Исследование автоволновых методов обработки данных информационно-измерительной сетью при автоматизации обнаружения пороков нетканых полотен тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Городнов, Иван Алексеевич

• Городнов, Иван Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Городнов, Иван Алексеевич

Введение.

Глава 1 Методы и средства обнаружения пороков нетканых полотен

1.1. Традиционные подходы к оценке качества нетканого полотна

1.2. Современные методы автоматизированного контроля качества нетканых материалов.

1.3. Информационно-измерительная сеть как система автоматизированной обработки сенсорных данных.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Автоволновые методы обработки данных.

2.1. Автоволновые процессы в распределенных динамических системах

2.2. Реакционно-диффузионные клеточные нейронные сети как средство моделирования автоволновых процессов.

2.3. Автоволновые методы обработки сенсорных данных.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Разработка принципов функционирования реакционно-диффузионной информационно-измерительной сети в задаче распознавания пороков нетканого полотна автоволновым методом.

3.1. Разработка структуры реакционно-диффузионной информационно-измерительной сети.

3.2. Разработка клеточно-нейронной модели реакционно-диффузионной информационно-измерительной сети.

3.3. Компьютерное моделирование процесса распознавания пороков нетканого полотна на основе модели информационноизмерительной сети.

3.3.1. Выбор критериев эффективности распознавания порока.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Разработка программного комплекса для моделирования процесса обнаружения порока нетканого полотна реакционно-диффузионной информационно-измерительной сетью.

4.1. Структурно-функциональное описание разработанного программного комплекса «Автоволна 1».

4.2. Результаты компьютерного моделирования реакционно-диффузионной КНС в задаче обработки и распознавания полутоновых изображений пороков нетканых полотен.

4.3. Предложения по комплексированию реакционно-диффузионной ИИС и SCADA в составе системы распределенного управления

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование автоволновых методов обработки данных информационно-измерительной сетью при автоматизации обнаружения пороков нетканых полотен»

В практике современного текстильного производства нетканых полотен актуальными являются задачи по повышению качества и скорости выпускаемой продукции. В связи с этим возникает задача автоматизации процесса поиска пороков в движущихся полотнах нетканых материалов в процессе производства и разработки способов быстрого реагирования механических агрегатов для устранения данных пороков.

Работа посвящена первой части задачи, а именно, автоматизации поиска пороков в движущемся потоке нетканого материала. Для решения этой задачи применяются механические способы регистрации пороков определенных видов, инфракрасные и рентгеновские способы регистрации пороков[2], графические методы обработки цифровых изображений полотен волокнистого материала[70], применяются нейросетевые мето-ды[75], методы математической морфологии для выделения порока по цифровому изображению[74]. Для решения поставленной задачи в данной работе были выбраны нейроноподобные и автоволновые методы как наиболее перспективные по скорости обработки и возможности реализации в виде микрочипа.

В настоящее время микрочипы с клеточно-нейронной архитектурой производятся в промышленных масштабах. Микрочипы способны выполнять заложенную программу очень быстро благодаря своей архитектуре, которая обладает мелокозернистым параллелизмом, но основным их достоинством является возможность моделирования нелинейных и автоволновых процессов. Автоволновые методы анализа данных являются альтернативой применения методов математической морфологии, что позволяет упростить и ускорить обработку данных при обнаружении пороков нетканых материалов в режиме реального времени.

Автоволны в активных средах[10] являются прототипом автоволн в клеточно-нейронных микрочипах, в которых возникают аналогичные процессы. Многие из таких автоволновых систем могут описываться ней-роноподобными моделями [1]. Используя свойства автоволновых процессов, возможно проводить анализ изображений потока волокнистого материала с целью выявления в нем пороков.

Развитие информационных технологий для обработки цифровых изображений открывают большие возможности для создания методов оценки качества нетканых материалов по их изображениям.

Разработка информационно-измерительных систем, автоматизирующих исследования пороков волокнистых материалов по их изображению, является перспективной задачей.

Целью диссертационной работы является исследование автоволновых методов функционирования информационно-измерительных систем (ИИС)[61], предназначенных для обработки сенсорных данных в системе автоматического контроля качества нетканых полотен, а также оценки возможностей этого подхода и разработки методик их применения к задачам обнаружения дефектов на поверхности нетканых материалов. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи:

- разработка модели реакционно-диффузионной ИИС на основе клеточного нейросетевого подхода;

- разработка методики компьютерного моделирования автоволновых процессов в реакционно-диффузионной ИИС;

- применение модели реакционно-диффузионной ИИС в задаче обнаружения сорных примесей и пороков нетканых полотен, выбор критериев для обнаружения этих пороков; создание программной системы распознавания пороков нетканого материала по полутоновому изображению его поверхности; оценка эффективности распознавания пороков в структуре нетканого материала с помощью реакционно-диффузионной ИИС; разработка технических предложений по внедрению реакционно-диффузионной ИИС в состав распределенной системы контроля качества нетканых материалов.В работе были использованы методы математического компьютерного моделирования, методы компьютерной обработки графической информации.

Получены следующие новые научные результаты: впервые исследованы автоволновые методы анализа полутоновых изображений поверхности нетканого материала с помощью клеточно-нейросетевой модели ИИС; проведена оценка эффективности распознавания типовых дефектов нетканых материалов с помощью автоволновой ИИС; предложен способ распознавания дефектов по реакции клеточной нейронной сети; предложена методика оценки фрактальной размерности контура бинарного изображения нейросетевого отклика рецепторно-го поля клеточно-нейронной сети на типовой дефект нетканого материала.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Городнов, Иван Алексеевич

Общие выводы

1. В результате проведенных исследований решена актуальная научно-техническая задача разработки методических и алгоритмических методов автоматизированного обнаружения пороков полотен нетканого материала по полутоновым изображениям их поверхности в режиме реального времени автоволновыми методами.

2. На основе анализа известных работ по автоволновой динамике неравновесных распределенных динамических систем установлено, что наиболее целесообразным техническим решением задачи распознавания порока нетканого полотна является построение информационно-измерительной сети нового типа - реакционно-диффузионной ИИС.

3. В качестве прототипа архитектуры реакционно-диффузионной ИИС впервые предложено использовать нейроноподобную модель автоволновой вычислительной среды — клеточную нейронную сеть на основе искусственного нейрона Хиндмарш-Роуза.

4. Разработана вычислительная методика и алгоритм компьютерного моделирования автоволновых процессов в клеточной нейросетевой модели реакционно-диффузионной ИИС.

5. Предложена методика предварительной обработки полутонового изображения нетканого материала с целью получения отчетливого отклика рецепторного поля реакционно-диффузионной ИИС.

6. Предложено использовать метод расчета фрактальной размерности контура отклика для оценки геометрических параметров порока по отклику рецепторного поля ИИС. Установлено, что значение фрактальной размерности этого контура может использоваться для оценки возможности измерения размеров порока с помощью реакционно-диффузионной ИИС.

7. На основе разработанных методик проведены вычислительные эксперименты по обнаружению и анализу пороков в нетканых полотнах, в ходе которых установлено, что по отклику рецепторного поля можно оценить момент появления, положение и размеры пороков.

8. Установлено, что предлагаемый метод наиболее эффективен при распознавании дефектов следующего типа: «надрезы», «широкие пятна», «складки».

9. Результаты компьютерного моделирования реакционно - диффузионной ИИС показали, что отклик рецепторного поля формируется в результате перехода распределенной вычислительной среды из ждущего в автоволной режим, что подтверждается появлением спиральных автоволн известного вида.

Ю.По результатам проведенного исследования была предложена схема взаимодействия системы мониторинга и диспетчеризации распределенного управления технологическим процессом (SCADA) и разработанного клиента для сервера управления технологическим процессом (ОРС сервера).

11. Разработанные методики, алгоритмы и программные средства рекомендуется использовать при проектировании средств автоматизации систем оптического контроля качества нетканых полотен.

12.Результаты диссертационной работы использовались при выполнении госбюджетной НИР № 06-816-36 по теме «Модели и методы исследования технологических и производственных систем прядильных производств с использованием компьютерных технологий и автоматизированных систем обработки информации». Использование программного комплекса «Автоволна-1» в учебном процессе кафедры подтверждено актом о внедрении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Городнов, Иван Алексеевич, 2009 год

1. Петелин, Д. П. Автоматизация технологических процессов в текстильной промышленности. / Козлов А. Б. и др. Москва: Легкая индустрия, 1980, -320 с.

2. Подураев, Ю. В. Принципы построения и современные тенденции развития мехатронных систем. / Ю. В. Подураев, В. С. Кулешов; -М: Мехатроника. 2000.

3. Морозов, А. Д. Визуализация и анализ инвариантных множеств динамических систем. / А. Д. Морозов, Т. Н. Драгунов; Москва-Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2003.

4. Бандман, О. Л. Клеточно-автоматное моделирование диффузионно-рекционных процессов. -Т. 39, 3. -М:Автометрия, 2003.

5. Елькин, Ю.Е. Кинематика стационарных и медленно эволюционирующих автоволновых фронтов : дисс. канд. физ. мат. наук : 03.00.02 / Елькин Юрий Евгеньевич; Пущино: РАН Институт математических проблем биологии, 2000, 149 л.

6. Селихов, А.В. Исследование клеточно-нейронной модели двумерных автоволновых процессов : автореф. дис. канд-та физ.-мат. наук: 05.13.18 / А. В. Селихов. Новосибирск, 2000. - 28 с.

7. Шалобаев, Е.В. Теоретические и практические проблемы развития мехатроиики. / Е.В. Шалобаев // Сборник научных статей / Под ред. профессора С.А. Козлова. СПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2001. - 376 е.: ил.

8. Самарский, А. А. Введение в теорию разностных схем. / А. А. Самарский -М. .Наука, 1971, 553 с.

9. Романовский, Ю. М., Математическая биофизика / Ю. М. Романовский, Н. В Степанова, Д. С. Чернавский -М. : Наука, 1984, -304с.

10. Варданян, А.А. Исследования фотоэлектрического метода автоматического контроля развеса волокнистых продуктов : дисс. канд. техн. наук. : / А. А. Варданян -М., 1972.

11. Мухамеджанов, Г.К. Методы оценки качества нетканых полотен Текст. : из цикла лекций заоч. фак. "Методы оценки качества продукции на предприятиях текстил. и швейн. пром-сти" / Г.К.Мухамеджанов. М. : Легпромбытиздат, 1990. - 40 с. : ил.

12. Сухарев, М.И. Свойства нетканых материалов и методы их исследований / М.И. Сухарев -М. : Легкая индустрия, 1969, -160 с.

13. Сайт ru.wikipedia.org Ячеистая топология. Электронный ресурс. -М.Википедия, 2008 -. -Режим доступа http://ru■wikipedia■org/wiki/Ячeиcтaя топология свободный. Загл. с экрана.

14. Healy, W. М. Опыт построения сети беспроводных датчиков для мониторинга систем ОВК зданий Электронный ресурс. / W. М. Healy //АВОК -1991 -М, 2008 -. -Режим доступа http://www.abok.ru/for spec/articles.php?nid=3142 свободный. Загл. с экрана.

15. Вишневский, В., Беспроводные сенсорные сети в системах промышленной автоматики Электронный ресурс. / В. Вишневский, Г. Гайкович -М.Электроника НТБ, 2001 -. -Режим доступа http://www.electronics.rU/issue/2008/l/19 свободный. Загл. с экрана.

16. Лукьянов, А.В. сследование нейроподобных сетей, работающих со средним значением стохастического потока : автореф. автореф. дис. канд-та физ.-мат. наук: 05.13.17 / А. В. Лукьянов. Ярославль, 2000. - 16 с

17. Сайт zhukov.wallst.ru Моделирование нелинейной динамики однородными клеточно-нейронными сетями. NEU-200L Электронный ресурс. -M.:http://zhukov. wallst.ru, 2006 -. -Режим доступа http://zhukov.wallst.ru/neu2001/index.htm свободный. Загл. с экрана.

18. Сайт www.refbank.ru Разработка АСР концентрации и уровня красильного раствора на поточной линии ЛЕСС - 140. Электронный ресурс. -M:refbank.ru, 2006 -. -Режим доступа http://www.refbank.ru/chem/l 3/cheml 3 .html свободный. Загл. с экрана.

19. Сайт ru.wikipedia.org Industrial Ethernet. Wikipedia. Электронный ресурс. / -М: ru.wikipedia.org , 2009 -. -Режим доступа http://ru.wikipedia.org/wiki/Industrial Ethernet свободный. Загл. с экрана.

20. Henderson, Т. С. Reaction-Diffusion Patterns in Smart Sensor Networks / Т. C. Henderson, Ramya Venkataraman, Gyounghwa Choikim. -Utah: School of Computing and Dept of Bioengineering, 2004. -5p

21. Murray J. Mathematical Biology / J. Murray. -Berlin : Springer-Verlag, 1993. -575 p.

22. Мак-Кракен, Д. Численные методы и программирование на фортране / Д. Мак-Кракен, У. Дорн. -М. : Мир, 1977. -400с.

23. Huerta, R. Clusters of synchronization and testability in lattices of chaotic neurons / R. Huerta, M. Bazhenov, M. Rabinovich I. : Europhysics Letters -1998. V. 43,- P. 719-724

24. Nekorlcin, V.I. Controlled disordered patterns and information transfer between coupled neural lattices with oscillatory states./ V.I. Nekorkin et all., : PHYSICAL REVIEW E -1998. -V. 57 №3 -P.3344-3351

25. Сайт asu.cs.nstu.ru Электронный ресурс. /-М: asu.cs.nstu.ru, 2008 -. -Режим доступа http://asu.cs.nstu.ru/simatic/swinac.html свободный. Загл. с экрана.

26. Алексеев, Е.Р. MATLAB 7 /Е. Р. Алексеев, О. В. Чеснокова. -М : NTPress, 2006. -464с.

27. Dogaru, R. Universality and Emergent Computation in Cellular Neural Networks / Radu Dogaru. -Singapore : World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., 2003.-249 p.

28. Wai-Kai, С. The Circuits and Filters Handbook / Chen Wai-Kai. Hong-Kong : CRC Press, 2003.

29. Сайт ru.wikipedia.org FLOPS. Wikipedia. Электронный ресурс. / -M: ru.wikipedia.org , 2008 -. -Режим доступа http://ru.wikipedia.org/wiki/FLOPS свободный. Загл. с экрана.

30. Сайт scadabook.ucoz.ru МуСогр. Информация о SCADA. МуСогр. Электронный ресурс. / М: МуСогр, 2008 -. -Режим доступа http://scadabook.ucoz.ru/load/l scada book betapdf свободный. Загл. с экрана.

31. Боглаев, Ю.П. Вычислительная математика и программирование /Ю. П. Боглаев. -М. : Высш.шк., 1990. 544с.

32. Сайт www.prodcs.ru PRODCS - архитерктура DCS(PCY). PRODCS. Электронный ресурс. / А. Казанцев, -М: www.prodcs.ru 2008 -. -Режим доступа http://www.prodcs.ru свободный. Загл. с экрана.

33. Воеводин, В.В. Параллельные вычисления / В.В. Воеводин, Вл.В. Воеводин. -СпБ : БХВ-Петербург, 2002. -608с.

34. Chua, L.O. Cellular neural networks and visual computing / L. O. Chua, T. Roska. -Cambridge : Cambridge University Press, 2004. 3961. P

35. Рамбиди, Н.Г. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры / Н.Г. Рамбиди. -М. : ФИЗМАТЛИТ, 2007. 256 с.

36. Сайт www.lenzing-instruments.com -Lenzing Instruments. Электронный ресурс. / Lenzing Instruments,2009 -. -Режим доступа http://www.lenzing-instruments.com свободный. Загл. с экрана.

37. Сайт www.hergeth.de Н. HERGETH GmbH. Н. HERGETH GmbH. Электронный ресурс. / Н. HERGETH GmbH. Н. HERGETH GmbH., 2009 -. -Режим доступа http://www.hergeth.de свободный. Загл. с экрана.

38. Сайт www.isravision.com ISRA VISION AG . ISRA VISION AG . Электронный ресурс. / ISRA VISION AG, 2009 -. -Режим доступа . http://www.isravision.com свободный. Загл. с экрана.

39. Сайт www.accusentry.com AccuSentry Corporate. AccuSentry Corporate eBrochure. Электронный ресурс. / AccuSentry Corporate, 2009 -. -Режим доступа http://www.accusentrv.com/ свободный. Загл. с экрана.

40. Сайт www.allassoindustries.com Allasso Industries. Электронный ресурс. / Allasso Industries, 2009 -. -Режим доступа http://www.allassoindustries. com/ свободный. Загл. с экрана.

41. Сайт www.hergeth.de Easyscan. Электронный ресурс. / Easyscan, 2009 -. -Режим доступа http://www.hergeth.de/EASYSCAN.html свободный. Загл. с экрана.

42. Сайт ru.wikipedia.org ПЗС — Википедия. Электронный ресурс. / -М: ru.wikipedia.org, 2009 -. -Режим доступа http://ru.wikipedia.org/wiki/n3C свободный. Загл. с экрана.

43. Сайт ru.wikipedia.org Цифровой сигнальный процессор — Википедия. Электронный ресурс. / -М: ru.wikipedia.org, 2009 -. -Режим доступа http://m.wikipedia.org/wiki/IlH([)poBoft сигнальный процессор свободный. Загл. с экрана.

44. Chua, L.O. Cellular Neural Networks: Theory and Application / L. O. Chua, Yang L. // IEEE Trans. Circuits and Systems. -1988. -V. 35, №10, -P. 1257-1290.

45. Ильин, В.А. Телеконтроль и телеуправление / В.А. Ильин. -М. : Энергоатомиздат, 1969.-281с.

46. Шенброт, И. М. Расчет точности систем централизованного контроля / И. М. Шенброт, М. Я. Гинзбург М. : Энергия, 1970. -408с.

47. Сайт Некрасов А.В. Оптико-волоконные устройства контроля. Оптические системы контроля. Электронный ресурс. / -М:www.endoskop.ru, 2009 -Режим доступаhttp://www.endoskop.ru/publications/p 11/index.html свободный. Загл. с экрана.

48. Сайг www.s71.ru Гибкий телевизионный эндоскоп большой длины. Технические мобильные эндоскопы. Электронный ресурс. / -М: www.s71.ru, 2008 -. -Режим доступа http://www.s71.ru/proizv/piton.htm свободный. Загл. с экрана.

49. Мухитдинов, М. Оптоэлектронные устройства контроля и измерения в текстильной промышленности / М. Мухитдинов. -М. ,1982.

50. Сайт www.actidata.ru Датчики семейства Poseidon. Actidata. Электронный ресурс. / -M:Actidata, 2008 -. -Режим доступа http://www.actidata.ru/?id= 167 свободный. Загл. с экрана.

51. Методические указания по оценке качества и изучению свойств нетканых полотен: сборник / Гос. ком. по лег. пром-сти при Госплане СССР. М.: ЦНИИТЭИлегпром, 1991. - 69 с.

52. Ванаг, В. К. Диссипативные структуры в реакционно-дифузионных системах / В. К. Ванаг. -М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2008. -300с.

53. Yang, Tao. Multi-layer cellular neural networks:theory and applications to modeling nitric oxide diffusion in nervous systems / Tao Yang International Journal of Computational Cognition. June 2003. -V. 1, 2, -P. 1-23.

54. Колмогоров, A.H. Исследование уравнения диффузии, соединённой с возрастанием количества вещества и его применение к одной биологической проблеме / А. Н. Колмогоров, И. Г. Петровский, Н. С. Пискунов //Бюл. МГУ. Сер. -1937. -Т. 1. -С.1-26.

55. Coombes, S. Bursting The Genesis of Rhythm in the Nervous System / S.Coombes, P.C.Bressloff. New Jersey: World Scientific Publishing, 2005.

56. Лебедева, В.И. Автоматизация компьютерных методов исследования неравномерности двумерных волокнистых материалов: дисс. канд. техн. наук : 05.13.06 / Лебедева Виктория Игоревна; М. : МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2006, 140 л.

57. Головко, В.А. Нейронные сети: обучение, организация и применение / В.А. Головко. -Москва : ИПРЖР, 2001. Т. 4.

58. Гонсалес, Р., Цифровая обработка изображений. / Р.Гонсалес , Вудс Р. -М. : Техносфера, 2005.

59. Ясинский И. Ф. Разработка нейросетевой системы для обнаружения и классификации дефектов ткани на мерильно-браковочном оборудовании : автореф. дис. канд-та техн. наук :05.02.13 / И. Ф. Ясинский. Иваново, 2007. - 20 с.

60. Городнов, И. А. Исследование автоволновых режимов клеточной нейронной сети с целью обработки изображений в реальном масштабе времени / И.А. Городнов, М.Е.Беспалов // Сборник научных трудов "Вестник ДИТУД". Димитровград: ДИТУД, 2007. -№3(33). -С. 17-20.

61. Сайт Cognex Surface inspection systems division. Cognex Corporation. Электронный ресурс. Cognex Corporation, 2002 -. -Режим доступа www.cognex.com свободный. Загл. с экрана.

62. Сайт I2s Linescan Flawscan. Flawscan. Электронный ресурс. Linescan, 2009 -. -Режим доступа http://www.i2s-linescan. com свободный. Загл. с экрана.

63. Сайт ru.wikipedia.org Реальноевремя. Wikipedia.org. Электронный ресурс. -М:Википедия, 2008 -. -Режим доступа http://ru.wildpedia.org/wiki/PeanbHoe время свободный. Загл. с экрана.

64. Сайт www.analogic-computers.com Welcome to AnaLogic Computers Kft. AnaLogic Computers Kft. Электронный ресурс. AnaLogic Computers Kft., 2008 -. -Режим доступа http://www.analogic-computers.com/ свободный. Загл. с экрана.