Введение к работе
Актуальность темы и состояние вопроса. Бурное развитие вычислительной техники за последние десять лет привело к внедрению персональных компьютеров в различные отрасли народного хозяйства. С появлением мощных вычислительных средств становится возможным повышение эффективности и качества работы технического персонала путем оснащения рабочих мест компьютерами со специально разработанным программным обеспечением. Во многих случаях разработка специализированного программного обеспечения связана с решением определенных научно-технических задач.
В Российской Федерации и странах СНГ эксплуатируется более 50 магнитных вагонов-дефектоскопов. Магнитный вагон-дефектоскоп осуществляет контроль состояния рельсов железнодорожного полотна магнитодинамическим методом на рабочих скоростях от 10 до 80 км/ч. При этом сигналы от двух датчиков, размещенных над рельсовыми нитями пути, записываются регистрирующей аппаратурой вагона.
Затем по записанным сигналам строятся и выводятся на устройство отображения информации два графика - две дефектограммы состояния рельсовых нитей пути. Оператор магнитного вагона-дефектоскопа просматривает (расшифровывает) дефектограммы и, используя свои знания и опыт о возможных формах их фрагментов, принимает решение, к какому из реальных объектов железнодорожного пути относятся те или иные образы. При обнаружении образа дефекта оператор сообщает об этом службам пути.
В последние годы рядом фирм ("Твема", Москва; "Радиоавионнка", "Тех-носенсор", Санкт-Петербург; и др.) и в том числе группой разработчиков Таганрогского государственного радиотехнического университета на основе персональных компьютеров разработаны различные модели регистрирующей аппаратуры для магнитных вагонов-дефектоскопов. Появление высокопроизводительной вычислительной техники на рабочем месте оператора вагона-дефектоскопа позволило поставить задачу разработки алгоритмов и программ автоматической обработки сигналов непосредственно в самом вагоне-дефектоскопе с целью существенного повышения оперативности и надежности обнаружения оператором дефектов рельсового пути. Решение этой задачи снизило бы вероятность возникновения аварийной ситуации из-за излома рельса под движущимся составом поезда.
Известно, что автоматизацией процесса обнаружения дефектов рельсового пути занимались специалисты ВНИИЖТ, фирм "Твема" и "Техноселсир", но из анализа технической литературы и рекламных проспектов следует, что конкретных результатов достичь пока не удалось.
Таким образом, исследование методов и разработка алгоритмов обнаружения нерегулярных фрагментов сигналов от датчиков магнитного вагона-дефектоскопа представляет интерес как с научной, так и с практической точек зрения и является актуальной задачей.
Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационной работы ляется разработка и исследование алгоритмов, позволяющих автоматизиров процесс обнаружения нерегулярных образов сигналов от датчиков магнитн вагона-дефектоскопа.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие зад; чи:
исследовать сигналы, записанные регистрирующей аппаратурой ЭДГ-магнитного вагона-дефектоскопа;
сформировать выборки регулярных и нерегулярных фрагментов (образ сигнала;
определить размерность пространства признаков регулярных и нерегул ных образов сигнала;
найти закон распределения признаков регулярных и нерегулярных обра сигнала;
оценить параметры условных плотностей вероятностей распределе признаков регулярных и нерегулярных образов сигнала;
разработать методы снижения размерности пространства признаков оС зов сигнала;
разработать алгоритмы обнаружения нерегулярных образов сигнала;
исследовать влияние размерности пространства признаков образов сиги на качество работы обнаружителя;
экспериментально проверить полученные результаты.
Методы исследования. В работе использовались методы линейной алі ры, спектрального и корреляционного анализа, теории вероятностей и матем; ческой статистики, теории распознавания образов и статистической радиотех ки.
Научная новизна.
-
Предложен визуально-аналитический метод коррекции оценок параметров конов распределения признаков образов.
-
Найдены условные законы распределения плотности вероятностей регуляр: и нерегулярных образов сигнала.
-
Разработан алгоритм обнаружения нерегулярных образов сигнала магнить вагона-дефектоскопа.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Визуально-аналитический метод коррекции оценок параметров распределе признаков регулярных и нерегулярных образов сигнала.
-
Алгоритм распознавания нерегулярных образов сигнала.
-
Результаты статистических исследований по снижению размерности при ков образов сигнала.
Практическая значимость работы. Она подтверждена актами внедрения и заключается в:
разработке алгоритма и создании на его базе программного обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс обнаружения нерегулярных образов сигнала;
разработке визуально-аналитического метода коррекции параметров распределения образов сигнала;
создании программной среды, позволяющей обрабатывать как дефекто-грамму в целом, так и ее фрагменты.
Средняя эквивалентная скорость традиционной (визуальной) расшифровки оператором-дефектоскопистом дефектограмм на экране электронного дефекто-графа ЭДГ-2А достигает 25-35 км/ч. Автоматическое обнаружение нерегулярных фрагментов сигналов программой с последующим предъявлением фрагментов дефектограммы оператору позволило поднять скорость расшифровки дефектограмм до 350 км/ч, что на порядок быстрее традиционного способа. Кроме того, при использовании автоматического обнаружения существенно снижается вероятность пропуска дефектов из-за человеческого фактора.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в НИР №11177 "Разработка электронных дефектографов ЭДГ-3, изготовление и установка их в магнитных вагонах-дефектоскопах №412 и №392", в программном обеспечении комплекса ЭДГ-3, установленного в магнитный вагон-дефектоскоп №392 Северо-Кавказской железной дороги, а также в учебном процессе при чтении курса "Прикладные математические методы в статистической радиотехнике" на кафедре Теоретических основ радиотехники ТРТУ.
Внедрения подтверждены соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении" (Ростов-на-Дону, 1998 г.) и Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика и системы управления" (Таганрог, 1998 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано б печатных работ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация написана на русском языке и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации - 169 страниц. Основной текст диссертации содержит 139 машинописных страниц, в том числе 44 рисунка и 30 таблиц. Список литературы содержит 50 наименований.