СОДЕРЖАНИЕ

На правах рукописи



ВИЛЬГЕЛЬМ Андрей Владимирович

УДК 622.333.007.5



ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ШАХТНЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
НА ОСНОВЕ ВЕЙВЛЕТ-МЕТОДОВ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ



Специальность 05.13.06 - "Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)"



Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук




Екатеринбург 2006
Работа выполнена на кафедре автоматики и компьютерных технологий Уральского государственного горного университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор
Лапин Эдуард Самуилович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор
Певзнер Леонид Давидович

кандидат технических наук
Васильев Ростислав Романович

Ведущая организация - Научно-производственный центр
автоматизации и техники безопасности
г. Москва

Защита диссертации состоится 18 мая 2006 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.128.07 при Московском государственном горном университете по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеках Московского государственного горного университета и Уральского государственного горного университета.

Автореферат разослан 17 апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук,
профессор Кубрин Сергей Сергеевич

Общая характеристика работы
Актуальность работы. Эффективность решения сложной проблемы управления процессами безопасного ведения горных работ на угольных предприятиях во многом определяется функциональными возможностями и качеством шахтных информационно-управляющих систем, которые призваны главным образом осуществлять эффективный текущий контроль газового состояния шахтной атмосферы, технического и технологического состояния горно-шахтного оборудования, использовать полученные и накопленные данные для дальнейшего анализа и прогноза параметров безопасного ведения горных работ.
За последнее десятилетие существенно изменились структура, технические и программные средства шахтных информационно-управляющих систем, и дальнейшее совершенствование этих систем на шахтах сопряжено с необходимостью решения актуальных задач сбора, хранения и обработки больших массивов данных на различных информационных уровнях.
Выполненный в работе анализ показал, что для повышения эффективности эксплуатации информационно-управляющих систем газовых угольных шахт необходимо создание на основе современных математических методов и информационных технологий более качественных моделей и рациональных алгоритмов обработки информации, полученной достаточно эффективными шахтными системами сбора данных.
Цель и задачи диссертации. Целью исследований является разработка на основе технологии вейвлет-преобразований моделей и алгоритмов комплексной, многоуровневой, эффективной обработки информации в шахтных информационно-управляющих системах, позволяющих осуществлять управление процессами безопасного ведения горных работ.
Для достижения цели исследования решались три основные задачи: разработка структуры системы, которая обеспечивает комплексную, многоуровневую эффективную обработку и хранение информации; разработка метода качественной фильтрации сигналов в подземных вычислительных устройствах и решение задач фильтрации и сжатия сигналов на наземном вычислительном комплексе шахтной информационно-управляющей системы; исследование частотно-временного вейвлет-преобразования применительно к данным, получаемым и накапливаемым шахтными информационно-управляющими системами.
Методы исследований используют статистический и частотный анализ данных, многомасштабное исследование сигналов, имитационное моделирование, методы теории цифровой обработки сигналов и теории автоматического управления.
Научные положения диссертации и их новизна.
1. Разработанный метод первоначальной обработки данных, использующий вейвлет-преобразование, позволяет после обработки сохранить в сигналах имеющиеся важные локальные особенности, в отличие от традиционных методов статистического и частотного анализа.
2. Найденные минимизирующие оценки вейвлет-сжатия долговременно хранимой информации шахтной информационно-управляющей системы, позволяют уменьшить объем базы данных и ускорить доступ к ней локальных и удаленных пользователей.
3. Разработанный метод на основе разномасштабного вейвлет-анализа, позволяет выявлять мгновенные значения, средне- и долгосрочные тенденции изменения параметров шахтной атмосферы и их связь с данными о работе основного и вспомогательного технологического оборудования.
4. Разработанный алгоритм фильтрации сигналов на основе метода динамического изменения абсолютной погрешности передачи данных в подземных вычислительных устройствах позволяет минимизировать количество данных, передаваемых по низкоскоростным шахтным линиям связи на наземный вычислительный комплекс.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются сходимостью в пределах 90% аналитических и экспериментальных имитационных моделей, построенных на данных, полученных шахтными информационно-управляющими системами на различных схемах горных работ на реальных горно-технологических объектах, принадлежащих различным угольным бассейнам.
Научная и практическая значимость работы.
1. Разработана структура многоуровневой системы обработки информации, собираемой, передаваемой и хранимой в шахтных информационно-управляющих системах, которая отличается от существующих наличием нескольких иерархических уровней обработки с постепенным повышением сложности решаемых при этом задач.
2. Создано алгоритмическое и программное обеспечение на основе разработанных методов и моделей передачи, обработки и хранения сигналов, собираемых и накапливаемых в шахтных информационно-управляющих системах.
3. Разработанные методы, алгоритмические и программные средства внедрены в структуру шахтной информационно-управляющей системы "Микон 1Р" нового поколения, предназначенной для эффективного управления процессами безопасного ведения горных работ.
Реализация результатов работы. Материалы диссертационной работы используются при реализации новых программно-технических решений шахтной информационно-управляющей системы "Микон 1Р", серийно выпускаемой ООО "Информационные горные технологии (ИНГОРТЕХ)",
г. Екатеринбург.
Апробация работы. По материалам диссертации были сделаны доклады на 19-м Всемирном горном конгрессе IСAMC-2003 (Дели, Индия, 1-5 ноября, 2003 г.), на Международной научно-технической конференции "Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья" (УГГГА, Екатеринбург, 18-21 июня 2003 г.), на Молодежной научно-практической конференции в рамках Уральской горно-промышленной декады (УГГГА, Екатеринбург, 14 апреля 2003 г.)


Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, в том числе 2 статьи в периодических изданиях, 2 статьи в научно-технических сборниках и тезисы доклада на научно-практической конференции.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 164 страницах, состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 75 наименований, содержит 13 таблиц и 47 рисунков.
Основное содержание работы
Во введении отражена актуальность работы, ее научная новизна, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования.
В первой главе проведена классификация, рассмотрены функции и особенности построения и реализации шахтной информационно-управляющей системы. Проведен анализ современных российских и зарубежных шахтных информационно-управляющих систем, который позволил сделать вывод, что в настоящее время разрешено большинство технических, методологических, а для российских шахтных информационно-управляющих систем также метрологических и организационных проблем, которые возникали при их разработке и внедрении. Актуальным становится этап, задачей которого является разработка моделей и методов обработки собираемой и накапливаемой информации и реализация типовых задач контроля и управления процессами безопасного ведения работ на горно-технологических объектах.
Показано, что подавляющее большинство шахтных информационно-управляющих систем являются многофункциональными и способны решать многие задачи шахтной автоматики и оперативно-диспетчерского управления. Существующие программно-технические средства шахтных информационно-управляющих систем позволяют получать значительный объем данных об объектах контроля с достаточной точностью и периодичностью, что позволяет представить реальное состояние объектов контроля и осуществлять своевременное управление ими.
Вместе с тем простого представления и нерегламентированного накопления данных об объектах управления становится уже недостаточно в силу новых требований, выдвигаемых угледобывающими предприятиями и контролирующими их органами. Возникают новые задачи обработки накапливаемых данных, обусловленные спецификой горных объектов управления и особенностями функционирования самих шахтных информационно-управляющих систем, в главе формулируются основные из этих задач, рассматриваются особенности сигналов шахтных информационно-управляющих систем.
Сделан вывод о необходимости очистки от шума и фильтрации исходных сигналов как на уровне контроллеров, так и средствами наземного вычислительного комплекса.
Во второй главе рассмотрены теоретические и практические аспекты статистических, частотных и вейвлет-методов представления сигналов с учетом использовавшихся для проводимого сравнительного анализа особенностей, характерных для реальных сигналов шахтных информационно-управляющих систем.
Установлено, что статистические методы, такие, как полиномиальная и сплайновая аппроксимация, при обработке сигналов дают хорошую локализацию в пространстве и практически всегда позволяют точно идентифицировать локальные особенности сигналов, разрывы, всплески. Однако статистические методы не представляют ценности при анализе разномасштабных периодичностей в сигнале - важнейшей составляющей реальных сигналов шахтных информационно-управляющих систем.
Частотные методы представления сигнала на основе преобразования Фурье являются противоположностью статистическим и не позволяют точно локализовывать особенности сигнала, однако преобразование Фурье хорошо подходит для частотного анализа сигнала и позволяет достигать неплохих результатов по выявлению в нем периодических составляющих.
Вейвлет-преобразование позволяет разложить сигнал по базису, сконструированному из обладающей определенными свойствами солитоноподобной функции посредством масштабных изменений и переносов, и совмещает свойства статистических и частотных методов. В отличие от традиционно применяемого для анализа сигналов преобразования Фурье вейвлет-преобразование обеспечивает двумерную развертку исследуемого одномерного сигнала, при этом частота и координата рассматриваются как независимые переменные. В результате появляется возможность анализировать свойства сигнала одновременно в физическом и спектральном - частотном пространствах.
Пространство L2(R) функций f(x), определенных на всей оси R=(-?,?) и интегрируемых с квадратом, может быть представлено в базисе солитоноподобных вейвлет-функций ?(x):
, (1)
, (2)
где ? есть фиксированная функция, локализованная как по частоте, так и по времени.
Рассмотрены возможности вейвлет-представления, позволяющие проводить подробный частотный анализ исследуемого сигнала на различных масштабах с одновременной выдачей полной информации о локальных особенностях сигнала, таких, как пики, разрывы, изменения знака производных и пр., характерных для сигналов шахтных информационно-управляющих систем.
Сделан вывод о целесообразности применения метода вейвлет-преобразования сигналов для представления сигналов шахтных информационно-управляющих систем с учетом их характерных особенностей.
В третьей главе исследованы возможности различных методов обработки данных применительно к задачам анализа реальных сигналов шахтных информационно-управляющих систем.
Показано, что по сравнению с рассмотренными статистическими и частотными методами применение вейвлетов на стадии предварительной обработки сигналов позволяет проводить эффективную очистку сигналов от шума.
В работе принята аддитивная модель искажения исходного сигнала от источников первичной информации шахтных информационно-управляющих систем: (4)
где y - зашумленный сигнал;
x - исходный сигнал;
n - гауссов шум со стандартным среднеквадратичным отклонением ?.
Дискретное вейвлет-преобразование зашумленного сигнала
(5)
дает вейвлет-представление Y сигнала y, состоящее из двух частей - высокочастотной трансформанты Yh, полученной с использованием вейвлет-функции и низкочастотной трансформанты Yl, полученной с использованием масштабирующей функции.
К высокочастотной трансформанте применим операцию порогового удаления шума Th:
, (6)
где t - порог. Обратное вейвлет-преобразование
(7)
позволяет найти отфильтрованную достаточно точную оценку сигнала х.
Показано, что применение метода вейвлет-фильтрации, адаптированного к локальным особенностям реальных сигналов шахтных информационно-управляющих систем, позволяет сохранить все особенности сигналов, присутствие которых требуется на последующих этапах обработки и анализа данных.
Сжатие сигнала при помощи вейвлет-преобразования становится возможным за счет отбрасывания небольших вейвлет-коэффициентов высокочастотной трансформанты Yh после того, как проведено прямое вейвлет-преобразование.
Возможен и более тонкий метод компрессии, который обеспечивает сжатие сигнала путем обнуления всех коэффициентов со значением, меньшим заданного. При сжатии сигнала и его последующей реконструкции использовано как прямое, так и обратное вейвлет-преобразование.
Проведенные исследования с использованием математической обработки сигналов реальных баз данных угольных шахт показали, что вейвлет-сжатие сигналов шахтных информационно-управляющих систем позволяет достигать значительных степеней компрессии. В отличие от других методов компрессии, дающих коэффициент сжатия не более 30 %, вейвлет-метод позволяет сжимать данные на 44-99 %, обеспечивая при этом необходимое качество восстановленного сигнала. Результаты сжатия сигналов с аэрогазовых датчиков шахтных информационно-управляющих систем представлены в таблице 1.
Установлено, что масштабно-временное вейвлет-преобразование применительно к обработке реальных сигналов шахтных информационно-управляющих систем позволяет получать полную информацию о сигнале - от мгновенных всплесков до долгосрочных трендов.
Показано, что разномасштабный анализ сигналов аналоговых датчиков параметров шахтной атмосферы может проводиться как с целью оперативного анализа обстановки и краткосрочного прогноза, так и для изучения долгосрочных тенденций и выработки соответствующих решений по управлению процессами безопасного ведения технологических работ.
Таблица 1
Сигнал
Степень сжатия, %
Тип вейвлета
haar
db2
sym2
coif2
bior2.2
rbio2.2
dmey
Датчик метана ДМС 01 в лаве
77
81
82
82
83
76
83
Датчик скорости воздуха СДСВ 01 на исходе участка в лаве
83
83
83
83
84
80
82
Датчик оксида углерода СДОУ 01 на исходе участка в лаве
93
93
93
93
94
93
93
Датчик метана ППИ в забое
конвейерного штрека
76
75
75
76
77
71
77
Датчик скорости воздуха ИСНВ на исходе участка в лаве
61
56
56
56
55
53
56
Датчик работы очистного
комбайна в лаве
32
6
5
5
6
7
3

Так, к примеру, разномасштабное вейвлет-преобразование 30-дневного тренда сигнала от датчика метана, представленное на рис. 1, позволяет получать информацию о мгновенных изменениях сигнала, о суточных, 10-дневных и месячных периодических составляющих концентрации метана, изображенных на рис. 2, а, б, в, г соответственно.


Рис. 1. 30-дневный тренд сигнала от датчика метана

а б

в г

Рис. 2. Графики зависимости масштабно-временного спектра W(a,b) от вейвлет-коэффициента временной локализации b
Разномасштабный анализ дискретных данных, таких, как статусы сигналов, данные о состоянии машин, механизмов, устройств контроля, на малых масштабах позволяет определять неисправности технических средств шахтных информационно-управляющих систем, а на больших масштабах - получать количественные характеристики работы оборудования.
Показано, что точная временная локализация масштабно-временного вейвлет-преобразования позволяет определять корреляционные зависимости между тенденциями изменения различных сигналов: "концентрация газов и количество подаваемого воздуха", "концентрация метана и интенсивность работы комбайна" и другие.
При этом установлено, что метод масштабно-временного вейвлет-преобразования применим ко всем типам сигналов шахтных информационно-управляющих систем, необходимых и достаточных для управления процессами безопасного ведения горно-технологических объектов.
В четвертой главе предложена и обоснована структура представленной на рис. 3 многоуровневой системы обработки информации, собираемой, передаваемой и хранимой в шахтных информационно-управляющих системах, которая отличается от известных поэтапностью обработки данных на уровне наземного вычислительного комплекса.
Предлагаемая структура разработанной системы обработки информации является многоуровневой, что позволяет осуществлять эффективный поэтапный анализ данных, характеризующих параметры безопасности ведения горных работ. При этом сложность анализа и принимаемых решений по управлению параметрами на каждом уровне возрастает и требует осмысления полученных результатов специалистами более высокого уровня иерархии управления предприятием.
Предусматриваемый в системе блок сжатия данных позволяет организовывать эффективную работу с оперативной и архивной информацией шахтных информационно-управляющих систем.



Рис. 3. Структура системы обработки информации ШИУС
Разработанная методика сжатия данных целесообразна для организации удаленного доступа к хранимым данным специалистов головных угольных объединений, контролирующих и надзорных организаций, влияющих на управление процессами безопасного ведения горных работ.
Предлагаемая структура системы обработки данных, характеризующих параметры функциональной и технологической безопасности, не является полной, однако в ней нашли отражение задачи, которые возникали и возникают в последние годы на шахтах России в процессе внедрения и эксплуатации шахтных информационно-управляющих систем.
В разработанной структуре системы обработки информации шахтной информационно-управляющей системой предлагается использовать перспективные, но недостаточно изученные с практической точки зрения методы обработки данных, поэтому в процессе практической реализации основных идей обработки данных функции системы оперативного и стратегического управления могут быть расширены и видоизменены.
В пятой главе проведено исследование методов обработки данных в подземных вычислительных устройствах шахтной информационно-управляющей системы - основном концентраторе участковой информации и одновременно устройстве контроля и управления шахтными объектами.
Установлено что подземные вычислительные устройства, применяемые в настоящее время на шахтах России, не позволяют проводить сложную обработку данных, получаемых, в частности, от датчиков аэрогазовой обстановки. Используемые методы обработки данных в подземных вычислительных устройствах ограничены усреднением, а фильтрация - прореживанием данных. При этом фильтрация представлена в основном двумя методами: "передача по критерию относительной погрешности" и "передача по критерию абсолютной погрешности".
Предложен метод фильтрации с динамически изменяемой во времени абсолютной погрешностью, инициирующей процесс передачи данных. Проведено сравнительное исследование предложенного и существующих методов фильтрации данных в подземных вычислительных устройствах.
Полученные зависимости коэффициента эффективности фильтрации, равного отношению количества отсчетов исходного сигнала к количеству отсчетов переданного сигнала, от типа сигнала датчика шахтной информационно-управляющей системы для разных методов фильтрации представлены на рис. 4.

Рис. 4. Групповая диаграмма зависимости коэффициента эффективности
фильтрации от типа сигнала для разных методов фильтрации
Полученные зависимости коэффициента корреляции исходного и переданного сигналов от типа сигнала датчика шахтной информационно-управляющей системы для разных методов фильтрации представлены на
рис. 5.
Проведенные исследования показали, что фильтрация сигналов по методу "с динамически изменяемой абсолютной погрешностью" позволяет, с одной стороны, достичь значительного уменьшения количества передаваемых данных (коэффициент эффективности фильтрации kyx в диапазоне от 14,26 до 20,95), а с другой - сохранить достаточно высокую степень соответствия исходного и переданного сигналов (коэффициент корреляции ryx=0,93-0,96).


Рис. 5. Групповая диаграмма зависимости коэффициента корреляции
с исходным сигналом от типа сигнала для разных методов фильтрации
Проведены исследования влияния параметров предлагаемого метода на качественные и количественные показатели фильтрации, позволяющие говорить о возможности его адаптации к передаче различных сигналов датчиков шахтной информационно-управляющей системы.
Рассмотрены возможности обработки и передачи данных в подземных вычислительных устройствах шахтной информационно-управляющей системы "Микон 1Р".
Заключение
В диссертации дано решение актуальной научной задачи повышения эффективности, на основе вейвлет-методов обработки данных, шахтных информационно-управляющих систем, позволяющих осуществлять управление процессами безопасного ведения горных работ.
Наиболее существенные результаты диссертационной работы, полученные лично автором:
1. Проведенный анализ применения на шахтах России современных информационно-управляющих систем показал, что постановка задач управления процессами безопасного ведения горных работ, которые они призваны решать, обусловлена не только спецификой объектов контроля и управления, но и особенностями функционирования самой шахтной информационно-управляющей системы. Качество получаемых, передаваемых и обрабатываемых в них сигналов в полной мере определяет качество и эффективность управления горно-технологическими объектами.
2. Показано, что анализ накапливаемых данных может выявить целый ряд косвенных параметров, характеризующих как состояние горно-технологического объекта, так и работу самой шахтной информационно-управляющей системы. Показано, что такой анализ осложняется наличием специфических особенностей у сигналов, поступающих от измерительных преобразователей шахтной информационно-управляющей системы, что требует использования особых методов обработки.
3. Показано, что обработка сигналов шахтной информационно-управляющей системы на основе метода вейвлет-преобразования по сравнению с классическими методами, применяемыми в "чистом виде", является предпочтительной, так как позволяет полностью учесть все особенности обработки сигналов, такие, как разрывы в показаниях, резкие всплески значений и т.п.
4. Установлено, что использование методов обработки сигналов на основе вейвлет-преобразования на стадии предварительной обработки данных позволяет проводить эффективную очистку сигналов от шума.
5. Установлено, что вейвлет-сжатие сигналов шахтной информационно-управляющей системы обеспечивает достижение компрессии на 44-99%, что позволяет оптимизировать процессы хранения информации в ШИУС. Получены зависимости качества компрессии от типа применяемого вейвлета и вида сжимаемого сигнала.
6. Показано, что метод масштабно-временного вейвлет-преобразования применительно к обработке сигналов шахтной информационно-управляющей системы может служить основой системы обработки данных, характеризующих процесс ведения горных работ. При этом обеспечивается решение задач текущего контроля параметров объекта и анализа долгосрочных тенденций их изменения. Установлено, что предлагаемый метод применим ко всем типам сигналов шахтной информационно-управляющей системы.
7. Предложен и исследован метод фильтрации сигналов в подземных вычислительных устройствах шахтной информационно-управляющей системы по алгоритму "с динамически изменяемой во времени погрешностью". Показана эффективность применения предлагаемого метода фильтрации в сравнении с методами, применяемыми в настоящее время на шахтах России в подземных вычислительных устройствах шахтных информационно-управляющих систем. Впервые предложена методика выбора параметров метода фильтрации с динамически изменяемой во времени абсолютной погрешностью, инициирующей процесс передачи данных.
8. На основании опыта внедрения и эксплуатации шахтных информационно-управляющих систем, а также функций, возлагаемых на них, предложена структура системы обработки информации, обеспечивающая комплексное решение задач передачи, обработки и хранения информации шахтной информационно-управляющей системы, достаточная по своим характеристикам для контроля и управления процессами ведения подземных горных работ.
9. Предложенные в работе алгоритмы обработки данных приняты для реализации новых версий "Системы газоаналитической шахтной многофункциональной "Микон 1Р", внедряемой научно-производственным предприятием ООО "Информационные горные технологии" при непосредственном участии автора.

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях:
1. Бабенко А. Г., Вильгельм А. В. Структура системы идентификации технических и технологических состояний горно-технологических объектов и шахтных информационно-управляющих систем // Изв. вузов. Горный журнал. - 2002. - № 2. - С. 27-32.
2. Вильгельм А. В. Методы фильтрации сигналов в подземных вычислительных устройствах шахтных информационно-управляющих систем // Изв. вузов. Горный журнал. - 2005. - № 1. - С. 77-82.
3. Вильгельм А. В. Использование вейвлет-методов для обработки информации в шахтных информационно-управляющих системах // Материалы Международной научно-технической конференции "Научные основы и практика разведки и переработки руд и техногенного сырья 18-21 июня 2003 г.".
4. Вильгельм А. В., Лапин Э. С. Перспективы использования аппарата вейвлет-преобразования в информационно-управляющих системах. Материалы Молодежной научно-практической конференции в рамках уральской горнопромышленной декады. Екатеринбург, 14 апреля 2003 г // Известия УГГГА. Вып. 17. 2003 г.
5. Babenko A., Vilgelm A. Structure and Methods of Data Processing of the System of Identification of Technical and Technological Conditions of Mining-Geological Objects and Mine-Information-Control Systems. // 19-th World Mining Congress "IСAMC-2003".



















































Подписано в печать 13.04.2006. Формат 60х90/16
Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ №
Типография МГГУ. Ленинский проспект, 6.
??

??

??

??

1










1




10



11







12


19






СОДЕРЖАНИЕ