Автореферат (Исследование и разработка методов повышения точности определения местоположения объектов в пространстве с использованием технологий беспроводных сетей)

Ассур Олег СергеевичИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯОБЪЕКТОВ В ПРОСТРАНСТВЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМТЕХНОЛОГИЙ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙСпециальность 05.13.01 – Системный анализ, управление и обработкаинформации (приборостроение)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена на кафедре управления и информатики ФГБОУ ВО«Национальный исследовательский университет «МЭИ».Научныйруководитель:Филаретов Геннадий Фёдорович,доктор технических наук, профессор, профессор кафедры управления и информатики ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет «МЭИ».Официальныеоппоненты:Беркович Сергей Борисович,доктор технических наук, профессор, начальникуправлениянавигационно-геодезическихсистемМежрегионального общественного учреждения «Институт инженерной физики» (г.

Серпухов).Веремеенко Константин Константинович,кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры305 «Автоматизированные комплексы систем ориентации и навигации» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательскийуниверситет)».Ведущаяорганизация:ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет».Защита состоится 16.02.2017 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.131.03 при Московском технологическом университете(МИРЭА), г. Москва, пр-т.

Вернадского, д. 78, ауд. Г-412.С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотекеМИРЭА и на сайте www.mirea.ruОтзывы в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба направлять поадресу: 119454, г. Москва, Проспект Вернадского, д. 78, МИРЭА, учёномусекретарю совета Д 212.131.03.Автореферат разослан « 23 » декабря 2016 г.Ученый секретарьдиссертационного советадоктор технических наук, профессорО.А. Тягунов3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

Для определения положенияобъектов вне помещений успешно применяются технологии спутниковой навигации (GPS, ГЛОНАСС), а также технологии, использующиесредства мобильной связи (GSM). Однако для определения местоположения объектов внутри помещений они малопригодны либо в связи снизкой точностью GSM, либо в связи с невозможностью применениявследствие ослабления спутникового сигнала в стенах и перекрытияхзданий.Для определения местоположения объектов в помещениях используются технологии беспроводных сетей, такие как Bluetooth, Wi-Fi илиZigBee, среди которых наиболее широкое распространение получилисети стандарта IEEE 802.11, известные также как сети Wi-Fi.

Ключеваяпроблема здесь – обеспечение требуемой точности при многообразиивнешних факторов, значительно усложняющих реальную интерференционную картину Wi-Fi покрытия.Современные системы позиционирования позволяют отслеживатьместоположение персонала, проводить инвентаризацию активов организации, а также обеспечивают быстрый доступ к оборудованию итранспортным средствам. Такие области применения требуют высокойточности определения местоположения объектов (до нескольких метров). Это позволяет считать точность определения местоположения вбеспроводных сетях важной характеристикой систем позиционирования, а исследование методов ее повышения актуальной научной задачей.Цель работы.

Целью диссертации является увеличение точностилокализации местоположения объектов в беспроводных сетях стандартаIEEE 802.11 (сети Wi-Fi) по данным об уровнях мощности сигналов засчёт разработки новых и модернизации существующих методов обработки информации.Для достижения цели работы были поставлены следующие основные задачи исследования:1. Экспериментальная оценка точности существующих методовпозиционирования объектов по данным об уровнях мощностиWi-Fi сигналов.2. Разработка алгоритмов локализации местонахождения объектовпо данным беспроводных Wi-Fi сетей на базе методов корреляционно-экстремальных систем.43. Разработка алгоритмов повышения точности позиционированияобъектов и их групп, основанных на совокупном использованииметодов обработки информации и комбинации беспроводныхтехнологий.4.

Разработка процедуры построения систем позиционированияобъектов по данным беспроводных сетей Wi-Fi.Научная новизна работы состоит в следующем:1. Разработана новая мера близости для существующего модернизированного метода k-ближайших соседей на базе алгоритмаобобщённой фазовой корреляции, используемого в корреляционно-экстремальных системах. Применение данной меры позволяет достигнуть меньших значений ошибки позиционированияпо сравнению с существующими мерами близости.2. Разработан алгоритм локализации положения объектов и ихгрупп на основании совместного использования методов обработки информации об уровнях мощности сигналов Wi-Fi точекдоступа и устройств BLE (Bluetooth Low Energy). Для взаимнойкоррекции оценок координат близкорасположенных объектовпредложен новый подход, основанный на оценке степеней уверенности в правильности своего решения для каждого из совместно используемых методов позиционирования.3.

Разработана процедура синтеза систем локального Wi-Fi позиционирования объектов по данным об уровнях мощности сигналов. Процедура отличается от других тем, что она не зависит отиспользуемого оборудования и позволяет производить анализкачества систем до введения их в эксплуатацию.Практическая значимость работы состоит в разработке процедуры синтеза систем Wi-Fi позиционирования объектов, а также алгоритмических и программных средств, позволяющих определять координаты объектов по данным об уровнях мощности беспроводных сигналов свысокой точностью.Применение разработанной процедуры синтеза систем Wi-Fi позиционирования объектов в значительной степени упрощает настройку ивнедрение подобных систем.

Алгоритмы оценки качества, предложенные в рамках этой процедуры, позволяют выявлять проблемные зоны иучастки ещё до введения системы в промышленное использование, чтопозволяет сократить расходы, связанные с эксплуатацией системы.Высокая точность разработанных алгоритмов позиционированияпозволяет решить ряд важных практических задач, таких как оператив-5ный контроль доступа в зоны повышенной опасности и мониторинг соблюдения регламентных маршрутов.

Решение этих задач актуально натерриториально распределённых объектах и объектах, где применениестандартных систем контроля и управления доступом (СКУД) невозможно. К числу таких объектов относятся газо- или нефтеперерабатывающие заводы, площадь которых может составлять несколько квадратных километров, а также плавучие буровые установки, где, согласнотребованиям морской безопасности, недопустимо применение СКУД,блокирующих вход или выход из помещений.Реализация результатов диссертации. Основные теоретические ипрактические результаты, полученные в диссертации, были использованы при построении системы локального позиционирования сотрудников и посетителей на защищённом промышленном объекте ПАО«Газпром» московского региона.Алгоритмы локального позиционирования объектов, разработанные в рамках диссертационной работы, были включены в состав программно-аппаратного комплекса мониторинга местоположения объектов, разработанного компанией ООО «Гардлайнер».Личный вклад.

В работах, выполненных в соавторстве, Г.Ф. Филаретову принадлежат постановки задач и общее научное руководство.Личный вклад автора состоит в непосредственном получении теоретических результатов и выводов, проведении экспериментальных исследований и разработке прикладного программного обеспечения.Апробация работы. Основное содержание работы докладывалосьна XXI и XXII международных научно-технических конференциях«Информационные средства и технологии» (Москва, 2013 – 2014 гг.),на XXXI международной научно-технической конференции «Проблемыавтоматизации и управления в технических системах – 2015» (Пенза,2015 г.), а также на XIV международной конференции молодых учёных«Информационные технологии в науке, образовании и управлении», IT+ S&E`15 (Гурзуф, 2015 г.).Публикации.

Основные результаты диссертации опубликованы в12 печатных работах, в том числе 3 статьях [1, 2, 3] в изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России.Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит извведения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложения.Основная часть работы содержит 149 страниц машинописного текста,32 рисунка и 22 таблицы. Список литературы включает 120 наименований.6СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертации, определены её цель и задачи, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов и приведено краткое содержание диссертации по главам.В первой главе диссертации рассматриваются основные методы ибеспроводные технологии, применяемые при определении местоположения объектов в системах Wi-Fi позиционирования.Методы Wi-Fi позиционирования чаще всего базируются на использовании данных об уровнях мощности сигналов, принимаемыхобъектами от базовых станций (Wi-Fi точек доступа).

Эта характеристика носит название RSS (Received Signal Strength). Получение значений других характеристик Wi-Fi сигнала (например, временных) напрактике затруднено в связи с отсутствием стандартных программныхсредств доступа к ним.Методы Wi-Fi позиционирования принято делить на две группы –методы, в основу которых положено построение модели распространения сигнала, и методы, базовые принципы которых взяты из теорииклассификации.Методы первой группы определяют местоположение объекта путёмтрилатерации. При этом значения RSS, получаемые объектом от точекдоступа с известными координатами, преобразуются в расстояния доних с использованием модели распространения сигнала, которая можетстроиться различными способами, в том числе с использованием аналитических выражений, методов регрессионного анализа и с применениемнейронных сетей.