Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время осуществляются грандиозные проекты по наблюдению над необычайно сложными и плохо понимаемыми природными объектами. С одной стороны это фантастические по своей насыщенности техническими достижениями системы наблюдения за ближним и дальним космосом (планетарные радиоинтерферонетрические сети поддержанные спутниками и оптическими телескопами, например система "КВАЗАР"), с другой стороны, это не менее грандиозные системы наблюдения (мониторинга) за экологией планеты и хозяйственной деятельностью человека (системы SPOT, LANDSAT).
По сути дела эти системы представляют собой антро-потехнические системы эргатического класса (для которых введен специальный термин эрготехнические системы (ЭТО). Они отнесены к типу информационно-производящих или информационно-управляющих. Здесь необходимо отметить ключевую роль человека в системе мониторинга. Именно при активном творческом участии человека мониторинг призван обеспечить новый уровень познания столь сложных, многомерных и плохо изученных объектов как социальные, экологические, космологические системы. Вышеозначенным определяется обращение общества к проблемам мониторинга. Возрастающие масштабы хозяйственной деятельности, усиление антропогенного воздействия на окружающую среду и связанное с этим ухудшение экологической обстановки, необходимость рационального использования природных ресурсов Зекли (лесные, водные и минеральные ресурсы) еще больше усилили как финансовый, так и и научный интерес к этой тематике.
На пути реализации концепций мониторинга стоит ряд серьезных проблем физико-химического, эргономического, биохимического, аппаратурного и системотехнического характера. Среди этих проблем следует особо отметить проблемы связанные с тем что мониторинг осуществляется в условиях глубокой априорной неопределенности как в отношении самих объектов наблюдения, так и в отношении многочисленных мешающих воздействий. Такая глубокая априорная неопределенность условий наблюдения при мониторинге приводит к резкому снижению
надежности и достоверности результатов мониторинга.
Присутствие в системе мониторинга человека (оператора, лица, принимающего решение, исследователя) позволяет ва субъективном уровне компенсировать снихение достоверности, но для более успешного использования уникальных свойств человека надо с помощью технических средств обеспечить предельно устойчивые (робасткые) и удобные для восприятия оператором-исследователем компьютерные изображения, отражающие природу наблюдаемых объектов. Такие изображения замечательным образом стимулируют познавательные возможности человека и способствуют активизации как абстрактно-логического, так и образного мышления. Технические средства способные преобразовывать многомерные данные наблюдений в такие графические изображения будут далее называться когнитивными ( в соответствии с установившейся традицией). Сам процесс превращения цифровых многомерных данных в такие графические изображения будет условно называться когнитивной визуализацией. Термин когни-тиввость здесь используется чтобы подчеркнуть возможность с помощью технических средств графики усилить поэнавателвые возможности человека в условиях глубокой априорной неопре-делености в отношении условий наблюдения. Тахии образом очевидна актуальность разработки эргономически обоснованной информационной технологии обработки данных наблюдений в которой используются когнитивные компьютерные средства. .
Цель работы: Создание алгоритмических и эргономических основ информационной технологии обработки наблюдательных данных в эргатических системах мониторинга при априорной неопределенности в отношении объектов наблюдения и условий мониторинга.
Основные задачи при этом состояли:
а) В разработке ключевых принципов эргономической орга
низации интерактивных систем обработки наблюдательных данных
вового поколения с использованием последних достижений когни
тивной графики и непараиетрической статистики;
б) В воплощении разработанных принципов в конкретные
алгоритмы и информационные технологии обработки для задач
мониторинга в экологии, астрофизике, социальном обеспечении
и медицине;
в) В внедрении разработанных алгоритмов и программ в практику экологического, социального и астрофизического мониторинга.
Научные результаты, выносимые на защиту:
1. Алгоритмы первичного отображения многомерных данных для
наглядной визуализации серий спектрозональних изображений,
повышающих достоверность решений оператора-исследователя в
задачах дистанционного зондирования (вероятность ложной тре
воги ДО"5).
-
Алгоритмы и технология робастного сегментирования для вторичной визуализации многомерных данных с участием оператора-исследователя, обеспечивающие обнаружение слабых радиоисточников (КГ28 вт.м.~2ГцГ1) в радиоастрономических обзорах.
-
Алюритмы оценки качества наблюдений проводимых- по разработанной технологии на основе ускоренного машинного моделирования с учетом влияния оператора-исследователя.
-
Результаты решения прикладных задач в области астрономии и дистанционного зондирования. Обнаружение зависимости активности квазара ЗС345 в оптическом и радиопиапазоне, обнаружение более 150 слабых источников в радиоастрономических обзорах на РАТАН-600, сегментация агрокультур (виды зерновых кукурузы и трав), различение степени влагозапаса полей и всхожести культур.
_Научная новизна работы:
а) Впервые предложена концепция сочетания принципа ко-
гнитивности, робастности, иногомерности и модельности для
решения задач обработки данных полученных в условиях глу
бокой априорной неопределенности возникавшей при мониторинге
плохо изученных объектов в экологии, социологии, иедицине я
астрофизике. Такая концепция учитывает эргатический характер
систем мониторинга и последние достижения эргономики, суть
которых сводиться к усилению роли человека оператора как
центрального звена в системе мониторинга.
б) На основе этой концепции разработан оригинальный набор
процедур динамической робастной визуализации многомерных
данных в когнитивные графические образы. Эти образы не только обладают эмоциональной привлекательностью и доступностью, но и отражают реальные аналитические свойства многомерных данных. Программные реализации этих процедур позволяют мобилизовать и привлечь интеллектуальную мощь, а главное эмоция и интуицию оператора, исследователя.
в) Процедуры динамической визуализации послужили ядром в
новой информационной технологии, которая позволяет эргономи
чески корректно организовать процесс мониторинга.
г) Данная концепция обусловила разработку ряда устойчивых
статистических алгоритмов успешно функционирующих в условиях
априорной неопределенности в отношении свойств объектов
мониторинга. Это:
- алгоритмы непараметрического обнаружения переменности
радиоисточников в условиях отсутствия сведений о виде рас
пределения данных,
г алгоритмы непараметрического обнаружения экологических объектов и радисисточнихов на основе экстремальных статистик,
. - алгоритмы непараметрического оценивания распределений в неоднородных и неклассифицированных выборках содержащих верхние пределы.
д) Концепция послужила толчком к разработке ряда методик
статистического моделирования для системы мониторинга и для
объектов мониторинга:
разработаны методики ускорения испытаний на машинных моделях сложных схем мониторинга,
предложены новые модели данных обобщающе модели Хьюбера на случай верхних пределов. Эти модели позволили провести машинное исследование эффективности ряда процедур оценки распределений при их работе с неоднородными выборками;
е) Разработана методика оценки полноты наблюдательных
данных и систем мониторинга работающих в условиях глубокой
априорной неопределенности. Эта методика представляет собой
квалииетрическую оценку . функционирования эрготехни-
ческой системы мониторинга с учетом как технического, так и
человеческого фактора.
Научное и практическое значение результатов. Научное значение полученных в диссертации результатов состоит в том что их использование позволяет по новому увидеть роль оператора исследователя в организации наблюдательных процессов и перспективы развития архитектур наблюдательных систем. В научном отношении важным является привлечение новых моделей данных содержащих верхние пределы. Новые модели позволили разработать процедуры обнаружения и оценивания устойчивые к наличию в выборках верхних пределов.
Большинство полученных в диссертации результатов и разработанных методических подходов могут быть эффективно применены и уже применяются при решении широкого круга задач дистанционного зондирования, экологического и социально-медицинского мониторинга и задач обработки наблюдательных данных в радиоастрономии и астрофизики.
Использование результатов работы при проектировании и эксплуатации систем обработки данных позволяет:
резко повысить производительность и надежность крупных эргатических систем обработки и архивизации наблюдательных данных при уникальных телескопах и космических станциях таких как РАТАН-600, БТА, "КВАЗАР", "АЛМАЗ" и др. (обнаружение слабых радиоисточников до 14 иян- 10~28вт/.м2, гц с уровнем значиности 10~5, ускорение машинных испытаний на 3-4 порядка),
организовать принципиально новые наблюдательные программы мониторинга, используя интуицию и прагматический опыт исследователя (напвинер выявление связи иежду радно н оптической светимостью квазара ЗС345),
организовать оперативный и наглядный контроль за данными в больших распределенных архивах и вычислительных сетях нового поколения (например визуализация многомерных данных каталога Эйбпа),
успешно осуществлять достоверное объединение неоднородных данных, полученных в разных научных коллективах,
- организовывать с участием оператора исследователя
априорное моделирование, планирование и эффективную оденку
полноты наблюдательных данных и систем (в системе ПОИСК).
Отдельные результаты работы ухе нашли применение и используются в ряле хрупких научных центров: САО РАН, ИПА РАН, НПО МАШИНОСТРОЕНИЕ, НПО ЭНЕРГИЯ, НИИЦЭБ, КОНЦЕРНЕ ЛЕНИНЕЦ, СПбГЭТУ, СПбГУ и др. Результаты работы опубликованные в виде учебных пособий используются диссертантом при чтении курсов лекций в СПбГЭТУ, САО РАН, концерне ЛЕНИНЕЦ, при руководстве дипломными и курсовыми работами студентов СПбГУ, СПбГЭТУ, СЗЛИ, а также при руководстве аспирантами.
Апробация работы: Результаты работы докладывались на следущих международных и всесоюзных конференциях и симпозиумах: Всесоюзное совещание "Автоматизированное проектирование программного обеспечения систем управления" Харьков - 1987 г.; Всесоюзная конференция "Моделирование систем информатики" Новосибирск-1988 г.; Всесоюзная конференция "Математические методы в экологических и космических исследованиях Баку" -1989 г.; Всесоюзная конференция "Методы и средства дистанционного зондирования Земли и обработки космической информации в интересах народного хозяйства" Рязань - 1989 г.; Советско-французское совещание "Глобальные изменения" Ленинград -1989 г.; Всесоюзный научно-технический семинар по проблемам дистанционного зондирования Земли из космоса Реутов - 1990 Г.; 14 Научные чтения по космонавтике посвященные памяти СП. Королева Москва - 1990г.; 45 научно-техническая конференция " Актуальные проблемы развития радиотехники, электроники и связи" Ленинград - 1990 г.; 15 Научные чтения по космонавтике посвященные памяти СП. Королева Москва - 1991 г.; Всесоюзный научно-технический семинар "Дистанционный методы учета и оценки состояния лесосырьевых ресурсов" - Москва 1991 г.; Всесоюзная конференция по комплексной проблеме "Организация и функционирование государственной и региональных систем экологического мониторинга и использования конверсии для решения его задач" Ленинград - 1991 г.; Inernational conference "Applications of time series in astronomy and meteorology" Padova, Italy, 1993 ; First Eurasian symposium on space science and technologies, Gebze, Turkey, 1993; 3 Международная конференция "Региональная информатика-94", Петербург - 1994 г.; Научно-техническая конференция "Критерии
экологической безопасности", С. Петербург - 1994 г.; 9 Международное совещание "Автоматизация процессов управления техническими средствами исследования и использования мирового океана." С. Петербург - 1994 г.;4 Международная конференция "Региональная инфориатика-95", Петербург - 1995 г.;
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано более 58 работ. Основные результаты диссертации опубликованы в 39 работах, из них одно учебное пособие, шесть брошюр и 32 статьи в тематических сборниках и журналах центральных издательств.
Личный вклад автора в работу. Вклад автора в работы, выполнявшиеся в соавторство, состоял в руководстве алгоритмическими и статистическими аспектами организации мониторинга и в непосредственном участии на всех этапах исследований, от постановки задачи и выбора путей решений до разработки алгоритмов и методик, разработки програми, комплексной обработки, анализа и интерпретации данных. Соавторы принимали участио в работе, главным образом, на этапах постановки задач мониторинга в конкретных предметных областях и на этапах астрофизической и экологической интерпретации результатов мониторинга.
Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списа литературы, включающего 233 наименований. Основная часть работы изложена на 296 страницах машинописного текста. Работа содержит 5 таблиц и 15 рисунков.
