Разработка виртуального комплекса досмотрового контроля багажа и ручной клади с функцией распознавания материалов

Для обеспечения транспортной, экономической и национальной
безопасности во всех странах мира широко используются технические средства
досмотрового контроля на основе источников низкоэнергетического и
высокоэнергетического рентгеновского излучения (РИ). Низкоэнергетические
источники рентгеновского излучения (ИРИ) с максимальной энергией до 450
кэВ используются для досмотрового контроля объектов с небольшими
габаритами: багаж; ручная кладь; международные почтовые отправления.
Высокоэнергетические источники РИ с максимальной энергией от 1 МэВ до 10
МэВ являются составной частью досмотровых комплексов, предназначенных
для контроля крупногабаритных объектов: транспортных средств с грузами и
без; авиационных, железнодорожных и морских контейнеров; грузовых вагонов
и цистерн. В настоящее время высокими темпами развиваются методы и
реализующие их средства для исследования багажа и ручной клади с функцией
распознавания материалов объектов контроля (ОК) и их структурных
фрагментов. Здесь под распознаванием материалов понимается отнесение
материалов по параметру распознавания (ПР) к одному из классов материалов.
В качестве ПР выступает либо эффективный атомный номер (ЭАН), либо
некоторая функция от него. Распознавание материалов базируется на методе
дуальных энергий (МДЭ). Системы досмотрового контроля (СДК) с функцией
распознавания материалов, как правило, имеют меньшую производительность
по сравнению с системами без функции распознавания материалов. Но
возможное уменьшение производительности компенсируется возможностью
обнаружения ОК (фрагментов ОК) не указанных в сопроводительных
документах или запрещённых к перевозке. В последние десятилетия
существенно возросла необходимость в проектировании СДК багажа и ручной
клади с улучшенными потребительскими параметрами. Под потребительскими
параметрами СДК понимаются её характеристики как системы цифровой
радиографии (ЦР) (контраст, пространственное разрешение,
производительность), дополненные разрешением по ЭАН. Разрешение по ЭАН
характеризует способность СДК достоверно распознавать фрагменты с
отличающимися эффективными атомными номерами. Численно величина
разрешения по ЭАН равна минимальной разности между ЭАН распознаваемых
раздельно материалов. Отмеченная выше необходимость в проектировании
СДК багажа и ручной клади с улучшенными потребительскими параметрами
обусловлена негативными тенденциями, связанными с ростом международного
терроризма, распространением наркотиков и т.п. Уверенность в возможности
же создания таких систем подкрепляется появлением на рынке новых
источников и регистраторов рентгеновского излучения образцов с
улучшенными характеристиками. Следует также отметить в качестве
положительного фактора  рост теоретических и экспериментальных
исследований, связанных с разработкой и совершенствованием алгоритмов
распознавания материалов в различных реализациях МДЭ.
Основным подходом к проектированию систем досмотрового контроля
багажа и ручной клади, как и других приборных систем, является подход,
основанный на объединении укрупнённых элементов системы. К основным
укрупнённым элементам СДК относятся ИРИ и регистратор рентгеновского
излучения (РРИ). Исходя из конечных параметров СДК, указанных в
техническом задании на проектирование, должны быть подобраны ИРИ и ИТИ.
В последние годы уменьшилась роль натурного моделирования на стадии
проектирования СДК, что связано с огромными материальными затратами на
покупку укрупнённых элементов. Значимость этих материальных затрат
исключает принципиальную возможность варьирования компонентами СДК с
целью рационального подбора элементов. Из сказанного выше можно сделать
вывод о превалировании подхода к проектированию СДК, основанного на
разработке соответствующих математических и численных моделей
формирования исходной радиографической информации, трансформации её в
изображения параметров МДЭ и параметра распознавания. Достоинством
такого подхода является возможность исследования способом численного
моделирования влияния на качество распознавания материалов методом
дуальных энергий всех параметров ИТИ, ИРИ, ОК и геометрической схемы
контроля. Конечный продукт исследований будет представлять собой
виртуальный комплекс досмотрового контроля багажа и ручной клади с
функцией распознавания материалов.
Очевидно, что виртуальный комплекс досмотрового контроля багажа и
ручной клади с функцией распознавания материалов объектов контроля и их
структурных фрагментов позволит провести все необходимые вычислительные
эксперименты для подтверждения технической реализуемости задач
проектирования и обеспечить корректный выбор и оценку параметров систем
досмотрового контроля.
Сказанное выше подтверждает актуальность темы диссертационных
исследований.
Целью работы является разработка виртуального комплекса
досмотрового контроля багажа и ручной клади с функцией распознавания
материалов.
Объекты исследования – комплексы для досмотрового контроля
багажа и ручной клади с функцией распознавания материалов.
Предмет исследования – методы численного моделирования исходных
цифровых радиографических изображений и их трансформации в изображения
параметра распознавания в досмотровых комплексах контроля багажа и ручной
клади с функцией распознавания материалов методом дуальных энергий.
Для достижения цели, сформулированной выше, необходимо решить
следующие основные задачи:
1) Разработать математическую модель виртуального досмотрового
комплекса багажа и ручной клади с функцией распознавания материалов
объектов контроля и их структурных фрагментов.
2) Разработать алгоритм и программу для численного моделирования
исходных радиографических изображений, последовательной трансформации
их в изображения параметров метода дуальных энергий и изображения
параметра распознавания в досмотровых комплексах багажа и ручной клади с
функцией распознавания материалов объектов контроля и их структурных
фрагментов.
3) Провести ряд численных экспериментов с целью иллюстрации и
подтверждения работоспособности предложенных моделей, алгоритмов и
программ и их пригодности для обоснования задач проектирования
анализируемых досмотровых комплексов.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
1) Разработана математическая модель виртуального досмотрового
комплекса багажа и ручной клади с функцией распознавания материалов
объектов контроля и их структурных фрагментов.
2) Разработан алгоритм и программа численного моделирования
исходных радиографических изображений, последовательной трансформации
их в изображения параметров метода дуальных энергий и изображения
параметра распознавания в досмотровых комплексах багажа и ручной клади с
функцией распознавания материалов объектов контроля и их структурных
фрагментов.
3) Проведён ряд численных экспериментов и на основе анализа их
результатов подтверждена работоспособность предложенных моделей,
алгоритмов и программ, а также оценена их пригодности для обоснования
задач проектирования анализируемых досмотровых комплексов.
Практическая значимость работы заключается в возможности
использования разработанного программного симулятора для научного
обоснования проектирования систем досмотрового контроля багажа и ручной
клади с функцией распознавания материалов, исходя из технических заданий,
сформулированных заказчиками, а также в учебном процессе при проведении
занятий по радиационным методам контроля.
Методы исследования. Для решения поставленных задач
использованы: методы интерполяции и экстраполяции; методы аппроксимации;
методы математического и численного моделирования; методы решения систем
алгебраических и интегрально – параметрических уравнений; методы
обработки экспериментальных данных; методы теории вероятностей и
математической статистики.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Математическая модель виртуального досмотрового комплекса
багажа и ручной клади с функцией распознавания материалов объектов
контроля и их структурных фрагментов.
2) Алгоритм и программа численного моделирования исходных
радиографических изображений, последовательной трансформации их в
изображения параметров метода дуальных энергий и изображения параметра
распознавания в досмотровых комплексах багажа и ручной клади с функцией
распознавания материалов объектов контроля и их структурных фрагментов.
3) Подтверждение работоспособности предложенных моделей,
алгоритмов и программ, а также оценка их пригодности для обоснования задач
проектирования анализируемых досмотровых комплексов.
Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов
обеспечена корректным использованием математического аппарата и основных
положений взаимодействия рентгеновского излучения с веществом, а также их
согласованностью с результатами, полученными другими исследователями. В
программной реализации разработанных алгоритмов численного
моделирования и анализе результатов численных экспериментов применялось
лицензированное программное обеспечение.
Личный вклад автора заключается в создании алгоритма для
численного моделирования системы досмотрового контроля багажа и ручной
клади с функцией распознавания материалов и ее реализации в системе для
математических вычислений – Mathcad.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных
исследований использованы в рекомендациях по выбору источников и
регистраторов рентгеновского излучения в системах досмотрового контроля
багажа и ручной клади с функцией распознавания материалов объектов
контроля и их структурных фрагментов. Рекомендации основаны на анализе
результатов вычислительных экспериментов, проведённых с использованием
разработанного алгоритма и реализующей его программы численного
моделирования.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в предлагаемую
диссертацию, обсуждались на отчетах по НИР отделения контроля и
диагностики ИШНКБ в 2017 − 2019 годах и докладывались на трёх
международных конференциях:
 XIX Международная научно – техническая конференция «Измерение,
контроль, информатизация» 23 мая 2018, г. Барнаул (Диплом I степени);
 VII Международная конференция школьников, студентов, аспирантов,
молодых ученых «Ресурсоэффективные системы в управлении и контроле:
взгляд в будущее» 8 – 13 октября 2018, г. Томск (Диплом III степени);
 Международная научно–техническая конференция «Фундаментальные
проблемы радиоэлектронного приборостроения» (INTERMATIC – 2018) 19 – 23
ноября 2018, г. Москва (Диплом лауреата конкурсной программы).
Публикации. По теме выпускной квалификационной работы
опубликовано 3 статьи.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести
основных глав, заключения, списка используемых источников, включающего
58 источников. Объём диссертации составляет 109 страниц машинописного
текста, 6 рисунков и 18 таблиц.