Система мониторинга пожарной и медико экологической безопасности с использованием анализа видеоданных с беспилотных летательных аппаратов
 Скачать 2.07 Mb.
|
|
2.4 Выводы второго раздела 1. В соответствии с выбранной целью и задачами исследования определен объект исследования в виде метода, моделей, алгоритмов и технических средств, решающих задачи обнаружения и прогнозирования развития пожарной обстановки с последующим принятием решений о рациональной организации 72 борьбы с пожарами. Одновременно с этим решаются задачи прогнозирования и оценки состояния здоровья людей. С использованием методов разведочного анализа исследована структура данных, характерных для решаемых в работе задач, на основании чего в качестве базового математического аппарата выбрана методология синтеза гибридных решающих правил. 2. Разработан метод синтеза математических моделей оценки пожарной обстановки и состояния людей, находящихся в зоне пожара, отличающийся использованием гетерогенных блоков данных, описывающих пожарную обстановку и факторы риска для здоровья людей в исследуемой зоне, которые агрегируются в правила принятия решений, и позволяющий синтезировать решающие правила классификации типов и характера пожаров, а также прогнозирования и оценки состояния здоровья в условиях исследуемого класса чрезвычайных ситуаций. 3. Получены математические модели прогнозирования и оценки степени тяжести отравления углекислым газом при пожарах, которые обеспечивают классификацию таких классов состояний, как отравления, легкая, средняя, тяжелая и критическая стадии, переходящие в смерть. В ходе экспертного оценивания и математического моделирования было показано, что уверенность в правильной классификации превышает величину 0,95. 73 3 Система мониторинга пожарной обстановки с использованием результатов анализа видеоданных с беспилотных летательных аппаратов 3.1 Концептуальные модели мониторинга пожарной безопасности Пожары, как и любая чрезвычайная ситуация (ЧС), приводят как к большим материальным потерям, так и к человеческим жертвам. Кроме того, при пожаре имеет место повышенная экологическая нагрузка на окружающую среду в зоне пожара. Это, в свою очередь, приводит к негативному влиянию на состояние здоровья как жителей территории, попавшей в ЧС, так и сотрудников МЧС, участвующих в ликвидации пожаров. Таким образом, мероприятия, направленные оперативное получение адекватной информации о пожарной обстановке на предприятиях и АТЕ позволяют повысить эффективность принятия решений, как при предупреждении, так и при ликвидации пожаров. Однако известные подходы к сбору, обработке и анализу информации по пожарной обстановке, не обеспечивают требуемого уровня оперативности принятия эффективных решений в области предупреждения и ликвидации пожаров. Следовательно, необходим поиск новых, более эффективных и оперативных методов и средств мониторинга пожарной и экологической безопасности. Особенностью мониторинга пожарной и медико-экологической безопасности является необходимость следить за пожарной и экологической обстановкой как в пространстве, так и во времени. В этом пространственно- временном континууме необходимо осуществлять сбор данных по факторам риска возникновения пожаров, и сбор данных, характеризующих развитие пожаров. Кроме того, в систему мониторинга должны быть интегрированы элементы СППР, позволяющие оперативно предложить ЛПР комплекс мероприятий по снижению риска пожара, а также программ профилактических 74 мероприятий, направленных на минимизацию материальных и экологических потерь, связанных с возникновением ЧС. В зависимости от решаемой задачи, мониторинг может быть либо локальным, то есть осуществлять контроль за пожарной безопасностью отдельного объекта, либо мониторинг может быть территориальным. В этом случае наблюдается территория некоторого региона, например, АТЕ. При этом в любом случае необходимо идентифицировать объект или объекты мониторинга и осуществлять сбор и передачу информации об их состоянии. Структура системы мониторинга пожарной и экологической безопасности представлена на рисунке 3.1. В нее входят следующие подсистемы: - подсистема управления, обеспечивающая поддержку принятия управленческих решений на стратегическом и оперативном уровнях; - подсистема обработки и хранения информации, осуществляющая хранение и обработку информации и обеспечивающая необходимыми данными подсистему управления; - подсистема анализа и оценки информации, обеспечивающая паритетное взаимодействие с подсистемой обработки и хранения информации; - подсистема прогнозирования, осуществляющая стратегический и оперативный прогноз показателей пожарной и экологической обстановки. Подсистема управления осуществляет прием информации от внешних источников (модуль приема информации) и передает информацию внешним потребителям информации. Одним из внешних источников информации являются спутниковые системы. Потребителями информации подсистемы управления являются различные организации федерального и регионального уровней, занимающиеся вопросами пожарной и медико-экологической безопасности. Субъектовая (региональная) подсистема управления пожарной и экологической безопасности состоит из нескольких модулей (контроля обстановки, приѐма информации, выработки управленческих решений и выдачи информации). 75 Рисунок 3.1 – Структура системы мониторинга пожарной и экологической безопасности 76 Модуль приѐма информации выполняет роль ретранслятора для элементов двух подсистем – модуля обработки информации и модуля выработки управленческих решений, который, являясь мозговым центром системы управления, в автоматическом режиме осуществляет координацию всех потоков информации. Выход регламентированной информации, предназначенной конечным потребителям, осуществляется модулем выдачи информации. В перечень данных, используемых подсистемой управления пожарной и экологической безопасности, входят как сведения о пожаробезопасном состоянии объектов защиты, о федеральных и региональных статистических исследованиях, а также опросах общественного мнения, так и сводные данные о проведенных научно-технических работах и типовых управленческих решениях, применяемых ранее в исследуемой области. Базы данных, использующиеся в подсистеме управления, находятся в постоянном обновлении и характеризуются сочетанием применения программно- аппаратных продуктов и человеко-машинных систем, способных не только анализировать статистические данные, но и выявлять зависимости пожарной обстановки от географических, климатических, демографических и иных особенностей административно-территориальных единиц. Общая конвертация сведений в модуле обработки информации проходит последовательные процедуры ввода, сортировки, кодирования и передачи трансформированных данных в модуль хранения информации. Помимо информационного хранилища указанные сведения должны быть переданы для их дальнейшего использования в подсистему прогнозирования обстановки с пожарами. Приоритетная цель всей системы обеспечения пожарной безопасности – доведение конечного информационного продукта системы управления до всех заинтересованных сторон, участвующих в выработке мер превентивного характера и методов привития у населения культуры пожарной безопасности, как одной из основ национальной безопасности государства. Совокупность модулей анализа информации, оценок потенциальной опасности субъекта РФ и производственных объектов составляют структуру 77 элементов подсистемы анализа и оценки информации. Данные модули определяют степень риска возникновения пожаров и техногенных аварий на потенциально опасных объектах, а также объектах инфраструктуры конкретного региона, используя данные подсистемы обработки и хранения информации. Прогнозирование оперативной обстановки и стратегическое планирование мероприятий, снижающих вероятность появления и роста потенциальных катаклизмов, реализуется в модулях соответствующей подсистемы. Данные модули напрямую связаны с модулем выработки управленческих решений, так как прогнозная информация позволяет своевременно определить масштаб возможной аварии и принять оперативное решение по экстренному реагированию на чрезвычайную ситуацию с учѐтом динамики складывающейся оперативной обстановки. Если детализировать модуль приема информации с учетом особенностей получения данных с объекта мониторинга, а также учитывать, что пожары наносят вред не только окружающей среде, но и здоровью населения, то структуру мониторинга, представленную на рисунке 3.1, преобразуем в структуру, представленную на рисунке 3.2. В ней выделены структурные единицы, входящие в информационную систему мониторинга, и структурные единицы, входящие в систему управления пожарной и медико-экологической обстановкой. Между этими подсистемами находятся подсистемы, обеспечивающие интеллектуальную поддержку принятия решений по управлению пожарной и медико-экологической безопасностью. Подсистемы, входящие в автоматизированную систему мониторинга пожарной и медико-экологической безопасности (АСМПМЭБ), а также структурно-функциональные связи между ними представлены на структурной схеме (рисунок 3.2). В АСМПМЭБ входят информационная подсистема с модулями воздушного и наземного наблюдения, подсистема анализа и классификации данных с модулями анализа данных воздушного и наземного наблюдения, подсистема прогнозирования с модулями прогнозирования медицинского и экологического рисков, и подсистема управления, в которую 78 помимо модулей управления входят база данных (БД) и средства доставки информации от метеорологических служб. Рисунок 3.2 – Структурная схема автоматизированной системы мониторинга пожарной и медико-экологической безопасности с использованием видеоданных с беспилотных летательных аппаратов Следовательно, можно сделать вывод, что указанная система мониторинга совмещает в себе функции сбора, анализа, контроля и прогноза информационных данных, представляющих собой совокупность сведений, отражающих реальное состояние пожарной и медико-экологической обстановки в рассматриваемых Информационная подсистема Модули воздушного наблюдения Модули наземного наблюдения Модули анализа и классификации видеоданных Модули анализа сигналов датчиков Модули оценки рисков здоровья Модули оценки экологических рисков Модули управления База данных Метеорологические службы Подсистема анализа и классификации данных Подсистема прогнозирования Подсистема управления 79 административно-территориальных единицах, а также функции системы управления, осуществляющей посредством ЛПР и обратных связей, реализованных через подсистемы воздушного и наземного наблюдения, управление пожарной и медико-экологической безопасностью объекта мониторинга. 3 .2 Анализ подсистем автоматизированной системы мониторинга пожарной и медико-экологической безопасности 3 .2.1 Разработка метода оптимизации функционирования модуля воздушного наблюдения Особенностью представленной на рисунке 3.2 структуры является то, что в состав ее подсистемы анализа и классификации данных введены модули анализа и классификации видеоданных, поступающие с БПЛА, в состав подсистемы прогнозирования введены модули оценки риска здоровья людей, находящихся в зоне мониторинга, а в состав подсистемы управления введен модуль планирования и управления полетами. Основным источником информации в АСМПМЭБ является модуль воздушного наблюдения. При его использовании необходимо оптимизировать величину площади, перекрываемой видеокамерой БПЛА, и максимальное время нахождения БПЛА в полете. Задача определения оптимальной траектории облета заданной территории наблюдения состоит в следующем. Имеются исходные данные: Характеристики БПЛА; Объект наблюдения, заданный географическими координатами опорных точек. 80 При построении оптимальной траектории БПЛА, которая определяется совокупностью координат точек, над которыми он пролетает, необходимо учитывать, что существуют три типа объектов мониторинга: точечные; линейные и площадные. Будем рассматривать только площадные объекты мониторинга, которые могут представляться выпуклыми или не выпуклыми многоугольниками. Невыпуклые многоугольники при необходимости могут быть представлены выпуклыми, а выпуклые многоугольники могут быть представлены суперпозицией параллелограммов и треугольников. Площадь АТЕ всегда можно представить в виде этих геометрических фигур. Поэтому решаем задачу построения траектории облета конкретного объекта или АТЕ для этих геометрических фигур. Сформируем требования для траектории БПЛА при облете площади наблюдаемого объекта: 1) для удобства ориентации оператора БПЛА траектория должна быть простой; 2) для возможности распространения алгоритма мониторинга некоторой единичной площади на площади произвольной формы траектория облета АТЕ должна быть цикличной; 3) БПЛА должен прилететь в ту же точку, из которой он вылетел. Представим площадь покрытия площади АТЕ в виде полосы, средняя линия которой является траекторией проекции оптической оси камеры БПЛА, снимающей в надир. В этом случае траектория БПЛА, представленная на рисунке 3.3, удовлетворяет всем пунктам требований для траектории БПЛА, изложенным выше. Для построения оптимальной траектории облета площади АТЕ необходимо выполнить следующие требования: 1) минимизировать длину траектории; 2) минимизировать число разворотов над поверхностью АТЕ; 3) максимизировать количество прямых участков траектории. 81 Рисунок 3.3 – Базовая траектория облета АТЕ беспилотным летательным аппаратом Для объекта мониторинга в виде площади АТЕ, которая аппроксимируется параллелограммами и треугольниками, минимальное число разворотов, а также минимальная длина траектории будет достигаться тогда, когда участки галсов будут параллельны прямой между двумя наиболее удаленными вершинами многоугольника [45]. При планировании траектории полета БПЛА в зоне мониторинга АТЕ необходимо оптимизировать соотношения между ресурсом выбранного БПЛА, временем одного цикла облета площади АТЕ и оперативностью сбора данных по пожарной обстановке в зоне мониторинга. При решении этой задачи оптимизации также необходимо выбрать оптимальное число БПЛА над зоной мониторинга. Это достаточно сложная многокритериальная задача. Поэтому ее решение разделим на два этапа, которые включим в итерационный процесс. На первом этапе будем оптимизировать квант площади, доступный для мониторинга одному БПЛА. На втором этапе оптимизируется соотношение между временем 82 мониторинга и числом БПЛА, одновременно участвующих в мониторинге одной АТЕ. При выборе этой формы траектории руководствовались тем, что эффективная апертура видеокамеры БПЛА a должна покрыть всю площадь АТЕ за время полета БПЛА от точки старта к точке финиша, с учетом того, что они фактически совпадают. Под апертурой видеокамеры БПЛА понимаем активную апертуру, которая равна апертуре видеокамеры b * умноженной на коэффициент перекрытия k: 2 1 * k b b (3.1) На рисунке 3.4 представлена иллюстрация, поясняющая процесс вычисления активной апертуры. Рисунок 3.4 – Иллюстрация вычисления активной апертуры 83 При подготовке параллельного маршрута необходимо учитывать максимальную ширину поля зрения фотокамеры БПЛА на заданной высоте его полета [47]. Маршрут прокладывается так, чтобы края поля зрения камеры перекрывали соседние поля примерно на k = 15% …20%. Если известна высота полета БПЛА h и угол зрения фотокамеры 2 х , то ширина поля зрения камеры на этой высоте согласно рисунку 3.4 определяется как tg h b 2 (3.2) Ширина зоны перекрытия изображения соседнего поля будет равна: k b d 100 (3.3) Схема алгоритма реализации первого этапа оптимизации представлена на рисунке 3.5. В блоке 1 вводятся параметры БПЛА, определяющие его ресурсные характеристики: максимальное полетное время T и средняя скорость V. Кроме этих двух величин необходимо ввести высоту полета h. Имея эти параметры полета, в блоке 2 вычисляем максимальное доступное расстояние для БПЛА, а в блоке 3 апертуру мониторинга (формулы (3.2) и (3.3)). В блоке 4 вводятся параметры АТЕ, которые целесообразно аппроксимировать описанным параллелограммом или прямоугольником. В блоке 5 определяется необходимый ресурс БПЛА по длительности полета, необходимый для осуществления мониторинга АТЕ. Далее сравнивается необходимый ресурс БПЛА и фактический ресурс БПЛА (блок 6). Если ресурс БПЛА достаточен, в блоке 9 планируется траектория полета и осуществляется ее вывод в блоке 10. В противном случае осуществляется декомпозиция площади АТЕ (блок 7). Декомпозиция осуществляется посредством итерационного процесса, на каждой итерации которого расстояние облета БПЛА уменьшается в два раза. 84 Начало T, V, R Вычисление 2L b A, B Декомпозиция площади АТЕ Планирование мониторинга БПЛА Вывод оптимального маршрута БПЛА Конец Ресурсы БПЛА Определяем доступное для БПЛА расстояние L=V*T Вычисление апертуры видеокамеры БПЛА Вводим размеры АТЕ Определяем необходимый ресурс БПЛА да нет Рисунок 3.5 – Схема алгоритма первого этапа оптимизации Итерационный процесс уменьшения доступного расстояния при каждой итерации иллюстрирует рисунок 3.6. 𝐿 ∗ = 𝐴 − 𝑏 2𝑏 + 𝐵 𝐿 ∗ < 𝐿 𝐿 ∗ = 𝐿 ∗ /2 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 85 4 1 2 3 5 6 7 Рисунок 3.6 – Итерационный процесс уменьшения расстояния Если разделить прямоугольную область АТЕ на две части диагональю прямоугольника, то расстояние облета в каждом треугольнике будет приблизительно в два раза меньше, чем в прямоугольнике. Если ресурса БПЛА недостаточно и в этом случае, то процесс декомпозиции продолжается и очередной треугольник делится еще на два треугольника. На рисунке 3.6 стороны каждого треугольника выделены уникальным цветом. Если сторона треугольника принадлежит разным треугольникам, то она изображается двумя параллельными отрезками, цвета которых соответствуют треугольникам, которым отрезки принадлежат. Процесс декомпозиции будет продолжаться до тех пор, пока условие в блоке 6 не выполнится. В блоке 9 планируется траектория полета для треугольного фрагмента АТЕ. Примеры таких траекторий представлены на рисунке 3.7. 86 Рисунок 3.7 – Примеры траекторий полета для треугольного фрагмента АТЕ 87 На втором этапе оптимизируем число БПЛА в зоне мониторинга АТЕ. Учитывая, что для каждого объекта декомпозиции необходим один БПЛА, то число БПЛА равно числу объектов декомпозиции при условии, что все БПЛА имеют одинаковый ресурс. Если БПЛА имеют различные ресурсы и, учитывая, что ресурс уменьшается в порядке номера i БПЛА в вариационном ряде 2L/(2 i- 1 ), для оптимизации числа БПЛА по стоимости предложен алгоритм, схема которого представлена на рисунке 3.8. Алгоритм предполагает, что доступны для применения n типов БПЛА. Стоимость одного БПЛА i-го типа составляет С i . Алгоритм минимизирует суммарную стоимость БПЛА, участвующих в мониторинге АТЕ, при условии, что при формировании группировки приоритет отдается БПЛА с более высоким ресурсом, то есть n i i i C a 1 min , (3.4) где 4 , 2 , 0 i a - количество БПЛА i-го типа в группировке БПЛА для мониторинга АТЕ. Принцип формирования группировки БПЛА согласно алгоритму на рисунке 3.8 , поясняет рисунок 3.9. Если в пуле типов БПЛА нет БПЛА с ресурсом, обеспечивающим траекторию согласно рисунка 3.3, то осуществляется декомпозиция площади АТЕ, как показано на рисунке 3.9а. При этом полагаем, что БПЛА с номером один превышает ресурс L. На выходе алгоритма (блок 11) формируются коэффициенты a i , соответствующие выражению (3.4). В блоке 4 алгоритма (рисунок 3.8) определяется целесообразность замены одного БПЛА с более высоким ресурсом на два БПЛА с более низким ресурсом с соответствующей декомпозицией площади АТЕ (блок 5), как это показано на рисунках 3.9 б, в и г. 88 5 3 4 5 6 7 8 9 10 11 2 1 Начало Декомпозиция площади АТЕ i=i+1 i=n Конец Рисуноу 3.8 – Схема алгоритма оптимизации числа БПЛА по стоимости 𝑎 𝑖 = 4 Вывод 𝑎 𝑖 𝐶 𝑖 < 2 𝐶 𝑖 + 1 𝐶 𝑖 = 0 , 𝑖 = 1, 𝑛 𝑎 𝑖 = 0 , 𝑖 = 1, 𝑛 𝑖 = 1 ; 𝑎 𝑖 = 2 𝑎 𝑖 = 𝑎 𝑖 − 2 𝑖 ≤ 𝑛 𝑖 = 𝑖 + 1 𝑖 = 𝑛 89 а) б) в) г) 2 2 3 3 3 3 3 3 4 4 4 4 3 3 4 4 5 5 5 5 Рисунок 3.9 – Декомпозиция площади ATE в зависимости от экономической целесообразности включения в группировку БПЛА с более низким ресурсом Процесс декомпозиции площади АТЕ заканчивается, когда БПЛА с более низким ресурсом вводить в группировку экономически нецелесообразно или когда все БПЛА из пула введены в группировку (блоки 4 и 8 алгоритма на рисунке 3.8). |