Системы распознавания образов

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ И ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ. СИСТЕМЫ РАСПОЗНАВАНИЯ ОБРАЗОВ

Резистивный газовый анализ

Резистивный измерительный преобразователь кон­центрации кислорода, такой, например, как преобразователь на основе окиси титана, может служить основой анализатора выхлопных газов. Окись титана представ­ляет собой вещество, сопротивление которого изменяется в зависимости от числа молекул кислорода, абсорбиро­ванных на его поверхности.

Преобразователь изготавливается из платиновой про­волоки или тонкопленочного резистора, поверхность ко­торого покрывается окисью титана. В зависимости от содержания кислорода в выхлопном газе слой окиси тита­на изменяет свое сопротивление и, следовательно, общее сопротивление прибора.

Для определения содержания иных газов применя­ются другие вещества. Существуют также преобразова­тели для обнаружения пропана и метана. В резистивных преобразователях имеются два элемента: один покрытый веществом, а другой — непокрытый. Он используется как температурный компенсирующий элемент, когда изме­рения осуществляются с преобразователем, включенным в мостовую схему.

ЛЕКЦИЯ 15

План лекции:

1. Системы автоматического контроля и технической диагностики. Системы распознавания образов

Общие понятия. Системы автоматического контроля (САК) и системы технической диагностики (СТД) являются разновид­ностями ИИС, с помощью которых осуществляется контроль за состоянием различных объектов.

Отличием СТД от САК является то, что СТД не только выдает информацию исправности или неисправности контролируемого объекта, но и указывает место неисправности. Практически лю- бая СТД имеет в своем составе устройство воздействия на объект в виде генераторов стимулирующих воздействий, в то время как САК может не иметь таких устройств.

Системы автоматического контроля. Современные САК делят на системы, в которых осуществляется непрерывный контроль параметров объекта, и системы с дискретным последовательным контролем этих параметров. Система с непрерывным контролем параметров объекта, структурная схема канала которой пред­ставлена на рис.65, содержит в каждом канале контроля сравнивающее устройство СУ и устройство индикации отклоне­ний ИО, причем число этих устройств в каждом канале зависит от числа установленных границ изменения параметра.

Рис.65 Структурная схема одного канала САК с непрерывным контролем.

Практически таких границ (норм) может быть от одной до четырех: предупре­дительная «меньше», предупредительная «больше», аварийная «меньше» и аварийная «больше». Устройство выработки и хране­ния норм Н может быть общим для многих каналов или индивиду­альным для отдельных каналов. Системы с непрерывным контро­лем требуют большого количества оборудования и потому приме­няются только для контроля наиболее ответственных параметров, для которых необходимо обеспечить высокую надежность контро­ля и своевременность выдачи результата контроля.

Системы автоматического контроля с дискретным последова­тельным контролем являются наиболее распространенными. Они требуют меньшего количества оборудования и потому более де­шевы. Структурная схема такой системы представлена на рис.66. Контролируемые величины, преобразованные в уни­фицированные сигналы, например напряжения U₁- U_n,через измерительный коммутатор ИК поочередно поступают на сравнивающее устройство СУ, где сравниваются с нормами. При нали­чии нескольких норм у одного контролируемого параметра норма может меняться во время контроля данного параметра. Измене­ние норм и переключение ИК осуществляется с помощью устрой­ства управления УУ. Средство представления информации СПИ может содержать устройства индикации отклонений (общие, групповые или индивидуальные) и устройства цифровой регис­трации. Кроме суждений о состоянии контролируемого парамет­ра, СПИ также выдает и регистрирует номер контролируемого канала (от УУ) и время наступления события (от устройства формирования сигналов времени УФВ).

Недостаток этих систем — большая избыточность операций контроля, так как частота проведения контроля выбирается с уче­том экстремальных динамических свойств контролируемых пара­метров. В то же время из-за недостаточности предварительных сведений о динамических свойствах объекта или невозможности построения САК в соответствии с этими экстремальными свой­ствами может возникнуть ситуация, когда один или несколько параметров выйдут за пределы норм вследствие ожидания обслу­живания и может быть пропущен предаварийный или даже ава­рийный режим работы объекта.

Рис.66 Структурная схема САК с дискретным контролем.

Выпускаемые промышленностью САК обычно являются ком­бинированными, т. е. наиболее важные параметры контролируют­ся непрерывно, а по всем остальным параметрам осуществляется дискретный последовательный контроль.

Системы технической диагностики. По целевому назначению системы технической диагностики (СТД) делят на собственно диагностические и прогнозирующие. Собственно диагностические системы предназначены для установления диагноза, т. е. для обнаружения неисправности или подтверждения исправности проверяемого объекта. Прогнозирование является более трудной задачей и заключается в том, что по результатам проверки в пре­дыдущие моменты времени предсказывается поведение объекта в будущем.

По характеру процедуры выработки оценки состояния объек­та диагностики СТД делят на статистические и детерминированные. При статистической оценке состояния объекта решение выносится на основании измерений или проверок сигналов, ха­рактеризующих объект, а при детерминированной — параметры проверяемого объекта сравнивают с параметрами объекта, при­нятого за образцовый. Обычно вместо образцового объекта ис­пользуют сигналы, имитирующие его поведение. Эти сигналы хранятся в соответствующих устройствах СТД.

Существуют следующие виды проверок: функциональная, алгоритмическая и логически-комбинационная. При функцио­нальной проверке выявляют наличие сигнала на выходе объекта при поступлении сигнала на его вход; отсутствие выходного сиг­нала является отказом. При алгоритмической проверке в соответ­ствии с алгоритмом работы объекта проверяется последователь­ность выполнения функций. Логически-комбинационная провер­ка, называемая также тестовой, позволяет обнаруживать неисправности на любом уровне. На вход проверяемого объекта в этом случае подают специальный диагностический тест, специ­альные стимулирующие сигналы.

Наиболее сложной задачей, возникающей при диагностике, является задача отыскания узла, вызвавшего неисправность. При этом каждая очередная проверка должна выполняться с уче­том функциональной значимости каждого узла, относительных вероятностей возможных причин неисправности, относительных затрат времени, необходимого для осуществления проверки, а также полученной ранее информации. Существуют различные методы оптимизации программ диагностики, разработанные на основе указанных принципов.

Одна из возможных структурных схем системы технической диагностики представлена на рис.67.

Рис.67 Структурная схема системы технической диагностики.

Информация от объекта диагностики ОД через датчики Д₁ — Д_n с унифицированными выходными сигналами и измерительный коммутатор ИК₁ посту­пает на устройство контроля параметров УКП, содержащее ус­тройства измерения и сравнения параметров с нормами. Резуль­таты контроля поступают в устройство обработки УО, где могут сравниваться с образцовыми результатами, получаемыми из опе­ративного запоминающего устройства ОЗУ. Кроме того, в ОЗУ может быть записана программа проверки, поступающая от ус­тройства ввода программы УВП через устройство распределения информации УРИ, которое управляет также работой генератора стимулирующих сигналов ГСС и измерительного коммутатора ИК₂, на вход которого подаются напряжения от ГСС. Эти напря­жения с выходов ИК₂ преобразуются преобразователями П₁ — П_n в соответствующие сигналы, воздействующие на ОД. Такими сигналами могут быть как электрические сигналы, так и неэлек­трические. Представление информации оператору О осуществля­ется средством представления информации СПИ. В зависимости от полученной информации оператор через устройство управле­ния УУ может воздействовать на УВП, изменяя программу про­верки.

Распознавание образов применяется для автоматического рас­познавания печатных, рукописных и фотографированных знаков, текстов, рисунков и схем; для распознавания звуков речи, ко­манд, передаваемых голосом; для выявления некоторых ситуаций в сложных технических комплексах, таких как критическое или аварийное состояние и т.д.

Главными целями распознавания образов являются расшире­ние возможностей общения человека с машиной и расширение возможностей автоматизации путем освобождения человека-опе­ратора от многих операций, которые ограничивают быстродей­ствие, надежность и эффективность функционирования автома­тизированных комплексов.

Распознавание определяется как процесс отнесения ситуаций, явлений, образов к одному из нескольких или многих заранее оп­ределенных классов на основе анализа их характеристик. При рас­познавании возникают взаимосвязанные задачи выбора парамет­ров распознавания и задачи нахождения и оценки качества реша­ющей функции.

Для выбора параметров предварительно выделяют совокупность параметров (признаков), характеризующих рассматриваемый об­раз. Эти признаки могут быть представлены в виде точки в много­мерном пространстве, которое называется пространством объек­тов, а вектор — вектором объекта.

Задача нахождения решающей функции должна рассматриваться с учетом сведений об объектах. Она должна удовлетворять следу­ющим условиям:

• ƒ()0, если объект принадлежит к одному классу;

• ƒ() < 0, если объект принадлежит к другому классу.

Следовательно, решающая функция позволяет найти гиперпо­верхность, разделяющую многомерное пространство на классы.

Широко применяемый непараметрический (адаптивный) ме­тод распознавания базируется на итеративной процедуре оптими­зации параметров распознавания.

На рис.68 приведена структурная схема системы распозна­вания образов.

Рис.68 Структурная схема системы распознавания образов.

Детектор признаков (ДП) воспринимает физическое воздей­ствие, характеризующее объекты, и выдает на выходе совокуп­ность сигналов, несущих признаки (параметры) распознаваемо­го образа. В случае необходимости в ДП производится освобождение (фильтрация) от шумов (помех), нормализация по геометри­ческим размерам и положению (масштабирование), координат­ные преобразования и т.д.

Детектор признаков во многих случаях выполняется в виде рецепторного фотоэлектронного поля с системой развертки для рас­познавания образов или микроЭВМ.

В блоке памяти хранятся программы исходных, промежуточ­ных и конечных данных, а также программы функционирова­ния. Особенность его состоит в необходимости хранения описа­ний распознаваемых классов и запоминания значений оптими­зируемых параметров классификатора. Блок памяти может со­держать оптические маски, магнитные барабаны, аналоговую память и т.д.

Решение о принадлежности совокупности объектов (образа) к одному из заранее определенных классов принимает классифика­тор CPU. Это осуществляется в соответствии с принятым крите­рием распознавания или правилом решения в его устройстве на основе сигналов, выдаваемых детектором признаков. Критерием распознавания называется правило, по которому строится гипер­поверхность, разделяющая распознаваемые образы на классы в пространстве признаков (объектов). Классификатор выполняется в виде сети из линейных пороговых элементов или вычислитель­ного устройства.

Сравнение действительного образцового описания распозна­ваемых классов и выработка сигналов ошибки производятся в ус­тройстве сравнения.

Для функционирования распознающей системы необходимым условием является наличие сведений о классах совокупностей объектов. Эти сведения задаются заранее или возникают в процес­се обучения, который в этом случае предшествует процессу клас­сификации. В процессе обучения на вход распознающей системы последовательно подаются признаки образов каждого класса и если система при этом сообщает, к какому классу принадлежит образ, процесс называется обучением с учителем. Если же система не со­общает, к какому классу принадлежит образ, процесс называется обучением без учителя или самообучением.

ЛЕКЦИЯ 16

План лекции:

1. Метрологическое обеспечение технологических измерений

1.1. Государственная метрологическая служба

1.2. Государственная система обеспечения единства измерений

1.3. Поверка, ревизия и экспертиза средств измерений

Дата добавления: 2014-01-20