Геоинформационный метод представления и анализа территориальной обстановки в системах охранного мониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, кандидат технических наук Мирошниченко, Владимир Алексеевич

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мирошниченко, Владимир Алексеевич

Список сокращений и обозначений.

1. Анализ современного состояния вопроса распознавания геоситуаций в системах охранного мониторинга местности (ОММ)

1 1. Современное состояние вопроса построения отечественных и зарубежных средств и систем ОММ.

12 Особенности организации многоуровневой обработки геоинформации в системах ОММ.

1 3. Обобщенная модель процесса вторичной обработки геоинформации в системах мониторинга территорий.

1.4 Метод распознавания движущихся объектов по нечеткой и неполной исходной информации и постановка задачи исследования.

1.5. Выводы по главе 1.

2 Разработка геоинформационных моделей неопределенности условий вторичного отождествления и распознавания движущихся территориальных объектов в охранном мониторинге местности.

2.1. Обобщенная модель геоинформационного пространства охранного мониторинга местности.

2.2. Геоинформационная модель условий вторичного распознавания движущихся геообъектов на уровне КСУ.

2 3. Геоинформационные модели условий вторичного отождествления и распознавания движущихся территориальных объектов на уровне группы КСУ.

2 4 Выводы по главе 2.

3 Разработка описаний, моделей представления знаний и алгоритмов вторичного распознавания движущихся Т0по неполной и нечеткой исходной Г&Зинформации.

3 1. Формализованное описание движущихся одиночных и групповых территориальных объектов на уровне их вторичных информационных признаков.

3.1 1 Формализованное описание движущихся одиночных территориальных объектов.

3.1.2 Формализованное описание движущихся групповых территориальных объектов.

3.2. Модели представления знаний для распознавания движущихся одиночных и групповых ТО по их вторичным геоинформационным признакам.

3 2.1 Модель представления геоинформации для распознавания движущихся одиночных ТО.

3 2 2 Модель представления знаний для распознавания движущихся групповых ТО.

3 3. Алгоритмы многоуровневого отождествления движущихся одиночных и групповых территориальных объектов.

3.3.1 Алгоритм отождествления движущихся территориальных объектов по их геоинформационным особенностям.

3 3 2 Алгоритм отождествления движущихся территориальных объектов по их структурно-параметрическим особенностям.

3 4. Алгоритмы вторичного распознавания движущихся одиночных и групповых территориальных объектов.

3.4.1 Алгоритм нечеткого логического вывода, использующий обобщенное дерево структуры геоситуации.

3.4.2 Алгоритм распознавания движущихся одиночных и групповых территориальных объектов.

3.5. Выводы по главе 3.

Проверка работоспособности разработанных /

-£фмоделей Разработка системы имитационного моделирования вторичной обработки информации в ОММ.

4 1. Структура системы имитационного моделирования вторичной обработки геоинформации в ОММ.

4.2. Аналитико-имитационные модели процессов и алгоритмы первичного обнаружения и распознавания движущихся ТО на уровне сигнализационного устройства.

4.3. Обобщенный алгоритм моделирования вторичной обработки в ОММ.

4.4. Методика проведения и результаты экспериментального исследования эффективности распознавания движущихся территориальных ТО по неполной и нечеткой исходной геоинформации.

4 5 Выводы по главе 4.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Геоинформатика», 25.00.35 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Геоинформационный метод представления и анализа территориальной обстановки в системах охранного мониторинга»

Актуальность. Земная поверхность (ЗП) является объектом исследования специалистов различных предметных областей, связанных с территориальным распределением и функциональной активностью в пределах географической оболочки Земли.

Важную роль в территориальных исследованиях ЗП играют различные системы охранного мониторинга местности (ОММ). В них постоянно обрабатывается большое количество разнородной априорной и оперативной геоинформации (ГИ) о самих охраняемых геообъектах (ГО), контролируемой территории и субъектах-нарушителях.

Решения задач освещения оперативно-тактической обстановки в охраняемой территориальной зоне различных оборонных, административных, промышленных и других ГО становится актуальным в связи с возрастающими в настоящее время угрозами терроризма и техногенных катастроф.

Системы охраны территориальных объектов (ТО) осуществляют мониторинг расположенных на ЗП подконтрольных и других ТО в зоне ответственности, и при этом обрабатывают большие объемы априорной и оперативной геоинформации.

Представление и анализ геоинформации (ГИ) о территориальной обстановке в зоне охранного мониторинга постоянно усложняется в связи с возрастанием количества охраняемых ТО и увеличением организационных и функциональных уровней систем охраны ТО.

Для повышения адекватности представления и оперативности решения задач пространственного анализа в настоящее время широко внедряются средства геоиформатики - геоинформационные системы (ГИС) и геоинформационные технологии (ГИТ).

Развивающиеся возможности ГИТ обеспечивают более эффективное решение задач сбора, представления, анализа и выработки управленческих решений в различных сферах деятельности человека, где используется быстро меняющаяся оперативная информация. Однако среди множества программных продуктов, используемых сегодня на рынке полноценных ГИС, в полной мере решение задач безопасности охраняемых ТО, не обеспечивается ни одной из них. Описательный характер моделей ГО, значимых в теории и практике применения ОММ и их пространственно-логических связей в известных ГИС не может быть эффективно использован без существенных изменений принципа представления ГО.

Функционирование ОММ базируется на использовании ГИ от различных источников априорной и оперативной информации. Основой оперативной ГИ является сеть автономных источников информации (АИИ) об обстановке - так называемых контрольно-сигнализационных устройств (КСУ).

Однако, на основе только первичной информации от источников, которая, как правило, противоречива, нечетка и неточна, без специальной ее семантической и прагматической (интеллектуальной) обработки невозможно решить задачу распознавания обнаруженных на охраняемой территории целей и в целом - задачу освещения обстановки с отображением ее на электронной карте (ЭК). В настоящее время эти задачи обработки и идентификации контрольной ГИ решаются операторами на основе их индивидуальных особенностей и ранее полученного опыта, что делает результат решения зависимым от субъективных факторов. При этом время дешифровки полученных сигналов (распознавания целей) от сети источников информации (ИИ) может быть значительным и не соответствовать требованиям систем территориального наблюдения.

Вторичная обработка ГИ является основой многих современных автоматизированных комплексов управления различными природно-техническими системами, в том числе систем мониторинга территорий, решающих задачи распознавания объектов и ситуаций обстановки для различных приложений, например, ОММ крупных промышленных предприятий, оборонных объектов, административных центров или природоохранного мониторинга (охрана лесов от пожаров).

Современные автоматизированные системы мониторинга территорий представляют собой сложные технические комплексы, имеющие структурную (общая зона ответственности для нескольких технических комплексов средств наблюдения за обстановкой) и информационную (получение информации об объекте по совокупности независимых каналов различной физической природы) избыточность. Характерной особенностью такого вектора первичной информации является его непостоянство как по компонентному составу (количеству каналов поступления информации), так и качеству исходной для принятия решений информации (неполнота, нечеткость, а иногда и ее противоречивость) в процессе решения отдельных либо групповых практических задач.

Эффективность таких систем во многом определяется не только уровнем автоматизации управления, избыточностью, но и, самое главное, качеством обработки информации, определяющим решение задачи оперативного обнаружения и классификации подвижных и неподвижных объектов по неполной, нечеткой и противоречивой информации, получаемой одновременно или в различное время от сосредоточенных или пространственно разнесенных источников различной физической природы (радиолокационные, оптические, тепловизионные, акустические, сейсмические и др.) в перекрываемых зонах их ответственности.

Вторичная обработка ГИ различного качества от разнородных источников для решения задач автоматического обнаружения и классификации одиночных и групповых территориальных объектов (ТО) в интегрированных системах мониторинга территорий является актуальной научно-технической проблемой. Основная сложность ее решения обусловлена отсутствием приемлемых для практического использования научно обоснованных подходов и методов комплексирования информации от разнородных источников с целью компенсации недостатка информации, получаемой от каждого источника в отдельности при решении задач классификации подвижных или временно неподвижных объектов.

Данный недостаток современных ОММ в условиях повышения к ним требований со стороны территориальных АСУ обусловливает наличие противоречия между требуемой и существующей эффективностью такого класса систем. Способом его разрешения является поиск новых методов повышения эффективности существующих или разработка перспективных комплексов на новых принципах обработки ГИ, базисом для разработки которых могут служить результаты отечественных и зарубежных научных школ и ученых в области:

- информационных систем, систем распознавания образов и принятия решений;

- базовых информационных технологий, среди которых особое значение для специальных охранных приложений имеет ГИТ получения и использования цифровой картографической информации (ЦКИ).

В связи с вышеизложенным разработка геоинформационных методов распознавания и представления геообстановки по динамически изменяемому вектору исходной контрольной ГИ, обладающему принципиальной нечеткостью и противоречивостью ГИ, представляется практически значимой.

Научная актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью развития теоретических основ решения прикладной проблемы распознавания территориальных одиночных, групповых объектов и геоситуаций по исходной ГИ от разнородных источников, учитывающих различные факторы социальной и природной геосреды для информационного обеспечения автоматизированных систем классификации и представления на ЭК локальных ситуаций геообстановки.

Целью исследования является разработка геоинформационных моделей, метода и алгоритмов обработки нечеткой и противоречивой ГИ от сети АИИ для повышения эффективности распознавания и представления движущихся объектов в ОММ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие научные задачи:

1. Анализ принципов построения и методов обработки информации в существующих отечественных и зарубежных ОММ, анализ современных методов обнаружения и классификации динамических ТО по неполной и нечеткой исходной ГИ.

2. Разработка формализованных описаний и представлений динамических ТО, геомоделей представления знаний и алгоритмов вторичного распознавания динамических ТО по неполной и нечеткой исходной ГИ.

3. Разработка геомоделей условий обнаружения и распознавания динамических ТО в ОММ.

4. Разработка метода распознавания динамических ТО по нечеткой и неполной исходной ГИ.

5. Проверка работоспособности и эффективности разработанных научных результатов.

Методы исследования. Геомоделирование, системный и функциональный анализ, теория систем искусственного интеллекта, теория анализа геоситуаций в нечетких задачах выбора, нечеткая логика, имитационное и аналитико-имитационное моделирование.

На защиту выносится совокупность научных результатов в области обработки ГИ в ОММ, составляющих ядро алгоритмического и программного обеспечения типовой территориальной АСУ, реализующей основанную на знаниях ГИТ:

1. Модели динамических ТО и геоситуаций на основе их вторичных информационных признаков.

2. Методика и алгоритмы вторичного распознавания динамических ТО по нечеткой и противоречивой ГИ от сети АИИ - КСУ.

Научная новизна полученных в диссертации научных результатов заключается в том, что в ней предложены и реализованы:

1. Модели динамических ТО и геоситуаций на основе их вторичных информационных признаков отличаются учетом структурных свойств пространственно-временных характеристик системы «динамические ТО - геосреда - сеть ИИ», что позволяет учитывать главные компоненты внешней геосреды, влияющие на эффективность ОММ, которые принципиально не могут быть отслежены и компенсированы на уровне только ИИ.

2. Методика и алгоритмы вторичного распознавания движущихся объектов по нечеткой и противоречивой ГИ от сети автономных ИИ отличаются комплексной ситуативной обработкой ГИ от ИИ, баз данных ЭК, внешних условий функционирования ОММ, что позволяет обеспечивать заданные его системные показатели эффективности по исходной ГИ низкого качества.

Достоверность сформулированных научных положений и выводов подтверждена корректным применением методов и моделей прикладного исчисления предикатов, имитационным и аналитико-имитационным моделированием; изготовлением и проверкой макета ОММ на испытательных полигонах, внедрением разработанных результатов в НИОКР.

Практическая значимость. Полученные в диссертации выводы и рекомендации являются научной базой для конструкторского проектирования ОММ, реализующих основанные на знаниях ГИТ:

- обработки ГИ в ОММ, способ формализации и модели представления знаний, аналитические и логические условия различимости геоситуаций в ОММ, алгоритмы вторичного распознавания динамических ТО по нечеткой и противоречивой ГИ от сети автономных ИИ - теоретическая, методическая и вычислительная база построения автоматизированной системы проектирования ОММ;

- базовые модели обработки ГИ от сети ИИ, алгоритмы отождествления и распознавания, способ формализации и банк формализованных описаний вторичных информационных признаков движущихся основных групповых ТО, алгоритмы имитационного моделирования отдельных компонентов ОММ - основа проектирования опытных образцов ОММ различного назначения.

Достоверность и значимость практических результатов были подтверждены при испытаниях макетного образца интеллектуальной системы обработки вторичной ГИ в ОММ на базе отечественной ГИС ВН «Панорама» на полигонах МО РФ и в 3-м ЦНИИ МО РФ (Москва); использованием разработанных моделей, методов и алгоритмов ГНИНГИ МО РФ, предприятиями «Вектор» (Санкт-Петербург), «ВНИИС» (Воронеж) в НИОКР, выполняемых ими по государственным заказам, в учебном процессе СПбГЭТУ (ЛЭТИ), ГМА, МГА, ВМИРЭ. Внедрение результатов подтверждается соответствующими актами.

Апробация. Результаты диссертации докладывались на девяти научно-технических конференциях СПбГЭТУ (ЛЭТИ), ВМИРЭ, СПБВМИ, ВСОК ВМФ, ГНИНГИ МО РФ, РИРВ, ГМА им. адм. С.О. Макарова, на X Международной конференции «Региональная информатика - 2006», в период с 2004 - 2006 г.г.

Публикации. Результаты исследований отражены в 17 опубликованных работах, в том числе: 6 научных статьях, 11 тезисах научных докладов, а также в 3 отчетах по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами, заключения, списка использованной литературы, включающего 125 наименований, 2-х приложений. Основная часть диссертации изложена на 174 страницах машинописного текста. Диссертация содержит 43 рисунка и 7 таблиц.