Автоматизована система моніторингу типових техно-екологічних подій

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

«КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ»

УДК 004.896

АВТОМАТИЗОВАНА СИСТЕМА МОНІТОРИНГУ ТИПОВИХ ТЕХНО-ЕКОЛОГІЧНИХ ПОДІЙ

Спеціальність 05.13.07 - Автоматизація процесів керування

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

МЕЛКУМЯН КАТЕРИНА ЮРІЇВНА

Київ 2011

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» (м. Київ) Міністерства освіти та науки України на кафедрі Технічної кібернетики.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Стенін Олександр Африканович, Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри технічної кібернетики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Казак Василь Миколайович, Національний авіаційний університет, професор кафедри автоматизації та енергоменеджменту;

кандидат технічних наук, доцент Кирилович Валерій Анатолійович, Житомирський державний технологічний університет, доцент кафедри автоматизації і комп'ютеризованих технологій.

Захист відбудеться «21» червня 2011 р. о 14:30 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.002.04 при Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут» за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, корпус №18, кімната № 438.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці НТУУ «КПІ».

Автореферат розіслано «17» травня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради,

к.т.н., професор Л.С. Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. В останні десятиріччя через підвищення складності виробництва з використанням енергоємних технологій, радіоактивних і токсичних речовин техногенні аварії і катастрофи, ймовірність виникнення яких достатньо висока, стають практично неминучими. Недостатність коштів на проведення планових ремонтних робіт та заміну зношеного устаткування, зниження вимог до ефективності роботи наглядових органів і державної інспекції, падіння технологічної та виробничої дисципліни, зниження рівня кваліфікації обслуговуючого персоналу приводить до незворотних наслідків. Особливу небезпеку у цій ситуації являють собою об'єкти вугільної, хімічної й атомної промисловості. Працюючи, зношене устаткування, становить постійну загрозу здоров'ю обслуговуючого персоналу, а будь-яка позаштатна ситуація функціонування може призвести до аварії або катастрофи. Вражають фактори, що виникають при цьому й утворюють екстремальні умови для виживання в них не тільки робітників, яких рятують, але й особистого складу рятувальників, які ліквідують наслідки аварій. Зменшити ступінь участі людини під час проведення робіт в небезпечних умовах можна, використовуючи інтелектуальні мобільні роботи (МР). Під МР в дисертації маються на увазі універсальні технічні системи, що дозволяють як дистанційно, так і автономно з використанням елементів штучного інтелекту виконувати задані механічні дії. Таким чином, актуальною є проблема створення МР, зокрема малогабаритного, здатного як дистанційно, так і автономно пересуватися в ускладнених стислих умовах зовнішнього середовища і досягати поставлених цілей.

Світовий досвід показує, що найефективнішим способом зниження витрат від природних та техногенних надзвичайних ситуацій, або техно-екологічних подій (ТЕП), є їх попередження, а також наявність підготовленої бази інформаційних і технічних засобів, структурованих з урахуванням особливостей регіону.

Під ТЕП в роботі будемо розуміти: повені, руйнування мостів, дамб, розливи нафти, аварії на підприємствах хімічної промисловості з попаданням великих кількостей високотоксичних речовин в крупні річки та водойми, аварії на підприємствах ядерного циклу, надводних і підводних суднах, а також літальних апаратів в різних акваторіях океану. Для України найбільш характерними і найменш дослідженими є аварії у вугільних шахтах, які найчастіше призводять до загибелі людей, тому для даного питання в дисертації відведено окремий розділ.

Відсутність системи збору та узагальнення даних про несприятливі фактори, яка була б готова збирати інформацію про ТЕП і здатна зробити перші управлінські рішення, спрямовані на його нейтралізацію, сприяє збільшенню часу ліквідації наслідків ТЕП та вартості проведення таких заходів. З метою удосконалення науково-методичного забезпечення управління моніторингом надзвичайних ситуацій природного і техногенного характеру в роботі порушуються питання, спрямовані на підвищення ефективності та безпеки проведення моніторингу типових ТЕП. Одним з практичних рішень цих питань є пропонована в даній дисертації автоматизована система моніторингу типових ТЕП (АСМ ТТЕП).

Цій проблемі присвячено багато праць як за кордоном, так і на Україні. Можна виділити наступні напрями досліджень: теоретичні обґрунтування і перспективні напрямки розвитку робототехніки, принципи управління роботами та їх апаратне забезпечення, програмне і методичне забезпечення функцій штучного інтелекту роботів, а також вчених, роботи яких присвячені цим питанням: В.П. Боюн, Ю.Г. Войлов, В.М. Глушков, О.В. Дарінцев, І.А. Каляєв, В.І. Костюк, Ю.В. Крак, Ю.Г. Кривонос, О.В. Палагін, В.Г. Писаренко, І.О. Писаренко, А.І. Шевченко, Є.І. Юревич та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках планових науково-дослідницьких робіт кафедри технічної кібернетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут» за темами «Інтегрована інформаційно-пошукова система моніторингу діяльності технічного університету» (№ДР 0103U000243); «Розробка середовища розподілених віртуальних лабораторій для освіти і наукових досліджень з використанням мобільних технологій» (№ ДР 0107U002638).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є зменшення часу та підвищення безпеки проведення моніторингу типових техно-екологічних подій за рахунок уніфікації та автоматизації процесів створення технічного та інформаційного забезпечення.

Для досягнення поставленої мети у дисертації були визначені наступні задачі: маніпулятор мобільний робот автоматизований

1. Розробити організаційно-інформаційне забезпечення функціонування регіональних ситуаційних центрів (СЦ), технічне забезпечення сумісних з ним технопарків мобільних роботів (ТМР) та структуру АСМ ТТЕП.

2. Розробити процедуру автоматизованого вибору транспортних шляхів доставки устаткування на об'єкт моніторингу (ОМ).

3. Синтезувати просторову траєкторію руху виконавчих механізмів маніпулятора МР в умовах просторових перешкод з можливістю отримання координат в реальному масштабі часу.

4. Отримати просторові характеристики тривимірного опису ОМ, що змінився в наслідок виникнення ТЕП.

5. Методами комп'ютерного моделювання підтвердити наукові результати, щодо проведення оперативного моніторингу геометрії просторових об'єктів в умовах ТЕП з використанням АСМ ТТЕП.

Об'єкт дослідження - процес створення інформаційних та технічних засобів моніторингу типових техно-екологічних подій.

Предмет дослідження - методи та моделі автоматизованої системи моніторингу типових техно-екологічних подій.

Методами дослідження є елементи векторної алгебри, теорія обчислювальної математики та комп'ютерного моделювання, методи динамічного програмування та синтезу структури інформаційного і програмного забезпечення автоматизованих систем управління, що відповідають об'єктно-орієнтованому підходу до проектування систем.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1. На основі системного аналізу обґрунтовано нову класифікацію ТЕП, в основу якої, на відміну від існуючих, покладено причинно-наслідкові зв'язки, що дозволило виділити і сформувати типові ТЕП, які стали базовими для розробки методів і моделей АСМТТЕП. Відповідність виниклої в реальних умовах ТЕП одній з типових ТЕП визначається сумарною інтегральною оцінкою максимальної правдоподібності реальних значень параметрів виниклої ТЕП контрольним значенням параметрів типової ТЕП.

2. Для опису зміненої в результаті ТЕП геометрії ОМ, розроблено новий метод відновлення геометрії просторових об'єктів, заснований на обробці координат зрізів, отриманих від далекомірів МР, та апроксимації простору між зрізами з використанням тріангуляційного підходу за оригінальним алгоритмом, який забезпечує повноту апроксимації і задану ступінь точності.

3. На основі аналізу інтерполяційних агрегатів створено новий підхід до синтезу в реальному масштабі часу траєкторії просторового руху маніпулятора МР. Даний підхід на відміну від існуючих передбачає оптимізацію інтерполяційних агрегатів на внутрішніх ділянках. Це забезпечує підвищення гладкості кривих і зменшення обчислювальних витрат, що є актуальним при управлінні МР з обмеженими обчислювальними ресурсами.

Достовірність наукових висновків забезпечується коректністю математичної постановки задачі та відповідності отриманих у роботі теоретичних результатів експериментальними даними на базі комп'ютерного моделювання.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблені рекомендації щодо організації і проведенню стаціонарного та оперативного моніторингу.

2. Розроблено алгоритм автоматизованого вибору найкращих шляхів доставки обладнання до робочих станцій від СЦ до ОМ.

3. Створена автоматизована процедура комплектації МР з алгоритмами корекції конфігурації його маніпулятора для конкретного типу ТЕП.

4. На основі комп'ютерного моделювання розроблено новий алгоритм розрахунку в реальному масштабі часу дискретних просторових координат найкоротшого шляху в умовах зміненої геометрії об'єкту моніторингу. В основу засобу покладено метод проекцій.

5. Розроблено алгоритмічне та програмне забезпечення АСМ ТТЕП, ефективність використання якого підтверджена актами впровадження: в рамках договору ТОВ „Робософт”, м. Дніпропетровськ при створенні комп'ютерних засобів моделювання рухомого об'єкту в обмежених умовах й побудови траєкторії його руху та в розробках ІК НАНУ ім. В.М. Глушкова при створенні алгоритмів, програмних модулів і засобів мобільної робототехніки для задач обстеження наслідків екстремальної ситуації у стислих умовах шахти, а також для задач удосконалення систем безпілотних літальних апаратів.

6. Розроблено пристрій для відеомоніторингу внутрішніх поверхонь тунелів.

7. Результати дисертаційної роботи використані в навчальному процесі кафедри технічної кібернетики факультету інформатики та обчислювальної техніки НТУУ „КПІ”.

Результати роботи можуть бути застосовані для підприємств гірничодобувної промисловості, Міністерства надзвичайних ситуацій для задач розбору завалів, розмінування або, навпаки, транспортування вибухового пристрою до важкодоступного місця.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи одержані автором самостійно. При використанні відомих положень та залежностей мають місце коректні посилання на авторів та відповідні джерела. При проведенні досліджень, результати яких опубліковані в співавторстві, автором дисертації здійснені аналіз методів апроксимації в задачах оптимізації моделювання процесів розвитку багатовимірних систем [1], запропонована модель опису двовимірного обертання робота-маніпулятора з використанням кватерніонів [2], запропонований математичний формалізм та алгоритми проведення розрахунків координат для задач формування траєкторії просторового руху [3], розглянута задача відновлення досить гладкої просторової траєкторії руху на базі сплайн-інтерполяції [4, 5, 9], наведена концепція використання автономного мобільного робота в умовах шахти після обвалу [6], створено алгоритмічне та програмне забезпечення для вибору ланок маніпулятора та розрахунку кутів орієнтації для системи управління маніпулятором мобільного робота [7], аналіз формальної моделі представлення знань для задач аналізу та синтезу текстової інформації [8].

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались та обговорювались на Міжнародних науково-технічних конференціях «Штучний інтелект - 2004», «Штучний інтелект - 2010» (сел. Кацивелі, АР Крим); науково-технічних конференціях та семінарах Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут».

Публікації. За результатами роботи опубліковані 9 наукових праць, серед яких 7 у провідних фахових виданнях ВАК України, 2 - за матеріалами доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел, що включає 145 найменувань. Обсяг основної частини дисертації становить 109 сторінок, в тому числі 5 таблиць, 31 рисунок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовані актуальність теми дисертації, зазначений зв'язок з науковими програмами, сформульована мета дослідження. Також охарактеризована наукова новизна та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведений аналіз існуючих рішень щодо проектування автоматизованих систем моніторингу ТЕП та технічного оснащення для здійснення оперативного моніторингу у випадках, коли доступ до аварійного об'єкту людей-експертів ускладнений, небезпечний або принципово неможливий за умов високого рівня ризику аварії та/або екстремальних умов навколишнього середовища, показав, що існують певні приклади подібних систем, але всі вони носять вузькоспеціальний характер та виконують окремі функції.

Відзначається актуальність та перспективність створення АСМ ТТЕП, що орієнтована на рішення комплексу задач для різного типу ТЕП і характеристик та призначена для проведення робіт з попередження або ліквідації наслідків позаштатних ситуацій, дає змогу обмежити участь людини, виділити та обґрунтувати класи типових ТЕП. На рис. 1 наведено визначену класифікацію ТЕП, виходячи з якої типовими класами ТЕП будемо вважати, наприклад:

Рис. 1 Класифікація ТЕП

Тип 1. Підземний вибух на ОМ з викидом токсичних і (або) радіоактивних речовин із зміною конфігурації ОМ;

Тип 2. Затоплення ОМ без зміни конфігурації ОМ з поширенням токсичних речовин і т.д.

Визначається, що удосконалення технічних та експлуатаційних характеристик МР пов'язане з підвищенням рівня адаптивності і автономності систем управління, мініатюризації, а також з розширенням їх функціональних можливостей, включаючи організацію природно-мовного людино-машинного інтерфейсу, планування групових взаємодій та функцій штучного інтелекту.

Сформульовано основні задачі дослідження щодо побудови АСМ ТТЕП.

У другому розділі визначено питання побудови АСМ ТТЕП, та реалізації на її базі автоматизованої комплектації МР і моделювання його роботи в середовищі ТЕП.

АСМ ТТЕП запропоновано будувати на базі регіональних СЦ і сполучених з ними ТМР, які містять широкий асортимент комплектуючих, а також розвинену інформаційну структуру. Це обумовлено тим, що саме на регіональний СЦ покладені завдання моніторингу та нейтралізації можливих у даному регіоні ТЕП. Загальна характеристика роботи АСМ ТТЕП наведена на рис. 2а.

а) загальна характеристика роботи

б) визначення типу ТЕП

Рис. 2 Схема роботи АСМ ТТЕП

Робота АСМ ТТЕП виконується наступним чином: на ГСЦ з сенсорів стаціонарного моніторингу надходить сигнал про виникнення ТЕП в одному з регіонів країни та передається на конкретний регіональний СЦ, що має детальні характеристики ОМ, а також відповідні моделі та методи для проведення оперативного моніторингу. В АСМ ТТЕП здійснюється визначення типу ТЕП, після чого спочатку виконується базова комплектація МР для моніторингу, далі прогнозується сценарій розвитку події та для конкретних умов проводиться імітаційне моделювання роботи МР в умовах ТЕП. На цьому етапі здійснюється аналіз та корекція складових МР, синтезується траєкторія його руху.

Якщо даних про ТЕП достатньо, щоб остаточно сформувати склад МР (зокрема конфігурацію його маніпулятора), то на базі ТМР формується реальний зразок та відправляється на ОМ, при цьому синтезована в АСМ ТТЕП траєкторія руху виконавчих механізмів не корегується в процесі обробки.

Якщо даних не достатньо, то в системі моделюється сценарій автономної роботи МР по відновленню геометрії ОМ в результаті виникнення ТЕП, визначенню нових координат, по яких вже в реальному масштабі часу синтезується просторова траєкторія руху виконавчих механізмів. Реальний МР забезпечується керуючими програмами, що реалізують вказані вище процедури та відправляється на дорозвідку ОМ. На основі отриманої додаткової інформації в ТМР формується остаточний варіант складу та функцій МР і проводиться моніторинг.

Оскільки проведення моніторингу типової ТЕП потребує відповідної комплектації МР та алгоритмів керування, то в роботі пропонується функція визначення типу ТЕП (рис. 2б), в основу якої покладена сумарна інтегральна оцінка максимальної правдоподібності реальних значень параметрів виниклої ТЕП за результатами стаціонарного моніторингу контрольним значенням параметрів k-го типу ТЕП. У разі близькості оцінка досягає максимуму, а отже виникла ТЕП відповідає даному конкретному типу ТЕП.

Функція визначення типу ТЕП має наступний вигляд:

,

де - допустиме нормоване значення i-го параметра;

- реальне нормоване значення i-го параметра стаціонарної системи моніторингу;

- початок моніторингу; - тривалість циклу моніторингу;

- загальна кількість контрольованих параметрів.

Умова визначення типового ТЕП:

,

де - допустиме нормоване значення i-го параметра в k-му типі ТЕП;

- кількість контрольованих параметрів для k-го типу ТЕП, причому .

Для вирішення проблеми транспортного зв'язку СЦ з можливими об'єктами, що є потенційно-небезпечними в плані виникнення ТЕП, в роботі пропонується автоматизована процедура вибору і занесення до БД регіонального СЦ оптимального шляху доставки устаткування і робочих бригад для оперативного моніторингу та нейтралізації ТЕП (рис. 3).

Рис. 3 Автоматизований вибір маршрутів транспортного зв'язку СЦ з ОМ

Автоматизована процедура передбачає знаходження мінімального за відстанню шляху при високій якості його інфраструктури (кількість смуг, залізничних переїздів, об'їзних доріг та інше) що істотно знижує витрати на доставку обладнання та робочих груп. Для цього спочатку вирішується задача динамічного програмування і визначається кілька шляхів сполучення, а потім вибирається найкращий з них за зовнішнім критерієм якості і заноситься в БД СЦ. Для сполучення СЦ та ОМ транспортним зв'язком використовується тайлова система відображення карти.

Для реалізації автоматизованої комплектації МР, синтезу його траєкторії і моделюванню роботи в середовищі ТЕП, в роботі запропонована структура АСМ ТТЕП і схема взаємодії її складових (рис. 4).

Рис. 4 Модулі АСМ ТТЕП та їх взаємодія

Умовні позначення, прийняті на рисунку: {p(t)} - параметри зовнішнього середовища, {q(t)} - дані від сенсорів о параметрах зовнішнього середовища, {U(t)} - вектор управляючих сигналів

Комплектація МР являє собою поетапний ітераційний процес, який полягає в необхідності забезпечення оптимального вибору функціональних параметрів МР: маніпуляційної системи, мобільного шасі, сенсорного блоку, бортового комп'ютера і програмного комплексу, які призначені для реалізації процедури моніторингу конкретного ТЕП. Етапи комплектації та їх зміст полягають у наступному:

Етап 1. Формування початкових параметрів:

введення базових складових комплектуючих використовуючи базу даних ТМР;

введення параметрів зовнішнього середовища використовуючи базу даних СЦ;

синтез траєкторії руху маніпулятора МР.

Етап 2. Комплектація МР, аналіз результатів його роботи

комплектація МР, згідно функції вибору для конкретної виниклої ТЕП;

проведення комп'ютерного моделювання роботи МР в зовнішньому середовищі;

апробація МР в реальних умовах;

аналіз результатів моделювання і (або) апробації МР для прийняття рішення щодо коригування МР;

корекція вхідних параметрів, повернення до етапу 1.

В роботі запропонована автоматизована процедура отримання базового набору складових МР для конкретної ТЕП та певного ОМ, яка здійснюється згідно алгоритму, який реалізує функцію вибору . В результаті обираються такі параметри функції, які максимізують її на множині конкуруючих зразків примірника j-го екземпляру i-ого типу комплектуючих МР для k-го типу ТЕП:

,

де - ваговий коефіцієнт функціонального призначення i-го типу комплектуючих МР для k-ї ТЕП, - ваговий коефіцієнт функціонального призначення j-го екземпляру i-го типу комплектуючих МР при , - кількість j-х екземплярів i-го типу оснащення, - множина конкуруючих зразків екземпляра i-го типу комплектуючих для k-ї ТЕП, - (0 або 1) - ознака наявності j-го екземпляру i-го типу комплектуючих МР.

Для проведення аналізу та корекції базового набору складових МР, маючи в якості керуючих подій трьохвимірний простір даних, в роботі реалізоване імітаційне моделювання функціонування робота у заданому зовнішньому середовищі. При цьому можливі такі сценарії:

1) моделювання ТЕП без режиму оперативного моніторингу;

2) моделювання ТЕП у режимі впливу технічних засобів МР на комп'ютерну модель середовища для різноманітних комбінацій «ТЕП - зразок МР ».

Відповідно до інформаційного забезпечення вищезазначених сценаріїв імітаційного моделювання з приведеного в дисертації характеристичного чотирирівневого простору G₁₂, атрибути якого дають змогу описати ТЕП, до розгляду беруться дані, що відповідають ієрархічному рівню-3 (рис. 5).

Рис. 5 Ієрархічний рівень-3 характеристичного простору G₁₂

[Сенсори] - сенсори зовнішнього середовища та сенсори самоконтролю МР, [Функції ШІ, підтримки прийняття рішень] - функції ШІ, які може виконувати МР, [БД, БЗ] - БД і БЗ, з якими працює МР.

З метою проведення оперативного моніторингу ТЕП, що виникла, вирішується одне із важливих завдань щодо оптимального планування руху маніпулятора.

У третьому розділі пропонується новий підхід до синтезу траєкторії просторового руху маніпулятора МР, який передбачає оптимізацію інтерполяційних агрегатів на внутрішніх ділянках та забезпечує підвищення гладкості кривої і зменшення часу обчислення. В роботі розроблено алгоритм корекції отриманих точок внутрішньої ділянки сплайна відносно точок ідеальної кривої.

Сутність підходу полягає у відновленні форми досить гладкої кривої (типу траєкторії маніпулятора, елементів літального апарату тощо), що інтерполює дані у дискретному просторі часу, які відіграють роль навігаційно-функціональних орієнтирів з наступною корекцією та оптимізацією її внутрішніх ділянок.

Для першої частини підходу вирішена задача вибору математичного інтерполяційного агрегату, який дозволяє зберегти максимальну точність при мінімальних витратах часу на розрахунки. Це зумовлено тим, що для МР, по-перше, мають місце обмежені обчислювальні ресурси, і, по-друге, він повинен працювати в реальному масштабі часу.

Такий вибір відповідає наступному критерію:

Де - ступінь полінома; - ступінь гладкості функції; - отриманий поліном; - відображення набору значень точок в гладку трьохвимірну функцію, для яких , , , причому:

де - аналітичне представлення ідеальної кривої - задовольняє умові (3):

де - область визначення тривимірної функції, - простір Мінковського.

Функція забезпечує вибір інтерполяційної трьохвимірної функції з підкласу поліномів, де , . При цьому, при варіаціях по всій області інтерполянти мають бути не дуже віддаленими від ідеально гладкої кривої, що використовується в якості так званого лекала.

Згідно з вищезазначеним в нашому випадку в якості інтерполяційного агрегату обрано кубічний сплайн Алберга-Нілсона-Уолша.

В другій частині підходу пропонується алгоритм апроксимації на всіх внутрішніх відрізках інтерполяційної сітки з використанням вибірки ідеальних навчаючих кривих. В якості ідеальних кривих в роботі обґрунтовано використання профілів аеродинаміки, які відповідають усім вимогам до гладкості.

Апроксимація внутрішніх ділянок сплайну реалізована наступним чином:

- вибирається профіль (рис. 6), координати ідеальних точок якого відомі та в яких можливо добитися стиковки з кривою забезпечуючи в цих точках першу та майже завжди другу похідну;

Рис. 6 Профіль крила кусково описаний аналітичними функціями

- одержуються координати точок з кроком сітки профілю крила;

- будується сплайн, що проходить через координати обраних точок;

- одержуються різні варіанти реалізації сплайну, перебираючи кінцеві умови.

- обирається такий варіант , який при порівнянні з аналітичною кривою профілю задовольняє умовам (4):

або , (4)

де - наперед задана точність.

У випадку, коли інтерполяційні точки профілю задано густо (рис. 7 а), апроксимація реалізована спрощеним способом:

- обираються парні точки інтерполяції профілю для побудови сплайна (рис. 7 б);

- будується сплайн за непарними точками;

- перевіряється точність одержаного сплайну на точках х_i, що залишилися згідно (5).

а)

б)

Рис. 7 Точки інтерполяції на профілі крила

або , (5)

Реалізація сплайна у вигляді:

, (6)

Размещено на http://www.allbest.ru/

де - три незалежні сплайн функції , дає змогу описати просторову траєкторію та одержати необхідні характеристики, а саме координати точок та швидкість руху виконавчого механізму вздовж траєкторії. Використовуючи вектор нормалі, можна визначити нахил об'єкту та кути орієнтації виконавчого механізму маніпулятора відносно базової (нерухомої) системи координат. Оскільки в літературі це питання висвітлено недостатньо, в дисертаційній роботі було проведено додаткове дослідження. Одиничні вектори , та , що направлені відповідно в напрямку додатної дотичної, головної нормалі та бінормалі утворюють рухомий тригранник Френе, що пов'язаний з просторовою кривою (рис. 8). Радіус кривизни в конкретній точці просторової кривої визначає довжини векторів триграннику Френе в трьох площинах, а тим самим і область допустимих значень можливих точок траєкторії з метою запобігання перетину виконавчого механізму МР з геометрією просторової моделі ОМ.

Таким чином використання запропонованого підходу забезпечує малу зміну складової вектора, що направлена в бік головної нормалі, а відповідно до цього і складових векторів сил, що виникають при русі маніпулятора. Іншими словами, зменшується «сіпання» під час руху, що особливо важливо при використанні відеокамери та далекомірів. Неврахування фактору «сіпання» далекоміра під час руху призводить до похибок визначення координат зрізу і, як наслідок, до неточного відновлення геометрії ОМ, а від цього і до неточного синтезу просторової кривої. Щодо відеокамери, це призводить до зниження якості відеозображення. Таким чином, в обох випадках має місце зниження достовірності інформації оперативного моніторингу.

Кути між векторами тригранників у двох сусідніх точках часу просторової кривої траєкторії дають змогу одержати косинуси, за якими можна визначити кути обертання виконавчих механізмів МР. Косинуси між векторами в положеннях сусідніх точок i-1 та i траєкторії:

, , ,

де , , - кути між дотичними, нормалями, бінормалями відповідно сусідніх тригранників,

У четвертому розділі розглядаються питання практичної реалізації АСМ ТТЕП у вугільних шахтах за допомогою скомплектованого для зруйнованого і загазованого тунелю малогабаритного МР, що здатний дистанційно і самостійно рухатися у позаштатних ситуаціях, ускладнених обмеженими умовами зовнішнього середовища.

В даному випадку МР вирішує наступні взаємопов'язані задачі моніторингу:

1) проникнення маніпулятором всередину частини приміщення, ускладненої та обмеженої у результаті аварії з обвалом порід;

2) самостійне прийняття рішення про стратегію дослідження нової конфігурації приміщення;

3) проведення моніторингу базових елементів складу шахтної атмосфери (склад метану (СH₄), вуглекислого газу (СО₂), чадного газу (СО), температури, вологості, кисню і складу та концентрації вугільного пилу);

4) відтворення нової (після завалу) 3D конфігурації приміщення та поповнення банку даних СЦ про завал.

Для вирішення цих задач розроблені метод відновлення геометрії просторового об'єкту та засіб для розрахунку нових координат найкоротшого шляху досягнення заданої точки в умовах відновленої геометрії просторової моделі. За цими координатам на борту МР синтезується просторова траєкторія руху маніпулятора. А також, запропоновані алгоритми прийняття рішень по визначенню оптимальної довжини ланок маніпулятора та подальшої стратегії моніторингу.

Метод відновлення геометрії просторової моделі руйнувань ОМ заснований на обробці даних далекомірів МР, які одержуються на кожному кроці вимірювання, що відповідає площині зрізу тривимірного об'єкта. Оригінальність алгоритму полягає в тому, що далі простір між двома сусідніми зрізами апроксимується згідно з відомою процедурою тріангуляції так, щоб максимально повно покрити цей простір (рис. 9).

Рис. 9 Формування списку точок зрізу

Це відбувається за рахунок суміщення зрізів на площині, побудови променя з центру проекції таким чином, щоб він перетинав по одному ребру в зрізах, послідовному занесенні координат точок зрізів в список у відповідності до обраного напрямку.

Крім того, пропонується оригінальний пристрій для відео-моніторингу внутрішньої поверхні тунелю шахти, до якого застосовується синтезована в роботі траєкторія руху.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв'язана актуальна науково-технічна задача - зменшення часу та підвищення безпеки моніторингу шляхом створення автоматизованої системи моніторингу типових ТЕП. АСМ ТТЕП забезпечує зниження життєвого циклу ТЕП, а також витрат на її ліквідацію. Основні висновки і результати роботи полягають у наступному.

1. На основі системного аналізу запропоновано класифікацію ТЕП, в основу якої, на відміну від існуючих, покладено причинно-наслідкові зв'язки, що дозволило виділити і сформувати типові ТЕП, які є базовими для розробки моделей і методів АСМТТЕП. Запропонована функція визначення типу ТЕП, в основу якої покладена сумарна інтегральна оцінка максимальної правдоподібності реальних значень параметрів стаціонарного моніторингу контрольним значенням.

2. Запропоновано автоматизовану процедуру визначення оптимальних шляхів сполучення між СЦ і можливими об'єктами виникнення ТЕП, що дозволяє, на відміну від звичайного рішення транспортної задачі, визначити не тільки мінімальні по довжині, але і визначити кращі за якісними показниками шляхи, що призводить до значного зниження витрат на доставку обладнання та робочих груп.

3. Розроблено автоматизовану процедура поетапної комплектації МР, яка враховує функціональні особливості застосування комплектуючих до конкретної ТЕП і, залежно від характеристик ТЕП, дозволяє оперативно коригувати комплектацію як на етапі моделювання, так і після апробації у реальних умовах, що забезпечує зменшення життєвого циклу ТЕП.

4. Розроблено новий підхід до синтезу траєкторії просторового руху маніпулятора МР, що передбачає, на відміну від відомих, оптимізацію інтерполяційних агрегатів на внутрішніх ділянках, забезпечуючи при цьому підвищення гладкості кривих і зменшення обчислювальних витрат, що є актуальним при управлінні МР з обмеженими обчислювальними ресурсами.

5. Створено та досліджено алгоритм корекції конфігурації маніпулятора і траєкторії його руху, що дозволяє для нової геометрії ОМ визначити відповідне число сегментів, їх довжину і розрахувати траєкторію руху виконавчих механізмів.

6. Для опису зміненої в результаті ТЕП геометрії ОМ, на відміну від існуючих рішень, розроблено метод відновлення геометрії просторових об'єктів, заснований на обробці координат зрізів, отриманих від далекомірів МР. Апроксимація простору між зрізами заповнюється з використанням тріангуляційного підходу за оригінальним алгоритмом, який забезпечує повноту апроксимації при заданій ступені точності.

7. Запропоновано новий засіб розрахунку дискретних координат найкоротшого шляху в умовах просторових перешкод. В основу засобу покладено метод проекцій. На відміну від відомих методів, отримання координат відбувається в реальному масштабі часу і використовується безпосередньо для синтезу траєкторії руху маніпулятора МР в умовах зміненої геометрії зовнішнього середовища.

8. Для розробленої АСМ ТТЕП створено програмне забезпеченням в середовищі Microsoft Visual C # 2008 Express Edition, з використанням бібліотек DirectX, Microsoft XNA Game Studio, XNA Redistrubutable.

9. Результати дисертаційної роботи впроваджено в навчальний процес кафедри технічної кібернетики Національного технічного університету України «Київський політехнічний інститут», в ТОВ «Робософт» для моделювання рухомого об'єкту в обмежених умовах та побудови траєкторії його руху, та в Інституті кібернетики НАН України ім. В.М.Глушкова в рамках планових науково-дослідних робіт відділу, що підтверджено відповідними актами впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Стенін О.А., Шевченко В.Л., Мелкумян К.Ю., Пасько В.П. Обґрунтування методу синергетичної SL-апроксимації в задачі оптимізаційного моделювання процесів розвитку багатовимірних складних систем // Міжвідомчий науково-технічний збірник «Адаптивні системи автоматичного управління». Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2006-Вип. 9'(29). С. 84-92.

Здобувачем здійснено аналіз методів апроксимації в задачах оптимізації моделювання процесів розвитку багатовимірних складних систем.

2. Мелкумян К.Ю., Лапковский С.В., Лемешко В.А. Согласованное управление роботом-манипулятором // Міжвідомчий науково-технічний збірник «Адаптивні системи автоматичного управління». Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2007. Вип. 10'(30). С. 90 - 95.

Здобувачем розглянута проста модель прямолінійного руху плоского робота-маніпулятора, що складається з двох ланок, запропонована модель опису двохвимірного оберту з використанням кватерніонів.

3. Мелкумян Е.Ю. Выбор навигационных параметров оптимизации контроля автономного подвижного объекта // Вісник інженерної академії України 1'2009. С. 134-139.

Здобувачем отримано аналітичні вирази для перетворення шести координат автономного рухомого об'єкта, запропоновано математичний формалізм та алгоритми виконання розрахунку координат для задач формування відповідного програмного забезпечення складних ділянок траєкторії.

4. Мелкумян Е.Ю. Восстановление гладкой пространственной траектории ответственных элементов робототехнических комплексов путем сплайн-интерполяции // Міжвідомчий науково-технічний збірник «Адаптивні системи автоматичного управління». Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2009. Вип. 15'(35). С. 65 - 70.

Здобувачем розглянуто задачу відновлення гладкої просторової траєкторії відповідальних елементів РТК шляхом сплайн-інтерполяції кінцевої множини її 3D-точок, зареєстрованих дистанційно.

5. Мелкумян К.Ю. Вибір удосконаленого методу планування траєкторії руху маніпулятора // Міжвідомчий науково-технічний збірник «Адаптивні системи автоматичного управління». Дніпропетровськ: ДНВП Системні технології, 2010. Вип. 16'(36). С. 63-70.

Здобувачем обрано метод синтезу траєкторії з використанням кубічних сплайнів згідно критерію оптимального вибору математичного інтерполяційного агрегату.

6. Писаренко В.Г., Писаренко Ю.В., Мелкумян Е.Ю., Коваль А.С. Концепция и базовые компоненты интеллектуального мобильного робота для горноспасательных работ // Комп'ютерні засоби, мережі та системи 2010. №9. С. 147-153.

Авторами, з участю здобувача, наведено концепцію автономного мобільного робота з елементами штучного інтелекту.

7. Писаренко В.Г., Писаренко Ю.В., Мелкумян К.Ю., Коваль О.С. Програмне забезпечення підбору параметрів маніпуляційної системи робота для роботи в стислих просторових умовах шахти // Міжвідомчий науково-технічний збірник «Адаптивні системи автоматичного управління». Київ: Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», 2010. Вип. 17(37). С. 76-85.

Авторами, з участю здобувача, розглянуто задачу адаптації конструкції маніпулятора робота для проникнення у вузький прохід завалів на основі відео розвідки заданого тунелю шахти. На рівні комп'ютерного імітаційного моделювання створено алгоритмічне та програмне забезпечення для вибору ланок маніпулятора та розрахунку кутів орієнтації для системи управління маніпулятором мобільного робота.

8. Кисленко Ю.И., Кифяк Д.И., Мелкумян Е.Ю. О моделировании речевого поведения // Искусственный интеллект - 2004. Интеллектуальные и многопроцессорные системы: материалы международной научно-технической конференции, 2004г. Кацивели. №1. 2004. С. 173-195.

Здобувачем здійснено аналіз формальної моделі представлення природномовного подання знань для задач аналізу та синтезу текстової інформації.

9. Писаренко В.Г., Писаренко Ю.В., Мелкумян Е.Ю., Коваль А.С. Применение робототехники для обследования шахты после обвала // Искусственный интеллект: материалы международной научно-технической конференции, 2004г. Кацивели. №3. 2010. С. 528 - 534.

Здобувачем у співавторстві розроблено і протестовано прогамний модуль для налагодження параметрів керування МР в умовах шахти після обвалу.

АНОТАЦІЯ

Мелкумян К.Ю. Автоматизована система моніторингу типових техно-екологічних подій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація процесів управління. - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», Київ, 2011.

Дисертаційне дослідження виконано з метою зменшення часу та підвищення безпеки моніторингу типових техно-екологічних подій (ТЕП), за рахунок створення автоматизованої системи моніторингу типових ТЕП (АСМ ТТЕП). Проведено аналіз сучасних підходів та методів організації роботи мобільних роботів (МР) в екстремальних зовнішніх умовах, на підставі якого зроблений висновок про актуальність розв'язання всіх взаємопов'язаних для цього задач в комплексі. Запропоновано новий підхід щодо автоматизації в рамках АСМ ТТЕП процесів створення технічного та інформаційного забезпечення для проведення моніторингу типових ТЕП. Запропоновано класифікацію ТЕП, що дозволило виділити і сформувати типові ТЕП, які стали базовими для розробки методів і моделей системи. В рамках алгоритмічного та програмного забезпечення розроблено: алгоритми автоматизованого вибору оптимальних шляхів доставки обладнання від ситуаційного центру до об'єкта моніторингу та розрахунку в реальному масштабі часу дискретних просторових координат траєкторії руху маніпулятора, функції визначення типу ТЕП та формування комплектації МР. Створено новий підхід до синтезу в реальному масштабі часу траєкторії просторового руху маніпулятора МР, який передбачає оптимізацію інтерполяційних агрегатів на внутрішніх ділянках, забезпечуючи підвищення гладкості кривих і зменшення обчислювальних витрат, що є актуальним при управлінні МР з обмеженими обчислювальними ресурсами. Розроблено та програмно реалізовано метод відновлення геометрії просторових об'єктів.

Ключові слова: техно-екологічна подія, моніторинг, мобільний робот, автоматизована система, синтез просторового руху, маніпулятор, тріангуляція, комп'ютерне моделювання.

АННОТАЦИЯ

Мелкумян Е.Ю. Автоматизированная система мониторинга типовых техно-экологических происшествий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация процессов управления. - Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», Киев, 2011.

Диссертационное исследование выполнено с целью уменьшения времени и повышения безопасности мониторинга типовых техно-экологических происшествий (ТЭП) за счет унификации и автоматизации процессов создания технического и информационного обеспечения. Диссертация посвящена разработке автоматизированной системы мониторинга типовых ТЭП (АСМ ТТЭП) с целью получения и обработки информации об объектах на основе стационарных либо оперативных данных, полученных от соответствующего оборудования и персонала, а также принятия решений относительно стратегии ликвидации последствий возникшего ТЭП.

Проведенный анализ современных подходов и методов организации работы мобильных роботов (МР) в экстремальных внешних условиях показал актуальность комплексного решения всех взаимосвязанных задач в рамках мониторинга ТЭП, на основе АСМ ТТЭП. Наличие подготовленной систематизированной базы о потенциально-опасных, в смысле возникновения ТЭП, объектах, технических характеристиках составляющих и (или) готовых образцов МР обеспечивает при возникновении ТЭП снижение времени принятия решений о выборе подходящих методов и моделей мониторинга.

Предложен новый подход к автоматизации в рамках АСМ ТТЭП процессов создания технического и информационного обеспечения для проведения мониторинга типовых ТЭП. На основе системного анализа предложена классификация ТЭП, которая позволила сформировать классы ТЭП, ставшие базовыми для разработки методов и моделей системы. В рамках алгоритмического и программного обеспечения разработаны: алгоритм автоматизированного выбора наилучшего пути доставки оборудования от ситуационного центра к объекту мониторинга, функцию определения типа ТЭП, автоматизированную процедуру комплектации МР, алгоритм коррекции конфигурации его манипулятора для конкретного типового ТЭП.

На основе анализа интерполяционных агрегатов создан новый подход к синтезу в реальном масштабе времени траектории пространственного движения манипулятора МР. Данный подход, в отличие от существующих, предусматривает оптимизацию интерполяционных агрегатов на внутренних участках, обеспечивая при этом повышение гладкости кривых и уменьшение вычислительных затрат, что является актуальным при управлении МР с ограниченными вычислительными ресурсами. Это достигается за счет предложенного способа выбора для каждого следующего шага, из множества допустимых точек, таких координат, при которых синтезированная траектория будет иметь минимальную кривизну. Выбор осуществляется на основе использования в качестве, так называемого, лекала профилей аэродинамики, отвечающих свойству минимальной кривизны. В диссертации были проведены дополнительные исследования поведения единичных векторов, которые направлены вдоль касательной, главной нормали и бинормали соответственно, и определяют подвижный трехгранник Френе, связанный с пространственной траекторией движения. Радиус кривизны в конкретной точке пространственной кривой определяет длину вектора трехгранника, а тем самым и область допустимых значений возможных точек траектории во избежание пересечения исполнительного механизма МР с геометрией пространственной модели объекта мониторинга.

На основе компьютерного моделирования разработан и программно реализован оригинальный алгоритм расчета в реальном масштабе времени дискретных пространственных координат кратчайшего пути в условиях измененной геометрии объекта мониторинга, в основу которого положен метод проекций.

Для описания измененной в результате ТЭП геометрии объекта мониторинга предложен и реализован метод восстановления геометрии пространственных объектов, основанный на обработке координат срезов, полученных от дальномеров МР. Аппроксимация пространства между срезами осуществляется с использованием триангуляционного подхода по оригинальному алгоритму, который обеспечивает полноту аппроксимации и заданную степень точности.

Для анализа реального ТЭП типа «подземный взрыв с изменением геометрии ОМ и токсическими выбросами» были проведены комплектация и компьютерное моделирование работы образца МР в туннеле угольных шахт, что является наиболее характерным для Украины.

В работе также предложена конструкция видеоголовки, которая обеспечивает хорошее качество стереоизображения за счет использования двух объективов, сдвинутых в пространстве и во времени при покадровой съемке.

Ключевые слова: техно-экологическое происшествие, мониторинг, мобильный робот, автоматизированная система, синтез пространственного движения, манипулятор, триангуляция, компьютерное моделирование.

ABSTRACT

Melkumian E.U. Automated system for monitoring typical techno-ecological accidents. - Manuscript.

Scientific thesis for a candidate's degree in technical science for specialty 05.13.07 - automation of management processes. - National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2011.

This thesis work has been conducted with a goal of decreasing the monitoring time and increasing the safety of monitoring for techno-ecological accidents(TEA) by creating an automated system for monitoring typical TEAs (ASM TTEA). An analysis of modern approaches and methods for organization of mobile robots(MR) in extreme environmental conditions was conducted. It showed the relevance of solving all inter-connected problems in this area in a comprehensive way.

This thesis proposes a new approach to automation of the processes of creation of technical and information infrastructure for conducting monitoring of typical TEAs as part of the ASM TTEA. A classification of TEAs is proposed, which allowed identifying and formulating the typical TEAs that became the basis for creating the models and methods of the system. The following were developed as part of the algorithmic and software support: First, an algorithm for automation of the choice of the optimal path for equipment delivery from a situation center to the object of monitoring. Second, an algorithm for real-time computation of the discrete spatial coordinates of a trajectory of movement of the MR's manipulator. Third, a function for determination of the TEA type. Fourth, a function for determination of the appropriate MR assembly. A new approach to the real-time synthesis of a trajectory of spatial movement of the MR's manipulator was created. This approach makes provisions for the optimization of the interpolated aggregates on the interior segments, providing an increase in the smoothness of the curves and a decrease in the computational expense. This is important when controlling a MR with limited computational resources. A method for recalculating the geometry of the spatial objects was developed and implemented.

Keywords: techno-ecological accident, monitoring, mobile robot, automated system, synthesis of spatial movement, manipulator, triangulation, computer modeling.

Размещено на Allbest.ru

...