автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и реализация концепции построения систем дистанционной диагностики транспортно-энергетических объектов

На правах рукописи

КОВАЛЕВ Алексей Олегович

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка

информации (технические системы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Рязань 2005

Работа выполнена в Рязанской государственной радиотехнической академии

Научный руководитель: доктор технических наук

Кузнецов Алексей Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Пылькин Александр Николаевич

кандидат технических наук Тищенко Юрий Григорьевич

Ведущая организация: ФГУП «НИИ точных приборов», г Москва

Защита состоится 15 февраля 2006 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.211.01 в Рязанской государственной радиотехнической академии по адресу:

390005, г. Рязань, ул. Гагарина, 59/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Рязанской государственной радиотехнической академии.

Автореферат разослан 30 декабря 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.211.01 канд.техн.наук, доцент

Пржегорлинский В.Н.

&>3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основное назначение оптико-электронных съемочных систем состоит в формировании изображений наблюдаемых сцен на значительном удалении от них. Именно это свойство, а также возможность количественного анализа и обработки изображений с целью извлечения информации об исследуемых объектах привели к широкому применению подобных систем в метеорологии, картографии, военной сфере и других областях. Особая роль отводится системам тепловидения, которые функционируют в инфракрасной области спектра электромагнитного излучения (ИК-диапазоне) и регистрируют поток, определяемый поверхностной температурой и излучательной способностью объектов. Получаемые изображения дают представление о температурном различии наблюдаемых объектов, что оказывается весьма важным в энергосбережении и диагностике различного рода инженерных объектов.

На сегодняшний день существует ряд практических задач, которые не решены или решаются крайне неэффективно с помощью имеющихся теплови-зионных систем. К таким задачам, в первую очередь, относятся воздушная и наземная диагностика объектов электроэнергетики (состояние электроизоляторов воздушных линий электропередачи - ЛЭП, технологического оборудования трансформаторных подстанций и др.), а также обследование объектов железнодорожного транспорта (контроль работоспособности колесных тележек железнодорожных вагонов, оперативная оценка массы перевозимых в цистернах и вагонах грузов и т.п.). Это вызвано тем, что в настоящее время для дистанционного обследования применяются кадровые или однолучевые системы тепловидения, обладающие рядом функциональных ограничений. Во-первых, кадровые системы имеют ограниченное поле зрения, что при съемке протяженных объектов, например ЛЭП или железнодорожных вагонов, приводит к снижению пространственного разрешения и, соответственно, потере точности диагностики. Во-вторых, при кадровой съемке движущихся объектов возникают «смаз» получаемого изображения и полная потеря его измерительных характеристик. Применение же однолучевых ИК-систем не обеспечивает требуемой точности и функциональной полноты решения задач бесконтактного обследования. И, наконец, в силу физических принципов работы тепловизион-ной аппаратуры получаемые изображения являются слабоконтрастными и труднодешифрируемыми, что вызывает значительные сложности при практическом использовании существующих диагностических систем.

В то же время реализованный в системах дистанционного зондирования Земли принцип многозональной сканерной съемки свободен от недостатков, присущих кадровым системам. Кроме того, в последние годы в нашей стране и за рубежом освоен выпуск многорядных линеек теплочувствительных элементов, применяемых в системах наблюдения специального назначения и позволяющих получать изображения с высоким температурным и пространственным разрешением. Это создает предпосылки к созданию более совершенных диагностических систем, способных решать упомянутые задачи.

Диссертационная работа посвящена разработке и практической реализации концепции построения нового поколения диагностических систем, основанных на принципах скановой съемки наблюдаемых объектов и совместного анализа изображений, получаемых в видимом и тепловом спектральных диапазонах Работа нацелена на создание диагностических систем, способных эффективно решать задачи контроля объектов электроэнергетики и обеспечения безаварийной работы железнодорожного транспорта.

Степень разработанности темы. В области создания систем дистанционного наблюдения и обработки получаемых материалов хорошо известны работы отечественных и зарубежных ученых, таких как Арманд H А., Журкин И Г., Журавлев Ю.И., Злобин В.К., Селиванов A.C., Сойфер В.А., Шилин Б.В., Gonzalez R., Pratt W. и др. Их труды составляют научно-методическую основу для решения поставленных в диссертационной работе задач.

Вместе с тем вопросы создания дистанционных диагностических систем, использующих принцип скановой съемки, имеют ряд специфических особенностей, не рассмотренных ранее в публикациях. В ряде работ приводятся описания однолучевых ИК-систем, применяемых при воздушной съемке и диагностике нефте-, газопроводов и других инженерных сооружений. Однако в них отсутствуют сведения о моделях комплексной геометрической обработки скановых изображений и кадровых снимков, получаемых тепловидеосъемоч-ными комплексами. Не рассматриваются решение задачи по идентификации на снимках неисправного электрооборудования ЛЭП и их геопривязка к местности.

Малоизученным является вопрос совместной интерпретации видео- и ИК-снимков, полученных разнотипными съемочными устройствами В то же время эта задача имеет принципиальное значение при дешифрировании тепловых изображений и обеспечении эффективного практического применения диагностических систем.

В ряде публикаций излагаются принципы функционирования тепловизи-онных диагностических систем, используемых на железнодорожном транспорте для контроля работоспособности колесных тележек, оперативного измерения массы груза и степени износа контактного провода электропитания. В то же время исследования по проектированию систем аналогичного назначения, выполняющих съемку линейками теплочувствительных приемников и позволяющих реализовать функционально полное обследование наблюдаемых объектов с лучшими точностными параметрами, в литературе не освещены.

Цель диссертации состоит в разработке и практической реализации концепции построения нового поколения систем дистанционной диагностики трапспортно-энергетических объектов, основанных на принципах скановой съемки и позволяющих эффективно решать задачи контроля состояния электроэнергетического оборудования и объектов железнодорожного транспорта

Задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

• на основе анализа требований потребителей разработать направления совершенствования уже имеющихся и создания новых систем дистанционной диагностики объектов электроэнергетики и железнодорожного транспорта;

• разработать структуру воздушной и переносной систем контроля линий электрических сетей, а также модели и алгоритмы геопривязки и совместного дешифрирования видеотепловизионных материалов съемки;

• выполнить проектирование сканерных систем диагностики объектов железнодорожного транспорта, обеспечивающих комплексное и высокоточное обследование подвергающегося механическому износу оборудования;

• выполнить комплексную алгоритмизацию процессов обработки материалов дистанционных наблюдений и создать на этой основе программное обеспечение диагностических систем.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней рассматриваются вопросы создания нового поколения диагностических систем, основанных на принципах многоэлементной сканерной съемки и совместного анализа видео-и ИК-снимков. Эти системы по отношению к аналогам имеют лучшие точностные характеристики, обладают более широкими функциональными возможностями и высоким уровнем автоматизации процессов обработки и интерпретации материалов дистанционных наблюдений. Новизна рассматриваемых в диссертации технических решений защищена тремя патентами Российской Федерации.

На защиту выносятся:

• концепция создания семейства высокоэффективных систем дистанционного контроля линий электрических сетей и объектов железнодорожного транспорта;

• воздушный и переносной варианты систем диагностики линий электрических сетей, в основе функционирования которых лежат модели геометрической обработки сканерных и кадровых изображений, а также алгоритмы автоматического дешифрирования и интерпретации материалов съемки;

• система и способ тепловизионного обследования колесных тележек железнодорожных вагонов;

• алгоритмическое обеспечение системы оперативной оценки массы перевозимых в металлических емкостях грузов;

1 • система и способ обследования контактной сети электропитания же-

лезнодорожных поездов;

• структурные решения по организации программного обеспечения ди-► агностических систем.

Практическая ценность работы. На базе предложенных в работе структур, моделей, алгоритмов, информационных технологий и программного обеспечения обработки материалов видеотепловизионных наблюдений созданы три диагностические системы:

• система диагностики воздушных ЛЭП - EAGLE, с помощью которой было выполнено картографирование высоковольтной трассы ЛЭП и выявлены неисправные электроизоляторы на мачтах линий электропередачи в труднодос-

тупном районе Крайнего Севера (п. Пангоды);

• переносная диагностическая система Kl.HR, с помощью которой в течение двух лет в службе электрохозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД проводятся планово-ремонтные работы электротехнического оборудования;

• диагностическая система ТерЬБсап, функционирующая на ст. Рыбное Московской железной дороги, которая в отличие от существующих однолуче-вых систем КТСМ-ДИСК позволяет одновременно выявлять неисправности тормозной системы и буксовых узлов колесных тележек, а также обнаруживать трещины на колесных дисках.

Реализация и внедрение. Диссертационная работа выполнена в Рязанской государственной радиотехнической академии в рамках ОКР № 31-03 и НИР №43-04.

Результаты диссертационной работы в виде дистанционных диагностических систем внедрены в ЗАО «ЦПНТ», в службе электроснабжения и вагонного хозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД, а также в ООО «НАДЫМГАЗПРОМ».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4 международных и 5 всероссийских научных конференциях и семинарах: международной студенческой научной конференции «Памяти пионеров космонавтики и астронавтики» (МАИ, г. Москва, 1990); 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 2004, 2005); 2-й и 3-й открытых всероссийских конференциях «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2004, 2005); научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (г. Адлер, Россия, 2004); 10-й всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2005» (г. Рязань, 2005); 15-й всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2005); 7-й международной конференции «Распозна-вание-2005» (г. Курск, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ: 3 патента на изобретение, 5 статей, 12 тезисов докладов на международных всероссийских конференциях и семинарах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании результатов. Общий объем работы составляет 132 е., в том числе: основное содержание - 97 е., рисунки - 22 е., список литературы на 8 с. (81 наименование), приложение на 5 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен патентный анализ известных систем и технологий бесконтактной тепловизионной диагностики линий электрических сетей и объектов железнодорожного транспорта, выявлены узкие места имеющихся технических решений и сформулирована концепция создания нового поколения диагностических систем, использующих принцип скановой съемки

Оптико-электронные тепловизионные системы обеспечивают формирование изображения с яркостью пикселов, пропорциональной электромагнитному потоку Е, который определяется поверхностной температурой I и излуча-тельной способностью объектов е, Е = ест?4, где а - постоянная Стефана-Больцмана. Анализ получаемых изображений позволяет определять температурный режим функционирования наблюдаемого объекта и делать выводы о его работоспособности.

Сформулирован класс задач, которые на сегодняшний день не решены или решаются неэффективно с помощью однолучевых кадровых диагностических систем. К таким задачам относятся:

• воздушное и наземное обследование линий электрических сетей и технологического электрооборудования;

• дистанционный контроль объектов железнодорожного транспорта (обследование колесных тележек железнодорожных вагонов, контроль перевозимого груза и оценка степени износа контактного провода электропитания).

Показано, что задачей воздушного обследования линий электрических сетей является получение геопривязанных снимков трассы ЛЭП, а также информации о температурном состоянии электроизоляторов. Установлено, что известные однолучевые тепловизионные системы воздушного базирования из-за низкого пространственного разрешения и большой доли ручных операций по обработке получаемых изображений малопригодны для решения поставленной задачи. Обоснована необходимость создания диагностической системы, реализующей скановый принцип съемки и обеспечивающей высокоавтоматизированную обработку видеоданных На основе математических моделей и алгоритмов геопривязки и дешифрирования самолетных снимков.

Основной недостаток переносных кадровых систем, применяемых для наземного обследования электрооборудования, заключается в низкой распознаваемости ИК-снимков. Установлено, что для совершенствования этих систем необходимо выполнить совместную съемку обследуемых объектов в видимом и тепловом спектральных диапазонах и разработать алгоритмы совместной интерпретации получаемых материалов.

Рассмотрены известные технологии дистанционной диагностики, применяемые на железнодорожном транспорте. Показано, что однолучевые ИК-системы типа КТСМ-ДИСК не обеспечивают комплексного обследования всех узлов колесной тележки и, в частности, не позволяют выявлять наличие трещины на колесном диске, определять неисправности тормозной системы и выполнять дифференциальную диагностику составных частей тележки.

Использование кадровых съемочных систем, во-первых, приводит в отдельных случаях к «смазу» изображения и потере его измерительных характеристик и, во-вторых, дешифрирование полученных снимков весьма трудоемко, поскольку связано с совместным анализом разновременных перекрывающихся снимков. Из-за возникающего при съемке «смаза» кадровые системы не позволяют решить важную для железнодорожного транспорта задачу по обеспечению сохранности груза и связанную с оперативным измерением массы перевозимой в металлических цистернах жидкости.

Показано, что для организации безаварийной работы железнодорожного транспорта необходимо создавать системы мониторинга контактного провода электропитания на основе видеосъемки площадки скольжения провода. Поскольку известные аналоги не обеспечивают требуемой точности и надежности диагностики, то обоснована необходимость проведения исследований по пути создания измерительной системы с более высокими точностными и эксплуатационными характеристиками.

Сформулирована концепция создания нового поколения диагностических систем, свободных от функциональных ограничений, которые присущи одно-лучевым и кадровым системам, и основанных на принципах скановой теплови-зионной съемки и совместной обработки ИК и видеоснимков. Содержимое этой концепции определяют три целевых установки.

Во-первых, создаваемые диагностические системы не должны иметь функциональных ограничений при обследовании как перемещающихся, так и протяженных объектов с движущихся носителей. Для достижения этой цели обоснована целесообразность построения архитектуры систем с использованием линеек приемников с зарядовой связью, реализующих скановый принцип съемки.

Во-вторых, создаваемые системы должны удовлетворять современным требованиям по пространственному разрешению и дешифрируемости материалов съемки. Эти требования могут быть обеспечены за счет разработки алгоритмов комплексирования видеоданных и совместной обработки изображений видимого и теплового спектральных диапазонов.

В-третьих, диагностические системы должны обладать высоким уровнем автоматизации процессов обработки материалов дистанционных наблюдений. Эта целевая установка может быть достигнута за счет использования в системах математических моделей обработки видеоданных и алгоритмов автоматического распознавания анализируемых объектов.

Исходя из предложенной концепции, определены задачи, которые необходимо решить в ходе разработки проектируемых систем диагностики транс-портно-энергетических объектов.

Во второй главе с учетом выдвинутых концептуальных положений рассматриваются вопросы проектирования систем контроля объектов электроэнергетики Предлагаются структуры воздушного и переносного вариантов построения диагностических систем, разрабатываются математические модели геометрической обработки сканерных и кадровых изображений, раз-

рабатываются высокоавтоматизированные алгоритмы дешифрирования и интерпретации видеотепловизионных материалов съемки

При разработке структур диагностических систем преследовались следующие цели: получение четких и контрастных геопривязанных изображений высокого пространственного разрешения с известными температурными характеристиками представленных на них объектов, сокращение временных затрат на обработку материалов съемки и снижение требований, предъявляемых к массогабаритным и стоимостным параметрам съемочной аппаратуры. С учетом этих требований предложена структура системы воздушной диагностики ЛЭП, показанная на рис. 1. На борту самолета устанавливается следующее оборудование: СРЯ-приемник, обеспечивающий измерение пространственного положения самолета в системе координат АУОБ-84, гировертикаль, предназначенная для определения параметров ориентации самолета по углам крена и тангажа относительно положения на аэродроме; бортовой компьютер, управляющий работой аппаратуры, внешняя память которого используется для хранения исходных изображений; ИК-сканер и цифровой фотоаппарат. Кроме того, на бортовой компьютер возлагаются функции комплексирования измерительной информации.

I ^ ^г и

сз

ОР$-приемник

-ИК-сканер

Управляющая ПЭВМ

Цифровой фотоаппарат

х _ -У

Гировертикаль

Исходные изображения

Комтекс обработки видеоданных

Бортовой сегмент

, / • . I Результаты !' / обследования

Наземный сегмент

Рис.1. Структура системы воздушной диагностики ЛЭП

Обработка получаемых видеоматериалов включает следующие этапы.

Этап I. Геометрическая коррекция и трансформирование в картографическую проекцию сканерного ИК-изображения В по математическим соотношениям х = Гх(т,п) и у = Гу(т,п), устанавливающим на основе закона сканирования, текущего положения самолета в пространстве и его ориентации координатное соответствие между пикселами исходного и скорректированного изображения й = {с1(х,у)}, х = \,Х, у = 1,У.

Этап 2. Определение параметров геометрического соответствия каждого кадра Кj цифрового фотоаппарата, j =1,2,..., с изображением D.

Этап 3. Геометрическое трансформирование кадров К} с сохранением

масштаба съемки в систему координат изображения D и их объединение.

Этап 4. Формирование многослойного изображения, первый слой которого содержит высокодетальный снимок ЛЭП, а второй температурный слой содержит соответствующие первому слою пикселы тепловизионного изображения. Анализ и дешифрирование многослойного изображения с целью выявления электроизоляторов с повышенной степенью нагрева и передача результатов потребителям.

Предложена структура переносного варианта диагностической системы, которая включает матричный тепловизор и сопряженную с ним видеокамеру. Обработка информации в такой системе включает: распаковку записанных видеокамерой изображений, совмещение ИК и видеокадров, температурный анализ объектов наблюдения.

Получена в аналитическом виде модель геометрической обработки ска-новых ИК-изображений, формируемых при самолетной съемке земной поверхности. Ее отличительная особенность состоит в том, что, во-первых, параметры преобразования рассчитываются для случая, когда ориентация курсовой плоскости самолета неизвестна, а его положение определяется по данным спутниковой навигационной системы GPS, и, во-вторых, модель описывает скановый принцип формирования тепловизионного изображения высокого пространственного разрешения.

При проектировании модели выделены следующие фазы.

• Определение на основе двух соседних GPS-измерений, представляемых векторами координат пространственного положения самолета ц(г,) и t|(/Jtl), направляющих косинусов, задающих курсовую плоскость в системе координат построителя местной вертикали.

• Определение на основе измеренных гировертикалью углов ориентации самолета параметров перехода от сканерной системы координат OXcYcZc к нормальной O.YH)'HZH, описываемых матрицей А0.

• Вычисление направляющих косинусов визирного луча сканера в соответствии с векторным уравнением

..о „о ч („о /i\

г, n jn , (1)

где г 1 - единичный вектор визирного луча j-го теплоприемника, р" - вектор падающего луча, п" - единичный вектор, направленный в полупространство падающего и отраженного лучей по нормали к вращающемуся зеркалу

• Расчет направляющих косинусов визирного луча в гринвичской системе координат в соответствии с матричным уравнением

K,mr,«r]7'=AH \0[x°c,Y:,Z°c]T ,

(2)

где Ан - матрица перехода в нормальную систему координат, )'с".Z^1]' -направляющие косинусы визирного луча.

• Вычисление координат точки пересечения визирного луча с поверхностью земного эллипсоида на основе решения системы уравнений

+ Ц+ (3)

аъ аъ Ьъ

где Х„(х) = Xr{i)+1 г j г(т)|, Уи(х)= >'rW+'« г I r(t)|, 2л(т)=гг(т)+„г|г(т);, а„Ь3 - полуоси земного эллипсоида; X „(x),Y„(i),Z„(z) - искомые координаты п-го пиксела на земной поверхности, регистрируемого в момент времени т; Л'Дт), Уг(т), Zr(i) - гринвичские координаты самолета; | г(т)| - модуль вектора визирного луча.

На последней фазе по уравнениям математической картографии вычисляются картографические координаты пиксела {х, у).

Рассмотренная модель лежит в основе технологии наземной обработки материалов воздушной съемки, позволяет геопривязать видео- и ИК-снимки и получить картографические координаты мачт ЛЭП, имеющих неисправные электроизоляторы или другие дефекты.

Разработана геометрическая модель геопривязки и совмещения кадровых снимков, фррмируемых цифровым фотоаппаратом, х = Gry(m*,w*),

у - Gyj{fn ,п), параметры которой определяются в соответствии с векторным уравнением

R„(/h\W*)=ii(T,)+ Ху | г(т\и*)| г°{т',п), (4)

где RДт*,и*) - вектор координат пиксела на земной поверхности; А, - матрица, описывающая ориентацию фотоаппарата относительно сканера. Поскольку параметры внутреннего ориентирования фотоаппарата и элементы матрицы А ,

неизвестны, то в работе предложен алгоритм калибровки модели G = (GXJ, Gyj) по опорному сканерному изображению.

Рассмотрены модели совмещения ИК- и видеоснимков в переносной диагностической системе на основе 2-х, 3-х, 4-х и более одноименных точек, опознанных на тепловом и видеокадрах. Эти модели позволяют с минимальными затратами получать высококонтрастные снимки энергетических объектов с известными температурными характеристиками.

Разработаны алгоритмы дешифрирования и интерпретации видеотепло-визионных материалов съемки. Процесс дешифрирования основан на разностном алгоритме Розенфельда и обеспечивает автоматический поиск на ИК-снимке нагретых электроизоляторов, представляемых в виде малоразмерных объектов с повышенной по отношению к окружению яркостью:

(х,у)= arg [ d{x,y)~ d(x,y)> р] , где (х,у) - искомые координаты электроизо-

ляторов; d(x,y)- сглаженное медианным фильтром изображение; Р - пороговая яркость изображения, определяемая на основе гистограммы распределения модуля производной Э(аО)/йх , дD - разностное изображение. Алгоритм визуальной интерпретации основан на пороговой бинаризации теплового снимка и последующей модуляции видеокадра, что позволяет получать четкие цветные изображения обследуемых объектов с помеченными участками, степень нагрева которых превосходит допустимые значения.

В третьей главе рассматриваются вопросы проектирования систем обследования объектов железнодорожного транспорта Эти системы в соответствии с выдвинутыми концептуальными установками реализуют скано-вую съемку обследуемых объектов и автоматическую обработку получаемых изображений В данной главе разрабатываются- способ диагностики неисправностей колесных тележек железнодорожных вагонов; алгоритмическое обеспечение системы оперативной оценки массы перевозимых в металлических цистернах грузов, технология обследования контактной сети электропитания поездов

Предложена структура тепловизионной системы диагностики, основанной на сканерной съемке движущихся колесных тележек железнодорожных вагонов и последующей обработке получаемьге материалов. Строчная развертка формируемого при съемке изображения образуется за счет электронного опроса установленной вертикально многорядной линейки теплочувствительных элементов, а кадровая - за счет перемещения поезда относительно сканера. Благодаря такому решению удается избежать «смаза» изображения и одновременно наблюдать все обследуемые узлы колесной тележки, что позволяет:

- повысить точность и достоверность диагностики неисправностей узлов колесной тележки на основе обработки геометрически нормализованных снимков и применения комплексного критерия, учитывающего структуру теплового поля и степень нагрева обследуемого узла;

- обеспечить раздельное обследование тормозной системы, буксового узла и колесного диска;

- снизить трудозатраты и повысить оперативность послесеансного обследования за счет автоматической обработки материалов съемки.

Функционально диагностическая система (рис. 2) состоит из двух частей Первая часть включает два многоэлементных тепловизионных сканера ТС| и ТС2, выполняющих съемку в спектральном диапазоне 8-12 мкм, а вторая часть представляет собой автоматизированное рабочее место оператора системы, которая связана с вычислительной сетью железной дороги.

Обработка и дешифрирование получаемых при съемке изображений выполняются следующим образом На первом этапе происходят коррекция исходной сканерной информации и формирование объединенного изображения В = {b(m, п)}. Яркостные различия ИК-приемников компенсируются на основе калибровочных данных в соответствии с формулой

и

Ь"{т,п) = г[ь {т,п)-Ь~(п)] Ьт°р + Ьхоп,

ЬАп)-ЬЛп)

7 = 1,2,

(5)

где ¿>* (•),£,(•)- яркости элементов скорректированного и исходного изображений оту-й линейки; 6гор,6хол- градуировочные параметры сканера, задающие яркость «горячего» и «холодного» объектов; Ь*(п),Ь~{п) - измеряемые и-м приемником уровни яркости «горячего» и « холодного» объектов; е = 0,95 - коэффициент серости калибровочных объектов.

<

пэвм,

ТС*

пэвм2

ПЭВМ обработки

всж/д

ЛВС

Отче? с рс-1ульт»тами диагностики

Рис. 2. Структурная схема системы диагностики колесных тележек Комплексирование сигналов от] ИК-линеек выполняется по формуле

^аН (6)

где 0](п) - показатель качества информации } -й линейки я-го приемника,

е>)=к(">-¿;(Л)]/а;(Я).

На втором этапе непрерывный поток видеоинформации В разделяется на изображения отдельных тележек, которые затем приводятся к единому масштабу. Эта операция выполняется автоматически на основе подсчета числа строк пересечения колесами тележки оптической линии прибора при известной строчной частоте / . Причем геометрическое восстановление изображения

колесного диска происходит с учетом его поступательно-вращательного движения относительно линейки теплоприемников, которое для центра буксы описывается уравнениями

ут ух V т у т

т = дгсоб——>'81п-г—1-у,т, п = хз'т — + ус ое-, (7)

7? Я Я

где (д:,у)- восстановленные координаты точки колеса, т- время съемки точки колеса с координатами (х,у); V, - скорость /'-й колесной тележки; /?- радиус колесного диска.

+ агссоз

[(а третьем этапе выделяются обследуемые узлы тележки на основе совмещения нормализованного снимка с бинарными шаблонами этих объектов. На заключительном этапе выполняется многоуровневый пороговый температурный анализ выделенных узлов колесной тележки.

Результатом практического использования системы является повышение точности и достоверности диагностики неисправностей и, как следствие, обеспечение безопасной работы железнодорожного транспорта.

Разработано алгоритмическое обеспечение системы оперативной оценки массы груза, перевозимого в металлических емкостях. Эти алгоритмы включают геометрическую нормализацию формируемых тепловизионным сканером ИК-изображений, автоматическое распознавание на основе корреляционно-экстремального сопоставления геометрических параметров емкости и последующее вычисление объема V и массы перевозимого груза в соответствии с формулой

1-^Ц (8) к

где ¿ц - длина цилиндрической части цистерны, Л - ее радиус, у() - объем сферического сегмента цистерны, заполненный жидкостью; /г - осредненное значение высоты незаполненной части цистерны; цс- масштаб съемки

Предложены система и способ оценки степени износа контактного провода электропитания железнодорожного транспорта, который в отличие от аналогов характеризуется высокой точностью и надежностью определения параметров провода, а также полной автоматизацией процесса привязки результатов измерений к местности. В основе способа лежит алгоритм измерения площадки износа по изображению контактного провода высокого пространственного разрешения, полученного в ходе комплексирования видеоданных от двух субпиксельно смещенных в строчном направлении линеек ПЗС-приемников Для формирования изображения увеличенного пространственного разрешения Ь* получена формула

6*(/я,«) = 22(-1)'-,й(т,«-/) + (-1)я-,^(т,1) , (9)

где нечетные элементы принадлежат первой ПЗС-линейке, а четные - второй линейке Для измерения ширины плошадки скольжения ( предложен помехоустойчивый алгоритм, основанный на определении точек яркостного перепада по осредненному в пределах апертуры изображению контактного провода.

Рассмотренная система позволяет измерять параметры контактного провода с точное 1ью 0,1 мм, что в несколько раз выше, чем у аналогов. Результатом практического использования рассмотренной и защищенной патентом РФ системы является обеспечение безаварийной работы железнодорожного транспорта за счет получения объективной информации о возможных местах обрыва токоподводящей контактной сети и проведения своевременных превентивных ремонтных мероприятий по замене дефектных участков контактного провода

Четвертая глава посвящена созданию программного обеспечения диагностических систем В ней сформулированы принципы унификации программного обеспечения, рассмотрены вопросы ускорения вычислите!ьного процесса и построения архитектуры многомашинного программного комплекса обсче-дования колесных тележек

Показано, что для снижения трудозатрат и повышения надежности разработку программного обеспечения (ПО) диагностических систем следует выполнять в виде базового ядра, присутствующего во всех программных комплексах, и специализированных модулей обработки, учитывающих особенности реализации конкретных систем. Установлено, что главной задачей, связанной с созданием базового ядра, является разработка унифицированного формата, описывающего структуру представления видеоданных от различного типа съемочных устройств, и средств визуализации растровых изображений. Предложена архитектура такого формата, осноранная на использовании универсальных полей данных - тегов. Все программные модули базового ядра реализованы в среде программирования Visual С++ версии 6.0 на базе Windows 2000/ХР и библиотеки MFC. Общий объем программ составляет 0,3 Мб.

Разработано программное обеспечение систем контроля электроэнергетических объектов, представленное двумя одноименными программными комплексами EAGLE и KLER. В ПО EAGLE геометрическая обработка теплового изображения и видеокадров выполняется по единой технологической схеме, основанной на независимых преобразованиях отдельных сканов по кусочно-линейным функциям обратного координатного соответствия. Приводятся результаты практической апробации ПО EAGLE при обработке изображений воздушных ЛЭП, подтвердившие высокую эффективность всей системы, особенно при обследовании объектов электроэнергетики в труднодоступных и малонаселенных районах крайнего Севера.

Рассмотрены принципы функционирования ПО KLER и показаны примеры решения основных задач по совместному анализу ИК- и видеоснимков Результаты многолетнего использования системы KLER в службе электрохозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД подтвердили правильность предложенных технических решений и простоту освоения специалистами службы интерфейса программы.

Разработана архитектура многомашинного ПО системы диагностики колесных тележек железнодорожных вагонов (ПО TeploScari), включающего программу Сервер обработки и две программы Сервер управления, которые организуют работу тепловизионных сканеров Рассмотрены алгоритм организации вычислительного процесса в программе Сервер управления, а также функции программных модулей, составляющих основу прикладной части программы Сервер обработки системы TeploScan.

Приводится описание технологических операций, выполняемых ПО TeploScan, в ходе обследования железнодорожных составов на ст. Рыбное Московской железной дороги, а также экранные формы, иллюстрирующие интерфейс программы при обработке ИК-снимков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Проведен патентный анализ и определен класс задач по контролю объектов электроэнергетики и железнодорожного транспорта, которые на сегодняшний день не решены или решаются неэффективно с помощью имеющихся однолучевых и кадровых тепловизионных оптико-электронных систем дистанционного наблюдения. Сформулирована и обоснована концепция создания нового поколения систем дистанционной диагностики, основанных на принципах скановой съемки контролируемых объектов. В основе концепции лежат три целевые установки:

• во-первых, эти системы не должны иметь функциональных ограничений при диагностике как перемещающихся, так и протяженных объектов с движущихся носителей;

• во-вторых, создаваемые системы должны отвечать современным требованиям по пространственному разрешению и дешифрируемости материалов съемки;

• в-третьих, системы должны обеспечивать высокоавтоматизированную обработку результатов дистанционных наблюдений.

2. С учетом предложенной концепции спроектировано семейство систем дистанционной диагностики линий электрических сетей и объектов железнодорожного транспорта.

Во-первых, система воздушного обследования протяженных ЛЭП, обеспечивающая получение высокодетальных геопривязанных изображений с известными температурными характеристиками представленных на нем объектов. В основе функционирования системы лежат модели геометрической обработки скановых и кадровых снимков, а также технология автоматического распознавания неисправных электроизоляторов.

Во-вторых, переносной вариант системы обследования объектов электроэнергетики, в которой для повышения дешифрируемости материалов съемки используются модели совмещения видео- и ИК-кадров и алгоритмы их совместной интерпретации.

В-третьих, система дистанционной диагностики колесных тележек, основанная на сканерной съемке движущегося железнодорожного состава и обеспечивающая автоматическое распознавание обследуемых узлов и их температурный анализ.

В-четвертых, система бесконтактного измерения массы груза в темпе перемещения цистерны относительно ИК-сканера, алгоритмическое обеспечение которой позволяет автоматически распознавать параметры металлической емкости и определять объем перевозимой жидкости.

В-пятых, система измерения степени износа контактного провода электропитания железнодорожного транспорта, основанная на съемке провода с движущегося вагона-лаборатории, и последующего анализа изображения высокого пространственного разрешения, получаемого в ходе комплексирова-ния видеоданных от двух субпиксельно смещенных ПЗС-линеек.

3. Предложены принципы структурной организации программного обеспечения диагностических систем, проектируемого в виде базового ядра и подключаемых к нему специализированных модулей обработки, что позволяет снизить трудозатраты на разработку и повысить надежность создаваемого ПО. Разработан унифицированный формат представления изображений в базовом ядре, за счет чего обеспечивается сопряжение с различными структурами данных диагностических систем.

4. На основе базового ядра спроектировано программное обеспечение систем диагностики ЛЭП (EAGLE), технологического электрооборудования (KLER) и контроля колесных тележек железнодорожных вагонов (система TeploScari). С помощью системы EAGLE по заказу ООО «НАДЫМ-ГАЗПРОМ» было выполнено обследование высоковольтных ЛЭП в Ямало-Ненецком автономном округе. Система KLER внедрена в службе электрохозяйства, a TeploScan - в службе вагонного хозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД.

В приложении приведены акты о внедрении результатов диссертационной работы.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ковалев А.О. Алгоритмы планирования съемок и их координация в системе спутников и самолетов при исследовании природных ресурсов Земли // Тез. докл. международной студ. науч. конф. «Памяти пионеров космонавтики и астронавтики». Москва, МАИ, 1990. С. 172.

2. Еремеев В.В., Ковалев А.О., Кузнецов А.Е. Вопросы создания тепло-визионных систем диагностики инженерных объектов // Тез докл. 13-й международной науч -техн. конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, РГРТА, 2004. С 197-199.

3. Гектин Ю.М., Ковалев А.О., Кузнецов А.Е. Самолетный комплекс дистанционного зондирования EAGLE // Тез. докл. науч.-техн конф. «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли Адлер, 2004. С. 47.

4. Ковалев А.О. Использование многозональной аэрокосмической видеоинформации при поиске нефтеконденсатных месторождений // Тез. докл. 2-й открытой всероссийской конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва, ИКИ, 2004. С. 167.

5. Ковалев А.О., Егошкин H.A. Технология обработки тепловизионных изображений движущихся объектов И Тез. докл 13-й международной науч.-техн. конф «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, РГРТА. 2004. С. 103-104.

6. Ковалев А.О., Кузнецов А.Е. Технология оперативной оценки массы перевозимых в металлических емкостях грузов // Вестник РГРТА. Рязань, 2004. № 15. С. 126-128.

7 Ковалев А.О., Пронченко P.C. Программный комплекс анализа изображений воздушной контактной электросети//Тез. докл. 13-й международной науч -техн конф «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, РГРТА. 2004. С. 105.

8. Патент RU 2258204 С 1. Способ дистанционного обследования объектов электрических сетей с помощью тепловидеосъемочного устройства / А.Е. Кузнецов, В.И Калюжный, А О. Ковалев, И.Ф. Ефремов, Ю.М. Гектин. Опубл. 10.08.2005. Бюл. № 22.

9 Ковалев А.О. Концепция создания тепловизионных систем дистанционного контроля транспортно-энергетических объектов / Рязан гос. радиотехн. акад. Рязань. 2005. 11 с. Деп. в ВИМИ ДО 8984 от 13.09.05 г.

10 Патент RU 2260534 С 1. Способ диагностики неисправностей колесных тележек железнодорожных вагонов / А.Е. Кузнецов, В.И. Калюжный,

A.О. Ковалев, И.Ф. Ефремов, Ю.М. Гектин. Опубл. 20.09.2005. Бюл. № 26.

11. Патент RU № 2264930 С 1. Способ диагностики локального износа контактной сети электропитания железнодорожных составов / А.Е. Кузнецов,

B.И. Калюжный, А О. Ковалев, И.Ф. Ефремов, Ю.М. Гектин. Опубл. 27.11.2005 Бюл. №33

12. Гектин Ю М., Ефремов И.Ф., Ковалев А.О., Кузнецов А.Е. Аэросъемочный комплекс высокого пространственного разрешения // Тез. докл. 3-й всероссийской конф «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва, ИКИ, 2005.

13 Ковалев А О., Кузнецов А.Е., Нефедов В.И. Самолетная тепловизион-ная система высокого пространственного разрешения // Информационные технологии и телекоммуникации в образовании и науке: Межвуз. сб. научн. трудов. РГРТА, Рязань 2005. С 52-60.

14 Ковалев А О. Технология совместной обработки изображений от фотографических и сканерных систем // Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2005 / Тез. докл 10-й всероссийской науч -техн. конф. молодых ученых и специалистов. РГРТА 2005. С. 116.

15. Ковалев А О Тепловизионный вычислительный комплекс дистанционной диагностики неисправностей колесных тележек железнодорожных вагонов // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Тез. докл. 7-й международной конф. «Распознавание-2005». Курск, 2005. С. 185-186

16. Ковалев А О. Обработка видеоинформации в тепловизионной системе диагностики колесных тележек железнодорожных вагонов // Информатика и прикладная математика- Межвуз. сб. научн. тр. / Отв. ред. A.A. Дуняев. Рязан. гос. пед университет им. С.А. Есенина. Рязань, 2005. С. 140-145.

17. Еремеев В В , Ковалев А.О., Егошкин H.A. Геометрическая обработка изображений движущихся объектов в системе диагностики // Информатика и прикладная математика: Межвуз сб. научн. тр. / Отв. ред. A.A. Дуняев. Рязан. гос. пед университет им. С.А. Есенина Рязань, 2005. С. 122-125.

18. Егошкин H.A., Ковалев А.О. Алгоритмы температурного анализа изображений колес грузовых железнодорожных вагонов // Тез докл ВЫ ГК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве». Н-Новгород, 2005. С. 15.

19. Злобин В.К., Ковалев А.О., Кузнецов А.Е., Пронченко PC Архитектура программно-аппаратного комплекса обследования контактного провода// Тез. докл. 14-й международной науч.-техн конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, РГРТА, 2005. С. 212-213.

20. Еремеев В.В., Егошкин H.A., Кузнецов А Е., Ковалев А.О, Москви-тин А.Э. Организация вычислительного процесса в гепловизионном комплексе диагностики// Тез. докл. 14-й международной науч.-техн. конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, РГРТА. 2005. С. 209-210.

Ковалев Алексей Олегович

РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ДИСТАНЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 28.12.05 г. Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага газетная. Печать трафаретная Уел печ.л. 1,0. Уч.-изд. л. 1.0. Тираж 100 экл

Рязанская государственная радиотехническая академия. 390005, г. Рязань, ул. Гагарина. 59/1 Редакционно-издательский центр РГРТА

0 6-703

Введение.

1. Анализ проблемной ситуации и постановка задачи исследования.

1.1. Анализ требований потребителей к технологиям обследования объектов электрических сетей.

1.2. Задачи дистанционного контроля объектов железнодорожного транспорта.

1.3. Концепция создания высокоэффективных систем дистанционной диагностики транспортно-энергетических

V* объектов.

1.4. Основные результаты.

2. Проектирование систем контроля объектов электроэнергетики

2.1. Проектный облик систем диагностики ЛЭП и технологического оборудования.

2.2. Модель геометрической обработки тепловизионной скановой информации.

2.3. Геометрическое совмещение видимых и ИК-изображений.

2.4. Алгоритмы дешифрирования и интерпретации видеотепловизионных материалов съемки. fr 2.5. Основные результаты.

3. Разработка систем диагностики объектов железнодорожного транспорта.

3.1. Способ диагностики неисправностей колесных тележек железнодорожных вагонов.

3.2. Алгоритмическое обеспечение системы оперативной оценки ^ массы перевозимых грузов.

3.3. Технология обследования контактной сети электропитания.

3.4. Основные результаты.

4. Создание программного обеспечения диагностических систем.

4.1. Разработка базового ядра программного обеспечения систем дистанционной диагностики.

4.2. Программное обеспечение систем контроля объектов электроэнергетики.

4.3. Организация вычислительного процесса в программном комплексе обследования колесных тележек.

4.4. Основные результаты.

Актуальность работы. Основное назначение оптико-электронных съемочных систем состоит в формировании изображений наблюдаемых сцен на значительном удалении от них. Именно это свойство, а также возможность количественного анализа и обработки изображений с целью извлечения информации об исследуемых объектах привели к широкому применению подобных систем в метеорологии, картографии, военной сфере и других областях [1-4]. Особая роль отводится системам тепловидения, которые функционируют в ближней (3-5 мкм) или дальней (8-12 мкм) областях спектра электромагнитного излучения и регистрируют поток, определяемый поверхностной температурой и излучательной способностью объектов. Получаемые изображения дают представление о температурном различии наблюдаемых объектов, что оказывается весьма важным в медицине, дефектоскопии, энергосбережении и диагностике различного рода инженерных объектов [2,5-8].

На сегодняшний день существует ряд практических задач, которые не решены или решаются крайне неэффективно с помощью имеющихся теплови-зионных систем. К таким задачам, в первую очередь, относится воздушная и наземная диагностика объектов электроэнергетики (состояние электроизоляторов воздушных линий электропередачи - ЛЭП, технологического оборудования трансформаторных подстанций и др.), а также обследование объектов железнодорожного транспорта (контроль работоспособности колесных тележек железнодорожных вагонов, оперативная оценка массы перевозимых в цистернах и вагонах грузов и т.п.). Это вызвано тем, что в настоящее время для дистанционного обследования применяются кадровые или однолучевые системы тепловидения, обладающие рядом функциональных ограничений [9-14]. Во-первых, кадровые системы имеют ограниченное поле зрения, что при съемке протяженных объектов, например, ЛЭП или железнодорожных вагонов приводит к снижению пространственного разрешения и, соответственно, потере точности диагностики. Во-вторых, при кадровой съемке движущихся объектов возникает «смаз» получаемого изображения и полная потеря его измерительных характеристик. Применение же однолучевых ИК-систем не обеспечивает требуемой точности и функциональной полноты решения задачи бесконтактного обследования. И, наконец, в силу физических принципов работы тепловизион-ной аппаратуры получаемые изображения являются слабоконтрастными и трудно дешифрируемыми, что вызывает значительные сложности при практическом использовании существующих диагностических систем.

В то же время реализованный в системах дистанционного зондирования Земли принцип многозональной сканерной съемки свободен от недостатков, присущих кадровым системам. Кроме того, в последние годы в нашей стране и за рубежом освоен выпуск многорядных линеек теплочувствительных элементов, применяемых в военной технике в системах наблюдения и позволяющих получать изображения с высоким температурным и пространственным разрешением [15]. Это создает предпосылки создания более совершенных диагностических систем, способных решать упомянутые задачи.

Диссертационная работа посвящена разработке и практической реализации концепции построения нового поколения диагностических систем, основанных на принципах скановой съемки наблюдаемых объектов и совместного анализа изображений, получаемых в видимом и тепловом спектральных диапазонах. Работа нацелена на создание диагностических систем, способных эффективно решать задачи контроля объектов электроэнергетики и обеспечения безаварийной работы железнодорожного транспорта.

Степень разработанности темы. В области создания систем дистанционного наблюдения и обработки получаемых материалов хорошо известны работы отечественных и зарубежных ученых, таких как Арманд Н.А., Журкин И.Г., Журавлев Ю.И., Злобин В.К., Селиванов А.С., Сойфер В.А., Шилин Б.В., Gonzalez R., Pratt W. и др. [6,16-19]. Их труды составляют научно-методическую основу для решения поставленных в диссертационной работе задач.

Вместе с тем, вопросы создания дистанционных диагностических систем, использующих принцип скановой съемки, имеют ряд специфических особенностей, не рассматривавшихся ранее в публикациях. Например, в работах [9, 20-23] приводятся описания однолучевых ИК-систем, применяемых при воздушной съемке и диагностике нефте-,1 газопроводов и других инженерных сооружений. Однако при этом отсутствуют сведения о моделях геометрической обработки скановых изображений и кадровых снимков, получаемых теплови-деосъемочным комплексом. Не рассматривается решение задачи по распознаванию на снимках и геопривязки к местности неисправного электрооборудования ЛЭП.

Мало изученным является вопрос совместной интерпретации видео и ИК-снимков, полученных разнотипными съемочными устройствами. В то же время эта задача имеет принципиальное значение при дешифрировании тепловых изображений и обеспечении эффективного практического применения диагностических систем.

В ряде публикаций [14, 24-29] излагаются принципы функционирования тепловизионных диагностических систем, используемых на железнодорожном транспорте для контроля работоспособности колесных тележек, оперативного измерения массы груза и степени износа контактного провода электропитания. В тоже время исследования по проектированию систем аналогичного назначения, выполняющих съемку линейками теплочувствительных приемников и позволяющих реализовать функционально полное обследование наблюдаемых объектов с лучшими точностными параметрами, в литературе не освещены.

Цель диссертации состоит в разработке и практической реализации концепции построения нового поколения систем дистанционной диагностики транспортно-энергетических объектов, основанных на принципах скановой съемки, позволяющих эффективно решать задачи контроля состояния электроэнергетического оборудования и обеспечивать безаварийную работу железнодорожного транспорта.

Задачи. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

• на основе анализа требований потребителей разработать направления совершенствования уже имеющихся и создания новых систем дистанционной диагностики объектов электроэнергетики и железнодорожного транспорта;

• разработать структуру воздушной и переносной систем контроля линий электрических сетей, а также модели и алгоритмы геопривязки и совместного дешифрирования видеотепловизионных материалов съемки;

• выполнить проектирование сканерных систем диагностики объектов железнодорожного транспорта, обеспечивающих комплексное и высокоточное обследование подвергающегося механическому износу оборудования;

• выполнить комплексную алгоритмизацию процессов обработки материалов дистанционных наблюдений и создать на этой основе программное обеспечение диагностических систем.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней рассматриваются вопросы создания нового поколения диагностических систем, основанных на принципах многоэлементной сканерной съемки и совместного анализа видео и ИК-снимков. Эти системы по отношению к аналогам имеют лучшие точностные характеристики, обладают более широкими функциональными возможностями и высоким уровнем автоматизации процессов обработки и интерпретации материалов дистанционных наблюдений. Новизна рассматриваемых в диссертации технических решений защищена тремя патентами Российской Федерации.

На защиту выносятся:

• системы диагностики линий электрических сетей, включающие:

- структуры воздушного и переносного вариантов построения систем;

- математическую модель геометрической обработки самолетных изображений сканового типа;

- модель геопривязки и совмещения цифровых кадровых снимков;

- алгоритмы дешифрирования и интерпретации видеотепловизионных материалов съемки;

• система и способ тепловизионного обследования колесных тележек железнодорожных вагонов;

• алгоритмическое обеспечение системы оперативной оценки массы перевозимых в металлических емкостях грузов;

• система и способ обследования контактной сети электропитания железнодорожных поездов;

• структурные решения по организации программного обеспечения диагностических систем.

Практическая ценность работы. На базе предложенных в работе структур, моделей, алгоритмов, информационных технологий и программного обеспечения обработки материалов видеотепловизионных наблюдений созданы следующие диагностические системы.

Система диагностики воздушных ЛЭП - EAGLE, с помощью которой было выполнено картирование высоковольтной трассы ЛЭП и выявлены неисправные электроизоляторы на мачтах линий электропередачи в труднодоступном районе крайнего Севера (п. Пангоды).

Переносная диагностическая система KLER, с помощью которой в течение двух лет в службе электрохозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД проводятся планово-ремонтные работы электротехнического оборудования.

Диагностическая система TeploScan, функционирующая на ст. Рыбное Московской железной дороги, которая в отличие от существующих однолуче-вых систем КТСМ-ДИСК позволяет одновременно выявлять неисправности тормозной системы и буксовых узлов колесных тележек, а также обнаруживать трещины на колесных дисках.

Реализация и внедрение. Диссертационная работа выполнена в Рязанской государственной радиотехнической академии в рамках ОКР № 31-03 и № 43-04.

Результаты диссертационной работы в виде дистанционных диагностических систем внедрены в ЗАО «ЦПНТ», в службе электроснабжения и вагонного хозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД, а также в ООО «НАДЫМГАЗПРОМ».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 4-х международных и 5-и всероссийских научных конференциях и семинарах: международной студенческой научной конференции «Памяти пионеров космонавтики и астронавтики» (МАИ г.Москва, 1990); 13-й и 14-й международных научно-технических конференциях «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций» (г. Рязань, 2004, 2005); 2-й и 3-й открытой всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса» (г. Москва, 2004, 2005); научно-технической конференции «Системы наблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли» (г. Адлер, Россия, 2004); 10-й всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании НИТ-2005» (г. Рязань, 2005); 15-й всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (г. Нижний Новгород, 2005); 7-й международной конференции «Распозна-вание-2005» (г. Курск, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ: 3 патента на изобретение, 5 статей, 12 тезисов докладов на международных всероссийских конференциях и семинарах.

Личный вклад соискателя в опубликованных материалах состоит в следующем:

- в работе [47] соискателем сформулированы направления по созданию нового поколения систем дистанционной диагностики;

- в работах [49-52] соискателем разработана структура систем диагностики линий электрических сетей, модель геопривязки самолетных изображений и технологические операции по обработке и интерпретации получаемых видеоматериалов;

- в работах [36, 74-76] соискателем предложен сканерный принцип построения системы диагностики колесных тележек, а также алгоритмы нормализации и температурного анализа тепловизионного изображения, совместно с соавторами выполнены их алгоритмизация, практическая реализация и внедрение;

- в работе [77] соискателю принадлежит идея оперативного измерения массы перевозимой в металлических емкостях жидкости;

- в работах [44, 78, 79] соискателем разработаны алгоритмы измерения параметров контактного провода на основе субпиксельно смещенных ПЗС-линеек;

- работы [48, 55, 56, 71-73] выполнены без соавторов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы и приложения, которое содержит документы о внедрении и практическом использовании результатов. Общий объем работы составляет 132 е., в том числе: основное содержание - 97 е., рисунки - 22 е., список литературы (81 наименование) - 8 е., приложение - 5 с.

4.4. Основные результаты

4.4.1. Показано, что для снижения трудозатрат и повышения надежности разработку программного обеспечения диагностических систем следует выполнять в виде базового ядра, присутствующего во всех программных комплексах, и специализированных модулей обработки, учитывающих особенности реализации конкретных систем. Установлено, что главной задачей, связанной с созданием базового ядра, является разработка унифицированного формата, описывающего структуру представления видеоданных от различного типа съемочных устройств, и средств визуализации растровых изображений. Предложена архитектура такого формата, основанная на использовании универсальных полей данных - тегов.

4.4.2. Разработано программное обеспечение систем контроля электроэнергетических объектов, реализующее алгоритмы и модели обработки ИК-и видеоинформации, рассмотренные во 2-й главе, и представленное двумя одноименными программными комплексами EAGLE и KLER.

Показано, что геометрическая обработка теплового изображения и видеокадров выполняется по единой технологической схеме, основанной на независимых преобразованиях отдельных сканов по кусочно-линейным функциям обратного координатного соответствия. Приводятся результаты практической апробации ПО EAGLE при обработке изображений воздушных ЛЭП, подтвердившие высокую эффективность всей системы особенно при обследовании объектов электроэнергетики в труднодоступных и малонаселенных районах крайнего Севера.

Рассмотрены принципы функционирования ПО KLER и показаны примеры решения основных задач по совместному анализу ИК- и видеоснимков. Результаты многолетнего использования системы KLER в службе электрохозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД подтвердили правильность предложенных технических решений и простоту освоения специалистами службы интерфейса программы.

4.4.3. Разработана архитектура многомашинного ПО системы диагностики колесных тележек железнодорожных вагонов (ПО TeploScan), включающего программу Сервер обработки и две программы Сервер управления. Рассмотрены алгоритм организации вычислительного процесса в программе Сервер управления, а также функции программных модулей, составляющих основу прикладной части программы Сервер обработки системы TeploScan.

Приводится описание технологических операций, выполняемых ПО TeploScan, в ходе обследования железнодорожных составов на ст. Рыбное Московской железной дороги, а также экранные формы, иллюстрирующие интерфейс программы при обработке ИК-снимков.

Материалы главы опубликованы в работах автора [50, 51, 78-80].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных в диссертации исследований получены следующие результаты.

1. Проведен патентный анализ и определен класс задач по контролю объектов электроэнергетики и железнодорожного транспорта, которые на сегодняшний день не решены или решаются не эффективно с помощью имеющихся однолучевых и кадровых тепловизионных оптико-электронных систем дистанционного наблюдения. Сформулирована и обоснована концепция создания нового поколения систем дистанционной диагностики, основанных на принципах скановой съемки контролируемых объектов и отвечающих современным требованиям по функциональной полноте, точности и уровню автоматизации решаемых задач.

2. Спроектирована структура системы воздушного обследования ЛЭП, обеспечивающей получение высокодетальных геопривязанных изображений с пространственным разрешением ~ 0,2 м и известными температурными характеристиками представленных на нем объектов. В основе функционирования системы лежат: модель геодезической привязки и геометрической коррекции скановых тепловизионных изображений, формируемых в условиях самолетной съемки; алгоритм геопривязки и совмещения видеокадров, получаемых цифровым фотоаппаратом, основанный на калибровке модели съемочной системы по опорному ИК-снимку; технология автоматического распознавания по тепловому изображению неисправных электроизоляторов, основанная на разностном алгоритме Розенфельда обнаружения малоразмерных объектов. Реализованный в системе способ обследования ЛЭП защищен патентом РФ.

3. Разработан переносной вариант системы обследования электроэнергетических объектов, обеспечивающей получение четких цветных изображений обследуемых устройств за счет геометрического совмещения видео и ИКкадров и совместной интерпретации материалов съемки на основе пороговой бинаризации теплового снимка и последующей модуляции видеокадра.

4. Разработана система дистанционной диагностики колесных тележек железнодорожных вагонов, которая в отличие от известных однолучевых и кадровых систем позволяет одновременно выявлять неисправности тормозной системы, буксового узла и определять наличие трещин на колесном диске. Система защищена патентом РФ и обеспечивает в автоматическом режиме решение следующих задач: радиометрическую и геометрическую нормализацию формируемых многоэлементным сканером тепловизионных изображений; распознавание и выделение на снимке отдельных узлов колесной тележки и их температурный анализ по многоуровневому критерию. Результатом практического использования системы является повышение точности и достоверности диагностики и, как следствие, повышение безопасности работы железнодорожного транспорта.

5. Предложена система контроля перевозимых на железнодорожном транспорте в металлических емкостях жидкостей, которая в отличие от аналогов реализует бесконтактное измерение массы груза в темпе перемещения цистерны относительно ИК-сканера. Алгоритмическое обеспечение системы, основанное на радиометрической и геометрической нормализации изображений и их корреляционно-экстремальном сопоставлении с эталоном, позволяет автоматически распознавать параметры емкости и определять объем перевозимой жидкости.

6. Предложена система и способ измерения степени износа контактного провода электропитания железнодорожного транспорта, основанный на измерении ширины площадки износа по изображению высокого пространственного разрешения, формируемого несколькими субпиксельно смещенными ПЗС-линейками. Система характеризуется высокой надежностью диагностики, обеспечивает привязку материалов наблюдений к местности и измерение ширины площадки износа с точностью до 0,1 мм.

7. Предложены принципы структурной организации программного обеспечения диагностических систем, проектируемого в виде базового ядра и подключаемых к нему специализированных модулей обработки, что позволяет снизить трудозатраты на разработку и повысить надежность создаваемого ПО. Разработан унифицированный формат представления изображений в базовом ядре, за счет чего обеспечивается сопряжение с различными структурами данных диагностических систем.

8. На основе базового ядра спроектировано программное обеспечение систем диагностики ЛЭП {EAGLE), технологического электрооборудования (KLER) и контроля колесных тележек железнодорожных вагонов (система Те-ploScan). С помощью системы EAGLE по заказу ООО «НАДЫМГАЗПРОМ» было выполнено обследование высоковольтных ЛЭП в Ямало-Ненецком автономном округе. Система KLER внедрена в службе электрохозяйства, a Teplo-Scan - в службе вагонного хозяйства ОАО «Московская железная дорога» РАО РЖД.

1. Казанцев Г.Д., Курягин М.И., Пустынский И.Н. Измерительное телевидение. М.: Высшая школа, 1994. 288 с.

2. Дистанционное зондирование: количественный подход Ш.М. Дейвис, Д.А. Ландгребе и др.; Под ред. Ф. Свейна и Ш. Дейвиса. Пер. с англ. М.: Недра, 1983. 415 с.

3. Путятин Е.П., Аверин С.И. Обработка изображений в робототехнике. М.: Машиностроение, 1990. 320 с.

4. Тарасов В.В., Якушенко Ю.Г. Многоспектральные оптико-электронные системы, http://www.st.oss.ru/publications/42002/tarasov.htm.

5. Горный В.И., Шилин Б.В., Ясинский Г.И. Тепловая аэрокосмическая съемка. М.: Недра, 1993. 128 с.

6. Шилин Б.В. Тепловая аэросъемка при изучении природных ресурсов. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. 248 с.

7. Ллойд Дж. Системы тепловидения. М.: Мир, 1978.

8. Якушенко Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Логос, 1999.

9. Aviation scanning radiometric complex for remote monitoring of the Earth surface of high space and temperature resolution // Institute for aerospace technology. Kazan. 2002.

10. Тепловизионная сканирующая система высокого разрешения «ИКАР-002». http://aerogeophisica.com.

11. Портативный компьютерный термограф IRTIS-2004. http://www.irtis.ru

12. Оптико-механическая камера ТН5104. http://www.panatest.ru / stuff / nec.shtnl.

13. Приборы Thermovision компании AGEMA. http://www.flir.ru/ aboutflir.htm.

14. Н.Миронов А.А., Образцов В.Л., Павлюк А.Э. Температурный режим буксового узла при нарушении торцевого крепления и тепловой контроль //

15. Железнодорожный транспорт. 2005. № 6. С. 50-52.

16. Филачев A.M., Пономаренко В.П., Таубкин И.И., Ушакова М.Б. // Прикладная физика. 2003. 4.1. № 1. С. 105-120; 4.11. № 2. С. 54-69.

17. Цифровая обработка изображений в информационных системах: Учеб. пособие / Грузман И.С., Киричук B.C. и др. Новосибирск: Изд-во НТГУ,2002. 352 с.

18. Комплекснозначные и гиперкомплексные системы в задачах обработки многомерных сигналов / Под ред. Фурмана Я. А. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2004. 456 с.

19. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005. 1072 с.

20. Анисимов Б.В., Курганов В.Д., Злобин В.К. Распознавание и цифровая обработка изображений. М.: Высшая школа, 1983. 295 с.

21. Шилин Б.В., Гаврилов Д.С. Хотянов В.В. Аэросъемка // ArcReview.2003. С. 12-13.

22. Программный комплекс ALTEXIS 2.0 // Геопрофи. 2004. №4. С. 34-37.

23. Еремченко Е.Н., Кузнецов О.В., Гречищев А.В. Создание топоосновы корпоративной ГИС ОАО «Мосэнерго» и дешифрирование ЛЭП по космос-нимкам // ArcReview. 2002. № 3. С. 11-13.

24. Паспортизация федеральных ЛЭП Ямала. Опыт применения аппаратуры Торсоп // Информационный бюллетень ГИС-ассоциации. 2002. № 1. С. 18-19.

25. Патент ЕР 0263896 МКИЧ В61К 9-06. Способ и устройство для дистанционного измерения температуры осей или букс движущихся железнодорожных вагонов. 1986.25. Изобретение № 2126754.

26. Патент RU 2208768, С2. Способ дистанционно-неконтактного определения уровня среды в резервуаре / П.К. Плотников, Н.В. Петрушенко, Р.А. Син-гатулин.и др. 2003.

27. Патент США 5065624, G 01 F23/28. Устройство для измерения глубины жидкости. 1993.

28. Танеев P.M., Уварова Е.А. Измерение массы жидкости в тонкостенной емкости большого объема // Тез. докл. 11-й международной науч.-техн. конф. «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций». Рязань, 2002. С. 51-53.

29. Патент RU 2047844 G 01F. Способ контроля уровня сред в резервуаре и устройство для его осуществления / Е.Б. Сафьянник и др. 1995.

30. Лурье И.К. Основы геоинформатики и создания ГИС / Дистанционное зондирование и географические информационные системы. Под ред. A.M. Бер-лянта. М.: 2002. 140 с.

31. Гарбук С.В., Гершензон В.Е. Космические системы дистанционного зондирования Земли. М., 1997. 296 с.32. http://eospo.gsfc.nasa.gov/ftpATB/REVIEW/MODIS/ATBD-MOD.pdf

32. Межотраслевая обработка изображений датчика МСУ-В ИСЗ «Оке-ан-О» / В.К.Злобин, В.В. Еремеев, А.Е. Кузнецов и др. // Исследование Земли из космоса. 2001. № 1. С. 24-31.

33. Цифровое преобразование изображений: Учеб. пособие дл вузов / Р.Е. Быков, Р. Фрайдер и др. М.: Горячая линия Телеком. 2003. 228 с.

34. Партон В.З. Механика разрушений от теории к практике. М.: Наука, 1990. 240 с.

35. Патент RU 2260534 С 1. Способ диагностики неисправностей колесных тележек железнодорожных вагонов / А.Е. Кузнецов, В.И. Калюжный, А.О. Ковалев, И.Ф. Ефремов, Ю.М. Гектин. Опубл. 20.09.2005. Бюл. № 26.

36. Патент RU 2079810, G 01 С 1/100. Способ геодезических измерений объемных объектов по заданным световым меркам и устройство для его осуществления / А.А. Арефьев, Ю.П. Здяркин. 1993.

37. Изобретение № 2066645. Мобильный контрольно-вычислительный комплекс.

38. Изобретение №2108936. Мобильный контрольно-вычислительныйкомплекс для диагностики контактной сети железнодорожного транспорта.

39. Измерительная система для определения положения и износа контактного провода // Железные дороги мира. 2003. № 4.

40. Патент RU № 2120866. Устройство для замера и регистрации износа контактного провода.

41. Патент RU № 2137622. Устройство для измерения параметров контактного провода.

42. Устройство для определения износа контактного провода. Железные дороги мира, 2001, № 9/Н. Nagasawa et al. Quarterly Report of RIRI, 2002, № 4, p.117-119.

43. Патент RU № 2264930 С 1. Способ диагностики локального износа контактной сети электропитания железнодорожных составов / А.Е.Кузнецов, Калюжный В.И., А.О. Ковалев, И.Ф. Ефремов, Ю.М. Гектин. Опубл. 27.11.2005. Бюл.№ 33.

44. Ушакова М.Б. Зарубежные тепловизионные приборы первого, второго и третьего поколений //Прикладная физика. 2004. № 3. С. 70-78.

45. Aerosense Exhibition Guide, 2-4 April 2002, Orlando, USA.

46. Ковалев А.О. Концепция создания тепловизионных систем дистанционного контроля транспортно-энергетических объектов / Рязан. гос. радиотехн. акад. Рязань, 2005. 11 с. Деп. в ВИМИ ДО 8984 от 13.09.05 г.

47. Патент RU 2258204 С 1. Способ дистанционного обследования объектов электрических сетей с помощью тепловидеосъемочного устройства / А.Е. Кузнецов, В.И. Калюжный, А.О. Ковалев, И.Ф. Ефремов, Ю.М. Гектин. Опубл. 10.08.2005. Бюл. № 22.

48. Гектин Ю.М., Ковалев А.О., Кузнецов А.Е. Самолетный комплекс дистанционного зондирования EAGLE / Тез. докл. науч.-техн. конф. «Системынаблюдения, мониторинга и дистанционного зондирования Земли. Адлер. 2004. С. 47.

49. Гектин Ю.М., Ефремов И.Ф., Ковалев А.О., Кузнецов А.Е. Аэросъемочный комплекс высокого пространственного разрешения / Тез. докл. 3-й всероссийской конф. «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса». Москва, ИКИ, 2005.

50. Ковалев А.О., Кузнецов А.Е., Нефедов В.И. Самолетная тепловизион-ная система высокого пространственного разрешения // Информационные технологии и телекоммуникации в образовании и науке. Межвуз. сб. научн. трудов. Рязань, РГРТА. 2005. С. 52-60.

51. Морозов В.П. Курс сферической геодезии. М.: Недра, 1969. 304 с.

52. Абдувахидов А.А. Исследование точности фотограмметрической обработки аэрофотоснимков по данным определения их положения и ориентации с мощью инерциальной и GPS-систем // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2002. № 6. С. 81-88.

53. Ковалев А.О. Алгоритмы планирования съемок и их координация в системе спутников и самолетов при исследовании природных ресурсов Земли // Тез. докл. международной студ. науч. конф. «Памяти пионеров космонавтики и астронавтики» Москва, МАИ, 1990. С. 172.

54. Лобанов А.Н., Журкин И.Г. Автоматизация фотограмметрических процессов. М.: Недра, 1980. 240 с.

55. Лобанов А.Н. Аналитическая фотограмметрия. М.: Недра. 1978.

56. Алпатов Б.А., Бабаян П.В. Электронная юстировка изображений при мультиспектральном наблюдении // Вестник РГРТА, Рязань, 2004. № 14. С. 24-26.

57. Кузнецов А.Е., Новоселов В.Г. Получение непрерывных изображенийиз отдельных кадров // ЭВМ и информационные технологии: Межвуз. сб. науч. тр. Рязань: РГРТА. 1998. С. 54-58.

58. Кузнецов А.Е., Пресняков О.А. Модели геометрического соответствия совмещаемых изображений // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2002. №2. С. 119-128.

59. Калантаров Е.И., Никишин Д.А. Развитие процессов фотограмметрии проективными методами // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2003. № 1.С. 95-104.

60. Цветков В.Я., Юрченко В.И. К возможности решения фотограмметрических задач без определения элементов внутренних ориентированных снимков // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2002. № 6. С. 167-179.

61. Методы цифровой обработки изображений: Учеб. пособие Ч.З / С.В. Дегтярев, А.А. Орлов, С.С. Садынов и др.: Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2004.216 с.

62. Иванов В.П., Батраков А.С. Трехмерная компьютерная графика. М.: Радиосвязь, 1995. 224 с.

63. Марчуков B.C. Дешифрирование многозональных аэрокосмических изображений с использованием структурно-пространственной информации // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2003. № 6. С. 55-65.

64. Марчуков B.C., Кочнова И.В. Автоматизированное выделение объектов заданного размера на аэрокосмических изображениях с использованием параллельной обработки // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2004. № 3. С. 151-157.

65. Кузнецов А.Е., Побаруев В.И., Горшков Ю.А. Первичная радиометрическая обработка цифровых космических изображений // Вестник РГРТА. Рязань, 2000. №7. С. 81-21.

66. Кук, Розенфельд. Схема обнаружения объектов заданных размеров // ТИИЭР. 1970, т. 58. № 12. С. 109-110.

67. Коршунов Ю.М. Математические основы кибернетики. М.: Энерго-атомиздат, 1987. 496 с.

68. Егошкин Н.А., Ковалев А.О. Алгоритмы температурного анализа изображений колес грузовых железнодорожных вагонов // Тез. докл. ВНТК «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве». Н-Новгород. 2005. С. 15.

69. Ковалев А.О., Кузнецов А.Е. Технология оперативной оценки массы перевозимых в металлических емкостях грузов // Вестник РГРТА. Рязань, 2004. № 15. С. 126-128.

70. Климов А.С. Форматы графических файлов. К.: НИПФ «ДиаСофт». 1995.480 с.