предложено три критерия качества работы информационно-измерительной системы оповещения:

1. Времязависимая вероятность Р0е(Т) правильного обнаружения опасных уровней и адекватного генерирования сообщений и управляющего воздействия.

2. Времязависимая вероятность Рлт(Т) ложного сообщения и управляющего воздействия.

3. Продолжительность работы системы Тр между двумя ложными сообщениями.

Показано, что в зависимости от типа измерительного элемента сигнал на выходе преобразователя в электрический сигнал может иметь различный вид, но в основном он имеет полезную сигнальную и шумовую составляющие (Рис. 1).

Как видно из рисунка, сигналы на выходе преобразователей представляют собой аддитивную смесь из непосредственно сигналов состояния среды, помех, и электрических шумов измерителей и каналов передачи. Из-за существенного уровня помех и шумов в обнаружителях аномалий приходиться повышать пороговый уровень ип до максимального значения, чтобы снизить количество ложных тревог (сообщений) и фатальных управляющих воздействий. В свою очередь, это приводит к невозможности обнаружения предварительных возмущений (11). Поэтому ныне существующие системы регистрируют лишь повышение уровня сигнала происходящее в более позднее время 12 (фатальный рост среднего уровня). При этом теряется время для принятия решений.

U(t)

Un

U(t)

Не обнаруженные сигналы tl fe

предварительного

возмущениях -

Un

t

Рис. 1. Возможные варианты сигнала на выходе измерителя состояния внешней среды: а - вид сигнала измерителя температуры системы оповещения о пожаре; б - вид сигнала радиолокационного измерителя факта нарушения границы

Для преодоления вышеизложенных проблем в диссертационной работе предложены следующие методы и средства, которые могут быть использованы для широкого круга измерителей состояния внешней среды.

1. Применение в структуре систем вместо одного общего двух раздельных каналов: предупреждения и тревоги. В каждом канале встраивать фильтры, согласованные с спектральными характеристиками своих сигналов. Показано, что для практической реализации достаточно, чтобы фильтры были согласованы с длительностями фронтов предварительных возмущений и фатального роста. В качестве простейших фильтров можно использовать фильтры нижних частот с полосой AF. Определён способ выбора низкочастотного «среза» фильтра Рфн для обоих каналов. Для этого были проанализированы спектральные g(f) характеристики моделей фронтов сигналов u(t), АЧХ фильтров и их коэффициенты передач k(f). В качестве моделей, рассмотрена линейная, гауссова и экспоненциальная аппроксимация фронтов сигналов, и прямоугольная аппроксимация АЧХ фильтров. На рис. 2 в аргументе ft показано, как влияют формы фронтов возмущений сигналов на выбор частотной полосы пропускания фильтров. Потери сигналов предвозмущений и тревог будут минимальными независимо от формы фронтов возмущений, если инженеры будут применять ФНЧ с полосой ДР~1/ТфР. При этом ожидаемое снижение вероятности ложных тревог может составит от 2 до 5 раз.

к(02=--= \gfjW-

(1)

Колокольная апроксиммация Экспоненциальная аппроксимация-] Линейная апроксиммация

"Г

/■Г

—ь

Рис. 2. Зависимость коэффициента передачи ФНЧ от частоты среза

2. Применение периодического опроса состояния среды вместо непрерывной регистрации. Такой метод реализован после анализа сигналов на основе теории выбросов случайных процессов. При непрерывном анализе сигнала иО) обнаружителем регистрация выброса произойдет уже при первом превышении выставленного порогового уровня ип. За интервал наблюдения Т число таких регистраций составит ЫЩп.Т). Для нормального стационарного процесса число пересечений порогового уровня и„ рассчитано через эффективную ширину спектра сигнала 0{, его дисперсию стц2.

N([/„,1") = \л\ш[и„,и]аи-, = (2)

о о V / V л

В работе отмечено, что расчет Ы] позволяет рассчитывать и средний период То между соседними ложными сообщениями, если в качестве сигнала взят шум и помехи: Т0 = 1/К ,(£/„).

Для оценки вероятностей ложных сообщений (тревог) найдены зависимости по расчету значений априорных и времязависимых вероятностей Рлт0 и Рлт(Т).

. . (3)

С (^=1-0- Л«О)«Р(~ мо,Рта ^21п(р„0) ■ Г)

На рис. 3 показано, насколько могут быть велики вероятности ложных сообщений (тревог). Даже при высоком отношении V„ / сг„, обеспечивающим априорные вероятности порядка Рлто = 10'5, уже за час работы вероятность того, что произойдет ложное сообщение и будут приняты фатальные управляющие

воздействия высока. Дальнейшее повышение ип / аи до значений, при которых РЛто = Ю"7 и ниже, приводит к невозможности регистрации предварительных возмущений и запаздыванию тревожных сообщений.

Рис. 3. Вероятности ложных сообщений

В предложенном методе опрос сигналов обнаружителем аномалий проводится периодически с циклом Тцк посредством электронного ключа. В этом случае:

Роб(Т) = 1-[1-Р0боГ ; N = Т/Тцк (3)

При выборе Тцк необходимо, чтобы временной фронт тфр аномалии не был пропущен (Тцк< тфр).

Для Рлто=10"4 и Роб0 = 0,5, в диссертационной работе выполнены расчеты, результаты которых продемонстрированы на рис. 4. Показано, что периодический опрос может существенно снизить вероятность ложного сообщения (ложной тревоги). Так, за 10 с анализа эта вероятность падает в 2..20 раз, а период между тревогами на уровне вероятности Рлт = 0.2 в 30 раз.

Рис. 4. Влияние периодического опроса

Установлено, что таким образом применение устройств периодического опроса измерителей состояния может на порядок снизить уровни ложных сообщений и тревог и увеличить время работы системы до момента первого ложного сообщения в 2-20 раз без существенного снижения вероятностей правильных сообщений, тревог и противодействий.

3. Внедрение алгоритма скользящего накопления. Данный алгоритм выполняет подсчёт количества регистрации М правильных информационных сообщений из общего числа N ожидаемых. Смысл работы заключается в следующем: сигнал с обнаружителя поступает на устройство, которое считает количество его срабатываний. Это устройство управляется тактовым генератором. Как только тактовый генератор отсчитал заданных N импульсов, происходит сравнение количества зарегистрированных событий М с определённым пороговым значением. Если их количество больше или равно этому значению, генерируется сообщение об аномалиях. После сравнения счётчик срабатываний сбрасывается, и всё начинается сначала.

Описанный алгоритм был доработан таким образом, что подсчёт количества срабатываний производился в некотором окне, ширина которого определялась общим числом N ожидаемых импульсов тактового генератора. По приходу очередного импульса данное окно смещалось вправо.

На рис. 5 показан пример работы алгоритма при N=4, М=3.

N=4, М=3

Тактовый генератор: Обнаружитель

Окно, в котором производится подсчёт количества срабатываний обнаружителя

Сигнализатор

1 ! Н И^Г^** г« И

1 1 ¡1 ¿V*"

II 1 }| 1

2 2 3 3 3 Тревога

Рис. 5. Алгоритм скользящего накопления. Новая априорная вероятность обнаружения будет определяться как:

и!

Рш (м, п) = X рт„ М = (1 - Р)"~

т\{п — т)

(4)

Данная зависимость не упрощается и является вероятностью срабатывания сигнализационной системы. Функция (4) позволяет рассчитать вероятность обнаружения и ложной тревоги, причём полученные значения можно использовать как новые Роб0,Р1т0 для (3).

На рис. 6. показана работа алгоритма для 10 и 100 тактовой реализации. Для наглядности, за начальный уровень взят вариант низкого порога и„, при котором вероятность правильного сообщения равна 0.5, а вероятность ложного сообщения -0.1. Видно, что увеличение М приводит к резкому падению вероятностей ложных сообщений. При больших значениях М может падать и вероятность правильных сообщений, что можно объяснить тем, что при зашумленном сигнале вероятность регистрации всех N аномалий маловероятна. Однако всегда можно выбрать рациональный вариант.

1

Роб(М) ©«в Рлт(М)

ппи иио

0 2 4 6 8 10 м

В диссертационной работе установлено, что реализация данного алгоритма позволяет снизить вероятность ложных сообщений на порядок и более.

В третьей главе рассмотрены методы и средства снижения ложных тревог в информационно-измерительных системах с активными каналами. Для получения информации, на среду производится определённое воздействие (например, акустическое, электромагнитное и т.д.). В данной работе рассматриваются активные системы, где воздействия производятся СВЧ радиоволнами, а информация получается за счет измерения уровней поглощения энергии в газах или за счет анализа характеристик сигналов, отраженных от местности, но расчёты справедливы и для остальных вариантов воздействия.

Проведённые в работе исследования показали, что подходы к обработке и извлечению полезной информации - аналогичны предложенным в гл. 2:

- разделение цепей обработки сигналов на два канала: предупреждения и тревоги, со своими согласованными фильтрами в каждом из них;

- периодический опрос сигналов в каналах со своими частотами тактирования;

- внедрение алгоритма скользящего накопления.

Главное внимание в диссертации уделено развитию систем охраны границ. Показано, что при работе систем, осуществляющих обнаружение нарушителей и других движущихся объектов, дополнительно появляются помехи от различных местных предметов. Они могут превосходить полезные сигналы, например, от человека - нарушителя в сотни раз. Подавления помех осуществляется фильтрами селекции движущихся целей (СДЦ). Их АЧХ построены так, что подавляют сигналы, не имеющие доплеровских частот. Однако селекция медленно движущихся целей остается проблемой. Дело в том, что ветки, листья, трава растительных образований перемешаются под действием ветра примерно с той же скоростью, что и медленно идущий пешеход. Поэтому спектры сигналов значительно перекрываются, и разделить их с помощью фильтра бывает невозможно. Существующие системы, стоящие на снабжении погранвойск, имеют жесткую АЧХ фильтров СДЦ, способную подавить пассивные помехи от местности при ветре до 10 м/с. Но зарегистрировать цели, движущиеся на максимальных дальностях со скоростями менее 3 км/час, не может. Кроме того, замечено, что при качественном подавлении общего фона местности, некоторая часть местных предметов не подавляется или подавляется слабо, вызывая ложные тревоги. Поэтому появилась необходимость в исследовании этого феномена.

Для объяснения причин плохого подавления некоторых растительных образований рассматриваются две возможные модели их спектров — гауссова:

/2

&,,(/) =-7Г=ехР

ег, У127Т

} м

и дробно-рациональная (с параметром п=2):

&,(/) =- 2

2а\

/ м

/ / \ 2»\

1+ /

ч \ 1 * } /

0.707ла,

' л

Пользуясь зависимостями для пересчёта скорости ветра в эффективную ширину спектра, были получены кривые зависимости коэффициента подавления фильтрами СДЦ помех от местности Пм от положения низкочастотного «среза» Рфн, формы спектра и скорости ветра в различные времена года (рис. 7, 8). Из кривых видно, что пассивные помехи, спектры которых близки к гауссовой форме, легче подавляются фильтрами, чем те, у которых форма дробно-рациональная. Показано, что при практически полном подавлении общего фона пассивных помех, всегда найдутся такие местные предметы или элементы растительности, которые не будут подавлены полностью. Это может привести к большому уровню ложных тревог в некоторых областях пространства, что надо учитывать при разработке новых систем с блокировкой опасных участков

местности.

Рис. 7. Зависимость коэффициента подавления для гауссовой аппроксимации спектра летом (слева) и зимой

Рис. 8. Зависимость коэффициента подавления для дробно-рациональной аппроксимации (п=2) спектра (лето и зима).

Анализ возможностей регистрации целей от нарушителей границ, движущихся с очень малыми скоростями (1-2 км/час) показал следующее. При сильном ветре спектры помех от местности расширяются настолько, что селекция таких целей фильтрами с жесткой АЧХ, невозможна. Но при слабой ветровой нагрузке спектры помех сужаются и появляется возможность регистрации таких объектов при качественном подавлении местности. Однако для этого предложено создавать АЧХ фильтров СДЦ, перестраиваемых под погодные условия и типы местностей.

На рис. 9, 10 представлены так называемые скоростные характеристики систем охраны границ в режиме СДЦ для различных скоростей ветра (сплошные линии). Частотный «срез» Рф„ выбран так, чтобы обеспечить подавление

местности 30 дБ.

Шу^ч

У,м/с

ш 0 а ® ш к,км/ч

Рис. 9. Скоростные характеристики режима СДЦ и снижение дальности действия системы охраны границ (ветер 5 м/с, подавление помех Пм 30 дБ).

йвтавЕвш®

Рис. 10. Аналогичные кривые для сильного ветра (25 м/с, сплошные -коэффициенты передачи сигнала фильтром, пунктирные - потери дальности)

На тех же рисунках даны кривые потерь дальности действия (точечные линии). Кривые иллюстрируют возможности перестройки АЧХ. Так, при умеренном ветре можно качественно подавлять местность и селектировать цели со скоростями 2 км/час и более, а при сильном ветре - начиная со скоростей 6-7 км/час при том же качественном подавлении помех. При жесткой АЧХ, рассчитанной на средний ветер, например 10 м/с, цели со скоростями 2 км/час регистрироваться не будут, а при очень сильном ветре - не будут подавлены помехи от местности. Таким образом, доказано преимущество предлагаемого метода перестройки АЧХ фильтра перед методом с жесткими характеристиками.

В четвёртой главе проведено структурное моделирование информационно-измерительной системы оповещения. Выполнено математическое моделирование процесса появления ложных тревог в системах без реализации и с реализацией предложенных методов. Проведено имитационное моделирование среды как

помехи, повышающей вероятности ложных тревог.

Общий вид информационно-измерительной системы представлен на рис. 11.

Система оповещения

Управляющее воздействие

Обнаружител а предварительных возмущений Обнаружитель фатального роста

к ! ...........

Тактирование, кумулятивное накопление Тактирование, кумулятивное накопление

1 1

фильтр предупреждения фильтр тревоги противодействия

преобразователь

Измерительный элемент

» £

8|

01 "

Информационная панель

Системы противодействия

В результате моделирования подтверждена эффективность реализуемых методов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В диссертации решена научная задача, имеющая важное значение для промышленности и заключающаяся в создании надёжных информационно-измерительных систем оповещения и управления, позволяющих повысить их качество, обеспечить надёжную работу с минимальным уровнем ложных тревог. Полученные в работе результаты позволяют существенно расширить область

практического применения таких информационно-измерительных систем.

Выполненные в диссертационной работе исследования по поставленной задаче привели к следующей совокупности основных научных и практических результатов.

1. Предложены и научно обоснованы методы снижения уровней ложных сообщений, реализуемые за счёт:

- раздельной фильтрации сигналов предварительных и фатальных возмущений сред

введения в измерительные каналы периодического опроса состояния сред

реализации алгоритма скользящего накопления. В совокупности эти методы и средства позволяют снизить вероятности ложных тревог за фиксированное время наблюдения на порядок и более.

2. Разработаны методы измерения вероятностей появления правильных сообщений и ложных тревог, позволяющие оценить качество работы информационно-измерительной системы оповещения и управления.

3. Проведено имитационное моделирование растительности, как среды, являющейся помехой для работы систем с активными каналами, что позволило определить зависимость спектральных характеристик помех от ветровой нагрузки.

4. Для систем с активными каналами предложены методы борьбы с помехами от местности, реализуемые посредством перестраиваемых фильтров, что даёт возможность регистрировать объекты на местности со скоростями 2 км/час и менее.

5. Разработана структура перспективной информационно-измерительной системы оповещения и управления, отличающаяся использованием в ней предложенных методов и средств.

Результаты работы внедрены в ОАО ЦКБА (НИР «Когерентность», «Исследование разностно-дальномерного метода радиолокации для работы по наземным целям»), НИИ «Стрела» (НИР «Таганрог ТулГУ», «Хореография -СЧ1»), а также учебный процесс Тульского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Лаппо АЛО. Алгоритм снижения уровня ложных тревог систем оповещения / А.Ю. Лаппо // Материалы II всероссийской научной конференции ученых, специалистов и профессорско-преподавательского состава.

Территориально-распределенные системы охраны. — Калининград: КПИ России, 2009. - С. 240 - 242.

2. Лаппо А.Ю. Снижение уровня ложных тревог сигнализационных систем с использованием кумулятивного накопления / А.Ю. Лаппо // Материалы II всероссийской научной конференции ученых, специалистов и профессорско-преподавательского состава. Территориально-распределенные системы охраны. -Калининград: КПИ России, 2009. - С. 243 - 244.

3. Лаппо А.Ю. Эффективность радиолокационного поиска цели с одного и нескольких обзоров / А.Ю. Лаппо // Вестник ТулГУ, серия Радиотехника и радиооптика, том X. - Тула: ТулГУ, 2008. - с.30-39.

4. Лаппо А.Ю. К вопросу методических ошибок измерения скоростей / А.Ю. Лаппо // Вестник ТулГУ, серия Радиотехника и радиооптика, том IX. - Тула: ТулГУ, 2007. -С. 21-26.

5. Лаппо А.Ю. Методы радиолокационной оценки скорости человека / А.Ю. Лаппо // Вторая научно-практическая конференция ТулГУ «Молодёжные инновации». - Тула: ТулГУ, 2008. - С. 59-61.

6. Лаппо А.Ю. Радиолокационное обнаружение медленно сближающихся целей / А.Ю. Лаппо // Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2007» - Москва: 2007. - С. 87-88.

7. Лаппо А.Ю. Снижение уровня ложных тревог сигнализационных и огневых устройств / H.A. Зайцев, Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо // вестник ТулГУ, серия Радиотехника и радиооптика, том X. - Тула: ТулГУ, 2008. - С. 21-29.

8. Лаппо А.Ю. Радиолокационная селекция медленно сближающихся малоразмерных целей / H.A. Зайцев, А.Ю. Лаппо // Вестник ТулГУ, серия Радиотехника и радиооптика, том IX. - Тула: ТулГУ, 2007. - С. 3-13.

9. Лаппо А.Ю. Спектральный анализ помех от растительных образований в радиолокационной станции / Л.Н. Толкалин, C.B. Ряполов, А.Ю. Лаппо, В. А. Дудаков // Известия ТулГУ, серия Радиотехника и радиооптика, том VI. - Тула: ТулГУ, 2004. - С. 3-10.

10. Лаппо А.Ю. Аппаратно программный комплекс для исследования растительных образований / Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо, Д.А. Зенякин, A.C. Барсуков, Цуй И // Проблемы наземной радиолокации, труды III Всероссийской научно-технической интернет конференции 27-29 сен. 2005. -Тула: ТулГУ. - С. 28-29.

11. Лаппо А.Ю. Моделирование растительных образований / Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо // Проблемы наземной радиолокации, труды III Всероссийской научно-технической интернет конференции 27-29 сен. 2005. -Тула: ТулГУ.-С. 30-31.

12. Лаппо АЛО. Подавление растительности радиолокационной системой СДЦ при различных аппроксимациях спектра / Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо // Известия ТулГУ, серия Радиотехника и раднооптика, том VI. -Тула: ТулГУ, 2006. - С. 22-29.

13. Лаппо А.Ю. Фильтрация пассивных помех в РЛС поиска наземных движущихся целей / Л.Н. Толкалнн, А.Ю. Лаппо, A.C. Барсуков, Д.А. Зенякин, А.Ю. Виноградов II Известия ТулГУ, серия Радиотехника н радиооптика. - Тула: ТулГУ, 2006. - С. 17-22.

14. Лаппо А.Ю. К вопросу селекции медленно движущихся целей в РЛС / Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо, A.C. Барсуков, Д.А. Зенякин // Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2006». - Москва: 2006. - С. 69-70.

15. Лаппо А.Ю. Специфика аппроксимирующих функций спектров пассивных помех / Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо // Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2006». - Москва: 2006. - С. 71-72.

16. Лаппо А.Ю. Исследования фильтров пассивных помех РЛС поиска наземных целей / Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо, A.C. Барсуков, Д.А. Зенякин, А.Ю. Виноградов // Проблемы наземной радиолокации, труды всероссийской научно-технической интернет конференции 27-29 сен. 2006. — Тула: ТулГУ. — С. 16-17.

17. Лаппо А.Ю. Исследование подавления сигнала от растительности системой СДЦ I Л.Н. Толкалин, В.В. Сигитов, А.Ю. Лаппо // Проблемы наземной радиолокации, труды всероссийской научно-технической интернет конференции 27-29 сен. 2006. - Тула: ТулГУ, 2006. - С. 18-19.

18. Лаппо А.Ю. Обнаружение медленно движущихся целей при различной ветровой нагрузке / Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо, A.C. Барсуков, Д.А. Зенякин, А.Ю. Виноградов // Первая молодёжная научно-практическая конференция ТулГУ «Молодежные инновации». - Тула: ТулГУ, 2007. - С. 71-73.

19. Лаппо А.Ю. Исследования фильтров пассивных помехи РЛС поиска наземных целей / Л.Н. Толкалин, А.Ю. Лаппо, A.C. Барсуков, Д.А. Зенякин, А.Ю. Виноградов // Проблемы наземной радиолокации, труды всероссийской научно-технической интернет конференции 27-29 сен. 2006. - Тула: ТулГУ. -С. 16-17.

Изд. Лиц. ЛР 020300 от 12.02.97 Подписано в печать 09.11.09

Формат 60 х 84 1/16. Печать офсетная. Бумага офсетная. Объём: 1.1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 037 ГОУ ВПО «Тульский государственный университет».

300600, Тула, просп. Им. Ленина, 92. Издательство ТулГУ. 300600, Тула, ул.Болдина, 151

ВВЕДЕНИЕ.

1. Типовые информационно-измерительные системы оповещения и управления.

1.1. Системы и их особенности.

1.2. Существующие анализаторы состояния среды и их проблемы

1.3. Общее в информационно-измерительных системах оповещения и управления.

2. Методы и средства снижения ложных тревог информационно-измерительных систем оповещения с пассивными измерителями состояния внешней среды.

2.1. Проблемы существующих информационно-измерительных систем оповещения и управления.

2.2. Пути совершенствования пассивных каналов информационно-измерительных систем.

2.3 Методы и средства снижения уровня ложной информации способом периодического опроса состояния.

2.4. Снижения уровня ложных информационных сообщений с помощью скользящего накопления.

3. Методы и средства снижения ложных тревог в информационно-измерительных системах оповещения с активными каналами контроля сред и объектов.

3.1. Активные каналы контроля сред, работающие на просвет.

3.2. Активные каналы контроля объектов на фоне сред.

3.3. Специфичные проблемы активных каналов контроля объектов на фоне сред.

3.4. Анализ потенциальных возможностей активного канала по регистрации медленно движущихся объектов.

4. Обработка данных эксперимента.

4.1. Предлагаемая структура информационно-измерительной системы оповещения.

4.2. Разработка аппаратно программного комплекса для экспериментальных исследований.

4.3. Результаты экспериментальных исследований.

Актуальность темы.

В современных условиях, информационно-измерительные системы оповещения и управления становятся всё более важным направлением науки и техники. К числу таких систем можно отнести системы мониторинга окружающей среды, системы оповещения об опасных техногенных аномалиях: выбросов химических и радиоактивных веществ (отходов), степных, лесных и городских пожаров. В последнее время возрастает значение охраны государственных границ, особенно в зонах локальных конфликтов. Именно здесь актуальна задача создания надёжных информационно-измерительных систем оповещения о нарушениях государственных границ. В первом и втором случаях, в том или ином виде, выводится сообщение о факте аномалии или нарушении границы, о дислокации, а так же генерируется адекватное управление. Например, включается система закачки инертного газа для тушения очага пожара или дается команда на подрыв сигнального боеприпаса для маркировки участка границы, где она была нарушена. В современных условиях, создание эффективных информационно-измерительных систем оповещения и управления становятся всё более важным направлением науки и техники. К числу таких систем можно отнести системы мониторинга окружающей среды, системы оповещения об опасных техногенных аномалиях: выбросов химических и радиоактивных веществ (отходов), степных, лесных и городских пожаров. В последнее время резко возросло значение охраны периметров важных объектов: атомных и гидроэлектростанций, пусковых установок ракет, Государственных границ (особенно в зонах локальных конфликтов).

Несмотря на кажущееся различие структур и разные физические принципы функционирования, такие системы, как показал анализ, имеют много общего. Так, они в своём составе содержат те или иные измерители состояния подконтрольных внешних сред. Средой может быть химический состав атмосферы, температура помещения или радиолокационное поле местности вокруг объекта или на Государственной границе. Регистрация аномальных явлений сред происходит по результатам измерений их состояния. Факты опасных аномалий в старых системах регистрировались визуально наблюдателями, а в современных - автоматическими обнаружителями. При наличии таких фактов выдается визуальная и (или) звуковая информация и выполняется управляющее воздействие. Управляющим воздействием может быть организационное мероприятие: вывод людей из зоны пожара, посылка группы захвата на участок нарушения границы, или автоматическое: включение закачки инертного газа или пены в очаг возгорания, подрыв сигнального или боевого боеприпаса.

Одними из самых распространённых негативных проявлений в работе систем являются ложные оповещения (тревоги) и, соответственно - команды управления. В ряде случаев это не раз приводило к трагическим последствиям. Известна всему миру Чернобыльская катастрофа. В ноябре 2008 года во время испытаний российской атомной подводной лодки не вовремя была подана команда на систему пожаротушения, которая включила закачку инертного газа в помещение, где находились люди. В результате чего погибло 3 члена экипажа и 17 инженеров разработчиков. В середине 60-х годов прошлого столетия ложные сообщения о подлёте ядерных бомбардировщиков в системе ПВО США чуть не привели к ядерной катастрофе. На территории России, на химических заводах неоднократно срабатывали системы оповещения и выдавались ложные оповещения о химических заражениях. На охраняемых участках Государственной границы ложные тревоги на погранзаставах являются типичным явлением. Не раз прибывшие на место пограничники не находили нарушителей.

Анализ существующих информационно-измерительных систем управления показал, что вопросами снижения уровня ложных тревог и сообщений занимались недостаточно глубоко, а в структурах систем практически отсутствуют элементы, позволяющие существенно снизить их уровень.

В настоящей диссертационной работе исследуются причины ложных сообщений и на основе проведённых исследований предлагаются методы и средства их снижения.

Объектом исследования являются информационно-измерительные системы оповещения и управления.

Предметом исследования являются методы и средства снижения ложных тревог в информационно-измерительных системах оповещения и управления.

Цель работы

Повышение эффективности и качества работы информационно-измерительной системы оповещения и управления путём разработки методов и средств снижения вероятностей ложных тревог и управляющих воздействий.

Задачи исследования

Для достижения цели работы в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Анализ причин возникновения ложных оповещений в информационно - измерительных системах оповещения об аномалиях среды или нарушениях охраняемых границ.

2. Разработка методов и средств снижения ложных сообщений в системах с пассивными измерителями состояния внешней среды.

3. Разработка методов и средств снижения ложных сообщений в системах с активными измерителями состояния внешней среды.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Модель информационно-измерительного канала.

2. Методы и средства снижения ложных сообщений в системах с пассивными измерителями состояния внешней среды.

3. Методы и средства снижения ложных сообщений в системах с активными измерителями состояния внешней среды на примере радиолокационного обнаружителя и измерителя.

Методы исследований.

В работе применялись вероятностные методы анализа сигналов и согласованной фильтрации. Методы дифференциального исчисления, статистические методы обработки результатов эксперимента.

Научная новизна

1. Предложены и научно обоснованы методы совершенствования информационно-измерительных систем оповещения и управления, в которых с целью снижения вероятностей ложных тревог и управляющих воздействий:

- Введено два раздельных канала, в частности, канал предупреждения без управляющего воздействия и канал тревоги с управляющим воздействием, что позволяет существенно снизить последствия возможного фатального управления.

- Использована раздельная согласованная фильтрация огибающих сигналов в каналах предупреждения и тревоги, что позволяет выиграть время для организации контрольных или эвакуационных мероприятий.

- Введён периодический выборочный анализ состояния среды взамен непрерывного, что может снизить вероятность ложного сообщения и фатального управления от 2 до 20 раз в зависимости от типа среды и системы.

- Выполнен логический критерий принятия решения по алгоритму скользящего накопления, что может снизить вероятность ложных сообщений и неадекватных управляющих воздействий на порядок и более.

- Внедрены фильтры с перестраиваемыми амплитудно-частотными характеристиками в системы с активными каналами, позволяющие регистрировать объекты, движущиеся со скоростями 1-2 км/час при благоприятных -погодных условиях. 2. Разработана модель работы информационно-измерительного канала системы оповещения и управления, основанная на применении разработанных методов и отличающаяся высоким качеством обнаружения и низкими уровнями ложных тревог.

Практическая ценность

1. Применение двухканальной системы с согласованными фильтрами позволяет снизить вероятность ложных тревог и фатальных управляющих воздействий в 2-5 раз при сохранении высокой вероятности обнаружения предварительных выбросов.

2. Применение в информационно-измерительной системе всех предложенных методов позволяет в совокупности снизить уровень ложных сообщений на порядок и более.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в ОАО ЦКБА (НИР «Когерентность», «Исследование разностно-дальномерного метода радиолокации для работы по наземным целям»), НИИ «Стрела» (НИР «Таганрог ТулГУ», «Хореография - СЧ1»), а также учебный процесс Тульского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях: Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2006» и «ЭВРИКА-2007», Открытый конкурс на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в ВУЗах Российской федерации, Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы наземной радиолокации», Вторая научно-практическая конференция ТулГУ «Молодёжные инновации»

Публикации: Основное содержание работы отражено в 14 статьях, в т.ч. 3-х публикациях уровня ВАК (в библиографии помечены жирным шрифтом), а так же в 5 тезисах докладов на всероссийских НТК. Структура и объём работы.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 155 страницах основного текста и содержащих 85 рисунков, 13 таблиц, списка литературы из 14 наименований.

Выводы к разделу 2

В результате проведенных исследований по совершенствованию пассивных информационно-измерительных систем оповещения и противодействия можно сделать следующие выводы:

1. Большинство существующих традиционных систем имеют ряд существенных недостатков:

- имеют один канал тревоги, что не всегда вовремя возбуждается тревога и не всегда правильно выполняется противодействие;

- линии передачи информации зашумлены, что приводит к частым ложным сообщениям или неправильным противодействиям;

- каналы генерации сообщений не могут длительное время работать без генерирования ложной информации;

- каналы измерения и формирования сообщений построены по упрощенной схеме и не имеют звеньев согласованной фильтрации и элементов интеллектуального анализа.

2. В разделе предложены пути совершенствования систем:

- создание раздельных каналов предупреждения и тревоги, что может дать существенный выигрыш для принятия организационных решений и противодействия;

- выполнение фильтрации сигналов в обоих каналах, согласованной с спектрально-временными характеристиками сигналов предварительных возмущений и фатальных уровней, что значительно повысит вероятность генерирования правильной информации и снижения уровня ложных тревог;

- ведение в каналах устройств периодического опроса состояний сред (тактирования), что может дать снижение уровня ложных тревог в 5-20 раз и соответственно увеличена продолжительность работы систем до первой ложной тревоги или сообщения.

- введение в каналы интеллектуальных алгоритмов, простейший из которых алгоритм скользящего накопления позволяющего снизить вероятность ложных сообщений на 2-3 порядка.

1. Толкалин JT.H. Вопросы наземной радиолокации Монография, изд. ТулГУ, 2005.

2. Харкевич A.A. Спектры и анализ Монография, изд. физико математической литературы, 1962.

3. Райе С.О. Mathematical Analisys of Random Noise изд. BSTJ, 1945.

4. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов изд. УФН, 1962.

5. Тихонов В.И. Характеристики выбросов случайных процессов изд. Радиотехника и электроника, 1964.

6. ИцхокиЯ.С. Импульсные устройства изд. Сов. Радио, 1959.

7. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника изд. Сов. Радио,1966.

8. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА СНИЖЕНИЯ ЛОЖНЫХ ТРЕВОГ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОПОВЕЩЕНИЯ С АКТИВНЫМИ КАНАЛАМИ КОНТРОЛЯ СРЕД И1. ОБЪЕКТОВ

9. Активные каналы контроля сред, работающие на просвет

10. Структурная схема активных каналов показана на рис. 3.1.1. Антенна1. Передатчик1. К£1. Выбросы газова)1. Циркулятор Антенна

11. На регистратор обнаружитель1. Отражатель1. Объект1. На обнаружительпредварительное, фатальное повышение1. О \ 10 20 30шумы приемника и среды

12. Рис.3.1. Принципы действия активных каналов31.1. Достоинство и недостатки информационно-измерительного радиоканала

13. В таблице 3.1. даны коэффициенты поглощения для некоторых газов в зависимости от рабочей длины волны радиоканала.