Методы и средства снижения ложных тревог в информационно-измерительных системах оповещения и управления

Актуальность темы

.

В современных условиях, информационно-измерительные системы оповещения и управления становятся всё более важным направлением науки и техники. К числу таких систем можно отнести системы мониторинга окружающей среды, системы оповещения об опасных техногенных аномалиях: выбросов химических и радиоактивных веществ (отходов), степных, лесных и городских пожаров. В последнее время возрастает значение охраны государственных границ, особенно в зонах локальных конфликтов. Именно здесь актуальна задача создания надёжных информационно-измерительных систем оповещения о нарушениях государственных границ. В первом и втором случаях, в том или ином виде, выводится сообщение о факте аномалии или нарушении границы, о дислокации, а так же генерируется адекватное управление. Например, включается система закачки инертного газа для тушения очага пожара или дается команда на подрыв сигнального боеприпаса для маркировки участка границы, где она была нарушена. В современных условиях, создание эффективных информационно-измерительных систем оповещения и управления становятся всё более важным направлением науки и техники. К числу таких систем можно отнести системы мониторинга окружающей среды, системы оповещения об опасных техногенных аномалиях: выбросов химических и радиоактивных веществ (отходов), степных, лесных и городских пожаров. В последнее время резко возросло значение охраны периметров важных объектов: атомных и гидроэлектростанций, пусковых установок ракет, Государственных границ (особенно в зонах локальных конфликтов).

Несмотря на кажущееся различие структур и разные физические принципы функционирования, такие системы, как показал анализ, имеют много общего. Так, они в своём составе содержат те или иные измерители состояния подконтрольных внешних сред. Средой может быть химический состав атмосферы, температура помещения или радиолокационное поле местности вокруг объекта или на Государственной границе. Регистрация аномальных явлений сред происходит по результатам измерений их состояния. Факты опасных аномалий в старых системах регистрировались визуально наблюдателями, а в современных — автоматическими обнаружителями. При наличии таких фактов выдается визуальная и (или) звуковая информация и выполняется управляющее воздействие. Управляющим воздействием может быть организационное мероприятие: вывод людей из зоны пожара, посылка группы захвата на участок нарушения границы, или автоматическое: включение закачки инертного газа или пены в очаг возгорания, подрыв сигнального или боевого боеприпаса.

Одними из самых распространённых негативных проявлений в работе систем являются ложные оповещения (тревоги) и, соответственно — команды управления. В ряде случаев это не раз приводило к трагическим последствиям. Известна всему миру Чернобыльская катастрофа. В ноябре 2008 года во время испытаний российской атомной подводной лодки не вовремя была подана команда на систему пожаротушения, которая включила закачку инертного газа в помещение, где находились люди. В результате чего погибло 3 члена экипажа и 17 инженеров разработчиков. В середине 60-х годов прошлого столетия ложные сообщения о подлёте ядерных бомбардировщиков в системе ПВО США чуть не привели к ядерной катастрофе. На территории России, на химических заводах неоднократно срабатывали системы оповещения и выдавались ложные оповещения о химических заражениях. На охраняемых участках Государственной границы ложные тревоги на погранзаставах являются типичным явлением. Не раз прибывшие на место пограничники не находили нарушителей.

Анализ существующих информационно-измерительных систем управления показал, что вопросами снижения уровня ложных тревог и сообщений занимались недостаточно глубоко, а в структурах систем практически отсутствуют элементы, позволяющие существенно снизить их уровень.

В настоящей диссертационной работе исследуются причины ложных сообщений и на основе проведённых исследований предлагаются методы и средства их снижения.

Объектом исследования являются информационно-измерительные системы оповещения и управления.

Предметом исследования являются методы и средства снижения ложных тревог в информационно-измерительных системах оповещения и управления.

Цель работы.

Повышение эффективности и качества работы информационно-измерительной системы оповещения и управления путём разработки методов и средств снижения вероятностей ложных тревог и управляющих воздействий.

Задачи исследования.

Для достижения цели работы в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Анализ причин возникновения ложных оповещений в информационно — измерительных системах оповещения об аномалиях среды или нарушениях охраняемых границ.

2. Разработка методов и средств снижения ложных сообщений в системах с пассивными измерителями состояния внешней среды.

3. Разработка методов и средств снижения ложных сообщений в системах с активными измерителями состояния внешней среды.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Модель информационно-измерительного канала.

2. Методы и средства снижения ложных сообщений в системах с пассивными измерителями состояния внешней среды.

3. Методы и средства снижения ложных сообщений в системах с активными измерителями состояния внешней среды на примере радиолокационного обнаружителя и измерителя.

Методы исследований.

В работе применялись вероятностные методы анализа сигналов и согласованной фильтрации. Методы дифференциального исчисления, статистические методы обработки результатов эксперимента.

Научная новизна.

1. Предложены и научно обоснованы методы совершенствования информационно-измерительных систем оповещения и управления, в которых с целью снижения вероятностей ложных тревог и управляющих воздействий:

— Введено два раздельных канала, в частности, канал предупреждения без управляющего воздействия и канал тревоги с управляющим воздействием, что позволяет существенно снизить последствия возможного фатального управления.

— Использована раздельная согласованная фильтрация огибающих сигналов в каналах предупреждения и тревоги, что позволяет выиграть время для организации контрольных или эвакуационных мероприятий.

— Введён периодический выборочный анализ состояния среды взамен непрерывного, что может снизить вероятность ложного сообщения и фатального управления от 2 до 20 раз в зависимости от типа среды и системы.

— Выполнен логический критерий принятия решения по алгоритму скользящего накопления, что может снизить вероятность ложных сообщений и неадекватных управляющих воздействий на порядок и более.

— Внедрены фильтры с перестраиваемыми амплитудно-частотными характеристиками в системы с активными каналами, позволяющие регистрировать объекты, движущиеся со скоростями 1−2 км/час при благоприятныхпогодных условиях. 2. Разработана модель работы информационно-измерительного канала системы оповещения и управления, основанная на применении разработанных методов и отличающаяся высоким качеством обнаружения и низкими уровнями ложных тревог.

Практическая ценность.

1. Применение двухканальной системы с согласованными фильтрами позволяет снизить вероятность ложных тревог и фатальных управляющих воздействий в 2−5 раз при сохранении высокой вероятности обнаружения предварительных выбросов.

2. Применение в информационно-измерительной системе всех предложенных методов позволяет в совокупности снизить уровень ложных сообщений на порядок и более.

Внедрение результатов работы.

Результаты работы внедрены в ОАО ЦКБА (НИР «Когерентность», «Исследование разностно-дальномерного метода радиолокации для работы по наземным целям»), НИИ «Стрела» (НИР «Таганрог ТулГУ», «Хореография — СЧ1»), а также учебный процесс Тульского государственного университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на научно-технических конференциях: Всероссийский смотр-конкурс научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «ЭВРИКА-2006» и «ЭВРИКА-2007», Открытый конкурс на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в ВУЗах Российской федерации, Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы наземной радиолокации», Вторая научно-практическая конференция ТулГУ «Молодёжные инновации».

Публикации: Основное содержание работы отражено в 14 статьях, в т. ч. 3-х публикациях уровня ВАК (в библиографии помечены жирным шрифтом), а так же в 5 тезисах докладов на всероссийских НТК. Структура и объём работы.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, изложенных на 155 страницах основного текста и содержащих 85 рисунков, 13 таблиц, списка литературы из 14 наименований.

Выводы к разделу 2.

В результате проведенных исследований по совершенствованию пассивных информационно-измерительных систем оповещения и противодействия можно сделать следующие выводы:

1. Большинство существующих традиционных систем имеют ряд существенных недостатков:

— имеют один канал тревоги, что не всегда вовремя возбуждается тревога и не всегда правильно выполняется противодействие;

— линии передачи информации зашумлены, что приводит к частым ложным сообщениям или неправильным противодействиям;

— каналы генерации сообщений не могут длительное время работать без генерирования ложной информации;

— каналы измерения и формирования сообщений построены по упрощенной схеме и не имеют звеньев согласованной фильтрации и элементов интеллектуального анализа.

2. В разделе предложены пути совершенствования систем:

— создание раздельных каналов предупреждения и тревоги, что может дать существенный выигрыш для принятия организационных решений и противодействия;

— выполнение фильтрации сигналов в обоих каналах, согласованной с спектрально-временными характеристиками сигналов предварительных возмущений и фатальных уровней, что значительно повысит вероятность генерирования правильной информации и снижения уровня ложных тревог;

— ведение в каналах устройств периодического опроса состояний сред (тактирования), что может дать снижение уровня ложных тревог в 5−20 раз и соответственно увеличена продолжительность работы систем до первой ложной тревоги или сообщения.

— введение в каналы интеллектуальных алгоритмов, простейший из которых алгоритм скользящего накопления позволяющего снизить вероятность ложных сообщений на 2−3 порядка.