Разработка и исследование методов повышения эффективности пространственного поиска движущегося объекта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Абдыманап уулу Айбек

• Абдыманап уулу Айбек
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Абдыманап уулу Айбек

ВВЕДЕНИЕ.

1. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОИСКА.

1.1. Общая постановка задачи пространственного поиска.

1.2. Основные режимы работы поисковой системы. Классификация задач поиска.

1.3. Методы повышения эффективности процедуры поиска.

1.4. Особенности организации поиска движущегося объекта при наличии ошибок в воспроизведении траектории сканирования.

1.5. Выводы.

2. УЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ В ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ РАСТРОВЫХ ТРАЕКТОРИЙ СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПОИСКЕ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА.

2.1. Учет вероятности пропуска при поиске неподвижного объекта с использованием растровых траекторий.

2.2. Построение модифицированных растровых траекторий для поиска движущегося объекта.

2.2.1. Построение растровых траекторий со смещением витков.

2.2.2. Построение растровых траекторий с увеличением длины витков.

2.2.3. Построение растровых траекторий со смещением и увеличением длины витков.

2.2.4. Построение растровых траекторий при поиске объекта, движущегося с ускорением

2.3. Вывод соотношений для расчета вероятности пропуска при использовании модифицированных растровых траекторий.

2.3.1. Определение вероятности пропуска при использовании растровых траекторий со смещением витков.

2.3.2. Определение вероятности пропуска при использовании растровых траекторий с увеличением длины витков.

2.3.3. Определение вероятности пропуска при использовании растровых траекторий со смещением и увеличением длины витков.

2.4. Анализ зависимости вероятности пропуска от параметров модифицированных растровых траекторий.

2.5. Оптимизация поиска движущегося объекта при использовании модифицированных растровых траекторий.

2.6. Выводы.

3. УЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ В ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ СПИРАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПОИСКЕ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА.

3.1. Учет вероятности пропуска при поиске неподвижного объекта с использованием спиральных траекторий.

3.2. Построение модифицированных спиральных траекторий для поиска движущегося объекта.

3.2.1. Построение модифицированных спиральных траекторий первого типа.

3.2.2. Построение модифицированных спиральных траекторий второго типа.

3.2.3. Построение модифицированных спиральных траекторий третьего типа.

3.3. Вывод соотношений для расчета вероятности пропуска при использовании модифицированных спиральных траекторий.

3.3.1. Определение вероятности пропуска при использовании траектории «прямоугольная спираль».

3.3.2. Определение вероятности пропуска при использовании модифицированной спиральной траектории первого типа.

3.3.3. Определение вероятности пропуска при использовании модифицированной спиральной траектории второго типа.

3.3.4. Определение вероятности пропуска при использовании модифицированной спиральной траектории третьего типа.

3.4. Анализ зависимости вероятности пропуска от параметров модифицированных спиральных траекторий.

3.5. Оптимизация поиска движущегося объекта при использовании модифицированных спиральных траекторий.

3.6. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ЗАДАЧИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОИСКА ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА.

4.1. Структура имитационной модели. Описание интерфейсной части.

4.2. Определение оптимальных параметров траектории сканирования.

4.3. Реализация поискового эксперимента.

4.4. Проведение серии поисковых экспериментов.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование методов повышения эффективности пространственного поиска движущегося объекта»

Актуальность проблемы

Явление поиска представляет собой одну из важнейших сторон человеческой деятельности и встречается в самых разных областях: в поисково-спасательных операциях, геологоразведке, археологических раскопках, при отыскании неисправностей в оборудовании, выявлении дефектов в материалах, локализации очагов заболевания в медицине, при поиске и выделении полезных сигналов в радиотехнике. К поисковым можно также отнести и такие задачи, как поиск оптимальных управленческих решений, научные изыскания, поиск рынков сбыта и т.д.

При этом можно выделить большую группу задач, в которых осуществляется пространственный поиск объектов в различных средах. Такие проблемы рассматриваются в радио и оптической локации, системах связи, навигации, военных операциях, робототехнике и других сферах деятельности. Во всех случаях конечной целью поиска, как правило, является обнаружение некоторого объекта в области его вероятного местонахождения, уточнение его координат и возможное дальнейшее сопровождение. Вопросами поиска мест крушения воздушных и морских судов, а также обнаружения сил противника в годы Второй мировой войны занимался ряд специалистов в данной области. В результате в послевоенное время были заложены основы теории пространственного поиска [1-4], методы которой в дальнейшем стали успешно использоваться при исследовании большого числа других задач. Основной целью теории поиска является разработка и обоснование способов обнаружения разнообразных объектов. Средством достижения этой цели служит решение ряда исследовательских задач, главными из которых являются [5]:

- установление причинно-следственных связей между условиями выполнения поиска и его результатами путем построения и анализа соответствующих математических моделей;

- анализ физических основ поиска, включающий рассмотрение объектов поиска, средств обнаружения и среды поиска;

- установление кинематических закономерностей взаимных перемещений наблюдателя, ведущего поиск, и объекта поиска;

- обоснование оптимальных способов поиска и слежения, обеспечивающих максимизацию или минимизацию избранных критериев эффективности;

- обоснование оптимального распределения поисковых ресурсов.

Данные о местонахождении объекта до начала поиска и в процессе его выполнения носят вероятностный характер. Такая неопределенность является причиной проведения поисковых действий, суть которых состоит в получении информации о координатах объекта. Один из наиболее распространенных способов осуществления поиска основан на сканировании с помощью поискового устройства области возможного нахождения объекта по определенной траектории. Такой подход предполагает, что на этапе формирования плана поиска осуществляется выбор траектории сканирования и схемы распределения поисковых ресурсов таким образом, чтобы обеспечить оптимальное значение выбранного критерия эффективности. При этом необходимо учитывать ряд факторов, негативно влияющих на исход решения задачи. К их числу относятся, в частности, возможные отклонения сканирующего луча поискового устройства от заданной траектории. Среди причин возникновения таких ошибок можно выделить следующие:

- неоднородность среды, в которой находится объект, например, прохождение луча поискового устройства через слои атмосферы с разной концентрацией, температурой или показателем преломления;

- погрешности в изготовлении деталей поискового устройства или при его сборке;

- ошибки в программах управления поисковым устройством;

- износ оборудования и др.

Вследствие этого возникают непросмотренные участки области поиска, и появляется вероятность пропуска объекта [6-8]. Следовательно, встает необходимость решения задачи, связанной с оценкой влияния ошибок в воспроизведении траектории сканирования на эффективность поисковых действий. Ранее в [8-10] была исследована зависимость вероятности пропуска неподвижного объекта от величины ошибки воспроизведения для траекторий «простой растр» и «прямоугольная спираль», и был предложен способ ее снижения за счет введения перекрытий между витками траекторий просмотра. Однако в большинстве практических случаев необходимо рассматривать задачу поиска движущегося объекта. При этом, как правило, план поиска должен формироваться с учетом изменения вероятностных данных о местонахождении объекта в процессе поиска. В частности, используются такие способы траекторного обследования области вероятного нахождения объекта, в которых учитываются характеристики его движения. Один из способов получения указанных траекторий основан на модификации растровых и спиральных траекторий путем внесения в них «деформации» в соответствии с вероятностной информацией о перемещении объекта. При этом, как и в случае неподвижного объекта, возможны погрешности в воспроизведении модифицированных траекторий сканирования. Поэтому для повышения точности обнаружения движущегося объекта следует учитывать ошибки отклонения луча поискового устройства от заданной траектории. Таким образом, возникает необходимость разработки методов повышения эффективности поиска движущегося объекта.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей работы является разработка методов построения модифицированных растровых и спиральных траекторий поиска движущегося объекта, определение и исследование зависимости вероятности пропуска объекта от величины ошибки воспроизведения указанных траекторий.

Основные задачи исследования

В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:

- разработка методов траекторного обследования области вероятного нахождения движущегося объекта с учетом параметров его движения;

- вывод аналитических соотношений для определения вероятности пропуска объекта из-за погрешностей в реализации модифицированных растровых и спиральных траекторий просмотра;

- исследование зависимости вероятности пропуска объекта от величины ошибки воспроизведения и параметров модифицированных траекторий;

- исследование зависимости вероятности обнаружения объекта от величины ошибки воспроизведения и параметров модифицированных траекторий; определение оптимальных соотношений между параметрами модифицированных траекторий, обеспечивающих наибольшую вероятность обнаружения движущегося объекта;

- разработка имитационной модели для задачи пространственного поиска движущегося объекта с использованием предложенных в работе алгоритмов траекторного обследования области его нахождения.

Методы исследования

Для решения поставленных задач в работе используются методы, базирующиеся на теории вероятностей, системном анализе, интегральном исчислении, имитационном моделировании и численных методах.

Научная новизна

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: 1. Предложен метод построения модифицированных растровых и спиральных траекторий, использующихся при поиске движущегося объекта, с учетом априорной информации о характеристиках его движения.

2. Получены аналитические выражения для определения вероятности пропуска движущегося объекта, возникающей из-за погрешностей в воспроизведении модифицированных растровых и спиральных траекторий поиска.

3. Получены уточненные выражения для определения полной вероятности обнаружения движущегося объекта с учетом неидеального воспроизведения модифицированных траекторий сканирования.

4. Проведено исследование зависимости вероятности пропуска движущегося объекта от величины ошибки воспроизведения, параметров закона ее распределения, а также от характеристик движения объекта и параметров модифицированных траекторий.

5. На основе проведенного анализа зависимости полной вероятности обнаружения движущегося объекта от параметров модифицированных траекторий получено решение задачи нахождения оптимального соотношения между указанными параметрами, обеспечивающего наибольшую вероятность обнаружения с учетом вероятности пропуска.

Практическая ценность результатов

Полученные в диссертационной работе результаты позволяют:

- на основе априорной информации о движении объекта поиска выбрать способ траекторного обследования области его вероятного нахождения путем модификации исходных растровых и спиральных траекторий;

- рассчитать вероятность пропуска движущегося объекта при неидеальном воспроизведении модифицированных траекторий, определить степень ее влияния на точность обнаружения объекта, повысить эффективность поиска за счет определения оптимального соотношения между параметрами модифицированных траекторий.

Полученные в работе теоретические результаты и разработанную имитационную модель можно использовать при решении задачи пространственного поиска движущегося объекта в двухмерном пространстве, когда есть возможность получить какую-либо априорную информацию о параметрах его движения: в системах космической связи для поиска искусственных спутников, в радио и оптической локации, в военных задачах для обнаружения воздушных и морских судов или для перехвата поражающих средств противника, в поисковых и спасательных операциях и т.д.

Реализация результатов

На основе использования полученных в диссертационной работе результатов разработана имитационная модель для задачи пространственного поиска движущегося объекта, позволяющая:

- задать параметры модифицированной растровой или спиральной траектории и воспроизвести процесс просмотра области поиска с использованием выбранной траектории;

- рассчитать вероятность пропуска объекта из-за неидеального воспроизведения выбранной траектории сканирования и полную вероятность обнаружения с использованием полученных в работе аналитических соотношений;

- определить статистические оценки вероятности пропуска и полной вероятности обнаружения для выборки заданного объема, полученной путем проведения серии поисковых экспериментов;

- на основе априорных данных об объекте и его движении рассчитать оптимальное соотношение между параметрами траектории, обеспечивающее наибольшую вероятность обнаружения.

Апробация работы и публикации

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 14-ой, 15-ой и 16-ой международных научно-технических конференциях «Информационные средства и технологии» МФИ-2006-МФИ-2008. Тезисы докладов опубликованы в трудах 14-ого, 15-ого и 16-ого международных научно-технических семинаров «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» (2005-2006 гг.), в материалах 12-ой и 14-ой международных научно-технических конференций студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (2006 и 2008 гг.). Научные результаты исследований опубликованы в [11-19], в том числе в Вестнике МЭИ (№ 2, 2008 г.).

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Абдыманап уулу Айбек

4.5. Выводы

В разделе представлена имитационная модель для задачи пространственного поиска движущегося объекта, созданная по результатам проведенных в работе исследований. При этом:

1) дано подробное описание интерфейсной части разработанного приложения, в том числе подсистем ввода априорной информации о местонахождении объекта и характеристиках его движения, установки параметров поискового устройства, реализации процесса поиска и сохранения результатов в отчет;

2) рассмотрен алгоритм определения оптимальных параметров траектории сканирования, обеспечивающих максимальную эффективность обнаружения;

3) подробно описаны все этапы алгоритма реализации поискового эксперимента, в том числе расчет статистических оценок для вероятностных характеристик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Проанализированы существующие на данный момент методы повышения эффективности процедуры пространственного поиска движущегося объекта. Рассмотрены основные проблемы, возникающие при организации поиска движущегося объекта с использованием поисковых систем, в которых возможны погрешности воспроизведения заданной траектории просмотра области поиска.

2. Разработаны алгоритмы построения модифицированных растровых и спиральных траекторий, использующихся при поиске движущегося объекта. Рассмотрено несколько способов траекторного обследования области поиска в зависимости от априорной информации о характеристиках движения искомого объекта.

3. Получены аналитические выражения для определения вероятности пропуска движущегося объекта, возникающей из-за погрешностей в воспроизведении описанных в работе модифицированных растровых и спиральных траекторий поиска.

4. Проведено исследование зависимости вероятности пропуска движущегося объекта от величины перекрытия между витками полученных модифицированных траекторий, приращения, вносимого в витки указанных траекторий при модификации и от максимальной скорости движения искомого объекта. Определен диапазон значений перекрытия между витками, в пределах которого вероятность пропуска не превышает заданной величины при фиксированных приращении и скорости движения объекта.

5. Получены уточненные выражения для расчета полной вероятности обнаружения движущегося объекта с учетом неидеального воспроизведения модифицированных траекторий поиска. Проведен анализ зависимости вероятности обнаружения от величины перекрытия между витками полученных модифицированных траекторий, приращения, вносимого в витки указанных траекторий при модификации и от скорости движения искомого объекта.

6. Сформулирована задача нахождения оптимальной величины перекрытия между витками модифицированных растровых и спиральных траекторий, обеспечивающей наибольшую вероятность обнаружения движущегося объекта с учетом вероятности пропуска при фиксированном значении вносимого приращения. Получено численное решение данной задачи при равномерном распределении суммарного объема поисковых ресурсов, на основе которого рассмотрена взаимосвязь между параметрами задачи оптимизации при наилучшем значении величины перекрытия.

7. По результатам проведенных исследований разработана имитационная модель для задачи пространственного поиска движущегося объекта с использованием рассмотренных в работе способов траекторного обследования области его нахождения. Модель позволяет на основе априорной информации об объекте воспроизвести процесс его поиска с использованием выбранной траектории с заданными параметрами, определить статистические оценки для вероятности пропуска объекта из-за неидеального воспроизведения траектории сканирования и для полной вероятности его обнаружения, а также рассчитать оптимальное соотношение между параметрами траектории, обеспечивающее максимум полной вероятности обнаружения объекта.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Абдыманап уулу Айбек, 2009 год

1. Koopman В.О. The theory of search: part 1. Kinematic bases // Oper.Res. — 1954 — V.4.

2. Koopman B.O. The theory of search: part II, Target detection // Oper.Res. -1954-V.4.

3. Koopman B.O. The theory of search: part III, the Optimum Distribution of Searching Effort // Oper.Res. 1954 - V.4.

4. Koopman B.O. Search and screening New York, 1980.

5. Абчук В.А., Суздаль В.Г. Поиск объектов М.: Сов.радио, 1977.

6. Катыс Г.П. Автоматическое сканирование М.: Машиностроение, 1969.

7. Хеллман О. Введение в теорию оптимального поиска. М., Наука, 1985.

8. Беседин В.М. Расчет эффективности работы систем программного управления движением // Изв.вузов «Приборостроение» 1984 — T.XXVII -№5.

9. Беседин В.М., Миняев В.М. Оптимизация поиска при ошибках в воспроизведении траектории сканирования // Вестник МЭИ 1999 - №2.

10. Миняев В.М. Разработка методов оценки эффективности пространственного поиска при ошибках в воспроизведении траектории сканирования // Автореферат на соискание ученой степени к.т.н. (Моск.энерг.институт), 2000.

11. Абдыманап уулу А. Расчет вероятности ложной тревоги в задаче пространственного поиска // Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». 17-19 октября 2006 г., в 3-х т. М.: Янус-К, 2006. Т. 2. С. 59.

12. Абдыманап уулу А. Оценка вероятности обнаружения в задаче пространственного поиска движущегося объекта // Вестник МЭИ — 2008 -№2, С. 85.

13. Казаринов Ю.М. Поиск, обнаружение и измерение сигналов в радионавигационных системах М.: Сов.радио, 1975.

14. Озерский Ю.П. Поиск радиосигнала в комплексной системе навигации // Изд.вузов «Радиоэлектроника» 1977 - Т.20 - №3.

15. Головинский О.Б., Лавинский Г.В. Поисковые системы — Киев: Техника, 1979.

16. Аркин В.И. Задачи оптимального распределения поисковых усилий // Теория вероятностей и ее применение — 1964 Т.9 — вып.1.

17. Аркин В.И. Некоторые экстремальные задачи, связанные с теорией поиска // Теория вероятностей и ее применение -1964 Т. 10 - вып.4.

18. Здор С.Е. О синтезе поисковых сканирующих систем. В сб. «Современные проблемы кибернетики». М., Наука, 1970.

19. Black W.L. Discrete sequential search // Information and Control 1965 - V.8 -№2.

20. Dobbie J.M. Surveillance of a region by detection and tracking operations // Oper. Res. 1964 - V.12 - № 3.

21. Новожилова Л.М. Некоторые модели поиска движущегося объекта // «Управление, надежность и навигация» Саранск, 1979 - №5.

22. Михалков К.В. Оптимизация процедуры поиска подвижных объектов автоматической телевизионной системой // Техника средств связи. Техника телевидения 1979 - №1.

23. Тонконогов Ю.М. Поиск движущегося сигнала в многоканальной системе Томск: Издательство Томского университета, 1989.

24. Ким Д.П. Методы поиска и преследования подвижных объектов М.: Наука, 1989.

25. Отчет ОНИР МЭИ. Оптимальный поиск случайно движущейся цели. Рук. Цепков А.С., 1977.33