Анализ данных от систем пространственно распределённых датчиков

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

    Читать «Анализ данных от систем пространственно распределённых датчиков»

    Последние выполненные заказы

    Хочешь уникальную работу?

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

    Катерина М. кандидат наук, доцент
    4.9 (522 отзыва)
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    Кандидат технических наук. Специализируюсь на выполнении работ по метрологии и стандартизации
    #Кандидатские #Магистерские
    836 Выполненных работ
    Мария Б. преподаватель, кандидат наук
    5 (22 отзыва)
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальнос... Читать все
    Окончила специалитет по направлению "Прикладная информатика в экономике", магистратуру по направлению "Торговое дело". Защитила кандидатскую диссертацию по специальности "Экономика и управление народным хозяйством". Автор научных статей.
    #Кандидатские #Магистерские
    37 Выполненных работ
    Алёна В. ВГПУ 2013, исторический, преподаватель
    4.2 (5 отзывов)
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.
    #Кандидатские #Магистерские
    25 Выполненных работ
    Екатерина С. кандидат наук, доцент
    4.6 (522 отзыва)
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    Практически всегда онлайн, доработки делаю бесплатно. Дипломные работы и Магистерские диссертации сопровождаю до защиты.
    #Кандидатские #Магистерские
    1077 Выполненных работ
    Татьяна Б.
    4.6 (92 отзыва)
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские ди... Читать все
    Добрый день, работаю в сфере написания студенческих работ более 7 лет. Всегда довожу своих студентов до защиты с хорошими и отличными баллами (дипломы, магистерские диссертации, курсовые работы средний балл - 4,5). Всегда на связи!
    #Кандидатские #Магистерские
    138 Выполненных работ
    Шиленок В. КГМУ 2017, Лечебный , выпускник
    5 (20 отзывов)
    Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертац... Читать все
    Здравствуйте) Имею сертификат специалиста (врач-лечебник). На данный момент являюсь ординатором(терапия, кардио), одновременно работаю диагностом. Занимаюсь диссертационной работ. Помогу в медицинских науках и прикладных (хим,био,эколог)
    #Кандидатские #Магистерские
    13 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
    Мария А. кандидат наук
    4.7 (18 отзывов)
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет... Читать все
    Мне нравится изучать все новое, постоянно развиваюсь. Могу написать и диссертацию и кандидатскую. Есть опыт в различных сфера деятельности (туризм, экономика, бухучет, реклама, журналистика, педагогика, право)
    #Кандидатские #Магистерские
    39 Выполненных работ
    Логик Ф. кандидат наук, доцент
    4.9 (826 отзывов)
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские дисс... Читать все
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации, рефераты, контрольные) уже много лет. Качество работ гарантирую.
    #Кандидатские #Магистерские
    1486 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

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