Имитатор сейсмических сигналов для систем охраны

иркутским государственный университет путей сообщения

ставлено окно программы, где содержится вопрос (адресованный пользователю) и варианты ответа.

Рис.2. Окно запроса экспертной системы.

Получив ответ на вопросы, задаваемые системой в процессе решения поставленной задачи, экспертная система должна выдать четкий совет, например: «Проверьте положение щеток по заводским меткам, имеющимся на траверсе».

База знаний (БЗ) экспертной системы содержит более 400 продукционных правил. В сис-

тему включены средства отладки и тестирования программы, редактирования для модификации знаний и данных.

Подводя итог исследования, необходимо отметить, что спроектированная система доказала свою компетентность при поиске неисправности и рационального ее устранения, подтверждая то, что одной из основных характеристик экспертной системы является ее производительность, т.е. скорость получения результата и его достоверность, что приводит к сокращению времени простоя оборудования [1]. Кроме того, база знаний данной ЭС может быть использована для оценки остаточного срока службы основных узлов электрических машин.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Дунаев М. П. Экспертные системы для наладки электроприводов : моногр. Иркутск : Ир-ГТУ, 2004. 138 с.

2. Гемке Р. Г. Неисправности электрических машин : учеб. Л. : Энергия, 1975. 296 с.

3. Самородов Ю. Н. Дефекты и неисправности генераторов. М. : НТФ «Энергопрогресс», 2005. 100 с. (Прилож. к журн. «Энергетик» ; вып. 9).

Костенко К. В., Шевцов В. Ф.

УДК 004.942:550.34.06.313.2

ИМИТАТОР СЕЙСМИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМ ОХРАНЫ

Введение. Рассматриваемая здесь программа-имитатор применима для моделирования информационных сигналов, характерных для сейсмических систем охраны на дискретных датчиках (геофонах). Подобные системы находят успешное применение при охране протяженных периметров и рубежей, а также в случаях, когда необходима скрытая установка датчиков и точная локализация объектов-нарушителей.

Основными функциями сейсмических систем наблюдения (ССН) являются:

• обнаружение целей на фоне помех (технологические шумы, погодные явления);

• определение координат и скоростей целей, и построение на их основе связных траекторий движения объектов в зоне действия ССН;

• определение класса целей из числа наиболее часто встречающихся (человек, группа людей, транспортное средство).

В зависимости от характера охраняемого объекта, различными будут тактические ситуации, возникающие при появлении в зоне охраны нарушителей. Так в случае охраны периметра объекта особой важности, необходимо не только установить факт вторжения, но и точно локализовать его место, а также оценить численность нарушителей и наличие в их распоряжении транспортных средств. В случае же охраны, например, нефте- и газо- трубопроводов от незаконных врезок с целью хищения необходимо помимо наблюдения за объектами, находящимися рядом с трубопроводом (которые могут там находиться и без корыстного

системным анализ и его приложения

умысла) определить наличие технологических шумов, характерных при действиях по врезке.

В связи с этим весьма весомой становится задача выявления в сигнале характерных особенностей, присущих конкретным классам нарушителей. Принципиальную важность разделения таких классов нарушителей, как человек, группа людей и транспортное средство, подчеркивает пример охраны особо важных объектов, когда необходимо оценить состав и количество сил для противодействия. Довольно подробное исследование вопроса классификации нарушителей было проведено авторами и изложено в [1].

Задачи имитации. Существует несколько задач, которые позволяет решить имитационное моделирование. Круг их довольно широк и включает задачи от технического до научно -прикладного характера.

Очевидным применением программы-имитатора является генерация сигналов для датчиков охранной системы с целью проверки корректности работы алгоритмов по обработке сигналов. При этом исключается необходимость физического подключения датчиков, а затем воздействия на них. Это позволяет не только отладить части программы, выполняющие конкретную функцию, но и провести сквозную проверку всего тракта обработки данных, и выявить возможные противоречия между блоками обработки.

Имитация сигналов также необходима при разработке алгоритмов функционирования системы, позволяя в оперативном режиме проверять и при необходимости улучшать качество обработки сигнала. Используя записи сигналов, полученные с помощью имитатора для конкретных тактических ситуаций, можно в итоге составить алгоритмы с оптимальным соотношением точности и скорости обработки. Подчеркнем, что при программировании алгоритмов очень удобно иметь под рукой имитатор, позволяющий выполнять проверки по ходу написания программы.

Важным применением имитационного моделирования является его использование в качестве инструмента научно-прикладных исследований. С помощью имитирования сигналов, создаваемых, например, одним человеком и группами различной численности, а затем исследования полученных записей, можно обнаружить характерные признаки, присущие данным классам целей. Эти признаки затем можно использовать при составлении алгоритмов классификации объектов. При исследовании вопроса классификации целей [1] авторами широко использовалась рассматриваемая про-

грамма-имитатор, что позволило разработать довольно эффективные алгоритмы.

Функции программы-имитатора. Программа имитации сейсмических сигналов обеспечивает генерацию сигналов для каждого датчика системы в соответствии с моделируемой тактической ситуацией [2]. Основными функциями имитатора являются:

• Формирование геометрии системы датчиков и сохранение ее в файлы, содержащие координаты датчиков в единой системе координат. Можно задавать расположение датчиков вручную или с помощью аналитических моделей рубежа, представляющих собой:

а) пару линейных отрезков с равноудалено расположенными датчиками;

б) круговую систему, образованную двумя концентрическими окружностями с равноудаленными на каждой из окружностей датчиками;

в) периметрическую замкнутую систему, образованную двумя вложенными прямоугольниками, с равноудаленными в каждом прямоугольнике датчиками.

• Задание траекторий движения целей с возможностью сохранения задаваемых координат. Траектория формируется для выбираемой геометрии системы в единой с координатами датчиков системе координат и может быть использована в дальнейшем для создания сценариев движения целей.

• Создание на основе выбранных геометрии системы и траекторий движения целей того или иного сценария их движения, в том числе с переменными вдоль траектории движения скоростями для каждой цели. Разработанный сценарий можно сохранить для дальнейшего воспроизведения.

• Задание каждой цели классификационной информации (человек, группа, транспортное средство) и ее индивидуальных параметров, а также параметров моделируемой среды.

• Просмотр генерируемого сигнала на каждом из датчиков и создание записей сигнала для последующей обработки.

Рассмотрим подробнее эти функции.

Задание геометрии системы наблюдения. Моделирование сигнально-помеховой ситуации начинается с определения размеров и геометрии зоны наблюдения, а также расположения датчиков системы. Установка датчиков производится в интерактивном режиме, как с помощью прямого указания координат каждого датчика, так и при помощи групповых аналитических шаблонов. Эти шаблоны являются наиболее типичными и включают в себя рубеж вдоль оси X, рубеж вдоль оси У,

иркутским государственный университет путей сообщения

о о о о о о о о о о

о о о о о о о о о о о о о о

О о о о о о о о о о о о о о о о о о о

о о о о о о о о о о о о о о О о

о о о о о о о о о

о о о о о о о о о о

о о

а)

б)

о

о г)

О

О О О

О о

о о О

о

Рис. 1. Шаблоны геометрии системы наблюдения

прямоугольный периметр и круг (рис. 1 а-г соотв.).

К датчикам, задаваемым с помощью аналитических шаблонов, могут быть добавлены датчики, задаваемые вручную путем указания координат. Каждый вариант геометрии системы может быть записан в файл.

Задание траекторий движения целей. Задание траектории движения каждой цели выполняется для определенной ранее геометрии системы наблюдения, в которой происходит движение цели.

Для формирования трассы движения можно использовать ввод физических координат в текстовое окно или воспользоваться мышью, нажатие кнопки которой приводит к появлению отметки трассы цели. Можно задать произвольное число отметок в траектории движения цели. По окончании ввода отметок трассы они будут соединены непрерывной ломаной линией. На рис. 2 показан пример формирования траектории движения цели

для выбранной системы наблюдения.

Подобным образом последовательно задаются траектории движения всех целей, находящихся в зоне наблюдения.

Разработка сценариев. При разработке сценариев имеется возможность скомпоновать из ранее созданных структур систем наблюдения и трасс, принадлежащих данной структуре, тактическую ситуацию. Выбирая любые из ранее созданных трасс, формируется комбинация целей, находящихся в зоне наблюдения.

При задании параметров движения целей можно указать для каждой цели скорость ее движения на любом участке траектории и номер временной реализации (точку времени), с которой она стартует. Для каждого отдельного участка траектории движения цели задается скорость ее движения на этом участке (если это необходимо).

По окончании ввода параметров движения всех целей имеется возможность записать данный

) а 1 2 о а 3 4 а < 5 ) а 6 7 а а 8 9 О { 10 1 11

\ ) а 42 о а 44 Ч а \ К 4Р ) а 47 44 а а 40 4 О 4 п 41 1 1 2

\ 1 а О 4 1

Ь6 Л 42 13

30 5ЕГ \ 43 14

{ ) а 29 54 \ О { 44 1 15

> а 28 53 а а 52 5 ) а 49 48 а а 47 4 а I 6 45 > 16

* а 27 2К о а 2 а { 4 2Ч --в— ) а 22 21 а а 2П 1 —- в- а 4 а 1 я • 1 7 -о

Рис. 2. Траектория движения цели. Сплошная линия - траектория цели, кружки с номерами 1-56 - датчики, кружки, расположенные вдоль траектории цели - задаваемые отметки цели.

I о 1 2 о о 3 4 о 4 5 I о 6 7 а о 8 9 О 4 10 » 11

) о 32 33 о о 34 3 О 1 ; зп ) о 37 ЗЯ о о 39 Л о \ 1 41 V

< I о О 4

30 55 14 1

А { ) о 29 54 а { 44 \ 15 \

) о 28 53 о о 52 5 О 4 1 50 ) о 42 43 о о 41 4 О { 5 45 1 ч 16 * 1.

) о 27 2К о о 25 ? а 4 1 23 ) а 22 21 а а 2П 1 а { 1 1Я 1 17

У

Рис. 3. Пример созданного сценария. Первая цель (№ 1) стартует со скоростью 3 м/сек, на 37-ой реализации изменяет ее на 1 м/сек, другая цель (№ 6) стартует с 50-ой реализации со скоростью

1 м/сек, а затем изменяет ее на 2 м/сек

сценарий в файл, а также просмотреть симуляцию созданного сценария. На рис. 3 показан пример созданного сценария движения двух целей в выбранной системе наблюдения.

Представление о смене скоростей дает густота отображаемых точек трассы (чем выше скорость, тем реже отображаются отметки целей). Номер цели отображается в начале трассы в красном кружке.

Определение характеристик целей и среды. Заключительным этапом подготовки к имитации сигнально-помеховой ситуации является придание каждой цели индивидуальных характеристик. К ним относятся особенности целей, такие как длина шагов человека или участников группы, относительные вклады целей в формирование сигналов на приемных элементах. Для класса "транспортное средство" - задание гармонического ряда дискретных составляющих в спектре его сигнала. Кроме того, здесь определяются основные параметры среды распространения сигналов: скорость звука, закон затухания сигналов в зависимости от расстояния цели до датчиков, километрическое затухание сигналов, отношение сигнал/помеха и приведенная шумность. Также введены параметры опроса системы: время накопления сигналов, частота опроса системы.

Определение классов целей и задание их параметров

Для каждой цели в моделируемом сценарии необходимо задать ее класс и индивидуальные характеристики. В зависимости от выбранного класса изменяется перечень параметров цели.

Так для класса "человек" нужно задать следующие параметры:

• длину шагов;

• относительный вес (по отношению к весу 60 кг).

При выборе класса "группа" необходимо задать:

• численность группы;

• длину шагов и относительный вес для каждого из членов группы.

Для класса "транспортное средство" задаются:

• относительный вес;

• начальная частота звукоряда, присутствующего в его спектре.

Специальные случаи помех

Наряду с целями в пределах зоны ответственности системы наблюдения или за ее пределами могут оказаться мощные источники помех. В имитатор включены два типа таких помех:

• стационарная импульсная помеха и

• стационарная тональная помеха.

иркутским государственный университет путей сообщения

Первая из них имитирует, например, работу копра, забивающего сваи, вторая - воздействие на датчики источников переменного напряжения известной частоты или работу отдельных узлов сложных устройств, таких как, например, лесопилка. Стационарность предполагает неизменность пространственного положения помехи.

Параметрами импульсной помехи являются:

• X и У координаты помехи в единой системе координат расположения датчиков;

• частота следования импульсов;

• мощность излучения.

Для тональной помехи задаются:

• X и У координаты;

• центральная частота;

• максимальное отклонение от центральной частоты;

• время изменения частоты от центральной до максимальной или минимальной.

Например, если частота оборотов лесопилки равна 3000 оборотов в минуту, то центральная частота равна 50 Гц. Если при распиловке бревна за счет нагрузки на режущую часть частота оборотов падает до 20 Гц, то максимальное отклонение частоты равно 30 Гц. Время изменения частоты происходит за время распиловки бревна, например, за 20 секунд.

В области ответственности системы наблюдения может быть задано любое количество помех обоего типа.

Параметры среды

Задание параметров среды является важным этапом моделирования. К ним относятся как физические величины, так и технически обусловленные. Такими параметрами являются:

• скорость распространения волн;

• коэффициент километрического затухания;

• отношение сигнал/помеха;

• степень закона распространения поверхностных волн;

• уровень приведенной шумности;

• время накопления сигнала;

• частота квантования сигнала.

Генерация сигналов на датчиках системы. Генерация сигналов осуществляется для каждого датчика системы наблюдения в каждой точке траектории движения целей. Сигнал на датчике представляет собой сумму сигналов, возбуждаемых целями с учетом расстояния от каждой цели до датчика, относительных мощностей целей, а также разности времен прихода сигнала на датчик. При генерации сигналов учитывается затухание сигналов в среде (километрическое затухание) и

ослабление сигнала за счет цилиндрического закона распространения сигналов от источников [3].

Сигналы несут классификационные признаки целей. Каждая цель создает сигнал, имеющий импульсный характер. Сигналы разных классов имеют разные коэффициенты заполнения импульса и разные скважности и отличаются амплитудами излучения. Частоты повторения сигналов во времени различны для разных классов целей.

Формирование временного сигнала человека Каждый отсчет сигнала (измеренное значение) в момент времени nAt представляет собой сумму гармонических составляющих и имеет следующий вид:

N

S(n) = ^ a sin(2^in / N),

Коэффициенты a определяются задаваемой моделью спектра цели в следующем виде:

a =

где Л/ = 1/ Treal, T геа1 - длительность принимаемой временной реализации, N - 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, продолжающееся M отсчетов и начинающееся с k0 -го момента времени, описывается следующим законом:

~ =

а max

Здесь ~max - максимальное значение числителя данного выражения, у - коэффициент, обеспечивающий формирование импульсного сигнала. Данное преобразование приводит временной сигнал к единичной амплитуде, что позволяет затем вводить относительные мощности целей.

Затем полученные в соответствии с (3) временные отсчеты периодически продолжаются во времени, при этом период повторения сигнала рассчитывался из следующих соображений: если человек движется со скоростью V, а длина его шага равна L, то частота повторения шагов со есть

с = V / L.

Полученная в соответствии с (3) реализация сдвигается на число отсчетов, равное целой части числа Note = N / с . В результате формируется временная выборка, состоящая из со импульсов.

¿=1

системным анализ и его приложения

Далее рассчитываются времена прихода сигнала от целей на датчики. Опорным каналом всегда считается первый датчик. Задержка сигнала от /-ой цели доу-го датчика есть:

Г — г

1 -) N ] +1.

V.,

Nzad = [(

В формуле

Гц ,

Х1, У,

коор-

динаты цели, Ху, Уу - координаты датчиков, ^ -расстояние от цели до первого датчика, V^ипа -скорость распространения звука в среде.

Для формирования сигнала на у-ом датчике ранее сгенерированная выборка сдвигается на число отсчетов, равное N 2аа. Если N 2аа< 0, то сигнал формируется, начиная с N гаа+1 отсчета, до отсчета с номером N. Затем к нему добавляются отсчеты, начиная с первого и кончая отсчетом с номером N2аа. Если Nшс1> 0, то первые N2аа отсчетов заполняются нулями, а затем берутся N отсчетов сгенерированной выборки.

Наконец, учитывается ослабление амплитуды сигнала от каждой цели за счет затухания в среде, а также за счет цилиндрического закона распространения волны:

а р 1

Ъ = --,1 = №),

где Р - коэффициент километрического затухания, а - степень закона распространения сигнала в среде.

К сигналу, создаваемому целями, добавляется равномерно распределенный шум, амплитуда которого определяется обратным отношением сигнал/помеха.

Формирование временного сигнала группы

Формирование временного сигнала, создаваемого группой людей, происходит аналогично описанной в предыдущем разделе процедуре. Отличие состоит в том, что группа представляет собой цель, которая движется с определенной скоростью, но каждый член группы в силу индивидуальных особенностей (длина шага, относительный вес) вносит в сигнал свой вклад. Поэтому сигнал формируется для каждого члена группы, а затем суммируется в точке нахождения датчика с учетом разных относительных весов и частоты следования шагов.

При таком подходе следует ожидать следующие эффекты:

• амплитуда сигнала от группы людей в среднем должна быть выше, чем от одного человека;

• в спектре огибающей должны наблюдаться частоты, как выше, так и ниже частоты одного человека.

Таким образом, единственная особенность формирования сигналов от группы людей состоит в том, что этот сигнал является суммой сигналов людей, составляющих данную группу, и расположенных в одной пространственной точке (задержкой сигнала в пределах одного шага здесь пренеб-регается).

Формирование временного сигнала транспортного средства

Модель сигнала, возникающего на датчиках при движении транспортного средства в зоне действия системы наблюдения, можно представить себе как последовательность случайных столкновений соприкасающихся с грунтом его частей. При каждом соударении, так же как и в случаях человека и группы людей возникает волна, распространяющаяся от точки столкновения. Однако отличие сигналов от других классов целей состоит в следующем:

• Если ТС движется со скоростью, значительно превышающей скорость движения людей, сигнал на датчике представляет собой сумму сигналов, пришедших из разных пространственных точек. Поскольку столкновения ТС с препятствиями носят случайный характер и излучаются из различных пространственных точек, то и результат их сложения будет носить такой же характер. Поэтому сигнал на датчиках будет носить характер равномерно распределенной помехи высокого уровня. Однако в отличие от обычной помехи, амплитуда сигнала будет зависеть от дистанции до датчиков.

• Второй характерной особенностью сигнала от ТС является наличие в его спектре мощных дискретных составляющих, в какие-то моменты времени значительно превышающие уровень сплошной (шумовой) части спектра. Их появление также носит случайный характер во времени, однако их появление обусловлено режимами работы каких-либо механизмов. Поэтому следует ожидать, что в процессе наблюдения ТС эти дискретные составляющие будут появляться в спектре вместе со своими высшими гармониками (либо обертонами).

• Третья особенность заключается в гораздо более высоких по сравнению с человеком и группой уровнях сигналов, что обусловлено большим весом ТС.

Г

у

Таким образом, сигнал ТС представляет собой равномерно распределенный шум, уровень которого определяется относительным весом ТС. К нему добавляется гармонический ряд дискретных составляющих, основная частота которого задается. Уровень дискретных составляющих носит случайный характер. Зависимость сигнала от расстояния определяется формулой (6).

Просмотр сигналов на датчиках и генерация записей. Финальным этапом моделирования является просмотр сигналов на датчиках, который предназначен для визуального контроля правильности генерации сигналов. Сопоставляя взаимное расположение целей и датчиков, можно судить о том, на каком датчике сигнал имеет максимальную амплитуду, определить частоту следования сигналов и определить временные задержки прихода сигналов на тот или иной датчик.

В качестве иллюстрации приведем рис. 4, на котором выведены сигналы на первых шести датчиках системы. Источником сигнала является идущий человек. Из картинок хорошо видно, что в зависимости от взаимного расположения цели (человека) и датчиков системы наблюдения, сигнал

имеет различную амплитуду и временную задержку.

Вывод данных из программы-имитатора осуществляется в файл определенного формата. Таким образом, мы получаем запись сигнально-помеховой ситуации по всем датчикам системы. Подобные файлы с записями сигналов могут быть использованы при создании и проверке алгоритмов обработки на всех стадиях: обнаружения целей, траекторного сопровождения и классификации.

Заключение. Показано, что имитационное моделирование позволяет решить целый спектр задач, который включает задачи от технического до научно-прикладного характера. Имитирование сигналов применяется при отладке комплекса программного обеспечения системы, как с целью проверки отдельных программных блоков, так и для проверки всего тракта обработки данных. Также оно оказывается полезным при разработке и оптимизации алгоритмов обработки сигналов. Неоценимую помощь в научно-прикладных исследованиях оказывают записи сигналов, полученные с помощью имитатора для конкретных тактических

системный анализ и его приложения

ситуаций.

Описанный имитатор применим для моделирования информационных сигналов, характер- 1. ных для сейсмических систем охраны на дискретных датчиках. Приведено краткое описание основных функций программы, позволяющих моделировать большинство типичных сценариев пове- 2. дения объектов в зоне ответственности системы. Дано математическое описание моделей, применяющихся для генерации сигналов, свойственных таким классам целей, как человек, группа и транс- 3. портное средство.

Данная программа нашла успешное применение в исследованиях научно-прикладного характера, при проектировании, разработке и отладке сейсмических систем охраны.

БИБЛИОГРАФИЯ Костенко К. В., Шевцов В. Ф. Классификация объектов в сейсмических системах охраны. Информационно-управляющие системы. 2009. № 3.

Дудкин В. А., Оленин Ю. А. Математические имитационные модели сейсмических сигналов. Проблемы объектовой охраны : сб. науч. тр. Заречный-Пенза, 2001. Вып. 2. Дудкин В. А., Дудкин С. В. Синтез выходного сигнала сейсмоприемника при движении нарушителя в охраняемой зоне. Безопасность информационных технологий : тр. Internet -НТК / под ред. В. И. Волчихина. Секция 6 : Системы обнаружения вторжений. 2001. Т. 1. 39 с.

Паршута Е. А., Гордеева А. А. УДК 534.83

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЗАДАЧАХ ДИНАМИЧЕСКОГО ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ

Как известно [1], метод динамического гашения колебаний состоит в присоединении к объекту виброзащиты дополнительных устройств для изменения его вибрационного состояния. В физическом смысле работа динамических гасителей основана на формировании силовых воздействий, передаваемых на объект, которые становятся результатом сложения внешних и внутренних сил с учетом их фазовых отношений [2]. Реализация режимов динамического гашения связано с введением в структуру виброзащитных систем (ВЗС) дополнительных связей, которые реализуются в виде структур той или иной сложности, получаемых путем соединений по определенным правилам типовых элементов механических колебательных систем [3]. Изменение вибрационного состояния объекта при присоединении динамического гасителя во многих случаях может осуществляться путем перераспределения колебательной энергии от объекта к гасителю. Такое направление чаще всего реализуется соответствующей настройкой системы объект-гаситель по отношению к частотам внешних воздействий на основе коррекции динамических свойств системы. В качестве типовых элементов чаще всего используются дополнитель-

ные массы и упругие элементы, поэтому такие динамические гасители получили название инерционных динамических гасителей. Такие гасители используются для подавления моногармонических или узкополосных случайных колебаний.

Для подавления вибраций в широкополосной области определенными преимуществами обладают гасители, в которых свойства системы изменяются путем присоединения или введения в структуру виброзащитных систем (ВЗС), так называемых, демпфирующих элементов [1]. По-существу, в структуру ВЗС вводятся дополнительные связи, формируемые типовыми элементами, имеющими передаточные функции, отличные от передаточных функций упругого или демпфирующего элемента [3]. Последнее может приобретать форму дополнительной связи в виде колебательного звена [2]. Динамические гасители колебаний с диссипативными элементами часто называют поглотителями колебаний [1 ]. В настоящее время известно остаточно большое разнообразие конструктивных решений комбинационного плана, что, в частности, представлено в работах [3 +

5].