Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Системный анализ, управление и обработка информации

Диссертационная работа:

Абдыманап уулу Айбек. Разработка и исследование методов повышения эффективности пространственного поиска движущегося объекта : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.01 / Абдыманап уулу Айбек; [Место защиты: Моск. энергет. ин-т].- Москва, 2009.- 198 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1629

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

1. МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОИСКА 13

  1. Общая постановка задачи пространственного поиска 13

  2. Основные режимы работы поисковой системы. Классификация задач поиска 19

  3. Методы повышения эффективности процедуры поиска 25

  4. Особенности организации поиска движущегося объекта при наличии ошибок в воспроизведении траектории сканирования 29

  5. Выводы 32

2. УЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ В ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ РАСТРОВЫХ ТРАЕКТОРИЙ
СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПОИСКЕ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА 33

  1. Учет вероятности пропуска при поиске неподвижного объекта с использованием растровых траекторий 33

  2. Построение модифицированных растровых траекторий для поиска движущегося объекта 38

  1. Построение растровых траекторий со смещением витков 38

  2. Построение растровых траекторий с увеличением длины витков 45

  3. Построение растровых траекторий со смещением и увеличением длины витков.... 47

  4. Построение растровых траекторий при поиске объекта, движущегося с ускорением 49

2.3. Вывод соотношений для расчета вероятности пропуска при использовании
модифицированных растровых траекторий 54

  1. Определение вероятности пропуска при использовании растровых траекторий со смещением витков 54

  2. Определение вероятности пропуска при использовании растровых траекторий с увеличением длины витков 58

  3. Определение вероятности пропуска при использовании растровых траекторий со смещением и увеличением длины витков 61

  1. Анализ зависимости вероятности пропуска от параметров модифицированных растровых траекторий 63

  2. Оптимизация поиска движущегося объекта при использовании модифицированных растровых траекторий 69

  3. Выводы 84

3. УЧЕТ ПОГРЕШНОСТЕЙ В ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ СПИРАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ
СКАНИРОВАНИЯ ПРИ ПОИСКЕ ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА 85

  1. Учет вероятности пропуска при поиске неподвижного объекта с использованием спиральных траекторий 85

  2. Построение модифицированных спиральных траекторий для поиска движущегося объекта 90

  1. Построение модифицированных спиральных траекторий первого типа 90

  2. Построение модифицированных спиральных траекторий второго типа 93

  3. Построение модифицированных спиральных траекторий третьего типа 95

3.3. Вывод соотношений для расчета вероятности пропуска при использовании
модифицированных спиральных траекторий 97

  1. Определение вероятности пропуска при использовании траектории «прямоугольная спираль» 98

  2. Определение вероятности пропуска при использовании модифицированной спиральной траектории первого типа 102

  3. Определение вероятности пропуска при использовании модифицированной спиральной траектории второго типа 106

3.3.4. Определение вероятности пропуска при использовании модифицированной
спиральной траектории третьего типа 109

  1. Анализ зависимости вероятности пропуска от параметров модифицированных спиральных траекторий ИЗ

  2. Оптимизация поиска движущегося объекта при использовании модифицированных спиральных траекторий 120

  3. Выводы 132

4. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ЗАДАЧИ ПРОСТРАНСТВЕННОГО
ПОИСКА ДВИЖУЩЕГОСЯ ОБЪЕКТА 134

  1. Структура имитационной модели. Описание интерфейсной части 134

  2. Определение оптимальных параметров траектории сканирования 144

  3. Реализация поискового эксперимента 146

  4. Проведение серии поисковых экспериментов 151

  5. Выводы 164

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 165

ЛИТЕРАТУРА 167

ПРИЛОЖЕНИЯ 174

Приложение 1. Построение модифицированных растровых траекторий со смещением

витков 174

Приложение 2. Построение модифицированных растровых траекторий с увеличением

длины витков .' 179

Приложение 3. Построение модифицированных растровых траекторий со смещением и

увеличением длины витков , 181

Приложение 4. Определение вероятности пропуска при использовании растровых

траекторий со смещением витков 185

Приложение 5. Построение модифицированных спиральных траекторий первого типа... 187
Приложение 6. Построение модифицированных спиральных траекторий второго типа... 190
Приложение 7. Определение оптимальных параметров траектории сканирования на основе
априорной информации об объекте поиска 193

Введение к работе:

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 траєкторного 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 траєкторного 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
траєкторного 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.

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

  2. 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
траєкторного 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.

В первом разделе дана общая постановка задачи пространственного поиска. Рассмотрены основные этапы решения задачи и режимы работы поисковых систем. Дана классификация задач поиска в зависимости от априорных сведений об объекте, области его местонахождения и характеристик поисковой системы. Рассмотрены существующие алгоритмы организации поиска и методы повышения эффективности процедуры поиска. Обозначены проблемы проведения поиска при наличии ошибок в воспроизведении траектории сканирования. Приведены основные особенности решения исследуемой задачи при поиске движущегося объекта с учетом неидеального траєкторного обследования области его местонахождения.

Второй раздел посвящен разработке методов учета ошибок в воспроизведении растровых траекторий сканирования, которые используются при поиске объекта, априорное местонахождение которого равновероятно во всей области поиска. Сформулированы правила построения модифицированных растровых траекторий в зависимости от априорных характеристик движения искомого объекта. Получены аналитические выражения для определения вероятности пропуска при дискретном поиске движущегося объекта с использованием указанных траекторий сканирования. Исследованы вопросы влияния величины ошибки воспроизведения и параметров траектории сканирования на эффективность процедуры поиска при введении перекрытий между витками модифицированных растровых траекторий. Получено соотношение для расчета полной вероятности обнаружения движущегося объекта с учетом указанных ошибок

воспроизведения. Проанализирована зависимость вероятности пропуска и вероятности обнаружения объекта от величины перекрытия между витками траектории просмотра, максимальной скорости движения объекта и величины приращения, вносимого в витки модифицированных растровых траекторий. Сформулирована задача нахождения оптимального соотношения между параметрами выбранной траектории поиска, обеспечивающего наибольшую вероятность обнаружения объекта. Получено решение данной задачи на основе численных методов при равномерном распределении суммарного объема поисковых ресурсов.

В третьем разделе рассматривается задача поиска движущегося объекта с использованием спиральных траекторий сканирования при наличии ошибок их воспроизведения. Различные варианты спиральных траекторий поиска применяются в тех случаях, когда априорно известно, что распределение плотности вероятностей местонахождения объекта имеет симметричный вид относительно центра области поиска. В работе сформулированы правила построения модифицированных спиральных траекторий сканирования на основе априорной информации о характеристиках движения объекта. Получены выражения для расчета вероятности пропуска объекта из-за неидеального воспроизведения указанных траекторий поиска. Рассмотрены вопросы влияния величины ошибки отклонения от заданного направления и параметров траектории сканирования на эффективность процедуры поиска при введении перекрытий между витками модифицированных спиральных траекторий. Получено уточненное выражение для полной вероятности обнаружения движущегося объекта с учетом ошибок в воспроизведении траектории поиска. Исследована зависимость вероятности пропуска и вероятности обнаружения объекта от величины перекрытия между витками траектории, максимальной скорости движения объекта и величины приращения, вносимого в витки модифицированных спиральных траекторий. Сформулирована задача нахождения оптимального соотношения между параметрами выбранной траектории поиска, обеспечивающего наибольшую вероятность обнаружения

объекта. Получено решение данной задачи с использованием численных методов при равномерном распределении суммарного объема поисковых ресурсов.

В четвертом разделе дается описание имитационной модели, разработанной по результатам проведенных в диссертационной работе теоретических и практических исследований. Модель реализована в виде программного приложения, позволяющего для задачи пространственного поиска движущегося объекта задать параметры модифицированной растровой или спиральной траектории и воспроизвести процесс просмотра области поиска с использованием выбранной траектории. Путем проведения автоматических расчетов с использованием полученных в работе аналитических выражений для заданного набора исходных данных определяется вероятность пропуска объекта из-за неидеального воспроизведения выбранной траектории сканирования, а также полная вероятность его обнаружения. Также на основе аналитических соотношений строятся графики зависимости вероятности пропуска и полной вероятности обнаружения от параметров заданной траектории сканирования. С помощью программного приложения можно на основе априорных данных об объекте и его движении рассчитать оптимальное соотношение между параметрами траектории, обеспечивающее наибольшую вероятность обнаружения. Имитационное моделирование используется для получения выборки заданного объема, на основе которой определяются статистические оценки вероятности пропуска объекта, а также полной вероятности его обнаружения.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net