Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы на железных дорогах Российской Федерации наблюдается постоянный рост грузовых и пассажирских перевозок, что влечет за собой усиление требований к стабильности земляного полотна железнодорожного пути. В этом плане определяющую роль играют оперативные диагностические мероприятия, прямым образом влияющие на реализацию превентивных мер по предотвращению деформаций рельсовой линии и достижению требуемой работоспособности железнодорожного пути.
Диагностирование состояния земляного полотна железнодорожного пути включает массу мероприятий, основанных на геофизических методах, многие из которых базируются на традиционных технологиях сбора и обработки данных, что заметно ограничивает их возможности. Повышение требований к оперативности, производительности, достоверности и качеству принимаемых решений обусловили перевод диагностических систем на новую информационную основу. В частности, это касается развития методов диагностирования состояния земляного полотна железнодорожного пути на основе использования технологий георадиолокационного неразрушающего зондирования.
На сегодняшний день такой подход удовлетворяет большинству предложенных требований, но главным его достоинством является наличие потенциальных возможностей интеллектуализации. Под интеллектуализацией понимается извлечение полезных знаний из «сырых» георадиолокационных данных и автоматический вывод заключений о состоянии зондируемой среды, представленных в форме лингвистических экспертных оценок. Процесс выявления знаний подразумевает анализ данных с целью получения знания, представленного в виде новых, полезных, доступных для понимания и пригодных для автоматической интерпретации образов в данных.
Многие проблемы, связанные с анализом данных, включают в себя темпоральные аспекты. Наиболее распространенный вид темпоральных данных – временные процессы и ряды, в которых повторяющиеся наблюдения признаков порождают схожие по структуре последовательности данных. Особый класс временных процессов образуют слабо формализованные процессы, порожденные отраженными электромагнитными сигналами, распространяемыми в нелинейных средах. Одной из ключевых проблем, возникающих при разработке систем выявления знаний, автоматической интерпретации и архивирования информации в системах диагностики, базирующихся на таких принципах, является проблема представления данных в информационных базах экспертно-диагностических систем.
Развитие новых подходов к представлению информации в базах данных временных рядов (БД ВР), ориентированных на использование в геодиагностических системах, является необходимым условием на пути к автоматизации процессов мониторинга и диагностики железнодорожных объектов.
Большой вклад в развитие интеллектуальных технологий и теоретических основ информатики внесли такие ученые как А.Н. Аверкин, И.З. Батыршин, Л.С. Берштейн, Г.И. Белявский, В.Н. Вагин, А.Н. Гуда, А.П. Еремеев, В.В. Емельянов, А.Н. Каркищенко, С.М. Ковалев, В.М. Курейчик, Н.Н. Лябах, Г.С. Осипов, Э.В. Попов, Д.А. Поспелов, В.Б.Тарасов, В.К. Финн, В.И. Финаев, И.Б. Фоминых, Н.Г. Ярушкина и др.
Большой вклад в развитие теории и практики георадиолокационной диагностики на железнодорожном пути и автомобильных дорогах внесли отечественные ученые Е.С. Ашпиз, В.И. Грицык, А.Г. Круглый, В.В Помозов, Н.П. Семейкин, В.А. Явна и др.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование и разработка новых методов формализации, выявления и представления знаний в базах данных временных рядов, с последующим их использованием при выявлении и текстовом резюмировании аномалий в базах данных геодиагностических систем.
Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:
-
На основе комплексного анализа современных методов и средств извлечения знаний в БД ВР определить концепцию совершенствования средств автоматической обработки диагностической информации.
-
Разработать методологию представления нечетко-определенных знаний в темпоральных базах данных, ориентированную на поддержку процессов текстового резюмирования в подсистемах лингвистического обеспечения АСУ ТП.
-
Сформировать методологию оценки интерпретационной пригодности и эффективности работы моделей представления и текстового резюмирования нечетких темпоральных знаний в БД ВР.
-
Адаптировать статические алгоритмы выявления знаний к процедурам поиска нечетких темпоральных знаний, представленных в форме текстовых резюме.
-
Разработать методы извлечения и текстового резюмирования знаний в БД геодиагностических систем с целью автоматизации процесса интерпретации георадиолокационной информации.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследований: элементы темпоральной логики, методы теории множеств и нечетких множеств, методы теории графов, элементы теории эволюционного моделирования, методы цифровой обработки временных сигналов.
Научная новизна. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
На основе общесистемных принципов организации человеческого мышления и речевой коммуникации впервые разработана формализованная методология оценки адекватности и интерпретационной пригодности моделей представления нечетких темпоральных знаний в базах данных интеллектуальных информационно-диагностических систем.
-
На основе предложенной методологии оценки эффективности представления знаний разработана иерархическая модель представления нечетко-определенных знаний в темпоральных базах данных, удовлетворяющая критериям интерпретационной пригодности и ориентированная на поддержку процессов текстового резюмирования в подсистемах лингвистического обеспечения специализированных АСУ ТП.
-
Разработаны алгоритмы и программы поиска нечетких темпоральных знаний в базах данных временных рядов, основанные на концепциях эволюционного моделирования и «априори-поиска», позволяющие выявлять элементы знаний в текстовой форме, пригодной для непосредственного использования в подсистемах лингвистического обеспечения автоматизированных информационно-диагностических систем.
-
Разработан комплекс алгоритмов и программ для автоматического поиска темпоральных знаний в темпоральных базах данных геодиагностических систем и их лингвистической интерпретации в организационно-технологической системе диагностирования состояния земляного полотна железнодорожного пути.
Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:
-
Разработанная иерархическая модель представления нечетких темпоральных знаний в БД ВР, ориентирована на использование в различных поисковых системах, системах архивации данных, подсистемах лингвистического обеспечения и текстового резюмирования данных.
-
Разработана методология оценки эффективности моделей представления нечетких темпоральных знаний в БД ВР, нашедшая применение при разработке широкого класса систем интеллектуального анализа темпоральной информации.
-
Формализованы темпоральные признаки, выступающие в качестве базовых примитивов экспертного инструментария при создании программных средств автоматической интерпретации георадиолокационной информации.
-
Реализован программный комплекс автоматического профилирования и интерпретации георадиолокационных данных «GeoRailway+», позволяющий формировать подробное и наглядное заключение о состоянии балластного слоя и в разы сокращающий время обработки информации в БД геодиагностических систем (ГДС).
Достоверность и обоснованность. Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов, сформулированных в диссертации, подтверждается доказательством утверждений, результатами вычислительных экспериментов на практических и модельных задачах, публикациями и докладами на научно-практических конференциях, а также актами внедрения результатов работы.
Реализация результатов работы. Предложенные алгоритмы выявления нечетких темпоральных признаков и представления знаний в БД ГДС были реализованы в программном комплексе автоматического профилирования и интерпретации георадиолокационных данных «GeoRailway+», разработанного согласно плану НИОКР Департамента пути и сооружений ОАО «РЖД» на тему «Разработка технологии и программно-технического комплекса для скоростной диагностики состояния балластной призмы методом георадиолокации», в 2007-2008 гг.
Апробация. Апробация основных теоретических и практических результатов работы проводилась на научных семинарах кафедр «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» и «Физика» (с 2005 по 2008 гг., РГУПС), Шестом всероссийском симпозиуме по прикладной математике в 2005 г., международных научно-практических конференциях «Инженерная геофизика 2006», «Инженерная и рудная геофизика 2007», «Инженерная и рудная геофизика 2008» (Геленджик, 2006-2008 гг.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 7 работ опубликованы в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 192 страницы машинописного текста, 54 рисунка, 11 таблиц. Список литературы включает 103 наименования отечественных и зарубежных авторов.
