Разработка методов описания районов океана по гидроакустической информации для задач прогнозирования промысла на основе логических моделей диагностики Николаев Александр Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. ОСОБЕННОСТИ ЗАДАЧ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБЪЕКТОВ ПРОМЫСЛА ПО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 13

1.1. Задача прогнозирования промысла по гидроакустической информации как задача диагностирования.. . 13

1.1.1. Гидроакустический метод исследования и количественной оценки объектов промысла

в океане 13

1.1.2. Задача прогнозирования промысловых характеристик районов океана 16

1.1.3. Особенности исследуемых объектов диагностирования 19

1.2. Логические методы анализа сложных объектов 20

1.2.1. Тестовые методы 20

1.2.2. Алгоритмы диагностирования объектов промысла 26

1.3. Основные направления исследований логических моделей при диагностировании объектов промысла...29

1.3.1. Представление диагностической информации в форме, требуемой для применения логических методов 29

1.3.2. Анализ диагностической информации с целью исключения ошибок и погрешностей

в описании объектов 33

1.3.3. Разработка средств автоматизации сбора и представления гидроакустической информации с использованием ЭВМ 36

1.3.4. Постановка задачи исследований 37

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ РАЙОНОВ ОКЕАНА

ПО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 39

2.1. Представление эхограмм акустических съемок районов океана 39

2.I.I. Выбор функциональных преобразований эхо-сигналов, необходимых для количественной

оценки объектов промысла 39

2.1.2. Разработка форм представления эхограмм акустических съемок 43

2.2. Построение описания районов океана на основе структурных методов анализа гидроакустической информации 49

2.3. Алгоритмы формирования признакового описания района океана 58

2.3.1. Построение системы признаков для описания промысловых характеристик

района океана 58

2.3.2. Алгоритм представления диагностической информации в форме таблицы объектов... 63

2.4. Методы сокращения объема диагностической информации 68

2.5. Анализ влияния погрешностей в описании

объектов на результат диагностирования 75

2.6. Выводы 83

ГЛАВА 3. КОМПЛЕКС ПРОГРАММНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДО

РЕГИСТРАЦИИ, ВВОДА И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ 84

3.1. Назначение и основные характеристики комплекса 84

3.2. Средства регистрации, предварительной обработки и ввода гидроакустической информации в ЭВМ 86

3.2.1. Система регистрации гидроакустических сигналов на магнитной ленте 86

3.2.2. Устройство первичной обработки и ввода гидроакустических сигналов в ЭВМ 92

3.3. Алгоритмы и программы для представления, анализа и накопления описаний районов океана на ЭВМ J04

3.3.1. Алгоритмы и программы описания промысловых характеристик районов океана... 104

3.3.2. Организация записи числовых описаний на внешних носителях ЭВМ III

3.4. Выводы 114

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НА ПРОМЫСЛЕ В ОКЕАНЕ 115

4.1. Технология прогнозирования промысла по гидроакустической информации 115

4.2. Алгоритмическая схема оценки промысловых характеристик районов океана в задачах оперативного прогнозирования и управления промыслом 119

4.3. Выводы 138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 139

ЛИТЕРАТУРА 142

ПРИЛОЖЕНИЕ I 152

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 166

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 173

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 178

ПРИЛОЖЕНИЕ 5 213

ПРИЛОЖЕНИЕ 6 217

• Задача прогнозирования промысла по гидроакустической информации как задача диагностирования..
• Представление эхограмм акустических съемок районов океана
• Назначение и основные характеристики комплекса
• Технология прогнозирования промысла по гидроакустической информации

Введение к работе

Актуальность проблемы В последнее время все более актуальными становятся исследования, связанные с изучением объектов естествознания. Среди многообразия задач, которые приходится решать в процессе обработки и анализа получаемой экспериментальной информации, одними из основных являются задачи диагностирования, классификации, оценки информативности признаков, характеризующих объекты, и др. Для их решения успешно применяются логические методы, основанные на поиске и использовании логических закономерностей в изучаемом экспериментальном материале. Они позволяют получать достаточно хорошие решения в тех случаях, когда другие методы (например, статистические) в силу особенностей исследуемых объектов оказываются неэффективными.

Первоначально логические методы использовались при исследовании объектов, описание которых в виде логических моделей являлось естественным, например, дискретные устройства или объекты естествознания, описанные бинарными признаками. В результате последующих исследований были разработаны методы построения логических моделей объектов, описываемых количественными и качественными признаками. Это расширило класс решаемых задач диагностирования объектов естествознания на основе логических моделей диагностики. Новой сферой применения логических методов является их использование для диагностирования биологических объектов по гидроакустической информации с целью решения важных прикладных задач в области промышленного рыболовства.

Изучение биологических ресурсов океана, поиск путей их рационального использования требуют проведения исследований в плане регистрации и накопления информации о параметрах рыбных стад, состоянии факторов окружающей среды, разработки алгоритмических методов анализа этой информации с целью прогнозирования и управления промыслом. В настоящее время проблема прогнозирования и управления промыслом стоит особенно остро. Это связано с резким увеличением численности добывающего и обрабатывающего флота, изменением географии рыбного промысла с введением морских экономических зон, необходимостью освоения новых промысловых районов. Для дальневосточного региона эта проблема является одной из важнейших,так как на долю рыбной промышленности приходится большая часть всей выпускаемой на дальнем Востоке продукции. В рассматриваемой проблеме важным аспектом исследований является поиск и разработка новых эффективных методов прогнозирования промысла на основе использования гидроакустической информации, отражающей состояние и поведение рыбных стад в обследуемых районах океана.

Настоящая работа посвящена дальнейшей разработке и развитию логических методов диагностики с целью повышения их эффективности и расширения возможностей при решении прикладных задач в области промысловой гидроакустики. Задача оценки промысловых характеристик районов океана поставлена как задача диагностирования объектов промысла по гидроакустической информации. Успешное решение этой задачи позволит сократить непроизводительные затраты промыслового флота на поиск объектов, повысить результативность работы добывающего флота.

При этом необходимо преодолеть ряд трудностей, связанных с использованием и разработкой логических методов для анализа гидроакустической информации и разработкой алгоритмических методов диагностирования объектов промысла по гидроакустическим сигналам. В работе исследованы вопросы представления гидроакустической информации, разработки алгоритмических методов построения описаний исследуемых объектов по эхо-сигналам, метода анализа исходной информации, оценки ее важности для принятия решения, оценки влияния погрешностей в описании объектов на результат диагностирования. Рассмотрены вопросы автоматизации сбора, регистрации и представления диагностической информации с использованием ЭВМ. Проведены экспериментальные исследования эффективности предложенных методов и алгоритмов при решении задач прогнозирования и управления флотом на промысле.

Цель и направление исследований. Целью диссертационной работы является разработка алгоритмических методов и средств описания районов океана по гидроакустической информации для решения задач прогнозирования и управления промыслом на основе логических моделей диагностирования. Исследования проводились в следующих направлениях.

1. Разработка алгоритмических методов описания районов океана по гидроакустическим сигналам в форме, приемлемой для использования логических методов диагностирования.

2. Исследование и разработка логических методов анализа диагностической информации для оценки влияния ошибок в описании объектов на результат диагностирования.

3. Создание программных средств, разработка принципов функционирования и способов технической реализации устройств для автоматизации алгоритмического описания объектов диагностирования.

4. Исследование эффективности логических моделей и средств диагностирования в задачах прогнозирования и управления промыслом.

Методы исследований. В диссертационной работе использовались теоретический и экспериментальный методы исследований. Для теоретических исследований привлекались методы технической диагностики, аппарат алгебры логики, теории множеств, теории нечетких множеств и нечеткой логики, теории отношений. Экспериментальные исследования проведены с использованием разработанных методов, алгоритмов, программ и технических средств при решении задач прогнозирования и управления флотом на промысле в океане.

Новые научные результаты и основные положения,выносимые на защиту. В работе осуществлена разработка и проведено исследование алгоритмических методов описания районов океана по гидроакустическим сигналам для построения логических моделей диагностирования с целью определения на их основе промысловых характеристик районов океана.

Совокупность разработанных методов и их реализация позволяют использовать логические метода диагностирования для решения качественно новых задач прогнозирования и управления промыслом. С этой целью:

- разработана алгоритмическая структура задачи прогнозирования промысла по гидроакустической информации и на основе логических моделей предложены методы ее решения;

- разработан метод преобразования гидроакустической информации и предложен способ описания районов океана, позволяющий использовать логические модели для диагностирования объектов промысла;

- разработаны методы анализа диагностической информации в форме таблиц объектов, позволяющие сокращать объем диагностической информации, оценивать влияние ошибок в описании объектов на результат диагностирования;

- разработаны программные и технические средства системы сбора, регистрации и представления диагностической информации с использованием ЭВМ;

- проведены экспериментальные исследования эффективности предложенных алгоритмических методов и средств диагностирования при решении задач прогнозирования промысла.

Практическая ценность работы. Практическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в разработке методов и алгоритмов описания районов океана по гидроакустическим сигналам, методов и алгоритмов анализа диагностической информации на основе логических моделей, а также в создании программных и технических средств автоматизации сбора и обработки гидроакустической информации с использованием средств вычислительной техники.

Разработанные методы и алгоритмы ориентированы на решение задач прогнозирования промысловых характеристик районов океана по гидроакустической информации на основе логических моделей диагностирования. Применение этих методов позволит :

- оперативно оценивать промысловые характеристики рыбных скоплений в различных районах океана и использовать полученные результаты при решении задач краткосрочного прогнозирования и управления флотом;

- выделять фактические районы лова, рассчитывать их количественные характеристики и осуществлять наведение флота на рыбные скопления в соответствии с их промысловыми характеристиками.

Разработанное устройство первичной обработки и ввода гидроакустической информации в ЭШ может использоваться при создании систем автоматизации проведения эхометрических съемок на борту судна с использованием мини(микро)-ЭВМ.

Реализация результатов работы.Разработанные в диссертационной работе методы описания районов океана реализованы в виде алгоритмов, программ и технических средств, ориентированных на применение в условиях промысла с использованием мини- и микро-ЭВМ.

Разработаны алгоритмы и программы оперативной обработки гидроакустической информации с целью получения описания районов океана на микро-ЭВМ "Электроника-60".

Разработана структура и принцип функционирования устройства автоматического ввода последовательности эхо-сигналов в ЭВМ. Новизна предложенных технических решений подтверждена двумя авторскими свидетельствами на изобретения. Устройство реализовано в виде лабораторного макета.

Прошла экспертизу на новизну и передана в Государственный фонд алгоритмов и программ СССР программа построения описания характеристик рыбных скоплений районов океана по гидроакустической информации.

При личном участии автора проведен комплекс работ на судах оперативной промысловой разведки по сбору и регистрации гидроакустической информации о рыбных скоплениях различной структуры, размерного состава, промысловой мощности.

Разработанные в диссертационной работе методы и средства обработки гидроакустической информации, реализованные в виде программ и технических устройств для мини(микро)-ЭВМ типа М-400, "Электроника-60", были использованы при решении прогнозных задач на промысле сайры в течение 1978-1982 гг. Проведенный в 1980 г. эксперимент с контрольной группой судов промыслового флота показал, что вылов судов указанной группы более чем в полтора раза превысил средний вылов судов по экспедиции.

Апробация работы. Научные и практические результаты работы обсуждались и докладывались на НУ Международном Тихоокеанском конгрессе (Хабаровск,1979), 17 Всесоюзном совещании по технической диагностике (Черкассы,1979), У Всесоюзной конференции по промысловой океанологии (Калининград,1979), 7 Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Севастополь, 1980), ПНУ школах-семинарах по логико-комбинаторным методам распознавания образов (Кишинев,1980; Владивосток,!981), I Всесоюзном совещании по проблемам краткосрочного рыбопромыслового прогнозирования и управления (Владивосток,1982), ІУ Всесоюзной конференции по проблемам научных исследований в области изучения и освоения Мирового океана (Владивосток,1983).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе два авторских свидетельства на изобретения.

Объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и приложений. Общий объем работы составляет 151 страницу машинописного текста, включая 21 рисунок и 14 таблиц.

Структура диссертации. В первой главе обоснована актуальность решаемых в работе задач, дано описание рассматриваемых объектов промысловой гидроакустики, указаны их особенности. Рассмотрены логические методы диагностирования сложных объектов и отмечены особенности их применения в области промысловой гидроакустики. Поставлена цель и определены задачи исследований.

Во второй главе рассмотрены способы и формы представления гидроакустической информации. Предложены методы алгоритмического описания районов океана по гидроакустическим сигналам в системе признаков, отражающих структурные особенности исследуемых объектов. На основе логических моделей предложены методы анализа диагностических таблиц объектов,описываемых качественными и количественными признаками.

Третья глава посвящена вопросам разработки средств диагностирования объектов промысловой гидроакустики в виде системы автоматизации сбора, регистрации и представления диагностической информации в ЭВМ,

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований эффективности разработанных методов и средств диагностирования на промысле в Тихом океане.

В приложениях даны результаты работы программ, схемы разработанных устройств, акты внедрения основных результатов работы.

Задача прогнозирования промысла по гидроакустической информации как задача диагностирования

Современные тенденции развития промышленного рыболовства таковы, что повышение эффективности океанических и морских промыслов за счет сокращения непроизводительных затрат промыслового времени становится актуальнейшей задачей отрасли. Одной из проблем, определяющих успешную работу добывающего флота, является поиск и разведка рыбных скоплений в океане. Решение этого вопроса включает в себя проведение исследований, направленных на обнаружение местонахождения рыбных стад в океане,и разработку методов количественной и качественной оценки обнаруженных скоплений.

Для решения задачи привлекаются различные виды косвенной информации (гидрологическая, метеорологическая, гидроакустическая и др.). Одним из важных аспектов обработки и анализа этой информации является выявление зависимостей, закономерностей между характером изменения факторов окружающей среды и поведением рыбных стад, их промысловой мощностью. Сложность и малоизученность иссле -дуемого явления, значительные объемы экспериментальной информации, регистрируемой в различном виде (графическом, аналоговом,звуковом и др.), приводят к целесообразности применения математических методов с использованием средств вычислительной техники для решения задач поиска и разведки рыбных скоплений в океане.

Поиск и разведка рыбы и других биологических объектов является важным направлением использования гидроакустической техники в рыбном хозяйстве и промышленном рыболовстве. При этом гидроакустическая рыбопоисковая техника является основным оперативным средством получения объективной информации о биологических объектах океана. Из косвенных и непосредственных (визуальных, телевизионных и др.) способов обнаружения рыбных скоплений в океане, акустический метод нашел наибольшее применение благодаря большой универсальности, оперативности, достаточно большой скорости обзора среды, значительной дальности действия, простоте использования, достоверности получаемых результатов и др. [2,35,49].

Однако традиционные методы работы поисковых судов, базирующиеся в основном на визуальном анализе регистрируемой акустической информации, неудовлетворительно решают задачи обнаружения и оценки рыбных скоплений. В практике промысла, например, сайры, сельди-иваси неоднократно фиксировались случаи, когда на определенном участке акватории, исследованном поисковыми судами и признанном непромысловым, через некоторое время начинал успешно работать промысловый флот. Отсутствуют методы оценки отдельных участков акватории по состоянию рыбных скоплений на них для определения числа зудов, которые могут эффективно работать на этих участках. При большом числе судов промыслового флота в несколько сот единиц эта хроблема весьма важна. Неоднократно имели место случаи, когда ірезмерное скопление судов в некотором районе не давало возможности вести эффективный промысел, и, наоборот, при высоких промысло-зых концентрациях объекта промысла на небольших участках акватории /спешно работало значительное число промысловых судов.

class2 МЕТОДЫ АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ РАЙОНОВ ОКЕАНА

ПО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ class2

Представление эхограмм акустических съемок районов океана

Исходная информация о состоянии рыбных скоплений на некотором участке океана может быть получена посредством выполнения последовательности акустических измерений в процессе акустической съемки района океана по определенной сетке галсов [эз] . Эхограммы подводных объектов, т.е. графическое отображение эхо-сигналов на ленте самописцев рыболокаторов, являются одной из наиболее распространенных форм регистрации эхо-сигналов. В последующем под термином "эхограмма" будем понимать не только графическое изображение эхо-сигналов от объекта, но также соответствующие совокупности электрических сигналов на выходе рыбопоисковой станции.

Исследование объектов промысловой гидроакустики в рамках логических моделей диагностики предполагает их описание в определенном виде [29,36-38]. Одной из основных задач при этом является выбор способа представления эхограмм с учетом требования уменьшения сложности исходного описания и возможности его обработки с использованием ЭВМ.

class3 КОМПЛЕКС ПРОГРАММНЫХ И ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДО

РЕГИСТРАЦИИ, ВВОДА И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ class3

title3 Назначение и основные характеристики комплекса title3

Автоматизация процессов получения информации, необходимой для оценки промысловых характеристик районов океана,является важным этапом при создании систем диагностирования объектов промысловой гидроакустики. Отметим, что начальная акустическая информация о районе океана может быть получена лишь в процессе натурного эксперимента. Большие объемы экспериментальной акустической информации, отображение ее на различных регистрирующих устройствах, требование оперативности обработки и представления результатов в виде удобном для быстрого анализа и принятия решения делает необходимым создание систем автоматизации обработки гидроакустических сигналов с использованием ЭВМ.

Решение этой задачи связано с разработкой алгоритмов и программ, принципов функционирования и способов реализации технических устройств [4,5,7,15,16J . При этом большое внимание приходится уделять вопросам сбора и регистрации акустических измерений, разработки простого и удобного языка описания эхо-сигналов,быстродействию алгоритмов, удобству работы с программами, наглядности интерпретации результатов работы различных программ, разработке компактных форм представления в ЭВМ больших объемов информации.

В состав разработанной автоматизированной системы регистрации и представления гидроакустической информации входят программы и технические устройства со следующим функциональным назначением:

- программы оперативной обработки эхо-сигналов в ЭЕМ и получения характеристик промысловых скоплений районов океана;

программные модули для организации записи числовых описаний районов океана на внешних носителях ЭВМ;

- устройство согласования регистрирующей аппаратуры на магнитной ленте с серийной рыбопоисковой станцией;

- устройство первичной обработки и управления вводом гидроакустических сигналов в ЭВМ.

С использованием первой группы программ решаются вопросы:

- обеспечения процедур ввода-вывода и представления гидроакустических сигналов в ЭВМ;

- формирования описания районов океана в виде, необходимом для построения логических моделей прогнозирования промысловых районов океана;

- определения параметров, характеризующих состояние рыбных скоплений в районах океана по результатам акустических съемок, на основе которых производится оценка перспективности районов для промысла, принимаются решения о расстановке судов по районам лова;

- документирования результатов обработки исходной информации в виде, удобном для визуального восприятия.

Технология прогнозирования промысла по гидроакустической информации

Для применения разработанных в диссертационной работе алгоритмов, программных и технических средств в задачах оценки районов океана по гидроакустической информации предлагается следующая технологическая схема [65,74].

На основании анализа оперативной промысловой информации выделяются участки акватории океана в пределах промыслового района, перспективные для проведения поисковых работ.

Следующим важным этапом является локализация местонахождения рыбных скоплений в выделенных участках океана и оценка их промысловых характеристик. Для решения этой задачи используется гидроакустическая информация. Прогнозируемые районы обследуются с помощью гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры и на основании анализа получаемой гидроакустической информации определяются участки, перспективные для промысла. Успешное решение этого вопроса позволяет существенно повысить эффективность работы промыслового флота за счет сокращения непроизводительных затрат на поиск промыслового объекта и распределения флота по скоплениям в соответствии с их промысловыми характеристиками.

Алгоритмическая схема применения разработанных методов и средств диагностирования для оценки мощности промысловых скоплений районов океана заключается в следующем.

В условиях конкретного промысла (для определенного вида объекта промысла) организуется сбор и регистрация эталонного материала обучения. Рыбные скопления являются достаточно мало изученными объектами промысловой гидроакустики , поведение, структура, степень концентрации и другие характеристики которых существенным образом зависят от изменения факторов внешней среды. В связи с этим необходимо собрать экспериментальный эталонный материал, отражающий наиболее типичные, характерные виды структур скоплений объекта промысла и соответствующие им результаты работы добывающего флота. Практическая организация этих работ связана с выбором способа регистрации промысловой гидроакустической информации, подключением регистрирующей аппаратуры к рыболокационной станции, проведением акустических съемок рыбных скоплений районов океана в условиях промысла с использованием судов оперативной промысловой разведки.

Акустические измерения, выполненные на рыбных скоплениях различных типов, обрабатываются на ЭМ и формируются описания районов океана в системе признаков, характеризующих промысловые скопления в этих районах. Выбор форм преобразования эхо-сигналов (признаков) осуществляется из условий конкретной решаемой задачи. Числовые описания районов океана заносятся на внешние носители ЭЕМ. С использованием полученного материала проводятся диагностические эксперименты по классификации различных промысловых ситуаций.

Формируются классы описаний районов океана по гидроакустической информации в соответствии с выбранными оценками промысловых характеристик рыбных скоплений в этих районах. Выбор количества прогнозируемых промысловых ситуаций определяется для конкретного промысла на основании анализа промысловой информации.