УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ ОБУВИ НА НАЛИЧИЕ В НЕЙ ПОСТОРОННИХ ВКЛЮЧЕНИЙ

Полезная модель относится к области технических средств измерения физических свойств материалов и может быть использована для проведения досмотра обуви без необходимости ее снятия и обеспечения безопасности в аэропортах, контрольно-пропускных пунктах, местах массового скопления людей, например, на стадионах, в школах, дискотеках.
Известно устройство визуализации пространственного распределения диэлектрической проницаемости внутри объектов, называемое электроемкостным томографом [Reinecke N. and Mewes D. 1996, Recent developments and industrial/research applications of capacitance tomography, Meas. Sci. Technol. 7, pp 233-246], в котором используют многоэлектродные емкостные системы, состоящие из десятков электродов, окружающих объект со всех сторон. Изображения реконструируются по результатам измерений путем решения обратной задачи для уравнения, описывающего электрическое поле в неоднородной среде. Вариант электроемкостного томографа для обследования багажа предложен в [Yang et al. United States Patent 7,295,019, Nov. 13 2007 "Security scanners with capacitance and magnetic sensor arrays"]. Для проверки обуви электроемкостные томографы не применяются ввиду необходимости помещать исследуемый объект целиком внутрь измерительной системы, т.е. досматриваемое лицо должно разуваться. Это делает такие устройства неконкурентоспособными по сравнению с традиционной рентгеновской досмотровой техникой, которая при соизмеримой стоимости обладает большей разрешающей и проникающей способностью.
Известно устройство ShoeScanner [Crowley; Christopher W. United States Patent 7,750,631, July 6, 2010 "Passenger inspection system and methods for using the same", http://www.morpho.com/IMG/pdf/MDI_ShoeScanner_Overview_1_14_10.pdf] для проверки обуви, включающее в себя платформу, в которой скомбинированы обнаружитель металла электромагнитного типа и обнаружитель массивных взрывчатых веществ, основанный на методе ядерной квадрупольной спектроскопии. Недостатком устройства является низкая чувствительность ядерного квадрупольного спектрометра, требующего облучения пассажира электромагнитным полем высокой интенсивности и длительного времени измерений.
В качестве прототипа принято устройство, в котором используется матрица емкостных сенсоров, с помощью которой производится оценка распределения электрических свойств, например, подошвы ботинка в плоскости, прилегающей к матрице [Dixiang Chen1, Xiaohui Hul and Wuqiang Yang "Design of a security screening system with a capacitance sensor matrix operating in single-electrode mode", Meas. Sci. Technol. 22 (2011) 114026]. Устройство формирует изображение («карту») подошвы, а функция обнаружения опасных объектов выполняется оператором. Недостатком системы является низкая эффективность обнаружения, обусловленная сочетанием недостаточной разрешающей способности используемого метода с необходимостью визуального анализа получаемых малоинформативных изображений. Устройство обеспечивает визуализацию только двумерного распределения электрических свойств, распределение свойств по глубине не может быть использовано для детектирования.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание устройства, обеспечивающее автоматизацию тестирования обуви.
Технический результат заключается в повышение точности и достоверности обнаружения за счет использования информации о трехмерном распределении электрических свойств в объекте, а также в упрощении эксплуатационных характеристик и расширении функциональных возможностей.
Технический результат по первому варианту достигается тем, что в устройство для проверки обуви на наличие в ней посторонних включений, содержащее корпус, внутри которого размещено вычислительное устройство и источник переменного напряжения, и индикаторный блок, подключенный к первому выходу вычислительного устройства, согласно предложению введены два многоканальных измерителя наведенных зарядов, две матрицы измерительных электродов и блок памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации и ее максимальные значения для обуви без посторонних включений, при этом блок памяти подключен к вычислительному устройству, входы которого соединены с выходами многоканальных измерителей наведенных зарядов, вход каждого многоканального измерителя наведенных зарядов подключен к части электродов соответствующей матрицы измерительных электродов, другая часть электродов каждой матрицы измерительных электродов подсоединена к соответствующему выходу источника переменного напряжения, который выполнен многоканальным, а его управляющий вход соединен со вторым выходом вычислительного устройства.
Технический результат по второму варианту достигается тем, что в устройство для проверки обуви на наличие в ней посторонних включений, содержащее корпус, внутри которого размещено вычислительное устройство и источник переменного напряжения, и индикаторный блок, подключенный к первому выходу вычислительного устройства, согласно предложению введены двухканальный металлодетектор, с подключенными к его входам измерительными катушками, два многоканальных измерителя наведенных зарядов, две матрицы измерительных электродов и блок памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации и ее максимальные значения для обуви без посторонних включений, при этом блок памяти подключен к вычислительному устройству, входы которого соединены с выходом двухканального металлодетектора и с выходами многоканальных измерителей наведенных зарядов, вход каждого многоканального измерителя наведенных зарядов подключен к части электродов соответствующей матрицы измерительных электродов, другая часть электродов каждой матрицы измерительных электродов подсоединена к соответствующему выходу источника переменного напряжения, который выполнен многоканальным, а его управляющий вход соединен со вторым выходом вычислительного устройства, к третьему выходу которого подключен управляющий вход двухканального металлодетектора.
Матрицы измерительных электродов и измерительные катушки могут быть выполнены на многослойной печатной плате, причем матрицы измерительных электродов выполнены на внешней стороне платы по отношению к проверяемому объекту.
На чертеже (рис.1) приведена функциональная схема предлагаемого устройства для проверки обуви на наличие в ней посторонних включений. На рис.2 приведены характеристики распределения вычисленной линейной комбинации измеренных наведенных зарядов для различной обуви при наличии и отсутствии в ней посторонних включений. На рис.3 показано трехмерное распределение области чувствительности для различных пар активных и приемных электродов. На рис.4 приведена блок-схема алгоритма работы устройства.
Устройство для проверки обуви на наличие в ней посторонних включений содержит корпус (на чертеже не показан), внутри которого размещено вычислительное устройство 1, источник 2 переменного напряжения, два многоканальных измерителя 3, 4 наведенных зарядов и блок 5 памяти, в котором записаны коэффициенты линейной комбинации и ее максимальные значения для обуви без посторонних включений, блок 5 памяти подключен к вычислительному устройству 1, входы которого соединены с выходами многоканальных измерителей 3, 4 наведенных зарядов, вход каждого многоканального измерителя 3 (4) наведенных зарядов подключен к части электродов соответствующей матрицы 6 (7) измерительных электродов, другая часть электродов каждой матрицы 6 (7) измерительных электродов подсоединена к соответствующему выходу источника 2 переменного напряжения, который выполнен многоканальным, а его управляющий вход соединен со вторым выходом вычислительного устройства 1, первый выход которого подключен к индикаторному блоку 8. Индикаторный блок 8 может быть выполнен в виде отдельного блока и установлен в любом удобном для оператора месте, в частности, на его рабочем столе. Либо индикаторный блок может быть размещен в корпусе устройства, а его индикаторные элементы или индикатор установлены на лицевой панели корпуса. Матрицы 6 (7) измерительных электродов располагают под поверхностью, на которую проверяемый для контроля должен встать обеими ногами. Во втором варианте выполнения устройство дополнительно снабжено двухканальным металлодетектором 9, с подключенными к его входам измерительными катушками 10 и 11, выход двухканального металлодетектора соединен с соответствующим входом вычислительного устройства 1, к третьему выходу которого подключен управляющий вход двухканального металлодетектора. При этом матрицы 6 (7) измерительных электродов и измерительные катушки 10 и 11 могут быть выполнены на многослойной печатной плате, причем матрицы 6 (7) измерительных электродов выполнены на внешней стороне платы по отношению к проверяемому объекту.
Устройство для проверки обуви на наличие в ней посторонних включений работает следующим образом.
Проведение досмотра обуви в аэропортах, контрольно-пропускных пунктах, местах массового скопления людей и т.д. осуществляется без ее снятия. Для этого необходимо встать обеими ногами на поверхность, под которой расположены матрицы 6 и 7 измерительных электродов. После чего с вычислительного устройства автоматически или оператором (вручную) подается сигнал на управляющий вход для включения источника 2. В результате на измерительных электродах матриц 6 и 7 наводятся заряды, величина которых зависит от выходного напряжения источника 2, от расстояния между активным и пассивным электродом матриц 6 и 7 и электрических свойств среды (подошв обуви). Пространственное распределение чувствительности измерений к свойствам исследуемой среды определяется геометрией силовых линий электрического поля, связывающих электрод-источник с электродом-приемником, как показано на рис.3, на котором следующими цифрами обозначено 12 - электрод-передатчик, 13 - электроды-приемники, 14 - подошва обуви (диэлектрическая среда), 15 - постороннее включение в подошве, 16 - ступня ноги (проводящая среда), 17 - силовые линии электрического поля, связывающие электрод-передатчик с электродами-приемниками. Поскольку для различных комбинаций передающих и приемных электродов трехмерная геометрия зон чувствительности отличается, в том числе и по глубине, имея набор измерений с различными комбинациями электродов, можно, решая соответствующую обратную задачу, оценивать трехмерные распределения диэлектрических свойств внутри исследуемого объекта.
i
i
а
Алгоритм работы устройства иллюстрируется рис.4. Значения наведенных зарядов на измерительных электродах матриц 6 и 7 поступают с выходов многоканальных измерителей 3 и 4 в вычислительное устройство 1, осуществляющее вычисление разности между суммой всех измеренных наведенных зарядов и суммой измеренных наведенных зарядов при отсутствии объектов. Затем определяется превышение (или не превышение) вычисленного значения разности заданного значения порога>А. Если вычисленное значение не превышает заданного значения порога, то это означает, что нет объекта для исследования. В данном случае с вычислительного устройства 1 на индикаторный блок 8 поступает сигнал об отсутствии объекта исследования, при этом загорается соответствующий световой индикатор. Если имеет место превышение заданного значения порога, то по измеренным значениям наведенных зарядов вычислительное устройство 1 осуществляет вычисление линейной комбинация входных параметров. Коэффициенты этой линейной комбинации хранятся в блоке 5 памяти, подключенном к вычислительному устройству 1. Они вычисляются заранее вне устройства, например, методом логистической регрессии [Крамер Г., Математические методы статистики, пер. с англ., 2 изд., М., 1975; Кендалл М. Д ж., Стьюарт А., Статистические выводы и связи, пер. с англ., М., 1973] с помощью обучающего набора данных, полученных при измерениях на большом количестве обуви как, обычной, так и с внедренными в нее посторонними объектами. Линейная комбинация вычисляется путем последовательности операций умножения и сложения в соответствии с формулой: , где х - вектор результатов, полученных от измерителя,  - коэффициенты линейной комбинации входных параметров, используемой для вычисления вероятности наличия постороннего вложения в обуви и хранящиеся в блоке 5 памяти (база знаний), I=mn - количество данных измеряемых системой с количеством передающих электродов m и приемных электродов n. После этого проверяется, превышает ли значение вычисленной линейной комбинации заданную пороговую величину В. Если "да", то с вычислительного устройства 1 на индикаторный блок 8 поступает сигнал тревоги и включается соответствующий световой индикатор. Если "нет", то с вычислительного устройства 1 на индикаторный блок 8 поступает сигнал об отсутствии посторонних включений в обуви, при этом включается соответствующий световой индикатор. Аналогичным образом, с помощью другого набора коэффициентов линейной комбинации, может вычисляться вероятность превышения заданной толщины подошвы обуви или соответствие обуви другим критериям.
Рис.2 иллюстрирует результаты работы вычислительного устройства 1, где по оси абсцисс отложены номера испытаний, а по оси ординат величина вычисленной линейной комбинации. Прямоугольники с заливкой соответствуют испытаниям обуви без посторонних вложений, а без заливки - с различными вложениями.
В предлагаемом устройстве используется подход, близкий по своему смыслу к электроемкостной томографии, однако в данном случае вместо визуализации требуется только оценка степени отличия пространственного распределения диэлектрической проницаемости от распределения типичного для нормальной обуви. Благодаря этому требуется существенно меньшее количество электродов в матрицах. Сами электроды можно располагать только с одной стороны объекта подошвы обуви вблизи его поверхности. В результате устройство позволяет оценивать физические (электрические) свойства объектов независимо от размера и до определенной степени положения обуви относительно датчика. При этом достаточно иметь доступ только к участку поверхности объекта с одной стороны, что выгодно отличает предложенное устройство от известных электроемкостных томографов. Измерения могут проводиться на любой удобной частоте от сотен герц до десятков мегагерц. Стоимость, сложность и требования к измерительной аппаратуре при реализации предложенного устройства значительно ниже, чем при использовании стандартной емкостной томографии (требования к количеству каналов, их чувствительности, вычислительным ресурсам для обработки данных значительно ниже).
Устройство, выполненное по второму варианту, дополнительно содержит двухканальный металлодетектор 9, с подключенными к его входам измерительными катушками 10 и 11. Для продолжения проведения досмотра обуви с помощью металлодетектора 9 проверяемый остается стоять на контролируемой поверхности, под которой расположены измерительные катушки 10 и 11. Эти катушки могут быть выполнены на многослойной печатной плате и расположены под матрицами 6 и 7 измерительных электродов на внутренней стороне платы по отношению к проверяемому объекту. С вычислительного устройства 1 автоматически или оператором (вручную) подается команда на управляющий вход источника 2 для его выключения. После чего с третьего выхода вычислительного устройства 1 на управляющий вход двухканального металлодетектора 9 поступает сигнал на его включение и осуществляется контроль с помощью металлодетектора 9, выходной сигнал с которого поступает на вычислительное устройство 1, где производится обработка поступающей информации и по ее результатам формируется сигнал тревоги или ее отсутствия, который поступает на индикаторный блок 8 для включения соответствующего светового индикатора.
Заявленное устройство реализовано в виде переносного прибора. Наиболее успешно заявленное устройство для проверки обуви без необходимости ее снятия промышленно применимо для оперативной оценки органами правопорядка и безопасности обуви пассажиров, а также в местах проведения массовых мероприятий. Были проведены испытания предлагаемого устройства, которые показали высокую достоверность тестирования обуви.