Анализ данных от систем пространственно распределённых датчиков

Зубакова Дарья Викторовна
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Работа посвящена анализу данных от систем пространственно распределённых датчиков. Описывается система датчиков на продуктопроводе. Для детектирования событий на продуктопроводе рассматриваются следующие методы: алгоритм кумулятивных сумм, SVD-разложение, спектральный анализ и кепстральный анализ. Локализация событий основывается на нахождении временной задержки между приходом события на разные датчики с помощью корреляционного метода. Предлагается новый подход к осуществлению многомерной валидации данных систем сенсоров. Приводятся результаты работы методов на тестовых и реальных данных, а также программная реализация методов.

Введение ……………………………………………………………………………………………………. 3
Постановка задачи……………………………………………………………………………………… 5
Обзор литературы………………………………………………………………………………………. 6
Глава 1. Детектирование событий ………………………………………………………………. 8
1.1. Алгоритм кумулятивных сумм ………………………………………………………….. 8
1.2. SVD-разложение …………………………………………………………………………….. 13
Глава 2. Альтернативные методы детектирования событий и локализация
событий …………………………………………………………………………………………………… 16
2.1. Спектральный анализ ……………………………………………………………………… 16
2.1. Кепстральный анализ………………………………………………………………………. 17
2.2. Корреляционный метод локализации событий ………………………………… 21
Глава 3. Валидация данных ………………………………………………………………………. 29
3.1. Виды валидаторов и их задачи ………………………………………………………… 29
3.2. Многомерный валидатор …………………………………………………………………. 31
Выводы ……………………………………………………………………………………………………. 36
Заключение ……………………………………………………………………………………………… 38
Список литературы ………………………………………………………………………………….. 39
Приложение …………………………………………………………………………………………….. 43

Анализ данных — широкая и непрерывно развивающаяся область
математики и информатики. Вычислительные алгоритмы и математические
методы анализа данных позволяют извлекать полезные очевидные и
неочевидные закономерности из большого объема сырых данных. Это
помогает в решении классов задач предаварийного контроля, поддержки
принятия решений и различных оптимизационных задач.
Системы пространственно распределѐнных датчиков необходимы для
мониторинга состояния различных крупных объектов (например, систем
водоснабжения, теплоснабжения, продуктопроводов, ГЭС, ГАЭС). В
системах датчиков используются сенсорные элементы разного типа:
акустические, электрические, пьезоэлектрические, тепловые,
электромагнитные [10][18].
Например, для организации системы предаварийного контроля на
основе систем пожарной автоматики следует устанавливать тепловизионные
камеры, датчики температуры, давления, виброакустические датчики,
интегральные датчики контроля высокодисперсных аэрозолей и некоторые
другие [11].
Для любого из таких объектов важно предотвратить или, в крайнем
случае, моментально обнаружить возникновение неполадок в работе
оборудования.
Актуальность исследования данной темы обусловлена высокой
значимостью поддержания работоспособности систем пространственно
распределѐнных датчиков.
Новизна работы состоит в предложенных комплексных подходах к
обнаружению неполадок работы систем.
Целью работы является реализация методов детектирования и
локализации неполадок на системах пространственно распределѐнных
датчиков, а также валидации данных.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1) Анализ методов детектирования и локализации событий на системах
пространственно распределѐнных датчиков.
2) Анализ методов валидации данных от систем сенсоров.
3) Выбор конкретных методов детектирования и локализации событий,
валидации данных.
4) Разработка программной реализации выбранных методов.
5) Оценка результатов применения методов на тестовых и реальных
данных.
В рамках сотрудничества с компанией Сименс было рассмотрено
применение исследуемых методов для решения реальных задач.
Работа состоит из введения, постановки задачи, обзора литературы,
трѐх глав, выводов и заключения.
Глава 1 данной работы посвящена детектированию неполадок в работе
систем датчиков. В главе рассматривается применение модифицированного
алгоритма кумулятивных сумм и SVD-разложения. Демонстрируются
результаты применения методов детектирования на реальных данных.
В главе 2 рассматриваются альтернативные методы детектирования
(спектральный и кепстральный анализ) и метод локализации неполадок
(корреляционный метод). Приведены результаты применения методов на
тестовых и реальных данных.

Проведѐн обзор алгоритмов детектирования и локализации событий на
продуктопроводе, методов валидации данных. Предложен новый подход к
осуществлению многомерной валидации. Разработана программная
реализация рассмотренных алгоритмов.

Приведены результаты работы методов на тестовых и реальных
данных. На основании результатов можно заметить, что предложенный
подход детектирования событий с помощью алгоритма кумулятивных сумм
даѐт достаточно точные результаты, а также позволяет сократить количество
пропущенных событий. Метод SVD-разложения будет полезен при
детектировании событий на многоканальных системах. Альтернативные
методы детектирования (спектральный и кепстральный анализ) не дают
высокой точности.

Результаты нахождения временной задержки между приходом события
на разные датчики не так хороши. Предложения по адаптации метода для
улучшения результатов вынесены в разделе «Выводы».

Реализация многомерного валидатора успешно прошла проверку на
реальных данных. При предложенной модификации валидатора снижается
количество ложных срабатываний валидатора.

[1]Анпилогов В.А., Веревкин А.П., Давлетшина З.Р., Кизина И.Д.,
Гайнуллин Д.В. Обнаружение утечек и несанкционированных воздействий в
магистральных нефтепроводах с использованием Фурье- и вейвлет-
преобразований в ПТК СОУ // Автоматизация, телемеханизация и связь в
нефтяной промышленности. – 2012. – №4. – с. 28-31.
[2]Бродский Б.Е. Асимптотически оптимальные методы в задаче
скорейшего обнаружения разладки. I. Характеристики методов скорейшего
обнаружения разладки // Автоматика и телемеханика. – 1995. – №9. – с. 60-
72.
[3]Бродский Б.Е. Асимптотически оптимальные методы в задаче
скорейшего обнаружения разладки. II. Исследование методов скорейшего
обнаружения // Автоматика и телемеханика. – 1995. – №10. – с. 50-59.
[4]БродскийБ.Е.,ДарховскийБ.С.Проблемыиметоды
вероятностной диагностики // Автоматика и телемеханика. – 1999. – №8. – с.
3-50.
[5]БродскийБ.Е.,ДарховскийБ.С.Сравнительныйанализ
некоторых непараметрических методов скорейшего обнаружения момента
―разладки‖ случайной последовательности // Теория вероятностей и ее
применения. – 1990. – т.35, №4. – с. 655-668.
[6]БуреВ.М.,ПарилинаЕ.М.Теориявероятностейи
математическая статистика. М.: Лань, 2013. 416 с.
[7]Васянович А.В., Грицунова А.В., Лебедев О.Г., Чурюмов Г.И.
Эволюция спектров сигналов при переходных процессах в генераторах и
усилителях М-типа // Радиоэлектроника и информатика. – 2005. – №1. – с. 22-
28.
[8]Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник
для вузов.— 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 1986. – с. 20-25.
[9]Жиглявский А.А., Красковский А.Е. Обнаружение разладки
случайных процессов в задачах радиотехники. – Л.: ЛГУ, 1988. 112 с.
[10] Каблов Е.Н. Инновационные разработки ФГУП «ВИАМ» ГНЦ
РФ по реализации «Стратегических направлений и технологий их
переработки на период до 2030 года» // Авиационные материалы и
технологии. – 2015. – №1(34). – с. 3-33.
[11] Концепция предаварийного радиационного и газового контроля
на кораблях ВМФ. – СПб.: 1 ЦНИИ МО РФ, 1997. – 11с.
[12] МамоноваТ.Е.Методыдиагностикилинейнойчасти
нефтепроводов для обнаружения утечек // Проблемы информатики. – 2012.
№5(17). – с.103-112.
[13] Мамонова Т.Е. Учѐт геометрического профиля нефтепровода при
определениипараметровутечки//Электронныйнаучныйжурнал
«Нефтегазовое дело». – 2012. – №2. – с. 85-102.
[14] Никифоров И.В. Последовательное обнаружение изменения
свойств временных рядов / Академия наук СССР. Институт проблем
управления. – М.: Наука, 1983. – 200 с.
[15] НикифоровИ.В.Применениекумулятивныхсуммдля
обнаружения изменения характеристик случайного процесса // Автоматика и
телемеханика. – 1979. – №2. – с. 48-58.
[16] Никонов А. В., Давлетшин Р. В., Яковлева Н. И., Лазарев П. С.
ФильтрацияметодомСавицкого-Голеяспектральныххарактеристик
чувствительностиматричныхфотоприемныхустройств//Успехи
прикладной физики. – 2016. –т.4, № 2. – с.198-205.
[17] Осипов Ю.М. Частотный и временной анализ стационарных и
переходных характеристик линейных электрических цепей. Учебное пособие
по курсам электротехники и ТОЭ. Ч. 2. – СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002. –99 с.
[18] Федотов М.Ю., Сорокин К.В., Гончаров В.А., Шиенок А.М.,
Зеленский П.В. Возможности сенсорных систем и интеллектуальных ПКМ на
их основе // Все материалы. Энциклопедический справочник. – 2013. – №2.
– с.18-23.
[19] Aimé Lay-Ekuakille, Giuseppe Griffo, Paolo Visconti, Patrizio
Primiceri, Ramiro Velazquez. Leak detection in waterworks: comparison between
STFT and FFT with an overcoming of limitations // Metrology and Measurement
Systems, 2017. 24(4). Pp. 631-644.
[20] Bogert B. P., Healy M. J. R., Tukey J. W. The Quefrency Analysis of
Time Series for Echoes: Cepstrum, Pseudo Autocovariance, Cross-Cepstrum and
Saphe Cracking // Symposium on Time Series Analysis (M. Rosenblatt, Ed)
Chapter 15, – New York: Wiley, 1963. Pp. 209-243.
[21] Eckart C., Young G. The Approximation of One Matrix by Another of
Lower Rank. Psychometrika, 1936. 4. Pp. 81-93.
[22] Ivan Miguel Pires, Nuno M. Garcia, Nuno Pombo, Francisco Flórez-
Revuelta, and Natalia Díaz Rodríguez. Validation Techniques for Sensor Data in
Mobile Health Applications // Journal of Sensors, 2016. 9 p.
[23] Lin Chen, Yongchun Liu, Fancheng Kong, Na He a. Acoustic Source
Localization Based on Generalized Crosscorrelation Time-delay Estimation //
Procedia Engineering, 2011. Vol. 15. Pp. 4912-4919.
[24] M. Taghvaei, S.B.M Beck and W.J. Staszewski. Leak detection in
pipelines using cepstrum analysis // Measurement science and technology, 2006.
17. Pp. 367-372.
[25] Motazedi, N. and Beck, S. Leak detection using cepstrum of cross-
correlation of transient pressure wave signals // Proc IMechE Part C: J Mechanical
Engineering Science 0(0), 2017. 13 p.
[26] Rhudy, M., Bucci, B., Vipperman, J., Allanach, J., & Abraham, B.
Microphone Array Analysis Methods Using Cross-Correlations. Volume 15:
Sound, Vibration and Design. – 2009.
[27] Rhudy, Matthew. Real Time Implementation of a Military Impulse
Classifier. University of Pittsburgh, Master’s Thesis, 2009. 104 p
[28] Siao Sun; Jean-luc Bertrand-krajewski, Anders Lynggaard-Jensen,
Joep van den Broeke, Florian Edthofer, Maria do Céu Almeida, Àlvaro Silva
Ribeiro, José Menaia. Literature review of data validation methods // Seventh
framework programme, 2011. Vol. 019. 19 p

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Татьяна П. МГУ им. Ломоносова 1930, выпускник
    5 (9 отзывов)
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по и... Читать все
    Журналист. Младший научный сотрудник в институте РАН. Репетитор по английскому языку (стаж 6 лет). Также знаю французский. Сейчас занимаюсь написанием диссертации по истории. Увлекаюсь литературой и темой космоса.
    #Кандидатские #Магистерские
    11 Выполненных работ
    Глеб С. преподаватель, кандидат наук, доцент
    5 (158 отзывов)
    Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной с... Читать все
    Стаж педагогической деятельности в вузах Москвы 15 лет, автор свыше 140 публикаций (РИНЦ, ВАК). Большой опыт в подготовке дипломных проектов и диссертаций по научной специальности 12.00.14 административное право, административный процесс.
    #Кандидатские #Магистерские
    216 Выполненных работ
    AleksandrAvdiev Южный федеральный университет, 2010, преподаватель, канд...
    4.1 (20 отзывов)
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    Пишу качественные выпускные квалификационные работы и магистерские диссертации. Опыт написания работ - более восьми лет. Всегда на связи.
    #Кандидатские #Магистерские
    28 Выполненных работ
    Дарья С. Томский государственный университет 2010, Юридический, в...
    4.8 (13 отзывов)
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.
    #Кандидатские #Магистерские
    18 Выполненных работ
    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы
    Дмитрий М. БГАТУ 2001, электрификации, выпускник
    4.8 (17 отзывов)
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал стать... Читать все
    Помогаю с выполнением курсовых проектов и контрольных работ по электроснабжению, электроосвещению, электрическим машинам, электротехнике. Занимался наукой, писал статьи, патенты, кандидатскую диссертацию, преподавал. Занимаюсь этим с 2003.
    #Кандидатские #Магистерские
    19 Выполненных работ
    Родион М. БГУ, выпускник
    4.6 (71 отзыв)
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    Высшее экономическое образование. Мои клиенты успешно защищают дипломы и диссертации в МГУ, ВШЭ, РАНХиГС, а также других топовых университетах России.
    #Кандидатские #Магистерские
    108 Выполненных работ
    Сергей Е. МГУ 2012, физический, выпускник, кандидат наук
    4.9 (5 отзывов)
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым напра... Читать все
    Имеется большой опыт написания творческих работ на различных порталах от эссе до кандидатских диссертаций, решения задач и выполнения лабораторных работ по любым направлениям физики, математики, химии и других естественных наук.
    #Кандидатские #Магистерские
    5 Выполненных работ
    Дарья П. кандидат наук, доцент
    4.9 (20 отзывов)
    Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных... Читать все
    Профессиональный журналист, филолог со стажем более 10 лет. Имею профильную диссертацию по специализации "Радиовещание". Подробно и серьезно разрабатываю темы научных исследований, связанных с журналистикой, филологией и литературой
    #Кандидатские #Магистерские
    33 Выполненных работы

    Другие учебные работы по предмету

    Кооперативные игры на гиперграфах
    📅 2019год
    🏢 Санкт-Петербургский государственный университет