Диссертация (1090554), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Экспериментальная оценка точности определения локальных координатобъектов, достигаемой применением существующих методов обработкиинформации об уровнях мощности Wi-Fi сигналов.2. Разработка алгоритмов локализации местонахождения объектов в сетяхWi-Fi на базе методов корреляционно-экстремальных систем.3. Разработка методов повышения точности локального позиционированияобъектов и их групп за счѐт использования совокупности методов обработки информации и комбинации беспроводных технологий.4.
Разработка процедуры построения систем позиционирования объектовпо данным беспроводных сетей стандарта IEEE 802.11 (Wi-Fi).Методы исследования. Основные теоретические и экспериментальные исследования диссертационной работы выполнены с применением методов системного анализа, обработки информации, математической статистики и методов объектно-ориентированного программирования.Научная новизна работы состоит в следующем:1. Разработана новая мера близости для существующего модернизированного метода k-ближайших соседей на базе алгоритма обобщѐнной фазовой корреляции, применяемого в корреляционно-экстремальных системах.
Применение разработанной меры позволяет достигнуть меньших8значений ошибки позиционирования по сравнению с существующимимерами близости.2. Разработан алгоритм локализации положения объектов и их групп на основании совместного использования методов обработки информации обуровнях мощности сигналов Wi-Fi точек доступа и устройств BLE (Bluetooth Low Energy). Для осуществления взаимной коррекции оценок координат близкорасположенных объектов предложен новый подход, основанный на оценке степеней уверенности в правильности своего решениядля каждого из совместно используемых методов позиционирования.3.
Предложена процедура синтеза систем локального Wi-Fi позиционирования по данным об уровнях мощности беспроводных сигналов. Отличиеразработанной процедуры от существующих заключается в том, что онане зависит от используемого оборудования и позволяет производить анализ качества систем до их промышленного внедрения.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 обуровнях мощности беспроводных сигналов с высокой точностью.Применение разработанной процедуры синтеза систем Wi-Fi позиционирования объектов в значительной степени упрощает настройку и внедрение подобных систем. Алгоритмы оценки качества, предложенные в рамках этой процедуры, позволяют выявлять проблемные зоны и участки ещѐ до введения системы впромышленное использование, что позволяет сократить расходы, связанные сэксплуатацией системы.Разработанные методы определения местоположения объектов по даннымоб уровнях мощности беспроводных сигналов обладают достаточными точностными характеристиками для построения высокоточных систем локального позиционирования.
Это позволяет решить ряд важных практических задач, таких какоперативный контроль доступа в зоны повышенной опасности, мониторинг соблюдения регламентных маршрутов и т.д. Решение этих задач актуально на тер-9риториально распределѐнных объектах и объектах, где применение стандартныхсистем 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 буровыеустановки, где, согласно требованиям морской безопасности, недопустимо применение СКУД, блокирующих вход или выход из помещений.Системы локального позиционирования, использующие для вычисленияместоположения объектов данные об уровнях мощности беспроводных сигналов,применяют одинаковый набор методов обработки информации, поэтому основные результаты диссертационной работы могут быть использованы при построении систем локального позиционирования на базе беспроводных технологийиных разновидностей.Достоверность научных результатов подтверждена теоретическими выкладками, результатами экспериментальных исследований, а также сравнениемполученных результатов с данными, приведѐнными в научной литературе.Реализация результатов диссертации.
Основные теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, были использованы при построении системы локального позиционирования сотрудников и посетителей на защищѐнном промышленном объекте ПАО «Газпром» Московского региона.Алгоритмы локального позиционирования объектов, разработанные в рамках диссертационной работы, были включены в состав программно-аппаратногокомплекса мониторинга местоположения объектов, разработанного компаниейООО «Гардлайнер», и были использованы в учебном курсе «Интеллектуальныеинформационные системы» кафедры управления и информатики НИУ «МЭИ».Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось на XXI иXXII международных научно-технических конференциях «Информационныесредства и технологии» (Москва, 2013 – 2014 гг.), на XXXI международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах – 2015» (Пенза, 2015 г.), а также на XIV международной конферен-10ции молодых учѐных «Информационные технологии в науке, образовании иуправлении», IT + S&E`15 (Гурзуф, 2015 г.).Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах [19, 21, 30, 59, 60, 76, 79, 84, 85, 88, 117, 118], в том числе 3 статьях[76, 85, 88] в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования инауки Российской Федерации.Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В диссертации предложены методы обработки информации, предназначенные для позиционирования объектов по данным об уровнях мощности беспроводных сигналов, атакже процедура синтеза систем локального Wi-Fi позиционирования. Разработанная процедура включает алгоритмы оценки качества подобных систем. По результатам исследования разработан комплекс программ, реализующий предложенную процедуру синтеза, а также набор методов локального позиционированияобъектов, рассмотренных и разработанных в рамках диссертации.
Таким образом,настоящая диссертация соответствует формуле специальности 05.13.01 (системный анализ, управление и обработка информации) по пунктам 4, 5 и 11 паспортанаучной специальности.Структура, объѐм и содержание работы. Диссертационная работа состоитиз введения, четырѐх глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть работы содержит 149 страниц машинописного текста, 32 рисунка и 22таблицы.
Список литературы включает 120 наименований.Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены еѐцель и задачи, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов и приведено краткое содержание диссертации по главам.В первой главе диссертации рассматриваются основные методы и беспроводные технологии, применяемые при определении местоположения объектов всистемах позиционирования разного масштаба.Беспроводными технологиями систем локального позиционирования являются сети микросотовой связи DECT, а также радиосети Wi-Fi, Bluetooth, ZigBeeи nanoLOC.
Каждая из технологий обладает своими преимуществами, но11наибольшее распространение на практике получила технология Wi-Fi, являющаяся признанным стандартном организации беспроводных локальных вычислительных сетей (ЛВС).Методы систем локального позиционирования, рассчитывающие местоположение объектов по данным об уровнях мощности сигналов (RSS), принимаемых объектом от базовых станций (точек доступа Wi-Fi), принято делить на двегруппы – методы, в основу которых положено построение модели распространения сигнала, и методы, базовые принципы которых взяты из теории классификации. Вторая группа методов в свою очередь подразделяется на две категории –детерминистские и вероятностные методы. Первые используют методы группыближайшего соседа, вторые применяют теорему Байеса.В литературе показано, что методы первой группы обладают более низкойточностью по сравнению с методами второй группы.
Их средняя точность напрактике составляет порядка 5-10 метров, в то время как точность методов, основанных на классификации полученных измерений, может достигать несколькихметров.Важно отметить, что методы систем локального позиционирования по данным об уровне мощности беспроводных сигналов практически не зависят от используемой беспроводной технологии.
Это позволило сосредоточиться на системах Wi-Fi позиционирования без исключения общности решаемой задачи и полученных результатов.Также в рамках первой главы был выполнен анализ существующих подходов к увеличению точности локализации положения объектов, в результате которого были выявлены актуальные научные проблемы и уточнены задачи диссертации. К числу актуальных проблем относятся отсутствие единой научно обоснованной процедуры построения систем Wi-Fi позиционирования объектов, отсутствие исследований, направленных на применение методов корреляционноэкстремальных систем, а также недостаточная проработка вопроса позиционирования групп близкорасположенных объектов.12В качестве критериев оценки точности позиционирования были выбранысредняя и максимальная ошибка позиционирования.
Значения этих ошибок позволяют в полной мере оценить итоговую точности системы за счѐт учѐта еѐ регулярного поведения (средняя ошибка) и исключительных ситуаций, отрицательновлияющих на результирующую точность (максимальная ошибка).Вместе со значениями средней и максимальной ошибки также оценивалисьзначения минимальной ошибки и разброса.
Разброс значений ошибки рассчитывался как разница между минимальным и максимальным значением ошибки. Использование такой оценки разброса вместо величины среднеквадратического отклонения (СКО) обусловлено тем, что нет оснований рассчитывать на нормальность распределения ошибки.Вторая глава посвящена разработке методов увеличения точности локального позиционирования объектов. В ней отражены результаты экспериментального исследования точности существующих алгоритмов, подтвердившего преимущество методов, базирующихся на идеях теории классификации, над методами,основанными на использовании модели распространения сигналов, с точки зрениязначений средней и максимальной ошибок. Это позволило рекомендовать данныеметоды в качестве основы для построения высокоточных систем локального позиционирования.Во второй главе также был рассмотрен вопрос повышения точности за счѐтадаптации методов корреляционно-экстремальных систем и совместного использования нескольких беспроводных технологий и методов позиционирования.Адаптация методов корреляционно-экстремальных систем (КЭС) для решения задач локального позиционирования заключалась в поиске точек соприкосновения этих предметных областей.
Принцип действия КЭС заключается в статистическом поиске внутри предварительно сформированной матрицы наблюденийодной или нескольких записей, наиболее похожих на вектор текущих наблюдений.Близость изложенной постановки к задаче систем локального позиционирования позволила рассмотреть решающие функции алгоритмов корреляционно-13экстремальных систем как меры близости для модифицированного метода kближайших соседей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
