автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Модели и алгоритмы локализации и классификации нарушителей в системах охраны периметра предприятия на основе данных сейсмических датчиков

На правах рукописи

КОСТЕНКО КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ И КЛАССИФИКАЦИИ НАРУШИТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 НОЯ Ш

Дубна-2013

005541311

Работа выполнена на кафедре «Системный анализ и управление» Института системного анализа и управления Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московской области (ГБОУ ВПО МО) «Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Сеннер Александр Евгеньевич, кандидат физико-математических наук, с.н.с., доцент кафедры «Системный анализ и управление» ГБОУ ВПО МО «Международный университет природы, общества и человека «Дубна», г. Дубна Московской области.

Финкелыптейн Михаил Янкелевич, доктор технических наук, главный научный сотрудник Федерального государственного унитарного предприятия (ФГУП) «Государственный научный центр РФ «ВНИИгеосистем», г. Москва;

Андрианов Дмитрий Евгеньевич, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Информационные системы» Муромского института (филиала) Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования (ФГБОУ ВПО) «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ), г. Муром Владимирской области.

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», г. Воронеж.

Защита состоится «25» декабря 2013 года в 16 часов на заседании диссертационного совета Д212.025.01 при ВлГУ по адресу: г. Владимир, ул. Горького, 87, корпус 1, ауд. 335-1.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ. Автореферат диссертации разослан: «22» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, направлять по адресу совета университета: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, ученому секретарю диссертационного совета Д212.025.01.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

Давыдов Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы и степень ее разработанности

Актуальность исследований в области разработки охранных систем связана с нарастанием политической и экономической нестабильности и в России, и во всем мире.

В современных условиях оснащение периметра эффективной охраной системой является одной из важнейших задач экономической безопасности любого предприятия, начиная от самого малого и заканчивая крупными стратегическими. В случае крупных стратегических предприятий химической, атомной промышленности от эффективности охранной системы зависит также экологическая безопасность прилегающих территорий (предотвращение техногенных катастроф, вызванных терактами).

При функционировании охранной системы и возникновении события нарушения периметра предприятия, оператор сталкивается с задачей принятия решения об адекватной реакции на вторжение. Наличие сведений, характеризующих объект-нарушитель, таких как: его положение, тип, маршрут и скорость движения - повышает информативность системы для оператора и оказывает ему существенную поддержку при принятии решения о выборе средств и сил для соответствующего реагирования на вторжение.

Повышение информативности охранной системы возможно за счет улучшения алгоритмов анализа сигнала, получаемого с сейсмических датчиков. Эффективность данных алгоритмов во многом зависит от уровня помех в принимаемом сигнале, являющихся источником проблем и ложных срабатываний сейсмических систем охраны. Тактико-технические характеристики системы, такие как точность локализации нарушителей, ширина зоны охраны и др., во многом зависят от схемы геометрического размещения датчиков на рубеже охранной системы.

В настоящее время наибольших успехов в области создания сейсмических систем охраны достигли: компания Geoquip (Великобритания), компания Safeguards Technology (США), НИКИРЭТ (Россия, г. Пенза), ОАО «НПК «Дедал» (Россия, г. Дубна), ФГУП ПО «Север» (Россия, г. Новосибирск) и др. В России научные разработки в области сейсмических систем охраны ведутся А.А. Вольсковым, В.А. Дудкиным, С.С. Звежинским, В.А. Ивановым, И.Н. Крюковым, М.А. Райфельдом, А.А. Спектором, Г.К. Чистовой и др. Вопросам создания и анализа сложных промышленных информационных систем, включая проблемы управления системами в условиях переменчивости воздействующих факторов, посвящены ряд работ А.В. Измайлова, А.В. Кострова, С.С. Са-дыкова и др.

Однако разработка, анализ и совершенствование методов и средств повышения качества принимаемых решений в изменчивых условиях эксплуатации систем остается актуальной задачей научных исследований в области создания надежных систем охраны и, прежде всего, для охраны особо важных промышленных объектов.

Объектом исследования являются процессы информационного обеспечения систем охраны промышленных предприятий.

Предметом исследования являются методы и средства анализа, локализации и классификации нарушителей в системах охраны.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение надежности средств локализации и классификации нарушителей в сейсмических системах охраны предприятий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ алгоритмов функционирования сейсмических охранных систем и моделей сейсмических сигналов, порождаемых нарушителями.

2. Создать имитационные модели сейсмических сигналов, генерируемых субъектом-нарушителем, группой людей и транспортными средствами. Разработать программный имитатор сейсмической обстановки в охраняемой зоне.

3. Разработать алгоритмы распознавания нарушителя: идентификация класса/типа нарушителя, определение координат месторасположения, оценка направления и скорости движения.

4. Исследовать влияние топологии и интервалов размещения сейсмических датчиков на характеристики охранной системы: ширина охраняемой зоны, точность определения координат нарушителей, необходимое и достаточное количество датчиков.

5. Разработать методику оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков.

Научная новизна работы

1. Разработана новая экспериментальная методика по оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков, позволившая управлять определенными характеристиками системы, изменяя топологию и интервалы установки датчиков.

2. Предложен нетрадиционный подход к определению координат нарушителя, преимуществами которого перед классическим методом трехточечной звуковой локации являются: повышенная помехозащищенность и меньшая вычислительная сложность.

3. Доказана перспективность использования оригинальных имитационных моделей сигналов, регистрируемых сейсмическими датчиками при нахождении в охраняемой зоне нарушителей таких классов, как человек, группа людей и транспортное средство, достоинством которых перед распространенными аналитическими моделями является гибко настраиваемая вариативность воздействующих факторов.

4. Введены понятия классификационных признаков, содержащихся в сигнале единичного сейсмического датчика: коэффициент заполнения выборки полезным сигналом, энергия сигнала в выборке, характеристики спектра огибающей сигнала - анализ которых позволяет разделять нарушителей периметра на три класса.

Теоретическая значимость работы

1. Доказана методика, позволяющая оптимизировать схему размещения сейсмических датчиков, расширяющая границы применимости полученных результатов проведенного исследования зависимости характеристик системы от геометрического расположения датчиков.

2. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в т.ч. методов системного анализа, математической статистики, имитационного моделирования.

3. Изложены факторы, оказывающие влияние на надежность обнаружения, локализации и классификации нарушителей по данным, получаемым с сейсмодатчиков.

4. Выявлены новые проблемы, связанные с неоднородностью точности локализации нарушителей в различных точках площади охраняемой зоны.

5. Изучены взаимосвязи характеристик охранной системы предприятия со схемой расстановки датчиков на рубеже периметра охраны.

6. Проведена модернизация существующих математических моделей сигналов, регистрируемых сейсмическими датчиками при нахождении в охраняемой зоне нарушителей таких классов, как человек, группа людей и транспортное средство, что позволило гибко настраивать вариативность воздействующих факторов.

Практическая значимость работы

1. Разработаны и внедрены в производственный и опытно-конструкторский процесс ОАО «Приборный завод «Тензор» (г. Дубна) программный имитатор сейсмических сигналов, использующийся для отладки и испытания программного обеспечения

сейсмических охранных систем; и методика оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков, обеспечивающая возможность минимизации стоимости охранной системы.

2. Определены перспективы практического использования разработанных алгоритмов локализации и классификации нарушителей в условиях охраны промышленных предприятий.

3. Создана система практических рекомендаций по повышению надежности средств локализации и классификации нарушителей в сейсмических системах охраны предприятий.

4. Представлены предложения по дальнейшему улучшению качества информации о нарушителе, предоставляемой охранной системой оператору для поддержки принятия решений.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методология и методы системного анализа, математической статистики, имитационного моделирования, теории принятия решений и программирование на языках высокого уровня.

Положения, выносимые на защиту

1. Имитационные модели сейсмических сигналов, обеспечивающие генерацию информационных сигналов от человека, группы людей и транспортного средства, поступающих с сейсмических датчиков.

2. Алгоритмы разделения нарушителей по сигналу единичного сейсмического датчика на три класса: человек, группа людей и транспортное средство - обладающие инвариантностью результатов в условиях изменчивости сезонных, погодных явлений или свойств грунта.

3. Алгоритм определения координат нарушителя, позволяющий снизить влияние шума на точность определения координат за счет механизма формирования итоговой оценки, основанного на усреднении данных по совокупности четверок датчиков, регистрирующих нарушителя.

4. Методика оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков, обеспечивающая проектировщику системы возможность выбора топологии и интервалов установки датчиков, исходя из заданных характеристик системы, с целью минимизации ее стоимости.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность результатов работы обусловлена системной проработкой проблемы, достоверностью применяемых методов. Для экспериментальных работ показана воспроизводимость результатов исследования в различных условиях. Теория построена на известных, проверяемых данных, согласуется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации. Имеет место качественное совпадение авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике. Использованы современные методики сбора и обработки исходной информации.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. II Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов «Информационные системы и технологии 2009» (г. Обнинск, 2009).

2. VI Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий» (г. Новосибирск, 2012).

3. XVI Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы современной науки» (г. Таганрог, 2012).

4. XV Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий» (г. Новосибирск, 2013).

5. Научные семинары кафедры системного анализа и управления Международного университета природы, общества и человека «Дубна».

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 3 - статьи в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК Министерства образования и науки РФ. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами по каждой главе, заключения, списка литературы, включающего 146 наименований, и приложения. Общий объем диссертации 150 страниц, включая 9 таблиц и 51 рисунок.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены предметная область, цель и задачи, решаемые в работе. Приведены основные результаты, достигнутые в работе, указана научная новизна, теоретическая и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Системы охраны периметра предприятия. Сейсмические системы охраны» введены основные понятия предметной области, приведены и проанализированы общие требования к системам охраны периметров.

Для обеспечения безопасности предприятия требуется применение нескольких систем различного функционального назначения - охранных, пожарных, видеонаблюдения, контроля и управления доступом и т.д. В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к интеграции перечисленных систем безопасности различного назначения в единые комплексы - интегрированные комплексы безопасности.

Структурная схема интегрированного комплекса безопасности предприятия приведена на рисунке 1. Все составляющие данного комплекса системы объединены единой информационно-коммуникационной средой, которая обеспечивает их взаимодействие при выполнении глобальной задачи обеспечения безопасности предприятия.

Рисунок 1. Интегрированный комплекс безопасности предприятия.

На сегодняшний день существует множество различных систем охраны периметров, которые можно разделить по физическому принципу обнаружения на радиолучевые, инфракрасные, емкостные, магнитометрические, сейсмические и др; по излучению энергии - на активные и пассивные; по способу установки - на маскируемые и заградительные (рисунок 2).

Системы охраны на основе сейсмодатчиков относятся к классу маскируемых систем, что дает им существенно большую тактическую эффективность, чем у видимых

заградительных, особенно для обнаружения подготовленных нарушителей. Из-за скрытой подземной установки они значительно более устойчивы к саботажу или дистанционному выведению из строя (например, выстрелом).

Данные системы имеют пассивный принцип обнаружения, не излучая энергию в окружающее пространство. Это обеспечивает их радиомаскируемость, и затрудняет выявление их физического принципа действия подготовленными нарушителями. Благодаря пассивному принципу действия они имеют меньшее энергопотребление, что является существенным фактором при охране протяженных объектов.

Рисунок 2. Классификация периметровых охранных систем.

По сравнению с системами, основанными на других физических принципах, сейсмические системы, как правило, имеют меньшую погонную стоимость, существенно меньше нуждаются в техобслуживании, не предъявляют жестких требований к неровностям рельефа, прямой видимости (условиям распространения радиоволн).

По совокупности данных факторов сейсмические системы отлично подходят для охраны периметра крупных стратегических предприятий. Однако, для увеличения надежности (когда это бывает необходимо) целесообразно комбинировать в составе комплекса охраны несколько систем, основанных на разных физических принципах.

В главе раскрывается проблема выбора типа и модели охранной системы для конкретного объекта. Описаны характерные особенности сейсмических систем охраны на дискретных (точечных) датчиках, принципы сигналообразования, фазы обработки сигналов в таких системах. Приведена модель типичного нарушителя, на которую обычно опираются разработчики охранных систем.

Особо отмечается важность повышения информативности охранной системы для оператора путем предоставления дополнительной информации о нарушителе. В отсутствие информации о нарушителе оператору (являющемуся лицом, принимающим решение - ЛПР) сложно оценить степень важности и опасности такого события. В случае охраны малого предприятия, можно оперативно осуществить визуальный осмотр периметра. Но при охране территориально больших промышленных и стратегических объектов актуально получение дополнительных данных о нарушителе (нарушителях) для оперативного принятия адекватных мер реагирования.

Информация о нарушителе, такая как его положение и класс, направление и скорость движения, помогает оператору принять решение о составе и количестве сил для противодействия вторжению, а также указать конкретное место для их выдвижения.

Наблюдение за динамикой поведения объекта-нарушителя позволяет идентифицировать нетревожные срабатывания, неизбежно возникающие при работе охранной сис-

темы. Например, обусловленные индустриальными помехами, погодными явлениями и т.п.

Материалы главы дают представление об объекте и предмете исследования и обосновывают цель диссертационной работы - необходимость повышения надежности средств локализации и классификации нарушителей в сейсмических системах охраны предприятий.

Во второй главе «Имитационное моделирование информационных сигналов с сейсмических датчиков» описаны разработанные имитационные модели сейсмических сигналов, порождаемых типичными классами нарушителей: человеком, группой людей и транспортным средством (ТС) - и обоснована их адекватность. Рассмотрены основные функции разработанного программного имитатора, позволяющего генерировать сигналы, порождаемые нарушителями. Данные модели и имитатор используются для исследования разрабатываемых алгоритмов локализации и классификации нарушителей.

Модель сейсмического сигнала, порождаемого идущим человеком

Временной сигнал, исходящий с сейсмического датчика при движении человека по поверхности земли, имеет импульсный характер. Импульсы возникают в моменты соприкосновения ног человека с поверхностью и имеют амплитуду, зависящую от массы человека и его удаления от сейсмического датчика. Спектр сейсмических полезных сигналов от человека лежит в основном в диапазоне частот 1-50 Гц, с максимумом в районе 2-5 Гц.

Каждый отсчет сигнала (измеренное значение) в момент времени иД/ представляет собой сумму гармонических составляющих (1):

N

3(п) = *т(2тп IЫ). (1)

/=1

Коэффициенты а, определяются формулой (2):

а,=(/Д/)2е-^,г- = (1...Ю, (2)

где Д/ = МТ„а,, Тгса1 - длительность принимаемой временной реализации (выборки), ¿V- число отсчетов, к - подбираемый коэффициент, обеспечивающий «идентичность» временного сигнала, наблюдаемому при работе с реальными датчиками. Выражение (2) позволяет учесть дисперсионные свойства среды распространения сигнала (высокие частоты затухают сильнее, чем низкие).

Импульсное увеличение амплитуды, возникающее в момент удара ноги о поверхность, начинающееся с кц-\'а момента времени и продолжающееся М отсчетов, достигается изменением коэффициентов а, (2) в соответствии с законом (3). Число М задается исходя из длительности импульсов, наблюдаемой в записях натурных экспериментов, и является случайной величиной, распределенной по нормальному закону с математическим ожиданием равным 0,2 сек.

ак = -, к = (к0...к0 + М). (3)

^шах

Здесь ашя- максимальное значение числителя данного выражения, у - коэффициент, обеспечивающий формирование импульсного сигнала.

Полученный импульс имеет единичную амплитуду и умножается на коэффициент, зависящий от заданной массы объекта-нарушителя. Неравномерность хода (различная сила ударов при ходьбе) и неоднородность поверхности учитываются путем умножения на случайный множитель, распределенный по нормальному закону с математическим ожиданием равным 1.

Сгенерированные временные отсчеты, содержащие импульс сигнала, периодически продолжаются во времени. Частота повторения сигнала определяется формулой (4):

а> = а -VIЬ, (4)

где V - скорость человека, Ь - длина его шага, а - случайный коэффициент, распределенный по нормальному закону с математическим ожиданием равным 1, учитывающий неравномерность хода. В результате формируется временная выборка, состоящая из т импульсов, длительностью равной времени опроса системы.

В зависимости от удаления объекта-нарушителя от сейсмического датчика учитывается ослабление амплитуды сигнала за счет затухания в среде и за счет цилиндрического закона распространения волны. При этом рассчитанный для выборки набор коэффициентов а, (2) изменяется в соответствии с законом (5):

а

= (5)

где р - коэффициент километрического затухания, а - степень закона распространения сигнала в среде, /-, - расстояние от объекта-нарушителя до датчика,

I) = -х)2 +0>, -у)2 ■ х/,у, - координаты объекта, х ,у- координаты датчика.

К синтезированному таким образом сигналу добавляется шум, распределенный по нормальному закону, амплитуда которого определяется заданным обратным отношением сигнал/помеха.

Совокупность приведенных математических формул, последовательность и условия их применения составляют имитационную модель сейсмического сигнала, порождаемого идущим человеком.

Модель сейсмического сигнала, порождаемого идущей группой людей

Модель сейсмического сигнала, порождаемого группой людей, базируется на описанной в предыдущем разделе модели сигнала от человека. Отличие состоит в том, что группа представляет собой объект, который движется с определенной скоростью, но каждый член группы в силу индивидуальных особенностей (длина шага, вес) вносит в сигнал свой вклад. Поэтому сигнал формируется для каждого члена группы, а затем суммируется с учетом различия весов и частоты следования шагов.

Характерные особенности модели сигнала от группы людей по сравнению с моделью сигнала от одного человека:

• амплитуда сигнала в среднем выше, чем у сигнала от одного человека;

• в спектре огибающей сигнала (см. главу 3) наблюдаются гармоники, соответствующие частотам шагов каждого члена группы.

Модель сейсмического сигнала, порождаемого транспортным средством

Сигнал, возникающий на датчиках при движении ТС, обусловлен контактом шин с грунтом и передачей грунту механических вибраций двигателя и трансмиссии. Таким образом, сигнал состоит, соответственно, из шумовой и тональной компонент.

Модель сейсмического сигнала от ТС основана на следующих положениях:

• Контакт элементов протектора шин с частями грунта носит случайный характер. Поэтому сигнал, поступающий с датчиков, носит характер равномерно распределенной помехи высокого уровня. Однако в отличие от обычной помехи, амплитуда сигнала зависит от дистанции до датчиков.

• В спектре сигнала от ТС наблюдаются мощные высокочастотные гармоники, появление которых случайно во времени и обусловлено режимами работы механизмов. Данные гармоники появляются в процессе наблюдения за ТС в спектре сигнала вместе со своими высшими гармониками (либо обертонами).

• Уровень сигнала гораздо выше по сравнению с человеком и группой, что обусловлено большим весом ТС.

При формировании выборки сигнала каждый отсчет представляет собой сумму гармонических составляющих (6):

5(0 = от£>т(2/п/, /Л0,г = (1...ЛГ), (6)

м

где N - длина выборки, т - коэффициент, зависящий от массы ТС, / - задаваемый набор частот дискретных составляющих спектра.

К полученной выборке добавляется шумовая компонента с уровнем, соответствующим заданной массе ТС.

В зависимости от удаления ТС от датчика учитывается ослабление амплитуды сигнала за счет затухания в среде и за счет цилиндрического закона распространения волны. Для этого каждый отсчет сигнала умножается на коэффициент (7):

¿,=<ГЛ//;а, (7)

где обозначения величин аналогичны формуле (5).

К синтезированному таким образом сигналу добавляется шум, распределенный по нормальному закону, амплитуда которого определяется заданным обратным отношением сигнал/помеха.

Адекватность моделей характеристикам реальных сигналов

Цель моделирования - получить информационный сигнал с сейсмического датчика при конкретном наборе внешних условий (тактической ситуации) по существенным характеристикам приближенный к наблюдаемому в действительности.

С точки зрения цели диссертационного исследования существенными характеристиками сигнала являются: форма импульсов; частота следования импульсов (зависящая от скорости передвижения и длины шагов); амплитуда импульсов (связанная с массой объекта-нарушителя и его удалением от датчика); спектральные характеристики, соответствующие различным классам нарушителей; уровень зашумленности сигнала.

Большая часть характеристик сигналов основывается на физических признаках объектов-источников сигналов, таких как скорость передвижения, длина шагов, масса и др., а также на свойствах среды распространения сигналов - скорости распространения волн, их затухании, уровне зашумленности. Данные характеристики хорошо изучены и описаны математически, поэтому, обоснование адекватности моделей в части соответствия этим характеристикам не требуется.

Трудность численной оценки степени адекватности описанных моделей возникает из-за стохастической природы самого моделируемого объекта - информационного сигнала с сейсмического датчика. Кроме того, для статистической оценки адекватности моделей необходимо иметь большой набор экспериментальных данных, полученных в строго определенных условиях, что в рамках данного исследования было невозможно. Поэтому, адекватность предлагаемых моделей проверялась, контролировалась, уточнялась в процессе исследования на частных примерах, аналогиях, экспериментах. Критерием адекватности являлось качественное соответствие результатов исследования с использованием модельных сигналов и записей натурных экспериментов.

Необходимость доказательства адекватности данных моделей имеется лишь в части способности несения классификационных признаков, характерных для различных нарушителей. Признаки 1 и 2 - коэффициент заполнения выборки полезным сигналом и энергия сигнала в выборке опираются на параметры импульсного сигнала: длительность и амплитуду импульсов, период их повторения. Возможное несоответствие моделей характеристикам реальных сигналов может наблюдаться в длительности и ампли-

туде импульсов, что приведет к различию пороговых значений, разделяющих нарушителей на классы. Однако данные пороговые значения в любом случае должны подбираться на этапе установки и калибровки охранной системы для подстройки под конкретный тип датчиков и особенности места установки: характеристики ландшафта, наличие источников излучения и т.п.

Спектры модельных сигналов (третий признак) получаются «чище» реальных из-за большей детерминированности сигналов. Однако, как и в случае анализа экспериментальных данных, в спектре модельного сигнала от одного человека основной дискретной составляющей является частота его шагов, в спектре сигнала от группы - набор дискретных составляющих, соответствующих частотам каждого члена группы, а спектр сигнала от ТС содержит набор высокочастотных гармоник.

Изложенные обстоятельства и сравнение полученных результатов с использованием модельных сигналов и записей натурных экспериментов обосновывают адекватность разработанных моделей существенным для данного исследования характеристикам сигналов.

Программный имитатор сейсмических сигналов

Для использования в качестве инструмента исследования описываемых далее алгоритмов классификации нарушителей разработан программный имитатор сейсмической обстановки в охраняемой зоне. Он обеспечивает генерацию сигналов для каждого датчика системы на основании разработанных моделей в соответствии с воспроизводимой тактической ситуацией.

Основными функциями имитатора являются:

• Формирование геометрии системы датчиков.

• Задание траекторий движения нарушителей.

• Создание сценариев поведения нарушителей.

• Задание индивидуальных параметров нарушителей и параметров среды.

• Генерация сигналов и создание их записей для последующей обработки.

Результатами второй главы являются разработанные модели сейсмических сигналов, позволяющие воспроизводить информационные сигналы от человека, группы людей и ТС, поступающие с сейсмических датчиков. Создан инструмент для исследования разрабатываемых алгоритмов классификации нарушителей - имитатор сейсмических сигналов, представляющий также практическую ценность для научно-прикладных исследований и отладки комплекса программного обеспечения охранной системы. На имитатор получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

В третьей главе «Алгоритмы идентификации класса нарушителя» рассматриваются разработанные алгоритмы классификации объектов-нарушителей в охраняемой зоне. Сведения о классе нарушителя повышают информативность охранной системы для оператора.

Разработанные алгоритмы классификации основаны на анализе классификационных признаков, содержащихся в сигнале единичного сейсмического датчика. Рассмотрено три классификационных признака: 1) коэффициент заполнения выборки полезным сигналом; 2) энергия сигнала в выборке: 3) спектр огибающей сигнала. При исследовании признаков классификации использован разработанный программный имитатор сейсмических сигналов.

Первые два алгоритма используют параметры импульсного сигнала, которые не изменяются в зависимости от сезона, погодных явлений или свойств грунта, что выгодно отличает их от традиционного подхода к классификации, основанного на анализе спектральных портретов сигнала.

Алгоритм классификации, основанный на вычислении коэффициента заполнения выборки полезным сигналом

Сигнал от человека, получаемый с сейсмического датчика, имеет импульсный характер. Данный алгоритм опирается на характеристику скважности (отношение периода следования импульсов к их длительности) импульсного сигнала.

Коэффициент заполнения выборки полезным сигналом показывает, какую долю времени во взятой выборке занимает полезный сигнал. Полезным сигналом считается сигнал, превысивший некоторое пороговое значение, характерное для шумовой составляющей (помехи).

Алгоритм расчета коэффициента заполнения состоит из следующих шагов. Данные преобразования применяется к каждой реализации (выборке) временного сигнала. В формулах используется двойная индексация переменных. Нижний индекс обозначает номер отсчета (измерения), верхний служит для обозначения номера преобразования, которому подвергается сигнал.

Шаг 1. Центровка сигнала, получаемого с датчика, путем вычисления среднего значения сигнала в выборке, а затем вычитания этого значения из каждого отсчета. Значение /-го отсчета определяется по формуле (8):

(8)

где - значение отсчета, полученное с датчика, N - число отсчетов в выборке.

Шаг 2. Перевод сигнала в область положительных значений, взяв модуль (9):

(9)

Шаг 3. Вычисление значения шумового порога сигнала данной реализации как среднее квадратичное ее отсчетов (10):

р (Ю)

Шаг 4. Сглаживание колебаний сигнала, методом скользящей средней - 5"/.

Шаг 5. Обнуление тех отсчетов, которые не проходят шумовой порог, - получение полезного сигнала - 5/.

Шаг 6. Расчет значения коэффициента заполнения как отношение количества отсчетов больших нуля к длине реализации (11):

^ = >0)Д. (11)

Результаты по данному алгоритму классификации представлены в графическом виде на рисунке 3. Приведены зависимости коэффициента заполнения выборки от реализации для различных нарушителей, проходящих мимо сейсмического датчика. Каждая кривая рассчитана по 10 записям сигнала с последующим усреднением.

В области чувствительности датчика значения данного коэффициента для различных нарушителей распределены по уровням. Поэтому, данный алгоритм позволяет уверенно разделить сигналы от всех нарушителей по пороговому значению.

Алгоритм классификации, основанный на вычислении энергии сигнала в выборке

Существенными характеристиками сигнала для данного алгоритма являются амплитуда и скважность импульсов. Под энергией сигнала в выборке понимается сумма квадратов отсчетов полезного сигнала. Алгоритм расчета энергии сигнала:

Шаг 1. Центровка сигнала путем вычисления среднего значения сигнала в выборке и вычитания этого значения из каждого отсчета (12):

Шаг 2. Вычисление значения шумового порога (13):

р

Шаг 3. Обнуление тех отсчетов, которые не проходят шумовой порог, полезного сигнала - 5,2.

Шаг 4. Расчет значения энергии как сумма квадратов отсчетов (14):

N

\2

(13)

получение

О 2 4 6 9 10 12 14 1 6 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 Номер реализации

Рисунок 3. Значения коэффициента заполнения выборки для различных нарушителей.

Установлено, что уровень энергии сигнала от малых групп (до 14 человек) при увеличении численности членов возрастает линейно, т.к. каждый член группы привносит в результирующий сигнал долю энергии, соответствующей его массе. Энергия сигнала от группы из двух человек превышает энергию сигнала от одного человека более чем на 50%. что позволяет различать данные классы.

Энергия сигнала от ТС из-за его большой массы значительно выше энергии сигнала от одного человека и малых групп. Поэтому данные классы различимы по пороговому значению.

Алгоритм классификации, основанный ни анализе спектра огибающей сигнала

Под огибающей сигнала понимается абсолютное значение сигнала за N последовательных временных реализаций (N=5+10, общая длина выборки -5+10 сек). Под спектром огибающей сигнала понимается разложение выборки сигнала на гармоники с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ). Алгоритм получения спектра огибающей сигнала состоит из следующих шагов:

Шаг 1. Центровка сигнала путем вычисления среднего значения сигнала в выборке и вычитания этого значения из каждого отсчета (15):

$ =5," N.

(15)

Шаг 2. Перевод сигнала в область положительных значений, взяв его модуль(16):

(16)

Шаг 3. Применение процедуры БПФ к сигналу

Спектр сигнала от человека (рисунок 4,а) характеризуется тем, что его основной гармоникой является частота шагов. Данная гармоника со своими обертонами составляет «звукоряд» сигнала от человека.

В случае рассмотрения сигнала от группы (рисунок 4,6) его результирующий спектр будет состоять из набора звукорядов отдельных членов группы.

В спектре сигнала от ТС (рисунок 4,в) присутствуют мощные высокочастотные гармоники, обусловленные работой механизмов.

а) частота, Гц ^ частота, Гц в) частота, Гц

Рисунок 4. Спектры огибающей сигнала: а—человека, б—группы из двух человек, в—ТС.

Характерным классификационным признаком является отношение амплитуды наиболее выраженной гармоники спектра к нулевой гармонике БПФ. На рисунке 5 приведены величины данного отношения для различных классов нарушителей.

Величина данного отношения для одного человека превышает значение для группы из двух человек на 50%, что позволяет различать данные классы. Группы небольшой численности отличаются от ТС по пороговому значению. 0,5

Рисунок 5. Отношение наиболее выраженной гармоники спектра к нулевой гармонике БПФ для различных объектов.

Данный алгоритм классификации основан на следующих положениях:

• спектр сигнала, создаваемого ТС, отличается от спектра сигнала от людей по наличию выраженных гармоник в области верхних частот;

• спектр сигнала от одного человека содержит один звукоряд, соответствующий частоте шагов;

• в спектре сигнала от группы будут наблюдаться гармоники из разных звукорядов, а, следовательно, не кратные какой-то одной частоте;

• величина отношения наиболее выраженной гармоники спектра к нулевой гармонике БПФ для человека больше, чем для группы и ТС;

• величина отношения наиболее выраженной гармоники спектра к нулевой для групп небольшой численности больше, чем для ТС.

Основные результаты третьей главы показывают возможность разделения объектов-нарушителей на три класса по сигналу единичного датчика (таблица 1). Галочками обозначена возможность разделения нарушителей алгоритмом классификации, использующим соответствующий признак.

Классификац. СравнивТ~~~~-~-^_признак классы — Коэффициент заполнения выборки Энергия сигнала в выборке Спектр огибающей сигнала

Человек — Группа ■/ ✓ ^

Человек - ТС ✓ V

Группа - ТС ✓ ✓

Рассмотренные алгоритмы классификации применимы в системах охраны периметра предприятия при выполнении следующих условий:

• от места установки сейсмодатчиков до производственных корпусов, электрических подстанций, других источников сильных индустриальных помех должно быть расстояние не менее 50 м (двойной радиус действия датчика);

• для характерных помех, возникающих в ходе производственного процесса, должны быть специально разработаны фильтры, и сигнал, получаемый с сейсмодатчиков, должен быть предварительно очищен с применением этих фильтров;

• необходимо разработать процедуры фильтрации единичных ложных изменений класса наблюдаемого движущегося объекта.

Результаты третьей главы показывают, что разработанные алгоритмы классификации нарушителей позволяют по сигналу единичного сейсмического датчика различать таких нарушителей, как человек, группа людей и транспортное средство.

В четвертой главе «Траекторное сопровождение нарушителей в охраняемой зоне» рассмотрены разработанные алгоритмы определения координат, скорости и направления движения нарушителей, предоставляющие оператору дополнительную информацию для принятия решения.

Определение координат нарушителя

Классическая схема низкочастотной звуковой локации базируется на принципе триангуляции, согласно которому, показаний трех датчиков достаточно для вычисления координат источника сигнала. Однако при этом нахождение решения возможно только численными методами.

Введение в расчеты четвертого датчика и составление переопределенной системы уравнений позволяет получить аналитическое решение. При этом уменьшается вычислительная сложность алгоритма, а, следовательно, снижается время реакции системы. Кроме того, уменьшается вероятность образования ложного события за счет шума, что обусловливает повышенную помехоустойчивость четырехточечной схемы локации.

Для расчета координат нарушителя необходимо решить систему уравнений (17):

ы -У,)2 = С(/, -'о)

-■ь)2+(ус = сиг -'о)

-*3 )2+(.Ус ~Уъ )2 = С(* з -'о)

-у4)2 = С(г4 -и

где (х,,у,\ (х_,,у2), (.х3,у3)• {х4,У-д - координаты датчиков, (хс,ус) - искомые координаты нарушителя, С - скорость распространения волны в грунте, Г/, ^ - задержки прихода волны на датчики относительно выбранного момента

Приведено решение системы уравнений (17), позволяющее получить координаты нарушителя.

Формирование итоговой оценки координат нарушителя

Так как одновременно регистрировать нарушителя могут более четырех датчиков, производится расчет координат по всем комбинациям четверок. Поэтому в каждый момент положению нарушителя будет соответствовать несколько оценок координат. Из совокупности данных оценок необходимо получить одну итоговую оценку.

Проанализировано три варианта формирования итоговой оценки: 1) вычисление среднего арифметического координат всех оценок; 2) вычисление медианы координат оценок; 3) вычисление среднего арифметического координат оценок с предварительным отсевом выбросов с применением критерия Граббса.

Характеристиками сравнения различных вариантов формирования итоговой оценки координат нарушителя являются (таблица 2): среднеквадратичное отклонение (СКО) итоговых оценок координат от реальной траектории, максимальное отклонение итоговых оценок от реальной траектории, вычислительная сложность алгоритмов (зависящая от п - количества оценок координат).

Таблица 2. Сравнительные характеристики вариантов формирования итоговой оценки

Характеристика

Вариант

СКО итоговых оценок от реальной траектории

Макс. откл. итоговых оценок от реальн.траектории

В ычислите льная сложность алгоритма

/. Среднее арифметическое

3.75 м

43.5 м

п

2. Медиана

0.18 м

0.54 м

2 п /о% п

3. СА + критерий Граббса

0.14 м

0.39 м

3 п

Проведенный анализ свидетельствует о том, что по совокупности характеристик (а главным образом по точности) лучшим является способ формирования итоговой оценки на основе среднего арифметического с применением критерия Граббса.

Разработанный алгоритм определения координат нарушителя может использоваться в системах охраны периметра предприятия при соблюдении следующих условий:

• расстояние не менее 50 м от места установки сейсмодатчиков до производственных корпусов, электрических подстанций и т.д.;

• предварительная очистка сигнала с помощью фильтров производственных помех;

• необходимо разработать процедуры фильтрации появления ложных целей, обусловленных импульсными помеховыми воздействиями.

Определение скорости и направления движения нарушителя

Направление движения нарушителя в текущий момент определяется вектором, проведенным из точки его предыдущего положения в точку текущего (18):

3=(х1-х,^,у,-у1_1). (18)

Здесь (хь V,) - текущие координаты нарушителя, у,.,) - предыдущие координаты.

Скорость вычисляется как расстояние между соседними рассчитанными координатами нарушителя деленное на период опроса системы (19):

Разработанные алгоритмы предоставляют оператору дополнительную информацию для принятия решения - координаты, скорость и направление нарушителей.

Результаты четвертой главы показывают, что разработанный алгоритм определения координат нарушителя позволяет снизить влияние шума на точность определения координат за счет механизма формирования итоговой оценки, основанного на усреднении данных по совокупности четверок датчиков, регистрирующих нарушителя.

В пятой главе «Зависимость характеристик системы от геометрического расположения датчиков» определено влияние геометрического расположения сейсмических датчиков на характеристики системы, в т.ч. связанные ее информативностью. Описана разработанная методика оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков.

В связи с ограниченным радиусом действия сейсмических датчиков, от расстояния их установки относительно друг друга зависят такие характеристики охранной системы, как ширина зоны обнаружения, точность определения координат, отсутствие слепых зон и т.д. При проектировании и промышленном изготовлении охранной системы необходимо найти баланс между требуемыми тактико-техническими характеристиками и стоимостью аппаратной части, установки и дальнейшей эксплуатации системы.

Рассмотрены три типичные топологии установки датчиков: в две линии в шахматном порядке, в две линии без смещения, в три линии в шахматном порядке. Проведен численный эксперимент по расчету значений характеристик системы при различных топологиях и интервалах установки датчиков.

Топология в две линии в шахматном порядке позволяет за счет уменьшения ширины зоны определения координат минимизировать количество датчиков, что мало сказывается на точности определения координат, но снижает стоимость системы. Установка датчиков в две линии без смещения позволяет в определенных случаях добиться несколько большей точности определения координат в сравнении с первым вариантом. Преимуществом использования топологии установки датчиков в три линии в шахматном порядке является то обстоятельство, что при наибольшей ширине зоны определения координат рассчитанная точность определения координат выше по сравнению с другими топологиями.

Результаты численного эксперимента приведены в приложении А к диссертации в виде таблицы 3. Где для каждой топологии и каждой пары горизонтального и вертикального интервалов установки датчиков приведены значения характеристик системы.

Таблица 3. Характеристики системы при различных топологиях и интервалах уста-

новки сейсмических датчиков.

1. Две линии, шахматная 2. Две линчи, без смещения 3. Три линии, шахматная

<1х, м с!у, м IV, м А, м 1% А, м 3% & шт <4, м с1у, м IV, м А, м 1% А, м 3% Я, шт с1х, м Лу, м м А, м 1% А, м 3% Я, шт

5 25 23.7 0.15 0.45 200 11 25 23.6 0.11 0.38 180 10 8 37.8 0.13 0.40 150

5 26 22.7 0.13 0.34 200 И 26 22.6 0.10 0.32 180 10 9 37.8 0.13 0.38 150

Обозначения: <!„ с1у - интервалы установки датчиков: (С - ширина зоны определения координат; А - точность определения координат при уровнях ошибки 5=± 1 % и 5=±3%; (2 - количество датчиков на километр периметра охраны.

Методика оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков

Полученные результаты явились основой для разработки методики, позволяющей проектировщику охранной системы оптимизировать размещение датчиков (топологию и интервалы) с учетом заданных характеристик системы с целью минимизации ее стоимости.

Применение методики:

1. Выбор данных из таблицы, удовлетворяющих априорным ограничениям на параметры системы.

2. Определение наиболее значимого показателя системы и выбор вариантов, где данный показатель близок к оптимальному.

На этом этапе опытный проектировщик часто сможет путем простого перебора выбрать оптимальное решение. Но если необходимо найти взвешенное решение по всем показателям, то:

3. Определить критерий оптимизации, являющийся целевой функцией рассматриваемых показателей. Предлагается использовать аддитивный критерий оптимизации равный сумме произведений нормированных значений показателей р¡, р2, рз на приписанные каждому показателю веса и*;, м>з (20):

/(Р\-Р2'Ръ) = +Р2™2 +РзЩ- (20)

Приведен способ нормировки показателей. Распределение весов между показателями осуществляется лицом, принимающим решение. Максимум целевой функции соответствует оптимальным характеристикам системы.

Результатом пятой главы является разработанная методика оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков, обеспечивающая проектировщику системы возможность выбора топологии и интервалов установки датчиков с целью минимизации стоимости системы.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты работы:

1. Проведен анализ предметной области систем охраны периметров. Указаны достоинства систем охраны периметра предприятия на основе дискретных сейсмических датчиков. Описаны принципы сигналообразования, фазы обработки сигналов в таких системах. Рассмотрены вопросы, связанные с информативностью системы для оператора, и отмечена необходимость разработки моделей и алгоритмов локализации и классификации нарушителей.

2. Разработаны имитационные модели сейсмических сигналов, порождаемых типичными классами нарушителей: человеком, группой людей и ТС. Модели обеспечивают описание с достаточной адекватностью важнейших характерных особенностей сигналов, порождаемых нарушителями. Разработанный на основе данных моделей имитатор сейсмических сигналов представляет значительную практическую ценность, как для исследователя, так и для разработчика.

3. Разработаны алгоритмы идентификации нарушителей трех классов: человека, группы людей и ТС. Алгоритмы основаны на анализе классификационных признаков объектов-нарушителей, содержащихся в сигнале единичного сейсмического датчика — коэффициента заполнения выборки полезным сигналом, энергии сигнала в выборке и спектра огибающей сигнала. Данные алгоритмы повышают информативность охранной системы предприятия, предоставляя оператору сведения о классе нарушителя.

4. Разработанный алгоритм определения координат нарушителей на основе схемы четырехточечной звуковой локации позволяет снизить влияние шума на точность определения координат за счет механизма формирования итоговой оценки, основанного на усреднении данных по совокупности четверок датчиков, регистрирующих нарушителя. Описаны алгоритмы определения скорости и направления движения нарушителя. Эти алгоритмы повышают информативность охранной системы предприятия и оказывают поддержку оператору при принятии решения о реагировании на тревожное событие.

5. Проведенное исследование влияния геометрического расположения сейсмических датчиков на характеристики системы позволило выработать методические рекомендации для проектировщиков охранных систем по оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков. Оптимизируемыми характеристиками системы являются: точность определения координат нарушителя, ширина зоны определения координат и количество датчиков на километр периметра охраны. Разработанная методика обеспечи-

вает возможность минимизации стоимости проектируемой системы с учетом заданных характеристик.

В приложении приведены данные проведенного численного эксперимента, отражающие характеристики охранной системы при различных вариантах пространственного расположения сейсмических датчиков; копия свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ; акт о внедрении научных результатов диссертации.

ПУБЛИКАЦИИ В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК

1. Костенко, К. В. Классификация объектов в сейсмических системах охраны [Текст] / К. В. Костенко, В. Ф. Шевцов // Информационно-управляющие системы. -2009. - №3. - С. 2-6. (Соискатель - 75%).

2. Костенко, К. В. Имитатор сейсмических сигналов для систем охраны [Текст] / К. В. Костенко, В. Ф. Шевцов // Системы высокой доступности. - 2010. - №1. - С. 5564. (Соискатель - 70%).

3. Костенко, К. В. Траекторное сопровождение целей в сейсмических системах охраны [Текст] / К. В. Костенко, В. Ф. Шевцов // Контроль. Диагностика. - 2010. - №11. - С. 19-25. (Соискатель - 80%).

ПУБЛИКАЦИИ В ЖУРНАЛАХ, СБОРНИКАХ И МАТЕРИАЛАХ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ КОНФЕРЕНЦИЙ

4. Костенко, К. В. Об оптимальном расположении сейсмических датчиков на рубеже охраны предприятия [Электронный ресурс] / К. В. Костенко, А. Е. Сеннер // Системный анализ в науке и образовании: сетевое научное издание. - 2013. - №3.1ЖЬ: http://sanse.ru/archive/29. (Соискатель - 80%).

5. Костенко, К. В. Методика оптимизации расположения точечных датчиков в сейсмических системах охраны [Текст] / К. В. Костенко // Перспективы развития информационных технологий: сборник материалов VI Международной научно-практической конференции / Под общ. ред. С.С. Чернова. - Новосибирск: Сибпринт, 2012.-С. 27-32.

6. Костенко. К. В. Способы получения итоговой оценки координат нарушителя в сейсмических системах охраны на дискретных датчиках [Текст] / К. В. Костенко // Актуальные вопросы современной науки: Материалы XVI Международной научно-практической конференции (30 июля 2012 г.): Сборник научных трудов / Научный ред. д.п.н., проф. И. А. Рудакова. -М.: Перо, 2012. - С. 112-117.

7. Костенко, К. В. Система охраны периметра предприятия на основе сейсмических датчиков [Текст] / К. В. Костенко // Перспективы развития информационных технологий: сборник материалов XV Международной научно-практической конференции / Под общ. ред. С.С. Чернова. - Новосибирск: ЦРНС, 2013. -С. 7-12.

СВИДЕТЕЛЬСТВА О ГОСУДАРСТВЕННОЙ РЕГИСТРАЦИИ

8. Имитатор сейсмических сигналов для систем охраны [Текст] / К. В. Костенко // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. - 2012. -№2012617459.

Подписано в печать 19.11.2013. Формат А5. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 191-11-13. Печатный салон ГРиДА принт. ИП Сергеева Л.В. ИНН 501003202145 141983, г.Дубна, Московская область, ул.Кирова, д.26

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московской области (ГБОУ ВПО МО) «Международный университет природы, общества и человека «Дубна»

КОСТЕНКО КОНСТАНТИН ВЛАДИМИРОВИЧ

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ЛОКАЛИЗАЦИИ И КЛАССИФИКАЦИИ НАРУШИТЕЛЕЙ В СИСТЕМАХ ОХРАНЫ ПЕРИМЕТРА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201456447

Научный руководитель: к.ф.-м.н. с.н.с. Сеннер Александр Евгеньевич

Дубна-2013

Посвящается памяти моего первого научного руководителя

Владимира Федоровича Шевцова

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..........................................................................................................................6

Актуальность темы и степень ее разработанности.................................................6

Предметная область исследования...........................................................................7

Цель и задачи диссертационной работы..................................................................8

Научная новизна работы...........................................................................................8

Теоретическая значимость работы...........................................................................9

Практическая значимость работы..........................................................................10

Методология и методы исследования....................................................................10

Положения, выносимые на защиту........................................................................11

Степень достоверности и апробация результатов работы...................................11

Основные результаты работы.................................................................................12

Глава 1. Системы охраны периметра предприятия. Сейсмические системы охраны...........................................................................................................................14

1.1. Общие требования к системам охраны периметра........................................14

1.2. Основные характеристики средств обнаружения..........................................17

1.3. Виды систем охраны периметров. Проблема выбора...................................18

1.4. Сейсмические системы охраны.......................................................................26

1.4.1. Принципы сигналообразования...............................................................29

1.4.2. Фазы информационной обработки сигнала...........................................31

1.4.3. Информативность системы для оператора и способы ее повышения. 37

1.5. Модель типичного нарушителя......................................................................39

1.6. Постановка задачи исследования....................................................................42

Глава 2. Имитационное моделирование информационных сигналов с сейсмических датчиков..............................................................................................45

2.1. Задачи имитационного моделирования..........................................................45

2.2. Имитационные модели сигналов, порождаемых нарушителями.................46

2.2.1. Модель сейсмического сигнала, порождаемого идущим человеком.. 47

2.2.2. Модель сейсмического сигнала, порождаемого идущей группой людей

...............................................................................................................................49

2.2.3. Модель сейсмического сигнала, порождаемого транспортным средством.............................................................................................................49

2.2.4. Модели помех специального типа..........................................................50

2.2.5. Адекватность моделей характеристикам реальных сигналов..............51

2.3. Программный имитатор сейсмических сигналов и его функции................53

2.3.1. Задание геометрии системы датчиков....................................................54

2.3.2. Задание траекторий движения нарушителей.........................................55

2.3.3. Разработка сценариев поведения нарушителей.....................................56

2.3.4. Задание индивидуальных характеристик нарушителей и параметров среды.....................................................................................................................57

2.3.5. Генерация сигналов на датчиках системы.............................................58

2.4. Выводы по главе 2.............................................................................................59

Глава 3. Алгоритмы идентификации класса нарушителя.................................61

3.1. Алгоритм классификации, основанный на вычислении коэффициента заполнения выборки полезным сигналом.............................................................62

3.2. Алгоритм классификации, основанный на вычислении энергии сигнала в выборке......................................................................................................................65

3.3. Алгоритм классификации, основанный на анализе спектра огибающей сигнала.......................................................................................................................69

3.4. Выводы по главе 3.............................................................................................73

Глава 4. Траекторное сопровождение нарушителей в охраняемой зоне.........75

4.1. Алгоритм определения координат нарушителя.............................................75

4.2. Формирование итоговой оценки координат нарушителя.............................81

4.2.1. Варианты формирования итоговой оценки координат.........................83

4.2.1.1. Вычисление среднего арифметического........................................83

4.2.1.2. Вычисление медианы.......................................................................84

4.2.1.3. Вычисление среднего арифметического с применением статистического критерия Граббса..............................................................85

4.2.2. Сравнительная оценка рассмотренных вариантов................................88

4.3. Определение скорости и направления движения нарушителя.....................90

4.4. Выводы по главе 4.............................................................................................91

Глава 5. Зависимость характеристик системы от геометрического расположения датчиков.............................................................................................93

5.1. Топологии установки датчиков.......................................................................94

5.1.1. Топология установки датчиков в две линии в шахматном порядке.... 94

5.1.2. Топология установки датчиков в две линии без смещения................101

5.1.3. Топология установки датчиков в три линии в шахматном порядке.. 108

5.1.4. Сравнительная оценка рассмотренных топологий..............................114

5.2. Методика оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков.......117

5.3. Выводы по главе 5...........................................................................................119

Заключение.................................................................................................................121

Список сокращений и условных обозначений....................................................124

Список литературы...................................................................................................125

Список иллюстративного материала....................................................................139

Приложение А. Характеристики охранной системы при различных

топологиях и интервалах установки сейсмических датчиков.........................143

Приложение Б. Свидетельство о государственной регистрации программы

для электронно-вычислительных машин............................................................149

Приложение В. Акт о внедрении научных результатов диссертации............150

Введение

Актуальность темы и степень ее разработанности

Актуальность исследований в области разработки охранных систем связана с нарастанием политической и экономической нестабильности и в России, и во всем мире.

В современных условиях оснащение периметра эффективной охраной системой является одной из важнейших задач экономической безопасности любого предприятия, начиная от самого малого и заканчивая крупными стратегическими. В случае крупных стратегических предприятий химической, атомной промышленности от эффективности охранной системы зависит также экологическая безопасность прилегающих территорий (предотвращение техногенных катастроф, вызванных терактами).

При функционировании охранной системы и возникновении события нарушения периметра предприятия, оператор сталкивается с задачей принятия решения об адекватной реакции на вторжение. Наличие сведений, характеризующих объект-нарушитель, таких как: его положение, тип, маршрут и скорость движения - повышает информативность системы для оператора и оказывает ему существенную поддержку при принятии решения о выборе средств и сил для соответствующего реагирования на вторжение.

Повышение информативности охранной системы возможно за счет улучшения алгоритмов анализа сигнала, получаемого с сейсмических датчиков. Эффективность данных алгоритмов во многом зависит от уровня помех в принимаемом сигнале, являющихся источником проблем и ложных срабатываний сейсмических систем охраны. Тактико-технические характеристики системы, такие как точность локализации нарушителей, ширина зоны охраны и др., во многом зависят от схемы геометрического размещения датчиков на рубеже охранной системы.

В настоящее время наибольших успехов в области создания сейсмических систем охраны достигли: компания Geoquip (Великобритания), компания

Safeguards Technology (США), НИКИРЭТ (Россия, г. Пенза), ОАО «НПК «Дедал» (Россия, г. Дубна), ФГУП ПО «Север» (Россия, г. Новосибирск) и др. В России научные разработки в области сейсмических систем охраны ведутся А.А. Воль-сковым, В.А. Дудкиным, С.С. Звежинским, В.А. Ивановым, И.Н. Крюковым, М.А. Райфельдом, А.А. Спектором, Г.К. Чистовой и др. Вопросам создания и анализа сложных промышленных информационных систем, включая проблемы управления системами в условиях переменчивости воздействующих факторов, посвящены ряд работ А.В. Измайлова, А.В. Кострова, С.С. Садыкова и др.

Однако разработка, анализ и совершенствование методов и средств повышения качества принимаемых решений в изменчивых условиях эксплуатации систем остается актуальной задачей научных исследований в области создания надежных систем охраны и, прежде всего, для охраны особо важных промышленных объектов.

Предметная область исследования

Объектом исследования являются процессы информационного обеспечения систем охраны промышленных предприятий. Предметом исследования являются методы и средства анализа, локализации и классификации нарушителей в системах охраны.

Системы охраны на основе дискретных сейсмических датчиков (геофонов) скрытно устанавливаются на местности и не излучают энергию в окружающее пространство, что дает им существенное тактическое преимущество перед другими типами охранных систем, заключающееся в сложности их преодоления даже для подготовленных нарушителей. Другим достоинством подобных систем являются относительно невысокая погонная стоимость.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение надежности средств локализации и классификации нарушителей в сейсмических системах охраны предприятий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ алгоритмов функционирования сейсмических охранных систем и моделей сейсмических сигналов, порождаемых нарушителями.

2. Создать имитационные модели сейсмических сигналов, генерируемых субъектом-нарушителем, группой людей и транспортными средствами. Разработать программный имитатор сейсмической обстановки в охраняемой зоне.

3. Разработать алгоритмы распознавания нарушителя: идентификация класса/типа нарушителя, определение координат месторасположения, оценка направления и скорости движения.

4. Исследовать влияние топологии и интервалов размещения сейсмических датчиков на характеристики охранной системы: ширина охраняемой зоны, точность определения координат нарушителей, необходимое и достаточное количество датчиков.

5. Разработать методику оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков.

Научная новизна работы

1. Разработана новая экспериментальная методика по оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков, позволившая управлять определенными характеристиками системы, изменяя топологию и интервалы установки датчиков.

2. Предложен нетрадиционный подход к определению координат нарушителя, преимуществами которого перед классическим методом трехточечной звуковой локации являются: повышенная помехозащищенность и меньшая вычисли!

тельная сложность.

3. Доказана перспективность использования оригинальных имитационных моделей сигналов, регистрируемых сейсмическими датчиками при нахождении в охраняемой зоне нарушителей таких классов, как человек, группа людей и транспортное средство, достоинством которых перед распространенными аналитическими моделями является гибко настраиваемая вариативность воздействующих факторов.

4. Введены понятия классификационных признаков, содержащихся в сигнале единичного сейсмического датчика: коэффициент заполнения выборки полезным сигналом, энергия сигнала в выборке, характеристики спектра огибающей сигнала - анализ которых позволяет разделять нарушителей периметра на три класса.

Теоретическая значимость работы

1. Доказана методика, позволяющая оптимизировать схему размещения сейсмических датчиков, расширяющая границы применимости полученных результатов проведенного исследования зависимости характеристик системы от геометрического расположения датчиков.

2. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс существующих базовых методов исследования, в т.ч. методов системного анализа, математической статистики, имитационного моделирования.

3. Изложены факторы, оказывающие влияние на надежность обнаружения, локализации и классификации нарушителей по данным, получаемым с сейсмо-датчиков.

4. Выявлены новые проблемы, связанные с неоднородностью точности локализации нарушителей в различных точках площади охраняемой зоны.

5. Изучены взаимосвязи характеристик охранной системы предприятия со схемой расстановки датчиков на рубеже периметра охраны.

6. Проведена модернизация существующих математических моделей сигналов, регистрируемых сейсмическими датчиками при нахождении в охраняемой

зоне нарушителей таких классов, как человек, группа людей и транспортное средство, что позволило гибко настраивать вариативность воздействующих факторов.

Практическая значимость работы

1. Разработаны и внедрены в производственный и опытно-конструкторский процесс ОАО «Приборный завод «Тензор» (г. Дубна) программный имитатор сейсмических сигналов, использующийся для отладки и испытания программного обеспечения сейсмических охранных систем; и методика оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков, обеспечивающая возможность минимизации стоимости охранной системы.

2. Определены перспективы практического использования разработанных алгоритмов локализации и классификации нарушителей в условиях охраны промышленных предприятий.

3. Создана система практических рекомендаций по повышению надежности средств локализации и классификации нарушителей в сейсмических системах охраны предприятий.

4. Представлены предложения по дальнейшему улучшению' качества информации о нарушителе, предоставляемой охранной системой оператору для поддержки принятия решений.

Методология и методы исследования

Для решения поставленных задач использовались методология и методы системного анализа, математической статистики, имитационного моделирования, теории принятия решений и программирование на языках высокого уровня.

Положения, выносимые на защиту

1. Имитационные модели сейсмических сигналов, обеспечивающие генерацию информационных сигналов от человека, группы людей и транспортного средства, поступающих с сейсмических датчиков.

2. Алгоритмы разделения нарушителей по сигналу единичного сейсмического датчика на три класса: человек, группа людей и транспортное средство -обладающие инвариантностью результатов в условиях изменчивости сезонных, погодных явлений или свойств грунта.

3. Алгоритм определения координат нарушителя, позволяющий снизить влияние шума на точность определения координат за счет механизма формирования итоговой оценки, основанного на усреднении данных по совокупности четверок датчиков, регистрирующих нарушителя.

4. Методика оптимизации схемы размещения сейсмических датчиков, обеспечивающая проектировщику системы возможность выбора топологии и интервалов установки датчиков, исходя из заданных характеристик системы, с целью минимизации ее стоимости.

Степень достоверности и апробация результатов работы

Достоверность результатов работы обусловлена системной проработкой проблемы, достоверностью применяемых методов. Для экспериментальных работ показана воспроизводимость результатов исследования в различных условиях. Теория построена на известных, проверяемых данных, согласуется с опубликованными экспериментальными данными по теме диссертации. Имеет место качественное совпадение авторских результатов с результатами, представленными в независимых источниках по данной тематике. Использованы современные методики сбора и обработки исходной информации.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

1. II Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов «Информационные системы и технологии 2009» (г. Обнинск, 2009).

2. VI Международная научно-практическая конференция «Перспективы развития информационных технологий» (г. Новосибирск, 2012).

3. XVI Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы современной науки»