На правах рукописи
Харитонов Кирилл Олегович
АЛГОРИТМЫ И СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ
СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ
ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
ГОРНОГО ДАВЛЕНИЯ
05.11.16 – Информационно-измерительные
и управляющие системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Хабаровск – 2009 2
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тихоокеанский государственный университет»
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Чье Ен Ун
Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, доцент Корчевский Вячеслав Владимирович кандидат технических наук, доцент Строев Олег Яковлевич
Ведущая организация: Дальневосточный филиал ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт физикотехнических и радиотехнических измерений»
Защита состоится «24» июня 2009 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.294.05 при ГОУВПО «Тихоокеанский государственный университет» по адресу: 680035, г. Хабаровск, ул. Тихоокеанская, д. 136, ауд. 315л.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тихоокеанского государственного университета.
Автореферат разослан 20 мая 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета И.Н. Бурдинский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Добыча полезных ископаемых и подземное строительство на больших глубинах сопряжены с необходимостью ведения горных работ в условиях повышенного горного давления, наиболее опасной формой которого являются внезапные выбросы породы, горные и горно-тектонические удары, нередко приводящие к катастрофическим последствиям. Прогнозирование опасных динамических проявлений горного давления представляет собой весьма сложную задачу, требующую применения специальных методов и технических средств, из которых все большее распространение в мировой горной практике получают системы непрерывного сейсмоакустического контроля горного давления.
Анализ мирового опыта применения автоматизированных систем контроля горного давления (АСКГД) и тенденций их развития свидетельствует о том, что дальнейшее совершенствование подобных систем в значительной степени связано с разработкой информационно-компьютерных технологий, позволяющих существенно повысить эффективность процесса контроля. Использование микропроцессорной техники дает возможность не только автоматизировать непосредственно сам процесс регистрации данных, несущих информацию о состоянии среды, но и обеспечить необходимую степень их обработки и интерпретации.
Данный подход предполагает преобразование и предварительную обработку сигналов акустической эмиссии (АЭ) в непосредственной близости от геофона (чувствительного элемента) и передачу фрагментов сигнала и его параметров в цифровом виде. Такая структура организации АСКГД позволяет выделить в качестве отдельной самостоятельной части системы цифровые приемники акустических сигналов. Формирующиеся на выходе первичного преобразователя аналоговые сигналы поступают в цифровой приемник (ЦП), где оцифровываются, буферизируются и передаются по цифровым каналам связи в управляющий системой центральный компьютер. Кроме того, ЦП выполняет задачу обнаружения недетерминированного сигнала АЭ на фоне техногенных шумов неизвестной интенсивности, а также задачу первичной обработки регистрируемых сигналов.
Существующие системы мониторинга не обеспечивают необходимые диапазоны измеряемых параметров акустической эмиссии, оперативность, надежность и достоверность геоконтроля. Таким образом, разработка современной АСКГД в целом и ЦП как базового компонента системы, в частности, является актуальной научной и практической проблемой.
Цель работы. Разработка алгоритмов и средств регистрации и предварительной обработки сигналов АЭ для автоматизированной системы контроля горного давления.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследование информативности параметров сигналов АЭ в условиях функционирующего горнодобывающего предприятия.
2. Построение решающего правила выделения сигналов АЭ на фоне помех горнодобывающего оборудования.
3. Разработка алгоритмов обнаружения, позволяющих повысить достоверность измерения параметра времени обнаружения импульса АЭ.
4. Разработка и исследование ЦП импульсов АЭ для АСКГД.
Методы исследования. В работе использованы методы теории случайных процессов, теории обнаружения сигналов, цифровой обработки сигналов. Экспериментальные исследования проводились с использованием разработанных аппаратно-программных средств в реальных условиях эксплуатации.
Научную новизну работы составляют следующие положения:
1. Обоснован набор информативных параметров сигналов АЭ для задачи построения решающего правила выделения сигналов АЭ на фоне периодических помех. Показана целесообразность использования параметров, определяющих форму и периодичность следования импульсов.
2. Разработан и исследован алгоритм отбраковки неинформативных импульсов периодической помехи, вносимой горнодобывающей техникой.
3. Предложено для обнаружения импульсов АЭ в условиях высокой зашумленности среды использовать энергетический обнаружитель с постоянным уровнем ложной тревоги.
4. Разработан и исследован способ фазовой корректировки параметра времени обнаружения для энергетического обнаружителя импульсов АЭ.
Практическая ценность. Предложенные в работе алгоритмы обнаружения, регистрации и предварительной обработки сигналов АЭ на фоне помех, характерных для горнодобывающей промышленности, получили практическую реализацию при создании ЦП сигналов АЭ. Данный ЦП вошел в состав АСКГД, внедренной на функционирующем предприятии горнодобывающей промышленности.
Достоверность результатов работы подтверждается:
1. Корректной постановкой и решением поставленных в работе задач с использованием математического аппарата случайных процессов, а также теории обнаружения и цифровой обработки сигналов.
2. Согласованностью данных теоретических выводов и результатов эксперимента.
3. Положительными результатами практического внедрения.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Алгоритм отбраковки неинформативных импульсов периодической помехи, вносимой горнодобывающей техникой.
2. Алгоритм обнаружения импульсов АЭ в условиях высокой зашумленности среды с использованием энергетического обнаружителя с постоянным уровнем ложной тревоги.
3. Способ фазовой корректировки параметра времени обнаружения для энергетического обнаружителя импульсов АЭ.
4. Разработанные программно-аппаратные средства обнаружения и регистрации импульсов АЭ для АСКГД.
Внедрение результатов работы Результаты работы использованы при проектировании цифрового приемника сигналов АЭ, входящего в состав автоматизированной системы контроля горного давления «Прогноз ADS», разработанной Институтом горного дела ДВО РАН совместно с кафедрой «Автоматика и системотехника» ТОГУ и ООО НПФ «Полином» (г. Хабаровск). Система «Прогноз ADS» введена в эксплуатацию на шахте месторождения «Антей» предприятия ОАО «Приаргунское производственное горно-химическое объединение» (г. Краснокаменск). Также рассматривается возможность внедрения данной системы и на других горнодобывающих предприятиях, подверженных опасным проявлениям горного давления.
Апробация работы Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на следующих НТК:
1. Международная конференция ИГД УрО РАН «Геомеханика в горном деле». – Екатеринбург, 5 – 8 июля 2005 г.;
2. Международная конференция «The Korea – Russian Joint-Workshop 2006 on Signal Transmission, Processing, Sensor and Monitoring Systems». Russia, Khabarovsk, 26 – 28 October 2006;
3. Всероссийская научная конференция молодых ученых. «Наука. Технологии. Инновации». – Новосибирск, НГТУ, 2006 г.;
4. Пятая всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. «Молодежь и современные информационные технологии». – Томск, ТПУ, 27 февраля – 1 марта, 2007 г.;
5. Международная научная конференция «Проблемы комплексного освоения георесурсов». – Хабаровск: ИГД ДВО РАН, 10 – 12 сентября 2007 г.;
6. Седьмой международный форум студентов, аспирантов и молодых ученых стран Азиатско-Тихоокеанского региона. – Владивосток, 17 – 7. International VIII Russian-China Symposium «Modern materials and technologies 2007», Russia, Khabarovsk, 17 – 18 October 2007;
9. Одиннадцатый краевой конкурс-конференция молодых ученых. Секция «Технические науки». – Хабаровск, 21 января 2009 г.
Личный вклад автора Личный вклад автора в публикациях, изданных в соавторстве, заключается в разработке и исследовании алгоритмов обнаружения сигналов АЭ и их первичной обработки, а также в разработке аппаратно-программных средств цифрового приемника сигналов АЭ для автоматизированной системы контроля горного давления «Прогноз ADS».
Публикации По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, из них 5 статей и 6 докладов на конференциях. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 5 работ, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных экспертным советом по профилю диссертационной работы.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 114 наименований, и трех приложений. Основная часть работы изложена на 145 страницах машинного текста и содержит 42 рисунка и 10 таблиц.
Автор выражает благодарность соавторам за помощь в выполнении работ по теме диссертации. Особую благодарность за участие в обсуждении структуры и содержания диссертационной работы автор выражает: д-ру техн. наук И.Ю. Рассказову (ИГД ДВО РАН), канд. техн. наук А.В. Левенцу (ТОГУ), Г.А.
Калинову и Д.С. Мигунову (ООО НПФ «Полином»).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цели и задачи работы, изложены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.
В первой главе кратко рассмотрены особенности применения метода акустической эмиссии для задач геоакустического контроля горного давления.
Вторая глава посвящена оценке и выбору информативных параметров сигналов АЭ, позволяющих проводить селекцию импульсов естественной АЭ на фоне помех, характерных для предприятий горнодобывающей промышленности.
При построении систем регистрации импульсов АЭ следует учитывать, что исходный механический импульс, распространяясь в среде, за счет поглощения, дисперсии, интерференции, перераспределения энергии на границе сред с различными физическими свойствами и других процессов существенно изменяет свою форму. При этом наиболее значимый и предсказуемый вклад в искажение амплитудной огибающей сигнала при распространении в горной породе вносят явления поглощения и сферического расхождения. Для низких частот и коротких дистанций потери на расхождение превышают потери на поглощение. С увеличением частоты и расстояния потери на поглощение растут и становятся преобладающими. Расчетные данные с учетом полевых испытаний позволяют сделать вывод о том, что компоновка приемных преобразователей должна осуществляться с разносом в 50–150 м. для датчиков с рабочей полосой частот 0,5кГц.
При проведении контроля удароопасности состояния массива горных пород методом АЭ на действующих горнодобывающих предприятиях одним из наиболее неблагоприятных факторов, снижающих эффективность контроля, является необходимость осуществления мониторинга во время выполнения различных технологических операций, характеризующихся наличием акустических помех большой интенсивности. Перспективным направлением решения обозначенной проблемы является выбор критериев, позволяющих классифицировать регистрируемые сигналы в качестве информативных и неинформативных.
Оценка информативности параметров сигналов АЭ, распространяющихся в массиве горных пород, выполнялась в условиях действующего рудника предприятия ОАО ППГХО (месторождение «Антей»). Для регистрации сигналов АЭ использовались приемные преобразователи, входящие в состав установленной на этом месторождении системы контроля «Прогноз-ADS», а также многоканальное устройство ввода-вывода L-card E14-440. Для анализа сигналов и их параметров в среде программирования C++ Builder 2006 было разработано программное обеспечение, позволяющее отображать зарегистрированные сигналы, изменять масштабы сигналограмм, оценивать параметры сигналов, а также проводить статистический анализ параметров зарегистрированных сигналов.
Всего в процессе исследований было записано в электронном виде и обработано 205 сигналограмм импульсов АЭ естественной природы. На основе анализа формы положительной огибающей сигналограмм было выделено 3 типа наиболее характерных импульсов АЭ:
классический импульс АЭ;
импульс АЭ с пологим фронтом;
раздвоенный импульс АЭ.
Показано, что в связи с наличием на предприятиях горнодобывающей промышленности большого спектра техногенных акустических шумов, использование таких традиционных для АЭ-контроля параметров, как амплитуда (А), энергия (Е), длительность импульса (tи) и длительность фронта импульса (tф) является недостаточным для качественной селекции информативных сигналов.
Поэтому предложено в дополнение к указанным параметрам ввести в идентификационный набор параметры, определяющие форму импульса и периодичность следования импульсов: крутизну переднего фронта ф, коэффициент формы сигнала Е и среднеквадратическое отклонение разности времени обнаружения (tоб) двух соседних импульсов пер2.
где |Amax| – максимальное значение амплитуды положительной огибающей волновой формы импульса; |Aср| – среднее значение положительной огибающей волновой формы импульса; tф – длительность переднего фронта импульса;
tоб i – разность времени обнаружения двух соседних сигналов; n – количество обрабатываемых сигналов.
Проведено исследование введенных параметров на предмет целесообразности их использования для формирования решающего правила, позволяющего классифицировать сигналы на три класса (сигналов АЭ, периодической помехи и неопределенного класса ). Показано, что области значений параметров для различных классов пересекаются. Поэтому решающее правило не может быть сформировано с использованием одного параметра.
Рассмотрены варианты формирования разделяющих границ с использованием пар рассматриваемых параметров. Максимизация расстояния между выборками классов достигается при использовании информативных параметров пер2 и Е. На основе данных параметров сформированы разделяющие границы и решающее правило:
Таким образом, предложен способ отбраковки неинформативных сигналов импульсных периодических помех, вызванных работой бурильной техники.
Для заданных классов сигналов АЭ и периодической помехи производился эксперимент по зашумлению эталонных образов, полученных усреднением во временной области обучающих выборок, принадлежащих классам. При этом было выбрано по два эталонных образа для каждого класса. Один из образов для каждого класса располагался в центре группировок объекта, а второй был приближен к границам раздела классов. Для формирования зашумленного образа использовались цифровые записи шумовой составляющей, зарегистрированные на объекте контроля в момент отсутствия импульсных периодических помех, вызванных работой горнодобывающего оборудования. При зашумлении образов использовались коэффициенты масштабирования шумовой составляющей для достижения заданного значения отношения сигнал/шум.
Результаты исследования помехоустойчивости алгоритма распознавания приведены на рис. 1. Здесь кривые А1 и А2 построены для образов класса АЭ, а кривые В1 и В2 – для образов класса периодической помехи.
Заметно, что для всех образов на уровне 11–17 дБ вероятность распознавания практически приближается к единице. Кривые, построенные для класса помехи (В1 и В2), позволяют сделать вывод о том, что для данного класса вероятности правильного распознавания при заданном отношении сигнал/шум приблизительно равны. Для класса сигналов АЭ наблюдается противоположная ситуация, вызванная большим разбросом численных значений параметра пер2.
Так, например, для всех значений сигнал/шум вероятность распознавания для образа A1, расположенного в центре группировки объектов класса, равна 1. Тогда как для образа А2 вероятность начинает снижаться после значения сигнал/шум в 10 дБ.
В третьей главе предложено для пассивного обнаружения импульсов АЭ использовать энергетический приемник с адаптивным порогом дискриминации, изменяющимся в соответствии с уровнем шума. Введен фазовый способ корректировки параметра времени обнаружения регистрируемых импульсов АЭ.
Проведены исследования предложенного приемника и способа корректировки параметра времени обнаружения.
Обнаружение сигнала АЭ связано с проблемами, в основе которых находится неопределенность источника акустической эмиссии во времени и в пространстве, не позволяющая точно описать свойства акустического тракта и, следовательно, восстановить вид волны вблизи этого источника. В общем случае для пассивного обнаружения неизвестного сигнала, когда оптимальный приемник реализован быть не может, предлагается использовать энергетический приемник. Решающее правило для энергетического приемника с использованием критерия Нейма-Пирсона может быть записано в виде:
где x[n] – дискретное представление сигнала на входе приемника в момент времени n; N – размер выборки, по которой рассчитывается решающая статистика;
' – порог обнаружения сигнала по энергии.
Вероятность ошибки ложного обнаружения сигнала Q0 для энергетического приемника может быть выражено через Q-функцию хи-квадрат распределения:
где W(x) – распределение хи-квадрат с степенями свободы;
' / 2 – процентная точка распределения.
Тогда вероятность обнаружения можно записать как:
Очевидно, что с ростом отношения сигнал/шум вероятность обнаружения возрастает. Это указывает на важность параметра отношения сигнал/шум и на необходимость принятия мер к его увеличению при решении задачи обнаружения. Корме того, вероятностные характеристики для энергетического обнаружителя улучшаются с увеличением значения размера выборки N. Поэтому при невозможности дальнейшего повышения отношения сигнал/шум, результаты обнаружения энергетического приемника могут быть улучшены за счет увеличения размера выборки данных N, по которой рассчитывается решающая статистика.
В условиях горнодобывающей промышленности интенсивность акустических шумов может существенно изменяться в зависимости от проводимых работ. Поэтому для надежного обнаружения сигнала при неизменной вероятности ложного обнаружения сигнала необходимо использовать самонастраивающийся алгоритм, оценивающий текущий уровень шумов. На рис. 2 изображена структурная схема обнаружителя с постоянным уровнем ложной тревоги (ПУЛТ-обнаружитель). На схеме ФС – формирователь статистики обнаружения, РУ – решающее устройство.
В данном обнаружителе порог С определяется произведением:
C I (Q0, M ) – скалярный множитель, зависящий только от вероятности ложной тревоги Q0 и длины окна M. Этот множитель не зависит от неизвестных параметров распределения шума.
Вероятности ложного обнаружения Q0 и верного обнаружения Qd для описанного приемника могут быть рассчитаны по формулам:
d 2 s2 / 2 – отношение сигнал/шум.
где Зависимости Qd = f(Q0, M, d ) для ПУЛТ-обнаружителя с усреднением изображены на рис. 3 штриховыми линиями при M = 16 и 128. Сплошные кривые на тех же рисунках построены для обнаружителя при фиксированной величине амплитудного порога обнаружения.
Анализ построенных характеристик показывает, что при увеличении размера окна усреднения М, рабочие характеристики ПУЛТ-обнаружителя с усреднением приближаются к характеристикам обнаружителя с фиксированной величиной порога обнаружения. На рис. 3 при Q0 = 10-2 кривые для обоих обнаружителей практически сливаются. Так, при значении размера окна усреднения М в 128 элементов и более ПУЛТ-обнаружитель с усреднением практически не уступает обнаружителю с фиксированным порогом обнаружения. А с учетом того, что ПУЛТ-обнаружитель несет в себе дополнительные возможности по адаптации порога обнаружения под изменяющийся уровень шумов на объекте контроля, именно этот обнаружитель более предпочтителен по сравнению с обычным энергетическим обнаружителем для задач организации контроля горного давления при использовании метода АЭ.
0, Qd2( d) Основной задачей сейсмоакустического метода мониторинга массива горных пород является пространственная локация участков, подверженных опасному хрупкому разрушению. Расчет координат источников импульсов АЭ происходит при помощи разности времен обнаружения сигнала на группе пространственно разнесенных приемных преобразователей. Поэтому время обнаружения импульсного сигнала АЭ можно назвать основным метрологическим параметром системы.
«