Гнучкі виробничі системи радіологічного моніторингу

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

"КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"

Спеціалізована вчена рада Д 26.002.04 НТТУ "КПІ"

Войлов Юрій Григорович

УДК 621.039.55

ГНУЧКІ ВИРОБНИЧІ СИСТЕМИ РАДІОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ

05.13.20 - Гнучкі виробничі системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

КИЇВ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Науково-дослідному та проектно-конструкторському інституті "Іскра" Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант доктор технічних наук Стенін Олександр Африканович, Нацiональний технiчний унiверситет Украіни “Київський полiтехнiчний iнститут”, професор.

Офіційні опоненти:

Доктор технічних наук, професор Самотокін Б.Б., Житомирський інженерно-технологічний інститут, ректор, завідуючий кафедрою робототехнічних систем і комплексів.

Доктор технічних наук, професор Пашков Є.В., Севастопольський державний технічний університет, проректор з наукової роботи.

Доктор технічних наук, професор Скрипник Ю.О., Київський державний університет технології і дизайну, професор кафедри автоматизації технологічних процесів.

Провідна установа: Науково-виробнича корпорація "Київський Інститут автоматики", державне науково-виробниче підприємство "Ріус", Міністерство промислової політики України, м. Київ.

Захист вiдбудеться 22 травня 2000 р. о 14³⁰ годинi на засiданнi спецiалiзованої вченої ради Д 26.002.04 в НТУУ “КПI” за адресою : 252056, Київ, пр. Перемоги 37 , корп. 18 , факультет iнформатики та обчислювальної техніки , кафедра технічної кібернетики , кiмн. 431 .

З дисертацiєю можна ознайомитись у бiблiотецi НТУУ “КПI” за адресою : 252056, Київ, пр. Перемоги 37.

Автореферат розісланий 19 квітня 2000 р.

Вчений секретар спецiалiзованої вченої ради к.т.н., проф. Л. С. Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

На сьогодні в світі накопичено досвід роботи з радіоактивними матеріалами, розроблено широку гаму методів і засобів контролю процесів, що стосуються ядерних технологій, створені наукові школи в області ядерної фізики і супутніх галузях науки і техніки. Сучасність породжує проблеми ліквідації наслідків екстремальних екологічних ситуацій, викликаних глобальними або локальними ядерними катастрофами, коли виключається пряма участь в технологічних операціях людини, а ліквідація наслідків викиду радіоактивних матеріалів повинна проводитися з використанням автоматизованих систем, що мають можливість дистанційного контролю активності і ізотопного складу ядерних матеріалів і продуктів їх розпаду, а також локалізації їх у просторі.

Тому сьогодні особливо актуальною є задача створення нового покоління гнучких виробничих систем (ГВС), здатних виконувати контроль радіаційної обстановки, вирішувати задачу дистанційного виявлення і ідентифікації слабких джерел іонізуючого випромінювання, забезпечувати розв'язання проблеми управління комплексом технічних засобів, що функціонують в зоні екстремальної екологічної ситуації.

Залишається також надто актуальною задача дистанційного контролю радіаційної обстановки в Чорнобильській зоні, де до кінця не виявлені місця локального несанкціонованого поховання радіоактивних продуктів викиду з реактора, яке проводилося першими днями робіт на четвертому енергоблоці некваліфікованим персоналом залучених ліквідаторів. Залишається не вирішеною проблема створення ГВС для роботи всередині об'єкта "Укриття" по розбиранню уламків четвертого реактора.

У разі актів ядерного тероризму і тероризму на ядерних технологічних об'єктах підрозділам служб по надзвичайних ситуаціях в своєму арсеналі технічних засобів необхідно мати автоматизовані автономні мобільні системи, забезпечені маніпуляторами, які б дозволяли з мінімальним ризиком для персоналу проводити дистанційну розвідку місцевості, виконувати картографування радіаційної обстановки, прокладати оптимальні по критерію мінімуму накопиченої еквівалентної дози опромінення маршрути виведення людей із зони радіоактивного забруднення і виконувати дозиметричний контроль персоналу з об'єктивною оцінкою міри поразки організму людини іонізуючим випромінюванням.

Розв'язання вказаних проблем сьогодні не можливо без наявності ГВС радіологічного моніторингу (РМ), оснащених технічними, алгоритмічними і програмними засобами візуалізації і ідентифікації полів гамма-випромінювання. Створення таких ГВС РМ, в свою чергу, вимагає виконання фундаментальних досліджень на рівні побудови інформаційних моделей просторових потоків іонізуючих випромінювань, що породжуються локальними і розподіленими джерелами.

Метою дисертаційної роботи є створення і модифікація методів, алгоритмів і програм моделювання компонентів гнучких виробничих систем радіологічного моніторингу для дистанційного контролю параметрів недетермінованого середовища виробництв ядерного технологічного циклу з зосередженими і просторово розподіленими джерелами іонізуючого випромінювання. Об'єктом досліджень в дисертаційній роботі є інформаційні поля в просторі параметрів, що характеризують потоки гамма-випромінювання.

Задачі дослідження

1. Аналітичний аналіз існуючих методів і засобів РМ.

2. Вибір структури даних про недетерміноване середовище та розробка критеріїв оптимальності функціонування ГВС РМ в недетермінованому середовищі радіаційного забруднення. Побудова моделі алгоритму прийняття рішення.

3. Дослідження існуючих методів візуалізації потоків гамма-випромінювання в трьомірній геометрії простору і розробка системної технології дистанційного виявлення, локалізації і ідентифікації джерел випромінювання.

4. Реалізація системної технології шляхом моделювання процесів взаємодії об'єкта дослідження з недетермінованим середовищем. Розробка алгоритмів формального представлення поля потоків гамма-випромінювання з побудовою поля потужності накопиченої дози випромінювання.

5. Розробка методів ідентифікації радіонуклідів за даними дистанційного зондування полів випромінювання засобами надання чутливості ГВС РМ.

6. Створення програмно-апаратних комплексів проблемно-орієнтованих технічних засобів візуалізації джерел іонізуючого випромінювання, моделювання поля потужності дози і вибір оптимального маршруту пересування виконавчого органу ГВС при вирішенні задачі РМ по ліквідації наслідків екстремальної екологічної ситуації.

Методи дослідження

Для вирішення задач, сформульованих вище, у роботі використано теоретичні методи ядерної фізики, операційні та чисельні методи вирішення диференційних рівнянь, теорія матриць (власні числа і власні вектори, вирішення систем лінійних рівнянь), засоби пірамідально-рекурсивного представлення простору, методи розпізнавання образів щодо порівняння з еталоном (міри несхожості, поріг для приймання рішення про належність до певного класу).

На захист виносяться:

Методологія моделювання параметрів недетермінованого середовища і ідентифікації факторів, які породжують поля іонізуючого випромінювання, та результати моделювання у вигляді синтезованих інтелектуальних підсистем обробки інформації і прийняття рішень.

Іконометричний підхід до опису недетермінованого середовища в просторі параметрів потоків іонізуючих випромінювань та методи прийняття рішень по оптимізації маршрутів переміщення мобільного модулю ГВС РМ при ліквідації наслідків екстремальної екологічної ситуації.

Модифіковані відомі і розроблені оригінальні методи та алгоритми побудови моделей полів випромінювання недетермінованого середовища функціонування ГВС РМ на основі інформації про геометрію просторової дислокації і ізотопний склад просторово розподілених радіонуклідів.

Оригінальні методи побудови моделей зображаючих властивостей систем гамма-бачення з коліматорами просторової модуляції потоків випромінювання, що мають кодовану апертуру, та алгоритми виявлення і просторової локалізації розподілених і зосереджених джерел іонізуючого випромінювання. радіологічний недетермінований технологічний

Алгоритми дистанційної спектрометрії, які створено уперше для інтелектуальних систем обробки інформації у складі ГВС РМ, що дозволяють виконувати дистанційне зондування джерел випромінювання по моделях параметрів інформаційного поля потоків випромінювання та відновлювати фізичний спектр випромінювання джерел.

Оригінальні методи дистанційного розпізнавання ізотопного складу джерел випромінювання і параметричні ступінчасті алгоритми моделювання поля потужності еквівалентної дози випромінювання.

Уперше побудовані фізичні і математичні моделі компонентів структури інтегрованої ГВС, алгоритмічне і програмне забезпечення технічних засобів надання чутливості ГВС РМ для різних рівнів ієрархічної структури з оптимізацією моделей по критеріях максимальної чутливості, мінімуму вартості, вагових і габаритних показників.

Наукова новизна роботи полягає у:

-створенні та розробці методологічних засад використання систем штучного інтелекту у ГВС РМ по виконанню виробничих, технологічних та організаційно-технічних процесів при ліквідації наслідків екстремальної екологічної ситуації;

-створенні і модифікації методів та алгоритмів моделювання ГВС РМ для дистанційного контролю параметрів недетермінованого середовища з радіаційним забрудненням за допомогою засобів візуалізації потоків іонізуючих випромінювань;

-дослідженні методів і засобів інформаційного моделювання параметрів інформаційного поля потоків випромінювання ГВС РМ з автоматичним прийняттям рішення автоматизованою системою аналізу навколишнього радіаційного оточення;

-розробці методів моделювання, математичного, алгоритмічного і програмного забезпечення задач синтезу засобів візуалізації потоків іонізуючих випромінювання ГВС РМ, що відрізняються фізичними принципами реалізації, конструктивною та технологічною базами виконання, складом функціональних засобів і методами управління на різних рівнях ієрархічної структури;

-оптимізації параметрів структури і режимів роботи засобів надання чутливості ГВС РМ за експлуатаційними критеріями, показниками продуктивності, собівартості та надійності;

-розробці фізичних моделей систем гамма-бачення для інтегрованих ГВС РМ ядерного технологічного циклу.

Практична цінність роботи.

Практична цінність роботи полягає у створенні оригінальних методів побудови інформаційних моделей і алгоритмів дистанційного контролю джерел іонізуючого випромінювання з використанням систем гамма-бачення, які виконані на принципі реєстрації потоків випромінювання позиційно-чутливими детекторами з коліматорами, що мають кодовану апертуру; дистанційної ідентифікації радіонуклідів в автоматичному режимі, що робить можливим використання інформаційних моделей в складі проблемно-орієнтованих методів і засобів надання чутливості ГВС РМ; реалізації алгоритмів дистанційного контролю та ідентифікації джерел іонізуючого випромінювання у вигляді експериментальних зразків систем гамма-бачення.

Реалізація результатів роботи.

Основні результати було отримано автором в процесі виконання науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт, які проводилися під його науковим керівництвом і за безпосередній участю, у науково-дослідному і проектно-конструкторському інституті “Іскра" по створенню технічних засобів дистанційного контролю і ідентифікації джерел іонізуючого випромінювання. Дослідження виконувалися з 1980 року по програмам Державного плану фундаментальних і пошукових робіт Ради Міністрів СРСР. Результати засвідчені актом впровадження, наданим інститутом геохімії та аналітичної хімії Російської Академії Наук. В Україні роботи по створенню технічних засобів дистанційного контролю і ідентифікації джерел іонізуючого випромінювання виконуються з 1992 року по Постановах директивних органів України. Так робота ФИ-08/94 “Дiамант", - “Розробка польового комплексу апаратури для iдентифiкацiї та знешкодження вибухових пристроїв", виконувалася в період з 1994 по 1995 роки по галузевій науково-технічній програмі боротьби із злочинністю на підставі постанови Верховної ради Україні від 25.06.93 р. і наказу Державного комiтету Україні з питань науки i технологiй від 07.04.94 р №66. Впровадження результатів роботи засвідчене відповідним актом. Фундаментальна НДР "АХ-НИПКИ-03-УО", виконувалася в період з 1992р. по.1997р. відповідно до "Програми прикладних, фундаментальних і пошукових досліджень", затвердженої Розпорядженням Президії НАНУ від 17 серпня 1992р. Реалізація результатів досліджень засвідчене актом впровадження секції прикладних проблем Президії НАНУ. По міжнародній програмі протидії ядерному тероризму і боротьби з його наслідками на замовлення Французької держави проведено дослідження по створенню приладів дистанційного радіологічного спостереження. Впровадження результатів роботи засвідчене актом впровадження Дослідницького центра Буше дирекції по дослідженнях і технологіях DGA Французької республіки від 19 вересня 1999 року.

Апробація роботи.

Основні положення і висновки дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

Всесоюзній міжвузівській науково-технічній конференції "Робототех-нічні системи" (м. Київ, 1980);

Всесоюзній науково-технічній конференції "Технологічні шляхи економії трудових і матеріальних ресурсів і інтенсифікації виробництва в приладобудуванні" (м. Суздаль, 1983);

Всесоюзній науково-технічній конференції "Роботи і робототехнічні системи" (м. Челябінськ, 1983);

Всесоюзній науково-технічній конференції "Образний аналіз багатомірних даних" (м. Володимир, 1984);

Республіканській науково-технічній конференції "Проблеми розробки і впровадження робототехніки в народне господарство Української РСР" (м.Краматорськ, 1984);

Республіканській науково-технічній конференції "Наукові основи проектування машин і автоматизації виробничих процесів" (м.Ворошиловград, 1985);

Всесоюзному симпозіумі "Зір організмів і роботів" (м. Вільнюс, 1985);

Республіканській науково-технічній конференції "Робототехнічні системи для промислових технологічних процесів" (м. Ворошиловград, 1985);

Всесоюзній нараді по робототехнічних системах, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова АН УРСР (м. Київ 1987);

Всесоюзній нараді з проблем керування (м. Москва, 1989);

Всесоюзній конференції "Штучний інтелект у автоматизованому управлінні технологічними процесами" (м. Грозний, 1989);

Всесоюзній конференції “Розпізнавання образів і аналіз зображень: нові інформаційні технології" (м. Мінськ, 1991);

Всесоюзній науково-практичній конференції "Гібридні інтелектуальні системи" (м. Ростов-на-Дону, 1991);

Всесоюзній конференції “Математичні методи розпізнавання образів" (м. Москва, 1991);

Всесоюзній конференції "Штучний інтелект" (м. Москва, 1992);

Всесоюзній науково-технічній конференції "Динаміка керування космічними об'єктами" (м. Іркутськ, 1992);

Всесоюзній науково-технічній конференції "Нові інформаційні технології і експертні системи" (м. Тверь, 1992);

Регіональній науково-практичній конференції “Екологія промислового регіону Донбасу" (м. Луганськ, 1993);

Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми локомотивобудування", (Крим, 1993);

Міжнародній науково-технічній конференції "Проблеми розвитку рейкового транспорту" (Крим, 1997);

Міжнародній конференції "Сучасні технології ресурсо-енергозбереження" (Крим, м. Партенід, 1997);

Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні і енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини" (м. Севастополь, 1998);

Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні і енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини" (м. Харків, 1999);

Публікації. Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в 55 друкованих роботах, з яких 24 є основними і відповідають вимогам, які викладені у постанові президії ВАК України від 10.02.1999 р. №1-02/3.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, семи розділів, закінчення, додатків, містить 71 малюнок, 22 таблиці, включає бібліографію з 159 використаних джерел. Загальний обсяг дисертації - 345 сторінок, обсяг основної частини складає 286 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми і необхідність розробки методології інформаційного моделювання ГВС РМ для застосування в регіонах з екстремальною екологічною ситуацією, сформульовані цілі і задачі дослідження, визначено наукову новизну і практичну цінність роботи, стисло викладені одержані результати.

В першому розділі проведено аналіз особливостей виробничих процесів в галузі ядерних технологій. Виявлено кінцеві і проміжні продукти виробництва, встановлено їх потенційну небезпеку для навколишнього середовища і обслуговуючого персоналу. Сформульовано вимоги до виробництва ядерних компонентів, серед яких виділено вимогу гнучкості, як сукупності технічних і організаційних заходів, що дозволяє підприємствам атомної галузі змінювати структуру технологічного циклу і режими роботи обладнання. За критерій гнучкості прийнято фактор часу прийняття рішення і реалізації керуючого впливу з позиції швидкості адаптації до вимог безпеки виробництва, тобто співвідношення міри гнучкості і ціни, якою ця гнучкість забезпечується. Необхідність швидкої адаптації до змін режимів технологічного циклу і наслідки недостатньої глибини РМ при реалізації гнучкого управління проілюстровані хронологією аварій за 1998 рік на об'єктах ядерного технологічного циклу. Концепцію гнучкого управління проілюстровано структурою управління ядерним технологічним циклом компанії Westinghouse, яка базується на глибокій діагностиці стану виробничого середовища і РМ навколишнього простору.

Концепція практично повністю відповідає класифікаційним ознакам ГВС. Задачами управління, які вирішуються в оперативному плані за рахунок глобального моніторингу, є: юридична підтримка; запобігання вимушеному відключенню; визначення оптимальних шляхів ліквідації критичних ситуацій; управління по критерію максимального ресурсу служби обладнання; скорочення поточних витрат.

Ієрархічна структура управління забезпечує інформаційний обмін потоками даних між підсистемами від нижнього рівня (технологічне обладнання виробничих модулів, дільниць, цехів) до верхнього - стратегічного (центр діагностики, прогнозування і експлуатаційного планування). У такій структурі система РМ є інформаційною базою, яка підтримує функціонування ГВС взагалі. Але в умовах нештатних ситуацій, наприклад, при аварійних викидах в довкілля радіоактивних матеріалів, концепція гнучкого управління, що базується на детермінованості виробничого середовища, стає неспроможною. Це доведено ситуаційним аналізом [5].

Внаслідок цього для екстремальної екологічної ситуації сформульовано наступні функціональні вимоги до ГВС РМ.

Екстремальні умови передбачають проведення рятувальних або ремонтно-відновних робіт по розбиранню завалів і звільненню з під уламків людей і техніки. З урахуванням вірогідного забруднення великих територій першою вимогою до системи є наявність самохідного шасі з високою проходимістю [8]. Враховуючи, що час перебування персоналу в зоні поразки повинен бути мінімальним, швидкість пересування повинна бути максимальною, чому задовольняє самохідне колісне шасі з системою блокування диференціала коліс [9].

Отже, транспортне шасі повинно бути оснащено робочими органами, здатними дистанційно діяти в зоні наявності потоків іонізуючого випромінювання без участі людини [1]. Це друга вимога.

Третя вимога. Рятувальні роботи передбачають проведення розвідки місцевості і подальшу евакуацію людей. Розвідка передбачає наявність в структурі системи технічних засобів дистанційного сканування простору, що здатні локалізувати і ідентифікувати зосереджені і розподілені джерела іонізуючого випромінювання.

Для вибору маршруту евакуації за даними про топологію і активність радіонуклідів бортова система обробки інформації повинна виконувати розрахунки поля потужності дози випромінювання в обстеженому просторі і вибирати оптимальний маршрут евакуації по критерію мінімуму накопиченої дози за час перебування в полі потоків випромінювання. Маємо четверту вимогу.

При проведенні рятувальних робіт в зоні радіаційного забруднення, РМ, як елемент ГВС, в умовах позаштатної ситуації повинен мати автономні підсистеми, які мають бути забезпечені органами управління і функціонувати в умовах недетермінованого середовища.

Виходячи з комплексу задач РМ для позаштатних ситуацій ядерного технологічного циклу, які сформульовані вище, і на основі структурних та функціональних ознак систему РМ класифіковано як ГВС, що включає функції сприйняття зовнішнього середовища за допомогою "органів почуттів" (технічні засоби надання чутливості) [17], обмірковування і прийняття рішення (мікропроцесорна обробка інформації) [10,43], активний вплив на зовнішнє середовище "руками" (маніпуляторами) [2]. Це п'ята вимога.

Для забезпечення реалізації функціональних вимог до ГВС РМ запропоновано методологію вирішення навігаційної задачі [21], засновану на побудові інформаційних моделей полів потоків іонізуючого випромінювання в зоні функціонування ГВС РМ.

У відповідністю із запропонованою методикою прийнято модель просторового розподілу поля потужності еквівалентної дози, створеного системою кінцевого числа зосереджених джерел іонізуючого випромінювання, розташованих у відкритому просторі. Використання геометрії факторів, що породжує інформаційне поле, дозволяє врахувати внесок в дозу ефекту розсіювання і поглинання випромінювання у повітрі, а також ефекту наявності кордону розділу повітря-земля. Умовою можливості побудови моделі є наявність інформації про геометрію розташування джерел випромінювання в просторі [11], та інформації про типи радіонуклідів, які входять до складу джерел, їх активності і спектрального складу випромінювання в кожній точці простору параметра, що моделюється - потужності дози [12].

Виходячи з отриманих результатів за оцінкою фізичної структури і параметрів інформаційних полів, що визначають кінцеву мету РМ - ідентифікацію параметрів радіаційного забруднення навколишнього середовища матеріалами, що діляться і продуктами їх розпаду, сформульована задача досліджень в наступній постановці:

1. Для рішення навігаційної задачі вибору оптимального маршруту по критерію мінімуму накопиченої дози випромінювання потрібно виконати оцінку факторів, що характеризують середовище пересування по показниках його прохідності, і після поєднання топографічного образу місцевості з образом значення потужності дози в єдиній системі координат сформувати оптимальний маршрут з локальними критеріями максимальної швидкості переміщення з урахуванням фактору прохідності, або мінімальному часу пересування з обмеженнями по значенню потужності дози, і глобальним критерієм мінімуму накопиченої еквівалентної дози за період пересування скрізь поля потоків випромінювання. Рішення цієї задачі вимагає створення методологічних основ моделювання параметрів недетермінованого середовища і ідентифікації факторів, що породжують поля іонізуючого випромінювання, та реалізації моделей на основі інтелектуальних підсистем обробки інформації і прийняття рішень.

2. Задача формування моделі поля потужності дози вимагає наявності моделі поля щільності потоків іонізуючого випромінювання та інформації про енергетичний спектр випромінювання. Створення такої моделі вимагає розробки і модифікації алгоритмів моделювання та методів побудови моделей полів випромінювання недетермінованого середовища функціонування ГВС РМ по інформації про геометрію просторової дислокації і ізотопний склад просторово розподілених радіонуклідів.

3. Для отримання первинної інформації про топографію розподілу радіонуклідів в середовищі, що є об'єктом дослідження в РМ, необхідна наявність в структурі ГВС РМ відповідних компонентів, тобто технічних засобів надання чутливості, здатних забезпечити дистанційну локалізацію джерел. Включення в структуру ГВС РМ цих елементів вимагає розробки фізичних і математичних моделей компонентів структури інтегрованої ГВС, алгоритмічного та програмного забезпечення технічних засобів надання чутливості ГВС РМ для різних рівнів ієрархічної структури з оптимізацією моделей по критеріях максимальної чутливості, мінімуму масо-габаритних показників і вартості.

4. Для побудови моделі поля потоків випромінювань необхідна інформація про спектральний склад випромінювання в координатах простору зони проведення моніторингу. Рішення цієї задачі вимагає розробки методів дистанційної ідентифікації спектрального складу потоків випромінювання з координатною прив'язкою топології розподілу спектрів відносно координат джерел, що породжують ці потоки.

5. Для формування моделі поля потоків випромінювання необхідна інформація про ізотопний склад просторово розподілених радіонуклідів. Враховуючи, що існуючі методики виконання радіометричного контролю, які здатні ідентифікувати ізотопний склад радіонуклідів, працюють тільки з фізичними пробами зразків в лабораторних умовах, до складу локальних задач досліджень входить необхідність розробки методів дистанційної ідентифікації іонізуючих джерел по моделях енергетичного спектру випромінювання, побудованих на основі інформації, що отримується засобами надання чутливості ГВС РМ.

6. Заключна фаза досліджень - моделювання просторового поля потужності дози з корекцією його топології за даними контролю контактними методами при переміщенні ГВС РМ скрізь поля потоків випромінювання. Це вимагає створення методів і алгоритмів побудови моделей поля потужності дози з урахуванням технологічних параметрів компонентів засобів надання чутливості ГВС РМ.

Перелік задач досліджень утворює низку причинно слідчих зв'язків, де вихідні параметри попередньої моделі інформаційного поля є вхідними даними для алгоритму моделювання подальшого поля, що обумовило вибір іконометричного підходу як основи методології ідентифікації параметрів недетермінованого середовища функціонування ГВС РМ.

У другому розділі викладено методологічні основи інформаційного моделювання параметрів недетермінованого середовища функціонування ГВС РМ і ідентифікації факторів, що породжують поля іонізуючого випромінювання [6]. Як результат застосування запропонованої методології викладаються методи побудови моделей розпізнавання недетермінованого середовища з джерелами іонізуючого випромінювання на основі використання інтелектуальних підсистем обробки інформації і прийняття рішень [7].

Методологія заснована на іконометричному підході до розробки методики моделювання топології інформаційного поля в просторі параметрів, що характеризують стан середовища. Це дало можливість створити інформаційну модель радіологічної обстановки у вигляді зображення в гамма-діапазоні електромагнітного випромінювання як іконометричне прогнозування, що означає кумулятивне породження бінарних зображень, які передбачають мету, та ієрархічно впорядкованих по схожості з нею [48]. Всі передбачення на різних по складності і глибині рівнях містять інформацію про спектральний склад випромінювання. Процедура кумулятивного породження структур передбачення мети дозволяє використати принцип перцептивного навчання, що, в свою чергу, дає можливість застосування ефективних методів розпізнавання і прийняття рішень з теорії інтелектуальних систем [30,31]. При виборі структури моделі процедури прийняття рішення використовується принцип паралельного кодування, який модифіковано відповідно до задач інформаційного моделювання радіологічної обстановки. Суть модифікації полягає в наступному.

Нехай є ряд операторів виділення ознак ОР₁, ОР₂. .., ОР_к. Результатами їх дії є бінарні або безперервні моделі поверхонь в просторі параметрів полів потоків випромінювання. Для спільності термінології з теорією розпізнавання образів далі моделі поверхонь названо бінарними або безперервними зображеннями. Зображення обробляються паралельно, що формує різні (наперед задані або всі можливі) комбінації початкових операторів. "Комбінаторний портрет", що отримується на виході, аналізується для виявлення стійких груп похідних зображень (співпадаючих фрагментів на зображеннях) в аналізаторі. Результуючі зони стійкості і дають необхідні елементи структури. Фрагменти початкового зображення, що не пройшли тест на "стійке виявлення", визнаються "шумовими".

Ця ідеологія "паралельного кодування" дозволяє "насичувати" модель різноманітними операторами виділення ознак, міняти критерії і формальні схеми аналізу стійкості, нарешті, використовувати каскади з таких систем, залишаючись при цьому в рамках людино-машинної технології обробки зображень [32].

У задачах структурування радіологічних даних виділені два взаємопов'язаних аспекти: виявлення структури як цілого в шумовому полі, та представлення структурного портрета, або структурної декомпозиції зображення, що досліджується.

Стандартним для обробки зображень є міркування, пов'язане з різними рівнями дозволу, що дає можливість вкладати одну з цих задач в іншу (і навпаки) в рамках пірамідальних схем опису зображень [33].

Отримання ряду непересічних інформаційно-стійких зон зображення внаслідок перетворень свідчить про апостеріорне "ортогональне розкладання" зображення, або про своєрідну "ортогоналізацію", зроблену по заданій множині процедур обробки і їх комбінацій. Таким чином, в рамках "паралельного кодування" вирішується задача ортогоналізації системи процедур, що використовується. У схему "паралельного кодування" вкладаються примітивні оператори, які пов'язані з фрагментом виділення.

Наявність таких "персональних" процедур дозволяє вносити неформальні вимоги експерта, що реалізовують його переваги, а потім піддавати їх перевірці в циклах імітаційних процедур цільового прогнозування і розпізнавання реального об'єкта по моделях його формального уявлення.

При іконометричному прогнозуванні об'єкти, відносно яких виконуються операції цільового прогнозування, існують в просторі інформаційного фізичного поля (щільність потоків іонізуючого випромінювання), в межах якого здійснюється прогнозування.

Властивості об'єктів, їх характеристики і параметри можуть бути самими різними. Оскільки ці відмінності вимагають істотно різних засобів, методів організації і черговості взаємодії при визначенні реакції цільової системи, виникають задачі класифікації об'єктів.

Перша з них - формування кінцевої множини типів концептуальних об'єктів А^k на основі аналізу властивостей і характеристик реальних об'єктів А, цілій системи С, можливих взаємодій цільових процесів, їх виходу і результатів.

Кінцева множина типів концептуальних об'єктів А^k включає визначення (встановлення) множини характеристик Н^Ak, якими описується об'єкт, шкалу і міру для цих характеристик. Оскільки усі радіологічні об'єкти, як реальні, так і концептуальні, існують в топографічному просторі, що відображаються на карту, то вони набувають властивостей іконометричних об'єктів.

Друга задача - формування класифікаційної структури, що відображає аспекти класифікації, адекватної цілям класифікації, видам взаємодій об'єктів, їх властивостям і характеристикам. При багатоаспектній класифікації зв'язки мають ієрархічний і мережевий характер.

Третьою задачею є визначення критеріїв відповідності об'єкта класу і побудова вирішального правила, що дозволяє по інформації про об'єкт Ai зробити віднесення a_i до однієї з множин класів, або, в гіршому випадку, визначити ймовірності належності об'єкта a_i до відповідних класів. Наявність вирішального правила дозволяє при достатній і достовірній інформації вирішувати задачу розгрупування об'єктів по класах в автоматичному режимі без участі людини-оператора.

Четверта задача - ідентифікація об'єктів. Це встановлення відповідності об'єкта даній класифікаційній структурі.

У екстремальній екології задача формалізації процесу іконометричного прогнозування формулюється як формування і ранжирування описів зображень просторового розподілу полів потоків іонізуючого випромінювання, визначених як мета пошуків.

Запропонований автором метод формалізації процесу прогнозування радіологічної обстановки полягає в наступному: створюється достатньо повна множина можливих розв'язань задачі; з цих рішень відбирається деяка підмножина дозволених і упорядковується відповідно до деякого формального критерію з урахуванням апріорної інформації; здійснюється остаточний вибір рішення задачі на основі впорядкованого перебору дозволених рішень.

Вирішальне правило розпізнання в запропонованому методі представлене у вигляді оператора F, формального опису об'єкта Х, що забезпечує прийняття рішення у вигляді y=F(X). Прийняття рішення - це віднесення виявленого зрушення фонового стану потоків іонізуючого випромінювання, що реєструється, до розряду аномальних явищ, викликаних появою в фоновому спектрі характерних ліній радіонуклідів і зафіксованих системою надання чутливості радіологічної обстановки. Тобто, ідентифікація є реєстрацією аномальної деформації інформаційного поля. При цьому аномальне явище виступає як об'єкт класифікації.

При розв'язанні задачі оперативної класифікації об'єкта останній розглядається як довільний годограф вектора, розташованого в n- мірному просторі ознак по відношенню до кінцевого алфавіту об'єктів, що пред'являються ідентифікатору. У основу алгоритму прийняття рішення покладено оригінальний детерміновано-статистичний метод стосовно до класифікації радіонуклідів. Метод базується на принципі декомпозиції сцен шляхом автоматичного угрупування множини об'єктів з використанням єдиної міри, що охоплює ряд ознак [18].

Процедура прийняття рішень виконується в просторі ознак, який відображений на простір лінійних квазипорядків [36,38].

Алгоритм прийняття рішень має два етапи. На першому виконується попередня обробка спектра, що включає виділення інформаційних ознак і формування опису сцени. На другому - класифікація сцени по її опису і прийняття рішення [37].

Вважається, що умови набору статистики для кожного радіонукліда ідентичні. У іншому випадку проводиться нормування просторового масштабу по топографічній карті з урахуванням дистанції до виявлених зосереджених і розподілених джерел іонізуючого випромінювання.

Використання в описах карт просторового розподілу радіонуклідів лінійних квазипорядків дозволяє використати як простір описів п'ятимірний простір лінійних квазипорядків (ПЛК).

По інформації про інтервали зміни значень ознак множини G, що описують клас Х:Xi=, в просторі описів виділяється простір Z_i описів карт класу Xi, які можуть бути дозволені.

Простір допустимих описів Z формується з підпространств Zi, як

. (1)

З урахуванням структури п'ятимірного ПЛК з простору Z формуються правила побудови групових рішень в Zi, i=. З цих правил формується множина вирішальних правил класифікації D [16].

Для формування вирішальних правил використовується система процедур, кожна з яких має вигляд <умова дія>, де умова визначається описом точок змішаного і незмішаного потенціалу ПЛК, що складається з п'яти вкладених один в одну гіперповерхонь. Дія визначається стандартною процедурою знаходження узгоджувальної точки [34,35].

Результатом прогнозного моделювання є формальна структура недетермінованого середовища, на основі якої приймається рішення про вибір маршруту руху. Від можливості переміщення рухомого модуля ГВС залежить поняття перешкоди [41], що додає розмірність в простір параметрів опису середовища.

Для рішення задачі переміщення об'єкта в задану точку простору може використовуватися будь-який набір маршрутів, що забезпечують виконання глобального критерію (максимальної швидкості переміщення при мінімальному часі рушення через поле потоків випромінювання). Логіка вибору маршруту визначається специфікою об'єкта і станом зовнішнього середовища [39]. Рішення такої задачі зводиться до пошуку оптимального шляху на карті місцевості [44,45], яка представляється у вигляді графа. На карті задається дискретна мережа точок (вершин графа) і дві точки з'єднуються ребром, якщо їх координати задовольняють критерію можливості переміщення (проходимість). У результаті отримується граф G(х, t), де х - множина вершин, t - відношення зв'язку, x_i і x_j x задовольняють відношенню при умові, що x_i і x_j поєднані ребром, тобто граф є графом допустимих переміщень [46,47].

Таким чином, набір маршрутів реалізовується у вигляді неорієнтованого графа, де кожний маршрут з набору має вигляд ланцюга графа з початкової вершини в кінцеву. Граф допустимих переміщень задається у вигляді деякої мережі опорних точок що покриває карту місцевості, вузли якої є вершинами графа, а наявність ребер між вершинами свідчить про принципову можливість переміщення. Вага ребра - його прохідність.

Визначення функції вершини виконується методом прогнозування з використанням іконометричного підходу [50,51]. Як і в задачі розпізнавання інформаційного поля недетермінованого середовища, визначення функції вершини графа виконується шляхом ранжирування множини альтернатив по схожості з цільовим оригіналом і зводиться до ранжирування класів еквівалентності пар моделей із заданої множини R.

Критерій оптимальності міри для класу пар R і набору правил порівняння запропоновано у вигляді:

Повна міра схожості F, визначена на класі пар R, є оптимальною при заданих правилах порівняння, якщо вона мінімізує невизначеність вибору найкращої пари в середньому по всіх наборах R' з R.

Побудова оптимальної міри визначена доказаною теоремою [11].

Ствердження теореми показує, що використання інформаційно повної міри, яка задовольняє принципу мінімуму невизначеності, вносить мінімум "упередження" в результати ранжирування.

Третій розділ присвячено інформаційному моделюванню компонентів структури інтегрованих ГВС, створенню алгоритмічного і програмного забезпечення засобів надання чутливості ГВС РМ для різних рівнів ієрархічної структури ГВС з оптимізацією моделей по критеріях максимальної чутливості, мінімуму масо-габаритних показників і вартості.

Для отримання первинної інформації про топографію розподілу радіонуклідів в середовищі, що є об'єктом дослідження в РМ, необхідна наявність в структурі ГВС РМ відповідних компонентів, тобто засобів надання чутливості, здатних забезпечити дистанційну локалізацію джерел [20].

З аналізу літературних джерел для надання чутливості ГВС РМ вибрано клас систем гамма-бачення з позиційно-чутливим детектором і коліматором, що має властивість просторового кодування потоків випромінювання (кодуючу апертуру).

Результатами досліджень зображаючих властивостей таких систем встановлено, що системи гамма-бачення з кодованою апертурою володіють двома властивостями, які мають тільки вони. Перша властивість полягає в тому, що система візуалізації потоків випромінювання зберігає високий кутовий дозвіл окремого вузького отвору і в той же час створює зображення об'єкта з співвідношенням сигнал-шум пропорційно загальної відкритої площі апертури. При наявності в апертурі N вузьких отворів співвідношення сигнал-шум (для зосередженого джерела) поліпшується приблизно у раз в порівнянні з одним коліматором. Якщо N досить велике, то співвідношення сигнал-шум різко зростає. Друга властивість пов'язана з можливістю виконання топографії об'єкта спостереження [14]. Точки об'єкта на різних відстанях від апертури відкидають на площу детектора тіні різних розмірів. Виявляється можливим відновити певну товщину в об'єкті, якщо при цьому обробляти знімок так, неначе він сформований апертурою з шкалою, що дозволяє визначити розмір тіні, створеної товщиною. Таким чином, своїми властивостями системи гамма-бачення з кодованою апертурою в повній мірі задовольняють вимогам критерію оптимальності, що пред'являються до технічних засобів надання чутливості ГВС РМ [28].

Для рішення задачі виявлення і ідентифікації джерел іонізуючого випромінювання, як факторів, що характеризує об'єкт дослідження, запропоновано метод побудови алгоритму відновлення зображення, отриманого системою гамма-бачення з кодованою апертурою. Математичний апарат процедури відновлення зображення складають методи зворотної згортки і метод кореляції, які мають простоту реалізації. Якщо поле потоків випромінювання задано функцією P, апертуру - функцією A, а розподіл джерел випромінювання - функцією O, то

, (2)

де * - оператор кореляції,

N- функція, що описує фон.

Використання методу зворотної згортки стосовно РМ дає перетворення, при якому просторова локалізація джерела здійснюється у вигляді:

, (3)

де - оператор перетворення Фур'є, R- оператор відображення.

А - звичайно визначена матриця, що складається з нулів і одиниць, в якої одиниці мають те ж розташування, що і коліматори в апертурі.

Основним недоліком методу зворотної згортки є те, що J(А) часто має малі члени, які викликають шум, що домінує над відновленим об'єктом. Застосування Вінеровських фільтрів дозволяє дещо зменшити цей шум, однак коли це не вдається зробити, доцільно застосувати метод кореляції.

При використанні методу кореляції візуалізація джерел випромінювання здійснюється перетворенням

, (4)

де G - матриця подальшої обробки.

У загальному випадку G не обов'язково є зворотною функцією і звичайно вона вибирається так, щоб мала бажані властивості. Якщо являє собою дельта-функцію, то

, (5)

тобто зображення просторового розподілу джерел відновлено, за винятком складової шуму, яка проте не буде домінантною, як в методі зворотної згортки.

Моделювання зображаючих властивостей маски з кодуючою апертурою і оптимізація моделі по критерію максимального значення співвідношення сигнал/шум є cамостійною проблемою побудови інформаційних моделей ГВС РМ. Модель кодуючої апертури одночасно є алгоритмом цифрового кодування і подальшого відновлення зображення [4]. При моделюванні прийнято, що р(х, у) - кількість фотонів, яка приймається детектором в точці з координатами (х, у), функція 0(, , b) - розподіл інтенсивності потоку випромінювання джерела (об'єкта дослідження), що є функцією просторових координат і (виміряних в площині, паралельній апертурі) при відстані від площини до апертури b. Якщо a(х, у) є прозорістю апертури, яку задано у вигляді функції просторових координат, то при умові відсутності дифракції або шуму інтенсивність потоку гамми-квантів, що реєструються позиційно-чутливим детектором, має вигляд [3]

, (6)

де f - відстань від апертури до детектора, - коефіцієнт збільшення.

Дискретизація отриманої моделі дає залежність

, (7)

де O(, , b) визначена як матриця O(i, j), елементи якої є кількість фотонів, що випромінюються областю джерела за час експозиції через площу, рівну одиничному отвору з центром у (i, j, b)

Якщо (рад), а площа кожного отвору в апертурі є сс, матриця А(i,j), коли існує отвір в (i_c, j_c), має значення “одиниця", в іншому випадку - “нуль“. Можливе розташування отворів в решітці кодуючої маски має період, рівний с. Матриця Р(k, l) інтерпретується, як кількість фотонів, що приймаються від об'єкта на площу детектора mc mc з центром у (kmc, lmc) плюс фон N(k, l). Матриця Р є результатом спостереження при виконанні експерименту, а оскільки матриця А заздалегідь відома, то формула (7) використовується для оцінки розподілу інтенсивності випромінювання об'єкта. Відновлення зображення з матриці виконується методом кореляції:

. (8)

Функцію G вибрано таким чином, щоб А*G були точно або приблизно дельта функціями.

Рівняння (8) - це функція розсіяння точки (ФРТ), яка є моделлю відновленого зображення об'єкта, що характеризує зображаючі властивості системи гамма-бачення з позиційно-чутливим детектором і масочним коліматором, з кодованою апертурою.

Для оцінки зображаючих властивостей систем гамма-бачення з кодованою апертурою побудовано моделі ФРТ апертур, які конструювалися на Френелівських матрицях, матрицях Адамара і квадратично-вичітних матрицях. Теоретичні і експериментальні дослідження одержаних моделей показали, що найбільш оптимальними по критерію якості зображаючих властивостей є рівномірно-надмірна решітка, у яких функції автокореляції (тобто А*А) складаються з центрального піка і мають абсолютно гладкі бічні пелюстки.

Для підвищення співвідношення сигнал/шум і зменшення помилкових відгуків від фонових потоків випромінювання запропоновано метод вимірювань “маска-антимаска" [13]. Суть його полягає в тому, що в одній і той же геометрії взаємного розташування джерела, маски і детектора при одному і тому ж часі експозиції здійснено два вимірювання: одне з кодуючою маскою, а друге - з маскою, конфігурація якої є дзеркальною по відношенню до свого прототипу. Тобто, в антимасці на місці непрозорих елементів розташовуються вікна прозорості і навпаки. При використанні цього методу матриця лічильності Р формується як різниця матриці РМ, отриманої при вимірюванні з маскою, і матриці РА, отриманої при вимірюванні з антимаскою [13]:

P_i = PM_i - PA_i , (9)

де i - номер детектора в ПЧД.

Матриця лічильності Pi зазнає математичної обробки відповідно до виразу (7), що є дискретною згорткою, і внаслідок лінійності процедур моделювання після нормування по середньому значенню Pi контрастність зображення підвищується в два рази при повній компенсації складових шуму.

.(10)

З урахуванням результатів досліджень моделей систем гамма-бачення з лінійною і матричною структурами для технічних засобів надання чутливості ГВС РМ синтезовано гексагональну структуру кодуючої маски, побудовані і досліджені її моделі, розроблені алгоритми відновлення зображення [14].

Кореляційна функція зображення системи гамма-бачення з гексагональною структурою отримана шляхом ?- квадратного аналізу проекції, яка формується кодованою апертурою від джерел випромінювання на детектор. Позиційний дозвіл детектора системи описано функцією розподілу p(x), яка визначає імовірність реєстрації з відхиленням x місця взаємодії гамми-кванта з матеріалом детектора. В реальному розподілі потоку від безлічі зосереджених джерел, який детектується в поєднанні з функцією розподілу, враховується внесок власного фону детектора В(х).

(11)

Ефективність колімації потоку випромінювання маскою з гексагональною структурою апертури визначається запропонованою моделлю

(12).

Режим вимірювання "маска" задається функцією ₊(y), режим "антимаска" - _(y). Так само в рівняннях (11) та (12) визначені режими маски і антимаски D(x) і M^eff(y), відповідно.

Різниця значень функцій, визначених в режимах маски і антимаски, містить інформацію тільки про потоки, що формуються джерелами, а фонова складова обнуляється, що дозволило в системі з гексагональною структурою підвищити співвідношення сигнал/шум в 300 і більше разів.

, (13)

де (14)

Дослідження моделі гексагональної структури довели наявність високої технологічності, оскільки її перехід до режиму антимаски здійснюється шляхом повороту маски на 30 градусів навколо центра структури, що є безперечною перевагою гексагональної конфігурації над лінійною і матричною структурами [14].

З урахуванням вимог до засобів чутливості ГВС РМ при визначенні дистанції до джерел випромінювання, досліджено томографічні властивості систем гамма-бачення з кодованою апертурою [4]. Дослідження показали, що величина глибини шару (позиційного дозволу), що контролюється, залежить від геометричних параметрів системи і визначається в основному співвідношенням корисного сигналу до фонового шуму.

Для підвищення цього співвідношення використовуються розроблені автором методи і алгоритми деконволюції образу джерела. Методи деконволюції гамма-зображень побудовано стосовно до прийнятих структур кодованих апертур і випробувані на математичних і фізичних моделях при реєстрації зосереджених і просторово розподілених джерел іонізуючого випромінювання [13]. Алгоритми очищення образу джерела від кодового шуму, викликаного не ідеальністю функції ФРТ в системах з кодованою апертурою (алгоритми деконволюції) приведені в одномірній постановці.

У разі наявності в полі зору декількох джерел, матриця Pi в формулі (7) це суперпозиція тіней маски, що створюються потоками -квантів від різних джерел. Внаслідок лінійності і незалежності процесів формування такого зображення задача відновлення початкового зображення з виділенням всіх джерел вирішується за допомогою дискретної згортки. Невизначеність в розшифровці карти з'являється при ускладненні картини -поля, наприклад, при наявності декількох джерел в полі зору і/або розподілених джерел, що займають істотну частину поля зору. В цьому випадку можливе накладення помилкових відгуків від джерела, що повністю кодується, на істинне положення джерела з низькою ефективністю кодування.. Усунення невизначеності здійснюється шляхом додаткової обробки карти відновленого зображення методом субтрактивної деконволюції. В загальному випадку лінійна система з кодованою апертурою описується операторним рівнянням першого роду

, (15)

де О - отримане зображення; R - розподіл -джерел в полі зору; S - матриця обробки, відповідно до

. (16)

Загальна постановка задачі кінцевої деконволюції формулюється як відновлення функції R по функціях S і О.

Алгоритмом деконволюції здійснюється наступна послідовність обчислювальних процедур.

У зображенні О виявляється найбільш яскравий елемент О_m, який порівнюється з порогом деконволюції Т, що задається в значеннях . Якщо О_mT, то О_m заноситься в m-ую позицію заздалегідь обнуленого і очищеного зображення. Обчислюється матриця ФРТ для точки з координатами m по формулі (16).

, (17)

де k приймає значення від 0 до 3n-3.

Нове спотворене зображення відшукується за допомогою операції віднімання

. (18)

Операція повторюється доти, поки в новому спотвореному зображенні не залишиться елементів з яскравістю вище порогової.

Внаслідок статистичного характеру як процесу реєстрації -квантів, так і зображаючих властивостей кодуючої апертури, відновлення джерел, розташованих з краю поля кодування, може відбуватися з помилками. У цьому випадку очищення зображення від помилкових відгуків відбувається за допомогою обчислення коефіцієнтів кореляції матриці лічильності Р і послідовних вибірок по n елементів з матриці G. Такі розрахунки проводяться для коефіцієнта кореляції двох рядів вимірювань, тобто ряду Р і ряду G.

...