Разработка интеллектуальных систем для обработки сигналов с датчиков давления

П. А. Пылов, Р. В. Майтак, А. В. Дягилева








РАЗРАБОТКА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ С ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

Монография





















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 004.8
ББК 32.813
     П94

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, академик РЭА, ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ» Вадим Васильевич Иванов;
доктор технических наук, профессор кафедры математики
ФГБОУ ВО «Кузбасский государственный университет имени Т. Ф. Горбачева» Инна Алексеевна Ермакова;
доктор технических наук, профессор, академик РЭА, ведущий научный сотрудник АО «НЦ ВостНИИ» Виктор Семенович Зыков




     Пылов, П. А.
П94       Разработка интеллектуальных систем для обработки сигналов с
      датчиков давления : монография / П. А. Пылов, Р. В. Майтак, А. В. Дягилева. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 156 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1515-6

           Показана разработка собственных элементов датчиков давления, которые функционируют в неразрывной связи с программным обеспечением. Даны основы и способы разработки подобных систем, которые можно повторить самостоятельно.
           Для специалистов в области искусственного интеллекта. Может быть полезно студентам, обучающимся по направлению подготовки «Искусственный интеллект».



                                                                                УДК 004.8
                                                                                ББК 32.813












ISBN 978-5-9729-1515-6

     © Пылов П. А., Майтак Р. В., Дягилева А. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

ПРЕДИСЛОВИЕ


    История развития спорта как сферы деятельности человека неразрывно связана с развитием технологий с древнейших времен. Если проследить истории развития спорта и технологий, то можно увидеть, что в этом параллельном развитии нет очевидных лидеров - развитие инженерных технологий рождает новые орудия, инструменты и снаряжение для спорта, говоря современным языком - спортивное оборудование и экипировку, которые дают толчки развитию спорта или рождают новые виды спорта. И наоборот, развитие того или иного вида спорта рождает необходимость появления новых видов оборудования, экипировки и даже объектов спорта.
    В обеспечении тренировочного процесса решается одновременно множество инновационных задач, однако из них можно выделить три основных уровня и распределить их по условной пирамиде:
    •  научно-методический;
    •  медико-биологический;
    •  научно-технологический.
    Следует отметить, что последний уровень обеспечивает прочное основание для двух других и, в силу возможностей инновационного технологического развития, все больше влияет на развитие спорта и зачастую обуславливает рождение новых видов спорта, а в технических видах спорта, как правило, выходит даже на первое место.
    Целью разработки данной системы является рассмотрение проблем и основных направлений повышения эффективности деятельности спортивных секций по спортивному фехтованию на рапирах, а также облегчения труда задействованных в процессе сотрудников.
    Приказ Министерства спорта РФ от 24 октября 2012 г. № 325 «О методических рекомендациях по организации спортивной подготовки в Российской Федерации» (от 1 ноября 2012):
    Обеспечивать и анализировать достижение и подтверждение обучающимися, воспитанниками уровней спортивной (физической) подготовки, оценивать эффективность их обучения с использованием современных информационных и компьютерных технологий, в том числе текстовых редакторов и электронных таблиц в своей деятельности;
    В настоящее время проведение тренировок и городских соревнований проходит с использованием старого проводного дорогостоящего оборудования, и довольно часто его и вовсе не используют в связи с ограниченным его функционалом. Отчеты и протоколы часто пишутся самостоятельно на бумаге или с использованием программных пакетов, что усложняет процесс и отнимает много времени.
    Дополнительно к указанной проблеме существует ряд причин, увеличивающих количество используемых ресурсов:
    •  нет возможности проводить несколько боев одновременно;
    •      требуется большое количество персонала (арбитры, судьи, рефери, технический директорат, организаторы, секретари, судебная коллегия), и нечасто, за

3

неимением стольких ресурсов, обязанности отсутствующих распределяются на других людей;
    •  необходимо специальное помещение для боев;
    •      нет возможности проводить тренировки на определенные типы ударов (на скорость, точность, силу);
    •  статистическая обработка результатов боев осуществляется «вручную».

4

РАЗДЕЛ 1. ОЦЕНКА АКТУАЛЬНОСТИ РАЗРАБОТКИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ
АНАЛИТИКИ СИГНАЛОВ С ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ

    Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования «ДЕТСКО-ЮНОШЕСКАЯ СПОРТИВНАЯ ШКОЛА № 3» занимается общефизической подготовкой, обучением техники, тактики и теории спортивного фехтования на рапирах. Самостоятельно проводят бои, городские турниры и развивает данный вид спорта в городе.
    В настоящее время проведение тренировок и городских соревнований проходит с использованием старого проводного дорогостоящего оборудования, которое довольно часто и вовсе не используют в связи с ограниченным функционалом. Отчеты и протоколы часто пишутся самостоятельно на бумаге или с использованием программных пакетов, что усложняет процесс и отнимает много времени.
    Чтобы сократить трудозатраты при выполнении работы, время её исполнения, а также повысить качество результатов и удобство проведения данных процессов, было принято решение о разработке системы автоматизированной обработки и анализа сигналов с датчиков давления.

1.1. Анализ предметной области
    Для проведения боя и турнира, в целом, в фехтовании на рапирах участвует большое количество персонала, так как необходимо учитывать большое количество правил, объективно оценивать ситуацию и рассматривать процесс с различных сторон.
    Основные виды деятельности старшего судьи на дорожках:
    •  следит за правильностью нанесения укола;
    •  засчитывает или аннулирует укол в соответствии с правилами о нападении;
    •  следит за приоритетом действия и правильностью атаки;
    •  при взаимных уколах передает право на засчитывание укола судье.
    Основные виды деятельности главного судьи:
    •      контролирует соответствие Правилам экипировки, снаряжения и оружия участников, общего электрооборудования, располагаемого на поле боя;
    •  присуждает уколы (удары);
    •  аннулирует действительно нанесенные уколы (удары) с нарушением правил.
    Основными видами деятельности организатора являются:
    •      регистрация участников, судей, тренеров и обслуживающего персонала соревнований;
    •  проведение личных соревнований;
    •  проведение командных соревнований;
    •  создание итоговых протоколов по окончании проведения соревнований.


    Состав главной судейской коллегии (не менее 3 человек):

5

    •  заместителей главного судьи (1 чел. и более);
    •  главного секретаря соревнований (1 чел.);
    •  заместителя (ей) главного секретаря (1 чел. и более)).
    Основными видами деятельности главной судейской коллегии являются:
    •       осуществление контроля за подготовкой мест проведения соревнования, в соответствии с требованиями правил;
    •  голосование в спорных ситуациях;
    •  назначение ассистентов старшего судьи;
    •       осуществление контроля работы всех служб задействованных в проведении соревнований;
    •  вынесение решения по возникающим протестам;
    •      обеспечение информацией участников, зрителей и средства массовой информации о ходе соревнований.
    Основными видами деятельности тренера являются:
    •  организация работы спортивного коллектива;
    •  разработка учебно-методической документации;
    •  организация учебно-тренировочного процесса;
    •  подбор упражнений для физической и технико-тактической подготовки;
    •  проведение групповых занятий;
    •  проведение индивидуальных уроков;
    •  руководство тренировочными боями;
    •  управление деятельностью спортсменов на соревнованиях;
    •  проведение теоретических занятий;
    •  организация культурно-массовой и самодеятельной работы;
    •  разработка и ведение документации соревновании;
    •  подготовка к проведению соревнований;
    •  проведение соревнований;
    •  ведение методической и научно-исследовательской работы;
    •  организация материально-технического обеспечения.

1.2. Диаграммы бизнес-процессов
    Для составления диаграмм бизнес-процессов и потоков данных использовался пакет ERWin Process Modeler r7.3 - средство моделирования, анализа, документирования и оптимизации бизнес-процессов от компании ComputerAssociates.
    В качестве средств для описания модели предметной области используются диаграммы бизнес-процессов IDEF0 и потоков данных DFD.
    Модель в нотации IDEF0 (функциональная модель) представляет собой совокупность иерархических упорядоченных и взаимосвязанных диаграмм. Каждая диаграмма является единицей описания системы и располагается на отдельном листе.
    Диаграммы потоков данных (DataFlowDiagrams - DFD) представляют собой иерархию функциональных процессов, связанных потоками данных. Цель такого


6

представления - продемонстрировать, как каждый процесс преобразует свои входные данные в выходные, а также выявить отношения между этими процессами. В соответствии с данным методом модель системы определяется как иерархия диаграмм потоков данных, описывающих асинхронный процесс преобразования информации от ее ввода в систему до выдачи потребителю.


1.2.1. Построение диаграммы IDEF0 «как есть»


    Представленные ниже диаграммы отображают бизнес-процесс в исходном виде - «как есть».
    Контекстная диаграмма (рис. 1.1) представляет собой сущность под названием «Сопровождение деятельности спортивной секции по фехтованию на рапирах», которая является исследуемым объектом предметной области.


Рис. 1.1. Контекстная диаграмма нотации IDEF0 текущего бизнес-процесса «AS-IS»

    К входным данным сущности относятся:
    -   Данные с электрофиксатора;
    Назначение: Регистрация попадания фехтовальщика в противника.
    -   Видеозапись поединка;
    Назначение: при спорных ситуациях используется для детального изучения боя.
    -   Пакет документов;
    Назначение: Набор документов, необходимых для зачисления в секцию.
    -   Визуальная информация о поединке;


7

    Назначение: Информация, поступающая визуально во время наблюдения судьями за боем.
    -  Календарный план всероссийских соревнований;
    Назначение: Является документом, на основе которого составляется календарный план спортивных массовых мероприятий секции для подготовки учащихся к выступлениям более высокого уровня.
    -  Утвержденное ходатайство;
    Назначение: Является документом, подтверждающим право учиться новым фехтовальщикам в секции.
    -  Утвержденный календарный план;
    Назначение: Является документом, подтверждающим правильность составления и актуальность календарного плана секции.
    К выходным данным:
    -  «Запись в личную карточку»;
    Назначение: Запись в личную карточку о результатах спортсмена по итогам соревнования, а также изменения разрядов и прочих данных.
    -  Аудио- видео- индикация об уколе;
    Назначение: Световое и звуковое сопровождение при регистрации электрофиксатором укола.
    -  «Команды» судьи фехтовальщику;
    Назначение: Главный судья произносит вслух команды по ведению поединка (начинайте, стоп и т. д.).
    -  «Объявление» о присуждении очка;
    Назначение: После рассмотрения спорных ситуаций главный судья произносит вслух кому было присуждено очко или аннулировано.
    -  Штраф;
    Назначение: При грубом нарушении главный судья имеет право вынести штраф фехтовальщику (штрафное очко, дисквалификация и т. д.).
    -  Сводный протокол;
    Назначение: Является отчетным документом, содержащим в себе информацию о порядке выступления команд/фехтовальщиков, количестве присвоенных очков, а также является для команд документом с результатами соревнования.
    -  Заявка на участие в соревнованиях;
    Назначение: Главный тренер составляет заявку на участие в соревнованиях при достаточной подготовленности спортсмена.
    -  План тренировок;
    Назначение: Тренер составляет план тренировок с учётом результатов соревнований, тренировок, планов участия в иных соревнованиях.
    -  Календарный план спортивных массовых мероприятий;
    Назначение: Главный тренер составляет план проведения соревнований и передает директору на утверждение.
    -  Список новых участников всероссийских соревнований .xls;
    Назначение: Если спортсмен первый раз собирается выступать в соревнованиях всероссийского уровня, необходимо занести его в единую БД, для этого необходимо подать участников в виде заполненной Excel таблицы.

8

    -  Письменный отчёт за полугодие;
    Назначение: Является документом, подготавливающимся каждое полугодие и содержащим информацию о результатах деятельности секции за этот период (список повысивших разряд, занявших призовые места в соревнованиях и т. п.).
    Управляющими и нормативными документами являются:
    -  Реестр спортсменов;
    Назначение: Необходим для проверки и внесения спортсменов в БД спортсменов России.
    -  Режим работы секции;
    Назначение: Директор устанавливает режим работы секции по которому она осуществляет свою деятельность.
    -  Единая всероссийская спортивная классификация;
    Назначение: На основе этого документа присуждают спортсменам звания мастера спорта России и спортивного разряда или кандидата в мастера спорта.
    -  Приказ директора;
    Назначение: Является документом, постановляющим задачу спортивной секции (прим. Провести соревнование городского уровня на базе спортивной секции).
    -  Правила ФИЕ (Международная федерация фехтования);
    Назначение: Документ регламентирует спортивное фехтование, содержит описание судейства, подготовки помещения и т. д.
    -  Контрольно-переводные нормативные требования;
    Назначение: Является документом, содержащим требования и условия сдачи нормативов с ранжированием по оценкам, возрастным группам и полу. Играет роль при вынесении решения о переводе спортсмена на следующий год обучения.
    Работа осуществляется при помощи следующих объектов:
    -  Тренер / Организатор турнира;
    Назначение: Специалист по тренировке спортсменов и управлению деятельностью спортивной секции, также уполномочен организовывать и проводить соревнования.
    -  Судейская коллегия;
    Назначение: Группа лиц, образующих руководящий, совещательный и распорядительный орган, тщательно следит за соблюдением правил соревнований и голосует при возникновении спорных ситуациях.
    -  Старший судья на дорожках;
    Назначение: Специалист, отвечающий за соблюдение права на атаку и правильность нанесения укола.
    -  Главный судья;
    Назначение: Физическое лицо, уполномоченное организатором спортивного соревнования обеспечить соблюдение правил вида спорта и положения (регламента) о спортивном соревновании, прошедшее специальную подготовку.
    -  Регистратор укола;
    Назначение: Проводной интерфейс, регистрирующий укол при попадании оружием в специальный костюм.

9

    На декомпозиции контекстной диаграммы (уровень A0) описаны процессы, связанные с сопровождением деятельности секции (рис. 1.2), представлено пять сущностей:

AUTHOR
PROJECT: СофДеятСекцииЮЕР0_АЗ-13

NOTES: 123456789 10________

DATE: 21.03.2017 И WORKING
REV: 18.05.2017 ___DRAFT___________
___RECOMMENDED
________________ PUBLICATION

READER

укола

Сопровождение деятельности спортивной секции по фехтованию на pantpax

Рис. 1.2. Декомпозиция контекстной диаграммы нотации IDEF0 текущего бизнес-процесса «AS-IS»

    1.  Регистрация спортсменов;
    В работу поступают: утвержденное ходатайство и пакет документов. Используется механизм: Тренер/организатор турнира.
    Результатом данной работы являются интерфейсные дуги: «Журнал секции» (и её ответвление «Список спортсменов») и «Личная карточка спортсмена».
    Назначение: Тренер/организатор турнира регистрирует новых спортсменов, приходящих в секцию, записывая их в журнал секции и заводя на них личные карточки.
    2.  Проведение тренировок;
    В работу поступают: журнал секции, личная карточка спортсмена и календарный план спортивных массовых мероприятий. Используется механизм: Тренер/организатор турнира.
    Результатом данной работы являются интерфейсные дуги: «Заполненный журнал секции» и «Нормативная ведомость».
    Назначение: Тренер/организатор турнира проводит тренировку и организует сдачу нормативов, отмечая при этом посещаемость в журнале секции, а также заполняя нормативную ведомость по результатам сдачи нормативов.

10