авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Пассивно-активная гидроакустическая система обнаружения и распознавания крабов с использованием нейросетей

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Алифанов Роман Николаевич

Пассивно-активная гидроакустическая система
обнаружения и распознавания крабов
с использованием нейросетей

Специальность 05.18.17 - Промышленное рыболовство

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Владивосток - 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования «Дальневосточный
государственный технический рыбохозяйственный университет»
(ФГОУ ВПО «Дальрыбвтуз»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Стародубцев Павел Анатольевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник

Кудрявцев Валерий Иванович

кандидат технических наук

Шевченко Евгения Вениаминовна

Ведущая организация: Камчатский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства

и океанографии (ФГУП «КамчатНИРО»)

Защита состоится « 9 » апреля 2010 г. в 1330 часов на заседании диссертационного совета ДМ 307.006.01 при Дальневосточном государственном техническом рыбохозяйственном университете по адресу: 690087, г. Владивосток, ул. Луговая, 52Б, ауд. 304-б., E-mail:oev@mail.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического рыбохозяйственного университета.

Автореферат разослан « 9 » марта 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук Осипов Е.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние годы возникла довольно серьезная проблема, связанная с хищническим истреблением морских биоресурсов в экономической зоне РФ.

Но последние постановления Правительства РФ говорят о том, что ситуация охраны морской биосферы стала возвращаться к комплексным подходам, где немаловажную роль играет формирование технологической системы их добычи, сохранения и воспроизводства.

Как показала практика последних лет, в процессах добычи, сохранения и воспроизводства беспозвоночных, в том числе и крабов, существует ряд недостатков:

- во-первых, они связаны с использованием пассивных и активных рыбопоисковых гидроакустических средств, которые не решают задачи видовой и функциональной распознаваемости и идентификации крабовых скоплений или отдельных экземпляров;

- во-вторых, технические решения, используемые на предприятиях Федерального агентства по рыболовству, приводят к бесконтрольному и браконьерскому лову крабов;

- в-третьих, наблюдается отсутствие процесса развития новых технологических решений, направленных на распознавание по видовой, сезонной, возрастной и функциональной разновидности добываемых беспозвоночных.

Исходя из этого, приведенный выше анализ свидетельствует о научной и практической значимости разрабатываемой темы диссертационной работы для качественного мониторинга состояния морских биоресурсов дальневосточных морей РФ и их промышленного лова.



Целью работы является решение проблемы качественного мониторинга состояния крабовых скоплений, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Федерального агентства по рыболовству на акваториях дальневосточных морей РФ.

Научная задача диссертационной работы разработка методики и технических решений комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.

Задачи исследования

1. Проведение анализа современных гидроакустических и технологических решений, используемых в рыбной отрасли РФ, для обнаружения морских биологических объектов при мониторинге акваторий дальневосточных морей.

2. Разработка теоретических основ экономически эффективных и экологически безопасных современных технологических решений для достоверного обнаружения и распознавания беспозвоночных на ограниченной морской акватории.

3. Проведение численных и экспериментальных исследований теоретических основ пассивно-активного метода обнаружения крабов на ограниченной морской акватории.

4. Обоснование технических характеристик и технологических решений системы обнаружения крабов на ограниченной морской акватории.

Объектом исследования диссертационной работы являются технические и технологические решения гидроакустического обнаружения крабовых скоплений, используемые на предприятиях Федерального агентства по рыболовству.

Предметом исследования диссертационной работы является методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.

Методы исследований, достоверность и обоснование полученных результатов. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решение научной задачи базируется на экспериментальных данных и известных положениях классических методов пассивной акустики и активной гидролокации.

Достоверность полученных результатов подтверждается: корректностью разработанных физических моделей; использованием известных положений теоретической гидроакустики; сходностью полученных результатов с техническими решениями и результатами исследований, проведенными
Кузнецовым Ю.А., Проценко И.Г., Красниковым И.В. и др., а также автором диссертации.

Научная новизна работы. На основе предложенных теоретических разработок, анализа результатов численного моделирования и данных натурных экспериментов, проведенных в морских условиях различными учебными и научно-исследовательскими организациями Дальневосточного региона, в работе обосновано и подтверждено, что:

- решение задачи достоверного распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров возможно путем применения методики и технических решений комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации с использованием достижений современных нейросетей;

- предложенная методика распознавания и идентификации крабовых скоплений позволяет в среднем на 20 % лучше распознать сигналы от краба; при этом количество информации, поступающей в нейронную сеть для анализа, уменьшается в 2-3 раза;

- в дополнение к предложенной методике для уточнения результатов обнаружения крабовых скоплений возможно использование активных режимов лоцирования водной среды;

- параметрический метод лоцирования позволяет более уверенно обнаруживать значительные крабовые скопления, в то время как режим бистатической локации позволяет выделять одиночные импульсы.

Рассмотренные положения являются принципиально новыми, составляют функционально связанную последовательность операций, которая обеспечивает решение научно-технической задачи качественного мониторинга морских биоресурсов дальневосточных морей РФ и их промышленного лова.

Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации технологии и методика, основанные на современных нейросетях, позволяют изменить качественный и количественный состав существующих пассивных гидроакустических систем мониторинга крабовых скоплений в дальневосточных морях РФ.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.

2. Организационно-технические рекомендации по созданию и эксплуатации гидроакустических систем обнаружения скоплений краба.

Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации отражено в 16 научных трудах, в том числе: 1-ой монографии; 2-х патентах на изобретение (№ 2152627 от 10 июля 2000 г. и № 2154286 от 13 сентября 1999 г.); 4-х научных статьях, напечатанных в изданиях РФ, рекомендованных для опубликования основных результатов диссертационных работ. Общий объем публикаций и изданий – более 200 с. (13,3 печ. л., из них лично – 9,6 печ. л.).

Апробация результатов научных исследований. Результаты работы:

- получены в ходе выполнения второго этапа инициативного НИР «Барьер» (ТОВМИ, 2001 г.); второго этапа заказного НИР «Модуль» (ТОВМИ, 2003 г.) по разработке пассивно-активного низкочастотного метода и мультистатической системы установки излучающих и приемных станций для обнаружения морских неоднородностей, в том числе биологических;

- подтверждены анализом материалов натурных исследований в рамках промежуточного НИР «Разработка методов исследования и экспериментальное изучение характеристик звуков беспозвоночных и рыб в морях и океанах, омывающих берега Советского Союза», выполненного на учебно-экспериментальной базе Дальрыбвтуза, 167/86-88, 1986 г.; рейса НИС «Гидробиолог» с ПА «ТИНРО-II» 1992 г.; в бассейнах на борту судна «Восток-1» в 1998 г.; морскими испытаниями системы по обнаружению и распознаванию крабов с судна МТ-3 в августе 2003г. с личным участием автора.

Материалы исследования обсуждались и получили положительную оценку: на научно-техническом семинаре кафедры «Акустические приборы, системы и технические средства судовождения», Дальрыбвтуз, 2006 г.; кафедры «Судовождение», Дальрыбвтуз, 2008 г.; на открытом заседании кафедры «Гидроакустика», ТОВМИ им. С.О. Макарова, 2006-2007 гг.; на открытом заседании кафедры «Технические средства судовождения», МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2007-2008 гг.

Реализация результатов исследований. Результаты использованы в технической документации к программе реконструкции и переформирования существующих и создания новых гидроакустических систем качественного мониторинга состояния крабовых скоплений дальневосточных морей РФ, проводимой ДВО РАН.

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты, полученные в процессе теоретических исследований, численного моделирования, натурных экспериментов, разработаны автором самостоятельно, а именно:

1. Методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.

2. Организационно-технические рекомендации по созданию и эксплуатации гидроакустических систем обнаружения скоплений краба.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 106 наименований.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлены результаты анализа технологических и технических решений, используемые на предприятиях Федерального агентства по рыболовству, для гидроакустического поиска и обнаружения крабовых скоплений, а также качественного мониторинга водной среды. Отмечена их низкая эффективность в решении данных задач и сделан вывод о необходимости поиска новых технологических решений, сущность которых заключается в разработке методики и технических решений комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей.

В основной части диссертационной работы для решения проблемы качественного мониторинга состояния крабовых скоплений, среды их обитания и производственной деятельности предприятий Федерального агентства по рыболовству на акваториях дальневосточных морей РФ были теоретически разработаны и экспериментально подтверждены:

- методика и технические решения комплексного использования пассивной акустики и активной гидролокации для распознавания и идентификации крабовых скоплений или их отдельных экземпляров с использованием достижений современных нейросетей;





- организационно-технические рекомендации по созданию и эксплуатации гидроакустических систем обнаружения скоплений краба.

В основу технологического решения формирования методики положены технические схемы пассивной гидроакустической станции, разработанной Красниковым И.В. и Проценко И.Г. (ФГОУ ВПО КамчатГТУ).

Но в отличие от данного технического решения пассивная гидроакустическая система, предложенная в диссертации, имеет существенные дополнения:

1. Схема обработки спектральной огибающей сигнала на базе комплексного спектроанализатора.

2. Схема обнаружения и распознавания сигналов, построенная на нейросетях.

Применение при спектральном анализе в схеме весовых окон Ханна и Хэмминга позволило подавить добавочные максимумы. В результате дискретные составляющие слабого уровня от крабовых скоплений, не обнаруженные при использовании прямоугольного окна, наблюдаются при использовании вышеуказанных окон. При усреднении, по сравнению с мгновенным спектром, происходит резкое уменьшение среднеквадратической ошибки помехи, что позволяет обнаруживать дискретные составляющие более низкого уровня, при этом выигрыша в превышении дискретных составляющих среднего уровня помехи не наблюдается.

В процессе натурных и численных испытаний установлено, что использование усреднения более 4 спектров малоэффективно. Поэтому применение процедуры усреднения процесса после адаптации нецелесообразно.

С помощью использования специальных частотных фильтров с различными характеристиками (рис. 1) получены результаты обнаружения крабовых скоплений пассивной станцией и схемой обработки спектральной огибающей сигнала на базе комплексного спектроанализатора.

Для технологического решения задачи распознавания и идентификации обнаруженных сигналов в морской среде к скоплениям крабов в рамках НИР «Барьер» была разработана информационная система с использованием современных нейронных сетей, которая представляет собой последовательность технологических решений, в виде схемы, представленной на рис. 2. Она состоит из трех звеньев с решением задачи автоматического выделения и сравнения сигналов соответствующим реальным объектам.

 Спектрограммы от крабовых-2

 Спектрограммы от крабовых-4

Рис. 1. Спектрограммы от крабовых скоплений после обработки фильтром

Рис. 2. Схема функционирования информационной системы

Для работы информационной системы была использована трехслойная нейронная сеть (рис. 3), математически представленная формулой (1):

(1)

где S – уровень возбуждения нейрона; – набор входных сигналов; – аналог эффективности синапса (вес связи); – некоторое постоянное смещение (аналог порога нейрона); y – выходной сигнал нейрона.

В нейронную сеть передается образ, который изображается в виде множества координат (x, y) его контура. Координатное описание контура представляется комплексным числом (формула 2):

z(n) = x(n) + jy(n), (2)

где x, y – координаты контура сигнала; n – номер очередной пары измерительных данных, описывающих контур.

Рис. 3. Нейронная сеть: а – схема нейронной сети; б – искусственный нейрон

Для их обработки в системе использовалось дискретное преобразование Фурье. Компоненты преобразования Фурье создавали вектор, определяющий структуру образа. При настройке системы вычислялась сумма квадратичной ошибки, зависящая от количества нейронов по слоям и итераций.

Обучение данной нейронной сети осуществлялось с помощью эталонных сигналов методом обратного распространения ошибки. В качестве сигналов были использованы записи шумов перемещения крабов в бассейнах на борту судна «Восток-1» в 1998 г., а также в морских условиях с борта подводного аппарата «ТИНРО-2» 1992 г. (под рук. Кузнецова Ю.А.) и сигналы записанные на учебно-экспериментальной базе Дальрыбвтуза в 1986 г. (под рук.
Кузнецова Ю.А.)

Анализ сигналов крабов позволил выделить их опорные сигналы, которые издавались ими постоянно при передвижении и в состоянии покоя. При этом считалось, что вероятность совпадения этих звуков со звуками, издаваемыми другими гидробионтами и искусственными излучателями, была незначительна. Общий спектр излучений занимал диапазон частот до 22 кГц, а наиболее интенсивные сигналы находились в диапазоне до 5 кГц и имели длительность звучания до 1 с.

Для решения задачи идентификации крабов в информационной системе использовалась методика, разработанная сотрудниками ФГОУ ВПО «Дальрыбвтуза» Каневским И.Н. и Осиповым Е.В. Автором диссертации она была дополнена специальным фильтром исходного сигнала с изменением системы передачи информации в нейронную сеть. Схема проведения измерений акустических сигналов представлена на рис. 4. На рис. 5 представлены сигналы от краба и его информационные признаки.

 Схема проведения измерений-10

Рис. 4. Схема проведения измерений акустических сигналов (=42°33, =132°21)

 Звук краба при передвижении по-11

Рис. 5. Звук краба при передвижении по грунту:
а – жесткому, б – мягкому; 1 – часть огибающей

Результаты испытаний и сравнение вероятностей двух методик (методики, разработанной Каневским И.Н., Осиповым Е.В., и методики с фильтром и изменением системы передачи информации в нейронную сеть) приведены
в табл. 1.

Таблица 1

Результаты испытаний


замета
Количество особей, % Вероятность наличия крабов (методика
автоматизированного
распознавания
крабов)
Вероятность наличия крабов (методика с фильтром
и изменением системы передачи
информации в нейронную сеть
в виде контура сигнала)
1 13 0,55 0,80
2 18 0,65 0,86
3 19 0,70 0,88
4 33 0,85 0,94
5 17 0,62 0,86


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.