CC BY
2
И. В. Лазарев, кандидат технических наук, доцент
СИНТЕЗ АЛГОРИТМА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В СИГНАЛИЗАЦИОННОЙ ЗОНЕ ПЕРИМЕТРИЧЕСКИХ ОХРАННЫХ СИСТЕМ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
SYNTHESIS OF THE ALGORITHM OF INFORMATION PROCESSING IN THE SIGNALING ZONE OF PERIMETRIC SECURITY SYSTEMS OF DISTRIBUTED OBJECTS
Применительно к приведенной топологии периметрической охранной системы распределенных объектов синтезирован алгоритм обнаружения акта незаконного физического проникновения нарушителя в сигнализационную зону.
With regard to the given topology of the perimetric security system of distributed objects, an algorithm for detecting an act of illegal physical intrusion of an intruder in the signaling zone is synthesized.
Введение. В современных условиях актуальной задачей является охрана объектов различных форм собственности, а именно аэропортов, водоподъёмных станций, нефтеперерабатывающих предприятий, военных складов, морских портов и пр. от акта незаконного физического проникновения, осуществляемого противоправной стороной. При этом охрана распределенных объектов зачастую осуществляется путем создания многоуровневой структуры, в основе которой формируется ряд независимых зон. Среди независимых зон можно выделить основные: контролируемую и защищенную зоны. В первой зоне необходимо обеспечивать контроль доступа на территорию охраняемого объекта. Вторая зона — непосредственно примыкающая к объекту охраны область. При этом для обеспечения высокой безопасности при охране объекта необходимо предусмотреть оснащение зон охранными системами, среди которых в первую очередь следует выделить: систему инженерно-технической укреплённости объекта, систему физической защиты, систему технических средств охраны, систему управления охраны объекта.
Вместе с тем следует отметить, что в настоящее время периметрическая охранная система (ПОС), направленная на повышение уровня антитеррористической защищенности, является форпостом при создании систем физической защиты распределенных объектов. При этом построение эффективной ПОС, с одной стороны, во многом определяется важностью охраняемого объекта и линейкой технических средств на рынке охранных услуг, предлагаемых фирмами-производителями, а с другой — финансовыми возможностями заказчика. Для своевременного предотвращения акта незаконного физического проникновения нарушителя к критическим элементам по периметру охраняемого объекта создаются сигнализационные зоны (СЗ), которые в своей совокупности формируют рубежи охраны. Сигнализационные зоны оснащаются датчиками для обнаружения нарушителя. Причем количество датчиков, работоспособность которых основывается на принципах различной физической природы, а именно радиоволновые, ультразвуковые, акустические, вибрационные, инфракрасные и пр., должно быть достаточно велико вследствие того, что протяженность СЗ при охране распределенных объектов превышает
91
дальность действия (зону обнаружения), обеспечиваемую одним датчиком. При этом каждый датчик с использованием канала связи (в общем случае проводного или радиоканала) отправляет свое решение о наличии какой-либо цели (или проникновения в СЗ ПОС нарушителя) в интересах последующей обработки, например, в первичный узел обработки информации для принятия окончательного решения о фиксации акта незаконного физического проникновения, совершаемого нарушителем. На основании поступившей на пульт централизованного наблюдения пункта централизованной охраны информации лицо дежурного наряда, в частности оперативный дежурный, принимает адекватные меры по применению сил реагирования, направленные на противодействие актам незаконного физического проникновения на охраняемый объект [1].
С целью повышения эффективности применения сил реагирования необходима локализация (позиционирование) нарушителя в СЗ в зоне обнаружения, формируемой одним датчиком. Это обусловливает необходимость синтеза алгоритма объединения (комплексирования) информации с датчиков СЗ.
Основная часть. В настоящее время при проектировании систем физической защиты объектов стремятся уменьшить влияние человека, которому присущи невнимательность, утомляемость, заниженная реакция при принятии решений в условиях ограниченного времени, путем внедрения программно-аппаратных средств. При этом функционирование охранных систем определяется алгоритмами, ориентированными на извлечение, обработку, передачу информации, ее отображение в интересах своевременного реагирования на акты незаконного физического проникновения со стороны сил реагирования. Поэтому охранная система распределённых объектов может быть представлена информационной автоматизированной системой, включающей в себя систему первичной обработки информации и централизованный пункт управления (рис.1).
Рис. 1. Укрупненная структурная схема охранных систем распределенных объектов
При этом система первичной обработки информации и централизованный пункт управления в своих структурах содержат:
- подсистему обнаружения;
- подсистему связи;
- подсистему обработки информации;
- канал связи;
- пульт централизованного наблюдения (рис. 1).
Следует отметить, что структура системы физической защиты распределённых объектов представляет собой распределенную сеть и может наращиваться при необходимости, но, как правило, эта сеть всегда иерархична. Исходя из анализа рис. 1, следует отметить, что информация с подсистемы обнаружения, представленная результатами первичных наблюдений, обусловленными функционированием датчиков сигнализационной зоны, через подсистему связи поступает на подсистему обработки информации для формирования обобщенного информационного сигнала. Затем информационные сообщения с подсистемы обработки информации поступают в централизованный пункт управления, в котором они с использованием канала связи передаются на пульт централизованного наблюдения, где поступающая информация отображается, например, на экране монитора и воспринимается дежурными силами в виде сигнала тревоги.
В известной литературе применительно к охранным системам описываются различные подходы к разработке алгоритмов объединения информации с датчиков СЗ. При этом алгоритмы объединения информации с датчиков СЗ охранных систем рассматривались применительно к различным частным ситуациям [2—8], имеющим ограниченное применение вследствие их узконаправленности при решении различных практических задач.
Вместе с тем следует отметить, что, исходя из подходов, приведенных в [2], решение данной задачи возможно двумя способами: на этапе первичной обработки и на этапе вторичной обработки информации. При первичной обработке информации в подсистеме обработки информации осуществляется объединение сигналов, формируемых каждым датчиком сигнализационной зоны в случае акта незаконного физического проникновения, осуществляемого противоправной стороной. Следует отметить, что реализация данного подхода связана с необходимостью обеспечения высокой пропускной способности, что требует применения широкополосных линий связи. Второй способ обладает наибольшей простотой. Каждый датчик сигнализационной зоны на основании своих наблюдений выносит локальное решение о наличии или отсутствии объекта в зоне обнаружения в соответствии с реализованным алгоритмом. Затем локальные решения передаются по каналу связи в виде бинарной информации типа «да» (о наличии объекта-нарушителя) или «нет» (об отсутствии объекта-нарушителя) в подсистему обработки информации, где происходит их объединение в интересах выработки окончательного решения.
Как правило, при обработке однородной дискретной информации от нескольких источников при вынесении окончательного решения используется подход типа «k из п». Данное правило свидетельствует о том, что если k из п устройств выносят одно и то же решение, то и общее решение всей системы должно быть таким же. Однако данный подход обладает существенным недостатком, в частности, основным препятствием при практическом использовании является обоснованный выбор значения k [2].
Вместе с тем следует отметить, что, исходя из анализа типовой план-структуры охранной территории распределённых объектов, они содержат в своем составе несколько критических (КЭ1...КЭ3) элементов, а число СЗ (2Х... 26) представлено рядом направлений, формирующих рубеж охраны: 1-2, 2-3, 3-4, 4-5, 5-6 и 6-1 (рис. 2). При этом под СЗ будем понимать область пространства, в которой происходит обнаружение нарушителя радиотехническими средствами (датчиками) с заданными показателями качества. Например, при оснащении СЗ датчиками для обнаружения нарушителя, основанными на использовании принципа активной локации с пассивным ответом, формируемые решения, выносимые /-м датчиком, в соответствии с реализованным правилом могут быть верными либо ошибочными с определенными вероятностями и Д . Необходимо заметить, что в силу распределенного характера размещения КЭ1.. .КЭ3 и топологии охраняемого объекта для обеспечения формирования информационного сигнала тревоги на центральный пункт управления сигнализационные зоны (2Х ... ), являющиеся информативными частями подсистемы обнаружения, оснащаются несколькими датчиками.
1
о—
А
Рис. 2. План-структура охранной территории распределённых объектов
В этом случае, исходя из анализа структурно-параметрической схемы, отображающей связи между элементами и характеристиками охранных систем распределенных объектов, при решении задачи обнаружения объекта в СЗ сигнальная информация в подсистеме обработки информации с датчиков (Д) поступает в подсистему связи, где по каналам связи (КС) она передается с помощью определенного метода разделения каналов непосредственно в многоканальный узел обработки информации (УОИ) (рис. 3).
Объект
Рис. 3. Структурно-параметрическая схема охранных систем распределенных объектов 94
г!
г2
кэ2
кэ:
уои
Л
-' 3
гз
2
4
Затем от УОИ обобщенный сигнал об обнаружении объекта по задействованному каналу связи передаётся, в частности, на ПЦН для дальнейшего формирования информационного сообщения, например, воспринимаемого оперативный дежурным, как наличие сигнала «тревоги» или его отсутствие. Следует отметить, что информация от Д по КС в общем случае, по аналогии с каналом обнаружения радиотехнического датчика, передаётся с ошибками, а именно с вероятностями ошибок первого и второго рода, соответственно А ^ и В ¿. В этом случае введенные индексы / принимают численные значения в некотором диапазоне: / = 1,. .К (рис. 3).
Для синтеза алгоритма объединения информации в системе первичной обработки информации воспользуемся структурно-параметрической схемой (рис. 3), при этом оговорив несколько замечаний (условий). Всего СЗ содержит датчиков (в общем случае, разной физической природы). На рис. 3 объект Ох попадает в зону обнаружения второго датчика (значение /=2), этот датчик формирует дискретное решение о наличии (верное решение) или отсутствии (неверное решение) акта незаконного физического проникновения в СЗ ПОС. Остальные датчики также выносят свои решения о возможности проникновения в их зоны. Кроме того, полагаем, что сеть выполнена в радиальной форме (топология типа «звезда»), то есть дискретные решения от датчиков по каналу связи (без искажений или с искажениями в зависимости от соответствующего канала связи) передаются в УОИ. В дальнейшем будем предполагать, что дискретные решения по i-му каналу связи передаются без потерь, то есть вероятности ошибок А ^ и В I положим равными нулю.
С учетом вышеизложенного и принимая во внимание условия функционирования охранной системы в соответствии со структурно-параметрической схемой, для дальнейшего анализа решаемой задачи следует исходить из того, что для синтеза алгоритма объединения информации с датчиков СЗ необходимо ввести в рассмотрение некоторые гипотезы. Действительно, применительно к рассматриваемой задаче введем в рассмотрение К+1 гипотезу: Н,И2,...ИК иН0. Причем гипотеза Н (I = \,...К) означает, что акт незаконного физического проникновения, осуществляемый противоправной стороной, происходит, Н0 — то, что такого проникновения со стороны нарушителя не осуществляется. При этом /'-й датчик может вынести одно из двух решений, а именно решение щ = 1, если датчик обнаруживает акт незаконного физического проникновения, совершаемого нарушителем в зоне обнаружения датчика, и щ = — 1, если датчик не обнаруживает его.
Вместе с тем при функционировании датчиков различной физической природы в силу наличия шумов выносимые ими решения могут быть либо верными, либо ошибочными с некоторыми, отличными от нуля, вероятностями. Введем в рассмотрение вероятности ошибочных решений, в частности — вероятности ошибок первого и второго рода: ££г = Р[щ = 11 Н0 ] — условная вероятность вынесения решения /'-м датчиком об акте незаконного физического проникновения при условии, что на самом деле такого проникновения в сигнализационную зону нет (верна гипотеза Н0) — вероятность
ошибки первого рода, = Р[и/ = -1|Нг] — условная вероятность вынесения решения /'-м датчиком решения об отсутствии акта незаконного физического проникновения в сигнализационную зону при условии, что на самом деле несанкционированное проникновение происходит (верна гипотеза Н ) — вероятность ошибки второго рода.
В этом случае с учетом вышеизложенных предположений можно плотности вероятностей случайных величин иг при выполнении соответственно гипотез Ц ( = 1, ...К) и Н0 представить как
р (иг | Нд = ( 1 - 1) + ДО(иг + 1), * * 0, (1)
р(иг 1 Н0) = р(и г | Ну) = а г<5(и - 1 ) + ( 1 - а¿)5(и + 1 ), / * ) . (2)
Здесь Ж(/) — дельта-функция Дирака.
В выражениях (1) и (2) щ и //у представляют собой вероятности ошибок, обусловленные функционированием датчика в СЗ.
Далее для синтеза алгоритма обнаружения объекта в УОИ воспользуемся методом отношения правдоподобия. При наличии датчиков в сигнализационной зоне периметрической охранной системы с учетом того факта, что датчики выносят свои решения независимо, основываясь на подходах, приведенных в [9—11], с учетом выражений (1) и (2) для плотностей вероятностей представим функции правдоподобия в виде
л = ии Р^г I Н) = [( 1 - Р) - 1 ) + Р** + 1 )1 х (3)
хПы 1, г *у[щЖ(и г - 1 ) + ( 1 - щ)5(щ + 1)],
Ло = ПГ= 1Р(иг | Н о) = ПГ= 1,щЖ(и г - 1) + ( 1 - щ)Ж(иг + 1 )]. (4)
Это позволяет на основе выражений (3) и (4) ввести в рассмотрение К отношений правдоподобия как
_ Лу _ [( 1 - Ру) <иу - 1 ) + РуЖ(иу + 1 )] хПГ= 1, г*уЩ(и г - 1 ) + ( 1 - щ)Ж(иг + 1 )] _ 1у = Л0 = П£= 1,щЖ(иг - 1 ) + ( 1 - щ)Ж(иг + 1 )] =
(5)
_ ( 1 -^-)ж(цу - 1) +^Ж(цу+1) щ Ж(иу - 1 ) + ( 1 - щ ) Ж(иу + 1 )'
Введем обозначения вида
1-Д Р
С 1 | = —— , если и,- =1 , С 2 ; = —— , если и,- = - 1 . (6)
^ щ ' у у 1 -щ у 4 у
С учетом выражения (6) отношение правдоподобия, определяемое соотношением (5), применительно к рассматриваемой задаче представим в компактной форме как
х , где
С 1у, если Ну = 1, -С2у, если иу = — 1.
При этом правило вынесения решения, основанное на акте незаконного физического проникновения, осуществляемого противоправной стороной, в системе первичной обработки информации должно заключаться в нижеследующем.
Находим штук отношений правдоподобий и выбираем наибольшее из них, к примеру с номером (т.е. ). Затем результат сопоставляем с единицей, и если
он больше либо равен единице, принимается решение в пользу -й гипотезы (верна гипотеза Нм ), в противном случае — верна гипотеза Н0.
Следовательно, алгоритм объединения информации обеспечивает локализацию (позиционирование) нарушителя в СЗ ПОС, формируемой одним датчиком.
Для оценки эффективности синтезированного на основе отношения правдоподобия алгоритма необходимо определить соответствующие показатели этой эффективности обнаружения нарушителя в СЗ ПОС распределенных объектов.
Дальнейшее направление исследований может быть связано как с расчетом этих характеристик, так и с учетом искажения информации, передаваемой от датчиков по каналам связи на УОИ, например при использовании радиоканала в условиях шумов.
Заключение. Таким образом, синтезирован алгоритм фиксации акта незаконного физического проникновения, осуществляемого противоправной стороной, в СЗ ПОС на основе объединения информации, поступающей от датчиков на УОИ. Применение алгоритма обеспечивает локализацию (позиционирование) нарушителя в СЗ в зоне обнаружения, формируемой одним датчиком. На основе полученного алгоритма могут быть определены показатели эффективности обнаружения нарушителя в СЗ ПОС распределенных объектов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Организация деятельности подразделений вневедомственной охраны : курс лекций / С. А. Винокуров [и др.]. Ч. 1. — Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2010. — 171 с.
2. Магуенков Р. Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения : учебное пособие. — М. : Горячая линия — Телеком, 2004. — 367 с.
3. Sohraby K., Minoli D., Znati T. Wireless sensor networks: Technology, protocols, and applications. — Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2007. — 236 p.
4. Yingshu Li, My T. Thai, Weili Wu. Wireless Sensor Networks and Applications. — Boston : Springer, 2008. — 444 p.
5. Niu R.,Varshney P. K. Decision fusion in a wireless sensor network with a random number of sensors // IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. — 2005. — V. 4. — P. 861—864.
6. Thomopoulos S. C. A., Viswanathan R., Bougoulias D. C. Optimal decision fusion in multiple sensor systems // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, AES-23(5). — 1987. — P. 644—653.
7. Парфенов В. И., Голованов Д. Ю. Принципы построения и анализ эффективности функционирования беспроводных сенсорных сетей на основе теории Compressive Sensing // Цифровая обработка сигналов. — 2016. — № 2. — С. 14—19.
8. Парфенов В. И., Ле В. Д. Анализ показателей эффективности алгоритмов обработки информации в беспроводных сенсорных сетях // Радиолокация, навигация, связь : сборник трудов XXV Международной научно-технической конференций, 2019. — Т. 1. — С. 63—70.
9. Тихонов В. И. Оптимальный прием сигналов. — М. : Радио и связь, 1983. — 320 с.
10. Куликов Е. И., Трифонов А. П. Оценка параметров сигналов на фоне помех. — М. : Советское радио, 1978. — 296 с.
11. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория : справочник / Я. Д. Ширман [и др.] ; под ред. Я. Д. Ширмана. — М. : Маквис, 2007. — 828 с.
REFERENCES
1. Organizaciya deyatel'nosti podrazdelenij vnevedomstvennoj ohrany : kurs lekcij / S. A. Vinokurov [i dr.]. CH. 1. — Voronezh : Voronezhskij institut MVD Rossii, 2010. — 171 s.
2. Maguenkov R. G. Sistemy ohrannoj signalizacii: osnovy teorii i principy postroeniya : uchebnoe posobie. — M. : Goryachaya liniya — Telekom, 2004. — 367 s.
3. Sohraby K., Minoli D., Znati T. Wireless sensor networks: Technology, protocols, and applications. — Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc., 2007. — 236 p.
4. Yingshu Li, My T. Thai, Weili Wu. Wireless Sensor Networks and Applications. — Boston : Springer, 2008. — 444 p.
5. Niu R.,Varshney P. K. Decision fusion in a wireless sensor network with a random number of sensors // IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. — 2005. — V. 4. — P. 861—864.
6. Thomopoulos S. C. A., Viswanathan R., Bougoulias D. C. Optimal decision fusion in multiple sensor systems // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, AES-23(5). — 1987. — P. 644—653.
7. Parfenov V. I., Golovanov D. YU. Principy postroeniya i analiz effektivnosti funkcion-irovaniya besprovodnyh sensornyh setej na osnove teorii Compressive Sensing // Cifrovaya obrabotka signalov. — 2016. — № 2. — S. 14—19.
8. Parfenov V. I., Le V. D. Analiz pokazatelej effektivnosti algoritmov obrabotki infor-macii v besprovodnyh sensornyh setyah // Radiolokaciya, navigaciya, svyaz' : sbornik trudov XXV Mezhdunarodnoj nauchno-tekhnicheskoj konferencij, 2019. — T. 1. — S. 63—70.
9. Tihonov V. I. Optimal'nyj priem signalov. — M. : Radio i svyaz', 1983. — 320 s.
10. Kulikov E. I., Trifonov A. P. Ocenka parametrov signalov na fone pomekh. — M. : Sovetskoe radio, 1978. — 296 s.
11. Radioelektronnye sistemy: osnovy postroeniya i teoriya : spravochnik / YA. D. SHir-man [i dr.] ; pod red. YA. D. SHirmana. — M. : Makvis, 2007. — 828 s.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Лазарев Иван Владимирович. Доцент кафедры физики и радиоэлектроники. Кандидат технических наук, доцент.
Воронежский институт МВД России.
E-mail: vorhmscl@comch.ru
Россия, 394065, Воронеж, проспект Патриотов, 53. Тел. (473) 200-52-68.
Lazarev Ivan Vladimirovich. Associate Professor of the chair of Physics and Radioelectronics. Candidate of Technical Sciences, Associate Professor.
Voronezh Institute of the Ministry of the Interior of Russia.
E-mail: vorhmscl@comch.ru
Work address: Russia, 394065, Voronezh, Prospect Patriotov, 53. Tel. (473) 200-52-68.
Ключевые слова: устройство охраны; объединение информации; алгоритм.
Key words: security device; information integration; algorithm.
УДК 396.621
