CC BY
600
ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ОРГАНОВ ВНУТРЕННИХ
дЕл
application of acoustic information technologies in activity of law-enforcement
bodies
УДК 37.047
А.И. ПРИМАКИН,
доктор технических наук, профессор (Санкт-Петербургский университет МВД России) e-mail: a.primakin@mail.ru
A.I. PRIMAKIN,
Doctor of Engineering , professor (The Ministry of Internal Affairs St. Petersburg university of Russia)
Аннотация: представлены результаты многолетних исследований, проводимых на кафедре специальных информационных технологий Санкт-Петербургского университета МВД России, которые были продиктованы необходимостью решения ряда задач при различных оперативно-тактических ситуациях (охрана объектов и территорий, обнаружение нарушителей в замкнутых пространствах, поиск взрывоопасных предметов) посредством применения акустических технологий.
Ключевые слова: акустические информационные технологии; сейсмические методы обнаружения нарушителей, обнаружения и идентификации живых организмов в замкнутом пространстве; акустическая поисковая система обнаружения и идентификации взрывоопасных объектов.
Abstract: results of the long-term researches conducted on chair of special information technologies of the Ministry of Internal Affairs St. Petersburg university of Russia which were dictated by need of the solution of a number of tasks at various operational and tactical situations (protection of objects and territories, detection of violators in the closed spaces, search of explosive subjects) by means of application of acoustic technologies are presented.
Keywords: acoustic information technologies, seismic methods of detection of violators, detection and identification of live organisms in the closed space, a speaker search engine of detection and identification of explosive objects.
Деятельность подразделений органов внутренних дел (ОВД) во многом связана с решением следующих задач:
- охрана объектов военного назначе-
ния (ОВН), закрытых административных территориальных образований, районов с чрезвычайным положением (ЧП), а также городов, объявленных местами проведения
Проблемы правоохранительной деятельности 2’15
67
Информационные технологии в деятельности ОВД
антитеррористических операций;
- обнаружение и идентификация людей (нарушителей) в скрытых для просмотра помещениях, замкнутых пространствах (ЗП) и емкостях: цистернах, контейнерах, автомобилях с потайными местами;
- поиск и обнаружение взрывоопасных предметов при проведении контртеррористических операций;
- пресечение несанкционированных проходов через государственную границу и т.п.
В решении этих задач, помимо организационных методов, важная роль принадлежит техническим средствам - информационным технологиям, в данном случае акустическим, которые активно применяются. Однако процесс обнаружения нарушителя при проведении оперативных мероприятий часто сопровождается наличием естественных и искусственных помех, которые затрудняют процесс определения местонахождения и идентификации противника.
Среди различных информационных технологий находят применение акустические информационные технологии (АИТ), которые отличаются устойчивостью по отношению к возможным угрозам радиоэлектронного подавления в силу специфики природы акустических каналов (сред).
Основанием для более широкого использования и перспективности акустических систем мониторинга (АСМ) является тот факт, что только акустические сигналы обеспечивают надежную передачу информации на требуемые расстояния в таких средах, как грунт, селевые потоки, мокрый снег и т.д.
На сегодняшний день АСМ находят применение в деятельности ОВД и других силовых министерствах России, а именно:
- при обнаружении нарушителей, пытающихся проникнуть на объекты военного назначения (в основе функционирования АСМ лежит обработка низкочастотной - сейсмической информации) [1, с. 45; 2, с. 17-21; 3, с. 35-38];
- при обнаружении живых организмов с использованием низких инфразвуковых колебаний в замкнутых, труднодоступных для досмотра пространствах - контейнерах, цистернах и т.п. [4, с. 27-31; 5, с. 11-13].
Однако применение АСМ сдерживается ограниченным вниманием со стороны разработчиков технических средств к проблеме информационной безопасности. Занимаясь этой проблемой, научный коллектив кафедры информационных систем Санкт-Петербургского университета МВД России, в
дополнение к сказанному, проработал ряд направлений, связанных с повышением эффективности функционирования АСМ.
Первое направление связано с АСМ по обнаружению нарушителей, пересекающих периметры охраняемых территорий. В этом случае, несмотря на перспективность использования сейсмической информации, применение ее в процессе обнаружения нарушителей осуществлялось без когерентной пространственной обработки. Так, например, в сейсмической системе «Подснежник», даже при наличии совокупности датчиков, обмен информацией между ними осуществляется не когерентно. Поэтому невозможно выделить полезный сигнал в окружающих шумах.
У применяемых в настоящее время АСМ в процедуре обработки сигналов от цели отсутствуют данные о пространственных корреляционных свойствах сигналов сейсмического канала, а также модели сейсмических сигналов от движущихся источников. Указанная модель необходима для формирования процедуры обработки сейсмических сигналов, а также для построения алгоритма и программы, реализующих с помощью цифровой технологии обработку информации в АСМ.
С целью решения поставленной научно-технической проблемы по повышению эффективности сейсмической системы мониторинга разработаны методы [2, с. 39-52; 6, с. 103-107]:
- совместного использования сейсмических каналов, и на этой основе формирование сейсмической системы с повышенной помехоустойчивостью (локальной антенны);
- построения взаимной корреляционной обработки с учетом информации о спектральных характеристиках сигнала и помехи, позволяющей разрешать по азимуту полезные сигналы от направленных помех;
- применения в качестве правила обработки - функции когерентности сигналов.
Для обоснования теоретических расчетов оценки эффективности АСМ проведены экспериментальные исследования, которые показали, что для одиночного нарушителя в сложной сигнально-помеховой обстановке дальность действия системы составляет 165 м, а в спокойных условиях - 918 м; для группы людей в неблагоприятной помеховой обстановке дистанция обнаружения составила - 1500 м, а в спокойных условиях - 7300 м [2, с. 79-92; 7, с. 187-193].
Второе направление исследований связа-
Проблемы правоохранительной деятельности 2’15
68
Информационные технологии в деятельности ОВД
но с повышением эффективности функционирования АСМ по обнаружению возможных нарушителей в замкнутых пространствах (контейнерах, цистернах и т.п.).
Функционирование этих систем базируется на использовании механической энергии от объектов обнаружения (людей) в диапазоне инфразвуковых и низких звуковых частот (результат работы сердца и дыхательной системы) [5, с. 16-22].
Анализ существующих технических решений средств обнаружения нарушителей, а также людей в замкнутом пространстве показал, что они не учитывают всей совокупности имеющихся априорных данных о среде (акустических характеристик среды), внешних помехах, распространяемых сигналах. Очевидно, что решение проблемы повышения эффективности АСМ возможно только при условии наиболее полных знаний о среде передачи информации, помехоустойчивости системы в целом, о возможности селекции системой целенаправленной помехи и борьбы (компенсации помехи) с ней.
Другим ограничивающим фактором, сдерживающим применение АСМ в практической деятельности по охране объектов военного назначения, является отсутствие эффективной информационной модели сигналов, в том числе от живых организмов. Отметим, что, говоря об информационной модели, предполагается наличие априорных данных о классификационных признаках, идентификации и классификации объектов обнаружения.
В результате проведенных исследований из физических соображений создана функциональная модель формирования и прохождения через среду сигнала от живого организма. В качестве метода анализа сигналов предложено осуществлять их корреляционную обработку посредством применения двухпозиционной акустической системы, каждый из датчиков которой является локальной антенной. В каждом канале при выполнении обработки сигналов использовалась эккартовская фильтрация. Другими словами, решалась задача построения правила, оптимизирующего двухканальную корреляционную обработку сигналов [4, с. 48-62; 8, с. 149-150].
Проведенные натурные эксперименты показали, что вероятность правильного обнаружения человека в транспортных средствах не ниже 0,95 при вероятности ложной тревоги 10-4. Для известных систем при той же ложной тревоге вероятность правильного
обнаружения человека составляет не выше 0,75 [4, с. 82-112; 133-152].
Третье направление исследований связано с применением акустических информационных технологий для поиска в грунтах взрывоопасных предметов при проведении контртеррористических операций спецподразделениями силовых ведомств.
На первом этапе исследования был проведен сравнительный анализ литературных и патентных материалов по существующим методам обнаружения ВП [9, с. 99-103], результаты которого показали, что в подавляющем большинстве случаев разработчики технических систем поиска в качестве оконечного звена используют слуховой анализатор человека (САЧ). Опыт применения систем поиска ВП показывает, что ни одна техническая приемная система не может сравниться с эффективностью слуховой системы человека по динамическому диапазону, помехоустойчивости и возможности классификации объектов поиска. Примерами таких устройств являются: приборы поиска инженерных мин и взрывоопасных предметов; мобильные средства обнаружения, разведки и наблюдения в которых слух человека выступает как приёмная система акустических сигналов.
Поэтому задачей проведенного научного исследования являлась разработка метода согласования слухового анализатора оператора с сигналами, поступающими от датчиков акустических поисковых систем войсковой и инженерной разведки, что обеспечило бы повышение эффективности работы поисковых элементов (ПЭ).
Эффективность функционирования поисковых систем зависит от природы физического явления, заложенного в ПЭ, от методов представления снятого с ПЭ сигнала и согласования выходного сигнала ПЭ с САЧ. Ввиду того, что в большинстве ПЭ используется эффект магнитостататики намагниченных тел, проведена оценка напряженности магнитного поля от объекта поиска.
Получено решение для общего случая, когда внешнее магнитное поле имеет произвольное направление по отношению к осям эллипсоида [7, с. 187-193]. В рассмотренном способе обнаружения полезный сигнал быстро убывает с увеличением расстояния до тела. Поэтому целесообразно было рассмотреть другой способ обнаружения, а именно индукционный метод выделения сигнала. Наведённая ЭДС в данном способе убывает с увеличением расстояния до тела гораздо
Проблемы правоохранительной деятельности 2’15
69
Информационные технологии в деятельности ОВД
медленнее, чем в предыдущем способе.
Здесь сигнал на входе датчика переносится из области низких частот в область высоких частот, затем усиливается и обрабатывается.
Откликом системы является сигнал, формируемый на выходе синхронного детектора в виде низкочастотного колебания. При этом свойства выходного сигнала отражают природу объекта поиска. При поиске ВП в основе процедуры функционирования поисковой системы, как правило, лежит метод синхронного детектирования. В металлоискателях для согласования низкочастотных колебаний с САЧ низкочастотный процесс на выходе синхронного детектора модулируется тоном. Результат модуляции прослушивается с помощью головных телефонов.
С учетом требования получения большей по объему информации о частотно-временных свойствах поля объекта предлагалось использовать синхронное детектирование с разверткой [10, с. 180-182].
Поисковая система содержит: датчик (поисковый элемент), фиксирующий параметры физического явления; генератор гармонических колебаний с частотой f0; фильтр; синхронный детектор и полосовой фильтр на низких частотах; устройство согласования.
Сигнал от генератора взаимодействует с сигналом от объекта поиска, и результат взаимодействия поступает на вход датчика, который реализует измерение явления на частотах в пределах полосы сигнала. С выхода датчика сигнал поступает на вход полосового фильтра и затем - на вход синхронного детектора, фильтр низких частот и затем на устройство согласования с САЧ, эволюция которого сформировала зону эффективного приема в диапазоне от 200 Гц до 4000 Гц.
Был предложен метод синхронного детектирования с разверткой. В основе метода положено условие: генератор сигнала имеет модуляцию частоты, например, по закону линейно-частотной модуляции (ЛЧМ).
Преимущество синхронного детектора с разверткой по сравнению с синхронным детектором с постоянной частотой в том, что в области взаимодействия физического явления с датчиком формируется набор частот. Поэтому, если явление частотно зависимо, то отклик на выходе датчика тоже будет частотно зависим, а это дает дополнительную информацию для классификации объекта оператором. Для повышения эффективности функции поискового элемента предлагается
использовать для прослушивания сигналы бинаурально с двух независимых датчиков с различной ориентацией элементов в пространстве.
Однако для окончательного решения этого вопроса необходимо было провести большой объем экспериментальных исследований по оценке пороговых характеристик слуха при восприятии им широкополосных сигналов, в том числе, при использовании бинаурального прослушивания сигналов.
Для проведения экспериментальных исследований в программной математической системе MathCAD был разработан цифровой аудиометр. Методика эксперимента на аудиометре заключалась в требовании обнаружения оператором на фоне шумовой помехи гиперболических сигналов с различной относительной полосой в условиях моноурального и бинаурального приемов [11, с. 50-52]. Сформированные сигналы с помехой «предъявлялись» слуховой системе оператора через головные телефоны (наушники).
Сравнительный анализ экспериментальных данных показал: наиболее эффективный прием для САЧ осуществляется для гиперболических сигналов с большой меллиновской частотой (больше 100), т.е. для сигналов, приближающихся к тональным сигналам; бинауральный прием САЧ эффективнее моноурального приема сигналов; наиболее эффективный прием у САЧ достигается для сигналов в диапазоне 32-64 волн.
Для оценки дальности обнаружения целей (объектов) исследовался частотный диапазон принимаемых сигналов. В области низких частот (НЧ) явление поглощения имеет меньшее влияние на сигнал, чем в области высоких частот. Кроме того, НЧ сигналы могут огибать препятствия, имеющие малые волновые размеры. Но эволюционно у САЧ не было необходимости вырабатывать эффективные свойства функционирования в этом диапазоне частот. Поэтому исследовалась возможность приема сигналов низкочастотного диапазона слуховой системой путем их переноса (транспонирования) в эффективный диапазон восприятия САЧ.
Целью эксперимента было выявление порогового значения входного отношения сигнал/шум, при котором САЧ обнаруживает транспонированные сигналы. Исследование проводилось с помощью цифровой акустической системы при реализации алгоритмов с помощью комплекса программ в математической среде MathCAD.
Проблемы правоохранительной деятельности 2’15
70
Информационные технологии в деятельности ОВД
Эксперимент показал, что обнаружитель может эффективно работать при согласовании воспроизводимых сигналов со САЧ, т.е. при перенесении сигнала в эффективный диапазон восприятия слуховой системой. Наиболее эффективный прием САЧ осуществляет на частоте 690 Гц.
На основе полученных экспериментальных результатов предложено техническое решение по разработке акустической поисковой
системы войсковой и инженерной разведки для обнаружения и идентификации ВП [12, с. 107-114].
Таким образом, совокупность полученных результатов повышает эффективность применения существующих АСМ и определяет пути создания новых технических средств для решения различных оперативно-тактических задач, встречающихся в деятельности ОВД.
Литература —
1. Технические средства охраны: справочник. Ч.1 / МВД РФ. - М., 1992. 99 с.
2. Применение акустических информационных технологий в МВД России (выявление угроз нарушения безопасности акустических информационных технологий при использовании сейсмических методов обнаружения нарушителей): Отчет о НИР (заключит.), руководитель: Примакин А.И. / СПбУ МВД России. - СПб., 2003. 135 с.
3. «Подснежник» система обнаружения: учеб. пособие / под ред. Н.В. Андрианова; ГУВВ МВД СССР. - М., 1979. 174 с.
4. Новые информационные технологии обнаружения несанкционированного доступа на охраняемые объекты (Метод обнаружения и идентификации живых организмов в замкнутом пространстве): Отчет о НИР (заключит.), руководитель: Примакин А.И. / СПбУ МВД России. - СПб., 2001. 176 с.
5. «Лаванда-М» прибор обнаружения: учеб. пособие / под ред. Н.В. Андрианова; ГУВВ МВД СССР. - М., 1984. 47 с.
6. Примакин А.И. Методы противодействия угрозам хищения (разрушения, модификации) информации при передаче ее по акустическим каналам связи // Труды III Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2003)». Санкт-Петербург, 2004. С. 103-107.
7. Примакин А.И. Методика и результаты экспериментальных исследований по передаче аудиосигнала в акустическом канале с учетом его масштабно-временных характеристик // Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России. 2002. № 2 (14). С. 187-193.
8. Примакин А.И. Метод обнаружения человека в замкнутом пространстве на основе регистрации его собственных инфразвуковых сигналов // Материалы IX Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика - 2004». - СПб., 2004. С.149-150.
9. Кузнецов И.В., Примакин А.И. Сравнительный анализ существующих методов обнаружения взрывоопасных предметов при проведении контртеррористических операций // Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России. № 4 (44). 2009. С. 99-103.
10. Ковалевский Н.Г, Кузнецов И.В, Примакин А.И. Обеспечение информационной безопасности действий войск посредством применения акустической системы обнаружения и классификации объектов военного назначения // Труды V Санкт-Петербургской межрегиональной конференции «Информационная безопасность регионов России (ИБРР-2007)». - СПб., 2008. С. 180-182.
11. Ковалевский Н.Г., Кузнецов И.В., Примакин А.И. Повышение эффективности работы систем обнаружения и идентификации посредством метода согласования слухового анализатора оператора с акустическими сигналами от объекта поиска // Труды XI Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика - 2008». - СПб., 2009. С. 50-52.
12. Кузнецов И.В., Примакин А.И. Акустическая поисковая система войсковой и инженерной разведки для обнаружения и идентификации взрывоопасных объектов // Вестник Санкт-Петербургского университета МВД России. № 4 (48). 2010. С. 107-114.
References
1. Technical means of protection: Reference book. P.1 / Ministry of Internal Affairs of the Russian Federation. - M., 1992. 99 p.
2. Application of acoustic information technologies in the Ministry of Internal Affairs of Russia (identification of threats of violation of safety of acoustic information technologies when using seismic methods of detection of violators): The report on NIR (will conclude.), head: Primakin A.I. / SPBU Ministry of Internal Affairs of Russia. - SPb., 2003. 135 p.
3. «Snowdrop» system of detection: Studies. A grant / Under the editorship of N. V. Andrianov; GUVV Ministry of Internal Affairs USSR. - M., 1979. 174 p.
4. New information technologies of detection of unauthorized access to the protected objects (A method of detection and identification of live organisms in the closed space): The report on NIR (will conclude.), head: Primakin A.I. / SPBU Ministry of Internal Affairs of Russia. - SPb., 2001. 176 pages.
5. «Lavanda-M» detection device: Studies. A grant / Under the editorship of N. V. Andrianov; GUVV Ministry of Internal Affairs USSR. - M., 1984. 47 p.
6. Primakin A.I. Methods of counteraction to plunder threats (destructions, modifications) information by its transfer on acoustic communication channels / Works III of the St. Petersburg interregional conference «Information Security of Regions of Russia (IBRR-2003)». - St. Petersburg, 2004. P. 103-107.
7. Primakin A.I Metodika and results of pilot studies on transfer of an audiosignal in the acoustic channel taking into account its large-scale and time characteristics // ТГ^ Bulletin of the Ministry of Internal Affairs St. Petersburg university of Russia. 2002. № 2 (14). P. 187-193.
Проблемы правоохранительной деятельности 2’15
71
Информационные технологии в деятельности ОВД
8. Primakin AJ. Metod of detection of the person in the closed space on the basis of registration of its own infrasonic signals // Materials of the IX St. Petersburg international conference «Regional Informatics - 2004». - St. Petersburg. 2004. P. 149-150.
9. Kuznetsov I.V., Primakin AJ. The comparative analysis of the existing methods of detection of explosive subjects when carrying out counter-terrorist operations // The Bulletin of the Ministry of Internal Affairs St. Petersburg university of Russia. № 4 (44). 2009. P. 99-103.
10. Kowalewski N.G., Kuznetsov I.V., Primakin AJ. Ensuring information security of actions of troops by means of use of the speaker system of detection and classification of military objects // Works V of the St. Petersburg interregional conference «Information Security of Regions of Russia (IBRR-2007)». - SPb., 2008. P. 180-182.
11. Kowalewski N.G., Kuznetsov I.V., Primakin AJ. Increase of overall performance of systems of detection and identification by means of a method of coordination of the acoustic analyzer of the operator with acoustic signals from object of search // Works XI of the St. Petersburg international conference «Regional Informatics - 2008». - SPb., 2009. P. 50-52.
12. Kuznetsov I.V., Primakin AJ. A speaker search engine of army and engineering investigation for detection and identification of explosive objects // Bulletin of the Ministry of Internal Affairs St. Petersburg university of Russia. № 4 (48). 2010. P. 107-114.
(Статья сдана в редакцию 15.05.2015)
МНОГОКРИТЕРИАЛЬНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
ОХРАНЫ ОБЪЕКТОВ УГОЛОВНО-ИСПОЛНИТЕЛЬНОЙ
СИСТЕМЫ
multicriteria optimization of elements of protection of objects of criminal and executive
system
УДК 519.72
В.И. СУМИН,
доктор технических наук, профессор (Воронежский институт ФСИН России) e-mail: viktorsumin51@yandex.ru
А.В. ДУШКИН,
доктор технических наук, доцент (Воронежский институт ФСИН России)
e-mail: a dushkin@mail.ru
О.В. ИСАЕВ,
(Воронежский институт ФСИН России )
OlegIsaev71@yandex.ru
V.I. SUMIN,
doctor of technical Sciences, Professor (Voronezh Institute of the Federal penitentiary service of Russia)
A.V. DUSHKIN,
doctor of technical Sciences, associate Professor (Voronezh Institute of the Federal penitentiary service of Russia)
O.V. ISAEV,
(Voronezh Institute of the Federal penitentiary service of Russia)
Проблемы правоохранительной деятельности 2’15
72
