УСТРОЙСТВО РАСПОЗНАВАНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ ПО СЕЙСМИЧЕСКОМУ СИГНАЛУ

Полезная модель относится к устройствам тревожной сигнализации, сигнализирующим о типе вторгаемого нарушителя на территорию охраняемого объекта/рубежа по факту обнаружения характерных механических колебаний грунта во время вторжения нарушителя на охраняемый объект/рубеж с последующим выделением уникальных признаков механических колебаний грунта во временной и частотной области, которые после обработки в модели машинного обучения, построенной по методу опорных векторов или нейронной сети [1], могут свидетельствовать о конкретном типе нарушителя (человек, животное, техника, группа людей, группа животных, группа техники) вторгшемся на охраняемый объект/рубеж.
Общеизвестны сейсмометрические способы и устройства обнаружения нарушителей, заключающиеся в преобразовании механических колебаний грунта в аналоговый электрический сигнал, в анализе спектра частот электрического сигнала и выделении характерного полезного сигнала, в сравнении амплитуд полезного сигнала с заданным пороговым уровнем и в формировании сигнала тревоги по превышению порогового уровня амплитудой полезного сигнала. В качестве чувствительного элемента применяются «точечные» сейсмоприемники (сейсмодатчики, сейсмодетекторы, геофоны и т.п.), заглубленные под поверхность грунта и формирующие зоны обнаружения нарушителя с некоторым радиусом R. Преобразование механических колебаний грунта в электрический сигнал в сейсмоприемниках может быть основано на различных физических принципах, например, электромагнитном, емкостном, тензорезистивном, пьезорезистивном, магнитоэлектрическом, волоконно-оптическом, пьезоэлектрическом или комбинированном. Наибольшее распространение в практике охраны получили электромагнитные и пьезоэлектрические сейсмоприемники ввиду простоты конструкции и низкой стоимости.
Общий существенный недостаток общеизвестных способов и устройств состоит в повышенной частоте ложных тревог и пропусков нарушителей, а также в отсутствии точного указания места вторжения движущихся нарушителей в зону обнаружения из-за отсутствия адресных признаков в тревожных сигналах. Общим недостатком является громоздкость «сейсмокос» из-за использования многожильных кабельных линий связи и низкая их ремонтопригодность (и как следствие - высокая стоимость изделий и стоимость проведения ремонта). Одинаковая чувствительность сейсмоприемников в составе «сейсмокос» или сейсмолиний приводит на некоторых участках охраняемых рубежей к заниженной или завышенной чувствительности и, соответственно, к ухудшению характеристик обнаружения и помехоустойчивости.
К общеизвестным устройствам можно отнести, например, известное «Устройство и способ обнаружения проникновения человека через контур запрещенной зоны», описанное в патенте RU №2209467, МПК G08B 13/16, опубл. 2003 г. и содержащее расположенные по контуру сейсмоприемники, включающие в себя сейсмические датчики в виде геофонов, предварительные дифференциальные и парафазные усилители, соединенные протяженным кабелем с пультом постовым, содержащим приемные модули информации со вторыми дифференциальными усилителями и частотными фильтрами, систему цифровой обработки и блок питания постоянного электрического тока. В этом устройстве соединение пульта постового с каждым сейсмоприемником осуществлено парой жил кабеля связи. В пульте постовом для каждого сейсмоприемника используются отдельные приемные модули информации (по числу сейсмоприемников).
Упомянутые недостатки частично устраняются в другом, близком по технической сущности к заявленным изобретениям, известном "Устройстве обнаружения вторжения с зонами идентификации и с распознаванием шумовых воздействий", описанном в патенте US №4591834, МКИ G08B 13/22, опубл. 1986 г. Это устройство содержит пространственную матрицу из нескольких сейсмолиний, распределенных в охраняемом пространстве по зонам обнаружения, анализатор сигнала (сигнальный процессор), схему передатчика связи, схему звукового и тревожного приема и двухпроводную линию связи. Каждая сейсмолиния содержит три группы сейсмоприемников, связанных между собой. Одна группа предназначена для обнаружения сигнала вторжения, две другие группы предназначены для оценки и распознавания шумовых воздействий. Все сейсмоприемники каждой сейсмолинии конструктивно соединены общим многожильным кабелем, образуя «сейсмокосу». Причем сейсмоприемники обнаружения сигналов вторжения и сейсмоприемники распознавания шумовых воздействий определенным образом чередуются вдоль рубежа охраны.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является RU №2262744, МПК G08B 13/22, опубл. 20.10.2005 г.
Сходными существенными признаками заявленных изобретений и заявляемой полезной модели являются: сейсмоприемники и предварительный усилитель.
Недостатками известного устройства являются:
1) низкая помехозащищенность, вызванная использованием протяженных линий связи удаленных сейсмоприемников,
2) отсутствие приемника GPS/ГЛОНАСС,
3) отсутствие встроенной микро-ЭВМ для цифровой обработки сигналов,
4) отсутствие возможности автоматической перестройки порога обнаружения,
5) отсутствие возможности распознавания типа нарушителя,
6) отсутствие блока HMI-индикации,
7) отсутствие полудуплексной программно-определяемой радиосистемы для обмена данными по результатам обнаружения и распознавания,
8) отсутствие возможности подачи питания от сети 220 V,
9) отсутствие возможности автоматического выбора между внешним и встроенным источником питания,
10) отсутствие возможности подключения поверочной аппаратуры для калибровки усилителя,
11) отсутствие контроллеров USB и Ethernet для настройки каналов обмена данными по результатам обнаружения и распознавания,
12) отсутствие вспомогательного микроконтроллера для резервного ведения базы данных сейсмических сигналов, маркированных как «фоновый» и «полезный».
13) отсутствует звуковой излучатель для сигнализации результатов работы алгоритмов обнаружения и распознавания в различных режимах работы.
Предлагаемая модель включает в себя блок сейсмоприемников, установленных в грунт вдоль охраняемого рубежа, согласующий усилитель и полосовой фильтр, отличающееся тем, что включает в себя микро-ЭВМ (фиг. №1 (7)) с микропроцессором в формате «система на кристалле» (СнК) для выполнения цифровой обработки сейсмического сигнала во временной и частотной области с последующим выделением уникальных признаков с целью формирования признакового пространства для обучения модели автоматического распознавания типа нарушителя, внешний и встроенный аналого-цифровой преобразователь, USB-контроллер (фиг. №1 (20)), Ethernet-контроллер (фиг. №1 (17)), вспомогательный микроконтроллер для внешнего АЦП, блок часов реального времени (фиг. №1 (15)), полудуплексную программно-определяемую радиосистему с диапазоном от 100 кГц до 6 ГГц, приемник GPS/ГЛОНАСС, источник питания от сети 220 вольт, встроенный аккумуляторный источник питания, блок автоматического переключения между сетевым и аккумуляторным источником питания, блок HMI-индикации, звуковой излучатель, механический переключатель для передачи усиленного сейсмического сигнала на клеммы подключения поверочной аппаратуры, энергонезависимую память для микропроцессора, резервную энергонезависимую память для вспомогательного микроконтроллера. Устройство конструктивно объединено в едином пластиковом корпусе (фиг. №2 (22)).
При создании предлагаемой полезной модели стояла задача разработки технического сигнализационного средства, способного:
1) выполнять непрерывную подстройку порога обнаружения,
2) производить автоматическое обнаружение,
3) выделять уникальные признаки сейсмического сигнала во временной и частотной области,
4) из массива выделенных уникальных признаков формировать модели машинного обучения, построенные по методу опорных векторов или нейронных сетей,
5) с помощью построенных моделей распознавания производить непосредственно распознавание по новым входным уникальным признакам сейсмического сигнала во временной и частотной области,
6) производить обмен данными по результатам обнаружения и распознавания с помощью полудуплексной программно-определяемой радиосистемы в диапазоне частот от 100 КГц до 6 ГГц.
7) формировать звуковые оповещения в различных режимах работы по результатам обнаружения и распознавания.
Структурная схема устройства распознавания движущихся целей по сейсмическому сигналу представлена на фиг. №1, внешний вид и обозначение его элементов управления представлены на фигурах 2, 3, 4, 5.
Устройство распознавания движущихся объектов по сейсмическому сигналу работает следующим образом.
Оператор (пользователь) устройства переключает влево механический переключатель (фиг. №3 (26)) для подачи питания на электронные схемы устройства. Затем устанавливает механический переключатель (фиг. №1 (2)) в режим отправки усиленного сигнала в аналого-цифровой преобразователь (фиг. №1 (6)). Автоматический переключатель (фиг. №1 (14)) выбирает активный источник питания, приоритетным является источник питания от сети 220 V (фиг. №1 (9)), в противном случае автоматически подключается резервный источник питания (фиг. №1 (13)). После подачи питания в устройство начинается загрузка операционной системы микро-ЭВМ из энергонезависимой памяти (фиг. №1 (3)). После загрузки операционной системы микро-ЭВМ осуществляет чтение накопленных данных от GSP/ГЛОНАСС приемника (фиг. №1 (8)) для подтверждения оператором района размещения устройства. Микроконтроллер (фиг. №1 (11)) загружается из своей энергонезависимой памяти (фиг. №1 (10)) быстрее микропроцессора и начинает записывать сейсмический сигнал из внешнего блока сейсмоприемников, подключаемых через разъемы (фиг. №1 (4)), в свою оперативную память. Полученный сигнал подвергается подготовительным операциям для последующей цифровой обработки:
1) центрирование,
2) нормирование,
3) возведение в квадрат.
Данный перечень операций приводит сигнал к наиболее удобной форме для извлечения уникальных признаков сигнала с целью определения типа сигнала: "фоновый" или "полезный".
Перед извлечением уникальных для каждого сигнала признаков, к сигналу необходимо применить цифровой фильтр с конечной импульсной характеристикой. Результатом работы фильтра будет низкочастотная огибающая, которая позволяет выделить импульсы по вычисленному порогу с помощью теста Колмогорова-Смирнова. В случае отсутствия импульсов сигналу присваивается метка "фоновый" и вместе с этой меткой, датой и временем записи сигнала он сохраняется в базу данных формата SQLITE на энергонезависимой памяти микропроцессора. Результаты записи сигнала в оперативную память, цифровая фильтрация [2], извлечение уникальных признаков, распознавания типа нарушителя отображаются в специальных окнах блока HMI-индикатора (фиг. №1 (16)) с дополнительным сопровождением резервной светодиодной индикацией режима работы устройства (фиг. №2 (25)). Управление элементами меню HMI-индикатора возможно как с помощью сенсорной панели самого индикатора, так и с помощью блока тактовых кнопок (фиг. №2 (23)). Отладку и калибровку встроенного прецизионного усилителя (фиг. №1 (5)) оператор производит путем перевода тумблера (фиг. №1 (2)) вправо, активируя возможность считывать усиленный сейсмический сигнал через RCA-разъем (фиг. №1 (1)) для регулировки параметров усилителя путем ручной настройки (фиг. №2 (24)). Записываемый сейсмический сигнал также в подготовительных и отладочных целях возможно воспроизводить через звуковой излучатель (фиг. №1 (12)). Результаты распознавания типа нарушителя могут передаваться по встроенным каналам связи: USB- и Ethernet-контроллеры, по радиоканалу с помощью полудуплексной программно-определяемой радиосистемы в диапазоне от 100 КГц до 6 ГГц (фиг. №1 (19)). Вспомогательный микроконтроллер программируется и отлаживается оператором (пользователем) через разъем (фиг. №5 (27)). Сохранение отладочной информации возможно путем сохранения LOG-файлов на USB-накопитель, подключенный через USB-разъемы (фиг. №1 (21)) или передача по сети Ethernet, подключив устройство к сети через разъем RJ-45 (фиг. №1 (18)).
Техническими результатами полезной модели являются: формирование и хранение в энергонезависимой памяти признакового пространства во временной и частотной области с целью классификации и распознавания движущихся объектов (человек, животное, техника, группа людей, группа животных, группа техники) алгоритмами машинного обучения (метод опорных векторов), повышение характеристик обнаружения нарушителей за счет непрерывной подстройки порога обнаружения двумя разными математическими способами в микропроцессоре, повышение помехоустойчивости с помощью применения алгоритмов цифровой фильтрации сигнала КИХ-фильтром при поступлении сигнала в оперативную память микропроцессора, вычисление дополнительной сигнальной информации о направлении движения нарушителей через группу сейсмоприемников, ведение базы данных записанных сейсмических сигналов в формате SQLITE с целью отладки моделей автоматического распознавания типа нарушителя. Достигнутый технический результат в целом позволяет расширить область применения устройства в части обеспечения сигнального блокирования протяженных рубежей охраны периметров объектов, в том числе в достаточной близости от проходящих на местности автомобильных и железных дорог.
Список литературы
1. Флах П. Машинное обучение. Наука и искусство построения алгоритмов, которые извлекают знания из данных / пер. с англ. А.А. Слинкина. - М.: ДМК Пресс, 2015. - 400 с.: ил.
2. Солонина А., Улахович Д., Яковлев Л. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. - СПб.: БХВ-Петербург, 2001. - 464 с.: ил.