Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych

konstrukcje technologie zastosowania
MIESIECZNIK NAUKOWO-TECHNICZNY
rok L nr 11/2009
• MATERIAŁY • KONSTRUKCJE • UKŁADY
• SYSTEMY • MIKROELEKTRONIKA
• OPTOELEKTRONIKA • FOTONIKA
• ELEKTRONIKA MIKROFALOWA
• MECHATRONIKA
• ENERGOELEKTRONIKA • INFORMATYKA
ZESPÓŁ REDAKCYJNY
prof. dr hab. inż. Jerzy Klamka - redaktor naczelny,
Bożena Lachowicz - sekretarz redakcji
Stali współpracownicy: mgr inż. Wiesław Jabłoński,
mgr inż. Krzysztof Kowalski, mgr inż. Cezary Rudnicki, dr Juliusz Szczęsny
Adres redakcji: ul. Chmielna 6 m.6, 00-020 Warszawa,
tel./fax: (022) 827 38 79; tel.: (022) 826 65 64,
e-mail: elektronika@red.pl.pl, www.elektronika.orf.pl
Zamówienia na reklamę przyjmuje redakcja lub Dział Reklamy
i Marketingu, ul. Mazowiecka 12, 00-950 Warszawa, skr. 1004,
tel./fax (022) 8274366, 8268016, e-mail: reklama@sigma-not.pl
Kolportaż: ul. Ku Wiśle 7, 00-716 Warszawa, tel.: (022) 840 35 89;
tel./fax:: (022) 840 59 49, (022)891 13 74
RADA PROGRAMOWA
prof. dr hab. inż. Władysław Torbicz (PAN) - przewodniczący
prof. dr hab. inż. Leonard Bolc, prof. dr hab. Zdzisław Drozd, prof. dr
hab. inż. Jerzy Fraczek, dr inż. Józef Gromek, mgr inż. Jan Grzybowski,
prof. dr hab. Ryszard Jachowicz, prof. dr hab. Włodzimierz
Janke, prof. dr hab. Andrzej Jakubowski, prof. dr hab. Włodzimierz
Kalifa, inż. Stefan Kamiński, prof. dr hab. inż. Marian P. Kaźmierkowski,
dr inż. Wojciech Kocańda, prof. dr hab. Bogdan Kosmowski, mgr
inż. Zbigniew Lange, prof. dr hab. Benedykt Licznerski, dr inż. Zygmunt
Łuczyński, prof. dr hab. inż. Józef Modelski, prof. dr hab. Tadeusz
Morawski, prof. dr hab. Bohdan Mroziewicz, prof. dr hab. Andrzej
Napieralski, prof. dr hab. Tadeusz Pałko, prof. dr hab. inż. Marian
Pasko, prof. dr hab. Józef Piotrowski, dr hab. inż. Ryszard Romaniuk,
dr hab. inż. Grzegorz Różański, prof. dr hab. inż. Edward Sędek,
prof. dr hab. Ludwik Spiralski, prof. dr hab. inż. Zdzisław Trzaska,
mgr inż. Józef Wiechowski, prof. dr hab. inż. Marian Wnuk, prof.
dr hab. inż. Janusz Zarębski
Czasopismo dotowane przez Ministerstwo Nauki
i Szkolnictwa Wyższego. Za opublikowane w nim artykuły
MNiSzW przyznaje 6 punktów.
“Elektronika” jest wydawana
przy współpracy Komitetu Elektroniki
i Telekomunikacji Polskiej Akademii Nauk
IEEE
WYDAWNICTWO
CZASOPISM I KSIĄŻEK
TECHNICZNYCH
SIGMA - NOT
Spółka z o. o.
00-950 Warszawa
skrytka pocztowa 1004
ul. Ratuszowa 11
tel.: (0 22)818 09 18, 818 98 32
fax: (0 22) 619 21 87
Internet
http://www.sigma-not.pl
Prenumerata
e-mail: kolportaz@sigma-not.pl
Informacja
e-mail: informacja@sigma-not.pl
Redakcja współpracuje
z Polską Sekcją IEEE
“Elektronika” jest notowana
w międzynarodowej bazie IEE
Inspec
Publikowane artykuły nukowe były
recenzowane przez samodzielnych
pracowników nauki
Redakcja nie ponosi odpowiedzialności
za treść ogłoszeń. Zastrzega
sobie prawo do skracania i adjustacji
nadesłanych materiałów.
Indeks 35722
Nakład do 2000 egz.
Druk: Drukarnia SIGMA-NOT Sp. z o.o.
SPIS TREŚCI • CONTENTS
Medical pattern intelligent recognition based on linguistic
modelling of 3D coronary vessels visualisations (Lingwistyczne
modelowanie przestrzennych rekonstrukcji unaczynienia
wieńcowego w inteligentnym rozpoznawaniu zmian patologicznych)
- M. Trzupek, M. R. Ogiela, R. Tadeusioewicz ................
Average Individual Classification Probability Function (Przeciętna
indywidualna funkcja prawdopodobieństwa klasyfikacji) -
M. Landowski, A. Piegat ............................................................
Evolutionary sets of cooperating ship trajectories: open waters
and restricted waters (Ewolucyjne zbiory bezpiecznych
trajektorii statków dla wód otwartych i obszarów ograniczonych)
- R. Szłapczyński ....................................................................
The role of fuzzy modeling in creation of knowledge base’s
for intelligent decision’s support systems in the conditions
of the dangerous hydrometeorological phenomenon threat
(Rola modelowania rozmytego w kształtowaniu baz wiedzy dla
inteligentnych systemów wspomagania decyzji w warunkach zagrożenia
niebezpiecznym zjawiskiem natury) - T. Tretyakova .....
Generation of harmonic sequences in accordance to tonal
harmony rules with artificial neural networks (Generacja
sekwencji harmonicznych w zgodzie z zasadami harmonii tonalnej
przy użyciu sieci neuronowych) - W. Zabierowski,
A. Napieralski ..........................................................................
The correction of digital images obtained by means of low
quality scanner using FIR filter generated by a neural network
in opposition to the digital images obtained by means
of model scanner (Poprawa obrazów cyfrowych pozyskanych
skanerem niskiej klasy z wykorzystaniem filtru FIR generowanym
przez siec neuronową) - J. Peksiński, G. Mikołajczak .........
Global multicriteria optimization in weather routing (Wielokryterialna
optymalizacja globalna w nawigacji meteorologicznej)
- J. Szłapczyńska .............................................................
Signed electronic document and its probative value in certificate
and certificateless public key cryptosystem infrastructures
(Podpisany dokument elektroniczny i jego wartość
dowodowa w certyfikatowej i bezcertyfikatowej infrastrukturze
kryptosystemu klucza publicznego) - J. Pejaś .........................
Ontology-based approach to scada systems vulnerabilities
representation for CIP (Podejście ontologiczne do reprezentacji
podatności systemów scada dla ochrony infrastruktur krytycznych)
- M. Choraś, A. Stachowicz, R. Kozik, A. Flizikowski,
R. Renk ..................................................................................
Synthesis and management of system with parallel multiprocessors
and fault tolerance (Synteza i zarządzanie komputerowych
systemów z równoległymi wieloprocesorami
i tolerowaniem uszkodzeń) - M. Drabowski ...............................
The security level of particular blind steganographic systems
(Zabezpieczenie określonego poziomu niewidoczności
w systemach steganograficznych) - J. Korostil ...........................
The efficient data authentication in Web GIS (Efektywne uwierzytelnianie
danych w systemach Web GIS) - W. Maćków ..........
An experiment of implementation of DLP system working as
a Linux kernel loadable module (Próba implementacji systemu
ochrony przed utratą danych (DLP) pracującego na poziomie
jądra dla systemu Linux) - A. Rakowski, I. El Fray .....
A buffer thresholds policy in linked in series servers with
blocking (Buforowanie z progami w połączonych serwerach
z blokadami) - W. Oniszczuk ..................................................
9
12
15
18
22
25
27
30
35
38
41
45
48
51
ELEKTRONIKA 11/2009 1

A system automating repairs of IT systems (System automatyzujący
naprawy systemów IT) - M. Kamiński ...........................
Influence of the number of bins on the recognition results
using Point Distance Histogram (Wpływ liczby przedziałów
w histogramie na wyniki rozpoznawania z użyciem algorytmu
Point Distance Histogram) - D. Frejlichowski .............................
Open Virtual Steganographic Laboratory (Otwarte Wirtualne Laboratorium
Steganograficzne) - P. Forczmański, M. Węgrzyn .......
The use of speech recognition and user verification in
closed-circuit television systems (Zastosowanie rozpoznawania
mowy i weryfikacji użytkownika w systemach telewizji
przemysłowej) - M. Kubanek ....................................................
SMS-B project of educational platform for e-business (Projekt
systemu SMS-B jako platformy edukacyjnej dla e-biznesu) -
P. Jałowiecki, T. Woźniakowski, A. Orłowski ...............................
TECHNIKA PRÓŻNI I TECHNOLOGIE PRÓŻNIOWE: Biuletyn
Polskiego Towarzystwa Próżniowego 1 (48) 2009 ................
TECHNIKA SENSOROWA: Zastosowanie technik immunoenzymatycznych
i mikrofluidycznych do amperometrycznego
oznaczania stężenia białka C-reaktywnego (Application of immunoenzymatic
and microfluidic techniques for amperometric determination
of C-reactive protein concentration) - A. Baraniecka,
B. Kazimierczak, J. Kruk, D. G. Pijanowska, W. Torbicz ................
54
58
60
65
68
71
79
TECHNIKA MIKROFALOWA I RADIOLOKACJA: Ochrona własności
przemysłowej w Przemysłowym Instytucie Telekomunikacji
S.A. na przestrzeni 75 lat Jego historii -
J. Kobierzycki, W. Kęska ............................................................ 84
TECHNIKA INFORMATYCZNA: Wielopoziomowy trening symulacyjny
w szkoleniu operatorów urządzeń. Zastosowanie
do szkolenia operatorów robotów mobilnych (Multi-level
simulation training of devices operators. An application to mobile
robots operators) - A. Kaczmarczyk, M. Kacprzak,
A. Masłowski ............................................................................... 92
Radary pasywne - nowa technika radiolokacji (Passive radars
- a new radar technology) - Z. Czekała ........................................ 100
System dalekosiężnej identyfikacji i śledzenia statków (Long
Range Identification and Tracking of ships) - J. Czajkowski,
K. Łyszyk .................................................................................... 115
Szkło dla fotoniki. Część 14. Parametry szklanego włókna
optycznego (Glasses for photonics. Part 14. Parameters of
glass optical fibers) - R. Romaniuk .............................................. 119
Wpływ konstrukcji cyfrowych układów scalonych na generację
zaburzeń elektromagnetycznych (Influence of the IC
construcion on electromagnetic disturbance) - J. Szczęsny ....... 129
Streszczenia artykułów • Summaries of the articles
TRZUPEK M., OGIELA M. R., TADEUSIEWICZ R.: Lingwistyczne
modelowanie przestrzennych rekonstrukcji unaczynienia wieńcowego
w inteligentnym rozpoznawaniu zmian patologicznych
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 9
Celem artykułu jest przedstawienie sposobów rozwinięcia metodyki
wcześniej opracowanej dla potrzeb automatycznego rozumienia dwuwymiarowych
zobrazowań medycznych na zobrazowania 3D. Badana
dają możliwości zdefiniowania w tych zobrazowaniach
elementów opisu morfologii zmian patologicznych oraz możliwości
zastosowania lingwistycznego podejścia, a także kognitywnej analizy
obrazów do opisu i modelowania przestrzennych struktur biomedycznych.
Rozważania w warstwie szczegółowej nawiązywać będą
do trójwymiarowej struktury drzewa naczyń wieńcowych, która opisywana
będzie z wykorzystaniem grafowych języków opisu cech
kształtów.
Słowa kluczowe: rozumienie zobrazowań medycznych, sztuczna
inteligencja, inżynieria biomedyczna, lingwistyka matematyczna
LANDOWSKI M., PIEGAT A.: Przeciętna indywidualna funkcja
prawdopodobieństwa klasyfikacji
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 12
Jednym z głównych zadań sztucznej inteligencji jest stworzenie
sztucznego komputerowego mózgu realizującego sztuczne myślenie
bazujące na konceptach lingwistycznych. Podstawą realizacji tego
zadania jest opracowanie modelu ludzkich percepcji wyrażonego
w formie kwantyfikatorów lingwistycznych. Artykuł prezentuje metodę
tworzenia przeciętnej indywidualnej funkcji prawdopodobieństwa klasyfikacji.
Funkcja ta przedstawia funkcję klasyfikacji przeciętnej indywidualnej
osoby w grupie (populacji). Według wiedzy autorów
przeciętna indywidualna funkcja prawdopodobieństwa klasyfikacji jest
nowością w literaturze światowej.
Słowa kluczowe: teoria prawdopodobieństwa, model probabilistyczny,
przeciętna indywidualna funkcja prawdopodobieństwa klasyfikacji,
koncept lingwistyczny
TRZUPEK M., OGIELA M. R., TADEUSIEWICZ R.: Medical pattern
intelligent recognition based on linguistic modelling of 3D coronary
vessels visualisations
Elektronika (L), no 11/2009, p. 9
The goal of this article is to present the ways of taking the methodology
that has been developed earlier for the needs of automatic understanding
of 2D medical visualisations to the level of 3D
visualisations. The research will cover the potential of defining, in
these visualisations, of elements describing the morphology of pathologic
changes and the possibility of applying the linguistic approach as
well as cognitive image analysis for the description and modelling of
spatially visualised coronary vessels. The considerations will make
reference especially to the 3D structure of the coronary vascular tree,
which will be described with the use of graph-based languages of
shape feature description.
Keywords: syntactic pattern analysis, medical image understanding,
artificial intelligence, Computer-Aided Diagnosis
LANDOWSKI M., PIEGAT A.: Average Individual Classification
Probability Function
Elektronika (L), no 11/2009, p. 12
One of the main tasks of artificial intelligence is the creation of artificial
computer brain able to realize artificial thinking based on linguistic
concept. The basis of the realization of this task is the working out
of models of human perception expressed in the form of linguistic
quantifiers. The article presents the method of finding average individual
classification probability function. The function is to present
classification function of the average person in the group (population).
According to the authors’ knowledge average individual classification
probability function are the novelty in the word literature.
Keywords: probability theory, probabilistic model, average individual
classification probability function, linguistic concept
2 ELEKTRONIKA 11/2009

Streszczenia artykułów • Summaries of the articles
SZŁAPCZYŃSKI R.: Ewolucyjne zbiory bezpiecznych trajektorii
statków dla wód otwartych i obszarów ograniczonych
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 15
W artykule przedstawiono nową metodę rozwiązywania sytuacji spotkań
wielu statków na wodach otwartych i wodach ograniczonych. Metoda
łączy niektóre z elementów podejścia opartego na teorii gier
z programowaniem ewolucyjnym i szuka optymalnego zbioru bezpiecznych
trajektorii wszystkich statków zaangażowanych w potencjalną
sytuację kolizyjną. Pozwala ona nawigatorowi przewidzieć
najbardziej prawdopodobne zachowanie statków obcych i zaplanować
z wyprzedzeniem manewry statku własnego.
Słowa kluczowe: algorytmy ewolucyjne, unikanie kolizji statków,
optymalne trajektorie statków
TRETYAKOVA T.: Rola modelowania rozmytego w kształtowaniu
baz wiedzy dla inteligentnych systemów wspomagania decyzji
w warunkach zagrożenia niebezpiecznym zjawiskiem natury
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 18
Do przygotowania zawartości baz wiedzy inteligentnych systemów
doradczych i nauczania (trenażerów), wykorzystując wyniki estymacji
informacji hydrometeorologicznej proponuje się wykorzystywać
zbiory rozmyte i logikę rozmytą Lotfi Zadeha, które pozwalają sformalizować
wiedzę jakościową i operować tą wiedzą. W artykule
przedstawiono schemat blokowy procesu wyboru strategii reagowania
na niebezpieczne zjawiska natury oraz przykładowe zbiory rozmyte
i zmienne lingwistyczne, pozwalające sformalizować wiedzę
jakościową dla inteligentnych systemów tej klasy.
Słowa kluczowe: inteligentne systemy, modele rozmyte, wspomaganie
decyzji, informacja hydrometeorologiczna
ZABIEROWSKI W., NAPIERALSKI A.: Generacja sekwencji harmonicznych
w zgodzie z zasadami harmonii tonalnej przy użyciu
sieci neuronowych
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 22
Artykuł przedstawia badania w dziedzinie Computer Generated
Music [1], a dokładnie w zakresie generacji sekwencji harmonicznych.
Do uzyskania postawionego celu zostały użyte sieci neuronowe.
Do przygotowania danych użyto mechanizmów MIDI wraz
z syntezatorem muzycznym. Artykuł zawiera także dyskusję otrzymanych
wyników w odniesieniu do rzeczywistego procesu kompozycji
utworów muzycznych.
Słowa kluczowe: harmonia tonalna, muzyka, sieci neuronowe, muzyka
komputerowa
PEKSIŃSKI J., MIKOŁAJCZAK G.: Poprawa obrazów cyfrowych
pozyskanych skanerem niskiej klasy z wykorzystaniem filtru FIR
generowanym przez siec neuronową
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 25
Dynamiczny rozwój sprzętu akwizycji obrazów opartego na matrycach
CCD (Charge Coupled Device) doprowadził do tego, że stał się
on obecny niemal w każdym domu. Jakość obrazów pozyskanych za
pomocą takiego sprzętu w dużej stopniu zależy od jakości zastosowanej
matrycy. Celem artykułu jest zaprezentowanie sposobu poprawy
jakości obrazów cyfrowych pozyskanych skanerem o niskich
parametrach tak, aby ich jakość zbliżyła się do obrazów pozyskanych
przy pomocy skanera wysokiej klasy.
Słowa kluczowe: obraz cyfrowy, siec neuronowa, błąd średniokwadratowy
SZŁAPCZYŃSKI R.: Evolutionary sets of cooperating ship trajectories:
open waters and restricted waters
Elektronika (L), no 11/2009, p. 15
The paper presents a new method of solving multi-ship encounter situations
for both open waters and restricted water regions. The method
combines some of the assumptions of game theory with evolutionary
programming and aims to find optimal set of cooperating trajectories
of all ships involved in an encounter situation. It enables the navigator
to predict the most probable behaviour of target ships and to plan
the own manoeuvres in advance.
Keywords: evolutionary algorithm, collision avoidance, optimal ship
trajectories
TRETYAKOVA T.: The role of fuzzy modeling in creation of knowledge
base’s for intelligent decision’s support systems in the conditions
of the dangerous hydrometeorological phenomenon
threat
Elektronika (L), no 11/2009, p. 18
The design of fuzzy models is one of the problems in creation of the
intelligent systems supporting a choice of strategy of reaction to
threats of the nature. In this paper are submitted some methodological
approaches for creation of knowledge bases for intelligent decision
support systems for bodies of regional management which are intended
to realization of protective actions.
Keywords: intelligent systems, fuzzy models, decision support, hydrometeorological
information
ZABIEROWSKI W., NAPIERALSKI A.: Generation of harmonic sequences
in accordance to tonal harmony rules with artificial neural
networks
Elektronika (L), no 11/2009. p. 22
The article presents research in the domain of Computer Generated
Music [1], more precisely - in the area of harmonic sequences generation.
To achieve the goal set for the research, artificial neural networks
were used. Research data have been made using MIDI
mechanisms and a musical synthesizer. In addition, the article contains
a discussion of obtained results in regard to actual process of
composing musical works as done by a human.
Keywords: tonal harmony, music, neural network, computer generated
music
PEKSIŃSKI J., MIKOŁAJCZAK G.: The correction of digital images
obtained by means of low quality scanner using FIR filter
generated by a neural network in opposition to the digital images
obtained by means of model scanner
Elektronika (L), no 11/2009, p. 25
Dynamic development of the image acquisition equipment, which
bases on CCD matrice, that has occurred in recent years was the
cause of the abundance of those devices in household usage. However,
this equipment has many disadvantages caused mainly by the
quality of the CCD matrice and electronics used to build it. Professional
equipment that has high quality parameters and truly mapps
an image is still expensive and is owned mainly by professional companies
that deal with digital image processing. The aim of this article
is to present the possibilities of improvement the quality of images acquired
by low class devices, so that their quality is comparable to images
acquired by high class devices.
Keywords: digital image, neural network, mean square error
ELEKTRONIKA 11/2009 3

Streszczenia artykułów • Summaries of the articles
SZŁAPCZYŃSKA J.: Wielokryterialna optymalizacja globalna
w nawigacji meteorologicznej
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 27
Proces optymalizacji tras statku zdefiniować można jako wielokryterialne
zadanie optymalizacyjne z ograniczeniami. W artykule prezentowane
jest, zaimplementowane wcześniej, narzędzie służące do
rozwiązywania zadania optymalizacji tras. Wykorzystuje ono dwa mechanizmy
optymalizacji wielokryterialnej: ewolucyjny algorytm SPEA
oraz metodę rankingową Fuzzy TOPSIS. Uzyskane wyniki badań prezentowanego
narzędzia wskazują na konieczność redukcji łącznego
czasu wykonania algorytmu. Dlatego też w artykule przedstawiono
przegląd alternatywnych metod optymalizacji wielokryterialnej, możliwych
do zastosowania w badanym przypadku. Dodatkowo podjęto
próbę wskazania rozwiązania najkorzystniejszego z punktu wiedzenia
rozpatrywanego problemu.
SZŁAPCZYŃSKA J.: Global multicriteria optimization in weather
routing
Elektronika (L), no 11/2009, p. 27
Route optimization for ships may be defined as a constrained multicriteria
optimization problem. This paper presents an already implemented
solution to the problem based on a multicriteria evolutionary
algorithm (SPEA) and a ranking method (Fuzzy TOPSIS). Research
results of the solution indicate the necessity of reduction of total execution
time of the algorithm. Thus, in the paper applicable alternative
optimization methods in weather routing are reviewed and the most
suitable methods are appointed in the final conclusions.
Keywords: global optimization, multicriteria optimization, weather
routing
Słowa kluczowe: optymalizacja globalna, optymalizacja wielokryterialna,
nawigacja meteorologiczna
PEJAŚ J.: Podpisany dokument elektroniczny i jego wartość dowodowa
w certyfikatowej i bezcertyfikatowej infrastrukturze
kryptosystemu klucza publicznego
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 30
W artykule zaproponowano model długookresowego certyfikowanego
elektronicznego schematu podpisu (LT-CESS), będącego rozwinię -
ciem standardowego certyfikatowanego schematu podpisu elektronicznego
(CESS). Zaproponowany schemat LT-CESS może być
stosowany zarówno w certyfikatowym kryptosystemie klucza pu blicznego
(PKC), opartym na jawnych certyfikatach klucza publicznego,
jak również w bezcertyfikatowym kryptosystemie klucza publicznego
(CL-PKC), opartym na niejawnych certyfikatach klucza publicznego
Słowa kluczowe: schemat podpisu elektronicznego, długookresowa
wartość dowodowa dokumentu elektronicznego, kryptografia oparta
na tożsamości, certyfikatowy i bezcertyfikatowy kryptosystem klucza
publicznego.
CHORAŚ M., STACHOWICZ A., KOZIK R., FLIZIKOWSKI A., RENK
R.: Podejście ontologiczne do reprezentacji podatności systemów
scada dla ochrony infrastruktur krytycznych
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 35
W niniejszym artykule przedstawiono opis podatności systemów
SCADA będący częścią projektu mającego na celu ochronę infrastruktur
krytycznych CIP (Critical Infrastructure Protection). Zastosowane
w tym celu ontologiczne podejście zapewnia klasyfikacje,
relacje i wnioskowanie na temat podatności i ich powiązań z innymi
zagadnieniami bezpieczeństwa. Zaprojektowano także INSPIRE DAT
(Decision Aid Tool) - narzędzie wspomagające decyzje dot. ochrony
systemów SCADA i krytycznych infrastruktur.
Słowa kluczowe: ontologia, podatności, ochrona krytycznych infrastruktur,
SCADA, bezpieczeństwo
DRABOWSKI M.: Synteza i zarządzanie komputerowych systemów
z równoległymi wieloprocesorami i tolerowaniem uszkodzeń
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 38
Artykuł prezentuje spójne podejście do rozwiązania problemów
współbieżnego szeregowania w kompleksie procesów i zasobów.
Takie problemy są charakterystyczne dla syntezy i zarządzania systemów
wieloprocesorowych i tolerujących uszkodzenia. Złożoność
obliczeniowa takich problemów jest NP-zupełna. Artykuł prezentuje
model dla syntezy i zarządzania oraz praktyczny przykład rozwiązywania
takich problemów.
Słowa kluczowe: operacje, zasoby, szeregowanie, wieloprocesorowość,
tolerancja uszkodzeń
PEJAŚ J.: Signed electronic document and its probative value
in certificate and certificateless public key cryptosystem infrastructures
Elektronika (L), no 11/2009, p. 30
The paper contains a proposal of a new model of a long-term certificate
electronic signature scheme (LT-CESS) being an extension of a
standard certificate electronic signature scheme (CESS). The LT-
CESS scheme can be used in a certificate Public Key Cryptosystem
(PKC) based on explicit public key certificates and in a Certificateless
Public Key Cryptosystem (CL-PKC) based on implicit public key certificates
as well.
Keywords: electronic signature scheme, long-term probative value
of an electronic document, identity-based cryptography, certificate and
certificateless public key cryptosystem
CHORAŚ M., STACHOWICZ A., KOZIK R., FLIZIKOWSKI A., RENK
R.: Ontology-based approach to scada systems vulnerabilities
representation for CIP
Elektronika (L), no 11/2009, p. 35
In this paper description of vulnerabilities in SCADA systems for CIP
(Critical Infrastructure Protection) will be presented. Ontology-based
approach applied for this purpose provides classification, relationships
and reasoning about vulnerabilities and their connections with other
security issues. Our approach is connected with solutions proposed
in INSPIRE Project for increasing security and protection through infrastructure
resilience.
Keywords: ontology, vulnerabilities, critical infrastructure protection,
SCADA, security
DRABOWSKI M.: Synthesis and management of system with parallel
multiprocessors and fault tolerance
Elektronika (L), no 11/2009, p. 38
The paper presents a coherent approach to solving the problems of
concurrent scheduling of complex of operations and resources frameworks.
These problems are specific for synthesis and management of
system with multiprocessors and fault tolerance. Computational complexity
of those problems is in general NP-complete. The paper presents
model for synthesis and management and presents practical
example for solving problems of this system.
Keywords: operations, resources, scheduling, multiprocessors, foult
tolerance
4 ELEKTRONIKA 11/2009

Streszczenia artykułów • Summaries of the articles
KOROSTIL J., NOZDRZYKOWSKI Ł.: Zabezpieczenie określonego
poziomu niewidoczności w systemach steganograficznych
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 41
W artykule przedstawiono sposób wykorzystania ocen jakości obrazów
zgodnych z percepcją ludzkiego systemu wzrokowego, do określania
niewidoczności zniekształceń powodowanych przez steganograficzne
ukrywanie informacji w kolorowych obrazach cyfrowych.
Przez wykorzystanie metod oceny niewidoczności istnieje możliwość,
aby użytkownik żądając otrzymania danego poziomu niewidoczności,
otrzymywał ją. Obraz wykorzystywany w celach steganograficznych
powinien być starannie wybierany, aby fakt steganograficznego ukrycia
wiadomości, nie był możliwy do wizualnego wykrycia [1].
Słowa kluczowe: steganografia, obrazy cyfrowe, ukrywanie informacji
MAĆKÓW W.: Efektywne uwierzytelnianie danych w systemach
Web GIS
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 45
W artykule przedstawiono wydajny schemat uwierzytelniania danych
geograficznych. Schemat oparty jest na podpisie cyfrowym i łańcuchowaniu
skrótów. Jest on dedykowany dla internetowych systemów
GIS, umożliwiając uwierzytelnianie danych geograficznych przesyłanych
z internetowych serwisów mapowych w odpowiedzi na zapytania
klienta. Odpowiedzi serwera mogą być generowane np.
podczas sesji WMS lub WFS.
KOROSTIL J., NOZDRZYKOWSKI Ł.: The security level of particular
blind steganographic systems
Elektronika (L), no 11/2009, p. 41
This article illustrates the utilization of evaluation of images quality in
accordance with the perception of human visual system and to determine
the invisibility of distortions caused by the steganographic information
hiding in digital color images. There is a possibility that the
user could get certain level of invisibility through the use of blind assessment
method. The image used for the purpose of steganography
should be carefully chosen that steganographic information hiding
could not be possible to visual detection [1].
Keywords: steganography, digital image, information hiding
MAĆKÓW W.: The efficient data authentication in Web GIS
Elektronika (L), no 11/2009, p. 45
The article presents a scheme of efficient geodata authentication,
based on digital signature and hash chaining. The proposal is dedicated
to the Web GIS systems, for authentication of geographical data
send by web mapping services as an answer to user requests. Server
responses could be generated for example during WMS or WFS communication
session.
Keywords: hash chaining, data authentication, web mapping
Słowa kluczowe: łańcuchowanie skrótów, uwierzytelnianie danych,
webmapping
RAKOWSKI A., EL FRAY l.: Próba implementacji systemu
ochrony przed utratą danych (DLP) pracującego na poziomie
jądra dla systemu Linux
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 48
W pracy omówiono ogólnie ideę systemów DLP i kilku wybranych realizacji
programowych dedykowanych platformie Windows. W artykule
opisano także możliwe kanały wycieku informacji wrażliwej oraz
przedstawiono autorską próbę utworzenia prostego systemu zapobiegania
przed utratą danych. Utworzony system o nazwie PXX jest
aplikacją złożoną z modułu jądra dla systemu Linux rodziny 2.6 oraz
daemonem pracującym w przestrzeni administratora. Celem pracy
jest określenie możliwości realizacji seryjnego i biznesowego rozwiązania
rodziny DLP dla systemu Linux.
Słowa kluczowe: System ochrony przed utratą danych, wyciek danych,
bezpieczeństwo informacji
ONISZCZUK W.: Buforowanie z progami w połączonych serwerach
z blokadami
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 51
Zastosowania progów w buforach, koncepcja blokad i odpowiednia
strategia obsługi, to szeroko używane sposoby przeciwdziałania przeciążeniom
w systemach komputerowych. Często więc, obiektami
badań są kolejkowe systemy obsługi z blokadami, recyklingiem
(obsługa priorytetowa) i ograniczonymi buforami z dynamicznymi progami.
W niniejszej pracy założono, że zewnętrzny strumień zadań jest
strumieniem Poissona, a losowe czasy obsługi mają rozkład wykładniczy.
Badana sieć składa się z trzech węzłów, a w buforach mamy
progi o rozmiarach tm1 i tm2. Na bazie formalizmów łańcuchów Markowa,
powstały efektywne modele analityczne takich systemów
obsługi, a seria eksperymentów numerycznych pokazała, że koncepcja
blokad, recyklingu z priorytetami, oraz z dynamicznymi progami
dobrze opisuje procesy obsługi w takich systemach.
Słowa kluczowe: sieci z progami, kontrola przeciążeń, łańcuchy Markowa,
blokady
RAKOWSKI A., EL FRAY l.: An experiment of implementation of
DLP system working as a Linux kernel loadable module
Elektronika (L), no 11/2009, p. 48
This article covers general description of DLP systems and some software
implementations dedicated to Windows operating system. Also
possible channels of loss of sensitive data were mentioned and described.
Authors discuss their own experiment of creating simple data
loss prevention system. Created system called PXX is made up of
Linux’s kernel loadable module for 2.6 family and root space daemon.
The aim was to determine possibility of implementation of universal
Linux-based business DLP solution.
Keywords: data loss prevention (DLP), data leakage, information security
ONISZCZUK W.: A buffer thresholds policy in linked in series
servers with blocking
Elektronika (L), no 11/2009, p. 51
The use of buffer thresholds, blocking and adequate service strategies
are well-known techniques for computer networks traffic congestion
control. This motivates the study of series queues with
blocking, feedback (service under Head of Line (HoL) priority discipline)
and finite capacity buffers with thresholds. In this paper, the external
traffic is modelled using the Poisson process and the service
times have been modelled using the exponential distribution. We consider
a three-station network with two finite buffers, for which a set of
thresholds (tm1 and tm2) is defined. Using an open Markovian queuing
schema with blocking, priority feedback service and thresholds,
a closed form cost-effective analytical solution is obtained. Based on
numerical experiments and collected results we conclude that the
proposed model with blocking, feedback and thresholds can provide
accurate performance estimates of linked in series servers.
Keywords: threshold-base networks, congestion control, Markov
chains, blocking
ELEKTRONIKA 11/2009 5

KAMIŃSKI M.: System automatyzujący naprawy systemów IT
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 54
Artykuł ten dotyczy dwóch istotnych problemów: problemu monitorowania
systemów IT oraz problemu ich naprawiania. Zaprezentowano
w nim rozwiązanie umożliwiające automatyzację istniejących procesów
naprawczych oraz ich integrację z przemysłowymi systemami
i mechanizmami monitorującymi. Opisane rozwiązanie jest częścią
większego projektu, nazwanego RMF (Repair Management Framework).
W artykule tym zamieszczono również skrótowe studium przypadku
dotyczące wytworzonego oraz zaimplementowanego systemu,
pokazujące w jaki sposób został on użyty do rozwiązywania rzeczywistego
problemu dotyczącego funkcjonowania systemów zarządzania
bazami danych.
Słowa kluczowe: systemy IT, wytwarzanie oprogramowania, metody
formalne, monitorowanie i naprawa
FREJLICHOWSKI D.: Wpływ liczby przedziałów w histogramie na
wyniki rozpoznawania z użyciem algorytmu Point Distance Histogram
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 58
Artykuł przedstawia wyniki eksperymentu przeprowadzonego
z użyciem konturowych kształtów znaków firmowych a oparciu o algorytm
Point Distance Histogram. Jednym z ważnych elementów tego
algorytmu jest wybór liczby przedziałów (oznaczonej jako r) w wynikowym
histogramie. W trakcie eksperymentów badano wpływ zmiennej
wartości tego parametru na rezultaty rozpoznawania. Głónym
celem badań było ustalenie najlepszych wartości współczynnika r dla
małych konturowych kształtów binarnych. Jako ogólne podejście do
problemu rozpoznawania wybrano porównywanie ze wzorcami (ang.
template matching).
Słowa kluczowe: opis kształtu, rozpoznawanie znaków firmowych,
histogram, współrzędne biegunowe
FORCZMAŃSKI P., WĘGRZYN M.: Otwarte Wirtualne Laboratorium
Steganograficzne
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 60
Jednym z najbardziej popularnych i wydajnych podejść do steganografii
jest ukrywanie wiadomości w obrazach cyfrowych. Niestety większość
z programów, które oferują szeroki zakres metod bazujących
na LSB (osadzanie w najmniej znaczącym bicie) lub algorytmie JPEG
jest podatna na współczesną steganalizę. Z drugiej strony, na rynku
brakuje oprogramowania, które pozwalałoby na symulowanie i badanie
różnych innych metod steganoraficznych i steganalitycznych. Powyższe
potrzeby wymusiły powstanie oprogramowania opisanego w
niniejszej pracy, które pozwala na ukrywanie informacji w danych graficznych,
przeprowadzanie procedury steganalizy i umożliwia użycie
tzw. wtyczek (plug-in). W opracowanym laboratorium przetwarzanie
może odbywać się w sposób zarówno sekwencyjny, jak i równoległy.
Aplikacja może być obsługiwana przez stosunkowo mało doświadczonych
użytkowników, ponieważ dysponuje graficznym interfejsem
użytkownika (zgodnym z technologią drag-and-drop). Może być wykorzystana
w badaniach naukowych i edukacji.
Słowa kluczowe: wirtualne laboratorium, steganografia, staganaliza,
znakowanie wodne, Java
KUBANEK M.: Zastosowanie rozpoznawania mowy i weryfikacji
użytkownika w systemach telewizji przemysłowej
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 65
Systemy rozpoznawania mowy i weryfikacji osób na podstawie mowy
niezależnej są coraz częściej powszechnie używane. W systemach
rozpoznawania mowy musimy wiedzieć, co zostało wypowiedziane
przez testowaną osobę. Takie rozpoznane słowa można stosować do
sterowania różnymi urządzeniami, kontrolowanymi przez komputer.
W przypadku weryfikacji tożsamości nie jest ważne, co zostało wypowiedziane,
ale kto to wypowiedział. W systemach weryfikacji tożsamości,
gdzie każdy z zarejestrowanych użytkowników posiada swój
własny unikalny login, zarejestrowana wypowiedź weryfikowanego
użytkownika jest porównywana z wszystkimi wypowiedziami z bazy.
Jeśli login się zgadza i charakterystyki głosowe są zgodne, wówczas
system akceptuje weryfikowaną osobę.
W artykule zaproponowano rozpoznawanie mowy do sterowania
ruchem kamery przemysłowej, oraz weryfikację użytkownika na podstawie
mowy niezależnej do logowania do systemu. Do ekstrakcji i kodowania
charakterystyk głosowych zastosowano analizę cepstralną
mowy. Jako aparat rozpoznający przyjęto ukryte modele Markowa.
Głównym zadaniem tej pracy - oprócz oczywiście praktycznej implementacji
opisanych metod - jest pokazanie, w jaki sposób należy
zmodyfikować mechanizm analizy cepstralnej na potrzeby rozpoznawania
mowy, a w jaki sposób na potrzeby weryfikacji tożsamości na
podstawie mowy niezależnej.
Słowa kluczowe: weryfikacja użytkownika, rozpoznawanie mowy,
mowa niezależna, kodowanie mowy
KAMIŃSKI M.: A system automating repairs of IT systems
Elektronika (L), no 11/2009, p. 54
This paper presents two problems that are important nowadays: the
problem of IT systems monitoring and the problem of repairing them.
It shows the developed solution, aimed to automate the existing industrial
repair process and to integrate it with the existing monitoring
solutions and mechanisms. Described solution is a part of a bigger
whole, called the Repair Management Framework (RMF). This paper
presents also briefly a case study related to the developed and implemented
system, showing how it was used to solve the real problem
regarding the functioning of database management systems.
Keywords: IT systems, software development, formal methods, monitoring
and repair
FREJLICHOWSKI D.: Influence of the number of bins on the
recognition results using Point Distance Histogram
Elektronika (L), no 11/2009, p. 58
The paper presents the results of an experiment performed on trademark
contour shapes using Point Distance Histogram. One of the important
stages in the algorithm is the selection of the number of bins
(denoted as r) in the resultant histogram. The experiments explored
the influence of this varying value on the recognition results. The main
goal was to establish the best value for small binary contour shapes.
The template matching was used as the whole approach to the recognition
problem.
Keywords: shape description, trademark recognition, histogram,
polar coordinates
FORCZMAŃSKI P., WĘGRZYN M.: Open Virtual Steganographic
Laboratory
Elektronika (L), no 11/2009, p. 60
One of the most popular and efficient steganographic approaches is
to embed messages into digital images. However, most of available
applications that provide wide range of Least Significant Bit methods
or different JPEG techniques no longer resist modern steganalysis.
On the other hand, there is no application for still images, that could
simulate and test multiple methods both steganographic and steganalytic,
thus the purpose of this paper is to propose a software for hiding
and detecting data in digital images that uses several different
adjustable steganographic techniques, allows testing their security
level with steganalysis and provides simple plug-in architecture. The
processing can be performed in both batch and parallel form. The application
can be operated even by relatively inexperienced users since
it provides legible graphical user interface (conforming with drag-anddrop
technology) and it can be employed both in research and in educational
areas.
Keywords: virtual laboratory, steganography, steganalysis, watermarking,
Java
KUBANEK M.: The use of speech recognition and user verification
in closed-circuit television systems
Elektronika (L), no 11/2009, p. 65
Speech recognition systems, and the verification of persons on the
basis of independent speech are widely used. In the speech recognition
systems, we need to know what said examined person. These
recognized words we can used to controlling any devices, which is
controlled by computer. In a speaker verification, the prime interest is
not in recognizing the words but determining who is speaking the
words. In systems of speaker verification, a test of signal from an
known speaker, user gives his own login, is compared to all known
speaker signals in the set. If the vocal is the same and the user login
is the same, the system accepts the user.
In this work, it was proposed use speech recognition method to
control the movement of the camera of closed-circuit television
system, and use user verification method to log on to this system. Extraction
of the audio features of person’s speech is done using modified
mechanism of cepstral speech analysis. Speech recognition is
done using hidden Markov models.
The main aim of this work, excepting the practical implementation
of both methods, is show, how to modify the MFCC for speech
recognition and user verification.
Keywords: user verification, speech recognition, independent
speech, speech coding
6 ELEKTRONIKA 11/2009

Streszczenia artykułów • Summaries of the articles
JAŁOWIECKI P., WOŹNIAKOWSKI T., ORŁOWSKI A.: Projekt systemu
SMS-B jako platformy edukacyjnej dla e-biznesu
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 68
Funkcjonowanie współczesnych instytucji i organizacji komercyjnych
opiera się na systemach informatycznych zaliczanych do kategorii
Business Intelligence. Wydaje się, że pożyteczne jest oparcie procesu
edukacji na takich kierunkach studiów jak: ekonomia, finanse
i rachunkowość, informatyka, ekonometria oraz zarządzanie
o dedykowane platformy IT wystarczająco wiernie odtwarzające
rzeczywiste, informatyczne środowisko pracy.
W pracy przedstawiono koncepcję systemu SMS-B (System Modelowania
i Symulacji Biznesowych) zaprojektowanego do symulowania
procesów biznesowych jako propozycję platformy edukacyjnej
oferującej zintegrowane rozwiązania współczesnych systemów informatycznych
klasy BI. Architektura systemu SMS-B tak blisko jak to
możliwe imituje rzeczywiste środowisko pracy w dużych instytucjach
finansowych. Funkcjonalność systemu zakłada wykorzystywanie
danych generowanych w oparciu o biznesowe modele symulacyjne.
Możliwości oferowane przez system w zakresie zastosowań
edukacyjnych stanowią połączenie funkcjonalności oferowanej przez
rzeczywiste, współczesne systemy IT wielu kategoriom użytkowników
końcowych, w szczególności pracownikom obsługi IT, użytkownikom
biznesowym, analitykom i różnym kategoriom konsumentów informacji.
Ponadto system SMS-B oferuje różne możliwości użytkownikom
szczebla kierowniczego z zakresu statystyki, ekonometrii
i zarządzania organizacjami.
JAŁOWIECKI P., WOŹNIAKOWSKI T., ORŁOWSKI A.: SMS-B pro -
ject of educational platform for e-business
Elektronika (L), no 11/2009, p. 68
Present institutions and commercial organizations work is based on
systems count to Business Intelligence class. It seems to be advisable
to base education process in such faculties as: economy, finance and
accounting, computer science, econometrics and management on the
dedicated modeling IT platform suitable to achieve practical experience
in real market environment.
In this article we present the concept of system designated to simulate
business processes SMS-B (Simulation and Modeling System
for Business) as proposition of educational platform offering integrated
end-to-end solution of modern BI computer system. SMS-B architecture
as close as possible to the real world imitates essential processes
meet in financial enterprise. These functions operate on the base on
data generated by business simulation models.
The capabilities offered by system for educational purposes are
essential for many categories of end-users worked every day with information
systems. Especially for IT people, business users, analysts
and other sorts of information consumers. The SMS-B system offers
as well as a range of executive services for studies such as statistics,
econometrics and enterprise management.
Keywords: business Intelligence, Information Technologies, educational
platform
Słowa kluczowe: informacja zarządcza, technologie informacyjne,
platforma edukacyjna
BARANIECKA A., KAZIMIERCZAK B., KRUK J., PIJANOWSKA D.
G., TORBICZ W.: Zastosowanie technik immunoenzymatycznych
i mikrofluidycznych do amperometrycznego oznaczania stężenia
białka C-reaktywnego
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 79
CRP jest białkiem ostrej fazy i jednym z najlepszych niespecyficznych
markerów określającym ryzyko oraz zaawansowanie choroby niedokrwiennej
serca. Bardzo przydatne stają się w tym przypadku wielofunkcyjne
urządzenia diagnostyczne z szybką amperometryczną
detekcją oraz funkcją wstępnego rozdziału próbki. Układy mikroprzepływowe
umożliwiają taki rozdział przy małej objętości badanych
próbek i reagentów, co znacząco obniża koszty testu. Z wyjątkiem
nowych aptaczujników, jedynie immunoczujniki zapewniają specyficzność
wobec poszukiwanego analitu w próbce. W nieprzezroczys -
tych próbkach, jakimi są płyny fizjologiczne, niemożliwe jest
zastosowanie optycznych metod detekcji, stąd konieczne jest zastosowanie
metody znakowania enzymem przeciwciał w immunoczujnikach
i użycie innego rodzaju detekcji np. elektrochemicznej. Ze
względu na niski poziom szumów tła i możliwość szybkiej detekcji,
najczęściej stosuje się detekcję amperometryczną. Celem naszych
prac jest opracowanie amperometrycznych immunoczujników mikroprzepływowych
do diagnostyki medycznej do oznaczania CRP.
BARANIECKA A., KAZIMIERCZAK B., KRUK J., PIJANOWSKA D.
G., TORBICZ W.: Application of immunoenzymatic and microfluidic
techniques for amperometric determination of C-reactive
protein concentration
Elektronika (L), no 11/2009, p. 79
CRP is acute phase protein and one of the best nonspecific diagnostic
markers in heart diseases. Microfluidic systems offer function of
preliminary probe separation with small consumption of probes and
reagents, which decrease cost of unit test. Except newly developed
aptasensors, only immunosensors provide specificity to determined
analit in composed analyzed probe. In the case of nontransparent
samples, like physiological fluids, immunosensors with electrochemical
detection are sensors of choice, e.g. amperometric. For electrochemical
detection enzyme labeled antibody is used. In order to
decrease background noise and obtain fast response, amperometric
sensors are mostly applied. An aim of our research is development of
microfluidic type amperometric immunosensors for medical diagnostics,
in particular for CRP determination.
Keywords: C-reactive protein, immunosensor, microfluidic system,
amperometric detection, ELISA test
Słowa kluczowe: białko C-reaktywne, immunoczujnik, układ mikrofluidyczny,
detekcja amperometryczna, test ELISA
KACZMARCZYK A., KACPRZAK M., MASŁOWSKI A.: Wielopoziomowy
trening symulacyjny w szkoleniu operatorów urządzeń.
Zastosowanie do szkolenia operatorów robotów mobilnych
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 92
Wielopoziomowy trening symulacyjny ma umożliwiać efektywne - co
do kosztów i czasu przygotowanie wysokokwalifikowanych operatorów
urządzeń dzięki użyciu tańszego wyposażenia i metod treningu
do nabycia podstawowych umiejętności i bardziej złożonych do ich
doskonalenia. Przedstawiono koncepcję treningu wielopoziomowego
operatorów robotów mobilnych naziemnych, wyposażonych w kamerę
TV i inne sensory oraz manipulator. Ponadto, artykuł zawiera
ocenę tej koncepcji dokonaną przez polskiego producenta i użytkowników
takich robotów oraz wnioski dotyczące rozwoju metod treningu.
Słowa kluczowe: e-trening, wielopoziomowy trening symulacyjny,
szkolenie operatorów urządzeń (robotów mobilnych)
KACZMARCZYK A., KACPRZAK M., MASŁOWSKI A.: Multi-level
simulation training of devices operators. An application to mobile
robots operators
Elektronika (L), no 11/2009, p. 92
Multi-level simulation training is to enable cost and time efficient
preparation of a great number of devices operators with advanced
skills thanks to use of no costly equipment and methods to get basic
expertise, and more sophisticated ones to perfect it. A concept of
multi-level training of operators of the on-earth-mobile robots
equipped with TV-cameras, other sensors, and manipulator arm is
presented. Moreover, results of this concept evaluation by a Polish
manufacturer and users of such robots, and conclusions related to
the development of training methods are included in the paper.
Keywords: e-training, multi-level simulation training, training of devices
(mobile robots) operators
ELEKTRONIKA 11/2009 7

Streszczenia artykułów • Summaries of the articles
CZEKAŁA Z.: Radary pasywne - nowa technika radiolokacji
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 100
Artykuł przedstawia podstawy funkcjonowania radarów pasywnych,
które nie mają własnego nadajnika, lecz wykorzystują fale radiowe
promieniowane przez „okazjonalne” nadajniki przeznaczone do innych
celów. Wskazano istotne różnice w działaniu radaru impulsowego
i radaru przetwarzającego sygnał ciągły o charakterze szumu.
Wyjaśniono zasady odbioru korelacyjnego i przetwarzania sygnału
oraz wyznaczania odległości echa. Opisano poszczególne komponenty
radaru pasywnego na podstawie zrealizowanego demonstratora.
Pokazano i skomentowano przykłady praktycznej realizacji
znanych radarów pasywnych.
Słowa kluczowe: radar pasywny, PCL, radar szumowy, funkcja korelacji,
oval Cassiniego,
CZAJKOWSKI J., ŁYSZYK K.: System dalekosiężnej identyfikacji
i śledzenia statków
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 115
W artykule przedstawiono system dalekosiężnej identyfikacji i śledzenia
statków, którego celem jest zapewnienie światowego monitoringu
ruchu statków w celu poprawienia bezpieczeństwa żeglugi.
Opisano ostateczną koncepcję systemu, omówiono przyjętą strukturę
oraz części składowe. Przedstawiono charakterystykę funkcjonalnych
składowych systemu LRIT.
Słowa kluczowe: bezpieczeństwo żeglugi, monitoring statków
ROMANIUK R.: Szkło dla fotoniki. Część 14. Parametry szklanego
włókna optycznego
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 119
Szkła, obok półprzewodników i metali, są podstawowym materiałem
do budowy elementów w optoelektronice i mikroelektronice. Praktyczna
wiedza o szkłach rozszerza się wraz z silnym rozwojem ich
zastosowań w telekomunikacji, czujnikach i budowie mikrosystemów.
Wiele elementów funkcjonalnych fotoniki budowanych jest ze szkieł
laserowych. Optyczne zjawiska nieliniowe indukowane w szkle pozwalają
na budowę nowych mikro-elementów fotonicznych zastępujących
złożone rozwiązania klasycznej optyki objętościowej. Szkła
gradientowe zastępują klasyczne szkła optyczne.
W artykule, który jest czternastą częścią cyklu prac o szkłach dla
fotoniki, dokonano przeglądu parametrów szklanych włókien optycznych
dla celów transmisyjnych i instrumentalnych. W powszechnym
mniemaniu włókno szklane jest prostym optycznym elementem biernym,
którego głównym parametrem jest tłumienność i średnica rdzenia
oraz refrakcja. Nic bardziej błędnego. Artykuł pokazuje kilkadziesiąt
ważnych parametrów włókna szklanego, które jest jednym
z bardziej zaawansowanych obiektów inżynierii materiałowej.
Słowa kluczowe: szkła optyczne, fotonika, szkła światłowodowe,
szklane włókna optyczne, parametry światłowodu szklanego, apertura
numeryczna, częstotliwość znormalizowana, dyspersja chromatyczna
światłowodu, światłowody aktywne, światłowody polaryzacyjne
SZCZĘSNY J.: Wpływ konstrukcji cyfrowych układów scalonych
na generację zaburzeń elektromagnetycznych
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 129
Przedstawiono wyniki pomiarów emisji pól EM w funkcji częstotliwości
zegara taktującego ze ścieżek zasilania, masy oraz ze środka
obudowy układu scalonego matrycy cyfrowej FPGA realizującej
mnożenie metodą sekwencyjną i kombinacyjną. Porównano poziomy
emisji zaburzeń opracowanych projektów IC w zależności od rozmieszczenia
bloków logicznych w obszarze matrycy, liczby aktywnych
bloków logicznych i wielkości prądów zasilania w funkcji
częstotliwości taktowania.
CZEKAŁA Z.: Passive radars - a new radar technology
Elektronika (L), no 11/2009, p. 100
The article presents fundamentals of operation of passive radars,
which have no dedicated transmitter, but use radio waves radiated by
transmitters of opportunity that normally serve other purposes. Important
differences in operation of a pulsed radar and one that
processes continuous noise-like signal have been indicated. Principles
of the correlation reception, signal processing and target range
finding have been explained. The particular components of a passive
radar have been described, basing on a real demonstrator. Examples
of practical implementation of well-known passive radars have been
shown and commented.
Keywords: passive radar, PCL, noise radar, correlation function,
Cassini oval
CZAJKOWSKI J., ŁYSZYK K.: Long Range Identification and
Tracking of ships
Elektronika (L), nr 11/2009, s. 115
The article presents the main assumption of the Long Range Identification
and Tracking of ships. The maim aim of the system is to improve
the safety of navigation and to create global ships monitoring
system. The main function preformed by the by the subsystems have
been also presented.
Key words: safety of navigation, global ships monitoring system
ROMANIUK R.: Glasses for photonics. Part 14. Parameters of
glass optical fibers
Elektronika (L), no 11/2009, p. 119
Glasses, together with semiconductors and metals, are fundamental
materials for building of components for optoelectronics and microelectronics.
Practical knowledge about glasses extends considerably
with strong development of their applications in telecommunications,
sensors and the construction of microsystems. Many functional components
of the photonics is manufactured of laser glasses. Nonlinear
optical phenomena induced in glasses allow for building of new microcomponents,
replacing complex solutions of classical volume optics.
Gradient glasses are replacing classical optical glasses.
The paper, which is the fourteenth part of a cycle on glasses for
photonics, is a concise review of the most frequently used parameters
of optical fibers used for transmission and instrumentation purposes.
A common belief is that an optical fiber is a simple passive optical object
with the major parameters such as: losses, core dimension and
refraction. It is a big mistake. The papers discusses a few tens of parameters
of optical fibers used to characterize this very complex component.
Advanced optical fibers are nowadays very complex products
of material engineering.
Keywords: optical glasses, photonics, optical fiber glasses, glass optical
fibers, parameters of optical fibers, numerical aperture, normalized
frequency, optical fiber chromatic dispersion, active optical fibers,
polarization maintaining optical fibers
SZCZĘSNY J.: Influence of the IC construcion on electromagnetic
disturbance
Elektronika (L), no 11/2009, p. 129
In the paper some investigations of the electromagnetic emission from
supply and ground pins of the circuits and middle zone of the Xilinx
FPGA XCV800 package as a function of the clock rate are presented.
To check the influence of IC floor plan, number of logic blocs and the
circuit function on its electromagnetic emissions was tested.
Keywords: Digital circuits, electromagnetic emission, FPGA floor plan
and electric function, disturbances
Słowa kluczowe: układy scalone, emisja elektromagnetyczna,
FPGA, mapa bloków logicznych, zaburzenia EM
8 ELEKTRONIKA 11/2009

Medical pattern intelligent recognition based
on linguistic modelling of 3D coronary vessels
visualisations
(Lingwistyczne modelowanie przestrzennych rekonstrukcji unaczynienia
wieńcowego w inteligentnym rozpoznawaniu zmian patologicznych)
mgr inż. MIROSŁAW TRZUPEK, prof. dr hab. MAREK R. OGIELA,
prof. dr hab. inż. RYSZARD TADEUSIEWICZ
AGH University of Science and Technology, Institute of Automatics, Bio-Cybernetics Laboratory, Krakow
Characteristic for the coronary vessels in different patients with
various pathologic forms observed on flat, i.e. 2D, images is a
certain level of repetitiveness and regularity. The same images
registered by a machine rendering 3D images (helical CT
scanner) feature a much greater number of visible details,
which, however, results also in the increase of the number of
both individual differences and those between various examinations
of the same patient. Having considering these difficulties,
a decision was made to apply the methods of automatic
image understanding for the interpretation of the images considered,
which consequently leads to their semantic descriptions.
Thanks to such posing of the problem, the diagnosis put
forth (being naturally but a suggestion for the physician making
the actual decision) will account for a greater number of
factors and use better the available medical information.
Additionally, it is worth pointing out that - even though this
is not the main focus of the work presented here - that the solution
of problems related to the automatic production of intelligent
(cognitive) descriptions of the 3D medical images in
question may be a significant contribution to solving at least
some of the problems connected to the smart archiving of this
type of data and the finding of semantic image data meeting
the semantic criteria delivered through sample image patterns
in medical multimedia databases.
The goal of research and description
of the problem
Problems of modelling biomedical structure shapes are extremely
interesting from the scientific point of view, but also in
connection with the development of medical diagnostic support
systems. They concern various structures diagnosed
using various modalities. However, in such research, we extremely
frequently see the use of an approach based on neutral
networks for shape modelling. For instance, such models
can be built using Kohonen networks [1]. However, it is worth
noting that such solutions are usually limited by the network
topology, which, although it allows you to operate on vectors
of features informative for the objects researched, does not
allow the image to be analysed or the organ to be reconstructed
in a holistic fashion, i.e. taking into account the full
dimensions of the image [2-4]. This only becomes possible
when we create linguistic descriptions using image grammars
based on graph formalisms. By definition, such grammars
have been dedicated for analysing image scenes, which in the
case of medical visualisation means that they can be used to
model multi-object structures or to conduct the meaning analysis
of spatial reconstructions of heart tomograms, which will be
demonstrated later in this publication.
Graph-based semantic models
of the heart’s coronary vessels
In order to analyze a 3D reconstruction (visualisations for various
patients obtained during diagnostic examinations of the
heart with a helical CT scanner with 64 detectors), it becomes
necessary to select the appropriate projection showing lesions
in vessels in a way that enables them to be analysed on
a plane. In our research we have attempted to automate the
procedure of finding such a projection by using selected geometric
transformations during image processing. Next, to enable
a linguistic representation of the spatial reconstructions
studied, the coronary vessels shown in them had been subjected
to the operation of thinning, referred to as skeletonizing.
This operation allows us to obtain a skeleton of the arteries
under consideration with the thickness of one unit. This skeleton
can then be subjected to the operation of labelling, which
determines the start and end points of main and surrounding
branches of coronary arteries in it. These points will constitute
the peaks of a graph modelling the spatial structure of the
coronary vessels of the heart.
The next step is labeling them by giving each located informative
point the appropriate label from the set of peak labels
which unambiguously identify individual coronary arteries
forming parts of the structure analysed. For the left coronary
artery they have been defined as follows: LCA - left coronary
artery, LAD - anterior interventricular branch (left anterior descending),
CX - circumflex branch, L - lateral branch, LM - left
marginal branch. And for the right coronary artery they have
been defined as follows: RCA - right coronary artery, A - atrial
branch, RM - right marginal branch, PI - posterior interventricular
branch, RP - right posterolateral branch. This way, all
initial and final points of coronary vessels as well as all points
where main vessels branch or change into lower level vessels
have been determined and labelled as appropriate. After this
operation, the coronary vascularization tree is divided into
sections which constitute the edges of a graph modelling the
examined coronary arteries. Mutual spatial relations that may
occur between elements of the vascular structure represented
by a graph are described by the set of edge labels. The elements
of this set have been defined by introducing the appropriate
spatial relations; vertical - defined by the set of labels
α, β,…, µ and horizontal - defined by the set of labels 1, 2,…,
24 on a hypothetical sphere surrounding the heart muscle.
These labels designate individual final intervals, each of which
has the angular spread of 15°. Then, depending on the location,
terminal edge labels are assigned to all branches identified
by the beginnings and ends of the appropriate sections of
coronary arteries.
ELEKTRONIKA 11/2009 9

The presented methodology draws upon the method of
determining the location of a point on the surface of our planet
in the system of geographic coordinates, where a similar cartographic
projection is used to make topographic maps. This
representation of mutual spatial relationships between the
analysed arteries yields a convenient access to and a unanimous
description of all elements of the vascular structure.
As the structure of coronary vascularization may be characterised
by three different types of artery distribution over the
heart surface, in the following part we will propose a grammar
for the left dominance artery distribution. The left dominance
artery distribution is present in on average 10...14% of cases,
with a variety of intermediate forms possible. Before we define
the representation of the analysed image in the form of IE
graphs, we have to introduce the following order relationship
1 ≤ 2 ≤ 3 ≤ … ≤ 24 and α ≤ β ≤ γ ≤ … ≤ µ in the set of Г edge
labels shown in Fig. 1. This way, we index all peaks according
to the ≤ relationship in the set of edge labels which connect
the main peak marked 1 to the adjacent peaks and we index
in the ascending order (i = 2, 3, …, n). This gives us IE graphs
for the right and the left coronary arteries, respectively, presented
in Fig. 1.
When graphs shown in Fig. 1 are represented by their
characteristic descriptions, they look as follows:
For the right coronary artery:
The graph structure created in this way will form elements
of a graph language defining the spatial topology of the heart
muscle vascularization including its possible morphological
changes.
For IE graphs defined as above, in order to locate the
place where stenoses occur in the case of a balanced artery
distribution, the graph grammar may take the following form:
for the right coronary artery:
G P = (S, ∆, Γ, P, Z)
S = {ST, RCA, PI, RM, C_Right},
D = {ST, RCA, PI, RM},
G = {16η, 11ι, 12λ, 14ε}
The start graph Z and the set of productions shown in Fig. 2.
for the left coronary artery:
G L = (S, ∆, Γ, P, Z)
S = {ST, LCA, LM_CX, L_LAD, CX, LM, L, LAD, C_Left,
C_Left_ant, C_Left_circum}
For the left coronary artery:
ST 1 RCA 2 PI 3 RM 4 ST 1 LCA 2 LM_CX 3 L_LAD 4 CX 5 LM 6 L 7 LAD 8
1 2 1 - 1 2 2 2 1 - 1 -
16η 11ι 12λ 1ε - 2κ 13ι 16ι 13θ 1λ 2λ 18ι 22κ - 23η -
2 3 4 4 - 2 3 4 5 6 7 8 6 - 8 -
Fig. 1. The representation of the right (A) and the left (B) coronary artery using IE graphs
Rys. 1. Reprezentacja prawej (A) oraz lewej (B) tętnicy wieńcowej za pomocą grafów IE
10 ELEKTRONIKA 11/2009

Fig. 2. Start graph Z and the set of productions for grammar G P Rys. 2. Graf startowy Z i zbiór produkcji dla gramatyki G P
D = {ST, LCA, LM_CX, L_LAD, CX, LM, L, LAD},
G = {2κ, 13ι, 16ι, 13θ, 22κ, 1λ, 2λ, 18ι, 23η}
Z is the start graph shown in Fig. 3. P is the set of productions
shown in Fig. 4.
This way, we have defined a mechanism in the form of
ETPL(k) graph grammars which create a certain linguistic representation
of each analysed image in the form of an IE graph.
The set of all representations of images generated by this
grammar is treated as a certain language. Consequently, we
Fig. 3. Start graph Z for grammar G L
Rys. 3. Graf startowy Z dla gramatyki G L
can built a syntax analyzer based on the proposed graph
grammar which will recognize elements of this language. The
syntax analyzer is the proper program which will recognize
the changes looked for in the lumen of coronary arteries. It is,
of course, the most important and difficult (from the implementation
point of view) part in the whole task especially for
the graph and tree grammars [5-7]. The difficulties with implementing
syntax analysers based on graph grammars are
due to the lack of ready grammar compilers, like those available
for context-free grammars. As a result, it becomes necessary
to independently execute syntax analysis procedures
for the proposed grammars. The authors have used in their
research a prototype computer system which allows graph descriptions
to be generated, and then used to create their corresponding
parsers. This system was developed as part of
one of the scientific projects dedicated to problems of automating
grammatical reasoning processes described in publication
[5-7]. The entire such syntax and semantic analysis
can be completed in the multinomial time, both for strictly defined
patterns, and also for fuzzy patterns, as the grammars
described can be extended to probabilistic forms.
Fig. 4. Set of productions for grammar G L Rys. 4. Zbiór produkcji dla gramatyki G L
ELEKTRONIKA 11/2009 11

Summary
The image set of recognition data, which has been used in
order to determine in percentage figures the efficiency of
a correct recognition of the size of stenoses in coronary arteries,
included 16 different spatial reconstructions obtained
for patients with heart disease (mostly ischemia). In this set,
we considered image sequences of patients previously
analysed at the stage of the grammar construction and the
recognising analyser. In order to avoid analysing identical reconstructions
we selected separate images occurring after
slight positions rotation (different projection) the ones used
originally (from spatial helical CT scans). The remaining images
in the test data have been obtained for a new group of
patients. The objective of an analysis of these data was to determine
in percentage the efficiency of the correct recognition
of artery stenosis and to determine their size with the use of
the grammar introduced. The recognition of such stenoses,
including the determination of their locations, lumens of the
artery, and the types (concentric or eccentric), was conducted
in such a way that while reasoning out the grammar for the
graph representation of the coronary vascularization, particular
edges of the graph determined the actual beginnings and
ends of particular sections of coronary arteries. During the
grammar reasoning and the course of the transform of embedding
graph representations on the actual images, the corresponding
sections of arteries were analysed with regard to
the presence of potential stenoses in them. The method of
this analysis also consisted in applying a context-free sequential
grammar to detect stenoses in 2D coronarography
images. Such a grammar has been defined in publications
[7-8]. Applying such a grammar to analyse particular sections
of arteries in the obtained spatial reconstructions turned out to
be quite effective, as it allowed the unanimous On the image
data tested, the efficiency of recognition amounted to 85%.
The value of the efficiency of recognition is determined by the
percentage fraction of the accurately recognized and measured
vessel stenoses compared to the number of all images
analyzed in the test. The recognition itself meant locating and
defining the type of stenosis, e.g. concentric or eccentric.
This work has been supported by the Ministry of Science and
Higher Education, Republic of Poland, under project number
N519 007 32/0978
References
[1] Ferrarini L. i in.: GAMEs: Growing and adaptive meshes for fully
automatic shape modeling and analysis. Medical Image Analysis,
11, 2007, 302-314.
[2] Seghers D. i in.: Minimal shape and intensity cost path segmentation.
IEEE Trans. on Medical Imaging, 26, 2007, 1115-
1129.
[3] Loeckx D. i in.: Temporal subtraction of thorax CR images using
a statistical deformation model. IEEE Trans. on Medical Imaging,
22, 2003, 1490-1504.
[4] Higgins W.E. i in.: System for analyzing true three-dimensional
angiograms. IEEE Trans. Med. Imag. 15, 1996, 377-385.
[5] Skomorowski M.: A Syntactic-Statistical Approach to Recognition
of Distorted Patterns. Jagiellonian University, Krakow, 2000.
[6] Tadeusiewicz R., Flasiński M.: Pattern Recognition. Warsaw,
1991.
[7] Ogiela M. R., Tadeusiewicz R.: Modern Computational Intelligence
Methods for the Interpretation of Medical Images.
Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2008.
[8] Tadeusiewicz R., Ogiela M. R.: Medical Image Understanding
Technology. Springer Verlag, Berlin-Heidelberg, 2004.
Average individual classification probability function
(Przeciętna indywidualna funkcja prawdopodobieństwa klasyfikacji)
dr inż. MAREK LANDOWSKI 1,2 , prof. dr hab. inż. ANDRZEJ PIEGAT 2
1 Quantitative Methods Institute, Szczecin Maritime University, Szczecin
2 Faculty of Computer Science and Information Systems, West Pomeranian University of Technology, Szczecin
In everyday life people use different words to make various
mental calculations. Therefore the proper description of
a word is a crucial problem. There are two types of models of
linguistic concept: possibilistic model and probabilistic model.
In the possibilistic theory models of linguistic concept are described
by the membership function [1], whereas in probability
theory models of linguistic concept are described by
classification probability function [2,3]. Possibilistic models described
by the membership function are mainly used in fuzzy
control and in modeling input-output relation of an object like
y = f(x 1 , x 2 , …, x n ). Probabilistic models describing linguistic
concepts by classification probability function seem to perform
better in automatic thinking and decision making theory. Fuzzy
sets theory and probability theory are complementary and not
exclusive theories. These theories can work together though
they model semantic concepts differently [4].
The article focuses on probabilistic model of linguistic concept
[5], in particular on finding the average individual classification
probability function. According to the authors’ knowledge
average individual classification probability function are
the novelty in the word literature.
In the article there is the following order. Firstly the two
kinds of models of linguistics concepts are presented. Next
the interpretation is given as well as the methods of identification
average individual classification probability function.
Then the features of average individual classification probability
function received from the experiments are introduced.
Finally the conclusions are presented.
Probabilistic models of linguistic concept
from the group of people (population)
We distinguish two kinds of models of linguistic concept received
from the group of people (population):
• group (population) model,
• average, individual model of an average person of the group.
12 ELEKTRONIKA 11/2009

Both models are created of the basis of data received
from the group of people or a group of technical measurement
machines for classification. Classifiers can be a form of
2 people, 3 people … a group of people or the population of
a whole country etc. On the basis of empirical or declared results
we receive average individual model of group from
which the data was taken or average individual model of the
person of the group [5].
Group model is usually used when we do not know from
whom exactly the linguistic information is received. We only
know that the information comes from of the group (population)
which the person belongs to. The model represents the
whole group of people (the whole population). Whereas the
average individual model of a person of group represents only
the average person of the group (population), it does not represent
the whole group of people (the whole population).
Average individual probability
classification functions from the group
of people (population)
In the group of people classification function of particular
members are usually a bit different. For example in the group
of 3 people each of them can differently understand the concept
“medium” (Fig. 1).
The question arises, what does the average individual classification
function of one typical person of the group look like,
in other words the most frequently found person in the group?
Classification function of such person are most similar to
the function of the majority of people in the examined population.
Similarly the height of majority of people in a population
is usually close to medium height. It means classification function
of the majority people in the population are most similar
to the function of the average person in the group.
In the example presented in Fig. 1 the average individual
classification function is drown in thick line.
Average individual classification probability function answers
the question: what is the probability the average (most
frequently found) person in the group qualifies numerical value
to the given linguistic concept.
The different between the group classification function of
linguistic concept and the average individual classification
function is that the group function expresses the average value
of classification probability by the whole group and the average
individual classification function expresses the average classification
probability by the average person from the group.
Next the method of the identification of the average individual
classification function to linguistic quantifiers is presented.
In this methods the support of the linguistic concept are divided
to the equal number of interval, then the integral of the
function on every of support interval is computed (area on the
interval limited by classification function and axis x). Next the
average area for i-th interval of n linguistic concept is computed.
where: n - the number of individual linguistics concept, f k (x) -
classification function of individual linguistic concept, e.g.
“small probability”.
Average individual classification probability function will be
created from average support intervals and the average area
in the particular interval. The support and the area of the average
individual classification probability function will be the
mean of individual classification function. In the last stage having
computed all the average quantifiers included in the dictionary
of classification probability function we normalized
them, so that the sum of all quantifiers is one. In many cases
the normalization does not change anything because the sum
of quantifiers is already one.
Example 1. In the below example we will look into two
quantifiers of classification function. For better understanding
of the method the quantifiers are in the form of step function,
Fig. 2. On the basis of the given quantifiers the average
individual quantifier of classification function will be determined,
using (1).
The points of the support F_aver are the average points
which divide the supports F1 and F2 (dotted line):
The surface area of rectangles which create the function
F_aver are the average surface area marked with doted line
rectangles in F1 and F2, respectively, thus the heights of the
rectangles are:
(1)
(2)
(3)
Fig. 1. The illustration of the sense of average individual classification
probability function (thick line)
Rys. 1. Ilustracja przeciętnej indywidualnej funkcji klasyfikacji
(linia pogrubiona)
Fig. 3, 4 and 5 presents application of method of determining
the average individual probability classification function using
individual probability classification function received on the
basis of the experiment which was carried out by the authors.
Individual classification function show the models of individual
people taking part of the experiment.
ELEKTRONIKA 11/2009 13

In the average individual classification probability function
the following relation are found:
• average individual classification probability function presents
classification probability to linguistic quantifiers one of the
average person of the group (a person typical of the group),
• in many cases quantifier supports overlap,
• the beginning and the end of the average quantifier supports
is a mean value of the beginnings and ends values
the appropriate individual quantifiers,
• the height of the average linguistic quantifiers usually increase
from medium quantifiers to border quantifiers,
• because values of quantifiers need to add up to one, they
are strongly dependent on the quantifier supports,
• surface area of the average individual quantifiers equals
the average surface area of individual quantifiers,
a)
Fig. 2. The quantifiers of classification function F1 and F2 in the
form of step function and calculated on the basis of F1 and F2
average individual quantifier F_aver of classification function
Rys. 2. Kwantyfikatory funkcji klasyfikacji F1 i F2 w formie funkcji
schodkowej oraz obliczony na podstawie F1 i F2 przeciętny indywidualny
kwantyfikator F_aver funkcji klasyfikacji
b)
a)
Fig. 4. The examples of the individual classification probability
function (dotted line) and the average individual classification
probability function (continuous line) received from the individual
models, the functions of 5-element dictionaries
Rys. 4. Przykłady indywidualnych funkcji prawdopodobieństwa
klasyfikacji (linia przerywana) i przeciętna indywidualna funkcja
prawdopodobieństwa klasyfikacji (linia ciągła) otrzymana z modeli
indywidualnych, funkcje o słowniku 5-elementowym
b)
Fig. 3. The examples of the individual classification probability
function (dotted line) and the average individual classification
probability function (continuous line) received from the individual
models, the functions of 3-element dictionaries
Rys. 3. Przykłady indywidualnych funkcji prawdopodobieństwa
klasyfikacji (linia przerywana) i przeciętna indywidualna funkcja
prawdopodobieństwa klasyfikacji (linia ciągła) otrzymana z modeli
indywidualnych, funkcje o słowniku 3-elementowym
Fig. 5. The examples of the 40 individual classification probability
function, (dotted line) and the average individual classification
probability function (thick line) received on the basis of the experiment
Rys. 5. Przykłady 40 indywidualnych funkcji prawdopodobieństwa
klasyfikacji (linia przerywana) i przeciętna indywidualna funkcja
prawdopodobieństwa klasyfikacji (linia ciągła) otrzymana na podstawie
eksperymentu
14 ELEKTRONIKA 11/2009

• in some cases in the methods of determining the average
individual classification function it is necessary to normalize
the average individual quantifiers, so that they ad up to one,
• it is crucial that the identification of the probability identification
function is made with the whole dictionaries
because the shapes and supports of the received models
of linguistics concept depend on quantity of elements in
dictionaries.
The question arises, when do we apply the group definition
of linguistic quantifiers and when average individual definitions?
It depend on the examined problem. If the problem has to
be based on the understanding of linguistic concept by the
whole group we apply the group model of the concept. If the
solution is to be based on the average individual understanding
of the concept we need to apply the average individual
model. The person solving the problem decides on the model
to be used. Solving the problem using the group model we receive
the safer but more uncertain result. When we solve the
problem using the average individual model the obtained result
is less uncertain. The result will be correct in most cases
however there is a limited risk that the result has a large error.
The problem is typical of the probability theory and is similar
to the problem of calculating the results of final values y on
the bases of whole distributions of probable input data of the
variable x i or only on the basis of the center of gravity of these
distributions.
Conclusion
In the article the method identifying the average individual
classification probability function is presented as well as the
relations that occur in the average individual function. The received
on the basis of the presented method functions are
vital in probabilistic reasoning and in the decision making theory
because the received probabilistic model of linguistic concept
describes perception of an average person in a group
(population). We need to state that it is not the average model
of the group of people. According to the author’s knowledge
the concept of the individual classification probability function
is new in the world scientific literature.
References
[1] Zadeh L. A.: Fuzzy Sets, Information and Control 8 (1965) 338-
353.
[2] Hisdal E.: Are Grades of Membership Probabilities. Fuzzy Sets
and Systems 25 (1988), 325-348, North-Holland.
[3] Cheeseman P.: An inquiry into computer understanding. Comput.
Intell. 1988, vol. 4, 58-66.
[4] Kandel A., Martins A., Pacheco R.: On the Very Real Distinction
Between Fuzzy and Statistical Methods. Technometrics, August
1995, vol. 37, no 3, 276-281.
[5] Piegat A., A New Definition of the Fuzzy Set, Int. J. Appl. Math.
Comput. Sci. 2005, vol. 15. no 1, 125-140.
Evolutionary sets of cooperating ship trajectories:
open waters and restricted waters
(Ewolucyjne zbiory bezpiecznych trajektorii statków dla wód otwartych
i obszarów ograniczonych)
dr inż. RAFAŁ SZŁAPCZYŃSKI
Gdańsk University of Technology, Faculty of Ocean Engineering and Ship Technology
The paper contains a description of an already developed, revised
version of the method, which has been first presented by
the author in its early version in [1]. The method combines
some of the assumptions of game theory approach to this
problem [2] with evolutionary programming approach [3] and
aims to find an optimal set of cooperating trajectories of all
ships involved in an encounter situation, by means of evolutionary
algorithms. Depending, whether we are focusing on
restricted water regions or open waters, specific methods of
generating the initial population, various ship domains and different
sets of specialised operators have been used throughout
the research presented here.
Optimisation problem
It is assumed that we are given the following data: stationary
constraints (obstacles and other constraints modelled as polygons),
positions, courses and speeds of all ships involved,
ship domains and times necessary for accepting and executing
the proposed manoeuvres. A ship domain can be computed,
based on the ship’s length, its motion parameters and
the type of a water region. Ship domain has been first defined
as a two-dimensional area surrounding a ship, which other
ships must avoid. Since a domain shape depends on the type
of a water region, the author has decided to use a domain
model by Davis [4] for open waters and a domain model by
Coldwell [5] for restricted waters.
Knowing all the parameters values, the goal is to find a set
of trajectories, which minimizes the average way loss spent on
manoeuvring, while fulfilling the following conditions:
• none of the stationary constraints are violated (restricted
waters only),
• none of the ship domains are violated,
• the minimal acceptable course alteration is not lesser than
15 degrees,
• the maximal acceptable course alteration is not larger than
60 degrees,
• speed alterations are not to be applied unless necessary,
• ship manoeuvres only when she is obliged to,
• manoeuvres to starboard are favoured over manoeuvres
to port board.
As for the first two conditions, all obstacles have to be avoided
and the domains should not be violated by definition. All other
conditions are imposed by COLREGS [6] or by the economics.
ELEKTRONIKA 11/2009 15

The structure of an individual and
its evaluation
Each individual (a population member) is a set of all ship trajectories.
Each trajectory is a sequence of nodes, each node
containing geographical coordinates x and y and the speed
between the current and the next node.
The basic piece of data used during the evaluation phase
of the evolutionary process is the average way loss computed
for each individual (a set of cooperating trajectories). Some of
the constraints also must be taken into account during the
evaluation. These include violations of ship domains and violations
of stationary constraints: they must be penalized and
those penalties must be reflected in the fitness function. However,
the other constraints are handled by applying additional
rules when generating the initial population, during mutation
and by fixing functions operating on individuals prior to their
evaluation. Those fixing functions analyse each trajectory of
an individual and in case of unacceptable manoeuvres, the
nodes being responsible are moved so as to round a manoeuvre
up or down to an acceptable value.
As for violations of the first two constraints (stationary ones
and ship domains), they are penalized as follows. For each
ship and its set of stationary constraint violations, an obstacle
collision factor is computed as given by (4). Analogically, for
each ship and its set of prioritised targets a ship collision factor
is computed as given by (3). The reason, why only collisions
with prioritised targets are represented in evaluation is
because the manoeuvres must be compliant with COLREGS.
If a ship is supposed to stay on its course according to the
rules, the collision is ignored so as not to encourage an unlawful
manoeuvre.
In case of collision with prioritised target, the author’s
measure - approach factor f min [7] is used to assess the risk
of a crash. Based on this approach factor values and other
parameters, each individual is assigned a value of the fitness
function (1):
where:
sf i - ship collision factor of the i-th ship computed over all prioritised
targets:
fmin i,j - the approach factor value for an encounter of ships
i and j [/], of i - obstacle collision factor of the i-th ship computed
over all stationary constraints:
n - the number of ships [/], m - the number of stationary constraints
[/], i, j - the indexes of the current ship and [/] and its
target, k - the index of a stationary constraint [/],
(1)
(2)
(3)
(4)
collision_course_range - the range of forbidden courses of the
ship i computed for the stationary constraint j in the node directly
preceding the collision. [/].
The only differences between open waters and restricted
waters here are different domain models and obstacle collision
factor of i being equal to 1 for open waters. To detect stationary
constraint violations of an individual, all of the
trajectories are checked against all of the constraints (which
are modelled as polygons) and the collision points are found.
Analogically, to detect the domain violations of an individual,
all of its trajectories are checked against each other to find potential
collision points.
Evolutionary process
Generating the initial population
The initial population contains three types of individuals:
• a set of original ship trajectories - segments joining the start
and destination points,
• sets of safe trajectories determined by other methods,
• randomly modified versions of the first two types - sets of
trajectories with additional nodes, or with some nodes
moved from their original geographical positions.
The first type results in an immediate solution in case of no
collisions, or in faster convergence in case of only constraint
violations. The second type provides sets of safe (though not
optimal) trajectories. They are generated either by the method
of planning a trajectory on raster grids [8], which enables
avoiding collisions with other ships as well as with stationary
obstacles (for restricted waters) or by the method of planning
a sequence of necessary manoeuvres [9] (for open waters).
Finally, the third type of individuals (randomly modified individuals
of the previous two types) is used to generate the majority
of a diverse initial population and thus to ensure the vast
searching space.
Specialised operators
The evolutionary operators, used here, can be divided into the
following groups:
1. Two types of crossing operators, both operating on pairs
of individuals:
a) an offspring inherits whole trajectories from both parents,
b) each of the trajectories of the offspring is a crossing of
the parents trajectories.
2. Three types of operators avoiding collisions with prioritised
ships, all operating on single trajectories. If a collision
with a prioritised ship has been registered,
depending on the circumstances, one of the following
operators is chosen:
a) a node which is closest to the collision point is moved
away from it,
b) a segment moving (two nodes, closest to the collision
point) is moved,
c) a new node is inserted between the two nodes closest
to the collision point, none of these operations guarantees
avoiding the collision with a target but they are
likely to do so and therefore statistically effective and
suitable for the evolutionary purposes.
3. An operator avoiding collisions with stationary obstacles
(restricted waters only). A course alteration manoeuvre is
made (a new node is inserted) in such a way, that the new
trajectory segment does not cross a given edge of an obstacle
(polygon).
16 ELEKTRONIKA 11/2009

4. Random operators: three types of operators, all operating
on single trajectories:
a) node insertion: a node is inserted randomly into the trajectory,
b) node deletion: a randomly selected node is deleted,
c) nodes joining: two neighbouring nodes are joined,
d) node mutation: the polar coordinates of a node are altered.
A trajectory mutation probability decreases with the increase
of the trajectory fitness value (2), so as to mutate the
worst trajectories of each individual first, without spoiling its best
trajectories. In the early phase of the evolution all random
operators: the node insertion, deletion, joining and mutation are
equally probable. In the later phase node mutation dominates
with its course alterations and distance changes decreasing
with the number of generations. For node insertion and node
mutation instead of Cartesian coordinates x and y, the polar coordinates
(course alteration and distance) are mutated in such
a way that the new manoeuvres are between 15 and 60 degrees.
Thus, fruitless mutations (the ones leaving to invalid trajectories)
are avoided for these two operators. Operating on
polar coordinates (course and distance) instead of Cartesian
x and y coordinates also makes it more likely to escape the
local optimums because manoeuvres both valid and largely differing
from the past ones are more likely to be generated.
Selection and stop condition
A number of selection methods have been tried, but the initially
chosen truncation method (with the truncation threshold
of 50%), has proven to be most successful, because of its fast
convergence to a solution.
The evolutionary process is stopped if one of the following
happens: the maximum number of generations is reached, the
time limit is reached or further evolution does not bring significant
improvement.
Simulation tests
For open waters version, the following types of test scenarios
have been designed:
1. basic encounter situations involving two ships: head-on,
crossing, overtaking,
2. encountering a group of targets of the same or similar
courses. Again, various encounter types course combinations
have been checked,
3. encountering targets of the various courses, with the times
of encountering particular ships differing considerably and
some of the targets colliding with each other,
4. encountering targets of the various courses, with the times
of encountering being close to each other and some of the
targets colliding with each other.
Similar types of scenarios only including additional stationary
constraints have been prepared for restricted waters
version. For scenario types 3 and 4 some of the targets have
initially collided with each other as well as with obstacles.
Simulation results for open waters version
Correct but unsurprising behaviour of the ships has been registered
for the first group of test scenarios. The own ship
would manoeuvre only, when direct collision threat with a target
would occur and the own ship would be the “give-way”
ship according to COLREGS. As for the second group, the
same tendency was also true, but there were two additional
aspects due to larger number of ships involved:
• in case of largely differing encounter times with various targets,
the own ship would avoid collision by a sequence of
manoeuvres so as to minimize the way loss,
• in case of encounter times with various targets being close,
the own ship would avoid collision with a group of targets
by a single manoeuvre to avoid confusing the targets.
For the last two groups the own ship or some of the targets
would often manoeuvre even if initially their courses did not
collide with courses of other prioritised targets. The reason for
such behaviour has been the correct prediction of the prioritised
targets manoeuvres, some targets being “give way”
ships in relation to other targets.
For all test scenarios safe sets of trajectories have been
found, with the average way loss over all ships ranging from
1% to 5% of the initial trajectory length, depending on the
number of ships in a particular scenario and the sizes of their
domains.
Simulation results for restricted waters
version
Even the relatively simple cases from the first group of test
scenarios brought interesting results. Usually the own ship
would manoeuvre only when direct collision threat with a target
would occur and the own ship would be a “give-way” ship
according to COLREGS. However, occasionally, the own ship
would manoeuvre, even if initially its course did not collide
with course of a target. The reason for such behaviour has
been the correct prediction of the prioritised target manoeuvres,
due to this target altering its course to avoid collision
with an obstacle. As for the second group of test scenarios,
the general tendency of behaviour typical for the first group
was also true. Giving way to a prioritised target because of
predicting its future manoeuvre occurred more often because
of more targets being involved.
The abovementioned tendencies of behaviour of the own
ship and targets were more significant with the advancing
complexity of the test scenarios. For the last two groups of
test scenarios, usually, all of the targets would manoeuvre to
avoid collisions with each other and the obstacles. Due to
a larger number of ships and obstacles, it was sometimes impossible
to tell for a certain manoeuvre of a ship, with which
target exactly it avoids a collision. The trajectories contained
mostly up to 3 course alterations followed by a final course alteration
- a return to the original trajectory. The first manoeuvre
was usually to the starboard, as enforced by COLREGS,
unless a manoeuvre to port board was the only possibility, due
to an obstacle position, size and shape.
For all test scenarios safe sets of trajectories have been
found, with the average way loss over all ships ranging from
3% to 10% of the initial trajectory length, depending on the
number of ships, the number and the size of the obstacles and
the sizes of the ship domains.
Number of generations
and computational time
The computational times, registered on a standard PC, have
been acceptable (below 1 minute) for all test scenarios. For
simple scenarios and for open waters, the maximum number
of generations was rarely reached, with the optimal solution
being found much earlier - in about half of the maximum generation
number, with the following generations bringing minor
improvements to the solution. For more complex cases
(especially on restricted waters) the maximum number of ge-
ELEKTRONIKA 11/2009 17

nerations has almost always been reached, and occasionally
improvements have been registered until the last generation,
suggesting that the final solution is sub-optimal. However,
adding more generations did not improve the final solution
considerably and the solution found originally was always
close enough to be accepted.
Summary and conclusions
The method, described here, is a generalization of evolutionary
trajectory determining. A set of trajectories of all ships, instead
of just the own trajectory, is determined. The method
avoids violating ship domains and stationary constraints, while
minimizing way loss and obeying COLREGS. Because of its
low computational time, it can be applied to ARPA (Automatic
Radar Plotting Aids) systems as well as VTS (Vessel Traffic
Service) systems. In case of simple scenarios (where ship
priorities are clearly described by COLREGS), the method is
able to predict the probable manoeuvres of targets and plan
own ship manoeuvre in advance. In the most complex cases,
with a high density of ships and obstacles, it can be impossible
to predict behaviour of all targets correctly and thus - to fully
take advantage of the method. However, the method could
still be used in ARPA systems to predict at least the tendencies
of the targets manoeuvres (manoeuvres to starboard, to
port board or lack of manoeuvres). And - it could be fully utilized
by VTS systems to plan sets of cooperating ship trajectories
in harbour areas. In the latter case it could successfully
solve any given scenario involving multiple ships and stationary
constraints.
References
[1] Szłapczyński R.: Evolutionary Approach to solving multi-ship encounter
situations. Polish Journal of Environmental Studies,
2008, vol. 4C.
[2] Lisowski J.: Dynamic games methods in navigator decision support
system for safety navigation. Proceedings of the European
Safety and Reliability Conference vol. 2, pp. 1285-1292, 2005.
[3] Śmierzchalski R.: Synteza metod i algorytmów wspomagania decyzji
nawigatora w sytuacji kolizyjnej na morzu. Prace Naukowe
Wyższej Szkoły Morskiej w Gdyni, 1998.
[4] Davis P. V., Dove M. J., Stockel C. T. (1982). A Computer Simulation
of multi-Ship Encounters. The Journal of Navigation, 35,
347-352.
[5] Coldwell T. G.: Marine Traffic Behaviour in restricted Waters.
Journal of Navigation, issue 36, pp. 431-444, 1982.
[6] Cockroft A. N., Lameijer J. N. F.: A Guide to Collision Avoidance
Rules. Butterworth-Heinemann Ltd., 1993.
[7] Szłapczyński R.: A unified measure of collision risk derived from
the concept of a ship domain. Journal of Navigation, 59, issue 3,
2006.
[8] Szłapczyński R.: A new method of ship routing on raster grids,
with turn penalties and collision avoidance. Journal of Navigation,
59, issue 1, 2006.
[9] Szłapczyński R.: A new method of planning collision avoidance
manoeuvres for multi target encounter situations. Journal of Navigation,
61, issue 2, 2008.
The role of fuzzy modeling in creation of knowledge
base’s for intelligent decision’s support systems
in the conditions of the dangerous
hydrometeorological phenomenon threat
(Rola modelowania rozmytego w kształtowaniu baz wiedzy dla
inteligentnych systemów wspomagania decyzji w warunkach zagrożenia
niebezpiecznym zjawiskiem natury)
dr inż. TATIANA TRETYAKOVA
West Pomeranien University of Technology, Szczecin
The hydrometeorological information is one of many types of
information used in the decision of a different sort of problems
issues. It is well known, that this type of information should be
used to avoid or reduction of the negative consequences connected
to influence of hydrometeorological factors on functioning
of economic objects (industrial, service, social and
cultural). The probable variant of a chain of the consequences
connected to influence of hydrometeorological factors on economic
object, could be presented as follows: influence of the
dangerous hydrometeorological phenomenon → damage of
subsystems of the economic object → abnormality of functioning
of the object → negative influence on the ecological
environment and people’s health → the damage connected
to loss of productive capacity → an expense, connected to repair
of object, and also with victims treatment or with loss of
life → partners loss →..., etc.
It shall be noticed, that this chain could be changed depending
on force of the natural phenomenon and types of economic
objects. In any case taking into account the hydrometeorological
information it should be considered decreasing of possible loss.
The decision making having this information is carrying out more
often in situations when consequences of the accepted decisions
are not known to the end. Frequently, the hydrometeorological information
appears incomplete and imprecise. By virtue of uniqueness
of the natural phenomena it is not always possible to
foresee a degree of influence of hydrometeorological factors on
economic objects in conditions of particular region.
For this reason the clear algorithm of a reaction to the
choice strategy with this type of information does not exist up
to the end of the process. In such cases the use of the intelligent
computer systems, which take into account the hydrometeorological
information in acceptance of decisions, is rather
18 ELEKTRONIKA 11/2009

useful. In work [1] is stressed, that the choice of correct strategy
- the rational decision - depends on relative importance of
the various purposes, and from a degree of confidence that
they can be achieved. The intelligent decision support systems
are used in conditions of uncertainty for a degree of confidence
increasing of the persons accepting the decisions concerning
a choice of strategy of reaction to calls of a nature.
In regional management such decisions are accepting concerning
the preventive or protective actions with the purpose of
reduction or avoidance of influence of the dangerous hydrometeorological
phenomena on economic objects, and also concerning
accommodation of economic objects at strategic
planning. Today, in conditions of climate changing and shortage
of water and power resources, such strategic decisions as accommodation
of economic objects seem to be very important [2].
In regional management and in management of economic
objects the support systems of decision’s acceptance are
used for a long time [3]. The main requirement made for intelligent
decision support systems with taking into account of
the hydrometeorological information, is presence of models
set in content of knowledge bases, including fuzzy models,
which support a strategy choice of reaction in conditions of
existing threats from the nature.
The usage of such systems is especially useful to the territories
subject influenced by the dangerous natural phenomena.
The intelligent decision support systems can be included
in structure of information systems of regional management
and cities, economic objects as local intelligent subsystems
[4]. In the case of need these subsystems, by loss of their localness,
it is possible to connect with other subsystems of information
system, or with external databases with help of
modern technologies OLAP and GIS [5].
The local intelligent systems could be used not only at
strategy choice of reaction to the warning of hydrometeorological
services on threat of the dangerous natural phenomenon,
they could be used for acceptance of decisions on
accommodation of economic objects - in strategic planning
also. Besides, the processed initial hydrometeorological information
is taking into account in designing, transport, power,
agriculture and other branches [6]. The one more purpose of
usage the local intelligent systems in conditions of threats
existence on the part of a nature is personnel training with the
purpose of formation of skills necessary in case of influence
of the dangerous hydrometeorological phenomenon. In this
case these systems act as simulators (systems of training).
Their use provides the best adaptation of management all personnel
to dangerous situations. Thus the contents of knowledge
bases of local intelligent systems - simulators should
include models, the facts and the rules used during training.
The presented work shows the representation of some fuzzy
components of the knowledge base approaches. These components
appeared during construction of infological model and
trees of decisions for the issue: “decision making on strategy
choice of reaction in view of estimations of the hydrometeorological
information”. Thus the opportunity of occurrence of hydrometeorological
situations of a different degree of the danger,
provided in the appropriate scripts is taken into account also.
Fuzzy sets and fuzzy logic
for formalization of the knowledge used
in the decision making on the base
of the hydrometeorological information
In the paper [5] the formal model of decision-making task
M DEC was submitted:
M DEC = {D J , C J n ,OJ n , AJ n , KJ n } (1)
where: D J - problem area in which the decision was made ;
C J n - the purposes of the task connected to the decision of
problem in the given area; O J n - restrictions on the task; AJ n -
set of alternative variants of the decision; K J n - set of criteria
according to which the choice of the decision was carried out.
The expression (1) presents, that the construction of infological
models of process of decision-making is directly connected
to the description of its problem area D J . Problem area
D J should be submitted by subject domain Р J and by tasks
Z J i , which are decisive in this subject domain: DJ = {Р J , Z J i }.
The results of structurization of a subject domain and construction
of trees of decisions allow to pass to definition of content’s
structure of the knowledge bases, necessary for
acceptance of decisions. However the knowledge of experts
revealed as a result of their search at structurization of a subject
domain has subjective character. It concerns areas in
which the hydrometeorological information is taken into account
in choice of strategy of reaction, too. Thus ambiguity of
the description of qualitative characteristics of objects and influence
consequences of hydrometeorological factors could
act. Besides, the hydrometeorological information too can be
also incomplete and imprecise. For this reason in creation of
knowledge bases content of local intelligent decision support
systems, accepted on the basis of the hydrometeorological
information, fuzzy sets and fuzzy logic of Lotfi Zadeh [7,8]
could be used.
Methodological bases and examples of modeling with use
of fuzzy sets and fuzzy logic are widely presented and described
in world literature, for example, by J. Kacprzyk [9,10],
A. Pegat [11], S. Russell and P. Norvig [1], A. Leonenkov [12].
It was pointed that acceptance of decisions in view of the
hydrometeorological information occurs in conditions of use of
incomplete and unreliable information. Taking into account this
fact, the block diagram of process of decision-making about
protective actions in conditions of dangerous natural phenomenon
threats it is possible to present as it shows Fig.
Figure presents, that during decision-making about strategy
of reaction to the dangerous natural phenomena fuzzy
models are used. The structure of some of them is considered
in paragraphs 2, 3.
Fuzzy modeling of the dangerous natural
phenomenon caused
by hydrometeorological factors
The dangerous natural phenomenon we shall present, as
fuzzy set:
DNP i = {p i ,µ DNPi (p i )} (2)
where: p i - the parameters of the dangerous phenomenon
submitted as linguistic variables, m DNPi - membership function
of parameter p i to an interval, which is determined by borders
of linguistic variables.
In case of usage of estimations of the indistinct hydrometeorological
information in decision-making such fuzzy linguistic
variables, as, for example, intensity of the hydrometeorological
phenomenon can be used. As an example of a linguistic
variable it should be presented it is possible to present
subjective estimation of intensity of such hydrometeorological
phenomenon, as mudflow avalanche. The intensity (volume)
of mudflow avalanche is measured in м 3 . Formalization of an
estimation of intensity of an avalanche can be executed with
ELEKTRONIKA 11/2009 19

The block diagram of decision-making on realization of protective actions in conditions of the dangerous natural phenomenon threat
Schemat blokowy procesu wyboru projektów przedsięwzięć ochronnych lub zapobiegawczych w warunkach zagrożenia niebezpiecznym
zjawiskiem natury
the help of a linguistic variable {β, T, C, G, M}, where: β - the
name of fuzzy linguistic variable: for example, intensity of
mudflow avalanche; T - set of values of a linguistic variable,
each of which represents the name of a separate fuzzy variable:
“small”, ”average”, “large”, “catastrophic”; X - range of
definition of fuzzy variables which enter into definition of a linguistic
variable β: X=[0, 5•10 6 ]; G - syntactic procedure of
formation of new terms with the help of logic relations “AND”,
“OR”, “NOT” etc., for example: “small or average intensity of
an avalanche”, M - semantic procedure, tasks on X = [0,
5•10 6 ] fuzzy variables: α 1 - “low intensity”, α 2 - “average intensity”,
α 3 - “the large intensity”, α 4 - “catastrophic intensity
”, and also the appropriate fuzzy sets A ~ = {x/µ A (x)} from terms
G (T) according to rules of translation fuzzy relations and modifiers
“AND”, “OR”, “NO” etc.
Fuzzy models of an estimation of
the damage connected to the dangerous
hydrometeorological phenomenon
As existing threat of the dangerous natural phenomenon
(flooding, mudflow, … etc.) under its influence can be a territory
with the economic objects
. Among the
models for an estimation of probable damage, there should
be models, which allow determination of objects that find oneself
under influence of the given natural phenomenon at its
predicted intensity. The losses connected to influence of the
dangerous phenomenon on each of objects depend on intensity
of the phenomenon. We shall present sets of objects,
which can appear under influence of the hydrometeorological
phenomenon at different intensity, as fuzzy sets (tabl. 1).
20 ELEKTRONIKA 11/2009

Tabl. 1. Fuzzy sets of the objects, which are taking place in a dangerous
zone of different intensity of the hydrometeorological phenomenon
Tab. 1. Zbiory rozmyte zagrożonych obiektów w zależności od siły
niebezpiecznego zjawiska natury spowodowanego czynnikami hydrometeorologicznymi
Intensity of the
hydrometeorological
phenomenon
Small
Average
Large
Catastrophic
Fuzzy set of objects in a dangerous zone
It is possible to write down, that A ~ ⊂ B ~ ⊂ C ~ ⊂ D ~ , as m A (x i )
≤ m B (x i ) ≤ m C (x i ) ≤ m D (x i ), as is shown in tabl. 2. Data in tabl. 2
are example of representation of a fuzziness of subjective experts
estimation, where there is a concrete object under the
dangerous phenomenon influence.
Fuzzy logic for formalization
of knowledge of intelligent systems
of the decision support accepted in view
of the hydrometeorological information
For an estimation of a degree of the validity of any fuzzy statement
concerning an opportunity of influence of the dangerous
phenomenon we shall enter representation of the validity of
fuzzy statements Т which operates from set of considered
fuzzy statements concerning existence of threat of dangerous
phenomenon U to an interval [0,1], i.e. T: U → [0,1]. In this
case value of the validity of the fuzzy statement concerning
threat of dangerous phenomenon A ∈ U we shall designate
as T(A). Then, for example, for statements A ~ 1 , A~ 2 , A~ 3 , A~ 4 , concerning
threat mudflow avalanches it is possible to present
the validity of these statements as follows:
A ~ 1 - strong long-term rains cause a mudflow avalanche: T(A~ 1 )
= 0.6,
A ~ 2 - the growing temperature of air at the big stocks of snow
in mountains causes a mudflow avalanche: T(A ~ 2 ) = 0.7,
A ~ 3 - strong rains and growing temperature of air at the big
stocks of snow in mountains cause a mudflow avalanche:
T(A ~ 3 ) = 0.8,
A ~ 4 - a high level of water in mountains lakes, the strong rains,
growing temperature of air at the big stocks of snow in
mountains cause a mudflow avalanche: T(A ~ 4 ) = 0.9.
At fuzzy modeling of statements concerning of threat of
mudflow avalanches should be take into account not only an
illegibility of a linguistic variable “intensity of mudflow avalanches”,
but also other statements used in a submitted example:
a high level of water in mountains lakes; the big stocks
of snow; strong rains; growing temperature of air. It is necessary
to set those value areas of variables, which influence on
the process of mudflow avalanches formation.
On the basis of the analysis of decisions trees, using fuzzy
statements, rules of conclusions are developing for base of
knowledge of intelligent systems of decision’s support with
taking into account of the hydrometeorological information.
The received conclusions will help to make the final decision
concerning a choice of strategy of reaction to dangerous natural
phenomena.
Summary
The knowledge used in intelligent systems of decision’s support
according to the hydrometeorological information, can
have subjective character. This knowledge also can be incomplete
and uncertain by virtue of feature of the hydrometeorological
information, and also uncertainty of estimations
of hydrometeorological factors influence on economic objects
functioning. Development of fuzzy models for systems of this
class will allow avoiding some difficulties in creation a component
of their knowledge bases. In particular, creation of the
fuzzy models supporting decision-making process on a choice
of strategy of reaction in conditions of the dangerous hydrometeorological
phenomenon threat seems to be necessary.
These decisions can be accepted concerning accommodation
of economic objects and their protection, and also in designing
objects, in agriculture, transport, in power industry etc.
In this paper the block diagram of this process at a choice of
the decision on protective actions at a regional level is presented.
In the article some methodological aspects of construction
of models with use of fuzzy sets and fuzzy logic by
Lotfi Zadeh are considered.
Tabl. 2. Membership functions of objects in the area subject to danger of mudflow avalanche’s influence
Tab. 2. Funkcja przynależności dla obiektów w strefie wpływu niebezpiecznego zjawiska natury
NN
Objects of the territory subject to
danger of mudflow avalanche’s
influence
Membership funсtion µ: Χ → [0,1] at the appropriate intensity of mudflow avalanches:
Small Average Large Catastrophic
1
2
10
50
n
x 1
0.1
x 2
0.2
x 10
0.1
x 50
0.1
x n 0.2
0.2
0.4
0.3
0.3
0.4
0.5
0.6
0.4
0.5
0.7
0.6
0.8
0.6
0.7
0.8
ELEKTRONIKA 11/2009 21

References
[1] Russel S., Norvig P.: (2003) Artificial Intelligence. A Modern Approach.
Prentice Hall, New Jersej.
[2] Zielona Księga dla Rady Parlamentu Europejskiego, Europejskiego
Komitetu Ekonomiczno-Społecznego i Komitetu regionów.
Adaptacja do zmian klimatycznych w europie-warianty
działań na szczeblu UE. Komisja Wspólnot Eropejskich (KWE),
Bruksela, 29.06.2007 (in Polish).
[3] Fiuk G., Budziński R.: (1995) Model Systemu Informatycznej Obsługi
Miasta Szczecin. W ks.: Systemy Informatyczne w Zarządzaniu
Aglomeracjami Miejskimi. PAN IBS, Oddział w
Szczecinie, Warszawa-Szczecin (in Polish).
[4] Tretyakova T.: (2009) Wiedza i modele dla inteligentnych lokalnych
składników systemu wspomagania decyzji. Studia i materiały
Polskiego Stowarzyszenia Zarządzania Wiedzą nr 18.
PSZW, Bydgoszcz (in Polish).
[5] Tretyakova T., Zair A.: (2008) The Structure and Knowledge of the Intelligent
System of Warning and Decision’s Support that Includes Local
Systems. Polish Journal of Environment Studies, vol. 17, no 4C.
[6] Tretyakova T. (2005). Knowledge base of expert system “HMDecision
“ in information system of class DSS - the objective approach
to designing. Proceeding of 6-th International Conference
“ the Analysis, forecasting and management in complex systems”,
St Petersburg (in Russian).
[7] Zadeh L. (1965) Fuzzy sets. Information and Control, vol. 8.
[8] Zadeh L. (1988) Fuzzy logic. IEEE Transactions on Computers,
vol. 21, no 4.
[9] Kacprzyk J. (2006) Komputerowe systemy wspomagania decyzji
dla potrzeb zarządzania wiedzą. W ks. Pod red. R.Kulikowski,
Z.Bubnicki, J.Kacprzyk. Systemowe-komputerowe wspomaganie
zarządzania wiedzą. ELIT, Warszawa (in Polish).
[10] Yu X., Kacprzyk J. (2008) Applied Decision Support with Soft
Computing, Springer.
[11] Piegat A. (2001) Fuzzy Modeling and Control, Physica-Verlag
Heidelberg, New York.
[12] Leonenkov A. (2003) Fuzzy modeling in the environment MAT-
LAB and fuzzyTECH. BHV- -Petersburg (in Russian).
Generation of harmonic sequences in accordance
to tonal harmony rules
with artificial neural networks
(Generacja sekwencji harmonicznych w zgodzie z zasadami harmonii
tonalnej przy użyciu sieci neuronowych)
dr inż. WOJCIECH ZABIEROWSKI, prof. dr hab. inż. ANDRZEJ NAPIERALSKI
Technical University of Lodz, Department of Microelectronics and Computer Science
There has been a continuous research throughout the world.
in the field of computer generated music. Many implementations
has appeared as well as a lot of disputes on this topic,
and it is now perceived as a branch of science.
The computer participation in the process of music creation
is not only restricted to being an aid for the composer. In
fact, a machine is able to replace human in the creation
process. There are some realizations that are purely machinegenerated
and which were able to reach the top of pop music
lists, successfully competing with human-made works.
The elements of the branch of science mentioned above
include musicological analysis of musical opus and automatic
harmonization of the melody line. The research presented
below can be applied in particular in these areas.
Problem specification
A musical piece can be described by a number of various parameters.
These parameters determine, what is later called,
a musical work - an art. Music is not a sole matter of putting
together notes and resulting sounds (and vice versa). Moreover,
even if these sounds are combined in chords, they still
remain just a set of more or less ordered tones.
One of the most basic parameters, determining whether
what we obtain can really be called music, is the harmonic
meaning of mentioned elements.
More precisely, this meaning is, of course, a harmonic
meaning in musical sense - an accordance of tones. Basic
harmonic constructions [2-4], also known as functions, form
together a harmonic triad and, depending on the musical scale
degree on which one builds them, they are called: tonic (T),
subdominant (S) and dominant (D) correspondingly.
Only by combining these harmonic functions into sequence,
we obtain music. Secondary functions may be distinguished
as well. These secondary functions retain similarity to
the main functions, and hence, they received similar names,
such as T II - tonic of second degree. By using secondary functions,
a harmonic sequence can be greatly enriched.
There is, of course, a strict (depending on a chosen harmonic)
set of rules for progression of chords that have specific
harmonic functions. Table 1 contains the basic rules for
harmonic function progressions.
Tabl. 1. Basic functional progressions
Tab. 1. Podstawowe następstwa funkcyjne
Harmonic function
Tonic
Subdominant
Dominant
Allowed consequent function
S, D, T
T, (D)
T
22 ELEKTRONIKA 11/2009

In addition, one has to remember that a musical work
always begins with a tonic (T), and each stress build up by
a dominant is resolved to a tonic (T). In short, creating music
is a matter of choosing such progressions.
Input data preparation
An idea was born to try, in accordance with Computer Generated
Music trends, to implement (simplified) tonal harmony
rules in generation of harmonic sequences as an initial phase
of further research in the area of Computer Generated Music.
To achieve this, neural networks have been used. After performing
extensive evaluation and testing, a three layer perceptron
model with 32 neurons in hidden layer has been
chosen. Each of 16 input neurons and 16 output neurons has
been assigned a corresponding value from the learning sets.
An example of such mapping is presented in Table 2.
Tabl. 2. Exemplary values of corresponding input and output neurons
used in the network architecture
Tab. 2. Przykładowe wartości odpowiednich neuronów wejściowych
i wyjściowych w użytej architekturze sieci
Neurons In
In1 In2 In3 In4 In5 … In14 In15 In16
1 0 0 0 1 0 1 0 0
Neurons Out
Ou1 Ou2 ... Ou8 Ou9 … Ou14 Ou15 Ou16
0 0 0 1 0 0 1 0 0
To represent the corresponding tones in chords of given
harmonic meaning, a MIDI notation was used (see tabl. 2),
more precisely - the part of information stored in the voice
messages. Occurence of a certain value in a voice message
has led to a ‘1’ as an input for a given neuron. No tone was
equivalent to ‘0’ as an input.
Tabl. 3. Values corresponding to sounds in MIDI notation
Tab. 3. Wartości MIDI odpowiadające wartościom dźwiękowym
Note MIDI value (hex) Decimal value (dec)
C 3c 60
D 3e 62
E 40 64
F 41 65
G 43 67
A 45 69
H 47 71
Data was prepared in accordance with tonal harmony
rules using a synthesizer, which was utilized to obtain the desired
groups of dependencies as sets for teaching the neural
network. The sets contained from 50 sequences, in a simplest
case, up to 300 in a case that considered dependencies between
triads in I and II position of the secondary functions.
Input data was tested according to the rule that three tones
making a chord have specified harmonic meaning. In the course
of using a taught network to generate harmonic sequences,
the input consisted of the two tones plus the harmonic
meaning of the previous tonal sequence, in a hope that the
network would point the correct tone for filling in the specified
harmonic value. The tonal range was limited to a single octave
to simplify the occurring dependencies.
The research
The learning process, depending on the method used,
consisted of up to 40 000 iterations. In the process [6,7] the
following methods were taken into consideration:
• gradient descent back-propagation, (with and without momentum),
• resilient back-propagation,
In addition, the following transfer functions were used there [5]:
• log-sigmoid transfer function - Matlab - logsig(n);
• hyperbolic tangent sigmoid transfer function - Matlab
tansig(n).
As a result of teaching the neural network, a good match,
measured with the mean squared error (MSE) and the number
of erratic classifications, was obtained (see tabl. 4). The
magnitude of the classification error Er means the number of
direct error matches with respect to the expected precise
answers and can be defined in the following manner:
where: er - number of erratic classifications, L - test set size
Tabl. 4. The results of learning processes and their Er error values
Tab. 4. Wyniki uczenia wraz z wartościami błędu Er
Network
architecture
Learning
time
(iterations)
16/32/16 40 000
16/32/16 40 000
16/32/16 500
Transfer
Function
tansig/
tansig/tansig
tansig/
tansig/tansig
tansig/
tansig/tansig
Teaching
Function
MSE
The most interesting results for an architecture with one
hidden layer and 32 neurons in the layer, as well as obtained
adjustment and mean squared error (MSE), is shown in
tabl. 4. The architecture of presented solution was chosen
empirically. All of the sets were prepared with default network
parameters taken into account. Various network configurations
with different numbers of neurons per hidden layer were
tried out. Many more setups were investigated , but not all of
them are included because of the unsatisfactory results they
produced.
Concluding from the tabl. 4, the reached level of mean
squared error of learning process for this issue is, in fact, the
same in every case. The same can be observed for the Er
classification error, which shows similar values in different network
configurations. Due to this, more attention has to be paid
to the configurations that allow to obtain similar level of adjustment
with less calculation overhead.
(1)
(2)
(3)
Er
traingd 0,0214148 8
taingdm 0,021857 8
trainrp 0,0182302 8
ELEKTRONIKA 11/2009 23

Generated harmonic sequence in the metrum of 3/8 Wygenerowana sekwencja harmoniczna w metrum 3/8
After thorough analysis in accordance to the theory of
tonal harmony it turned out that alleged matching errors are
non-existent or minimal.
As a matter of fact, it turned out that, in some cases, for
certain combinations of harmonic progressions and for some
tones (see tabl. 5) there was no obvious solution proposed by
the network, e.g. the network proposed two possible harmonic
functions. After performing the data analysis, it also turned out
that in some combinations of the input data, there were also
two tones proposed by the network. This means that it was
possible to choose among different tones or harmonic functions
to fullfil tonal harmony rules.
Comparing observed behavior to the real composing
process, human composers are facing the same dilemma [8].
It’s their genius, their mind, that, depending on the emotions
that are being poured down into a piece of art, makes a decision
on the tonal content, the chord, and the harmonic dependencies.
Tabl. 5. Results generated by neural network - border case
Tab. 5. Wyniki wygenerowane przez sieć - przypadek skrajny
Sounds Meaning
Network results
-0.0000
-0.0000
D 0.5000
-0.0000
E 0.5000
0.0000
0.0000
0.0000
0.0000
-0.0000
-0.0000
0.0000
0.0000
Tonic 0.5000
0.0000
Dominant 0.5000
A neural network is emotionless. It can be taught about
some dependencies and rules, e.g. that a particular tune is
sad while another is cheerful and bright. It has to be remembered,
though, that this is a subjective feeling.
How to resolve this problem?
It can be done in two ways. One of them would be to
prepare another decision degree, implemented in the neural
network, that would reflect the knowledge about emotions.
The second solution, which is considered better at this
stage, is to implement some random mechanisms, that will
automatically make the decision based on the received data.
This second solution has been chosen. In the example
presented, a harmonic sequence with the random choice of
the solution in case of a conflict is shown.
To complement the presentation of the results obtained
from designed neural network and applied procedures of input
and output data processing, a musical effect is shown in the
form of scores with the assumption of using different rhythmical
values.
As it can be observed, the effect is not perfect, because of
the visible parallelism, but this aspect of harmonic rules was
not implemented in the described issue, however it has no impact
on the conclusions made on the whole process.
Summary
It has been shown that computer with implemented neural network
methods is a useful tool to create and generate music.
Of course, these are only basics, only fundamental creation,
but with further research it will lead to the handling of more
complicated and wider musical aspects.
Because of the fundamentals of octave notation, the resolution
obtained is automatically transposable up and down the
scale, and requires only minor modifications in case of an
extension of the tone domain on more than one octave. In the
future, further work in the field of using neural networks for Computer
Generated Music is planned, as well as an attempt to implement
other parameters of musical opus, such as rhythm,
rhythmical values, or tempo. Also, attempts will be made to determine
and write emotions in a way that would allow their
acquirement by a neural network - even in a limited form.
This research will certainly contribute to the development
in the area of Computer Generated Music, both in Poland and
abroad, in the aspect of using the methods of computer
science in musicology. One can see also some possible commercial
uses of this research results in musical instruments, in
composing tools and maybe even in rehabilitation praxis.
References
[1] Baggi L. D.: Computer-Generated Music. IEEE Computer, 1991.
[2] Lerdahl F., Jakedoff R.: A Generative Theory of Tonal Music. MIT
Press, 1983.
[3] Sikorski K.: Harmonia cz. I. Polskie Wydawnictwo Muzyczne,
1991.
[4] Wesołowski Fr.: Zasady muzyki. Polskie Wydawnictwo Muzyczne,
Kraków 2004.
[5] Demuth H., Beale M.: Neural Network Toolbox: User’s guide version
4. The MathWorks, Inc., 2000.
[6] Tadeusiewicz R.: Sieci neuronowe. BG AGH, Kraków, 2000.
[7] Rutkowski L.: Metody i techniki sztucznej inteligencji. PWN, Warszawa,
2006.
[8] Gang D., Lehamnn D.: Melody Harmonization with Neural Nets.
International Computer Music Conference, Banff, 1995.
24 ELEKTRONIKA 11/2009

The correction of digital images obtained by means
of low quality scanner using FIR filter generated by
a neural network in opposition to the digital images
obtained by means of model scanner
(Poprawa obrazów cyfrowych pozyskanych skanerem niskiej klasy
z wykorzystaniem filtru FIR generowanym przez siec neuronową)
dr inż. JAKUB PEKSIŃSKI, dr inż. GRZEGORZ MIKOŁAJCZAK
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Elektryczny Zakład Teorii Obwodów i Systemów Telekomunikacji,
Szczecin
In this article authors will present the problem of improvement
of the quality of the image acquired by acquisition devices,
which construction is based on CCD matrice (Charge Coupled
Device). Nowadays on the market a large group of those
devices can be found and their prices vary from very cheap to
very expensive. Obviously, very cheap equipment applied
mainly in household usage considerably diverges in quality
from expensive high class devices. It is clear, that images
(photos) acquired by cheap equipment considerably diverge
from images acquired by an expensive devices (high class
devices). It is caused by many factors depending mainly on
the quality of CCD matrice used and device’s electronics. Following
factors are responsible for the quality of images acquired
by those devices [1]:
• number of pixels (resolution),
• quantum efficiency (sensitivity),
• noises in matrice,
• quality of the A/C converter.
The evidence of the fact that images acquired by a cheap
device of low class considerably diverge in quality from the
images acquired by expensive devices of high class can be
observed in the results presented in table 1 and 2. Tables contain
results of digital image quality criteria measured between
image acquired by a low class device and image acquired by
high class scanner (called consequently a model one). For the
needs of the experiment two popular digital image quality
measures [2] were used:
• NMSE (normalized mean square terror) - formula no 1:
• MD (maximum difference) described by formula no 2:
MD = Max(|f(x,y) - f(x,y)|) (2)
where: M N - display; f(x,y) - good image; f’(x,y) - bad image.
Tabl. 1. NMSE error between images
NMSE
Images 1 0.217
Images 2 0.219
Images 3 0.208
Images 4 0.275
Images 5 0.215
(1)
Tabl. 2. MD error between images
Analyzing quality indicators presented in tables 1 and 2 it
can be found clearly that images acquired by low class scanner
diverge in quality from images acquired by model scanner.
To improve the quality of low class image, so that it is comparable
to images from high class scanner, the authors used
neural network. The task of the neural network was to generate
impulse response in form of a filter with 5 x 5 mask, provided
that this filter must realize the operation of discrete
tangle described by formula no 3 [3]:
where: yout(x,y) - image after filtration; yin(x,y) - image before
filtration; w(i, j) - filter mask.
Neural network configuration
MD
Images 1 161
Images 2 169
Images 3 143
Images 4 187
Images 5 166
To obtain a digital filter with 5 x 5 mask the authors of the article
have used one direction neural network working in mode
with teacher - Figure 1. This network has 25 inputs (x0, x1,...,
x24), into which in the course of learning, we give image acquired
by low class scanner (y1). In the course of learning, in
which the actualization of wages was based on recurrent presentation
of the images acquired by low class scanner, the
change in wage rate of the neural network occurred (w0,
w1, ..., w24) according to formula no 4 [4].
where: j - step number, n - learning parameter, w i (j) - wage,
δ µ - error described by formula no 5, y - result value.
(3)
(4)
(5)
ELEKTRONIKA 11/2009 25

This image has undergone the process of scanning by two
scanners of low quality and model one. The initial values of
quality criteria between image amounted accordingly:
NMSE 0.217
MD 161
In the course of learning process of the network a filter of ratios
showed on picture no 3 was obtained.
Fig. 1. Neural network configuration
Rys. 1 Konfiguracja sieci neuronowej
The whole learning process continues according to the following
steps:
• input of an image of low quality,
• determining an error according to formula no 5,
• determining new wages according to formula no 4,
• repeating steps no 1 to 3 as long as the error becomes satisfactorily
small.
The result of the operation of the neural network is the filter
of 5 x 5 mask (25 wages), which in the course of realization
of discrete tangle operation described by formula no 3,
improve the quality of digital images acquired by low class
scanner in such a way, that they will correspond with images
from the model scanner.
Experimental research results
In this point the result of the experimental research will be presented.
For the needs of experiment, two scanners, which
construction is based on CCD matrice, were used:
• low quality scanner,
• high quality scanner - model scanner.
In the learning process of neural network, digital image
Man.bmp (Fig. 2) was used.
0.0090 0.0244 0.0369 0.0224 0.0139
0.0263 0.0588 0.0890 0.0564 0.0301
0.0544 0.0998 0.1653 0.0965 0.0570
0.0272 0.0507 0.0836 0.0549 0.0251
0.0132 0.0206 0.0369 0.0256 0.0095
Control criteria values for two images after applying linear
filtration amounted accordingly:
NMSE 0.097
MD 54
Amplitude characteristic of the filter is presented on the
Figure 3. Analyzing the values of mask ratios and looking at
amplitude characteristic of the filter it can be stated that it is
a filter of a down capacity character. It means that the disturbances
in the CCD matrice of a low class scanner mainly have
the character of noises.
To check the correctness of operation of the filter generated
by network, ten pairs of image acquired by two scanners
were examined, the results are presented in table 3 and 4.
Tabl. 3. NMSE error before and after filtration
Tab. 3. Błąd NMSE po filtracji
NMSE before filtration
NMSE after filtration
Images 1 0.217 0.097
Images 2 0.219 0.101
Images 3 0.208 0.099
Images 4 0.275 0.121
Images 5 0.215 0.089
Fig. 2. Image Man.bmp Rys. 2. Obraz Man.bmp
Fig. 3. Amplitude characteristic of the filter
Rys. 3 Charakterystyka amplitudowa filtru
26 ELEKTRONIKA 11/2009

Tabl. 4. MD error before and after filtration
Tab. 4. Błąd MD przed i po filtracji
All images were scanned with 600 dpi resolution. Plustek
OpticPro A320 was used as the model scanner and Canon
LiDE100 as the low quality scanner.
Conclusion
MD before filtration
MD after filtration
Images 1 161 54
Images 2 169 57
Images 3 143 43
Images 4 187 67
Images 5 166 57
Analyzing the results presented in tables 3 and 4, it can be
stated that the digital filter of 5 x 5 mask obtained in the course
of learning process of the neural network fulfils its task. After
applying tangle operation, images acquired by low class scanner
have become comparable in quality with model images.
Surely, there is no 100 percent improvement, because the filter
mask is relatively small. However, the advantage of it is
that through realization of the discrete tangle operation, it can
be used in popular programmes for image procession such
as CorelDraw or Photoshop.
Of course, the learning process of the neural network is
long but it occurs only once and filter obtained in such a way
can be applied in signal processors, so that the improvement
of photos can be implemented practically in real time.
References
[1] Tadeusiewicz R., Kohoroda P.: Komputerowa analiza i przetwarzanie
obrazów. Wydawnictwo Fundacji i Rozwoju Telekomunikacji,
Kraków 1997.
[2] Kornatowski E.: Probabilistyczna miara wierności odwzorowania
sygnału Kwartalnik Elektronika i Telekomunikacja 1999.
[3] Zieliński T.: Cyfrowe przetwarzanie obrazów. Wydawnictwo Komunikacji
i Łączności, Warszawa 2005.
[4] Osowski S.: Sieci neuronowe do przetwarzania informacji. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2000.
[5] Bishop C.: Neural Network for Pattern Recognition. Oxford: Caledron
Press 1995.
[6] Korbicz J., Obuchowicz A., Ucińskii D. A.: Sztuczne sieci neuronowe.
Akademicka oficyna wydawnicza PLJ, Warszawa 1994.
[7] Praca zbiorowa: Sieci neuronowe. Akademicka oficyna wydawnicza
EXIT, Warszawa 2000.
[8] Shenn N.: Neural network for system identification. Int. J. Syst.
Sci., v. 23, no 12, pp. 2171-2186 1992.
[9] Winter R, Widrow B.: Madaline Rule II: A training algorithm for
neural networks. Proc. IEEE 2nd Int. Conf. Neural Networks, San
Diego, CA, v. 1, pp. 401-408, 1988.
[10] Hopfield J., Tank D.: Neural computations of decisions in optimization
problems. Biological Cybernetics vol. 52, pp 141-152,
1985.
Global multicriteria optimization in weather routing
(Wielokryterialna optymalizacja globalna w nawigacji meteorologicznej)
dr inż. JOANNA SZŁAPCZYŃSKA
Akademia Morska w Gdyni, Wydział Nawigacyjny
A task of finding a global optimum in a complex, non-linear optimization
problem with constraints belongs to NP-hard problem
class. Hence, selecting a global optimization method reliable
and suitable for given problem might be a challenge [1]. The
problem becomes even more complicated when it is defined as
a multicriteria (aka multiobjective) optimization problem (MOP).
Possible approaches include goal function linearization, interactive
optimization techniques and multicriteria searching for
Pareto-optimal solutions. The latter scheme is the most popular
and often performed by metaheuristic methods.
Ship route optimization in weather routing is an example of
a real life MOP class problem. The term “weather routing” refers
to a process of finding the most convenient route for a ship
while taking into account available weather forecasts. The
weather routing optimization problem has already been defined
in terms of MOP [2]. This paper presents the comprehensive,
already implemented solution to finding a global optimum in
weather routing. In addition to that, it includes a discussion on
efficiency of current solution and other possible approaches towards
global optimization. The final conclusions try to appoint
alternative optimization methods being able to improve the efficiency
of current solution.
Problem definition in weather routing
The criteria set in weather routing models the following elements:
passage time (min), fuel consumption (min) and voyage
risk (min). The constraint set include four elements describing
natural obstacles and navigational constraints. A detailed description
of the constrained multicriteria problem definition in
weather routing has been already given in [2].
Multicriteria evolutionary algorithms
and ranking methods in weather routing
The solution [2] to the weather routing optimization problem
comprises two optimization techniques: multicriteria evolutionary
algorithm (SPEA) and multicriteria ranking method
(Fuzzy TOPSIS). The former is responsible for finding a set of
Pareto-optimal solutions, while the latter is utilized to narrow
the vast set of (Pareto-optimal) routes to a single route recommendation.
It is worth noticing that preferences of decisionmaker
towards optimization criteria influence only the ranking
method, leaving the main evolutionary optimization procedure
not affected. The following subsections provide a more de-
ELEKTRONIKA 11/2009 27

tailed description of the optimization techniques utilized in the
weather routing solution as well as a discussion on efficiency
of the solution.
Strength Pareto Evolutionary Algorithm
The Strength Pareto Evolutionary Algorithm (SPEA) [3], is
a multiobjective evolutionary algorithm with “a posteriori” decision-maker
preference articulation. In SPEA decisionmaker’s
preferences do not influence the core optimization
procedures. The result of the evolutionary process is a set of
Pareto-optimal individuals, consisting of nondominated elements.
An individual is called a nondominated one if, and only
if, it is superior to all the other individuals for at least one criterion
and not worse for all the other criteria. In SPEA algorithm
two populations are maintained throughout the evolution
process, namely the basic population P and the secondary
one - N. The main purpose of the latter is to sustain all nondominated
individuals (Pareto-optimal ones) during the complete
generation process.
SPEA customization to the weather routing optimization
problem required the following steps:
1. designing problem-related chromosome structure. Here an
individual is a representation of a route. The route is defined
as an ordered list of waypoints, each holding a set of
corresponding vales such as geographical coordinates,
propulsion settings, velocity, time of reaching, etc,
2. designing the process of initial population creation. Having
determined departure and destination ports a set of basic
routes between these ports is generated. The set consists
of a loxodrome, orthodrome and an isochrone route (found
by an isochrone method). Initial population is then generated
by random modifications (including mutation and
crossover) on the basic routes set,
3. constructing operators specialized to the chromosome
structure. Three evolutionary operators amending given
chromosome structure have been implemented, namely
mutation, crossover and smoothing,
4. introducing a mechanism for avoiding constraint violations.
Original SPEA method has no such mechanism, thus the
following have been applied to remedy the problem:
a) constraint-dominance by Deb [4] has replaced typical
Pareto-dominance,
b) supporting algorithms have been implemented, ensuring
that only feasible individuals participate in the selection
process. The algorithms include a general fixing
algorithm and a remove loops algorithm.
Details on each of the abovementioned steps have been
given in [2].
Fuzzy Technique for Order Preference
by Similarity to Ideal Solution
Original Technique for Order Preference by Similarity to an
Ideal Solution - TOPSIS is a ranking method with “a priori” decision-maker
preference articulation. The best alternative
among given set of alternatives is sought, having given a vector
of optimization criteria and a corresponding vector of
weights assigned to the given criteria. The TOPSIS method is
based on a concept that the best alternative among the available
alternative set is the closest to the best possible solution
and the farthest from the worst possible solution simultaneously.
Fuzzy TOPSIS [5] extends this approach by introducing
a possibility to model the elements of criteria and weight vectors
by fuzzy sets.
The Fuzzy TOPSIS method has been utilized in the solution
to weather routing optimization problem as a selection tool.
It allows the decision-maker (e.g. a captain) to choose the most
suitable route among all the Pareto-optimal routes previously
found by the SPEA algorithm. The decision-maker must define
their preferences to the given optimization criteria to perform
the selection. This process is facilitated by a mechanism of assigning
linguistic values (such as “important” or “less important”)
to each criterion. The values have corresponding fuzzy
sets assigned, which allows to automatically fill in the weight
vector based on the linguistic values selected by the decisionmaker.
As a result Fuzzy TOPSIS creates a ranking of routes,
in which the first element is the most suitable route according
to given decision-maker’s preferences.
Research of the solution to weather
routing optimization problem
The proposed solution to weather routing optimization problem
has been already implemented as computer software.
The solution applied for a ship with hybrid propulsion has been
researched [6] towards:
• comparison with a standard weather routing technique: the
isochrone method,
• comparison of results for a ship with hybrid and standard
(motor only) propulsion,
• verifying of usage in case of multi-source weather data.
The results obtained during the research proved the supremacy
of the new method over traditional, single-criterion
one. Especially, the approach to global optimization via finding
the approximation of Pareto-front introduces immense flexibility
to the optimization. The decision-maker is able to change
their mind simply by re-assigning linguistic variables to the criteria
and obtain new route recommendations immediately.
However, in this case the cost of such a solution is the time
required to collect Pareto-optimal routes. These routes should
have images forming an adequate approximation of Paretofront.
During the research the execution time for a typical PC
desktop (AMD Turion 64 X2, 2.00 GHz, 2.00 GB RAM) varied
from 14 min. up to 4 min. in the most complicated cases.
Thus, it is recommended to consider, select and research alternative
optimization methods to find Pareto-optimal solutions
that may allow reducing the total execution time of the weather
routing algorithm.
Alternative solutions for global optimization
in weather routing
Parallelization is the most intuitive solution towards execution
time reduction in weather routing algorithm. A multiprocessor
platform may significantly increase performance of a solution to
a problem comparing to a regular PC desktop. But only, if the
problem can be divided into a set of sub-problems and there exists
a way to build a general solution from a set of sub-solutions.
The general idea of parallel multicriteria evolutionary algorithms
(pMOEA) was described in detail in [7]. There are
three paradigms of parallel processors cooperation in
pMOEA, namely master-slave, diffusion and island models.
In the master-slave paradigm fitness calculations are split between
a set of slave processors, while master processor is responsible
to distribute the tasks and gather all the resulting
objective values. The diffusion model extends the idea of
a single population, but here the individuals are distributed
among the processors. An arbitrary selected topology defines
a neighbourhood relationship between individuals. The rela-
28 ELEKTRONIKA 11/2009

tionship then determines which individuals evolve via evolutionary
operators. Unlike the former, the island model mimics
the phenomenon of natural populations evolving in relative
isolation. Here the processors perform the evolution in possibly
reduced search space separately. However, some limited
communication between the populations (islands) is permitted.
The island model of parallelization has been already applied
to SPEA [8].
Besides the parallelization techniques, it is also well
founded to consider alternative optimization methods for application
to the weather routing solution. These methods
should allow finding an approximation of Pareto-front and be
applicable in the assumed optimization problem. Thus, the
considered set of global optimization techniques includes
three multicriteria metaheuristics: ant colony optimization,
tabu search and simulated annealing. The next subsections
present a review of these methods from the standpoint of possible
application to the weather routing optimization.
Multicriteria ant colony optimization
The majority of multicriteria ant colony optimization (ACO) extensions
are designed particularly for a two criteria optimization
problem. Unfortunately their possible extension to
a greater number of criteria is non trivial. A detailed review of
such methods is given in [7].
An example of more universal approach towards multicriteria
ant colony optimization, called MOAQ [9], assumes utilization
of a serial set of ant families. Each family is
responsible for a single optimization criterion and tries to modify
solutions in terms of the assigned criterion with respect to
a negotiation mechanism. The criteria are solved in an incremental
fashion, which may be considered as a disadvantage
in situations where no lexicographic order can be imposed
upon given optimization problem.
Another extension of ACO, called PACO [10], is a population-based
multicriteria approach. A new population is created
based on all nondominated (Pareto-optimal) solutions found
so far. The first generation of ants works the same as in standard
ACO with the only difference that there is no pheromone
evaporation. The best solution of the generation is collected in
corresponding population then the process is repeated for
a predefined number of generations. An average-rank-weight
method is used for selecting elements of the next population.
Despite its agent-based nature, the reviewed multicriteria
ACO solutions do not have any parallelization mechanisms
and it is doubtful if such mechanisms could be constructed
and successfully applied.
Multicriteria tabu search
There are two possible approaches to solving multicriteria
problems by tabu search algorithms (TS), namely by weighted
scalarization of objective function or by utilizing Pareto-optimality
concept. The former group of solutions, presented e.g.
in [11], converts multicriteria problem into a single-criterion
one by linear weighted aggregation. The weights are updated
each iteration and may be dependent on improvement gained
for every criterion. The latter approach to tabu search is based
on selecting a new solution from the neighbourhood by means
of Pareto dominance. In a paper by Armentano et al. [12]
a parallel multicriteria tabu search with Pareto dominance is
proposed. The method performs several parallel searches (replaces
a single tabu list by a set of such lists) to obtain a welldistributed
Pareto front.
Multicriteria simulated annealing
Various multicriteria extensions to the simulated annealing
(SA) have been proposed, with SMOSA [13], PSA [14],
WMOSA [15] among others. These methods model multiobjective
nature of optimization by changing the approach to calculate
the probability of a new solution acceptance. SMOSA
and PSA calculate the probability as a multiplication of probabilities
in each dimension (criterion), where PSA includes
also a weighting scheme to the multiplication. WMOSA also
utilize a weight vector to calculate the probability, but unlike
PSA, it takes into account the number of constraints violated
by the new solution when adjusting the weights.
A well known property of single-criterion SA algorithms is
the possibility of their parallel implementation. However, no
such mechanisms has been applied to the reviewed multicriteria
SA methods.
Conclusions
Based on the reviewed alternative optimization methods finding
Pareto-optimal solutions the following conclusions can be
drawn:
1. Only methods with possible parallel implementation should
be considered to achieve reduction of the algorithm’s execution
time.
2. It is recommended in the first place to implement in weather
routing the parallel version of SPEA method, which could
probably allow achieving the efficiency goal with low additional
implementation expenditure.
3. The parallel multicriteria tabu search is an additional solution
worth considering in the weather routing optimization,
although the required implementation effort is much higher
in this case. It is advisable to implement the method in
weather routing together with multicriteria SPEA and compare
their efficiency.
The conclusions listed above will be further verified by appropriate
software development and numerical simulations.
The results of those tests will allow for a more definitive comparison
of the analysed methods and complete assessment of
their usability for multicriteria optimization in weather routing.
References
[1] Perez J., Pazos R., Frausto J. et al.: Comparison and Selection
of Exact and Heuristic Algorithms. Lecture Notes in Computer
Science, vol. 3045, Springer-Verlag, pp. 415-424, 2004.
[2] Szłapczyńska, J., Śmierzchalski, R.: Multiobjective Evolutionary
Optimization with Constraints in Weather Routing. Polish Journal
of Environmental Studies, vol. 17. no 4C, 2008.
[3] Zitzler, E., Thiele, L.: Multiobjective Evolutionary Algorithms:
A Comparative Case Study and the Strength Pareto Approach.
IEEE Transactions on Evolutionary Computation no 3 vol. 4, pp.
257-271, 1999.
[4] Deb, K. An Efficient Constraint-handling Method for Genetic Algorithms.
Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering,
vol. 186(2-4), pp. 311-338, 2000.
[5] Chu T. C., Lin Y. C.: A Fuzzy TOPSIS Method for Robot Selection.
The International Journal Of Advanced Manufacturing Technology,
Springer-Verlag, 2003.
[6] Szłapczyńska J.:, PhD thesis: Application of evolutionary algorithms
and ranking methods in weather routing for a ship with hybrid
propulsion. West Pomeranian University of Technology,
Szczecin, 2009.
[7] Coello C. A., Lamont G. B., Van Veldhuizen D. A.: Evolutionary
Algorithms for Solving Multi-Objective Problems. Springer,
2007.
ELEKTRONIKA 11/2009 29

[8] Gonzalez O., Leon C., Miranda G. et al.: A Parallel Skeleton for
the Strength Pareto Multiobjective Evolutionary Algorithm 2. Proceedings
of 15th EUROMICRO International Conference on Parallel,
Distributed and Network-Based Processing (PDP’07), pp.
434-441. IEEE Computer Society, 2007.
[9] Mariano C. E., Morales E.: MOAQ anAnt-QAlgorithm for Multiple Objective
Optimization Problems. Genetic and Evolutionary Computing
Conference (GECCO 99), vol. 1, pp. 894-901, San Francisco, 1999.
[10] Guntsch M., Middendorf M.: Solving Multi-criteria Optimization
Problems with Population-Based ACO. Lecture Notes in Computer
Science, vol. 2632, pp. 464-478, Springer, 2003.
[11] Hansen M. P.: Use of Substitute Scalarizing Functions to Guide a
Local Search Based Heuristic: The Case of moTSP. Journal of
Heuristics, vol. 6, pp. 419-431, Kluwer Academic Publishers, 2000.
[12] Armentano V. A., Arroyo J. E. C.: An Application of a Multi-Objective
Tabu Search Algorithm to a Bicriteria Flowshop Problem.
Journal of Heuristics, vol. 10, pp. 463-481, Kluwer Academic
Publishers, 2004.
[13] Suppapitnarm A., Seffen K. A., Parks, G. T. et al.: Simulated annealing:
An alternative approach to true multiobjective optimization.
Engineering Optimization, vol. 33, no 59, 2000.
[14] Czyżak P., Jaszkiewicz, A.: Pareto simulated annealing - A metaheuristic
technique for multiple-objective combinatorial optimization.
Journal of Multicriteria Decision Analysis, vol. 7, no 34, 1998.
[15] Suman, B.: Multiobjective simulated annealing - A metaheuristic
technique for multiobjective optimization of a constrained problem.
Foundations of Computing and Decision Sciences, vol. 27,
no 171, 2002.
Signed electronic document and its probative value
in certificate and certificateless public key
cryptosystem infrastructures
(Podpisany dokument elektroniczny i jego wartość dowodowa
w certyfikatowej i bezcertyfikatowej infrastrukturze kryptosystemu
klucza publicznego)
dr inż. JERZY PEJAŚ
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny, Wydział Informatyki, Szczecin
1. Introduction
The Art. 5, paragraph 1 of the Act on Electronic Signature from
September 18 th , 2001 (see [1]) states that the secure electronic
signature based on a qualified certificate (shortly, the
qualified electronic signature) evokes legal effects defined by
Act if it was created in the validity period of this certificate. This
regulation doesn’t apply to the certificate after period of its validity
or from the day of its revocation and in the period of its
suspension unless there is possible to prove that the signature
was created before end of the validity period of the certificate
or its revocation or suspension (i.e. to avoid a signature to become
unduly questionable or even rejected in the future, the
point in time when it was issued may require to be provable).
The requirement for proving a time of an electronic signature
generation becomes a crucial element for signature validity
and for a probative value of an electronic document related
to this signature (1) . This is crucial also for the sake of decreasing
evidence value of an electronic document that with the time
elapsed does not have the same longevity properties as physical
documents. Particularly, it results from two reasons at least:
• cryptographic algorithms and keys used for an electronic
signature creation can become weak and not sufficiently
resistant against different attacks,
• information necessary for an electronic signature verification
and validation is not accessible (e.g. due to the lack of access
to CA certificates, CRLs, electronic documents, etc.).
After many years facts stated above could make impossible
to verify formerly created electronic signatures, what could
result in the lack of total probative value of an electronic document
(of course, if such a value was possessed by the document
at storage time).
Further, we assume that the probative value of a signed
electronic document consists of document content, additional
security elements and a context (particularly a legal context).
The probative value of an electronic document has to be preserved.
It means using organizational and technical measures
guaranteeing the keeping an electronic signature verifiable
over long period or the retrieving a reliable information on its
status, and enabling the verification of the electronic document
authenticity related to this signature.
The rest of the paper is organized as follow. In Section 2, we
formulate the model of a certified electronic signature scheme
(CESS) describing a signature creation and verification process
in the traditional Public Key Cryptosystem (PKC) and in Certificateless
Public Key Cryptography (CL-PKC). Section 3 shows
that usage of technical measures for the keeping the probative
value of an electronic document needs some extension of CESS
model to the form LT-CESS as well as including a Virtual Signed
Electronic Document (V-SED), providing a provable authenticity
of an electronic document over long period. Then two practical
examples of V-SED development based on time stamp chains
and a sequence of archive time stamps are presented (see Section
4 and 5). Finally, we conclude the paper in Section 6.
2. Electronic signature schemes
The first thing to notice is that any electronic signature scheme
will never be able to exist without a Trusted Authority (TA). This
is because the TA is required to guarantee the authenticity of
users’ public keys.
In the traditional Public Key Cryptosystem (PKC), a Certificate
Authority (CA) issuing a digitally signed explicit certificate
binding an identity and a public key of a user achieves
30 ELEKTRONIKA 11/2009

this goal. A user’s public key authenticity should be certified
because his or her public key is generated from some random
information that is unrelated to his or her identity. However,
the need for Public Key Infrastructure (PKI) supporting certificates
is considered the main difficulty on the deployment and
management of a traditional PKC.
Theoretically, the identity (ID) based public key cryptography
(ID-PKC) introduced by Shamir [4] should solve the problem
stated above. In that approach instead of using a random
integer as the user’s public key as in the traditional public-key
systems, the user’s real identity (e.g. the user’s name or email
address) becomes the user’s public key, while a trusted third
party called the Private Key Generator (PKG) manages the
generation and distribution of all system’s parameters including
the user’s private key. Although the complexity caused by
certificates is gone (there is no need to generate the certificate),
all ID-PKCs have the inherent key escrow problem, that is private
key generator (PKG) knows the private key of each user.
To solve the key escrow problem of the ID-PKC and to preserve
the benefits of the ID-PKC, Certificateless Public Key
Cryptography (CL-PKC) was introduced (S. Al-Riyami, K. Paterson
[5]). Certificateless Public Key Cryptography (CL-PKC)
is an intermediate between ID-PKC and PKC. In CL-PKC, Key
Generation Center (KGC) is involved in issuing user partial
private key computed from the master secret. The user also
independently generates an additional user’s secret value and
finally calculates the private key, and the corresponding public
key. Therefore, even if KGC knows the user partial private
key, impersonation is not possible.
In CL-PKC the user’s public key can be made available to
other users by transmitting it along with the messages or by
placing it in a public directory. There is no explicit authentication
required for the public keys and, in particular, there is no explicit
certificate for each public key. However, the system is no
longer identity-based, because the public key cannot be computed
from the user’s identity alone (L. Harn et al. [6], S. Al-
Riyami, K. Paterson [5]). Therefore such public key requires the
use of an implicit certificate that allows avoiding the explicit verification
of the bindings between public keys and identities. Note
that an implicit certificate is valid to the end of validity period of
the user’s identifier or until the revocation of this identifier.
Let us assume that there is the Trusted Authority (TA) related
with PKC or CL-PKC systems and a set of users. Each
user has a unique identity ID ∈ {0,1} * that may contain auxiliary
information like the validity period of the identity (the implicit
certificate) or of the explicit certificate. This is the case
when an effective usage of any electronic signature scheme
needs at least the following components of PKC or CL-PKC
infrastructure to be present (A. Boldyreva, et al. [3]):
• Trusted Authority (TA). Each i-th TA i holds a public key
pk TA (i) and a corresponding secret key sk TA (i). We assume
that the public key is authenticated and known to all parties,
i.e. once it is published the adversary cannot change it.
This is usually accomplished by a hierarchical arrangement
of TAs, each intermediate TA certifying the validity of the
public key of its successor. Only the key of the root TA has
to be authenticated by other means,
• keys’ registration. Each user can register keys with the CA
by running the registration protocol. The required validation
of the user’s identity ID is usually done before by socalled
registration authority (RA). Checking the identity of
the user wishing to register its public key is typically performed
by RA by of means personal identification and
physical validation (e.g., with help of a passport or a driver
license). After registration the user obtains a certificate cert
that, classically, is an explicit certificate of X.509 type, including
the CA’s signature or an implicit certificate cert
which should be rather thought of as an arbitrary, possibly
empty string. We assume, however, that each pair (ID, pk),
where a public key pk is registered, is unique.
Based on mentioned above PKC or CL-PKC infrastructure
we can define a certified electronic signature scheme (CESS).
Certified electronic signature scheme is a tuple CESS =
(Setup, K, (C,U), Σ, V), where the constituent algorithms run in
polynomial time and are defined as follows (see A. Boldyreva,
et al. [3]):
• Setup: a randomized parameter-generation algorithm that
takes as an input 1 k , where k is the security parameter, and
outputs some global scheme parameters params, available
to all parties; the parameters params define also a finite
message space, M and a finite signing space, S;
• Key-Generation (K): a randomized key-generation algorithm
that takes as an input params, and outputs a pair
(pk TA (i), sk TA (i)) consisting of a verification key (a public
key) and a signing key (a private key), i.e.
• (C,U) - a pair of interactive randomized algorithms forming
the (two-party) public-key registration protocol; C - an algorithm
that takes as an input a private key pk TA (i); V - an
algorithm takes as an input an identity ID U of a user and the
public key pk TA (i) corresponding to sk TA (i); the result of this
interaction can be formally written as follows:
where: pk IDU is a public key of a user ID U , sk IDU - a corresponding
private key and cert is an issued (explicit or
implicit) certificate.
• Sign (Σ): a (possibly) randomized signing algorithm that
takes input scheme parameters params, an identity ID U ,
a secret key sk IDU , a certificate cert and an electronic document
D ∈ {0,1} * ∈ M, and outputs an electronic signature
Σ ∈ S in one of the well formed format.
• Verify (V): a deterministic verification algorithm that takes
input scheme parameters params, an identity ID U , a public
key pk IDU , a certificate cert, a public key pk TA (i) and an
electronic document D ∈ {0,1} * ∈ M, and outputs valid or invalid
information about a signature Σ ∈ S:
The electronic signatures should be created on the base of
well-defined formats, e.g. CAdES [7], XAdES [8] or PAdES
[9]. Their verification requires the checking of a certificate validity
(the case of traditional PKC) or a validity of a signer’s
identity (the case of CL-PKC). First type of the verification requires
checking a signing certificate authenticity and its presence
on the certificate revocation list. In the case of the
second type of verification any verifier should check whether
the identifier, a component of the identifier (such as an address
attribute), or the public key of a particular entity has not
been revoked and then additionally verify the authenticity of
the public key taken from the repository of the TA(i).
(1)
(2)
(3)
ELEKTRONIKA 11/2009 31

In the context of CL-PKC, the idea of appending validity
periods (for example, year, date or time) to identifiers ID U can
be used ensuring that any partial private key, and hence any
private key, has a limited lifetime. Then the revocation in CL-
PKC systems can be handled in the same way as in ID-PKC
systems using standard certificate-based revocation techniques.
For example, this can be done by deploying an analogue
of an online certificate status protocol (e.g. OCSP) or
variants of certificate revocation lists (CRLs).
3. Keeping the probative value
of electronic documents
Ensuring a long-term validity of stored electronic documents
depends on both organizational and technical measures (see
e.g. CWA 15579 [14]). When technical measures are used to
keep the probative value of electronic documents then first of
all there is necessary to apply the strong cryptographic algorithms
and to provide additional and sufficient information -
a certificate set (all certificates needed to generate a path that
leads to a point the verifier trusts) and the relevant revocation
information (2) (e.g. CRLs) related to this certificate set and to
all other involved certificates. Trusted third party (TTP) providing
a service of keeping the probative value of an electronic
document over long period has to issue the evidence records
attached to the electronic attestations (Section 5) and associated
with a given document or a group of documents. All these
electronic attestations and time stamp tokens cyclically created
for all stored evidences are needed later for making a
long-term verification, i.e. verifications when the signing certificate
has expired. In this case only the verifier can independently
perform the complete verification of a given
document authenticity and the validity of all signatures and
other evidences (e.g. time stamp tokens) related to it.
The storage mechanisms used by a trusted third party
(TTP) should be based on a long-term electronic signature
scheme (LT-CESS) like this:
The LT-CESS scheme in comparison to the CESS (see Section
2) contains two additional elements:
• (IV,SV) - a pair of interactive deterministic algorithms forming
the verification protocol (e.g. CWA 14171 [11]); IV - an
initial (or a short term) verification algorithm performed by
a verifier after an electronic signature is generated in order
to consolidate the signature by capturing additional information
that will support its subsequent verification; SV -
a subsequent (or a long-term) verification algorithm performed
by a verifier some time after the initial application of
a signature, to assess a signature’s validity, based on the
data collected at initial verification time;
• Preserve (P): a deterministic algorithm for long-term preservation
of the probative value of electronic signatures/documents;
this algorithm is based on the initial or subsequent
verification algorithm and makes the additional activities
needed to protect electronic signatures/documents from effects
of their deterioration, technology obsolescence, and
fading human recall.
Preserve and (IV,SV) algorithms generate the evidence
records attached to the electronic attestations. These elements
are subsequently linked to each preserved electronic document
and jointly form Virtual Signed Electronic Document (V-SED).
V-SED document should fulfil the following requirements:
(4)
• each electronic document D is stored where produced
(local repository) or in a deposit (regional repository);
• V-SED contains the references to the electronic documents,
the signatures associated with this document, the
time stamp tokens and other evidences references allowing
the creation of a real (complete) SED on demand.
Storing the references allows the values of V-SED elements
to be kept elsewhere, reducing the entire size of V-SED
document. A virtual document with above properties is a tuple:
where: ID R - the V-SED identifier in a repository, D R - the references
to the documents and their attachments, S R - the references
to the electronic signatures, E R - the references to the
evidences related to an electronic signature and a document
(including the references to the electronic attestations and the
evidence records linked to them). For V-SED the following definition
can be formulated:
Definition. The electronic document is a long-term provable
authentic, if exist a polynomial time Verify(V) algorithm
that takes as an input the certification scheme CS (i.e. PKC or
CL-PKC), the services related to a electronic signature TSI
(Trusted Services Infrastructure), V-SED, the verification policy
VP (Verification Policy), and outputs a value of each electronic
signature {valid, invalid}:
where: V is one from two algorithms being a member of the pair
(IV,SV), while the notation array[1…n] means the verification of
each electronic signature referenced in V-SED structure.
Note that CS parameter in Equation (6) includes the parameters
params of an electronic signature scheme, while V-
SED structure - (D, Σ, pk IDU ,cert) parameters; compare the
Equation (3).
4. Timestamp chain and sequence
The basic elements of V-SED structure, i.e. the electronic attestations
and the evidence records linked to them, can be
built in different ways. The most often used approach is based
on the appropriate mechanisms of the time stamp chains
building. These mechanisms have to ensure the requirements
counted in the definition of the provable authentic document
(see Section 3).
The starting point for the timestamp chains creation is an
archival electronic signature form CAdES-A [7], XAdES-A [8]
or other equivalent form (e.g. PAdES [9]). Each of these forms
should contain a time stamp of a system for preserving electronic
document for long periods of time (an archive mark for
shortly). This mark has the same meaning as the archive timestamp
that are included into the archival signature forms
CAdES-A or XAdES-A.
The archive timestamp is added to the CAdES or XadES
form as an unsigned attribute. The hash value related to this
archive timestamp is the result of using the hash algorithm to
the CAdES-X or XadES-X form. The first archive timestamp of
the obtained archival form CAdES or XAdES includes all necessary
information required for every signature verification and
so called an initial archive timestamp. This timestamp can become
invalid when a public key algorithm, or a hash function
used respectively to creation of the hash value or the timestamp:
(5)
(6)
32 ELEKTRONIKA 11/2009

a) will be or could be broken, or
b) a public key certificate of a time stamping authority will be
expired soon or is revoked.
Prior to such an event, the trust to existing time stamps
has to be reassured by means of new time stamping of the
previous archive timestamp. Two types of the time stamp renewal
are used (see details in Section 5):
a) time stamp renewal: the new archive timestamp is generated,
which is related to the previous one; subsequent
timestamps obtained in this renewal procedure form the
archive timestamp chain for a data object or a group of
data objects;
b) hash value renewal: the new time stamp for the archival
form is generated; it is related to previous timestamps and
to data objects stamped with the initial archive timestamp
for the archival form as well; the new set of the archive
timestamp chain is created; the set of one or more archive
timestamp chains forms the archive timestamp sequence.
5. Some technical examples
of the timestamp and hash value renewal
Two standards are presented below (ETSI TS 101 733 [7] and
RFC 4998 [15]). Each of them can be used both for the timestamp
and the hash value renewal. However, while the first
standard is applied mainly to a single data object (an electronic
document or signature), the second one can cover a group of
data objects. In both cases the evidence records are generated
(CAdES-A and EvidenceRecord structures, respectively)
and thent available on each request of the authorized entities.
5.1 ETSI TS 101 733 (CAdES) standard
To keep the probative value of an electronic document the
specification of the archival form CAdES [7] is used. The
archive timestamp is related to each of the SignerInfo data
element that is included into the SignedData. The value of
the messageImprint field of the TimeStampToken (3) structure
contains the hash value returned by the hash algorithm applied
to an input argument being the concatenation of the following
elements:
a) the encapContentInfo field of the SignedData sequence;
when the field is absent, the content is stored outside of
this field, but its value is protected by the signature value located
in the SignedData sequence;
b) the Certificates and crls fields of the SignedData sequence,
if these fields are present in this sequence,
c) all data elements of the SignerInfo sequence, which should
be protected by the generated timestamp token, including
all signed and unsigned attributes.
The SignerInfo can contain more then one instance of
archive-time-stamp attributes. Furthermore, each successive
timestamp protects all timestamps made previously. It means
that the CAdES archival form allows to renew the archive
timestamp using mechanism like this presented on Fig. 1.
Fig. 1. The idea of renewal of an archival timestamps form (CAdES
[7])
Rys. 1. Idea odnawiania znaczników czasu archiwum (CAdES [7])
Each subsequent archive timestamp covers all existing
timestamps, so the archive-time-stamp attribute can be used
also to build the new hash value: it is sufficient to choose the
new stronger hash function, calculate the new hash values
and obtain the new archive timestamps.
5.2 RFC 4998 de facto standard
The proposal published in RFC 4998 [15] contains the following
structure of the evidence record syntax (ERS):
EvidenceRecord ::= SEQUENCE {
version INTEGER { v1(1) },
digestAlgorithms SEQUENCE OF AlgorithmIdentifier,
cryptoInfos [0] CryptoInfos OPTIONAL,
encryptionInfo [1] EncryptionInfo OPTIONAL,
archiveTimeStampSequence ArchiveTimeStampSequence
}
This structure can be treated as an unsigned attribute and
appears only once in each SignerInfo element of the Signed-
Data structure (see the specification of archival form CAdES-A).
The evidence record contains the ArchiveTimeStampSequence
field, which is a sequence of archive timestamp chains:
ArchiveTimeStampSequence ::= SEQUENCE OF
ArchiveTimeStampChain
ArchiveTimeStampChain ::= SEQUENCE OF
ArchiveTimeStamp
The ArchiveTimeStampChain structure contains the
archive timestamps generated as the result of the timestamp
renewal, while the ArchiveTimeStampSequence structure- as
the result of the hash value renewal. The archive timestamp
ArchiveTimestamp includes the timestamp and a set of lists of
hash values and its verification must give a point of time when
a given data object or a group of data objects has existed.
The evidence record EvidenceRecord allows the implementation
of timestamp and hash renewal procedures. The
Fig. 2 is some example of the timestamp renewal used to the
electronic documents divided into groups. Various methods
can be applied to aggregate the group of documents (data objects).
The most effective are this based on an authenticated
dictionary [18], i.e. on data structures viewed simultaneously
as the structured aggregate of all protected information and
the proof of the authenticity and validity of these information.
The initial archive timestamp generated for such aggregated
groups of data is related to lists of hash values, which
allow the verification of the existence of a data object or a
group of data objects at a certain time. The lists of hash values
are generated usually by reduction of an ordered Merkle
hash tree (RFC 4998 [15], M. T. Goodrich, et al. [18]).
7. Conclusions
In order to model a long-term electronic signature scheme LT-
CESS (as defined by Section 3) there is necessary to create
so-called Virtual Signed Electronic Document (V-SED) and introduce
an electronic signature verification algorithm as given
in Equation (6). If there can be found an effective signature
verification algorithm of the form (6), then for a given point in
time it is always possible to assert the authenticity of an electronic
document related to this V-SED and its existence before
a certain moment in the past (in Section 3 a document
ELEKTRONIKA 11/2009 33

Fig. 2. An example of data groups aggregation into the one group
consisting of three electronic documents and two separated electronic
documents; Merkle tree is used (notation: h(...) - cryptographic
hash function, || - concatenation) (compare with [18])
Rys. 2. Przykład agregacji grup danych za pomocą drzewa Merkla
z jedną grupą składająca się z trzech obiektów danych i dwóch pojedynczych
obiektów danych (oznaczenia: h(...) - kryptograficzna
funkcja skrótu, || - operator konkatenacji) (porównaj [18])
with such properties was called the long-term provable authentic
document). Note that V-SED idea is independent of
the public key cryptography infrastructure, and particularly can
be implemented in very promising environment of Certificateless
Public Key Cryptosystem (CL-PKC).
The implementation of the long-term electronic signature
scheme LT-CESS requires a wide range of new complex services
of TSI (Trusted Services Infrastructure) related to electronic
signatures, documents of V-SED type and signature
verification policies (VP) (see Section 3). Examples of possible
technical solutions for an implementation of a long-term
keeping the probative value of a signed electronic document
(Section 5) are enough to demonstrate the opportunity to build
such components. Theirs complexity depends on a trust level
of the storage managing organization and usually requires the
use of methods presented in Section 5.
References
[1] Act on electronic signature from September 18 th , 2001, Law
Diary - Dz.U. 2001 no 130, pos. 1450 with later amendments (in
Polish).
[2] EU Directive 1999/93/EC of the European Parliament and the
Council of 13 December 1999 on a Community framework for
electronic signatures.
[3] Boldyreva A., Fischlin M., Palacio A., Warinschi B.: A Closer Look
at PKI: Security and Efficiency, Lecture Notes in Computer Science,
Vol. 4450/2007, pp. 458-475, Public Key Cryptography -
PKC 2007, 10th International Conference on Practice and Theory
in Public-Key Cryptography, Beijing, China, April 16-20, 2007.
[4] Shamir A.: Identity-based cryptosystems and signature
schemes, Advances in Cryptology - Crypto’84, LNCS, vol. 196.
pp. 47-53, Springer-Verlag, 1984.
[5] Al-Riyami S., Paterson K.: Certificateless public key cryptography,
Advances in Cryptology - AsiaCrypt, LNCS, vol. 2894, pp.
452-473, Springer-Verlag, 2003.
[6] Harn L., Ren J., Lin Ch.: Design of DL-based certificateless digital
signatures, The Journal of Systems and Software, vol. 82,
pp. 789-793, 2009.
[7] ETSI TS 101 733 Electronic Signatures and Infrastructures
(ESI); CMS Advanced Electronic Signatures (CAdES), v. 1.7.4,
July 2008.
[8] ETSI TS 101 903 XML Advanced Electronic Signatures
(XAdES), v1.4.1, June 2009.
[9] ETSI TS 102 778-5 Electronic Signatures and Infrastructures
(ESI); PDF Advanced Electronic Signature Profiles, v. 1.1.1, July
2009.
[10] Gentry C., Silverberg A.: Hierarchical ID-based cryptography, in
Y. Zheng, editor, Advances in Cryptology - ASIACRYPT 2002,
Lecture Notes in Computer Science, vol. 2501, pp. 548-566.
Springer-Verlag, 2002.
[11] CWA 14171 General guidelines for electronic signature verification,
May 2004.
[12] Regulation of Ministry Council from August, 7th, 2002 on technical
and organizational requirements for qualified certification
authorities, certification policies for qualified certificates issued
by them, and technical requirements for secure signature creation
and verification devices (Low Diary -Dz.U. 2002 no 128,
pos. 1094).
[13] RFC 5280 Internet X.509 Public Key Infrastructure Certificate
and Certificate Revocation List (CRL) Profile, May 2008.
[14] CWA 15579 E-invoices and digital signatures, July 2006.
[15] RFC 4998 Evidence Record Syntax (ERS), August 2007.
[16] RFC 3161 Time-Stamp Protocol (TSP), August 2001.
[17] ETSI TS 101 861 Time stamping profile, v1.3.1, January 2006.
[18] Goodrich M. T., Tamassia R., Hasic J.: An Efficient Dynamic and
Distributed Cryptographic Accumulator, in Information Security,
5th International Conference, pp. 372-388, Sao Paulo, Brazil,
September 30 - October 2002.
(1) Above problems apply to electronic documents based both upon
a qualified and non-qualified certificate
(2) This requirement is directly related to the certificate electronic signature
scheme CESS used in the PKC infrastructure (explicit certificates),
but can be also applied indirectly in the CL-PKC infrastructure (implicit
certificates).
(3) TimeStampToken is an archive timestamp issued according to RFC
3161 [16] or ETSI TS 101 861 [17].
Przypominamy o prenumeracie miesięcznika Elektronika na 2010 r.
34 ELEKTRONIKA 11/2009

Ontology-based approach to scada systems
vulnerabilities representation for CIP
(Podejście ontologiczne do reprezentacji podatności systemów scada
dla ochrony infrastruktur krytycznych)
dr inż. MICHAŁ CHORAŚ 1,3 , mgr inż. ANNA STACHOWICZ 1 , mgr inż. RAFAŁ KOZIK 1,3 ,
mgr inż. ADAM FLIZIKOWSKI 1,3 , mgr inż. RAFAŁ RENK 1,2
1 ITTI Sp. z o.o.
2 Adam Mickiewicz University, Poznań
3 Institute of Telecommunications, UT&LS, Bydgoszcz
Critical Infrastructures are the organizations delivering goods
and services in an economy that are fundamental to the functioning
of society and the economy [1]. As for types of critical
infrastructures, there are some domains within an economy
that are considered crucial and most important. The loss of or
disaster within a CI will affect a part or all society. Some of
critical sectors described in [2] are agriculture and food, water,
public health and defence.
The INSPIRE Project focuses on telecommunication, energy
and transportation sectors. CI are now identified and protected
by national and international law and regulations
(nationally in e.g. Poland by Ministry of Infrastructure in Crisis
Management regulations [3]; internationally e.g. by NATO and
by EU) [4-6]. Most of them are also intuitively recognized as
critical by societies. Unfortunately, not all phenomenon and
aspects within CI are well recognized. It is not possible to create
mathematical equations fully describing CI - their functioning
and dependencies. CI are nonlinear and chaotic: it
means that small change may cause enormous effects (as in
the butterfly effect). Even if we had equations describing CI,
small increase or decrease of non-important tiny factors, could
cause enormous change in the overall result [1].
Complexity and wide range of critical infrastructures implies
huge problems in their reliability and security. In dispersed
critical infrastructures like electric power, water, railway
or telecommunication sectors SCADA (Supervisory Control
and Data Acquisition) systems are commonly used. SCADA is
a monitoring, supervisory and controlling system with data acquisition
from remote data fields. On the contrary to other control
systems like for e.g. Distributed Control Systems (DCS),
SCADA is intended especially to geographical dispersed systems.
Control, measure and monitoring remote field data elements
are provided by Remote Terminal Units (RTUs).
Communication of RTUs with other SCADA components like
Master Terminal Units, Operation Control Centres is provided
by telecommunication network.
Three generations of SCADA systems can be distinguished
according to [7]:
• 1 st generation - SCADA systems are monolithic and performed
all computing functions themselves without connectivity
with other systems;
• 2 nd generation - SCADA systems are distributed, taking advantages
of LocalArea Network, which connected multiple stations
with different functions shared information in real-time;
• 3 rd generation - it is extension of 2 nd generation in a way
that system architecture became open, utilized open standards
and protocols and connectivity of SCADA station and
functions was moved from LAN to WAN.
Nowadays most of SCADA development comply with 3 rd
generation SCADA systems. SCADA systems have been designed
without security considerations for many years. Nowadays,
more and more SCADA systems have connections with
business systems, corporate networks, which showed a risk,
that unauthorized, unintended entities may have access to
critical SCADA data information. The great benefit of integration,
the communication between SCADA systems and corporate
networks or Internet, which increase efficiency of
business processes became a great risk and source of vulnerabilities.
Therefore, there is an emerging need of identifying
SCADA vulnerabilities and understanding interdependencies
between them, especially these implied by SCADA systems
interconnection with telecommunication infrastructures. In this
paper we present an ontology-based approach to tackle this
difficult task.
Motivation to ontology-based approach
Interoperation with different network technologies and various
applications causes SCADA systems inherit typical network
and application vulnerabilities. That is why security aspects in
SCADA systems are not so different than in network security.
One of the most important aspects in security are vulnerabilities.
Vulnerabilities are the weak points in (SCADA) system
components, which can be exploited by an attack. Definitions
of vulnerability and threat according to ISO/IEC 13335-1:2004
standard are as follows [8]:
• vulnerability: “includes a weakness of an asset or group of
assets which can be exploited by a threat”;
• threat: “a potential cause of an unwanted incident which
may result in harm to a system or organization”.
Threats and attacks exploit vulnerabilities, so identification
of vulnerabilities is a key aspect of security consideration and
risk assessment. Known vulnerabilities can be fixed and potential
attack can be prevented. There are several sources of
vulnerabilities, for e.g. vulnerability repositories such as National
Vulnerability Database (NVD) [9] or Open Source Vulnerability
Database (OSVDB) [10]. However they do not
express all security issues, their properties and relations. That
is why we find ontology as a suitable tool for showing identified
vulnerabilities as a classification and their connections
with other security aspects like threats, attacks, SCADA resources
and communication infrastructure [11]. Ontology is a
form of knowledge representation in a form of data model that
provides a decryption of domain and relations between domain
concepts.
ELEKTRONIKA 11/2009 35

Knowledge in ontology is represented by:
• classes - a general concepts;
• properties of these concepts;
• individuals - basic entities of concepts.
Ontology can be created in OWL language, using Protégé
application. There are many tools and software to support ontology
functionalities. Knowledge enrichment can be improved
by rules in SWRL (Semantic Web Rule Language) [11]. Rules
in SWRL applied to OWL ontology give possibility to extend
existing knowledge with new properties. This option enables
individuals to be reclassified and makes process of filling-up
properties of new individuals more automatic. Reasoning
about ontology concepts can be provided by semantic reasoners.
Relevant knowledge is also given by restrictions: relationships
or constraints.
Proposition of the ontology
In this section our ontology approach with special consideration
and emphasis on vulnerabilities is presented. Ontology
has been created in OWL-DL language using Protégé 3.4. application.
SCADA ontology aims at addressing the following key
SCADA issues:
• what are vulnerabilities of special SCADA components, architecture
or protocols,
• how these vulnerabilities affect SCADA resources,
• which threats/attacks may occur and what damage they
can cause?
According to ISO/IEC 13335-1:2004 standard [8] vulnerabilities
are considered as a part of network security system. In
this approach SCADA resources, components have weak
points named vulnerabilities. These vulnerabilities can be exploited
by threats, leading to attacks. This security system is
depicted into a form of classification with properties and relationships
among security issues.
Main concepts, which compose main classes of proposed
ontology following ISO/IEC 13335-1:2004 standard are:
• SCADA systems,
• SCADA resources,
• vulnerabilities,
• threats and attacks,
• source of attacks,
• safeguards.
The proposed hierarchy of ontology classes is presented
in Fig. 1. These classes are connected properties. Properties
show relations, dependence of one class on another or can
represent some attributes. Main classes, named also superclasses
have sub-classes. Sub-classes are specifications of
super-classes and inherit their features.
Going down the hierarchy, lower levels of subclasses
make ontology information more detailed. Properties of “Vulnerabilities”
class created in Protégé are presented in Fig. 2.
Visualization of ontology with some relations between different
classes is presented in Fig. 3. Subclasses of main
classes are also shown there.
Classification of key class of ontology - “Vulnerabilities”
has been based on vulnerability description given in [12]. Thus
SCADA vulnerabilities are grouped into five sub-classes of
“Vulnerabilities” class in proposed ontology:
• network Vulnerabilities,
• platforms Vulnerabilities,
• security and Administration Vulnerabilities,
• data vulnerabilities,
• architecture Vulnerabilities.
These areas of vulnerabilities correspond with particular
system components and can be connected with design, implementation,
misconfiguration and procedural problems. Hi-
Fig. 2. Properties of “Vulnerabilities” class created in Protégé
Rys. 2. Właściwości klasy “Vulnerabilities” stworzone w aplikacji
Protégé
Fig. 3. Main classes visualized in Jambalaya plug-in
Rys. 3. Główne klasy zwizualizowane w zakładce Jambalaya
Fig. 1. Existing class hierarchy
Rys. 1. Istniejąca hierarchia klas
Fig. 4. Proposed vulnerabilities classification
Rys. 4. Proponowana klasyfikacja podatności
36 ELEKTRONIKA 11/2009

erarchy of vulnerability classes with first and second subclasses
levels is presented in Fig. 4. Subclasses of “Vulnerabilities”
class are also presented in Fig. 5.
SCADA systems created as an industry system has its
own dedicated communication protocols like Modbus,
Profibus or DNP3. These special protocols also produce Vulnerabilities
characteristic for them. Classification of these protocols
is presented in Fig. 6.
Knowledge, which is relevant and useful for cooperation
with some security management system, in ontology is provided
by individuals - basic objects of classes. Main classes,
concepts of vulnerability classification should be fulfilled with
individuals.
Particular vulnerabilities related with SCADA systems in
described ontology are based on “D2.2 - Identification of Vulnerabilities”
deliverable of the INSPIRE Project [13]. They are
instantiated as individuals in proposed ontology. Although our
approach is based on [12], vulnerabilities identified in [13] respond
with proposed ontology.
Some of these individuals are:
Application vulnerabilities (referred to Architectural Vulnerabilities
in [12] approach):
• advisory CA-2001-07 File Globing Vulnerabilities in Various
FTP Servers;
• denial of Service in Automated Solutions Modbus TCP Slave;
• automated Solutions Modbus TCP Slave ActiveX Control
Vulnerability;
• citect CitectSCADA ODBC service buffer overflow - CVE-
2008-2639;
• GE Fanuc Proficy HMI/SCADA iFIX uses insecure authentication
techniques.
Fig. 5. Subclasses of “Vulnerabilities” class
Rys. 5. Podklasy klasy “Vulnerabilities”
Operating System Vulnerabilities (referred to Platform Vulnerabilities
in [12] approach):
• buffer overflows in HP Software Distributor,
• privilege escalation in WindowsNT,
• buffer overflow in CSAdmin module in CiscoSecure ACS
Server 2.4,
• injection vulnerability in Solaris 10 and 11.
Network Vulnerabilities:
• stop alarm events using DNP3 protocol,
• unauthorized access to DNP3 devices,
• unauthorized access to Modbus server information,
• NETxAutomation Vulnerabilities,
To improve effectiveness of ontology using we applied also
rules in SWRL Language. The sample rule is given below:
Resources(?x) Resources_has_Vulnerability(?x, ?y) Attacks_exploit_vulnerabilities(?z,
?y) →
Attacks_are_realted_with_reacources(?z, ?x)
The above rule can be read as: when individuals of “Resources”
has “Vulnerabilities” and some “Attacks” exploit
these “Vulnerabilities” it implicates that these “Attacks” are related
with “Resources”. Rules act on individuals level, but individuals
have to be included in the ontology classes. Rules
enable adding knowledge to very complicated and complex
ontologies, because some properties of concepts can be filled
up automatically by particular individuals.
Ontology-based INSPIRE Decision
Aid Tooltool
Ontology shows complicated relationships among SCADA
components and security aspects. That is why ontology can
support security solutions. However, the ontology is just a representation
of relationships between particular classes (or instances)
and as it is, can not provide any knowledge based
reasoning or give feedback to its operator.
The solution is to develop the decision support tool that
will map the proposed ontology into set of rules, which will be
the input for the inference engine. The engine can be described
as a form of finite state machine with a cycle consisting
of three action states:
• match rules,
• select rules,
• execute rules.
In the “match rule” state the engine searches all rules that
are matching the current content data store, which are also
called facts. The single fact represents the single property of
the real world e.g.: the operator has SCADA network named
“ABC” which has vulnerability “CDF” that is mapped to proper
state of engine’s data store.
The selected rules are the candidates to be executed, but
the engine, by applying some selection strategy, determines
which rule will be exactly fired. Finally, when the rule is executed,
it is being passed the facts.
Fig. 6. Protocols of SCADA systems
Rys. 6. Protokoły systemów SCADA
Fig. 7. Decision-aid tool - logical diagram
Rys. 7. Diagram logiczny narzędzia wspomagającego decyzję
ELEKTRONIKA 11/2009 37

As is it shown in Fig. 7, the decision-aid will analyse the
ontology and generate the facts and rules. Actually, the ontology
instances will be mapped to facts and the SWRL rules will
be mapped to engine’s rules.
In that manner, the tool will be facilitated with information
that will allow to:
• measure dynamically (the value will not be hard coded into
ontology) the vulnerability likelihood,
• dynamically rank the vulnerabilities,
• inform the operator what may cause the fault in SCADA
system,
• what element of the network needs some attention and
safeguards.
By defining the additional (tool build-in) rules there will be
possibility to realize the customized features of the aid tool:
• proposing the action plans with information how to minimize
the likelihood of the vulnerability,
• apply some appropriate countermeasures to minimize the
probability of most likely attack,
• evaluate the SCADA system condition based on standards.
Conclusions
In this paper ontology-based approach for description of
SCADA systems vulnerabilities has been presented. Functionalities
of ontology applied to knowledge representation for
security and protection of critical infrastructures have been
shown. Our solution has been developed within research in
the INSPIRE Project that aims to increase security and protection
through infrastructure resilience. Presented ontology
approach will be basis for Decision - aid tool which is a part of
INSPIRE security framework.
The research leading to these results has received funding from the
European Community’s Seventh Framework Programme (FP7/2007-
2013) under grant agreement no. 225553 (INSPIRE Project).
References
[1] Critical infrastructure: Understanding Its Component Parts, Vulnerabilities,
Operating Risks, and Interdependencies, Tyson
Macaulay, August 2008.
[2] Lewis T. G.: Critical Infrastructure Protection in Homeland Security:
Defending a Networked Nation, Wiley-Interscience,
2006.
[3] Ustawa z dnia 26 kwietnia 2007 r. o zarządzaniu kryzysowym,
Opracowano na podstawie: Dz.U. z 2007 r. nr 89, poz. 590.
[4] Homeland Security Presidential Directive/Hspd-7, December 17,
2003.
[5] European Parliament legislative resolution of 10 July 2007 on
the proposal for a Council directive on the identification and designation
of European Critical Infrastructure and the assessment
of the need to improve their protection (COM(2006)0787 - C6-
0053/2007 - 2006/0276(CNS)).
[6] EU Critical Infrastructure Protection (CIP), Council of the European
Union, Brussels, 28 October 2005.
[7] McClanahan Robert H. :“The benefits of networked SCADA systems
utilizing IP-enabled networks”, Arkansas Electric Cooperative
Corporation, IEEE, 2002.
[8] ISO/IEC 13335-1:2004, Information Technology - Security Techniques
- Management of information and communications technology
security - Part 1: Concepts and models for information
and communications technology security management.
[9] http://nvd.nist.gov/.
[10] http://osvdb.org/.
[11] Choraś M., Renk R., Flizikowski A., Hołubowicz W.: Ontologybased
description of networks vulnerabilities, Polish Journal of
Environmental Studies, vol. 5c, 2008.
[12] SWRL: A Semantic Web Rule Language Combning OWL and
RuleML. W3C Member Submission, http://www.w3.org/Submission/SWRL/.
[13] Stamp J., Dillinger J., Young W.: Common vulnerabilities in critical
infrastructure control systems. Networked Systems Survivability
and Assurance Department, Jennifer DePoy, Information
Operations Red Team & Assessments Department, Sandia National
Laboratories, 22 May 2003.
[14] “D2.2 - Identification of Vulnerabilities” , INSPIRE Project, July
2009.
Synthesis and management of system with
parallel multiprocessors and fault tolerance
(Synteza i zarządzanie komputerowych systemów z równoległymi wieloprocesorami
i tolerowaniem uszkodzeń)
dr MIECZYSŁAW DRABOWSKI
Cracow University of Technology, Faculty of Electrical and Computer Engineering
The management of computer systems [1,2] is an issue the
basic objective of which is to find an optimum solution, satisfy
the requirements and limitations enforced by the given specification
of operations (tasks) and resources. The following criteria
of optimality are usually considered: the costs of planning in
execution of operations, its operating speed and reliability. The
problems of operations and resources scheduling are one of
the most significant issues occurring at the procedure planning
of operating system responsible for controlling the distribution
of tasks and resources in computer systems. The problem of
control in resources requires the list of available hardware resources
- the set describing resources - which can be used to
realization of operations. The starting point for constructing our
approach to the issues of fault tolerance system is the deterministic
theory of task scheduling [3]. Accordingly, decomposition
of the general task scheduling model is suggested,
adequate to the problems of fault tolerance system [4]. We will
discuss the system: ∑={R,T,C}, where: R - resources, T - tasks
and C - optimality criteria. We assume that processor set
P={P 1 ,P 2 ,…,P m } consists of m elements and additional resources
set A = { A 1 ,A 2 ,…,A p } consist of p elements). We consider
a set of n tasks to be processed with a set of resources
38 ELEKTRONIKA 11/2009

and the set of tasks is divided into 2 subsets [5]: T 1 =
{T 1 1 ,T 2 1 ,…,T n1 1 }, T 2 = {T 1 2 ,T 2 2 ,…,T n2 2 }, n = n1 + n2 and each
task T i 1 (i = 1,2,…,n1) requires one arbitrary processor for its
processing and its processing time is equal to t i 1 , however each
task T i 2 (i = 1,2,…,n2) requires 2 arbitrary processors simultaneously
for its processing during a period of time whose length
is equal to t i 2 ; thus, tasks T i 2 are called width-2 tasks or T 2 -
tasks. We shall assume its minimum cost and maximum operating
speed. The proposed model may be used for defining
problems for fault tolerance system. The model of a system in
this approach, typical for the theory of task scheduling, consists
of a set of operations (tasks) and existing relationships between
them (related to their order, required resources, time, readiness
and completion deadlines, priority etc.).
The management procedure contains the following
phases: identification of hardware and software resources for
task execution, defining the processing time, defining the conflict-free
task schedule and defining the level of resource cosharing
and the degree of concurrency in task performance.
A schedule is called feasible if, besides the usual conditions,
each task T i 1 is processed by one processor and each task T i
2
is processed by 2 processors at a time. A feasible schedule is
optimal, if its length is a minimum and it is implemented using
minimum resource cost. Each task is defined by a set of parameters:
resource requirements, execution time, ready time
and deadline, attribute - preemptable or nonpreemptable. The
tasks set may contain defined precedence constraints represented
by a digraph with nodes representing tasks, and directed
edges representing precedence constraints. If there is
at least one precedence constraint in a task set, we shall refer
it to as a set of dependent tasks; otherwise they are a set of
independent tasks. Let us assume that fault tolerance system
resources include universal parallel processors and other specialized
resources. As for tasks, we assume one-processor
tasks used for modeling usable preemptable/nonpreemptable
and dependent tasks, and two-processor tasks, for which we
assume time and resource. Two-processor tasks model the
system testing tasks (e.g. one processor checks the other).
Testing tasks may be dependent on the defined time moments
of readiness to perform and to complete assigned tasks. Twoprocessor
tasks may realize a defined strategy of testing
a computer system and its fault tolerance characteristics.
In fault tolerance systems an appropriate strategy of selftesting
during regular exploitation must be provided. In general,
architectures of fault tolerance computer systems are
multiprocessor ones. The objective of operating systems in
multiprocessor systems is scheduling tasks and their allocation
to system resources. For fault tolerance systems, this
means scheduling usable and testing tasks, that should detect
errors of executive modules, in particular processors. As
a result of testing, the operating system may receive the information
about incorrect operation and may locate, by the
proper analysis, a faulty module automatically. Consequently,
the operating system can make a decision about repair strategy,
for instance system reconfiguration (ignore damaged resources
for execution of tasks). The management of networks
with multiprocessors and fault tolerance consists of following
stages (Fig. 1).
So far [6] resources selection, task scheduling and task
and resources allocation have been realized independently in
sequence: in the first place resource division and tasks scheduling
next - Fig. 2.
In this paper is presented approach, in which resources
selection, task scheduling, allocation of tasks and resources,
as well as system optimization are realized coherently - Fig. 3.
In concurrent approach once the tasks have been scheduled
and allocated, the resources are reselected, changing
the ones chosen previously, in search of a satisfactory solution
meeting all the established criteria.
This concurrent approach - presented in this paper - based
on two algorithms behaving variously in different ways lets you
not only find the sub-optimal solution, but also verify this solution.
Presented algorithms let us find the solution, but at the same
time they let us evaluate the algorithms themselves. This way
we can tell which of the algorithms is faster in finding better and
better solutions, which algorithm is more tolerant to modifications
of system parameters, and also which of them enables fast adaptation
to new parameters, while the system changes dynamically.
Fig. 1. The management of system with multiprocessors and fault
tolerance
Rys. 1. Zarządzanie wieloprocesorowym systemem komputerowym
z tolerancją uszkodzeń
Fig. 2. Independent allocation resource and scheduling of task
Rys. 2. Niezależne alokacje zasobów i szeregowanie zadań
Fig. 3. Concurrent allocation resource and scheduling of task
Rys. 3. Współbieżne alokacje zasobów i szeregowanie zadań
ELEKTRONIKA 11/2009 39

Example of concurrent resource
allocation and task scheduling
Let us discuss a simple example for management of multiprocessors
system with fault tolerant where assuming that
tasks (with applications requirements) of the system are given
by the tasks graph. The digraph presented in Fig. 4 defines
the precedence constraints of tasks of the modeled system.
Fig. 4. Task digraph Rys. 4. Graf zadań
The optimality criterion is the minimum of the task processing
time, i.e. a minimum of the task schedule length. An
additional criterion is cost, related to the number of used resources.
We shall define constraints of the resources available.
Compilation of all operations [6] of the system, the
characteristics of available resources and database (with resource
allocations in the past) give us the times of task processing
(we assume conventional time units).
We assume the following times of individual tasks for a
standard processor: t 0 = 3, t 1 = 2, t 2 = 2, t 3 = 1, t 4 = 3, t 5 = 3,
t 6 = 4, t 7 = 3, t 8 = 1, t 9 = 1. Let us assume that the cost of one
executive module is:
C = C P + i • C M (1)
where: C P - processor cost, C M - memory module cost,
i - number of memory modules.
The requirements for realizing all operations of the system
shall be specified as follows:
• the acceptable deadline for performing all tasks without any
delays is 13 time units;
• it is necessary to perform task T 6 indivisibly in time;
• it is necessary to provide a deadline for task T 6 equal
9 time units;
• the desirable deadline for performing all tasks without any
delays is at most 10 time units.
The cost of the system should be as low as possible, and
the structure conformable to the fault tolerance system model
with two-processor testing tasks. We shall denote processor
testing tasks by T gh , if processor P g is testing processor P h .
The first step of the planning has to determine the number
of parallel processors needed for the execution of all requirements
and constraints. The structure of four parallel
processors shall be assumed. This structure of a fault tolerance
the system satisfying the requirement “1.” is shown in
Fig. 5 (variant a).
Fig. 5. Structures of fault tolerance multiprocessor system
Rys. 5. Struktury wieloprocesorowe z tolerancją uszkodzeń
The optimum tasks schedule for such architecture is presented
in Table 1. Taking into account the requirement “2.”,
a correction is done to the task schedule. The system structure
and costs remain unchanged.
The next requirement “3.” is reflected in a corrected
schedule presented in Table 1. Please notice that the system
architecture and costs remain unchanged. Only tasks schedule
is modified.
In order to carry out the requirement “4.”, a change of the
system structure is necessary. Two variants of the structure
shall be proposed. The first structure consists of five identical
parallel processors, with two-processor testing tasks Fig. 2 -
variant b). Task schedule in such structure is depicted in
Table 2 (variant b). In the second variant, a specialized module
(ASIC - if is available) is applied that can perform the
Tabl. 1. Schedule of task in a four-processors (structure: variant a) satisfying
the requirement “1.”= (1) and “1.”+”2.”+”3.” = (3) (X - idle time)
Tab. 1. Uszeregowanie zadań na 4 procesorach (struktura: wariant a)
zgodnie z wymaganiami ”1.” = (1) i “1.”+”2.”+”3.” = (3) (X - czas przestoju
procesora)
time P1 (1) P2 (1) P3 (1) P4 (1) P1 (3) P2 (3) P3 (3) P4 (3)
1 T12 T12 T0 X T12 T12 T0 X
2 T0 T23 T23 X T0 T23 T23 X
3 T0 X T34 T34 T0 X T34 T34
4 T13 T1 T13 T2 T13 T1 T13 T2
5 T1 T24 T2 T24 T1 T24 T2 T24
6 T31 T4 T31 T3 T31 T6 T31 T3
7 T14 T4 T5 T14 T14 T6 T5 T14
8 T21 T21 T4 T6 T21 T21 T4 T6
9 T7 T32 T32 T6 T7 T32 T32 T6
10 T41 T6 T5 T41 T41 T4 T5 T41
11 T7 T42 T5 T42 T4 T42 T5 T42
12 T6 T8 T43 T43 T6 T8 T43 T43
13 T12 T12 T7 T9 T12 T12 T7 T9
Tabl. 2. Schedule of tasks in a five-processors (structure: variant b)
and in a three-processors with specialized ASIC processor (structure:
variant c) satisfying the requirements “1.”+”2.”+”3.”+”4.” (X - idle time)
Tab. 2. Uszeregowanie zadań na 5 procesorach (struktura: wariant b)
i na 3 procesorach z procesorem specjalizowanym ASIC (struktura
wariant c) zgodnie z wymaganiami “1.”+”2.”+”3.” +”4.” (X - czas przestoju
procesora)
time P1 (b) P2 (b) P3 (b) P4 (b) P5 (b) P1 (c) P2 (c) P3 (c) ASIC (c)
1 T12 T12 X T0 X T12 T12 X T0
2 X T23 T23 T0 X T2 T23 T23 X
3 X X T34 T34 T0 T13 T2 T13 X
4 T1 T2 T6 T45 T45 T21 T21 T6 T4
5 T13 T2 T13 T1 T6 T1 T32 T32 T6
6 T3 T24 T5 T24 T6 T31 T1 T31 X
7 T4 T5 T35 T6 T35 T12 T12 T3 T5
8 T14 T5 T4 T14 T7 T8 T23 T23 T7
9 T9 T25 T4 T7 T25 T13 T13 T9 X
10 T15 T8 T9 T7 T15 X X X X
11 T21 T21 X X X X X X X
12 X T32 T32 X X X X X X
13 X X T43 T43 X X X X X
40 ELEKTRONIKA 11/2009

tasks: T 0 , T 4 , T 5 , T 6 and T 7 with a triple speed (as compared
to the standard universal processor). The system structure
and schedule are shown in Fig. 5 (variant c) and Table 2 (variant
c), respectively. Please notice, that in such variant the
specialized resource is assigned no function in the time period
2-3, 6 and 9, and the universal processor completes processing
of usable tasks in 9 time units, while ASIC processor
completes performing its function in 8 time units. Accordingly,
the required deadline was reached in 9 units.
The cost of the other structure shall be estimated as follows.
If we assume that each usable task performed by a universal
processor needs one memory unit dedicated to such
task, and task assigned to ASIC processor do not need dedicated
memory units the system cost is:
C S = m • C P + n u • C M + p • C ASIC (2)
where: m - the number of identical parallel processors, n u - the
number of tasks assigned to universal processors, p - the number
of specialized ASIC processors devoted for processing remaining
n - n u tasks. For the requirements: “1.”, “2.”, “3.”, “4.”: m =
4, n u = 10, p = 0. For the requirements: “1.” + “2.” + “3.” + “4.”, in
the first variant, m = 5, n u = 10, p = 0. In the second variant, where
one ASIC processor is applied, m = 3, n u = 6 and p = 1.
The paper describes concurrent allocation of resources
and of tasks in complex frameworks. Moreover, this paper
presents simple, practical example of synthesis and management
of system with fault tolerance. The strategy of self testing
based at multiprocessors structure and application of
two-processors tasks.
This work was supported by the Polish Ministry of Science and
High Education as a 2007-2010 research project.
References
[1] Blazewicz J., Ecker K., Plateau B., Trystram D.: Handbook on
parallel and distributed processing. Springer-Verlag, Heidelberg
(2000).
[2] Nabrzyski J., Schopf J., Weglarz J.: Grid Resource Management:
State of the Art and Future Trend. Kluwer Academic Publishers,
Boston (2003).
[3] Coffman E. G., Jr.: Computer and Job-shop scheduling theory.
John Wiley&Sons, Inc. New York (1976).
[4] Blazewicz J., Drabowski M., Weglarz J.: Scheduling multiprocessor
tasks to minimize schedule length. IEEE Trans. Computers
C-35, No.5, pp. 389-393 (1986).
[5] Blazewicz J., Ecker K., Pesch E., G. Schmidt, Węglarz J.: Handbook
on scheduling. Springer-Verlag, Heidelberg (2007).
[6] Dick R. P., Jha N. K., MOGAC: A Multiobjective Genetic Algorithm
for Hardware-Software Cosynthesis of Hierarchical Heterogeneous
Distributed Embedded Systems. in: IEEE
Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits
and Systems, vol. 17, no 10, pp. 920 - 935 (1998).
[7] Golub M., Kasapovic S.: Scheduling multiprocessor with genetic
algorithms. Proceedings of the IASTED Applied Informatics Conference,
Innsbruck (2002).
[8] Hyunok Oh., Soonhoi Ha.: Hardware-software cosynthesis of
multi-mode multi-task embedded systems with real-time constraints.
Proceedings of the IEEE/ACM Conference on Hardware
Software Codesign, Estes Park, Colorado, (2002).
[9] Yhang Z., Dick R., Chakrabarty: Energy-aware deterministic fault
tolerance in distributed real-time embedded systems. 41st Proc.
Design Automation Conf., Anaheim, California, (2004).
The security level of particular blind
steganographic systems
(Zabezpieczenie określonego poziomu niewidoczności
w systemach steganograficznych)
prof. dr hab. inż. JERZY KOROSTIL, mgr inż. ŁUKASZ NOZDRZYKOWSKI
Faculty of Computer Science, West Pomeranian University of Technology, Szczecin
Steganographic hidden messages in digital graphic image should
not lead to visible distortions in the resulting image [1,2]. There
are many methods of reducing the occurrence of distortion. One
of these methods is presented in the article [3], where by using of
specified threshold values it rejects blocks which statistical metrics
reveal the existence of a single structure. Hidden messages
in such block would result in the occurrence of visible distortions.
This article proposes the utilization of human visual perception
and its limits that the message is hidden below the
threshold of human vision. It enables the examination of proposed
steganographic methods to ensure a proper level of
concealment of hidden message.
Determining the size of distortions
caused by steganographic hiding
messages
Steganographic hiding messages in digital images can cause
significant distortion of the resulting image, what disqualifies
the method or the picture in which the data are hidden. Particularly
important are the distortions visible by the human
eye. It can take different measures to determine the changes
which arise as a result of steganographic algorithm, and what
does not always reflect the actual level of distortion visible to
human being.
ELEKTRONIKA 11/2009 41

Considering human visual perception
for determination of distortion
One of the indicators defining the quality of images and the
level of introduced distortions is a coefficient PSNR (Peak Signal
to Noise Ratio). Good quality images with hidden messages
have the coefficient of PSNR ≥ 30 [4]. The
disadvantage of this index is low correlation with visual perception
of a recipient. In studies of human vision for evaluation
of the quality of vision two measures are used: visual acuity
and contrast threshold [5].
Visual acuity, called VISUS determines the size of the smallest
character called optotype, which is correctly recognized by
human from a certain distance. This measure determines the
fraction of Sandella, which is the quotient of the distance from
the test chart to the distance from which the optotype is recognized
at 5 minutes angle. Visus measure equals 5/5 signifies
correct human sight. If Sandella fraction is 5/15 it means person
with poor sight. [5]. If the visual acuity is 1 (6/6) then the spatial
frequency is 20/20 cycle/degree. If the visual acuity is 0.1 (6/60)
then the spatial frequency is 20/200 cycle/degree.
Examination of visual acuity is held at maximum contrast,
where optotype having a black color is placed on a white
background. Because the conditions of the observation usually
do not allow the observations at maximum contrast therefore
more important measure for determining the quality of
sight is the contrast [5].
Contrast characterizes the degree of distinguishing of the
subject from the background and the clarity of its details. Contrast
measure can be calculated based on relation (Michaelson’s):
(1)
2.5%, 1.25%, 0.6%. In this way optotype chart is used for
examining the acuity as a chart for examining the sensitivity of
an eye to changes of contrast. If recognized contrast is 2.5%
then contrast sensitivity is 100/2.5 = 40 and if it is 0.6% equals
100/0.6 = 167 respectively.
The changes of contrast are noticeable between the acuity
values of 0 (high optotype symbols) and 1 (small optotypes).
All changes in contrast above 1 (20/20 cycle/degree)
are imperceptible. Hiding information in the area above
1 cycle/degree does not lead to visible distortions in the resulting
image. The biggest changes are noticeable in the area
of visual acuity for optotypes 0.03 (20/600) and 0.1 (20/200),
where the contrast sensitivity is the greatest.
A modified form of the determination of invisibility to the
human eye of the fact of steganographic hidden messages in
pictures is the utilization of standardized contrast sensitivity
function CSF proposed by Manos and Sakrisona [8]. This
function is defined in formula:
This function indicates the sensitivity of the human eye to different
frequency of visual impulses, which expresses the contrast.
The higher frequency of impulse changes, the worse
pattern recognition. Recognizing patterns is also aggravated
in case of rare impulse changes. Maximum sensitivity is additionally
dependent on viewing angle. If the viewing angle will
decrease, extreme of the function moves slightly towards
higher frequencies. In case of increase of viewing angle, the
extreme moves in the other direction [8]. Contrast sensitivity
chart is shown in Fig. 1.
(3)
where: I max means an object with maximum brightness and
I min the object with minimum brightness. Contrast equals
1 means a black object on a white background. Contrast with
lower values means gray object on a gray background. When
K = 0 then the object is imperceptible from the background.
The ability to recognize complex objects determines the sensitivity
to contrast function. This function determines the contrast
scale at what certain optotype is recognizable. Contrast
sensitivity relation is expressed in a formula:
C=1/K p (2)
where: K p defines the contrast threshold. It sets the limit of
discrimination of the observed object from the background [5].
The relation between sensitivity and contrast and the scale of
optotype represents the contrast sensitivity function. This
function is presented in a logarithmic scale in regard of its high
value of contrast sensitivity and non-linear characteristics. It
allows estimation of a degree of deterioration in sight efficiency
at reduced contrast. Its shape determines the test
charts with optotypes of different contrast against background.
Contrast sensitivity can be examined using an optotypes chart
with use of two charts [6]:
• with symbols of the same size, but with variable contrast
(Pelli-Robson chart [7]),
• with symbols of the same level of contrast, but with a variable
size of letters.
Chart (2) for examining the contrast sensitivity is created
on the basis of visual acuity examination charts by taking rows
of all sizes of letters to a relevant level of contrast. Contrast
levels for optotype chart are as follows: 100%, 25%, 10%, 5%,
Fig. 1. Optotype chart to examine the sense of contrast
Rys. 1. Tablica optotypów do badań poczucia kontrastu
Fig. 2. The graph on the contrast sensitivity function [5]
Rys. 2. Wykres funkcji wrażliwości na kontrast [5]
42 ELEKTRONIKA 11/2009

According to presented function CSF reaches crest value
at about f = 8, in turn frequencies above 60 cycles per degree
(angle equal to 1) are meaningless. Above f = 60 the human
eye does not distinguish any changes [6].
This function is based on a strip acuity and covers much
larger sight view than optotype one. In addition another part of
the brain deals with it. Therefore a variable strip values should
not be transferred into those deriving from optotype charts (9)
Noise as a hidden message in the image
There are a wide range of algorithms of hiding information in
the image. In order to provide independence from a chosen algorithm
or the method of hiding information in pictures itself,
the fact of concealment can be simulated by adding noise to
the image input. The noise can be generated using different
types of distribution. Hereinafter to the images Poisson and
Gaussian noise will be added.
Poisson noise is generated on the basis of samples that
have a Poisson distribution. Parameter of this distribution is λ,
and it identifies the expected value. Poisson distribution is defined
by the equation:
Another type of noise is Gaussian noise called white noise.
The noise of this type constitutes string of random variables
that have zero expected value and constant variance. Gaussian
noise determines the function:
where: σ - standard deviation, µ - expected value.
Generated noise can be added to the image and consequently
the simulation of steganographic addition of secret information
to the image can be obtained.
Determining the message visibility using
the characteristics of human visual
perception
Two types of noise are used in the studies to simulate
steganographic hiding information in digital color images.
There were the noise of the Gauss and Poisson distribution.
To determine the level of distortion the standardized contrast
sensitivity function is used. For the studies, from many
color digital image measures the contrast’s been chosen because
its changes better reflects the visibility of changes introduced
in the image [5]. Such an application of quality
evaluation methods of the image can be easily adapted to any
steganographic algorithm e.g. based on DCT transform and
modification of its coefficients in order to hide the message [3].
By determination of the frequency of visual impulses the
power of distortion that generates hiding of the message can
be calculated.
The best type of images used for steganography purposes
are 24-bit images, which feature is natural noise [2]. In the
studies hiding information in a given RGB image color was
simulated with the aid of noise addition. For example a red
color image can be chosen. This choice is dictated by the fact
that the human eye is the most susceptible to changes in
green color; in turn concealing information in blue color can
cause a loss of secret messages during dissipative image
(4)
(5)
compression. The image was divided into blocks of 8 x 8 pixels
on the basis of what the strength of distortion were calculated.
The size of the block simulated usually met size of
blocks in steganographic algorithms.
Added noise can set a variable power of inserting messages
causing more or less distortion. This modification can
be made by changing the parameters of the generated noise.
The strength of distortions and its visibility can be determined
with use of CSF function on the basis of a comparison
of the source and resulting image.
This simulation can be described as following. In selected
color for entire color digital image a certain kind of noise is
added with certain parameters. Noise is considered as a hidden
message in the image. By determining contrast changes
in individual pixels and use of standardized contrast sensitivity
function it can be concluded whether given message (the
noise here) caused increased number of visible changes in
the resulting image in compare to the source image.
For an image with a hidden message (noise inserted)
change of contrast DK can be defined by equation:
DK = DP’ - DP (6)
where: DP determines change of contrast between the blocks
in the source image and DP’ determines change of contrast
between the same blocks in the resulting image with hidden
message. The change in contrast between adjacent blocks of
the original image is determined by the equation:
DP = |K 1 - K 2 | (7)
where: K 1 and K 2 means the contrast of two adjacent blocks
of the image chosen to hide the message. The change in contrast
between adjacent blocks of the resulting image is determined
by the equation:
DP’ = |K’ 1 - K’ 2 | (8)
where: K’ 1 and K’ 2 are the contrasts of two adjacent blocks of
the noised image.
If change of contrast DK between the source and the resulting
image lies above contrast graph CSF (3) or in range of
volume change for given optotype in the simplified model
(Fig. 4), it can be concluded that changes of contrast between
the blocks are imperceptible.
Control of visibility and thus the strength of hiding steganographic
messages can be run by the volume of changes between
the levels of contrast on the optotype chart.
Fig. 3. Visibility of changes in image contrast determined by the
change
Rys. 3. Widoczność zmian w obrazie określona przez zmianę
kontrastu
ELEKTRONIKA 11/2009 43

a)
Fig. 4. Source image
Rys. 4. Obraz źródłowy
can cause visible distortions. Images with the added noise are
shown in Fig. 5.
After adding Gaussian noise received information that:
• number of blocks of recognizable changes of contrast:
5562,
• number of blocks of invisible changes of contrast: 6726.
By adding Poisson noise to the source image obtained information
that:
• number of blocks of recognizable change of contrast: 5733,
• number of blocks of invisible changes of contrast: 6555.
In both cases the number of blocks, in which visible
changes can be seen significantly increased, what reflecting
the reality of distortions introduced by the noise.
It is also worth noting that usage as the sensitivity parameter
of visibility criterion to changes in contrast allows controlling
the strength of inserting messages. This can be done
by local increase or reduction of data amount hidden in selected
piece of the image in a way that the distortion level was
below human eye sensitivity to local changes of contrast. Introduction
of changes by adding noise to the source image
(hiding messages) may not cause visible changes within a single
block, but it can cause changes in comparison to the
image of adjacent blocks in resulted image.
Summary
b)
Steganographic hiding information in images should not cause
visible distortions to the human eye. The fact of hidden message
can be regarded as noise, which is different for particular
algorithms. Application of quality evaluation methods of the
images based on the human eye perception, such as contrast
threshold and contrast sensitivity function allows the determination
of the quality of the resulting images and the steganographic
method used whether it ensures required level of
invisibility of hidden message.
In addition by evaluating the quality of the source image it
can be judged whether a certain picture is useful for hiding the
information in or which areas are not suitable for this purpose.
References
Fig. 5. The image of the added noise: a) Gaussian noise, b) Poisson
noise with λ = 0.1
Rys. 5. Obraz z dodanym szumem: a) szumem Gaussa, b) szumem
Poissona z λ = 0,1
For example for a typical image with the town view shown
in Fig. 4, with a size of 1024 x 768 pixels it can get data:
• number of blocks of recognizable changes of contrast: 3742,
• number of blocks of invisible changes of contrast: 8546.
Number of blocks of imperceptive contrast to the human
eye signifies the uniform areas. In these areas it should not
make changes because the steganographic algorithm action
[1] Bailey K. et al: An evaluation of image based steganography
methods; Multimedia Tools and Applications vol. 30, Issue: 1,
July 2006, pp. 55-88.
[2] Conway M.: Code wars: Steganography, signals intelligence, and
terrorism Knowledge; Technology & Policy vol. 16, Issue: 2, June
2003, pp. 45-62.
[3] Korostil J. et al: Opracowanie rozproszonego klucza steganograficznego.
XII Sesja Naukowa Informatyki, Metody Informatyki
Stosowanej. Kwartalnik Komisji Informatyki PAN Oddział
w Gdańsku, nr 1/2008 (Tom 13), Szczecin 2008, ss. 75-82.
[4] Obiektywne metody oceny jakości sygnału wideo. http://cygnus.
tele.pw.edu.pl/dymarski/ptmt-old/video_quality.doc.
[5] Zając M.: Funkcja wrażliwości na kontrast jako miara jakości
widzenia; III Kongres Optyków zrzeszonych w Krajowej
Rzemieślniczej Izbie Optycznej. Zakopane 2001.
[6] Pyka K.: Uwarunkowania fizjologiczne i techniczne wpływające
na percepcję obrazu obserwowanego na ekranie monitora.
http://home.agh.edu.pl/~zfiit/publikacje_pliki/Pyka_2005b.pdf.
[7] Pelli D.G. et al.: The design of a new letter chart for measuring
contrast sensitivity; Vlin. Vision Sci. vol. 2, no 3, 1988, pp.
187-199.
[8] Mannos J. L. et al: The Effects of a Visual Fidelity Criterion on the
Encoding of Images; IEEE Transactions on Information Theory,
vol. 20, no 4, (1974) , pp. 525-535.
[9] Zając M.: Badanie wzroku u dzieci. Seminarium z Optometrii.
Politechnika Wrocławska. Wrocław 2003. ww.if.pwr.wroc.pl/optyka/optometria/seminarium/badanie_dzieci.pdf.
44 ELEKTRONIKA 11/2009

The efficient data authentication in Web GIS
(Efektywne uwierzytelnianie danych w systemach Web GIS)
dr WITOLD MAĆKÓW
West Pomeranian University of Technology, Faculty of Computer Science, Szczecin
The web mapping and Web GIS are relatively new phenomena.
They may be treated as a branch of development of classical
GIS (Geographic Information System). On the one hand,
their appearance was forced by increasing public demand for
accessible and fresh spatial data, and on the other hand rapid
development of internet technologies made it possible. Although
terms web mapping and web GIS are often used alternatively,
their meanings is slightly different. Web mapping
is usually understood as a process of designing, generating
and distributing spatial data in form of a map across internet.
Web GIS basses on the similar foundations, but the special
emphasis is put on possibility on processing and analyzing of
spatial data by end user [1]. Sometimes web mapping may be
treated as a frontend of more sophisticated web GIS system.
The one of the major advantages of web GIS systems over
traditional ones is access to up-to-date data using relatively
chip hardware and software. Results accessible for end user
could be a combination of different, distributed data sources,
real-time processed (for example data from weather stations or
information about traffic on motorways). There are also some
advantages typical for internet systems: cross-systems and
cross-browsers portability or possibility of resulting map usage
as a hub for hyperlinks or multimedia data. The most of currently
available web mapping solutions allow customization of
maps (for example layers styling thanks to SLD [4]) and user
interface by end user, what is an additional advantage.
Thanks to described features web GIS systems are suitable
for realtime maps (for example weather maps or traffic
maps) in urban and regional planning (for example presenting
planned investments to the public) or in classical task like routing,
address matching or location based services.
Despite all mentioned advantages web GIS architecture
is not free from problems. The reliability of these systems depends
directly on reliability of network components and still is
unsatisfying. High complexity of the architecture is a serious
problem on project and implementation stages. Additionally
some kinds of geodata are rather expensive (for example geodesic
materials) what results in price growth of such solutions.
Geodata privacy, security and authenticity are almost
completely ignored, also. There’s a few initiatives in the field
of geodata access control (for example GEO-RBAC or
GeoSpatial Authorization Model [3]) but generally security and
safety of web GIS isn’t treated seriously enough.
Potential security threats
There’s no particular obligatory architecture of Web GIS system.
The same software modules give us an opportunity to
create almost infinite set of different architectures (both client
and server side). Usually final architecture is drawn up on the
base of some kind of template to solve specific problem.
However we could point some type of core of Web GIS architecture
and describe a few permanent elements of this architecture
(Fig. 1). Server and client communicate via the
Internet. Usually standard Web browser is used on the client
Fig. 1. Basic Web GIS architecture
Rys. 1. Podstawowa architektura Web GIS
side, sometimes with additional JavaScript libraries (i.e. Open-
Layers: http://openlayers.org/) or Java applets. On the server
side at least mapping server module is present (i.e. Geoserver:
http://geoserver.org/display/GEOS/Welcome), which is responsible
for creating responses to client requests (i.e. in form
of generated parts of a map). Clients can communicate with
server directly (i.e. via SOAP) or with help of additional Web
Server. The mapping server prepares responses for clients on
the base of information collected in dedicated databases (i.e.
Postgis technology: http://postgis.refractions.net/), information
gathered as ready vector or raster maps or information provided
by another mapping servers.
The one of the most interesting from many currently
being developed web maping standards is Web Map Sevice
(WMS) published by Open Geospatial Consortium (OGC)
[6]. WMS server should serve at least two mandatory types
of client requests:
• GetCapabilities - which returns information about this
server and the available map layers;
• GetMap - which returns for provided parameters map combined
by server from some different data; map may be returned
in form of raster image (i.e. JPEG, PNG, GIF) or
vector graphic (i.e. Scalable Vector Graphic SVG or Web
Computer Geographic Metafile WebCGM); map format depends
on server capabilities and provided parameters;
The basic WMS standard is extended by Web Feature
Service (WFS) [5], enabling clients to modify geodata stored
by mapping server.
GetMap command will be most important in case of WMS
standard usage. During the session client sends many requests
of this type to the Server, changing formal parameters
only. Each map moving, zooming, changing layers visibility,
etc. imply generation of new map by server, which should be
send to the client again.
ELEKTRONIKA 11/2009 45

The client may be interested on authenticity verification of
received geodata. Server communicates simultaneously with
many clients, and each client generates many requests during
his session. In such situation standard methods of securing
data authenticity are not suitable, digital signing of each
response wouldnt be effective. The proposal of efficient data
authentication method relevant to the described Web GIS architecture
is presented in the next section.
Data authentication schema
The most of communication in described model is confined to
receiving by client geodata or ready map fragments from
server (e.g. by WMS GetMap call), how it was mentioned
above. Presented scheme should enable authenticity verification
of geodata received from server. Whole communication
process between client and server, which is referred to as
a session, consists of geodeta transmission stage, authenticity
proofs publication stage and received geodata authenticity.
We assume that during one session client may ask for and
receive geodata many times, but authenticity verification is
done once at the end of the session. Process of proofs publication
is done in fixe time intervals, independently of running
sessions. Server serves simultaneously many session, potentially
with different clients.
Downloading geodata from server
Course of i-th session between client C and server M is presented
in Fig. 2. For our schema we introduces following symbols:
C - client, M - map server, sid i - identifier of i-th session,
q i,j - j-th question during i-th session, α i,j - j-th geodata answer
during i-th session, st i - time of i-th session begining, et i - time
of i-th session ending, ct i - time of i-th session authenticity
proof publication, p i - authenticity proof.
The session is started by a client, which sends to server
StartSession call. As an answer server sends back StartSessionAcknowledgment
with new session identifier sid i and time
of session beginning st i .
Then client begins sending Request calls to the server
(appropriate for particular server type geodata request e.g.
WMS GetMap). Single Request contains of right question q i,j
and current session indetifier sid i . Server sends back
Response for each Request. Single Response contains demanded
geodata α i,j .
The session is ended by a client. It sends to server End-
Session with session identifier sid i . In answer server sends
back EndSessionAcknowledgment, which contain among others
session end time et i and time ct i of next authenticity proofs
publication. In this publication will be present authenticity information
for the session.
Client sends GetSessionProof just after ct i moment of time
(which was pointed by server in EndSessionAcknowledgment)
and in response it receives SessionProof containing p i data
necessary to verification of geodata transmitted in this session.
Server proof publication
The server serves simultaneously many session and many
different clients. It publishes authenticity proofs in fixed time intervals.
The time period between two following publishing
points will be called a round.
We introduce additional symbols: h - cryptographic hash
function, h 2 - two-argument cryptographic hash function, h 3 -
three argument cryptographic hash function, d i,j - in-round
message digest for pair (q i,j , α i,j ), f i,k - k-th round-ending message
digest for i-th session, f i,k - k-th round-ending message
digest for i-th session, s k - round-ending signature, T k - Merkle
hash tree for k-th round, P i,k - path from leaf to root of T k tree
for i-th session.
At the beginning of each session client and server initialize
theirs local copies of first in-round message digest using session
identifier:
During the session for each (q i,j , α i,j ) request/response pair
client and servers creates their local copies of digests:
Optionally client may store in its local archives all pairs
(q i,j , α i,j ) generated during the session and compute right digest
in a moment of geodata authenticity verification.
At the end of the round server checks which sessions were
active during this time period. Then server creates Merkle
hash tree [7], using as leafs last digest of each active in-round
session. Cryptographic functions h and h 2 are used for tree
creation.
Creation of T k tree for k-th round runs as follows. At the
beginning are created digest for first level nodes (leafs):
(1)
(2)
Digest for second level nodes are computed on the bases of
first level nodes values:
This procedure is repeated for each next level (number of levels
depends on number of first level nodes which equel sessions
number). Proccess ends on the last level, which
contains one and only node, accumulating all previous digest
(tree root):
(3)
(4)
Fig. 2. i-th session between client C and server M
Rys. 2 . i-ta sesja pomiędzy klientem C a serwerem M
(5)
46 ELEKTRONIKA 11/2009

Fig. 3. Example run of three rounds of i sessions
Rys. 3. Przykładowy przebieg trzech rund z i sesjami
Root is signed by server private key and published:
(6)
There is example run of three rounds of i sessions presented
in Fig. 3.
Geodata authenticity verification
We introduces additional symbol: C i,k - complete to path P i,k (set
of nodes necessary for reconstructing path on the base of d i,last ).
After sending EndSession request client receives from
server information about closing time of current round (time
ct i ). At this pointed moment client sends to server request Get-
SessionProof and gets back information p i necessarry for authenticity
verification of all pairss (q i,j , α i,j ) transmited during
finished session:
(7)
Client reconstructs path from leaf (local copy of f i,k ) to root of
T k tree for i-th session using received complement C i,k . Reconstructed
f’ k root is verified with digital signature:
(8)
Example process of path reconstruction is shown in Fig. 4.
Client wants to verify authenticity of data transmitted during
his 3-th session. It received form server complement C 3,1 =
Fig. 4. Example of P 4,1 path reconstruction
Rys. 4. Przykład rekonstrukcji ścieżki P 4,1
{f 4,1 , f 1:2,1 , f i-3:1,1 }. Client reconstructs f’ 3:4,1 digest from local
copy of digest f’ 3,1 and received digest f 4,1 and continues this
process till obtain root digest f’ 1:i,1 .
Conclusions
The authenticity is today a major problem when dealing with
information transmitted through internet. It’s obvious not every
received data can be trusted. Proposed schema could be successfully
used to publish geodata in authenticated way and to
create proof of their origin. Presented method is simple, safe,
efficient and reliable. It could be easily adapted to into existing
WB GIS architectures.
Implementation of the method should be our next concern.
Currently integration of this schema with Geoserver and
OpenLayers solutions is considered. More examination must
be made to verify methods weaknesses and strengths.
References
[1] Neumann A.: Web Mapping and Web Cartography. Encyclopedia
of GIS, pp.1261-1273, Springer 2008.
[2] Thuraisingham B., Khan L., Subbiah G., Alam A., Kantarcioglu
M.: Privacy and Security Challenges in GIS. Encyclopedia of
GIS, pp. 898-902, Springer 2008.
[3] Ae Chun S., Alturi V., Geospatial Security Models. Encyclopedia
of GIS, pp. 1028-1035, Springer 2008.
[4] http://www.opengeospatial.org/standards/sld, Open GIS Consortium
Inc., Styled Layer Descriptor profile of the Web Map
Service Implementation Specification. OpenGIS® Implementation
Specification, Final version, v. 1.1.0, June 2007, Accessed
20 April 2009.
[5] http://www.opengeospatial.org/standards/wfs, Open GIS Consortium
Inc., Web Feature Service Implementation Specification.
OpenGIS® Implementation Specification, Recommendation
Paper, v. 1.1.0, May 2005, Accessed 20 April 2009.
[6] http://www.opengeospatial.org/standards/wms,Open GIS Consortium
Inc., OGC Web Map Service Interface. OpenGIS® Implementation
Specification, Recommendation Paper, v. 1.3.0,
January 2004, Accessed 20 April 2009.
[7] Merkle R. C.: A certified digital signature. In CRYPTO ’89: Proceedings
on Advances in cryptology, pp.218-238, Springer-Verlag
New York, Inc. 1989.
ELEKTRONIKA 11/2009 47

An experiment of implementation of DLP system
working as a Linux kernel loadable module
(Próba implementacji systemu ochrony przed utratą danych (DLP)
pracującego na poziomie jądra dla systemu Linux)
ADAM RAKOWSKI student, dr inż. IMED EL FRAY
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Informatyki
Computerization in business is a fact. A perspective of shortening
the time of document flow between company units, improving
internal communication and enhancement of management
processes is expectation of many managers. Due to increased
role of computers in business, the need of better care of data security
- from physical security till access control is a fact.
Each computerized corporation stores the critical confident
data about its contracts, staff, technology, security procedures
etc... An enterprise shares important data to many people, so
the risk of information leakage caused by disloyality or human
error is significantly increased. Published in 2006 „Deloitte’s
2006 Global Security Survey” [1] tells that the second most frequent
reason of internal IT security violation is data leakage
caused by qualified person (28%). Only the viruses and malware
are the reason of more incidents (31%). The same report
published one year later [2] describes data leakage or intellectual
property theft as the incident happening once in 5% of surveyed
companies, while in 8% of companies - several times.
Due to „CSI Computer Crime and Security Survey” (September
2007) a cost of sacrifice caused by electronic crimes was in average
$345 000 per company, about $175 000 more than a year
before. A global cost of confidential data leakage in company or
data theft caused by qualified person was $13.6 million [10].
DLP systems are a response to data leakage risk caused
by employee working with sensitive data. Current IT business
applications and systems can authorize user and share important
documents to him if administrator allowed him to use
that data. After successful authorization the actions performed
on protected file usually are not traced or logged, system also
is not able to prevent data leakage. There are many possible
channels the thief can use: socket, removable memory, screen
capture or printing. Well working DLP system should prevent
data loss or at least log that try and notify administrator.
Data loss prevention system can be made in one of following
architectures: host control architecture or DLP network.
In first architecture administrator has to install controlling software
on each of computer working in network, where protected
documents are shared. When user logs in the system
and reads from the database set of user’s permissions and
privileges to protected documents, then the system starts tracing
user’s activities. Administrator can set actions performed
in case of policy violation.
DLP network is based on another idea. All the hosts are free
of controlling software, but it is installed on a network gateway,
so the data is analyzed only when tries to get out of network [3].
Data identification
According to DLP definition given by Securosis [4] - an independent
IT security research laboratory - “Products that,
based on central policies, identify, monitor, and protect data at
rest, in motion, and in use, through deep content analysis”.
Most important problem is document comparison and classification
of the file to protected files group. When employee
attempts to send a confidential information to inappropriate
recipient, system has to detect this violation. Trusted DLP application
should recognize also a snippets of protected documents,
or protected files modified a bit, or even encrypted.
Recognition and similarity determination is implemented using
deep analysis, dictionary methods, regular expressions, statistical
methods or watermarks [3,4]. Good DLP implementation
can also extract data from compressed archive and
analyze data the archive contains. Side effect of watermarking
are possible delays in documents access caused by huge
quantity of connections to database [4].
Additional technique can be embedding metadata in protected
file, but in can be cumbersome. Any application working
with such protected file should “know” if this file is
protected or not. It implicates on a DLP system vendor need
of creating dedicated viewers, browsers which can interpret
metadata and edit these documents. Disadvantage of this solution
is that user can use only selected applications, tools and
formats. Better idea could be keeping in memory the information
which files are protected and taking control on external
editor (browser) to inform DLP system that any application
tries to get access to protected file.
Possible scenarios
Fig. 1. A difference between DLP host protection and DLP Network
Rys. 1. Porównanie koncepcji DLP host protection i DLP Network
Available channels of potential data loss are: instant messagers,
chats, e-mail, webmail, sending data by ftp/http, printing confident
data or screen capture. If user knows that supervisor application
use heuristic analysis and similarity comparison, he
should get any ciphering application to save text as encrypted
file, also steganography application could be helpful. DLP system
can trace (and manage with) copies of protected file. The
most terrible scenario may looks like following one.
48 ELEKTRONIKA 11/2009

Fig. 2. Possible scenarios of data leakage
Rys. 2. Możliwe scenariusze celowej utraty danych
User takes some screen captures of confident data. Images
are stored in clipboard by default. User copies these images
do graphics editor and perform some changes (cropping,
adding some random points). Performed operations can reduce
the probability of positive matching the screen captures
taken by user in case of embedded watermark in print screen.
Later user writes the screenshots to file and creates encrypted
archive. After all the archive is sent using SSL protocol.
Alternative scenario can be like this: user copies a fragment
of protected text document to clipboard. Then he performs
a simple, reversible obfuscation of this text. Text after
obfuscation is directed to input of steganography application.
The result of this operation is image. This image is sent by instant
messager.
Analysis of example scenarios show how wide range of IT
system has to be mentioned and controlled. It also shows that
protecting only some selected output channels will only delay
the discreditation of DLP system.
Available solutions
Nowadays DLP system can be software implementation (for
Windows) or hardware.
Software implementation are offered by (e.g.): Websense,
RSA, McAffe, Symantec, Nitrobit, Trend Micro i GSS. The
leader of DLP software for Windows is Websence. It’s Data
Security package is made of four fully integrated components:
Data Discover, Data Monitor, Data Protect and Data Endpoint.
System is based on user policies and rules. Policy determines
access range for each group of users to documents (context)
and allowed output channels. The PreciseID technology using
ThreatSeeker solution (determines whether remote source of
data is safe or can be dangerous to computer) makes possible
classifying corporation data on workstation (end-point protection)
and also in whole the Internet.
Controlled channels are network traffic (HTTP, SMTP and
IM) and workstation supervision (removable storages, printing,
print screen, clipboard). Administrator set the policies used in
case of violation. Some of possible actions are force encryption
when writing to removable storage, denial or quarantine [7].
Another solution in data loss prevention comes from Nitrobit
company and is called Policy Extension. Due it’s name
it is a set of policies which extends standard Windows security
policies. This software is available for Windows OS version
2000 to Vista, 32 and 64 bits. It supports removable media,
system registry, services and network storages. Removable
media can be configured using it’s serial number, type and
vendor [8]. Disadvantage is less flexibility of configuration.
Popular solution for Windows platform is security policies
based package LeakProof made by Micro Trend company. It
is made of three components: DataDNA Technology (documents
watermarking), Server and Client module (installed on
employees’ computers). Both DLP network and end-point protection
modes are supported. This software allows to control
removable media, also plugged to COM and LPT ports and
printers. Blocking print screen is also possible.
Features of control: removable media, optical discs drives,
USB memory, e-mail and webmail (also encrypted), HTTPS
and FTP protocols, IM protocols. An interesting feature is controlling
Bluetooth interfaces and WiFi networks. LeakProof can
also work with on- and off-line computers.
System can deny disloyal or absent-minded employee, or
display on his screen a message window with policy information
and message that try of violation is possible. When such
employee tries to move data to removable media, system can
force encryption of file [9].
All the above solutions, despite the fact they can not guarantee
full security of sensitive or confident information, they reduce
the risk of consequences caused by neglect of employees.
For computer geeks hacking DLP system is possible. Main
problem and the topic of this paper is a question why there is
no DLP system for Linux similar to described or released as
Open Source.
Experiment of implementation DLP
solution for Linux
Others also were looking for an answer to this question [5],
we started searching a reason of this fact. General idea of the
experiment was to find out why the vendors of DLP systems
for Windows have not tried to take over the market of DLP solutions
for Linux platform. Is this fact for the reasons of difficulties
related to Linux, or maybe because of unwillingness of
business to Linux caused by many myths about this system?
To find it out, a small DLP system for Linux have been written.
It’s aim is to keep sensitive corporate data within the company.
System PXX works in end-point mode with same laws
for each user. It’s task is to block all the possible output channels
for selected processes to prevent data leakage, but without
making any problem to user. PXX is made of two
components. First - PXX-lkm is a loadable Linux kernel module
(2.6.18 and higher). His task is exchanging original system
calls of open, close, send, sendto and sendmsg functions with
own implementations, and communication with second component
- PXX daemon. The service is responsible for parsing
configuration file with paths of protected files and logging the
incidents in local log and system log. Both elements communicate
by netlink socket. This communication architecture allows
tear the components apart to insert own element
between to improve functionality.
Fig. 3. Architecture Rys. 3. Architektura
After launching the service and loading kernel module
service tries to access /etc/files files, which contains protected
files list. The module swaps original kernel’s system calls with
own functions (listing 1).
sys_call_table[__NR_open]=my_sys_open;
sys_open=sys_call_table[__NR_open];
sys_close=sys_call_table[__NR_close];
sys_call_table[__NR_close]=my_sys_close;
ELEKTRONIKA 11/2009 49

sys_write=sys_call_table[__NR_write];
sys_call_table[__NR_write]=my_sys_write;
sys_send=sys_call_table[PXX_SEND_ADDR];
sys_call_table[PXX_SEND_ADDR]=my_sys_send;
sys_sendmsg=sys_call_table[PXX_SENDMSG_ADDR];
sys_call_table[PXX_SENDMSG_ADDR]=my_sys_sendmsg;
sys_sendto=sys_call_table[PXX_SENDTO_ADDR];
sys_call_table[PXX_SENDTO_ADDR]=my_sys_sendto;
The service and module exchange their names and software
version. Initialization is done.
In second phase module waits for any application to call
system function open. Disk files are identified by i-node values.
Function which gets i-node value from file descriptor is
shown in listing 2.
static unsigned long get_ino(int fd)
{
unsigned long ino=0;
struct file * f;
}
if (fdf_dentry->d_inode->i_ino;
fput(f);
}
return ino;
A PID number of parent process and it’s father’s is pushed
to the array of PID of applications whose requested opening
protected file.
If any application tries to call any data write function or
send it using socket, kernel module looks for it’s or it’s father
PID in PID array. If found, kernel module sends application’s
PID to daemon, which logs the event. Module rejects to execute
write/send function.
When an application calls close function, it’s PID number
(and it’s father’s PID) are pulled from a PID list.
An array of protected files’ i-nodes (got using absolute
path) is created once when PXX daemon starts. Each path is
parsed to check whether it is correct. After all PXX daemon
fills the protected files structure (listing 3).
struct protected_files
{
unsigned int qty;
ino_t * inos_t;
char ** names_t;
};
An array containing i-node values is taken from protected_files
structure and send to kernel module via netlink
socket.
Difficulties related with implementation
of full functional DLP system for Linux
The discussed solution bases on i-nodes despite of it is neither
perfect one, nor unequivocal. The values of i-node are unique
but only in one filesystem, but there is no better solution.
An experiment drove to some conclusion. One of these
can be an answer to question why there is still no DLP application
to Linux. Most important are discussed below.
It was not possible to write full functional, working in kernel
space function, which can preprocess any path to absolute
path, cause it is impossible to determine caller’s work directory
from kernel space. Another idea is using algorithm implemented
in Tomoyo [6] Linux, which has realpath function, but
also this solution could not be good enough because of hard
links, whose can be wrong interpreted by this function. Apparently
best solution could be mapping file to pair disk-block, but
in filesystem other than “ext” this method could be not well
working because of block suballocation (e.g.: Reiser 4). Block
suballocation is used to more effective management with files
which are smaller than size of block. In filesystem with no block
suballocation occupies one block, so the disk space is wasted.
Block suballocation let keep some small files in single block.
Unfortunately - relation between file and block is ambiguous.
None effective method of blocking the clipboard have been
found. This „tiny” weak point determines the weakness of
whole system. Clipboard works in user space and is managed
by window manager. To block possibility of making copies to
clipboard source of window manager and it’s recompilation is
required. In Windows system it is possible, because there is
only one window manager. Linux users has a freedom of
choice one of many solutions (GNOME, KDE, XFCE etc.)
System does not protect files in situation, when protected
file is opened, then it’s content is saved to memory and after
that file is closed. An effective implementation of protecting
files in such situation were not implemented yet.
Most important problem related with developed system is
it’s disability to work in real-life environment where aggressor
has wide knowledge and suitable tools. For computer
geek who understand idea of DLP system cracking this implementation
is a matter of time. It is important to mention
that aim of this project was implementation of only a stub of
project, which will be developed by more programmers. The
aim was to begin talk about DLP system for Linux and determining
it’s hardest challenges and difficulties caused by
specificity of Linux.
Conclusions
The experiment of implementation DLP system for Linux
could be recognized as successful, but authors feel insufficiently.
The implemented system is not cross-platform and
does not look like it could be soon. Only the implementation
done for specific architecture, kernel version and graphical
interface. Currently it can not be recognized as universal solution
even within single distribution because of unsupported
protection of clipboard.
The hardest thing for DLP system for Linux creator is -
irony of fate - an architecture of Linux. It’s kernel has many
variants, some of distributions (e.g. Ubuntu) provides it’s own
implementation of kernel. The problem is leak of uniform specification
which could describe all the kernels of all distributions.
This is the expression of Linux’s freedom, but on the other
hand - serious hindrance. Often changes in kernel architecture
also are not helpful.
Creating perfect one DLP application for Linux would require
remaking of significant part of Linux Kernel to allow to
“transport” in process information additional flags related with
security. After that only these filesystems could be accepted,
which allow to identify any disk file using uniform value. To get
this idea done, recompilation of graphical environment would
50 ELEKTRONIKA 11/2009

e necessary, in worst case - also system tools and user application
had to be modified and recompiled. Kernel modification
would also affect VFS filesystem, to make possible
determine a file within all the mounted filesystems, remote
filesystems too.
References
[1] Delolitte’s 2006 Global Security Survey, http://www.deloitte.com/
dtt/cda/doc/content/cz_fsi_security_survey_250706.pdf.
[2] Delolitte’s 2007 Global Security Survey, http://www.deloitte.com/
dtt/cda/doc/content/ca_en_Global_Security_Survey.final.en.pdf.
[3] Wikipedia - Data Loss Prevention, http://en.wikipedia.org/wiki/
Data_Loss_Prevention.
[4] R. Mogull - “Understanding and Selecting a Data Loss Prevention
Solution”, http://www.websense.com/Docs/WhitePapers/
Mogull_DLP_WP.pdf.
[5] Securosis’ Blog - http://securosis.com/blog/is-there-any-dlp-ordata-security-on-maclinux/.
[6] Tomoyo Linux Homepage - http://tomoyo.sourceforge.jp/.
[7] Websense Data Security Solutions, http://www.websense.
com/site/docs/brochures/WBSN_DataSecurity_Web.pdf.
[8] Nitrobit Policy Extensions - http://nitrobit.com/policyextension.html.
[9] Leveraging Data Leak Prevention Technology to Secure Corporate
Assets, http://us.trendmicro.com/imperia/md/content/us/pdf/
products/enterprise/leakproof/wp01_leakproof_080123us.pdf.
[10] 2007 CSI Computer Crime and Security Survey, http://www.
gocsi.com/press/ 20070913.jhtml.
A buffer thresholds policy in linked in series
servers with blocking
(Buforowanie z progami w połączonych serwerach z blokadami)
The aim of this paper is to build up an analytical model of computer
networks with blocking, feedback priority service and
threshold policies; seeking to obtain high network utilization,
acceptable delay time, and some degree of fairness among
users. In the past couple of years, there has been a strong
demand for computer networks that can provide adequate
quality of service (QoS) among users. Such demand initiated
a need for a solution where the servers play an active role in
congestion control. A series of threshold policies and congestion
control procedures were proposed to control queue
lengths and to promote fairness among task generating
sources [1,6]. Queuing network models (QNMs) with finite capacity
queues and blocking provide powerful and practical
tools for performance evaluation and predication of discrete
flow systems as computer systems and networks. The traditional
analyses of the ONMs with blocking are based on the
Markov Chain approach [2,5]. In addition, many interesting
theories and models appeared in a variety of journals and at
worldwide conferences in the field of computer science, traffic
engineering and communication engineering [4,7,10]. Despite
all the research done so far, there are still many
important and interesting models to be studied. One such
model is finite capacity queues under various blocking mechanisms
and synchronization constraints, such as those involving
feedback service or priority scheduling. In this kind of
model, a task with a fixed probability can return to the previous
node immediately after its service at the current node. Although
feedback queues have already been extensively
studied in literature see [6,8,9], series queues with priority
feedback are more complex object for research than the
queues without feedback. The introduction of multiple-thresholds
can give rise to inter-dependency between the thresholds
setting, which are also dependent on the service
discipline used. The main aim of this paper is to formulate
such a model with multiple queue thresholds and examine the
queuing behaviour under a priority service discipline for feed
backed tasks.
doc dr inż. WALENTY ONISZCZUK
Bialystok Technical University, Faculty of Computer Science
Model description
The general model description is:
• the arrival process from source station is Poisson,
• two stations provide service that is exponentially distributed,
• all queues have finite capacity m1 and m2 with thresholds
tm1 and tm2.
Figure 1. presents a simplified three-station (source, station
A and station B) description of the proposed model. Tasks
arrive from the source at station A according to the Poisson
process with rate λ and they are processed in a FIFO manner.
The service received by station A is as follows. The task first
receives an exponentially distributed service with rate µ 1A . After
service completion at station A, the task precedes to station B
(exponentially distributed service with rate µ B ). Once it finishes
at station B, it gets sent back to station A for re-processing with
probability σ (exponentially distributed service with rate µ 2A -
according to HoL priority discipline). Once finished, each reprocessed
task departs from the network. We are also assuming
that tasks after being processed in the station B leave
the network with 1 - σ probability. A feed backed task is served
at station A according to a non-pre-emptive priority scheme
(HoL). It is served independently of all other events if the number
of tasks in the second buffer exceeds a threshold tm2 and
the number of task in the first buffer is less than tm1. If the
number of tasks in second buffer is less than tm2 and the number
of tasks in the first buffer exceeds tm1, another procedure
is applied. This no two priority services in succession procedure
prevents a possible overflow in the first buffer. The HoL
priority service means that a task cannot get into service at
station A (it waits at station B - blocking factor) until the task
currently in service is completed. The successive service times
at both stations are assumed to be mutually independent and
they are independent of the state of the network.
In such networks, another one blocking factor may occurs
when a station reaches its maximum capacity, which, in turn,
may momentarily stop the traffic of all incoming tasks to that
ELEKTRONIKA 11/2009 51

Fig.1. Illustration of the three-station network model with blocking,
priority feedback service and thresholds
Rys.1. Trójwęzłowa sieć z blokadami, recyklingiem z priorytetem
i progami
station. Let us say that between station A and station B, there
is a waiting buffer with finite capacity m2. When the buffer fills
up completely, the accumulation of new tasks from the first station
is temporarily suspended. Similarly, if the first buffer (with
capacity m1) in front of the first station gets full, then that
source station is momentarily blocked. This is a classical
mechanism for controlling the intensity of an arriving task
streams from a source station. According to our model specification
(see Fig. 1), when either of the buffers is full, any task
upon completion of service at the source station or at station
A, is forced to wait at its station. The task flows from the source
station to station A or from the first station-to-station B is depending
on service process in stations A or B respectively.
Deadlocks can occur in a multistage network with feedback
and blocking - as depicted above. For example, assume
that station A is blocked by station B (the second buffer is full).
In such situation, it is possible that a task in station B, upon its
completion may get send back to station A, which in turn, will
cause a deadlock. In this paper, we assume that deadlocks
are detected and resolved instantaneously without any delay,
simply by exchanging the blocked tasks.
Fig. 2. Two-dimensional network state diagram (first part)
Rys. 2. Dwuwymiarowy diagram stanów sieci (część pierwsza)
Queuing model
Markov processes constitute the fundamental theory underlying
the concept of queuing systems and provide very flexible,
powerful, and efficient means for the description and analysis
of dynamic computer network properties. Each queuing system
can, in principle, be mapped onto an instance of a Markov
process and then mathematically evaluated in terms of this
process. Our model described on the Section 2, can be represented
by a continuous-time Markov chain, in which the underlying
Markov process can analyze the stationary and
transient behavior of the network. We consider this network in
its stationary conditions. As such, the queuing network model
reaches a steady-state condition and the underlying Markov
chain has a stationary state distribution. If each queue has finite
capacity, the underlying process yields finite state space.
The solution of the Markov chain representation may then be
computed and the desired performance characteristics, such
as queue length distribution, utilizations, and throughputs, obtained
directly from the stationary probability vector. In addition,
features such as blocking, priority feedback service,
thresholds, may be incorporated into a Markov chain representation
- although the effect of doing so will increase the size
of the state space. The state of the queuing network with blocking,
priority feedback service and thresholds (see Fig. 2 and
Fig. 3) can be described by random variables (i,j,k), where i in-
Fig. 3. Two-dimensional network state diagram (second part)
Rys. 3. Dwuwymiarowy diagram stanów sieci (część druga)
52 ELEKTRONIKA 11/2009

dicates the number of tasks at the first station, j indicates the
number of tasks at second server and k represents the state of
each server. Here, the index k may have the following values:
0, 1, 2, 3, 4 (0 - idle network; 1 - regular task service for i ≤ m1
+ 1 and source blocking for i = m1 + 2; 2 - priority task service
for i ≤ m1 + 1 and source blocking for i = m1 + 2; 3 - blocking
one node and regular task service at the other one; 4 - blocking
one node and priority task service at the other one).
Based on an analysis the state space diagrams, we can
construct the steady-state equations in the Markov model.
Here, a linked in series network with blocking is formulated as
a Markov process and the stationary probability vector can
be obtained using numerical methods for linear systems of
equations [3,11]. In the next step, calculated state probabilities
are assigned to each state shown on the two-dimensional
state graphs.
Selected performance measures
The different types of queuing systems are analyzed mathematically
to determine performance measure from the description
of the system. The selected performance measures are:
1. Idle probability p idle :
2. Station A blocking probability p blA :
p idle = p 0,0,0 (1)
3. Source station blocking probability p blS :
(2)
Fig. 4. Graphs of QoS parameters, where, blA-pr is the station A
blocking probability, blS-pr is the source station blocking probability,
blB-pr is the station B blocking probability, blAS-pr is the simultaneous
blocking probability of the source station and station
A, blBS-pr is the simultaneous blocking probability of the source
station and station B and idle-pr is idle network probability
Rys. 4. Wykresy parametrów jakości obsługi, gdzie blA-pr - prawdopodobieństwo
blokady serwera A, blS-pr - prawdopodobieństwo
blokady źródeł, blB-pr - prawdopodobieństwo blokady
serwera B, blAS-pr - prawdopodobieństwo jednoczesnej blokady
źródeł i serwera A, blBS-pr - prawdopodobieństwo jednoczesnej
blokady źródeł i serwera B, idle-pr - prawdopodobieństwo przestoju
serwerów
within a range from 1 to 9 for tm2 (tm1 + tm2 is constant).
The inter-arrival rate λ from the source station to station A is
chosen as equal to 2.5. The service rates in station A and
station B are equal to µ 1A = 3.0, µ 2A = 2.5, µ B = 2.0. Based on
such parameters, the following results were obtained and
presented in Fig. 4. This Figure depicts the Quality of Service
(QoS) parameters as a function of the thresholds policy
and of the feedback probability value. In this figure, the
buffers size is taken as m1 = 16 and m2 = 10.
Conclusions
4. Both stations (source and station A) simultaneous blocking
probability p blAS :
5. Station B blocking probability p blB :
p blS = p m1+1,m2+2.3 (4)
6. Both stations (source and station B) simultaneous blocking
probability p blBS :
Numerical results
To demonstrate our analysis procedures of a three-station
network with blocking, priority feedback service and thresholds
proposed in Section 3, we have performed numerous
calculations. The main series of calculations were realized
for many parameters combinations by varying the feedback
probability σ within a range from 0.1 to 0.9 and by varying
both threshold values within a range from 9 to 1 for tm1, plus
(3)
(5)
(6)
In this paper, we investigated the problem of analytical (mathematical)
modelling and calculation of the stationary state
probabilities for a multistage network with recycling task,
blocking and threshold policy. We have developed an analytical,
queuing-base model for the blocking characteristics in
a series computer network. In particular, we modelled the
threshold-based buffers filling control algorithm. Tasks blocking
probabilities of such network were derived, followed by numerical
examples. The results confirm importance of a special
treatment for the models with blocking, with HOL feedback
service, and threshold policy in finite capacity buffers, which
justifies this research. The results can be used for capacity
planning and performance evaluation of real-time computer
networks where blocking, feedback and thresholds are present.
Moreover, this proposal is useful in designing buffer sizes
or channel capacities for a given blocking probability requirement
constraint.
This work is supported by the Bialystok Technical University
W/WI/5/09 grant.
References
[1] Awen I.: Analysis of multiple-threshold queues for congestion
control of heterogeneous traffic streams. Simulation Modelling
Practice and Theory, vol. 14, pp. 712-724, 2006.
[2] Balsamo S., i in.: A review on queuing network models with finite
capacity queues for software architectures performance predication.
Performance Evaluation, vol. 51(2-4), pp. 269-288, 2003.
[3] Bolch G., i in.: Queueing Networks and Markov Chains. Modelling
and Performance Evaluation with Computer Science Applications.
John Wiley: New York, 1998.
ELEKTRONIKA 11/2009 53

[4] Bose A., i in.: Analysis of manufacturing blocking systems with
Network Calculus. Performance Evaluation, vol. 63, pp. 1216-
1234, 2006.
[5] Economou A., Fakinos D. Product form stationary distributions
for queuing networks with blocking and rerouting. Queuing Systems,
vol. 30(3/4), pp. 251-260, 1998.
[6] Gomez-Corral A., Matros M. E. Performance of two-stage tandem
queues with blocking: The impact of several flows of signals.
Performance Evaluation, vol. 63, pp. 910-938, 2006.
[7] Gupta U. C., i in. Discrete-time single-server finite-buffer under
discrete Markovian arrival process with vacations. Performance
Evaluation, vol. 64, pp. 1-19, 2007.
[8] Kim C. S., i in. The BMAP/G/1-> ·/PH/1/M tandem queue with
feedback and losses. Performance Evaluation, vol. 64, pp. 802-
818, 2007.
[9] Mei van der R. D., i in. Response times in a two-node queuing
network with feedback. Performance Evaluation, vol. 49, pp. 99-
110, 2002.
[10] Oniszczuk W. Analysis of an Open Linked Series Three-Station
Network with Blocking. In Advances in Information Processing
and Protection, J. Pejaś, K. Saeed (Eds), Springer: New York,
pp. 419-429, 2007.
[11] Stewart W. J. Introduction to the Numerical Solution of Markov
Chains. Princeton University Press: New Jersey, 1994.
A system automating repairs of IT systems
(System automatyzujący naprawy systemów IT)
MSc MAREK KAMIŃSKI
Gdańsk University of Technology Technology, Faculty of Electronics, Telecommunication
Lufthansa Systems Poland, Sp. z o.o., Gdańsk
Very fast and progressive informatization of almost all domains
of our lives became an undisputed fact. Because huge
number of IT systems of various kinds needs supervision and
maintenance 24 hours a day and 365 days a year, many IT
companies provide nowadays to their customers a new service
offer of remote monitoring, technical support and assistance
in taking care of their systems.
Monitoring is relatively easy in realization because lots of
monitoring systems have been already developed [1] and they
usually accomplish their task in a satisfactory way. We distinguish
traditional monitoring systems [2-7] (usually having centralized
monitoring logic), and ones dedicated to monitoring
grid or cluster structures [8-11] (usually having monitoring
logic distributed), but regardless of the kind of monitoring system,
monitoring aims to give administrators of monitored systems
a clear indication of what is wrong. The next step is to
solve the problem (to repair the system), so integrating monitoring
and repair aspects seems natural.
However, repairs are usually more complicated than monitoring,
as they often involve manual and time-consuming interventions
of administrators, but observations made by the
author of this article show that, in many cases, even they can
be automated and, moreover, integrated with the monitoring
task. Their automation is a complex problem, which is still the
area of active research. The already proposed solutions are
usually too trivial to handle complex repairs in the real world
situations. Others have vulnerabilities, excluding their industrial
application. Some solutions use the concept of timeouts
or retrying failed actions finite number of times, hoping the
problem will not reoccur, or the concept of event handlers
[4-6], being simple executions of remote commands [7], telling
the system which program to execute on undesired monitoring
results. Some solutions address only automation of administrative
tasks [12,13] and do not integrate with monitoring.
Other attempts focus on describing the architecture the system
should have, to facilitate automatic repair [14-16]. Also efforts
were made to integrate the Nagios Monitoring System
[4-6] with the CFengine system (in particular situation, regarding
network problems [17]), and some works show the directions,
monitoring and healing (repairing) can go [18].
Goal and context
This article focuses mainly on the Repair Management System
(RMS), that is one of the parts of the developed Repair
Management Framework, aming at automating the process
of repairing IT systems. The RMF consists also of the Repair
Management Model (RMM) and the repair library. Both of
them were formally and precisely specified, using the Z notation
[19-21] and are described in [22]. The RMM introduces
two mathematical models (model of monitoring and model of
repair processes), general enough to cover the existing problems
and solutions, while RMS, with its complex architecture,
uses those concepts as fundamentals, to incorporate and exploit
existing monitoring solutions into triggering and conducting
repairs automatically. The repair library introduces the
abstraction layer (in a form of API = Application Programmers
Interface), to allow for easy constructing of the repair algorithms,
taking advantage of the programming language, they
are embedded in, and of set of predefined routines (procedures
and function), hiding away from programmers many
unimportant details, regarding monitoring and repair of those
particular problems they solve. All parts of the RMF have been
already instantiated and are under tests in the Lufthansa Systems
Poland Company.
Definition of the solved problem
The problem addressed in this article may be briefly defined
as follows:
• IT company continuously supervises work of many objects
of various kinds,
54 ELEKTRONIKA 11/2009

• information on their state comes from various sources (e.g.:
monitoring systems, emails being sent by maintenance
tasks executed regularly, customers),
• those objects exist on machines connected by network
having complex topology,
• undesired state of specified objects or their combination indicates
problems that must be solved (usually as soon as
possible),
• big number of repairs is conducted manually, while they are
repeatable and it is noticeable that they may be formally
and precisely specified.
Main ideas and terms
The following subsections contain explanation of main ideas
and terms used in the developed solution and introduce unified
naming convention, regarding both of discussed problems:
Monitoring
Analysis of multiple monitoring systems allowed for creating
more general description of monitoring, which can be perceived
as a process of examining states of groups of objects
of any kind, and of informing about any abnormalities. Each
object may assume precisely determined number of, mutually
exclusive, states taking their values from precisely determined
domain. Some values mean the states are correct, while the
other ones mean the object is associated with a problem that
needs resolving.
We may introduce simple method of identification of those
objects, consisting on associating each of them with the complex
variable of precisely determined name. Monitoring becomes
then a process of continuous checking (or observing)
the values of many variables, and of extracting from their
space, those variables that do not fulfill required constraints.
Binding the names of those variables with the real monitored
objects is done in monitoring procedures. Because most of
those objects may be placed in leaves of a tree, representing
hierarchy of the monitored world, it is convenient to create
space of variables with qualified names, resembling directory
structure of hard disk drive, the DNS (Domain Name System
of Internet names), or the MIB tree of SNMP (Simple Net Management
Protocol). Staying with the analogy of directory structure,
objects (so variables) are represented by files, while
directories represent units grouping them.
eclipse.oracle.TESTDB.fs.usage may be, for example,
a variable representing percent usage of filesystem of
machine eclipse, belonging to DBMS (DataBase Management
System) oracle, identified by SID (System IDentifier)
TESTDB. Values of those variables are changeable in time and
frequency of their changes depends on applied monitoring
mechanisms, on frequency of processing by them the data
coming from monitored objects, on stability of their states and
on their character. Sometimes, there is also a need to bind
a state with some details. Summarizing, we may say:
• state of monitored object is represented by a value of complex
variable associated with it,
• each variable has a name, identifying its position in a monitoring
tree unambiguously,
• their values are changeable in time and can be assigned
optional details.
Monitoring is a process of continuous checking (or observing)
the values of variables making up the monitoring tree.
Problem is a situation when one or more variables have undesired
values. Undesired values, so problems, are expressed
by predicates of problem-related variables of the monitoring
tree. Precisely saying, problem is defined as a situation when
any of those predicates is unfulfilled (when it is false), and
a scope of problem is a term referring to a set of problem-related
variables, falsifying the problem-related predicate.
Repair
Each problem, the RMS is able to solve, is associated with
one or more repair procedures and repair is the process of
using those procedures to bring monitored objects back from
undesired states to desired states. Repair is initiated (triggered)
by detecting in the monitoring tree set of such unprocessed
variables, that make up the scope of the problem,
that has been associated with at least one repair procedure.
Repair procedures are interactive algorithms, written in
high-level programming language, using the standard flow
control instructions and taking advantage of other features of
language, they are embedded in. Those algorithms execute,
so called, corrective steps, whose invocations may be perceived
as calls of external routines (procedures or functions).
External routines are well-known programming languages concept
and, like internal ones, they resemble black boxes having
precisely determined interface (getting determined input and
returning determined output) but, unlike internal ones, having
their bodies defined outside the algorithms calling them. In
case of the RMS system, they are exported, before their executions,
to remote machines, related to problems that need
them to be solved, and they are executed on those machines
with access rights of users defined in repair algorithms.
Programmers writing repair procedures may use means
of expressions encapsulated in routines provided by the repair
library (the repair API), and each repair is started up in
environment containing all necessary information on the particular
problem initiating it (and with the use of the repair library,
this information is easily retrievable).
Construction of the RMS
Ideas and considerations drafted in the previous subsections, as
well as existing industrial reality and already employed monitoring
systems, have lead to the following construction of the RMS:
Architecture of the RMS
Architecture of the RMS has been shown in the Figure 1. MON-
JAMI and HVRMONITOR correspond to systems described in
[2,3]. The RMS collects data coming from various sources, initializes
repairs, manages their whole lifecycle and each repair
may assume one of the following states:
• pending: need for repair was detected and appropriate repair
is awaiting its starting up,
• running: repair has been started up and its realization is in
progress,
• suspended: it has been suspended, as it needs additional
information,
• finished: it has been finished (regardless of its result) and
its result has been saved.
Features of the RMS
The most important features of the RMS are the following:
• it starts up subsequent repairs in parallel (not sequentially),
• starting up follows the order requests for repairs are coming
into the repairs queue,
ELEKTRONIKA 11/2009 55

• multithreading within a single repair is also allowed,
• connections lasting too long may be disconnected (timed out),
• bigger arguments for corrective steps are sent in files,
• smaller ones are sent directly in invocations of those steps,
• those steps are grouped in actions, each of which resides
in a single file,
• files with actions and bigger arguments are resent over the
network to remote machines, only if their checksums differ
from checksums of their local counterparts.
The RMS database, besides storing information on the
states of repairs, stores also other information, relevant to
monitoring and repair activities, such as:
• incoming monitoring results (monitoring tree),
• the way problems and their scopes are detected (defined
as set of, already mentioned, predicates, stored in definitions
of undesired results),
• data generated by running repairs (output),
• data retrieved by them from the real world (input),
Fig. 1. Architecture of the Repair Management System
Rys. 1. Architektura Systemu Zarządzania Naprawami
Fig. 2. Flowchart of exemplary repair algorithm
Rys. 2. Przepływ sterowania w przykładowym algorytmie naprawczym
56 ELEKTRONIKA 11/2009

• data regarding their identity (details of repairs): their
names, times their threads were started up and finished,
PIDs (Process IDentifiers) of those threads, names of related
scripts, with repair algorithms, binding repairs with
scopes of problems triggering them,
• information on making connections (with particular machines
and as particular users) in the complex topology
network, existing in the enterprise (connection tree).
Case study of exemplary repair
This subsection contains description and repair algorithm of
exemplary problem.
Brief description of the solved problem
The examined problem is databases-related and may be characterized
as follows:
• each change in database is added to journal files (known
also as redo log files),
• once a day, after successful backup of the whole database
(called here checkpoint) is made, journal files are deleted
and their creation starts from scratch again,
• creating and enlarging of the journal files is realized by
a database archiver process,
• lack of space in the filesystem, where those files exist,
stops the database.
Flowchart of the solution
The way this problem is solved has been depicted in the Fig. 2.
Conclusions
The RMS and all other components of the RMF have been
successfully implemented. Formal specifications of the RMM
and the repair library formed the base for further development
and left room for different implementations, sharing the
same idea. The RMS with the prototype repair library (the
repair API) are under tests in the Lufthansa Systems Poland
Company. The API was implemented in the Perl programming
language and the first experiments show that the system
and its API meet the expectations of providing adequate
support to the repair process. Experiments involved mentioned
problem and its repair procedure which was easily implemented
(using routines, derived from formal model), after
representing it by a flowchart.
Further experiments aiming at assessment of the effectiveness
and efficiency of the RMS and benchmarking it with
the traditional approaches are in the planning phase. Among
expected benefits of the proposed approach are increase of
reuse of repair procedures, better reliability of the repair
process, significant increase of performance and better manageability
due to improved documentation. The RMS incorporates
existing monitoring systems and it is noticeable that
repairs became faster, well-documented (so their results can
be included in the internal reporting systems), and that administrators
may focus on more complicated tasks.
References
[1] Škiljan, Z., Radič, B.: Monitoring systems: Concepts and tools.
University Computing Centre, Croatia (2004).
[2] Kamiński, M.: XML-based monitoring and its implementation in
Perl. Proceedings of the 2nd National TPD Conference, Politechnika
Poznańska Press, Poland (2007).
[3] Kamiński, M.: HVRmonitor - data replication monitoring method.
Proceedings of the 2nd AIS SIGSAND European Symposium on
Systems Analysis and Design, University of Gdańsk Press,
Poland (2007).
[4] Barth, W.: Nagios. System and Network Monitoring. O’Reilly
Press, USA (2006).
[5] David, J.: Building a monitoring infrastructure with Nagios. Prentice-Hall,
Great Britain (2007).
[6] Turnbull, J.: Pro Nagios 2.0, Apress, USA (2006).
[7] Zabbix reference manual: http://www.zabbix.com/documentation.php.
[8] Zanikolas, S., Sakellariou, R.: A taxonomy of grid monitoring systems.
School of Computer Science. The University of Manchester,
Great Britain (2004).
[9] Ceccanti, A., Panzieri, F.: Content-Based Monitoring in Grid Environments.
Proceedings of the 13th IEEE International Workshops
on Enabling Technologies. Department of Computer
Science, University of Bologna, Italy (2004).
[10] Jianwei, L., Hongbin, C., Pandeng, J., Meirong, C.: Design and
Implementation of Grid Monitoring System Based on GMA. Proceedings
of the 6th IEEE International Conference on Parallel
and Distributed Computing. Applications and Technologies College
of Computer Science, and University of Electronic Science
and Technology. China (2006).
[11] Cooke, A., Nutt, W., Magowan, J., Taylor, P., Leake, J., Byrom,
R., Field, L., Hicks, S., Soni, M., Wilson, A., Cordenonsi, R.,
Cornwall, L., Djaoui, A., Fisher, S., Podhorszki, N., Coghlan, B.,
Kenny, S., O’Callaghan, D., Ryan, J.: Relational Grid Monitoring
Architecture (R-GMA), Joint article published in GridPP. University
of London, Great Britain (2003).
[12] Campi, N., Bauer, K.: Automating Linux and Unix System Administration.
Apress. USA (2009).
[13] Strejcek, B.: Automate admin tasks with the powerful CFengine
framework: http://www.linuxpromagazine.com/issues/2009/
101/big_engine.
[14] Gerlan, D., Schmerl, B.: Model-based Adaptation for Self-Healing
Systems. School of Computer Science, Carnegie Mellon University,
USA (2002).
[15] Gerlan, D., Shang-Wen, C., Schmerl, B.: Increasing System Dependability
through Architecture-based Self-repair, School of
Computer Science, Carnegie Mellon University, USA (2003).
[16] Gerlan, D., Shang-Wen, C., Schmerl, B., Sousa, J. P., Spitznagel,
B., Steenkiste, P.: Using Architectural Style as a Basis for
System Self-repair, School of Computer Science. Carnegie Mellon
University, USA (2002).
[17] Retkowski, G.: Building a Self-Healing Network: http://www.onlamp.com/pub/a/onlamp/2006/05/25/self-healing-networks.html.
[18] Pervilä, M.: Using Nagios to monitor faults in a self-healing environment,
Department of Computer Science, Helsinki University,
Finland (2007).
[19] Woodcock, J., Davies, J.: Using Z.: Specification, Refinement,
and Proof, University of Oxford, Great Britain (1999).
[20] Potter, B., Sinclair, J., Till, D.: An Introduction to Formal Specification
and Z, International series in computer science, Prentice-
Hall. Great Britain (1991).
[21] Spivey, J.M.: The Z notation - A Reference Manual, Prentice-
Hall. Great Britain (1992).
[22] Kamiński, M.: Towards automating repairs of IT systems, article
accepted (basing on its abstract) and submitted to the 30th International
ISAT Conference (Information Systems., Architecture,
and Technology). Poland (2009): http://www.isat.pwr.wroc.pl/.
ELEKTRONIKA 11/2009 57

Influence of the number of bins on the recognition
results using Point Distance Histogram
(Wpływ liczby przedziałów w histogramie na wyniki rozpoznawania
z użyciem algorytmu Point Distance Histogram)
dr inż. DARIUSZ FREJLICHOWSKI
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Informatyki
The shape is one of the features of an object that can be used
for its recognition. In the template matching approach a shape
has to be properly represented. It means that it has to be described
in a way making the process of recognition easier.
Usually, the shape description algorithm has to be invariant to
some of its deformations, e.g. scaling or rotation. The most desirable
approaches are robust to all shape deformations. However,
there are not many of that kind, because it is really difficult
to construct an algorithm solving so many various problems.
Moreover, in many cases not all shape distortions arise. Sometimes
the invariance to a few selected problems is sufficient.
Nowadays, the number of shape descriptors applied in the
pattern recognition area is innumerable (an exemplary exhaustive
survey on this topic can be found in [1]). There are
several hundreds various algorithms, Point Distance Histogram
(PDH) being one of them. It was proposed in [2] and
it draws benefits from two very useful solutions: polar transformation
and histogram. It was successfully applied e.g. in
recognition of erythrocyte shapes [3]. The polar transform is
particularly effective in description and recognition of binary
images [4,5]. Thanks to this, the most important property of
the described algorithm is the invariance to selection of the
starting point and rotation (thanks to the usage of histogram),
scaling (thanks to the normalisation) and translation (usage
of the particular point inside an object as an origin of the transform).
Moreover, the method is able to indicate small differences
between similar objects.
The combination of polar coordinates and histogram for
recognition of shapes is not new. Two similar to PDH methods
can be mentioned. The first one is the Distance Histogram -
DH [6]. It calculates the Euclidean distance between the centroid
and all pixels within the object. Every distance is normalized
with respect to the maximal one. The algorithm is very
simple, yet quite effective for example for CBIR applications.
The second proposal: Polar Histogram - PH [7] is almost the
same as the previous one. Only the method for deriving it is
different - it uses transformation from Cartesian to polar coordinates
as more important step. The described solutions are
the most similar to PDH. However, they both work on the
whole shape, with its interior. As it is described in literature
[1,8] the second shape representation - the contour - is possible.
In fact, in the Point Distance Histogram the contour is
used, which makes the algorithm much faster.
At one of the stages during derivation of the shape description
using PDH one has to decide how many bins in a histogram
are used. This parameter is denoted as r. The most
important goal of the experiment described in this paper was
the investigation of the influence of this number on the recognition
results. In order to attain that goal, deformed (rotated
and scaled) trademark shapes were explored. Few examples
of shapes and achieved PDH descriptions for them are provided
in Fig.1.
Description of the Point Distance
Histogram algorithm
The original PDH algorithm uses the centroid as the origin of
the calculations [2]. However, the method is not limited to this
one and if it is desirable any point can be used. This selection
should indicate the name of the descriptor, e.g. in the original
method the complete name is centroid-PDH. The centre of an
object is denoted as O and for centroid it is derived using the
formula [2]:
where: n - number of points in a contour, x i , y i - Cartesian coordinates
of the i-th point.
Having the centre of an object derived we can start the
calculation of the polar co-ordinates: Θ i for angles and Ρ i for
radii [2]:
(1)
(2)
(3)
The values in Θ i are converted into nearest integers [2]:
(4)
Fig.1. Exemplary trademark shapes and PDH descriptions
achieved for them
Rys.1. Przykładowe znaki firmowe i wyznaczone dla nich deksryptory
PDH
The elements in Θ i and Ρ i are now rearranged, according to
increasing values in Θ i , and denoted as Θ j , Ρ j . If some elements
in Θ j are equal, only the one with the highest corresponding
value Ρ j is selected. That gives a vector with at most
360 elements, one for each integer angle. For further work
only the vector of radii is needed. We denote it as Ρ k , where
58 ELEKTRONIKA 11/2009

k = 1, 2, ..., m and m is the number of elements in Ρ k (m is
less or equal to 360). Then, the normalisation of elements in
vector Ρ k is performed [2]:
The elements in Ρ k are assigned to bins in histogram (ρ k to l k ) [2]:
where r is the predetermined number of bins.
The next step is the normalisation of the values in bins,
according to the highest one [2]:
(5)
(6)
(7)
The examination of the PDH descriptor, using varying value of
the parameter r was performed on binary contour images belonging
to 50 various classes of trademarks, represented in
bitmaps of size 100 by 100 pixels. A couple of examples were
provided in Fig. 1.
According to the template matching approach not affected
contour shapes played the role of base elements. Then, they
were artificially distorted. Three separate tests were performed.
Firstly, the rotation was explored. The angle was selected
randomly. Secondly, the reduction in size (twice). And
finally, scaling up a shape (twice, again).
In each case, deformations were performed on shapes
represented in bitmaps, therefore additionally influence of
noise into the coordinates being extracted during the process
of vectorisation was noticeable.
In all cases one common property was reported. The
recognition rate (RR) was at first increasing rapidly according
to increasing value of r. Then, for r above 8 it was almost stable
and oscillating around 90…95%. After the parameter r had
reached 60 the recognition results became worse. It is clearly
visible in Fig. 2. The best overall average result was RR = 95%
and it was achieved for r = 18, 20, 25, 29, 38 and 51. Because
this result was noticed mainly amongst smaller values of r the
parameter should be taken from them, e.g. r = 18, 20 or 25.
The final histogram representing a shape can be formally written
as a function h(l k ) [2]:
(8)
where [2]:
(9)
Various measures can be used to compare two histograms,
e.g. L 0 , L 1 , L 2 , Matusita, Divergence [9]. In the experiment described
in the following section, the L 2 norm was taken to derive
the dissimilarity between the two descriptions received
using PDH algorithm [9]:
Fig. 3. Recognition rates for rotation and increasing value of r
Rys. 3. Współczynniki rozpoznawania dla obrotu i rosnących
wartości parametru r
(10)
h 1 , h 2 - PDH descriptions being matched, i = 1... r.
Conditions and results of the experiment
Fig. 2. Average recognition rates for increasing value of r
Rys. 2. Średnie współczynniki rozpoznawania dla rosnących wartości
parametru r
Fig.4. Recognition rates for scaling (up and down) and increasing
value of r
Rys.4. Współczynniki rozpoznawania dla skalowania (powiększania
i pomniejszania) i rosnących wartości parametru r
ELEKTRONIKA 11/2009 59

The achieved results can be explained easily. Very small
values of r (from 1 to 10) obviously gave poor recognition results,
because small number of bins in histogram leads to small
discrimination property. On the other hand, large number of
bins taken into consideration gave worse results as well. It can
be explained by the small number of points under processing
in the examined objects. The test contours had usually about
hundred points, which resulted in worse rates for higher values
of r. The important conclusion here is the necessity of usage
of shapes with higher number of points (at least several hundreds)
or usage of small number of bins in PDH descriptor.
As we can see in Fig. 2. the best results are achieved
when r is between 9 and 60. Therefore the exact analysis of
three performed tests will be presented for r ranging from 1 to
60. This will help in noticing the characteristics of the PDH descriptor
in the presence of various shape distortions.
A very interesting property can be noticed when small
number of bins is used. The recognition is far from ideal in that
case. However, even the small value of r gives surprisingly
good recognition rate, i.e. for r higher than 4 the described
factor is above 80%. That proves the good characteristics of
a histogram in pattern recognition.
The recognition results for rotation are presented in Fig. 3.,
and for scaling (down and up) in Fig. 4. As we can see, results
for rotation and scaling up are similar. The perfect result
(100%) is achieved several times. However, the scaling down
deformation is much more challenging - only for r between 13
and 20 the results are acceptable. After the parameter exceeds
20 they are getting worse. Again, it is a result of the
small number of pixels under processing.
Conclusions
In the paper the results of an experiment on deformed binary
trademarks were presented. The goal of the research was to
find the best values of numbers of bins (parameter r) in the
histogram when using Point Distance Histogram (PDH) for
small shapes. Three tests were performed. Firstly the randomly
rotated objects were explored, then, scaled down and
up. In each case, the influence of extraction of points from
bitmaps was noticeable as well.
As it turned out, small size of a test object, more precisely
- small number of points to process in a contour had the most
significant influence on recognition rates (RR). The results
were worse for scaling down (the best RR was equal to 90%)
than for scaling up and rotation (100% several times). The
analysis of the RR under varying values of parameter r indicated
that for small contours the best value is r = 18, 20 or 25.
This results primarily from the parameters established for scaling
down. In the case of another two tests - for rotation and
scaling up, the maximal suggested parameter value should
be r = 51, since for the higher values the results were worse.
To sum up, if we cannot ensure the appropriate size of
objects to recognise, the parameter r from 18 to 25 should
be used. If objects are larger the value close to 50 is a better
choice.
Another issue is worth noticing. During the experiments
the obvious property of PDH method was confirmed. It works
better for objects with larger number of points. Therefore, the
usage of larger contours, if possible, is advised. However, in
real situations sometimes the extracted shapes are small. In
that case the values established using the experiments presented
in this paper should be used.
References
[1] Zhang D., Lu G.: Review of shape representation and description
techniques. Pattern Recognition, vol. 37, iss. 1, 2004,
pp. 1-19.
[2] Frejlichowski D.: Shape Representation Using Point Distance
Histogram. Polish Journal of Environmental Studies, vol. 16, no.
4A, 2007, pp. 90-93.
[3] Frejlichowski D.: The Point Distance Histogram for Analysis of
Erythrocyte Shapes. Polish Journal of Environmental Studies,
vol. 16, no. 5B, 2007, pp. 261-264.
[4] Kuchariew G., Przetwarzanie i analiza obrazów cyfrowych, Wydawnictwo
Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, 1998.
[5] Luengo-Oroz M. A., Angulo J., Flandrin G., Klossa J.: Mathematical
Morphology in Polar-Logarithmic Coordinates. Application
to Erythrocyte Shape Analysis. LNCS, vol. 3523, 2005, pp.
199-205.
[6] Saykol E., Gudukbay U., Ulusoy O.: A histogram-based approach
for object-based query-by-shape-and-color in image and
video databases. Image and Vision Computing, vol. 23, 2005,
pp. 1170-1180.
[7] Suau P.: Robust artificial landmark recognition using polar histograms.
LNAI, vol. 3808, 2005, pp. 455-461.
[8] Loncaric S.: A survey on shape analysis techniques. Pattern
Recognition, vol. 31, iss. 8, 1998, pp. 983-1001.
[9] Mikłasz M., Aleksiun P., Rytwiński T., Sinkiewicz P.: Image
Recognition Using the Histogram Analyser. Computing, Multimedia
and Intelligent Techniques, vol.1 no.1, 2005, pp. 74-86.
Open virtual steganographic laboratory
(Otwarte wirtualne laboratorium steganograficzne)
dr inż. PAWEŁ FORCZMAŃSKI, mgr inż. MICHAŁ WĘGRZYN
Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Informatyki
Among many different applications where data hiding techniques
can be used, one that has received huge attention in recent
years is steganography. In that scenario, not just the
embedded message is hidden, but the communication process
itself is tried to be concealed. Steganography is both art. and
science of undetectable communication [1]. Opposed to cryptography
which encrypts a message, steganography achieves
private communication by hiding message in cover object so
not only content is known but also very existence of message.
Throughout the history many different media types have been
used to hide information. Nowadays steganographic applications
[9,16] are using computer file system, transmission protocols,
audio files, video files, text files or images, which are the
most popular cover objects. Discovering the presence of hidden
messages and determining their attributes are goals of
steganalysis, which, in general, involves visual analysis and
60 ELEKTRONIKA 11/2009

more powerful statistical (algorithmic) analysis. Both steganography
and steganalysis in digital images include wide variety of
methods that emerged during last years [11,24]. The most popular
approaches in steganography and steganalysis are briefly
reviewed further in this section. There are many applications
for steganography or steganalysis, however, despite few good
applications for steganalysis there is no application that provides
secure steganographic methods. Also, according to our
knowledge, there is no application that allows adjusting and
testing methods and provides simple addition of other ones.
Brief review of techniques for digital images
Images are the most popular digital cover media for steganography.
In practice, applied technique depends on the image
format, therefore an approach used for uncompressed bitmap
image (such as BMP) is different that for the format with compression
(such as JPEG) and both will differ from one used
for palette images which are usually stored in GIF files. Literature
survey shows that there are many general approaches
aimed at still image steganography and watermarking
[4,5,7,11,17,19]. All of them work in either spatial domain [4]
or in certain spectrum domain (FFT, DFT, DCT, Wavelets
[3,5,10,12]). The most popular yet not very effective method is
a LSB insertion, which alters the least important elements of
the cover image. The main problem with LSB and other similar
methods is the robustness to typical visual manipulations,
e.g. changes of intensity, contrast and focus as well as lossy
re-compression and framing. Therefore these methods are not
applicable to watermarking tasks. On the other hand, there is
a problem of steganalysis, which is a non-trivial task, especially
with low embedding rate, low computational complexity
requirement and without knowledge of cover image. Generally,
aforementioned methods are strongly dependent on the
destination file format. Moreover, for a specific file format several
dedicated techniques (or modifications of known ones)
can be chosen. Current steganalysis methods can be divided
into two main categories: embedding specific or universal.
While universal steganalysis attempts to detect the presence
of an embedded message no matter of the embedding algorithm
and, ideally, the image format, embedding specific approaches
to steganalysis take advantage of particular
algorithmic details of the embedding algorithm [15].
above confirm this observation - all of them are command line
programs hard to operate for beginners. Admittedly, there are
GUI versions of F5, JSteg and JP Hide&Seek (see Fig. 1)
available, however they have very simplified interfaces which
provide only single embedding or extraction at one time, thus
more sophisticated operations or sequences of processing are
impossible to be performed.
The lack of applications providing a capability of complex
testing both embedding and message extraction leads to the
idea of steganographic laboratory as a virtual environment described
in the following sections. Our experience shows that
such an idea can be very attractive for many users not only
from the educational circles.
a)
b)
Existing applications
There are many computer programs, distributed as both free
and proprietary software that incorporate different steganography
techniques available today. Most of them are written for
Windows and Unix-like operating systems. As it was mentioned
in the introduction, most of available steganographic
applications for digital images use the simplest but also the
most insecure LSB method or its modification [9,16]. Part of
them uses more sophisticated methods for JPEG files like
Steghide [6], Outguess [18], F5 [25], JP Hide&Seek [13]. Despite
the fact that all of them are easy to detect even at so
small embedding rate as 0.05 bpac (bits per non-zero AC coefficient),
there are some methods still secure but not widely
used in current applications [5,12]. On the other hand, among
many standalone applications, there is hardly no software that
incorporates easy methods linking, adjusting parameters, testing,
and readable and friendly graphical user interface.
Almost all steganographic software applications are basically
command line tools performing single steganographic
and/or steganalytic algorithm. All the applications mentioned
Fig. 1. GUI front-ends of JP Hide&Seek (a) and F5 (b)
Rys. 1. Graficzne interfejsy użtkownika programów JP Hide&Seek
(a) i F5 (b)
Virtual laboratory for still images
Initial assumptions
Nowadays, with the development of new computer technologies,
e.g. Java - an interactive multimedia programming language,
and the broadband Internet (giving an access to rich
web applications) it is possible to simulate engineering and
science laboratory projects on a desktop computer.
ELEKTRONIKA 11/2009 61

With Internet access, it is now possible to offer scientists
and students virtual laboratories from a distance, via the World
Wide Web. Experiment-oriented problems can be offered
without the overhead incurred when maintaining a full laboratory
or a set of independent applications, often incompatible
with each other. According to the rather general definition presented
in the literature [14], virtual laboratory is a heterogeneous,
distributed environment making possible to conduct
experiments in a similar way to the physical laboratory. The
main objective of the virtual laboratory is to introduce scientists
and students to experimentation, problem solving, data
gathering, and scientific interpretation. Experiments performed
in the laboratory may be fully interactive, making possible
to change all parameters, giving access to any
intermediate results and producing detailed reports.
Virtual laboratories can also benefit from some collaboration
techniques as tele-immersion [26]. Because of the specific
character of the tasks realized in the field of computer
science, virtual laboratories are often focused on the information
processing problems rather than access to physical
tools. The most appreciated feature of such laboratory is its
modular architecture, which allows to increase the system capabilities
(e.g. by adding new functions and modules) without
the necessity to recompile the whole application. A user of
such laboratory should have the minimal knowledge of the API
(Application Programming Interface) provided by virtual laboratory
framework to create new plugins or modules. He does
not have to create all additional input-output procedures and
visual layer, hence he can focus on the actual problem.
Architecture and communication
Proposed Open Virtual Steganographic Laboratory VSL (Application
has been released under the open-source GPL licence
at http://vsl.sourceforge.net/_). for digital images is a set
of applications which form a distributed system aimed at computations.
This idea is motivated by a observation that each
procedure involved in the steganography/steganalysis can by
represented by a determinable process realizing specific action,
e.g. message embedding, message extraction, steganographic
attack, image distortion, data transfer, etc. The main
application of VSL which provides communication between
components and a user interface gives an ability to build a processing
flow that incorporates all needed modules and to simulate
an experiment. High-level package diagram (conforming
to Universal Modeling Language) representing system’s architecture
is presented in Fig. 2. The system package contains
main sub-package which is a core of logic. Main sub-package
communicates with other major packages: steganography, steganalysis,
distortions and tools. The first three elements can
consist of zero or more proper subsystems i.e. steganography
package contains external steganographic subsystems (standalone
modules which can be used independently regardless
of whole system), steganalysis package includes separate steganalysis
subsystems and distortions package - distortions
subsystems respectively. The last major package (tools) contains
various additional laboratory instruments needed to perform
entire experiment. Since cover images can be stored in
various file formats, input package responsible for reading and
preparing image to processing is needed. Display tool allows
to show processed images in a specific, important for the user
moment of experiment flow - before, after or between arranged
operations. In fact, it is just a simple image viewer integrated
into VSL. A user can examine images processed in any given
places of flow and easily compare them, for instance an image
before and after embedding. Output functionality makes it possible
to write results to a file.
The last proposed tool is Report. It provides image features
such as spatial resolution, color depth, name, etc., message
features (size of message, maximum length of message)
and image quality measures. Today, one of the most popular
distortion measures, due to the simplicity of the metric, is Peak
Fig. 2. High-level UML diagram of Virtual Steganographic Laboratory
Rys. 2. Diagram UML wysokiego poziomu wirtualnego laboratorium steganograficznego
62 ELEKTRONIKA 11/2009

Signal to Noise Ratio (PSNR). We propose it along with one
of the most appropriate distortion metrics, which is correlated
with the Human Visual System (HVS) [2] i.e. Relative Peak
Signal to Noise Ratio (RPSNR). Also, report module can contain
other useful informations such as size of decoded message
or output of steganalysis modules. Because of the fact
that the robustness is a crucial requirement for digital watermarking,
investigating the resistance against typical signal
processing methods can be useful and thus the VSL contains
some popular image processing algorithms. Within application,
hidden content (e.g. invisible watermark) could be attacked
with noise addition (Gaussian noise, Salt-and-Pepper
noise), resizing (using most popular bicubic interpolation),
cropping, JPEG lossy compression, median filtering, Gaussian
blurring, gamma correction or sharpening. Any parameter
of the distortion method can be easily adjusted.
All tools presented above are designated to replace any
external software like image viewers, file managers, text editors,
etc. All these elements form the entire, fully independent
workbench making possible to conduct any type of steganographic
experiment.
The initial assumption regarding architecture was to use
SOAP (Simple Object Access Protocol) for communication,
as it provides mechanisms for exchanging structured and
typed information between peers in a decentralized, distributed
environment such as proposed virtual laboratory [20].
Each workbench element (node) can be treated as a peer
which exchanges SOAP messages, formally specified as an
XML structures, which provide an abstract description of its
contents. Despite SOAP is fundamentally a stateless, oneway
message exchange paradigm, our idea is to create more
complex interaction patterns (e.g., request/response, request/multiple
responses, etc.) by combining such one-way
exchanges with features provided by an underlying protocol
and/or application-specific information [22]. Because of the
concept of an open and distributed processing, the first, and
the most obvious idea was to build the VSL as Web Services
which are defined by the W3C as a software system designed
to support interoperable machine-to-machine interaction over
a network [23]. The VSL was meant to be a set of Web Services
with one privileged core Web Service, which exactly represents
the proposed architecture. Initial framework was build
using Java API for XML Web Services (JAX-WS) [21], however
the system in this form had significant limitations. The
main two constraints were a complexity of API and a lack of
possibility to construct plugin architecture. Those restrictions
could be a great disadvantage for potential users regarding
extending and/or altering the whole system. Another inconvenience
was communication issue - Web Services should
use in this case secure transfer protocol. In result, we
changed system architecture to a main application and a set
of plugins which are also standalone applications that can run
independently (typical to the client-server approach). Thanks
to Java, which provides multi-platform compatibility, the VSL
application can be executed on almost every personal computer
running any popular operating system (MS Windows,
MacOS, Linux). It is an often unnoticeable, yet very important
economical aspect of research. Basic programming skills, together
with given architecture make possible for everyone to
build his own plugin, without much effort (regardless of the
type - steganographic, steganalytic or distortion module) and
to attach it to the main application of VSL. Free and open
source of VSL (along with openness of technologies used for
development) and its modularity, make it useful and adequate
tool for both scientists and students.
User interface
Graphical user interface of the application is shown in figures
below (see Fig. 3-5). It was build with the usage of typical
Swing GUI gadgets, however thanks to the look-an-feel technology,
it can be easily switched to standard MS Windows or
MacOS visual schemes. It features drag-and-drop technology
which means it is easy to operate by any, even not advanced
user. The main window of laboratory contains plain workspace
and a list of block elements (Modules). Each block element
represents corresponding operation i.e. block named LSB
processes an image with Least Significant Bit embedding. Any
processing starts from the Input block which has a list of input
files designated for processing (the processing flow is sequentially
performed for all input files). Between any two
blocks a package of control data is being transferred - every
block performs its own operations on data and transfers the
data package further to the next block. All parameters and
properties of an operation represented by a block, can be easily
adjusted, simply by showing the parameters dialog after
the double-click on the block that needs to be configured. The
application provides both batch and parallel processing, and
loops as well, hence it should be noticed that considerably
complex flows, as described in next section, are available to
be arranged by users. Moreover, all specific properties of an
application (i.e. file formats, size of blocks, area of workspace,
colors, etc.) can be specified in an external, freely editable
configuration file.
Sample experiments
The virtual laboratory has one considerable advantage over
typical set of individual applications since it makes it possible
to conduct experiments in a flow form. Each operation being
a part of the flow can be performed once or several times, giving
an opportunity to change its parameters during each iteration
and passing the results to the next stage. Thus, it is more
usable for scientific and educational purposes, where the experiments
involve many time-consuming and often not clearly
determined investigations. Figures below provide sample
flows of processing. Figure 3 shows a simple process of embedding
after which cover image is distorted three times. Then
it is stored in a Display module and a LSB Decoder tries to
read the hidden message. In the end report is created from
whole process.
Fig. 3. Example flow of experiment representing an attack on chosen
steganographic method
Rys. 3. Przykładowy przebieg eksperymentu odpowiadającemu
atakowi na wybraną metodę staganograficzną
ELEKTRONIKA 11/2009 63

conducting wide range of experiments involving different types
of message embedding, diverse attacks (employing image
processing algorithms) and steganalysis with the use of popular
methods. Although the main purpose of VSL is to provide
efficient yet easy tool for scientists and students, it can be
used for learning and extended by everyone. With the help of
VSL, any new steganographic/steganalytic/watermarking
method may be investigated. Thanks to that, people can be
more aware of current information hiding problems, which is
instantly gaining more popularity. It is an important aspect, especially
nowadays, when successive privacy issues are continually
emerging and civil liberties and rights are more and
more often not taken into consideration.
Fig. 4. Example flow of distortion modeling
Rys. 4. Przykład przebiegu modelowania zakłóceń
Fig. 5. Example flow of parallel message embedding with two
methods
Rys. 5. Przykładowy przebieg równoległego osadzania informacji
dwiema metodami
Another scenario is shown in Fig. 4. Cover object is
processed in an iterative manner. In every cycle it is used for
embedding, distorted and stored. Finally, the message is recovered,
so the robustness could be tested. On the right side
the Display module window is presented. The next figure
(Fig. 5) demonstrates a concept of parallel processing in
which many operations on different sets of images can be
done separately at one time for easy and clear further comparison.
Example usage of this kind of processing could be
performing embedding on two different sets of images: e.g.
for training and testing classifier or comparing results of embedding
with same technique but different parameters.
The experiments presented in this section as simplified
flows do not exhaust the possible field of applications of the
VSL. An open architecture of the environment and an idea of
flexible connections gives the possibility to create many more
schemes of processing, employing lots of different modules.
According to the assumption presented in the beginning, the
architecture of VSL allows many extra modules to be attached
to the main application. Thanks to open VSL API and
popular Java programming language one can create his own
steganographic/ steganalysis plugin and profit from the automatic
processing.
Summary
Proposed Virtual Steganographic Laboratory is a novel approach
to steganographic experiments performed on digital
images. It gives scientists and students a powerful tool for
References
[1] Artz, D.: Digital Steganography, Hiding Data within Data. Proc.
IEEE Internet Computing, 5(3), 75-80, 2001.
[2] Chemak, C., Bouhlel, M., Lapayre, J.: A new scheme of robust
image watermarking: ”The double watermarking algorithm”.
Summer Computer Simulation Conference: San Diego/California,
1201-1208, 2007.
[3] Chen, W. Y.: Color image steganography scheme using DFT, SPIHT
codec, and modified differential phase-shift keying techniques. Applied
Mathematics and Computation 196(1), 40-54, 2008.
[4] Cheung, W.: Digital Image Watermarking in Spatial and Transform
Domains. Proc. TENCON, 374-378, 2000.
[5] Fridrich, J., Pevny, T., Kodovsky, J.: Statistically undetectable
jpeg steganography: dead ends challenges, and opportunities.
MM&Sec, 3-14, 2007.
[6] Hetzl, S., Mutzel, P.: A graph-theoretic approach to steganography.
CMS 2005, LNCS 3677, 119-128, 2005.
[7] Johnson, N. F., Jajodia, S.: Steganography: Seeing the Unseen.
IEEE Computer, 26-34, 1998.
[8] Johnson, N., Duric, Z., Jajodia, S.: Information hiding: steganography
and watermarking: attacks and countermeasures Springer.
ISBN 978-0-7923-7204-2, 2001.
[9] Johnson, N.: Steganography Software Website http://www.
jjtc.com/Steganography/tools.html, 2008.
[10] Kaarna, A., Toivanen, P.: Digital Watermarking of Spectral Images
in PCA/Wavelet Transform Domain In: Proc. IGARSS,
3564-3567, 2003
[11] Katzenbeisser, S., Petitcolas, F.: Information hiding techniques
for steganography and digital watermarking, Artech House
Books, 2000.
[12] Kim, Y., Duric, Z., Richards, D.: Modified Matrix Encoding Technique
for Minimal Distortion Steganography. Proceedings of the
8th International Workshop on Information Hiding. LNCS vol.
4437, 314-327, 2006.
[13] Latham, A.: Steganography: Jphide and Jpseek
http://linux01.gwdg.de/alatham/stego.html, 1999.
[14] Lawenda, M., Meyer, N., Rajtar, T., Okoń, M., Stokłosa, D.,
Kaliszan, D., Stroiński, M.: Generalization aspects in the virtual
laboratory system. Remote Engineering and Virtual Instrumentation
Villach, Austria, 28-29 September, 2004.
[15] Lyu, S., Farid, H.: Steganalysis using higher-order image statistics.
IEEE Transactions on Information Forensics and Security,
vol. 1, no. 1, 111-119, 2006.
[16] Milbrandt, E.: Steganography Software Website http://www.stegoarchive.com/,
2008.
[17] Podilchuk, C., Delp, E.: Digital Watermarking Algorithms and Applications.
Proc. IEEE Signal Processing Magazine, 18(4), 33-
46, 2001.
[18] Provos, N.: Defending against statistical steganalysis. 10th
USENIX Security Symposium, Washington, DC, 2001.
[19] Rocha, A., Goldenstein, S.: Steganography and Steganalysis in
Digital Multimedia: Hype or Hallelujah? Journal of Theoretical
and Applied Computing - RITA 15(1), 83-110, 2008.
[20] Sun Microsystems, Inc.: SOAP/TCP v1.0, http://java.sun.com/
webservices /reference/apis-docs /soap-tcp-v1.0.pdf, 2008.
[21] Sun Microsystems, Inc.: Java API for XML Web Services (JAX-WS)
Overview https://jaxws.dev.java.net/nonav/2.1/docs/index.html,
2008.
[22] W3C Recommendation, SOAP Version 1.2 Part 0: Primer (Second
Edition), http://www.w3.org/TR/2007/ REC-soap12-part0-
20070427/, 27 April, 2007.
64 ELEKTRONIKA 11/2009

[23] W3C - Web Services Glossary - http://www.w3.org/TR/ws-gloss/,
2009.
[24] Wayner, P.: Disappearing cryptography 3rd Edition: information
hiding: steganography & watermarking. Amsterdam: MK/Morgan
Kaufmann Publishers. ISBN 978-0123744791, 2009.
[25] Westfeld, A., High capacity despite better steganalysis (F5-a
steganographic algorithm). Information Hiding, 4th International
Workshop, volume 2137 of LNCS, Springer-Verlag, New York,
289-302, 2001.
[26] Wu, W., Yang, Z., Nahrstedt, K., Kurillo, G., Bajcsy, R.: Towards
multi-site collaboration in tele-immersive environments.
Proc. of ACM Multimedia (MM’07) (short paper), Augsburg,
Germany, 2007.
The use of speech recognition and user verification
in closed-circuit television systems
(Zastosowanie rozpoznawania mowy i weryfikacji użytkownika
w systemach telewizji przemysłowej)
dr inż. MARIUSZ KUBANEK
Politechnika Częstochowska, Instytut Informatyki Teoretycznej i Stosowanej
Speech recognition systems, and the verification of persons
on the basis of independent speech are widely used. Speech
is the most natural way for humans to communicate with each
other. Over the past decade, much work has been done in
man-machine communications in order to incorporate speech
as a new modality in multimedia applications. The greatest interest
is in two areas which have received considerable interest:
speech recognition, in which the aim is for the machine to
extract and understand the linguistic message in the speech,
and speaker recognition, where the goal is to identify, recognize
or verify the speaker responsible for producing the
speech. Speech recognition systems are used in mobile
phones for dial voice, in operating systems to voice control of
different applications, in text editors to impose sentences, to
recognize voice commands in cars, etc. User identification and
verification based on speech are most often used in access
control systems. The variety of applications of automatic
speech recognition systems, for human computer interfaces,
telephony, or robotics has driven the research of a large scientific
community [1,3].
The most important problem in process of speech recognition
and speaker identification or verification is suitable coding
of signal audio [4]. In general, speech coding is a procedure to
represent a digitized speech signal using a few bits as possible,
maintaining at the same time a reasonable level of speech quality.
Speech coding has matured to the point where it now constitutes
an important application area of signal processing. Due
to the increasing demand for speech communication, speech
coding technology has received augmenting levels of interest
from the research, standardization, and business communities.
Advances in microelectronics and the vast availability of lowcost
programmable processors and dedicated chips have enabled
rapid technology transfer from research to product
development; this encourages the research community to investigate
alternative schemes for speech coding, with the objectives
of overcoming deficiencies and limitations. To
standardization community pursues the establishment of standard
speech coding methods for various applications that will
be widely accepted and implemented by the industry. The business
communities capitalize on the ever-increasing demand
and opportunities in the consumer, corporate and network environments
for speech processing products [1,4].
In this work, it was proposed use speech recognition
method to control the movement of the camera of closed-circuit
television system, and use user verification method to log
on to this system. To extraction of the audio features of person’s
speech, in this work it was applied modified mechanism
of cepstral speech analysis. For acoustic speech coding was
used twenty dimensional MFCC (Mel Frequency Cepstral Coefficients)
as the standard audio features. Speech recognition
is done using hidden Markov models.
Preliminary process of signal
Analysis of audio channel one should to begin from filtration
of signal, removing elements of signal being him disturbances.
In working system in conditions approximate to ideal it was
been possible to skip stage of preliminary filtration in aim of
acceleration of working. In real conditions of work, signal of
audio speech is often considerably disturbed, therefore in
work was applied preliminary filtration [2].
In system of recognizing of isolated word to control the
movement of the camera of closed-circuit television, during
recordings is necessary making a short-lived but clear pauses
in form of silence among individual words. In view of remember
kind of recognizing, after preliminary filtration of signal
next stage is emission clean, proper audio signal, across removal
of silence from before and behind signal [2]. In this
work, it was applied two joint methods of removing of redundancy
silence. First, from the base on calculation energy of
signal and rejection of all samples, no exceeding receive
threshold of energy. Entrance signal is divided onto frame
boxes of 256 samples. Size of frame boxes depends from frequency
of sampling. It was applied frequency of sampling
8000 Hz. Then for every frame box is counted her energy.
Choosing suitably threshold it was been possible to mark
frame box, including beginning of recorded word. Such frame
box crosses receive threshold of energy. Since in moment of
beginning of recording, first some frame boxes contain only
silence, it was been possible to mark threshold of energy on
basis of initial frame boxes. In work, it was accepted doubled
sum of energy of three first frame boxes as threshold. Second
from methods counts number of changes of value of samples
of signal from smaller on larger and onto retreat, in
ELEKTRONIKA 11/2009 65

definite temporary partition. Use of this two methods permits
onto proper emission of signal audio, and correct realizing remaining
stages of system. Suitable connection of both methods
permits onto correct delimitation of beginning and end of
signal. After delimitation of beginning and end of polish word, to
further operation signal is design without superfluous silence.
The non-stationary nature of the speech signal caused by
dynamic proprieties of human speech result in dependence
of the next stage on use of division of entrance signal onto
stationary frame boxes [5]. Signal is stationary in short temporary
partitions (10 ± 30 ms) [7]. Every such stationary frame
box was replaced by symbol of observation in process of create
of vectors of observation. In created system it was assumed
that length of every frame box equals 30 ms, what at
given sampling of signal (8 kHz) remove 240 samples. For
speech recognition, in aim of keeping stationary of signal, it
was assumed that every next frame box is sew on previous
with delay. It was accepted, that 80 last samples of signal of
previous frame box are simultaneously 80 samples of next
frame box. For speaker verification, in aim to keep all the detail
signal, all frame boxes do not overlap.
The mechanism of cepstral speech analysis
Speech processing applications require specific representations
of speech information. A wide range of possibilities exists
for parametrically representing the speech signal. Among
these the most important parametric representation of speech
is short time spectral envelope [5,7]. Linear Predictive Coding
(LPC) and Mel Frequency Cepstral Coefficients (MFCC)
spectral analysis models have been used widely for speech
recognition applications. Usually together with MFCC coefficients,
first and second order derivatives are also used to take
into account the dynamic evolution of the speech signal, which
carries relevant information for speech recognition.
In the mel-cepstrum, the spectrum were first passed
through mel-frequency-bandpass-filters before they were
transformed to the frequency domain [8]:
The characteristics of filters followed the characteristics old
human auditory system [8]. The filters had triangular bandpass
frequency responses. For speech recognition, it was
used filters with width 300 mels, and transferred with a delay
150 mels. For speaker verification, it was used filters with
width 200 mels, and transferred with a delay 100 mels, for
a more detailed analysis of low frequency. The bands of filters
were spaced linearly for bandwidth below 1000 Hz and increased
logarithmically after the 1000 Hz. In the mel-frequency
scaling, all the filter bands had the same width, which
were equal to the intended characteristic of the filters, when
they were in normal frequency scaling. Spectrum of signal of
every frame boxes obtained by Fast Fourier Transform
(FFT,512) comes under process of filtration by bank of filters.
The next step was to calculate the members of each filter by
multiplying the filter’s amplitude with the average power spectrum
of the corresponding frequency of the voice input. The
summation of all members of a filters is:
(1)
(2)
Finally, the mel-frequency cepstrum coefficients (MFCC) was
derived by taking the log of the mel-power-spectrum coefficients
S k then convert them back to time (frequency) domain
using Discrete Cosine Transform (DCT). The number of melcoefficients
K used, for speaker recognition purposes, was
usually from 12 to 20 [8]:
In practice, removing this one from the formula gave
a better performance, both for speech recognition, and verification
of user.
In this work, for speech cooding, it was used twenty dimensional
MFCC as the standard audio features. For speech
recognition, aim of analysis of signal audio was coding of signal
audio, and obtaining of entrance data in form of vectors of
observation. Polish language contains 37 different phonems,
therefore to coding of signal audio it was applied codebook
including 37 code symbols. At frequency of sampling 8 kHz,
instead of 8000 values, signal audio will be coded by about
50 values. It was applied Lloyd algorithm to vector quantization.
One from basic operation during vector quantization is
delimitation of distance of next vector of observation from all
center of gravity of codebook. To measurement of distance it
was applied Euclidean measure. For speaker verification, obtained
for all frame boxes cepstrum coefficients add upped
properly. In this expedient all independent statement one
coded by twenty cepstral coefficients.
Vector quantization with use Lloyd
algorithm
In use of loss-free compression, generated data by source
have to be represented by one from small number of code
words. Number of possible different data is generally larger
from number of code word, design to them of representing.
Process of representing of large collection of value by collection
considerably smaller is called quantization [9]. A vector
quantizer Q of dimension M and size N is a mapping from
a vector x in M-dimensional Euclidean space R M into a finite
set Y containing NM-dimensional outputs or reproduction
points, called code vectors or code words. Thus:
where:
Y is known as the codebook of the quantizer. The mapping
action is written as:
(3)
(4)
(5)
(6)
66 ELEKTRONIKA 11/2009

Associated with every N-point M-dimensional vector quantizer
is a partition of R M into N regions or cells, R i , i =1,...,N. The
i-th cell is defined by:
For a given codebook Y of size N, the optimal partition cells
satisfy:
where i, j =1,...,N and i = j. That is, Q(x) = y i only if d(x,y i ) ≤
d(x,y j ). Thus given the codebook Y, the encoder contains
a minimum distortion or nearest-neighbor mapping with:
For making of measurement of distance, it is necessary qualification
of center of gravity of area, considered as similar. It
was defined the centroid cent(R o ), of any nonempty set
R o ∈ R M as the vector y o (if it exists) that minimizes the distortion
between a point X ∈ R o and y o , averaged over the
probability distribution of X given X ∈ R o . Thus:
for every y ∈ R M . For a given partition {R i ; i =1,...,N}, the optimal
code vectors satisfy:
(7)
(8)
(9)
(10)
Practical results
In this work, it was proposed use speech recognition method
to control the movement of the camera of closed-circuit television
system, and use user verification method to log on to
this system. Scheme of this system was showed on Figures.
In system, during the registering, user must enter his
unique login and read the three long randomly generated expressions.
When registered in the system user logs on, also
must enter his registered login and read one long randomly
generated expression. If this statement is similar to at least
two speeches given by the user login with highest probability,
the system accepts the login into the system correctly. After
adding a new user, the system makes code book, based on
the recorded speech. Next, user must learn in the selected
commands to control camera movement. It was selected the
following commands to control: left, right, top, bottom, zoom,
plus, minus, start, stop, recording, and the numerical values of
the angle of rotation. Each of the commands, during the learning
system, user must repeat five times. For the registered
user, system controls the movement of the camera, using the
database commands created by this user.
Samples were taken at frequency of 8 kHz and 16-bit encoding.
The system includes thirty five different posts, which
are randomly selected during registration or login. In aim to
eliminate harmful interference, the recording of expression is
effected by means of a microphone, equipped with the filter
code and the external processor DSP. For registered users,
the system correctly recognizes all the commands to control
the camera movement.
Area including similar elements, except center of gravity it has
to possess also boundary. Given the partition cells R i , i =
1,...,N, the boundary set is defined as:
for all i, j =1,...,N. Thus, the boundary consists of points that
are equally close to both y j and to some other y i and hence do
not have a unique nearest neighbor. A necessary condition for
a codebook to be optimal for a given source distribution is:
That is, the boundary set must be empty. Alter natively:
(11)
(12)
(13)
(14)
for all i, j = 1,...,N.
Suppose that the boundary set is non empty and hence
there is at least one x that is equidistant to the code vectors y i
and y j . Mapping x to y i or y j will yield two encoding schemes
with the same average distortion. By including the nonzero
probability input point x into either cell (R i and R j associated
with y i and y j , respectively) will necessarily modify the centroids
of R i and R j , meaning that the codebook is no longer optimal
for the new partition. Given a codebook Y of size N, it is desired
to find the input partition cells R i and codewords such that the
average distortion D = E {d(X,Q(X))} is minimized, where X is
the input random vector with a given PDF (Probability Density
Function). All method of vector quantization with use Lloyd algorithm
it was described on base work [4].
Scheme of closed-circuit television system with speech recognition
and and speaker verification
Schemat systemu telewizji przemysłowej z systemem rozpoznawania
mowy i głosowej weryfikacji użytkownika
Conclusion and future work
Now that speech signals are recorded with a frequency of
8000 Hz, the next step in the development of this system will
be able to log into the system and traffic control cameras by
the Internet. Encoded as the recorded sound, and send over
the network should not be a problem. Next, the system will be
equipped with a module to automatically locate the face, eyes
and mouth of person, contained in the frame of the camera.
The given data will be used to verify the identity of persons
on the basis of facial asymmetry.
ELEKTRONIKA 11/2009 67

References
[1] Kubanek M.: Analysis of Signal of Audio Speech i Process of
Speech Recognition. Computing, Multimedia and Intelligent
Techniques, 2, pp. 5564, 2006.
[2] Kubanek M.: Method of Speech Recognition and Speaker
Identification with use Audio-Visual Polish Speech and Hidden
Markov Models. Biometrics, Computer Security Systems and
Artificial Intelligence Applications, Saeed, K., Pejas, J., Mosdorof,
R., Springer Science + Business Media, New York, pp.
45-55, 2006.
[3] Aydin Y., Nakajama H.: Realistic articulated character positioning
and balance control in interactive environments. Proceedings
Computer Animation, pp. 160-168, 1999.
[4] Chu Wai C.: Speech coding algorithms. Foundation and Evolution
of Standardized Coders. A John Wiley & Sons, New Jersey 2000.
[5] Rabiner L., Yuang B. H.: Fundamentals of Speech Recognition.
Prentice Hall Signal Processing Series, 1993.
[6] Wisniewski A. M.: Hidden Markov Models in Speech Recognition.
Bulletin IAiR WAT, 7, Wroclaw 1997 [In Polish].
[7] Kanyak M. N. N., Zhi Q., Cheok A., D., Sengupta K., Chung K.
C.: Audio-Visual Modeling for Bimodal Speech Recognition.
Proc. Symp. Time Series Analysis, 2001.
[8] Wahab A., See Ng G., Dickiyanto R.: Speaker Verification System
Based on Human Auditory and Fuzzy Neural Network System.
Neurocomputing Manuscript Draft, Singapore.
[9] Sayood K.: Data compression - introduction. Publisher RM. Warsaw,
2002 [In Polish].
SMS-B project of educational platform for e-business
(Projekt systemu SMS-B jako platformy edukacyjnej dla e-biznesu)
dr inż. PIOTR JAŁOWIECKI 1,2 , dr inż. TOMASZ WOŹNIAKOWSKI 1 ,
dr hab. ARKADIUSZ ORŁOWSKI 1,3 prof. SGGW
1 Warsaw University of Life Sciences
2 The College of Finance and Management in Siedlce
3 Institute of Physics - Polish Academy of Sciences
Nowadays companies and enterprises collects and stores
huge amounts of data. However according to different evaluations
until recently only not much over 7% of these informations
were using in business strategic decisions making
processes [1,6]. Change of this situation became possible with
popularizing the Business Intelligence (BI) technologies.
Originally the BI applications were understood only as
a specialized systems of the information management. Currently,
BI systems still are being used in their primal role to deliver
information for management support processes but more
often these systems constitutes wide connecting of applications
and technologies used for collecting, aggregation, selection,
analysis and suitable presentation of the business information
derived from different internal and external sources for the purposes
of different business activities of the enterprise [2].
BI systems are the way of the realization of computer/information
integrated systems functioning in the scale of the entire
institution. The reasons are great elasticity and high possibilities
of the company functions optimization of these systems in
many aspects on many organizational levels. BI systems more
and more often make their stores available outside going beyond
organizational structures of companies [8,10].
Characteristic feature of BI systems is using Data Warehouse
technology with advanced mechanisms of automatic
data loading from source databases, data integration and
transfer to central base, On-Line Analytical Processing
(OLAP) multidimensional data analysis tools, and Data Mining
exploration techniques [5].
Objectives
The lack of abilities to obtain practical skills of designing and
using integrated computer information systems in real operating
environment is a stipulation often put forward in relation
to programs of some higher education faculties like a Informatics,
Informatics and Econometrics, Economics, Finances
and Management. The main reason is a lack of appropriate
educational platforms enabling to conduct exercises in form
similar enough to real tasks in job.
The main objective of this paper is a presentation of the
Simulation and Modeling System for Business (SMS-B) conception
as the proposal of the educational platform offering to
the possibilities real integrated information systems. The SMS-
B System is copying architecture and the specificity of the real,
information operating environment of the company/institution
functioning based on generated data simulating real data in the
amount, which is enough to conduct the teaching processes.
In the paper possibilities offered by the SMS-B system are
presented in obtaining of specialized knowledge and professional
skills necessary for different user categories of real computer
information systems: computer team, business users,
business analysts, information consumers. The SMS-B system
can be also successfully used as a computer tool for informatics,
statistics, econometrics and management courses,
especially practical exercises.
In the paper an assessment of courses and teaching hours
number proposed to use of SMS-B in educational platform
character on real faculties in Warsaw University of Life Sciences
in 2008/2009 academic year is also presented.
System architecture and functionality
The architecture of SMS-B system is characteristic for a structure
of integrated computer information systems functioning
in commercial banks. The final architecture is presented in
Figure. The system was planned to build and introduce in
three main phases. In the first phase a foundation version
signed in Fig. by solid line is building. In the second phase the
68 ELEKTRONIKA 11/2009

The SMS-B system architecture (Source: Own preparation)
system is supplemented by additional modules signed in Fig.
by dotted line. In the third phase the most important modules
of the system are decentralized between separated machines
due to current needs and financial possibilities. There are
metadata, Extraction Transformation Loading (ETL), OLAP
analysis and report distribution servers.
Data loaded into real BI systems comes from many different
external sources, primarily from transactional systems. According
to procedural, legal, but first technical, circumstances
there are no possibilities of using real data by SMS-B system.
Therefore data for the purposes of the system is being generated
randomly according to scripts and structures designed
on the basis of real data structures.
The range of data includes such areas as: attributes of customers
in the form of financial reports, involvement to different
products, account balances, security details, debt collections
and the sets of market data. Generated data are loaded to data
warehouse, which apart from central data base is equipped
with data compatibility control, data supplement, data aggregation
and limited support of data management mechanisms.
Data from data warehouse are processed by ETL server
according to scenarios, which enables to gain data extracts
necessary for analytical processes. Generated data extracts
are saved and stored in common layer divided to repositories
used by different system modules. Its structures are optimized
for specific analysis categories.
A management of ETL processes, data extracts and data
circulation in SMS-B system are supported and optimized by
metadata server, which is introduced to system structure in
the second phase of realization.
The analytical server consists of applications which implements
selected methods of statistical data analysis, data
mining, multidimensional data analysis and forecasting models.
Standard analytical methods are implemented with using
the analytical software to build the basic functionality of analytical
server. Advanced analytical methods dedicated to concrete
analytical models are implemented during introduction of
SMS-B areas of functionality and new analytical methodologies
introduced in real financial institutions. In the third phase
of system implementation part of analytical server responsible
for multidimensional analysis and results presentation is
moved to the separate, dedicated OLAP server.
The Report Distribution Server is dedicated for management
of analysis results in the form of Enterprise Information
Portal (EIP), which enables a hierarchical distribution of reports
for different system user groups. In the first phase the
Enterprise Integration Platform (EIIP) is implemented, which is
dedicated to integration of data destined to present as a enduser
information. In the second phase main EIP module is introduced
and integrated with additional parts of the SMS-B
system: administration and end-user stations. In the third
phase EIP/EIIP module is upgraded and supplemented by
new techniques of business report presentations, for example
management dashboards. The conception of introduction
of EIP/EIIP platform as a part of SMS-B system is described
in other paper [4].
Because the SMS-B system simulates information environment
of commercial bank, system introduction process
was preceded by analysis of software and solutions market
dedicated to information systems in polish banks. In analysis
in wide range case studies of Gartner Group prepared with
using of Magic Quadrants methodology were used [3,7,9].
System objectives
Main objective of SMS-B system is a simulation of information
environment in commercial bank by reconstruction of its
components and preparation of data structures generated on
the base of real structures. Integrated information environment
is used to provide didactic pathways and single subjects
dedicated to areas of interesting specific for different categories
of real integrated information systems users.
The first category are Information and Communication
Technologies (ICT) service users, which consists of:
• ICT Administrators, which administrate and manage of user
accounts hierarchy, software and report distribution;
• Data Modelers, which manage of business views, create
physically data schemes, program in programming languages,
e.g. SQL;
• Report Administrators, which project of report schemes,
create reports, control and monitor of queries;
• Application Developers, which create Web and system applications.
The second category are Business Users, which consists of:
• Business Analysts, which typically objectives are: advanced
worksheet using, e.g. Excel, ad-hoc queries, OLAP
analysis, report publication, business processes projecting;
• Power Users, which typically objectives are: some programming
objectives, advanced worksheets using, ad-hoc
queries, specialized reports preparation, data modeling
and analysis, management of business activity areas.
The third category are Information Consumers, which consists
of:
• C-Level Executives, which project business strategies,
control and monitor business processes;
• Middle Management, which interpret of business indicators
and parameters;
• Operational Consumers, which typically objectives are connected
with sales, marketing, service, financial activity,
technical support.
Apart from subjects dedicated to practically using of SMS-
B system for concrete real user group needs, a different parts
of system can be effectively used to providing of subjects,
ELEKTRONIKA 11/2009 69

which are realized in traditional way, e.g. databases, computer
networks, operational systems, statistics, econometrics,
management.
System perspectives in WULS
Before SMS-B system introduction, an analysis of possibility
of system using to different subjects on different faculties of
Warsaw University of Life Sciences (WULS) was provided.
The subjects were divided to three categories:
• A Category contains subjects dedicated to SMS-B using;
• B Category contains subjects, which may be supported by
SMS-B using;
• C Category contains facultative subjects, which may be an
additional significant area of SMS-B using.
Because the conception for SMS-B system was dedicated
to economic and computer faculties in the table possibilities of
system using to provide of three categories of subjects are
presented for six faculties on Faculty of Economic Sciences
and on Faculty of Applied Informatics and Mathematics according
to study programs for 2007/08 academic year.
Possibilities of SMS-B using to provide subjects in six economic
and computer faculties for all year groups in one academic year in
WULS
Faculty A Category B Category C Category
hours
Source: Own preparation
% of all
hours on
faculty
hours
% of all
hours on
faculty
hours
% of all
hours on
faculty
Economics 135 1,7% 1140 9.9% 2600 33.1%
Finances and
Accounting
495 5.9% 1005 8.1% 2600 32.3%
Informatics 135 3.9% 480 14.8% 1410 36.8%
Informatics
and Econometrics
930 10.9% 1590 15.7% 810 14.3%
Logistics 270 5.3% 540 10.5% 2000 52.6%
Management 360 4.5% 1050 13.0% 1800 19.0%
TOTAL: 2325 - 5805 - 11220 -
In calculations some assumptions were accepted. On economic
faculties (Economy, Finances and Accounting, Logistics,
Management) there are 8 exercises groups in first level
studies and 4 exercises groups in second level studies. On
computer faculties (Informatics, Informatic and Econometrics)
there are 4 exercises groups in both study levels.
Summary
The keynote of projecting and introduction of SMS-B system
was an absorption of modern ICT technologies to preparation
of Business Intelligence educational platform. Rapid evolution
of integrated information systems and data warehouses,
which are a fundament of modern solutions used in commercial
institutions is a reason to project SMS-B system in open
architecture, which is vulnerable for new technologies and
new areas of functionality introductions.
This system offers a wide range of possibilities of professional
teaching in form maximally close to real work environment.
Moreover there, system can be interesting as a alternative
to traditional ways of teaching subjects in Informatics,
Statistics, Econometrics, Finances and Management domains.
Presented in the paper assessments of didactic hours
in study programs in WULS indicate to potentially high possibilities
of SMS-B using in educational pathways.
However, main objective of system is beeing the solution,
which enables to project and introduce educational pathways
dedicated to teaching of professional ICT and analysis specialists
for modern electronic commerce. One of the most important
assumption is that these dedicated pathways will be audited
by main providers of ICT solutions for commercial institutions.
References
[1] Burke M.E.: The Phenomenal Power of Business Intelligence:
Managerial Skills for the 21st Century. Europa Publications Limited,
Taylor & Francis Group, 2nd rev. edition, London, 2003.
[2] Dudycz H., Sierocki R.: Miejsce zaawansowanych systemów informacyjno-analitycznych
w rozwoju systemów informacyjnych
przedsiębiorstw. In: E. Niedzielska, H. Dudycz, M. Dyczkowski
[Ed.] Nowoczesne technologie informacyjne w zarządzaniu. Prace
Naukowe AE we Wrocławiu, 986, Wrocław, 2003 [in Polish].
[3] Feinberg D., Beyer M. A.: Magic Quadrant for Data Warehouse
Database Management Systems. Gartner RAS Core Research
Note, G00151490, Stamford, USA, 2007.
[4] Jałowiecki P., Woźniakowski T., Jałowiecka E.: The Conception
of Enterprise Information Portal as a Part of SMS-B Business Intelligence
Education Platform. In: W. Karwowski, A. Jakubiec, A.
Orłowski (red.): Information Systems in Management. WULS
Press, Warsaw, 2009 (in printing).
[5] Januszewski A.: Funkcjonalność informatycznych systemów
zarządzania, t.2: Business Intelligence. PWN, Warszawa, 2008.
[6] Liautaud B., Hammond M.: E-Business Intelligence. Turning Information
into Knowledge into. Profit, McGraw-Hill, New York 2002.
[7] Light M., Stang D.B.: Magic Quadrant for IT Project and Portfolio
Management. Gartner RAS Core Research Note,
G00149028, Stamford, USA, 2007.
[8] Moss L. T., Atre S.: Business Intelligence Roadmap: The Complete
Project Lifecycle for Decision-Support Applications. Addison-Wesley
Professional, 1st edition, San Francisco, USA, 2003.
[9] Richardson J., Schlegel K., Hostmann B., McMurphy N.: Magic
Quadrant for Business Intelligence Platforms. Gartner RAS Core
Research Note, G00154227, Stamford, USA, 2008.
[10] Williams S., Williams N.: The Profit Impact of Business Intelligence.
Morgan Kaufmann Publishers Inc., 1st edition, San
Fracisco, USA, 2006.
70 ELEKTRONIKA 11/2009

Technika próżni i technologie próżniowe
Biuletyn Polskiego Towarzystwa Próżniowego 1 (48) 2009
pod redakcją dr hab. inż. Ryszarda Korbutowicza
e-mail: Ryszard.Korbutowicz@pwr.wroc.pl
http://www.ptp.pwr.wroc.pl
Biuletyn dofinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego
XVII Walne Zebranie Członków Polskiego Towarzystwa Próżniowego
zebranie sprawozdawczo-programowe
Szklarska Poręba, 20.05.2009 r.
Podczas obrad XI Seminarium Powierzchnia i Struktury
Cienkowarstwowe odbyło się 20.05.2009 r. w Szklarskiej
Porębie zwołane przez Zarząd Główny Polskiego
Towarzystwa Próżniowego na podstawie uchwały
Zarządu PTP nr 3/2009:
Uchwała Zarządu PTP nr 3/2009
Na podstawie §25 p. 4 statutu PTP Zarząd zwołuje
Walne Zebranie Sprawozdawczo - Programowe
Członków Towarzystwa w Szklarskiej Porębie, w Ośrodku
Konferencyjno-Szkoleniowym „Radość” Politechniki
Wrocławskiej ul. Muzealna 5, 20 maja 2009 r. -
w trakcie XI Seminarium „Powierzchnia i Struktury Cienkowarstwowe”
na godz. 19 45 w I terminie,
na godz. 20 00 w II terminie
z następującym porządkiem obrad:
1. otwarcie zebrania,
2. wybory Sekretarza Walnego Zebrania,
3. przyjęcie porządku obrad,
4. wybór Komisji Wnioskowej,
5. sprawozdanie Zarządu z działalności za 2008 r.
i program działania na 2009 r.,
6. sprawozdanie finansowe za 2008 r.,
7. plan finansowy na 2009 r.,
8. opinia Komisji Rewizyjnej w sprawie działalności
PTP i sprawozdania finansowego za 2008 r.,
9. dyskusja,
10. podjęcie uchwał w sprawie sprawozdania z działalności
PTP i sprawozdania finansowego za 2008 r.
oraz planu działalności i planu finansowego PTP
na 2009 r.,
11. wolne wnioski,
12. sprawozdanie Komisji Wnioskowej,
13. zakończenie Walnego Zebrania.
Zarząd zobowiązuje Sekretarza Organizacyjnego
PTP do zawiadomienia wszystkich Członków Towarzystwa
o terminie, miejscu i porządku Walnego
Zebrania.
Warszawa, 30 stycznia 2009 r.
za Zarząd
dr inż. Katarzyna Olszewska
Sekretarz Organizacyjny Polskiego
Towarzystwa Próżniowego
Miejsce zebrania:
Szklarska Poręba Średnia, ul. Muzealna 5 (Ośrodek
Konferencyjno-Szkoleniowy „Radość” Politechniki
Wrocławskiej).
Termin I:
godz. 19 45 - zebranie nie odbyło się z powodu braku
kworum.
Aktualna liczba członków zwyczajnych PTP:
137 osób - obecnych 16.
Aktualna liczba członków wspierających PTP:
12 - obecnych 5.
Zgodnie z §20 p. 1 Statutu zebranie rozpoczęło się
w terminie II o godz. 20 00 przy obecnych 16 członkach
zwyczajnych i 5 członkach wspierających i miał przebieg
zgodny z Porządkiem Obrad stanowiącym
Załącznik 2 do niniejszego Protokołu.
ELEKTRONIKA 11/2009 71

Przebieg zebrania
Ze względu na nieobecność przewodniczącego PTP
prof. Stanisława Hałasa, Walne Zebranie otworzył
przewodniczący elekt prof. Jacek Szuber witając
zebranych, a następnie poprosił o poprowadzenie
Zebrania zastępcę przewodniczącego prof. Marka Szymońskiego.
Przewodniczący Zebrania zaproponował,
aby dr inż. Katarzyna Olszewska została sekretarzem
Walnego Zebrania. Obecni na posiedzeniu w jawnym
głosowaniu jednomyślnie wybrali dr inż. K. Olszewską
na sekretarza Walnego Zebrania. Przewodniczący Zebrania
poddał następnie pod głosowanie przyjęcie zaproponowanego
Porządku Obrad (patrz Załącznik 2)
rozszerzonego o punkt 10a „nadanie godności Honorowego
Członka PTP”. Walne Zebranie jednogłośnie
w głosowaniu jawnym przyjęło zaproponowany
Porządek Obrad. Walne Zebranie również w jawnym
głosowaniu wybrało jednomyślnie Komisję Wnioskową
Zebrania w składzie: dr Janusz Budzioch oraz
dr inż. Beata Ściana.
Przewodniczący elekt PTP prof. J. Szuber przedstawił
Sprawozdanie Zarządu PTP z działalności
w okresie od 22.09.2008 r. do 20.05.2009 r.
Sprawozdanie Zarządu Polskiego
Towarzystwa Próżniowego z działalności
w okresie od 22 września 2008 r.
do 20 maja 2009 r. w kadencji 2007-2010
W okresie sprawozdawczym Zarząd PTP pracował
w składzie wybranym na Walnym Zebraniu Sprawozdawczo-Wyborczym
we Wrocławiu w dniu 26 kwietnia
2007 r.:
Przewodniczący - od 22 września 2008 - prof. Stanisław
HAŁAS,
Przewodniczący poprzedniej kadencji - prof. Marek
SZYMONSKI,
Przewodniczący Elekt - prof. Jacek SZUBER,
Sekretarz Naukowy - dr hab. inż. Marek TŁACZAŁA,
Sekretarz organizacyjny - dr inż. Katarzyna
OLSZEWSKA,
Skarbnik - dr Mirosław KOZŁOWSKI.
Przewodniczący Sekcji:
dr Ryszard MANIA z AGH - Sekcja Plazmowej
Inżynierii Powierzchni - od 22 września.
Sekcja ta ma honorowego przewodniczącego w osobie
byłego przewodniczącego - prof. Witolda PRECHTA,
dr hab. Zdzisław STĘPIEŃ - Sekcja Nauki o Powierzchni,
prof. Elżbieta CZERWOSZ - Sekcja Techniki Próżni,
dr hab. inż. Regina PASZKIEWICZ - Sekcja Cienkich
Warstw.
Członkowie Zarządu: dr Janusz BUDZIOCH, prof. Antoni
CISZEWSKI, dr inż. Ryszard KORBUTOWICZ,
dr hab. Leszek MARKOWSKI.
Zgodnie z planem pracy przyjętym dla całej kadencji
2007-2010 w okresie sprawozdawczym prace
Zarządu PTP koncentrowały się na następujących
zagadnieniach:
1. działalności naukowej,
2. działalności szkoleniowej,
3. działalności wydawniczej (biuletyn, witryna internetowa
PTP: http://www.ptp.pwr.wroc.pl,
oraz wydawanie materiałów szkoleniowych i edukacyjnych),
4. współpracy z zagranicznymi organizacjami próżniowymi
oraz IUVSTA,
5. sprawach organizacyjno-członkowskich.
Materiały źródłowe:
1. Plan działania PTP na lata 2007-2010
2. Protokoły z Zebrań Zarządu PTP:
• Protokół 3/2008 z posiedzenia Zarządu PTP w Janowie
Lubelskim dniu 22.09.2008 r.
• Protokół Komisji Wnioskowej z Walnego Zebrania
Polskiego Towarzystwa Próżniowego w Janowie
Lubelskim w dniu 22.09.2008 r.
• Protokół 12/2008 z posiedzenia Zarządu PTP
w Warszawie w dniu 30.01.2009 r.
• Uchwała Zarządu PTP nr 3/2009
3. Biuletyn PTP opublikowany w nr 1/2009 Elektroniki
wraz z materiałami z IV Kongresu PTP oraz VII Krajowej
Konferencji Techniki Próżni
4. Witryna internetowa: www.ptp.pwr.wroc.pl
I. Działalność naukowa
Konkurs im. J. Groszkowskiego
Odpowiedzialnym za organizację konkursu jest
prof. Tłaczała, który w tej sprawie podjął energiczne
działania. W związku z przedłużeniem terminu konkursu
za rok 2008 (do 15 marca 2009 r.) komisja
konkursowa zakończyła ostatnie posiedzenie w dniu
13 maja 2009 r. i po zapoznaniu się z dokumentami
oraz opinią powołanego recenzenta ogłosiła swój
werdykt w sprawie wyników kolejnej edycji konkursu
im. J. Groszkowskiego:
1. W dziedzinie prac dyplomowych zgłoszona została
jedna praca dyplomowa magisterska zatytułowana
„Badanie wpływu surfaktantów na wzrost cienkich
warstw w układzie cienkowarstwowym”, której autorem
jest mgr inż. Michał Krupiński z Wydział Fizyki
i Informatyki Stosowanej AGH Kraków.
Komisja konkursowa postanowiła wyróżnić zgłoszoną
pracę I nagrodą za pracę magisterską za rok
2008/2009 i przyznać nagrodę finansową w wysokości
regulaminowej.
2. W dziedzinie prac doktorskich za rok 2008 nie
została zgłoszona żadna praca. W tym przypadku
komisja nie miała możliwości rozpatrzenia żadnego
72 ELEKTRONIKA 11/2009

wniosku i w konsekwencji za rok 2008 nie można
było przyznać nagrody im. J. Groszkowskiego za
najlepszą pracę doktorską.
Konferencje organizowane pod patronatem PTP
Organizacja konferencji naukowych stanowi jedną
z najważniejszych merytorycznie form działania PTP
z powodzeniem realizowaną przez poszczególne
sekcje tematyczne Towarzystwa. W okresie sprawozdawczym
zorganizowano pod patronatem PTP dwie
konferencje krajowe oraz trzy warsztaty naukowe
o zasięgu międzynarodowym. Aktualnie prowadzone
są już prace nad przygotowaniem najbliższych konferencji
naukowych organizowanych przez lub pod auspicjami
PTP.
Rok 2008
* VI International Workshop on Semiconductor Gas
Sensors - SGS2008, Zakopane, 14-19 września
2008 r., której organizatorzy to: Sekcja Nauki o Powierzchni
i Sekcja Cienkich Warstw PTP oraz Europejskie
Centrum Doskonałości CESIS i Krajowe
Centrum Doskonałości NANOMET przy Zakładzie
Technologii Elektronowej Politechniki Śląskiej w Gliwicach.
Warsztaty otrzymały dofinansowanie z Ministerstwa
Nauki i Szkolnictwa Wyższego z wniosku PTP. Dyrektorem
Konferencji był prof. Jacek Szuber z Politechniki
Śląskiej w Gliwicach. W warsztatach SGS 2008 wzięło
udział 53 uczestników, w tym 40 z zagranicy. Materiały
pokonferencyjne zaakceptowane do druku ukazały się
w czasopiśmie Thin Solid Films (Wydawnictwo Elsevier)
w sierpniu 2009 roku.
Szczegółowe informacje o Warsztatach można znaleźć
na stronie internetowej:
http://www.zte.polsl.pl/sgp2008/sgs2008.html
* IV Kongres PTP i VIII Krajowa Konferencja Techniki
Próżni, Janów Lubelski, 21-24 września 2008 r., którą
zorganizowali: Sekcja Techniki Próżni PTP, Instytut
Tele- i Radiotechniczny w Warszawie, Instytut Fizyki
UMCS w Lublinie. Uzyskano dofinansowanie z Ministerstwa
Nauki i Szkolnictwa Wyższego z wniosku PTP.
Dyrektorem Konferencji była prof. Elżbieta Czerwosz
z Instytutu Tele- i Radiotechnicznego w Warszawie.
Podczas konferencji wygłoszono referaty plenarne
i komunikaty. Odbyły się także prezentacje na sesji
producentów. Materiały pokonferencyjne ukazały się
w czasopiśmie Elektronika nr 12/2008.
* IV Workshop on Hybrid Nanostructured Materials, Advanced
Nanomaterials, Their Preparation and Analysis,
Wrocław, 24-27 październik 2008 r., którego organizatorami
byli: Sekcja Cienkich Warstw PTP oraz Wydział
Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki
Wrocławskiej.
Rok 2009
* XI Seminarium Powierzchnia i Struktury Cienkowarstwowe,
Szklarska Poręba, 19-22 maja 2009 r. Seminarium
odbyło się w Szklarskiej Porębie. Do udziału
zgłosiło się ponad 80 osób. Zaplanowano: wygłoszenie
6 referatów plenarnych i kilkanaście referatów sekcyjnych
oraz dwie sesje plakatowe. Uzyskano
dofinansowanie z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa
Wyższego z wniosku PTP. Organizatorami seminarium
są: Sekcja Nauki o Powierzchni i Sekcja Cienkich
Warstw PTP, Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki
Politechniki Wrocławskiej, Centrum Materiałów
Zaawansowanych i Nanotechnologii Politechniki
Wrocławskiej.
Kolejne planowane imprezy naukowe w tym roku to:
• III Krajowa Konferencja Nanotechnologii w Warszawie
• IV Symposium on Vacuum Based Science and Technology
• SEMICONDUCTOR SURFACE PASSIVATION 6th
International Workshop.
II. Działalność szkoleniowa
Działalność szkoleniowa jest jednym z najważniejszych
zadań statutowych Towarzystwa. Działalność ta jest
ściśle związana z zadaniami statutowymi Towarzystwa
jest niezwykle potrzebna i będzie kontynuowana zgodnie
z wcześniejszymi ustaleniami, tj. kolejne cykle szkolenia
będą odbywać się co 2 lata. Następny cykl szkoleń
odbędzie się w okresie wiosennym 2010 r. Odpowiedzialny
za organizację szkoleń jest członek Zarządu
dr Janusz Budzioch.
III. Działalność wydawnicza
Działalność wydawnicza jest również jednym z najważniejszych
zadań statutowych Towarzystwa. W ramach
tej działalności w okresie sprawozdawczym
ukazał się jeden Biuletyn PTP (numer podwójny
46-47/2008) - wraz z numerem 12/2008 czasopisma
Elektronika.
Sprawnie działa witryna internetowa PTP
http://www.ptp. pwr.wroc.pl i jest na bieżąco aktualizowana,
nad którą pieczę sprawuje członek Zarządu
PTP - dr hab. inż. Ryszard Korbutowicz. Witryna posiada
linki aktualności, informacji, konferencji, konkursu
im. Janusza Groszkowskiego, biuletynów PTP,
a także ma rubrykę wspomnień. Znajdujemy w niej
wspomnienie o doc. Januszu Sobańskim, jednym
z założycieli Polskiego Towarzystwa Próżniowego,
prof. Piotrze Szweminie oraz prof. Leszku Michalaku.
Są tam także linki do stron internetowych organizacji
i towarzystw próżniowych. Wśród ciekawostek znajdujemy
zredagowany przez prof. Andrzeja Hałasa opis
pierwszego eksperymentu próżniowego przeprowa-
ELEKTRONIKA 11/2009 73

dzonego na dworze króla Władysława IV. Dzięki
uprzejmości prof. J. Zdanowskiego zainteresowani
znajdą również szeroki przegląd osiągnięć polskiej
próżni w materiałach „Polska Elektronika Próżniowa
Wczoraj i Dziś” wydanych przez Oficynę Wydawniczą
Politechniki Wrocławskiej.
Podsumowując tę część działalności Zarządu
PTP należy podkreślić, że po wielu wysiłkach udało
się pod auspicjami Towarzystwa zgromadzić po raz
pierwszy oryginalne materiały edukacyjne i wydrukować
publikacje szkoleniowe z tematyki próżni. Na
końcowym etapie jest sprawa druku pozycji książkowej
o tej tematyce. Zarząd pragnie gorąco podziękować
prof. Tomaszowi Stobieckiemu za niezwykły
wysiłek włożony w realizację działalności wydawniczej
PTP.
IV. Współpraca z zagranicznymi
organizacjami próżniowymi i IUVSTA
Współpraca z zagranicznymi towarzystwami
próżniowymi
W tym zakresie prowadzono rozmowy z Niemieckim
Towarzystwem Próżniowym, Szwajcarskim Towarzystwem
Próżniowym i Szwedzkim Towarzystwem
Próżniowym na temat zorganizowania we wrześniu
2009 r. w Koszalinie kolejnej wspólnej konferencji
naukowej pt.: Vacuum Based Science and Technology
oraz wystawy sprzętu próżniowego. Była to kontynuacja
wcześniejszych konferencji z tego cyklu
zorganizowanych w Krakowie (2005) oraz w Darmstadt
(2006).
Współpraca z Międzynarodową Unią IUVSTA
Polskie Towarzystwo Próżniowe współpracuje
z IUVSTA. Wyrazem naszej pozycji w tej organizacji
było zaproszenie Prezesa Polskiego Towarzystwa
Próżniowego do objęcia funkcji Przewodniczącego
Komitetu Reprezentantów Europejskich Towarzystw
Próżniowych, będącego kolegium Prezesów tych
Towarzystw lub ich Zastępców, którego zadaniem jest
zaktywizowanie na płaszczyźnie europejskiej
współpracy naukowej i edukacyjnej w zakresie nauki
o próżni i dziedzinach wykorzystujących próżnię oraz
technologii próżniowych. Istotnym materialnym wymiarem
polskiego uczestnictwa w pracach tego gremium
było uzyskanie aż trzykrotnie dofinansowania IUVSTA
do imprez szkoleniowych i naukowych organizowanych
wcześniej w Polsce pod patronatem PTP na łączną
kwotę 17 tysięcy franków szwajcarskich. Jednocześnie
w wyniku dotychczasowych prac Komitet pod przewodnictwem
przedstawiciela Polski przedstawił swoje ustalenia
Radzie Wykonawczej IUVSTA z rekomendacją,
aby nie podejmować kroków w kierunku utworzenia
nowych struktur organizacyjnych typu Europejskie
Towarzystwo Próżniowe.
W okresie bieżącej kadencji funkcję przedstawiciela
Polski w IUVSTA pełni prof. Marek Szymoński, który
jednak zwrócił się już wcześniej z prośbą o przejęcie
tych obowiązków przez inną osobę z Towarzystwa.
Sprawa ta jest do dyskusji na najbliższym Walnym
Zebraniu PTP.
V. Sprawy organizacyjno-członkowskie
W okresie sprawozdawczym przyjęto 5 nowych
członków indywidualnych PTP: mgr Joannę Rymarczyk
z ITR, dr hab. inż. Elżbietę Godlewską
i mgr inż. Rafała Zybałę z AGH, mgr inż. Wojciecha
Macherzyńskiego z Politechniki Wrocławskiej,
dr hab. Martę Wolny-Marszałek z Instytutu Fizyki
Jądrowej PAN w Krakowie.
Obecnie PTP ma 137 członków indywidualnych,
w tym 2 honorowych i 12 członków wspierających.
VI. Realizacja planu działalności Zarządu
PTP na okres kadencji 2007-2010
przyjętego na Walnym Zebraniu
Sprawozdawczo-Wyborczym w dniu
26 kwietnia 2007 r. we Wrocławiu
Zgodnie z planem działalności Zarządu PTP Towarzystwo
miało tak jak do tej pory realizować wszystkie cele
sformułowane w statucie PTP. Szczególna aktywność
Zarządu, poszczególnych Sekcji i Członków miała być
skupiona na następujących celach:
1. Zwiększeniu liczebności PTP przez zainteresowanie
pracami Towarzystwa szczególnie tzw. młodych ludzi
nauki i techniki związanych z szeroko rozumianą
tematyką próżniową. Działania te powinny być prowadzone
między innymi przez:
• kontynuację organizowania konferencji naukowych,
a także szkół i kursów dla użytkowników
urządzeń próżniowych,
• kontynuację aktywności Towarzystwa w relacjach
z IUVSTA, a szczególnie pod kątem zdobywania
środków IUVSTA na działalność szkoleniową,
• szeroką promocję osiągnięć Towarzystwa, jak i poszczególnych
członków,
• lepszą i szerszą promocję nagród PTP. Działaniu
temu powinna towarzyszyć praca nad doskonaleniem
regulaminów nagród.
2. Poprawie sytuacji finansowej Towarzystwa, która
umożliwi jeszcze lepszą Jego promocję; pozwoli rozwinąć
działalność popularyzatorską; zapewni płynność
w przyznawaniu ustanowionych nagród. Działania te
powinny być prowadzone między innymi przez:
• poszukiwanie sponsorów nagród,
• zwiększenie liczby członków.
3. Rozwijaniu kontaktów i współpracy z zagranicznymi
Towarzystwami Próżniowymi oraz krajowymi towarzystwami
o zbliżonej tematyce działalności.
74 ELEKTRONIKA 11/2009

Poniżej przedstawiono krótki komentarz do przyjętego
planu działania ilustrujący zakres i stopień realizacji
planowanych działań.
1. Zwiększenie liczebności Towarzystwa
PTP odnotowało wolny, ale stały wzrost liczby członków;
przyjęto 5 nowych członków indywidualnych.
Nastąpiła pewna konsolidacja działalności firm
próżniowych w Polsce w korelacji z działalnością
Towarzystwa. Udało się zaktywizować niektórych
członków wspierających uczestniczących w imprezach
organizowanych przez PTP (szkolenia i wystawy
sprzętu próżniowego przy okazji konferencji organizowanych
pod auspicjami PTP). Należy zwiększyć aktywność
Towarzystwa w relacjach z IUVSTA,
a szczególnie pod kątem zdobywania środków
IUVSTA na działalność konferencyjną i szkoleniową.
Tą sprawą trzeba się zająć w najbliższej przyszłości.
Udało się natomiast przeprowadzić, mimo niespodziewanej
śmierci prof. P. Szwemina - przewodniczącego
Komisji Konkursowej - kolejną edycję
Konkursu im. J. Groszkowskiego za rok 2007, o czym
wspomniano w opisie działalności naukowej Towarzystwa.
Wymagana jest jednak lepsza promocja tej,
a także innych nagród PTP, połączona z doskonaleniem
regulaminów tych nagród.
2. Poprawa sytuacji finansowej Towarzystwa
Zarządowi udało się nieco poprawić sytuację finansowej
PTP, w tym poprzez poprawę ściągalności
składek, zwiększenie liczby członków oraz poszukiwanie
sponsorów nagród Towarzystwa. Sytuacja
finansowa Towarzystwa jest stabilna i zapewnia pokrycie
wszystkich planowanych wydatków, w tym nagród
w Konkursie im. J. Groszkowskiego, za wyjątkiem
nagrody naukowej PTP. Zarząd pozyskał zgodnie
z planem środki z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa
Wyższego na imprezy naukowe organizowane przez
lub pod auspicjami PTP.
3. Rozwijanie współpracy
Ponadto, jak wspomniano przy opisie działalności naukowej,
prowadzone są rozmowy z Niemieckim Towarzystwem
Próżniowym na temat organizacji w 2009 r.
w Koszalinie wspólnej cyklicznej konferencji naukowej
p.t.: Vacuum Based Science and Technology oraz wystawy
sprzętu próżniowego.
Iberyjskie Towarzystwo próżniowe nawiązało kontakt
z PTP w związku z organizacją konferencji w Salamance
we wrześniu 2010 r. Do komitetu naukowego tej
konferencji wszedł prof. Jacek Szuber, a do komitetu
wystawienniczego - doc. Czesław Kiliszek.
Lublin, 16 maja 2009 r.
Przewodniczący Zarządu PTP
Prof. Stanisław Hałas
Następnie sekretarz organizacyjny PTP
dr K. Olszewska przedstawiła w imieniu nieobecnego
na Walnym Zebraniu skarbnika Sprawozdanie
z realizacji budżetu za 2008 r. oraz Sprawozdanie
finansowe za 2008 r. (treść sprawozdania stanowią
zał. 2 i 3 do Uchwały nr 1.), następnie Plan finansowy
na 2009 r. (treść wystąpienia stanowi zał. 1 do
Uchwały nr 2).
Członek Komisji Rewizyjnej prof. Marian Herman
przedstawił Sprawozdanie Komisji Rewizyjnej z kontroli
działalności statutowej i finansowej Zarządu PTP
w okresie od 23.09.2008 do 20.05.2009 r. Komentując
przedstawione sprawozdania finansowe zauważył, że
znając już wyniki Konkursu im. J. Groszkowskiego należałoby
zaktualizować w preliminarzu kwotę przeznaczoną
na nagrody w tym konkursie (3333 zł zamiast
8000 zł). Zastanawiano się nad przyczyną małej liczby
zgłaszanych prac na Konkurs im. Janusza Groszkowskiego.
Proponowano między innymi podawanie
w ogłoszeniu o konkursie wysokości nagród albo oferty
pracy w firmie próżniowej dla laureata. Komisja Rewizyjna
nie stwierdziła błędów i uchybień formalnych
w gospodarce finansowej Towarzystwa i wnioskowała
o: przyjęcie sprawozdania finansowego Polskiego
Towarzystwa Próżniowego za okres 01.01 -
31.12.2008 r., przyjęcie sprawozdania z Realizacji
budżetu PTP za 2008 rok (Załącznik nr 2 do Uchwały
Zarządu nr 1 z dnia 30.01.2009 r.) oraz o pozytywne
skwitowanie działalności finansowej Polskiego
Towarzystwa Próżniowego w 2008 r., a także przyjęcie
Preliminarza Polskiego Towarzystwa Próżniowego
na 2009 rok, ze szczególnym zwróceniem uwagi na konieczność
podjęcia działań w sprawie zwiększenia
ściągalności składek członkowskich. Komisja Rewizyjna
biorąc pod uwagę całokształt działalności Zarządu
PTP stwierdza, że w tym bardzo trudnym okresie
wielu zmian w funkcjach kierowniczych, wykazał on
w swej pracy cechy celowości, rzetelności i gospodarności
i w związku z tym przedstawia Walnemu
Zebraniu wniosek o pozytywne skwitowanie
całokształtu działalności Zarządu PTP w bieżącym
okresie sprawozdawczym.
Zebrani w głosowaniu jawnym podjęli jednogłośnie
Uchwałę nr 1 wraz z załącznikami w sprawie sprawozdania
Zarządu i sprawozdania finansowego PTP za
2008 r. (Załącznik nr 4 do Protokołu). Walne Zebranie
w głosowaniu jawnym podjęło jednogłośnie Uchwałę nr 2
wraz z załącznikiem w sprawie budżetu na 2009 r. po
wprowadzeniu zgłoszonej poprawki do preliminarza
(Załącznik nr 5 do Protokołu Walnego Zebrania).
Następnie prof. J. Szuber przedstawił wniosek Zarządu
PTP o nadanie godności Członka Honorowego
PTP doc. Czesławowi Kiliszkowi. Profesor Witold
Precht przedstawił sylwetkę doc. Kiliszka. Następnie
Walne Zebranie w głosowaniu jawnym podjęło jednomyślnie
Uchwałę nr 3 w tej sprawie.
ELEKTRONIKA 11/2009 75

Dr Myśliński przedstawił stan przygotowań do
IV Symposium on Vacuum Based Science and Technology.
Poruszono problem koordynacji terminów konferencji,
aby uniknąć czasowego nakładania się tych
imprez.
Ze względu na ograniczenia czasowe Przewodniczący
Walnego Zebrania zaproponował, aby wolne
wnioski zgłaszać do Komisji Wnioskowej na piśmie po
zebraniu. Na podstawie problemów przedstawionych
w wygłoszonych sprawozdaniach oraz w oparciu o dyskusję
i zgłoszone uwagi, Komisja Wnioskowa Zebrania
sformułowała wnioski z Walnego Zebrania.
O godz. 22 30 Walne Zebranie zostało zamknięte.
Sekretarz
Walnego Zebrania
dr inż. Katarzyna Olszewska
Przewodniczący
Walnego Zebrania
prof. dr hab. Marek Szymoński
Walne Zebranie PTP podjęło następujące uchwały:
Uchwała nr 1 z dnia 20 maja 2009
w sprawie sprawozdania Zarządu
i sprawozdania finansowego PTP za 2008 r.
Na podstawie § 26 p. 7 i p. 8 Statutu Polskiego Towarzystwa
Próżniowego Walne Zebranie Członków Towarzystwa:
§1
Przyjmuje sprawozdanie Zarządu z działalności za
okres od 22.09.2008 r. do 20.05.2009 r., stanowiące
Załącznik nr 1 do niniejszej uchwały i sprawozdanie
z realizacji budżetu za 2008 r. stanowiące Załącznik
nr 2 do niniejszej uchwały
§2
Zatwierdza sprawozdanie finansowe Towarzystwa za
2008 rok, stanowiące Załącznik nr 3 do niniejszej
uchwały, zamykające się po stronie przychodów kwotą
56 288,97 zł (pięćdziesiąt sześć tysięcy dwieście
osiemdziesiąt osiem złotych 97 gr.), a po stronie wydatków
kwotą 55 278,01 zł (pięćdziesiąt pięć tysięcy
dwieście siedemdziesiąt osiem złotych 01 gr.)
Sekretarz
Walnego Zebrania
dr inż. Katarzyna Olszewska
Przewodniczący
Walnego Zebrania
prof. dr hab. Marek Szymoński
Uchwała nr 2 z dnia 20 maja 2009 r.
w sprawie budżetu na 2009 r.
Na podstawie §26 pkt. 6 i pkt. 8 statutu PTP Walne
Zebranie Członków Towarzystwa zatwierdza:
§1
Budżet PTP na 2009 r. stanowiący Załącznik nr 1 do niniejszej
uchwały.
Sekretarz
Walnego Zebrania
dr inż. Katarzyna Olszewska
Przewodniczący
Walnego Zebrania
prof. dr hab. Marek Szymoński
Uchwała nr 3 z dnia 20 maja 2009
w sprawie Honorowego Członkostwa PTP
Na podstawie §14 Statutu PTP i w uznaniu ogromnych
zasług Docenta Czesława Kiliszka dla rozwoju
technologii próżniowych oraz zasług dla Polskiego
Towarzystwa Próżniowego, Walne Zebranie Sprawozdawczo-Programowe
Członków Polskiego Towarzystwa
Próżniowego, na wniosek Zarządu, uchwala co
następuje:
§1
Nadaje się Docentowi Czesławowi Kiliszkowi godność
Członka Honorowego Polskiego Towarzystwa Próżniowego.
Uchwała obowiązuje od 20 maja 2009 roku.
Sekretarz
Walnego Zebrania
dr inż. Katarzyna Olszewska
Przewodniczący
Walnego Zebrania
prof. dr hab. Marek Szymoński
76 ELEKTRONIKA 11/2009

Wspomnienie
Edward Leja (1937-2009)
Niniejsze wspomnienie jest moją osobistą refleksją,
wdzięcznością i podziękowaniem - za możliwość
wspólnej pracy, korzystania z Twojego ogromnego
doświadczenia zawodowego oraz prostej ludzkiej
życzliwości i przyjaźni - jaką miałem okazje doświadczyć
- dziękuję Ci za to Edwardzie.
Edward Leja urodzony
w 1937 roku w Rakszawie,
powiat Łańcut, mając
10 lat stracił ojca i wraz
z bratem bardzo wcześnie
musieli myśleć o sobie,
musieli stać się samodzielni
i dorośli.
Edward bardzo dobrze
się uczył, wykazując
szczególne zamiłowanie
do malowania oraz uzdolnienia
w kierunku nauk
matematyczno-fizycznych. Po zdanej w 1954 roku maturze
próbował dostać się na Akademię Sztuk Pięknych
w Krakowie, ale Jego dokumenty maturalne z Liceum
Ogólnokształcącego w Żołyni nie dotarły na czas do
Akademii, więc nie został dopuszczony przez komisje
do egzaminu wstępnego i rozmowy kwalifikacyjnej. Nie
zrażając się porażką o wymarzonych studiach, a zarazem
zdając sobie sprawę, że nie stać Go na przerwę
w nauce, bez przygotowania przystąpił do pisemnego
egzaminu z matematyki i fizyki na Wyższej Szkole
Pedagogicznej (WSP) w Krakowie, jedynej w tym czasie
w Krakowie uczelni, która była jeszcze przed egzaminami
na studia.
Podczas egzaminów zwrócił swoją osobą uwagę
komisji, gdyż opuszczał salę oddając rozwiązane zadania
na długo przed wyznaczonym czasem. Niestety,
już po pierwszym roku musiał wraz grupą przyjętych
studentów przenieść się (z ukochanego przez Niego
Krakowa) na WSP do Opola, gdyż zarządzeniami odgórnymi
zamknięto w krakowskiej WSP nauczycielski
kierunek przedmiotu fizyka.
Jak później - Edward mi opowiadał - nie żałował tej
zmiany, bo prawdopodobnie po WSP w Krakowie, gdzie
wykładali profesorowie z UJ zostałby fizykiem jądrowym,
a od wrocławskich profesorów, którzy wykładali
w Opolu nauczył się eksperymentalnych metod fizyki
powierzchni (znana w Polsce szkoła fizyki powierzchni
wrocławskich profesorów: Nikliborca, Sujaka, Lewowskiego).
Od nich też nauczył się fizyki ciała stałego,
dowiedział się jak wytwarzać próżnie, jak w próżni termicznie
naparować cienką warstwę, jak wzbudzać i modyfikować
powierzchnię ciała stałego wiązką
elektronów, jonów, fotonów, stąd dla Edwarda człowieka
z pomysłami, wiedzą inżynierska, fizyczną i chemiczną
(dziś powiedzielibyśmy nanotechnolog materiałowiec)
było już bardzo blisko do konstruowania urządzeń
i opracowywania nowych metod próżniowego nanoszenia
cienkich warstw metali, tlenków (izolatorów)
i półprzewodników. Z bagażem doświadczenia wyniesionym
podczas pracy magisterskiej (1958) Kompleksowa
metoda badania fotoprzewodnictwa tlenku
miedziawego chciał pracować naukowo, ale po szkole
pedagogicznej obowiązywał Go nakaz pracy, został
więc skierowany na posadę nauczyciela fizyki do szkoły
zawodowej w Rudzie Śląskiej (Nowy Bytom). Po ślubie
w październiku 1959 roku z Zofią Marią nauczycielką,
myślał o powrocie do Krakowa i do pracy naukowej,
udało mu się zatrudnić w Zakładzie Fizyki Akademii Medycznej
(1959-62) oraz w Liceum Ogólnokształcącym
nr 9 w Krakowie (1961-64). W swoim podaniu na konkurs
na stanowisko asystenta w Katedrze Fizyki I Wydziału
Metalurgicznego AGH, napisał: ”dwuletnia praca
w Zakładzie Fizyki AM w Krakowie nie przyniosła żadnych
rezultatów, ponieważ Zakład nie posiadał warunków
do podjęcia pracy naukowej...”.
Pisząc w ten sposób dał wyraz swojej determinacji
i przekonaniu, że będzie nie tylko dobrym nauczycielem
akademickim (miał dobre przygotowanie i doświadczenie
pedagogiczne), ale również naukowcem.
Od 1 września 1963 r. został zatrudniony najpierw
jako asystent, po doktoracie (Półprzewodnikowe własności
cienkich warstw SnO 2 domieszkowanych indem
i antymonem w grudniu 1968 r.) na stanowisku adiunkta
(1969-1986), po habilitacji (Otrzymywanie i właściwości
elektryczne przeźroczystych warstw tlenkowych
typu SnO 2 i In 2 O 3 w marcu 1984 r.), na stanowisku docenta
(1986-1999), w końcu na stanowisku profesora
nadzwyczajnego AGH od czerwca 1999 r. do chwili
przejścia na emeryturę (30 września 2007 r.).
Dorobek naukowy Edwarda Leji obejmował łącznie
135 pozycji w tym 94 artykuły, referaty i komunikaty,
2 skrypty, 12 patentów oraz liczne niepublikowane
opracowania naukowe (np. ministerialne projekty
badawcze i wdrożeniowe przyznane drogą konkursową),
opracowania na zamówienie przemysłu.
Wypromował siedmiu doktorów - z tego dwie osoby
są już profesorami oraz bardzo wielu magistrów
i inżynierów fizyki ciała stałego, inżynierii materiałowej,
technologii elektronowej i elektroniki. Był pionierem oraz
uznanym autorytetem w metodach nanoszenia cienkich
warstw technikami jonowymi, specjalizował się szczególnie
w reaktywnym rozpyleniu katodowym. Już
w 1966 roku opublikowali z M. Jachimowskim pracę: On
the Deposition of thin Oxide Films by Reactive Bias
Sputtering (Acta Phys Polon. vol. 29, (1966), 43). Swoją
pasję i doświadczenie w zakresie próżniowych technik
nanoszenia cienkich warstw przekazywał sumiennie na
swoich współpracowników i doktorantów - technologów
i fizyków cienkich warstw, tworząc bardzo silny
naukowo Zakład Fizyki i Technologii Elektronowej (1986-
92) przy Instytucie Elektroniki AGH. W wyniku zmian
strukturalnych uczelni (w 1992 roku nastąpiła zamiana
instytutów na katedry) oraz w wyniku naturalnego pro-
ELEKTRONIKA 11/2009 77

cesu postępu, rozwoju i usamodzielniania się młodszej
kadry naukowej zakład kierowany przez doc. Edwarda
Leję przekształcił się w zespoły naukowe zajmujące się:
strukturami optoelektronicznymi, ogniwami słonecznymi,
warstwami magnetycznymi (dla elektroniki spinowej),
warstwami tlenkowmi (na detektory gazowe).
Do najważniejszych osiągnięć Profesora Leji, należy
moim zdaniem zaliczyć Jego prace wdrożeniowe,
takie jak na przykład:
- opracowanie technologii, dokumentacji i budowa
wielokomorowej zautomatyzowanej linii technologicznej
do pokrywania cienkimi warstwami wielkoformatowych
tafli szklanych (współwykonawca
dr K. Marszałek, produkcja uruchomiona w firmie
MARYLAND w Rzeszowie),
- opracowanie technologii nanoszenia warstw absorpcyjno-antystatycznych
na osłony monitorów komputerowych
(produkcja uruchomiona w firmie IDEA we
Wrocławiu),
- opracowanie technologii, dokumentacji i budowa zautomatyzowanego
urządzenia próżniowego z zastosowaniem
techniki łukowej do pokrywania cienkimi
warstwami elementów gospodarstwa domowego
(współwykonawca dr K. Marszałek, produkcja uruchomiona
w firmie ZELMER w Rzeszowie).
Tego rodzaju dużych opracowań zakończonych
wdrożeniem i patentami znajdujemy w dorobku
prof. Leji 12. w latach 1980-1999.
Niestety, tylko część swoich osiągnięć, również te
które były badaniami podstawowymi Prof. Leja opublikował,
wolał realizacje praktyczne i materialne wykonanie
dzieła.
Do ciekawszych opracowań naukowych opublikowanych
lub zreferowanych na konferencjach można
zaliczyć: wykorzystanie efektu elektrochromowego
w pokryciu szyb okiennych - Application of Electrochromic
Structures in Windows Sets (7-th Int. Symp.
On Trends and Applications of Thin Films) lub nowe
wątki z ostatniego okresu Jego działalności badawczej
dotyczące szkieł hybrydowych, których właściwości
modyfikuje się wprowadzając do ich struktury dodatki
organiczne - Structure and optical properties of hybrid
glasses based on tetraethylorthosilicate-trimethoxyoctylsilane
and tetraethylorthosilicate - tetraethylorthotitanate-trimethoxyoctylsilane
systems (Journal of
Molecular Structure vols. 744-747, 2005, 597).
Prof. Leja był bardzo aktywnym członkiem Polskiego
Towarzystwa Próżniowego (PTP), udzielał się w sekcji
Techniki Próżni, na konferencjach tej sekcji i Szkołach
Techniki Próżniowej wygłaszał referaty naukowe i szkoleniowe
- ostatni referat wygłosił w czerwcu w 2006 roku
Przemysłowe Zastosowania Techniki Próżniowej.
Edward był człowiekiem bezinteresownym bardzo
pomocnym w każdej sprawie każdemu, kto się do niego
zwrócił. Przyciągał do siebie ludzi ciekawych wiedzy,
ludzi z pomysłami, On dawał im swoje rady i doświadczenie.
Do końca miał doktorantów - ostatniego wypromował
w maju tego roku. Warto wspomnieć, że dwaj
ostatni (z roku 2008 i 2009) byli spoza środowiska uniwersyteckiego
- tak jak On pasjonaci i fanatycy rozwiązań
praktycznych.
Edward był bardzo skromny nie zabiegał o stanowiska
i splendory, wystarczała Mu przede wszystkim
satysfakcja z dobrze i solidnie odrobionej roboty. Był
troskliwym, zapobiegliwym i kochającym mężem, ojcem
i dziadkiem.
Edward udzielał się również społecznie, za Jego
działalność edukacyjną, popularyzowania wiedzy
i sztuki dziękowały na pogrzebie stowarzyszenia - Ziemi
Staszowskiej i Miłośników Bronowic.
Na konferencjach (szczególnie tych, które były organizowane
poza aglomeracjami miejskimi) był dla Niego
zawsze przygotowany kącik na mini wystawę namalowanych
akwarel z widokami okolicznych pejzaży, bukietów
kwiatów. Swoimi obrazkami obdarowywał bardzo
spontanicznie nie tylko swoich przyjaciół.
Pejzaż pól beskidzkich, czy bukiet tulipanów, które
wiszą na ścianie mojej pracowni, będą wspomnieniem
naszej przyjaźni i długich lat wspólnej pracy.
Czerwiec 2006 podczas wykładu na Szkole Techniki Próżniowej
organizowanej przez PTP (Kraków Biblioteka Jagiellońska)
Żegnam Cię Panie Profesorze, Wspaniały Przyjacielu
Tomasz Stobiecki, 16 października 2009
78 ELEKTRONIKA 11/2009

Zastosowanie technik immunoenzymatycznych
i mikrofluidycznych do amperometrycznego
oznaczania stężenia białka C-reaktywnego
mgr inż. ANNA BARANIECKA 1,2 , mgr BEATA KAZIMIERCZAK 2 , J. KRUK 2 ,
dr inż. hab. DOROTA G. PIJANOWSKA 2 , prof. dr hab. inż. WŁADYSŁAW TORBICZ 2
1 Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa
2 Instytut Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN, Warszawa
Od czasu odkrycia (1930 r.) i wykrystalizowania (1947 r.)
białka C-reaktywnego (CRP) stale wzrasta jego rola w diagnostyce
medycznej, jako czynnika pozwalającego prognozować
możliwość wystąpienia zawału serca, wykryć stan
zapalny i nekrozę oraz ocenić ryzyko i dynamikę rozwoju choroby.
Białko CRP jest niespecyficznym białkiem ostrej fazy
i jednym z najlepszych niespecyficznych markerów wielu stanów
zapalnych. Jak wskazują wytyczne European Society of
Cardiology z 2005 roku, pożądane są dokładne i szybkie testy
do oznaczeń tego białka.
Cząsteczki CRP mają masę ~120 kDa i są pentametrami,
składają się z 5 identycznych podjednostek o masie cząsteczkowej
~21 kDa (rys. 1). Są one syntetyzowane w hepatocytach
w odpowiedzi na podwyższony poziom interleukiny-6
(IL-6) i są obecne w wątrobie oraz osoczu. W organizmie
białko to prawdopodobnie usprawnia proces immunofagocytozy,
a także w znacznym stopniu przyczynia się do łagodzenia
autoimmunizacji ustroju [1-4]. Synteza CRP może
zachodzić w szybkim tempie, co daje dużą dynamikę zmian
stężenia [1,3], mających często formę piku.
Poziom stężenia CRP jest zmienny - uwarunkowania genetyczne
- oraz zależny od płci i wieku. Polskie laboratoria
uznają za prawidłowe stężenie CRP w surowicy ludzkiej do
10 mg/l [2]. Dotychczas jednak nie zostały określone poziomy
referencyjne CRP, dla których można byłoby przyjąć, że ryzyko
zawału mięśnia sercowego jest minimalne. Według norm
amerykańskich, stężenie poniżej 1 mg/l świadczy o niskim ryzyku
wystąpienia zawału lub ataku serca. Stężenie 1…3 mg/l
może wskazywać na podwyższone ryzyko wystąpienia zawału,
powyżej 3 mg/l wskazuje na wysokie ryzyko tych zdarzeń
[5]. Natomiast stężenie powyżej 10 mg/l może świadczyć
o przewlekłym stanie zapalnym [6]. Podczas ostrych stanów
zapalnych jego stężenie może wzrosnąć nawet do
350…400 mg/l. Największe stężenie białka CRP występuje
u pacjentów z chorobą nowotworową i operacjach stanach
pooperacyjnych. Stężenie białka CRP wzrasta również w chorobie
niedokrwiennej serca i może być markerem określającym
ryzyko, zaawansowanie choroby oraz efekty terapii,
a także przy infekcjach bakteryjnych (40…200 mg/l) [7]. Standardowe
analizy medyczne dotyczące białka CRP są przeprowadzane
przy użyciu immunoenzymatycznych testów
ELISA (Enzyme-Linked Immunoassay) z poziomem detekcji
poniżej 0,2 mg/l [8].
W diagnostyce medycznej chorób serca, obok dużych laboratoriów
stale wzrasta rola systemów diagnostycznych i monitorowania
w miejscu przebywania pacjenta tzw. diagnostyka
przy łóżku pacjenta - point-of-care [9-11]. Oprócz białka CRP,
często monitorowane są inne markery sercowe takie jak: troponina,
mioglobina, kinaza kreatyninowa, hemocysteina czy
fibrynogen [12]. Poza poprawieniem jakości opieki medycznej,
szersze zastosowanie testów na CRP daje wymierne korzyści
środowiskowe i ekonomiczne, ponieważ istnieje związek między
ich stosowaniem, a zmniejszeniem nieuzasadnionego
użycia antybiotyków [13]. Bardzo przydatne stają się w tym
przypadku wielofunkcyjne urządzenia diagnostyczne z szybką
detekcją amperometryczną oraz funkcją wstępnego rozdziału
próbki, np. metodą elektroforezy kapilarnej.
Immunoczujniki CRP
Rys. 1. Białko C-reaktywne (z PDB 1GNH)
Fig. 1. C-reactive protein (from PDB 1GNH)
Od wielu lat są na świecie prowadzone prace nad czujnikami
CRP wykorzystująca różne rodzaje detekcji: optycznej
[14-22], magnetycznej [8], elektrochemicznej [23] czy piezorezystancyjnej
[24,25]. Immunoczujniki enzymatyczne (z prze-
ELEKTRONIKA 11/2009 79

ciwciałami znakowanymi enzymem) są czujnikami, które są
stosowane z wyboru w przypadku nieprzezroczystych próbek
zawierających oznaczany analit (płyny ustrojowe). Prace nad
takimi immunoczujnikami prowadzone są we współpracy
Instytutu Biocybernetyki i Inżynierii Biomedycznej PAN oraz
Instytutu Technologii Elektronowej.
W przypadku nowoczesnych urządzeń analitycznych, takich
jak bioczujniki bardzo istotnymi cechami są: niski koszt
pojedynczego testu, krótki czas oczekiwania na wynik, duża
czułość oraz możliwość analizowania złożonych próbek.
Można to uzyskać poprzez zastosowanie amperometrycznego
systemu detekcji i przeciwciał monoklonalnych oraz
układu mikroprzepływowego w systemie jedno- lub wielomodułowym.
W amperometrycznych immunoczujnikach często
wykorzystywane są trzy rodzaje reakcji: immunologiczna, enzymatyczna
i redoks.
Białko C-reaktywne należy do substancji, których cząsteczki
nie są elektrochemicznie aktywne, dlatego też trudna
jest ich bezpośrednia detekcja amperometryczna. Do ich detekcji
są stosowane złożone testy typu ELISA - bezpośrednie
lub pośrednie, w których pochodzące z próbki cząsteczki CRP
są immobilizowane na podłożu. Inny rodzaj testu ELISA - kanapkowy,
polega na wychwyceniu cząsteczek CRP ze
złożonej próbki przy użyciu przeciwciał. Następnie łączą się
one z drugimi przeciwciałami znakowanymi enzymem np. fosfatazą
alkaliczną (AP). Schematyczny przebieg poszczególnych
rodzajów testów ELISA przedstawiono na rys. 2.
W kolejnym etapie testu prowadzona jest reakcja enzymatyczna.
W przypadku AP - po dodaniu odpowiedniego substratu
np. fosforanu kwasu askorbinowego (AA-P) - następuje
reakcja hydrolizy enzymatycznej, w wyniku której powstaje
elektrochemicznie aktywny związek, jakim jest kwas askorbinowy
(AA). Ulega on elektroutlenieniu (reakcja redoks), które
umożliwia detekcję amperometryczną (pomiar prądu utleniania).
Produktem reakcji redoks jest kwas dehydroaskorbinowy
(DHAA) [26-29].
W IBIB PAN opracowano bezpośredni test immunologiczny
do oznaczania CRP z detekcją amperometryczną, polegający
na: (1) immobilizacji CRP na membranie nitrocelulozowej
i tworzeniu immunokompleksów CRP--IgG-AP; (2), następnie
przeprowadzeniu reakcji enzymatycznej tj. hydrolizy
AA-P, katalizowanej przez fosfatazę alkaliczną (AP) - marker
przeciwciała w immunokompleksie oraz (3) detekcji elektrochemicznego
utleniania produktu reakcji enzymatycznej tj. AA
do DHAA na elektrodzie węglowej:
CRP + IgG-AP (CRP--IgG-AP) immunokompeks
(1)
AA_P + H 2 O AA + H 3 PO 4 (2)
AA - 2H + - 2e - Potencjał
+ ½O utl
2 DHAA + H 2 O (3)
Trójelektrodowe immunoczujniki (do jednorazowego stosowania)
wykonano na folii Autostart metodą sitodruku, w których
elektrodą pracującą (WE) i pomocniczą (CE) są elektrody
a)
b)
AP immunokompleks
Rys. 3. Woltamperogramy dla różnych stężeń IgG-AP, jeden
czujnik (a) i odpowiadająca im uśredniona krzywa kalibracji wyznaczona
dla kilku badanych czujników (b)
Fig. 3. Voltammograms for different concentrations of IgG-AP (a)
and corresponding calibration curve (b)
Rys. 2. Rodzaje testów ELISA stosowane w immunoczujnikach: 1 - bezpośredni, 2 - pośredni, 3 - kanapkowy
Fig. 2. ELISA tests used in immunosensor: 1 - direct, 2- indirect, 3 - sandwich
80 ELEKTRONIKA 11/2009

z pasty węglowej, zaś odniesienia (RE) - z pasty srebrnej,
chlorkowanej elektrochemicznie [26-29]. Pomiary wykonano
wykorzystując woltamperometrię cykliczną w zakresie potencjałów
-0,2...+1,0 V. Jako substrat używany był fosforan
kwasu askorbinowego - ze względu na wiele zalet, takich jak:
nietoksyczność, trwałość, dużą rozpuszczalność w roztworach
wodnych, niska cena i brak konieczności stosowania warunków
specjalnych, np. kontrolowanej atmosfery.
Woltamperogramy dla różnych stężeń IgG-AP oznaczanych
z wykorzystaniem czujnika sitodrukowanego z elektrodą
węglową oraz uśrednioną krzywą kalibracji od stężenia
IgG-AP, wyznaczoną dla kilku badanych czujników przedstawiono
na rys. 3. Stwierdzono, że dolna granica amperometrycznego
oznaczania IgG-AP za pomocą wytworzonych
w IBIB PAN węglowych czujników sitodrukowanych wynosiła
około 0,1 mg/l.
Inne specyficzne receptory stosowane
w bioczujnikach CRP
Oprócz przeciwciał w bioczujnikach CRP wykorzystywana
bywa interakcja między tym białkiem a fosfocholiną, która jest
jego klasycznym ligandem [30]. Przydatne okazało się też
białko A, które wykazuje powinowactwo i łączy się z regionem
F C przeciwciał IgG. Wykazano, że może ono być również
narzędziem do specyficznego wiązania białka
C-reaktywnego [31].
Zastosowanie znajdują też pojedyncze syntetyczne krótkie
nici DNA i RNA (oligonukleotydy), zwane aptamerami. W zależności
od rodzaju są one czułe na różne cząsteczki m.in. na
CRP. Bioczujniki bazujące na nich są nazywane aptasensorami
[30,32-34]. Receptory te są selekcjonowane in-vitro
z bibliotek kombinatoryjych techniką SELEX (Systematic Evolution
of Ligands by EXponential enrichment), opracowaną
niezależnie przez trzy laboratoria w 1990 roku [35]. Metoda
ta polega na inkubacji analitu z aptamerami, następnie wymywaniu
aptamerów niespecyficznych i powielaniu specyficznych
za pomocą łańcuchowej reakcji polimerazy (PCR).
Koszt i ryzyko ich wytwarzania są mniejsze niż w przypadku
przeciwciał, jednak progi detekcji w bioczujnikach na nich bazujących
są wyższe niż dla immunoczujników. Zaletą aptamerów
w odróżnieniu od przeciwciał jest ich odporność na
wyższe temperatury i możliwość całkowitej regeneracji po teście
- bez utraty właściwości [36]. Testy z udziałem aptamerów
ELONA - (Enzyme Linked Oligonucleotide Assay) przypominają
testy immunoenzymatyczne ELISA. Aptamery są stosowane
również razem z przeciwciałami w układach kanapkowych
[30,37].
Układy mikrofluidyczne
Układ mikroprzepływowy zapewnia zmniejszenie objętości
reagentów i próbek używanych podczas testu do pojedynczych
mikrolitrów, a duży stosunek powierzchni mikrokanalików
do ich objętości zwiększa intensywność reakcji przebiegających
w układzie. Wśród elektrochemicznych metod pomiaru,
amperometryczny układ detekcji jest najczęściej stosowanym
układem, ze względu na niski poziom szumów tła
i możliwość szybkiej detekcji.
Zastosowanie przeciwciał w immunoczujnikach pozwala
na uzyskanie dużej specyficzności testu - dzięki temu można
zmierzyć stężenie konkretnego analitu w złożonej próbce, takiej
jak np. krew.
Części systemów hybrydowych są wykonywane z różnych
materiałów takich jak: negatywowy fotorezyst SU-8
[38-40], poli(dimethylsiloxan) PDMS [41,42], szkło - np.
Pyrex, Foturan [43], krzem, poli(metylakrylan) PMMA [44,45],
poliwęglany PC, cykliczne olefinowe polimery i kopolimery
[46] oraz polistyren PS [47], Parylen [48] czy Kapton [49,50].
Często wykorzystane są materiały hybrydowe - np. PDMS
jest łączony ze szkłem [51-55]. Ze względu na prosty i mało
kosztowny sposób obróbki, wytwarzania i łączenia, a także
dużą biozgodność, dobre właściwości optyczne oraz dużą
odporność na czynniki chemiczne, najczęściej stosowanym
materiałem jest PDMS.
Układy mikrofluidyczne są często stosowane w układach
z immunoczujnikami m.in. z czujnikami do oznaczeń CRP
[31,32,56].
Immobilizacja receptorów
w bioczujnikach mikrofluidycznych
W immunoczujnikach mikrofluidycznych, immobilizacja receptorów
typu przeciwciała lub aptamery może być przeprowadzona
na elektrodach zintegrowanych z układem, ściankach
mikrokomór reaktorów (adsorpcja, pułapkowanie, wiązanie kowalencyjne)
lub na oddzielnych strukturach typu membrany
o chemicznie zmodyfikowanej rozwiniętej powierzchni wewnętrznej.
Przed immobilizacją za pomocą wiązań kowalencyjnych
jest na ogół przeprowadzana chemiczna modyfikacja
powierzchni w celu uzyskania hydrofilowych grup tiolowych lub
karboksylowych. Jako jednorazowe nośniki immunoreagentów
często są stosowane specjalne membrany o rozwiniętej i zmodyfikowanej
powierzchni, zawierającej grupy karboksylowe -
COOH. Takie rozwiązania są wykorzystywane do przygotowania
różnego typu membran np.: Pall Biodyne C, Pall Immunodyne
ABC, Millipore Affinity Membrane. Czasem stosowane
są również membrany do niespecyficznego wiązania białek
np. wykonane z: polifluorku winylidenu (PVDF), octanu celulozy
(CA) lub hybrydowa CA-PMMA [57].
W literaturze spotkać można wiele przykładów zastosowania
jako podłoży do unieruchamiania immunoreagentów
mikrokuleczek z tworzyw sztucznych np. polistyrenu [58] lub
szkła [59,60]. Mogą one działać w układach jednorazowych
lub przeznaczonych do regeneracji.
Moduł reakcyjny/pomiarowy w zależności od zastosowanych
materiałów może służyć do pomiarów jednorazowych
lub wielokrotnych. Przy użyciu wielokrotnym jego powierzchnia,
po przeprowadzonej reakcji, wymaga regeneracji. Roztwory
regeneracyjne: np. kwaśny roztwór glicyny [58,59],
kwaśny roztwór glicyny z dodatkiem 1% DMSO (pH 2,3) [60],
4 M roztwór mocznika, stężone HCl i NaOH, są roztworami
chemicznie aktywnymi, umożliwiającymi usuwanie kowalencyjnie
związanych immunokompleksów, co zapewnia przygotowanie
powierzchni do ponownej immobilizacji. Regeneracja
powierzchni immunoczujnika po pomiarze i powtórzenie procedur
na ogół nie zapewnia całkowitej powtarzalności wyników.
W wielu opisanych eksperymentach w okresach między
ELEKTRONIKA 11/2009 81

pomiarami - po regeneracji lub powtórnej immobilizacji przeciwciał
- immunoczujniki są przechowywane w temperaturze
4ºC. Czas, w którym immunoczujniki wymagające regeneracji
zachowują swoje parametry może być liczony nawet
w miesiącach i może obejmować kilkadziesiąt cykli pomiarowych
i regeneracyjnych. Granicę czasu użytkowania immunoczujnika
wyznacza gwałtowny spadek sygnału.
Należy podkreślić, że aktywność przeciwciał w roztworze
jest na ogół większa niż unieruchomionych na powierzchni.
Dobrym środowiskiem dla białek w tym przeciwciał, okazała
się matryca złożona z koloidalnych cząsteczek złota zawieszonych
w układzie sol-żel, opartym na Al 2 O 3 . Układ ten wykazuje
hydrofilowość, dość znaczną porowatość i dodatni
ładunek powierzchniowy [61].
Podsumowanie
W ciągu ostatnich 20 lat obserwuje się bardzo szybki rozwój
metod analitycznych bazujących na układach mikrofluidycznych.
Mikroprzepływy są stosowane w systemach do bioanaliz,
takich jak: mikroukłady do analizy całościowej - micro-TAS
(micro Total Analysis System) lub wielofunkcyjne układy mikroprzepływowe
tzw. laboratoria na chipie - Lab On a Chip (LOC).
Opracowywane są również narzędzia diagnostyczne i monitoringu
środowiska bazujące na układach mikroprzepływowych
z wykorzystaniem immunoczujników. Jednym z takich
zastosowań jest oznaczanie białka C-reaktywnego w osoczu
pacjentów. W naszych pracach dążymy do uzyskania
czułego, amperometrycznego immunoczujnika CRP, który
mógłby służyć do badań przy łóżku chorego (point-of-care).
Literatura
[1] Marnell, L., C. Mold, and T. W. D. Clos, C-reactive protein: Ligands,
receptors and role in inflammation. Clinical Immunology,
2005, 117, pp. 104-111.
[2] Orzędała-Koszel, U., Bachanek T., Kaczmarek-Borowska B.:
Białko C-reaktywne jako czynnik diagnostyczny w stanach zapalnych
jamy ustnej i chorobach nowotworowych C-Reactive
Protein as a Diagnostic Factorin Inflammatory Processes of Oral
Cavity and Neoplasma Diseases. Dent. Med. Probl., 2005, 42(1),
pp. 131-136.
[3] Volanakis, J. E.: Human C-reactive protein: expression, structure,
and function Molecular Immunology, 2001, 38, pp. 189-197.
[4] Szalai, A. J.: The biological functions of C-reactive protein. Vascular
Pharmacology, 2002, 39, pp. 105-107.
[5] Mora, S. and Ridker P. M.: Justification for the Use of Statins in
Primary Prevention: An Intervention Trial Evaluating Rosuvastatin
(JUPITER) - Can C-Reactive Protein Be Used to Target
Statin Therapy inPrimary Prevention?The American Journal of
Cardiology, 2006, 97(2A), pp. 33A-41A
[6] Wiedener, J. M.: C-reactive protein measurenment in the patient
with vascular disease. Journal of Vascular Nursing 2007, 25, pp.
51-54
[7] Clone B. and Olshaker J. S.: The C-reactive protein. The Journal
of Emergency Medicine, 1999, 17(6), pp. 1019-1025.
[8] Meyer M. et al.: CRP determination based on a novel magnetic
biosensor. Biosensors and Bioelectronics, 2007, 22, pp.
973-979.
[9] Yang Z. and Zhou D. M.: Cardiac markers and their point-of-care
testing for diagnosis of acute myocardial infarction. Clinical Biochemistry,
2006, 39, pp. 771-780.
[10] Lode P.: Point-of-care immunotesting: Approaching the analytical
performance ofcentral laboratory methods Clinical Biochemistry
2005, 38, pp. 591-606.
[11] Kemmler, M., et al.: Compact point-of-care system for clinical diagnosis.
Sensors and Actuators B, 2009, 139, pp. 44-51.
[12] Bodi V. et. al: Risk stratification in non-ST elevation acute coronary
syndromes. Predictive power of troponin I, C-reactive protein,
fibrinogen and homocysteine. International Journal of
Cardiology, 2005, 98, pp. 277-283.
[13] Takemura, Y. et al.: Economic consequence of immediate testing
for C-reactive protein and leucocyte count in new outpatients with
acute infection. Clinica Chimica Acta, 2005, pp. 114-121.
[14] Meyer, M. Hartmann M., Keusgen M.: SRP-based immunosensor
for the CRP detection - A New metod to detect a
well known protein Biosensors and Bioelectronics, 2006, 21,
pp. 1987-1990.
[15] Vikholm-Lundin I. and Albers W. M.: Site-directed immobilisation
of antibody fragments for detection of C-reactive protein. Biosensors
and Bioelectronics 2006, 21, pp. 1141-1148.
[16] Hu W. P., et al.: Immunodetection of pentamer modified C-reactive
protein using surface plasmon resonance biosensing.
Biosensors and Bioelectronics, 2006, 21, pp. 1631-1637.
[17] Domnanich P. et al.: Protein microarray for the analysis of
human melanoma biomarkers. Sensors and actuators B, 2009,
139: pp. 2-8.
[18] Brandenburg A., et al.: Biochip readout system for point-of-care
application. Sensors and Actuators B, 2009, 139, pp. 245-251.
[19] Albrecht, C., Kaeppel N., and Gauglitz G.: Two immunoassay
formats for fully automated CRP detection in human serum. Anal
Bioannal Chem, 2008, 391, pp. 1845-1852.
[20] He X., Dandy D. S., and Henry C. S.: Microfluidic protein patterning
on silicon nitride using solvent-extracted poly(dimethyloxane)
channels. Sensors and Actuators B, 2008, 129, pp.
811-817.
[21] Peoples M. C., Phillips T. M., and Karnes H. T.: Demonstration of
a direct capture immunoaffinity separation for C-reactive protein
using a capillary-based microfluidic device. Journal of Pharmaceutical
and Biomedical Analysis, 2008, 48, pp. 376-382.
[22] Wolf M., et al.: Simultanous detection of C-reactive protein and
other cardiac markers in human plasma using micromosaic immunoassays
and self-regulating microfluidic networks. Biosensors
and Bioelectronics, 2004, 19, pp. 1193-1202.
[23] Hennessy H., et al.: Electrochemical investigations of the interaction
of C-reactive protein (CRP) with a CRP antibody chemically
immobilized on a gold surface. Analytica Chimica Acta,
2009, 643, pp. 45-53.
[24] Kurosawa, S., et al., Evaluation of high affinity QCM immunosensor
using antibody fragmentation and 2-methacryloxyethyl
phosphorylcholine (MPC) polymer. Biosensors and
Bioelectronics, 2004, 20, pp. 1134-1139.
[25] Aizawa H., et al.: Conventional diagnosis of C-reactive protein
in serum using latex piezoelectric immunoassay. Sensors and
Actuators B, 2001, 76, pp. 173-176.
[26] Kazimierczak B., Pijanowska G. D., Maliszewska-Mazur M.
Łukowska E., Kruk J., Torbicz W.: Amperometryczne oznaczanie
przeciwciał znakowanych fosfatazą alkaliczną dla potrzeb immunoczujnika
białka C-reaktywnego. Mat. XV Konf. KBIiB,
Wrocław, 2007, pp. 133-136.
[27] Kazimierczak B. and Pijanowska D.: Amperometryczne oznaczanie
przeciwciał anty-CRP znakowanym fosfatazą alkaliczną.
Elektronika, 2008, 6, pp. 41-49.
[28] Kazimierczak B. and Pijanowska D.G.: Amperometryczne oznaczanie
przeciwciał anty-CRP znakowanych fosfatazą alkaliczną.
COE 2008, Poznań, 23-25 czerwca, 2008.
[29] Kazimierczak B., Pijanowska D.G., and Torbicz W.: Application
of enzyme labeled antibodies for immunosensors based on
elecetrochemical detection. Pol. J. of Chem, 2008, 82, pp.
1255-1264.
[30] Pultar J., et al.: Aptamer-antibody on chip sandwich immunoassay
for detection of CRP in spiked serum. Biosensors and Bioelectronics,
2009, 24, pp. 1456-1461.
[31] Das T., Mandal C.: Protein A - a new ligand for human C-reactive
protein. FEBS Letters, 2004, 576, pp. 107-113.
[32] Yang, Y. N., Lin H. I., Wang J. H., Shieh S. C., Lee G. B. : An integrated
microfluidic system for C-reactive protein measurement.
Biosensors and Bioelectronics, 2009, 24, pp. 3091-3096.
82 ELEKTRONIKA 11/2009

[33] Biani A., Centi S. Tombrlli S., Minunni M., Mascini M.: Development
of an optical RNA-based aptasensor for C-reactive protein.
Anal Bioannal Chem, 2008, 390, pp. 1077-1086.
[34] Kim K. S., et al.: The fabrication, characterization and application
of aptamer-functonalized Si-nanowire FET biosensor. Nanotechnology,
2009, 20, pp. 6pp.
[35] Mairal T., et al.: Aptamers: molecular tools for analytical applications.
Anal Bioanal Chem, 2008, 390, pp. 989-1007
[36] Balamurugan S., et al.: Surface immobilization methods for aptamer
diagnostic applications. Anal Bioanal Chem, 2008, 390,
pp. 1009-1021.
[37] Kang Y., et al.: Electrochemical detection of trombin by sandwich
approach using antibody and aptamer. Biochemistry, 2008, 73,
pp. 76-81.
[38] Henares T. G., Mizutani F., and Hisamoto H.: Current development
in microfluidic immunosensing chip. Analytica Chimica
acta, 2008, 6(11), pp. 17-30.
[39] Joshi M., et al.: Silanization and antibody immobilization on SU-
8. Applied Surface Science, 2007, 253, pp. 3127-3132
[40] Blagoi G., et al.: Functionalization of SU-8 photoresist surfaces
with IgG proteins. Applied Surface Science, 2008, 255, pp.
2896-2902.
[41] Meacham K.W., et al.: A Lithographically-Patterned, Elastic Multielectrode
Array for Surface Stimulation of Spinal Cord. Biomed
Microdevices, 2008. 10(2), pp. 259-269.
[42] Baek J. Y., et al.: Flexible polymeric dry electrodes for the longterm
monitoring of ECG. Sensors and Actuators A, 2008, 143,
pp. 423-429.
[43] Illiescu C., Chen B., and Miao J.: On the wet etching of Pyrex
glass. Sensors and Actuators A, 2008, 143, pp. 154-161.
[44] Liu J., et al.: Plasma assisted thermal bonding for PMMA microfluidic
chips with integrated metal microelectrodes. Sensors
and Actuators B, 2009, 141, pp. 646-651.
[45] Tsai Y. C.,. Ho C. L, and Liao S. W.: Nanobiosensors prepared by
electrodeposition of glucose oxidase in PMMA nanochannels
produced by atomic force microscopy nanolithography. Electrochemistry
Communications, 2009, 11, pp. 1316-1319.
[46] Castano-Alvarez M., Fernandez-Abedul M. T., and Costa-Garcia
A.: Amperometric detector designs for capillary electrophoresis microchips.
Journal of Chromatography A, 2006, 1109, pp. 291-299.
[47] Ishida A., Natsume M., and Kamidate T.: Microchip reversedphase
liquid chromatography with packed column and electrochemical
flow cell using polystyrene/poly(dimethylsilane). Journal
of Chromatography A, 2008, 1213, pp. 209-217.
[48] Noh H. S., Huang Y., and Hesketh P. J.: Parylene micromolding,
a rapid and low-cost fabrication method for parynele microchannel.
Sensors and Actuators B, 2004, 102, pp. 78-85.
[49] Li C., Han J., and Ahn C. H., Flexible biosensors on spirally rolled
micro tube for cardiovascular in vivo monitoring. Biosensors and
Bioelectronics 2007, 22, pp. 1988-1993.
[50] Woytasik M., et al.: Fabrication of planar and three-dimensional
microcoils on flexible substrates. Microsyst Technol, 2006, 12.
[51] Dawoud, A. A., et al.: Separation of catecholamines and dopaminederived
DNA adduct Rusing a microfluidic device with electrochemical
detection. Sensors and Actuators B 2006, 120, pp. 42-50.
[52] Huang C. J., et al.: Integrated microfluidic systems for automatic
glucose sensing and insulin injection. Sensors and Actuators B
2007, 122, pp. 461-468.
[53] Morin, F., et al.: Constraining the connectivity of neuronal networks
cultured on microelectrode arrays with microfluidic techniques:
A step towards neuron-based functional chips. Biosensors
and Bioelectronics 2006, 21, pp. 1093-1100.
[54] Dawoud, A. A., Kawaguchi T., and Jankowiak R.: In-channel
modification of electrochemical detector for the detection of biotargets
on microchip. Electrochemistry Communications, 2007,
9, pp. 1536-1541.
[55] Liu C. and Cui D. F.: Design amd fabrication of poly(dimethylsiloxane)
electrophoresis microchip with integrated electrodes.
Microsyst Technol, 2005, 11, pp. 1262-1266.
[56] Baldini F., et al.: An optical PMMA biochip based on fluorescence
anisotropy: Application to C-reactive protein assay. Sensors and
Actuators B, 2009, 139, pp. 64-68.
[57] Rauf S., Ihsan A., Akharat K., Ghuri M. A., Rahman M., Anwar M.
A., Khalid A. M.: Glucose oxidase immobilization on a novel cellulose
acetate-polymethylmetthacrylate membrane, Journal of
Biotechnology 2006,121, pp. 251-360
[58] Kakuta M. H. T., Kazuno S., Murayama K., Ueno T.: Development
of the microchip-based repeatable immunoassay system
for clinical diagnosos. Measurement Science and Technology,
2006, 17, pp. 3189-3194.
[59] Messina G. A., Panini N. V., Martinez N. A., Raba J.: Microfluidic
immunosensor design for the quantification of interleukin-6in
human serum samples. Analytical Biochemistry, 2008, 380, pp.
262-267.
[60] Kandimalla V. B., Necta N. S., Karanth N. G., Thakur M. S.,
Roshini K. R., Reni B. E. A., Pasha A., Karanth N. G. K.: Regeneration
of ethyl parathion antibodies for repeated use in immunosensor:
A study on dissociation of antigens from antibodies.
Biosensors and Bioelectronics, 2004, 20, pp. 902-905.
[61] Liu Y.: Electrochemical detection of prostate-specific antigen
based on gold colloids/alumina derived sol-gel film, Thin Solid
Films, 2008, 516, pp.1803-1808.
ELEKTRONIKA 11/2009 83

Ochrona własności przemysłowej w Przemysłowym
Instytucie Telekomunikacji S.A. na przestrzeni 75 lat
Jego historii
inż. JERZY KOBIERZYCKI, WŁADYSŁAW KĘSKA (emeryt)
Przemysłowy Instytut Telekomunikacji S.A.
Artykuł ma charakter okolicznościowy z okazji 75 lat istnienia
Przemysłowego Instytutu Telekomunikacji S.A. i prezentuje
osiągnięcia Instytutu w obszarze ochrony własności przemysłowej.
Na wstępie zawiera rys historyczny, krótko charakteryzuje
politykę patentową PIT S.A. oraz służbę ochrony
własności przemysłowej. Zaprezentowano również osiągnięcia
patentowe PIT S.A., opisano konkurs „Mistrz Wynalazczości
i Racjonalizacji” - organizowany w Instytucie od 1979 roku. Pokazano
sylwetki 10 najbardziej wyróżniających się twórców.
Rys historyczny
Podstawą prawną podjęcia działalności w zakresie ochrony
własności przemysłowej w powołanym w 1934 roku Państwowym
Instytucie Telekomunikacyjnym było Rozporządzenie
Prezydenta Rzeczypospolitej z dnia 22 marca 1928 roku
o ochronie wynalazków, wzorów użytkowych i znaków towarowych
(Dz.U. RP Nr 39 poz. 384) oraz Obwieszczenie Prezesa
Urzędu Patentowego RP z dnia 27 marca 1931 roku
o przepisach obowiązujących przy zgłaszaniu wynalazków,
wzorów i znaków towarowych.
Pierwszym wynalazkiem zgłoszonym przez Państwowy
Instytut Telekomunikacyjny w Urzędzie Patentowym RP,
8 marca 1934 r. był Układ telefoniczny, pracujący z częstotliwościami
nośnymi, którego twórcą był Jerzy Kahan.
Na wynalazek ten uzyskano 25 listopada 1936 roku patent
Nr 24231, klasa 21a 4 , 58.
Natomiast pierwszym, uzyskanym przez PIT 6 listopada
1936 roku patentem, był patent Nr 24126, klasa 21a 3 , 63/01
na wynalazek: Układ połączeń elektromagnesów wybierakowych
w samoczynnych centralach telefonicznych, zgłoszony
w Urzędzie Patentowym RP w dniu 14 maja 1934 roku.
Twórcą tego wynalazku był Konstanty Dobrski.
Do roku 1939 Państwowy Instytut Telekomunikacyjny
zgłosił do Urzędu Patentowego 11 wynalazków.
Działalność Państwowego Instytutu Telekomunikacyjnego
została w okresie okupacji przerwana.
Jesienią 1944 roku Państwowy Instytut Telekomunikacyjny
wznowił działalność w bardzo trudnych warunkach - pomieszczenia
były zdewastowane, aparatura rozszabrowana,
kadra rozproszona. W kwietniu 1945 roku na stanowisko Dyrektora
powrócił prof. Janusz Groszkowski.
Pierwszym powojennym wynalazkiem, zgłoszonym przez
PIT 18 grudnia 1946 roku, na który uzyskano patent 24 listopada
1947 roku był: „Elektryczny termoregulator ze sprzężeniem”,
patent Nr 33369, którego twórcą był Juliusz Keller.
Polityka patentowa PIT S.A.
Ochrona własności przemysłowej w Przemysłowym Instytucie
Telekomunikacji (do 1951 roku Państwowym Instytucie Telekomunikacyjnym)
miała dwojaki charakter:
• ochrona własnych oryginalnych rozwiązań poprzez
zgłaszanie wynalazków i wzorów użytkowych do Urzędu
Patentowego;
• śledzenie zgłoszeń innych podmiotów i zgłaszanie przeciwstawień
w przypadkach stwierdzenia kolizji z rozwiązaniami
PIT.
Czasokres ochrony okresowej opatentowanych wynalazków
przyjęty w PIT obejmował w zasadzie 5 lat. Wynikało to
z założenia, że w ciągu pięciu lat technika światowa na tyle intensywnie
się rozwija, że opatentowane wynalazki przestają
już być atrakcyjne i konkurencyjne w stosunku do nowszych
rozwiązań.
Każdy projekt wynalazczy zgłaszany w Przemysłowym Instytucie
Telekomunikacji S.A. w ciągu kilkudziesięciu ostatnich
lat jest rozpatrywany i analizowany przez Komisję
Wynalazczości, powołaną przez Dyrektora jako organ opiniodawczy
i doradczy w obszarze działalności wynalazczej.
Komisja w obecności twórcy i recenzenta opracowującego
opinię techniczną, analizuje wartość techniczną zgłaszanego
wynalazku, jego nowość na tle techniki światowej oraz możliwości
i potrzebę zastosowania w rozwiązaniach projektowych i
konstrukcyjnych Instytutu i spodziewane z tego korzyści. Ponadto
komisja wypracowuje zalecenia ewentualnych uzupełnień
i poprawek w dokumentacji zgłoszeniowej wynalazków. Tak
skrupulatna ocena merytoryczna zgłaszanych projektów skutkuje
bardzo małą liczbą zgłoszeń kwestionowanych, lub oddalonych
przez Urząd Patentowy. Wskutek konstruktywnego,
pomocnego twórcom podejścia komisji, również liczba wynalazków
dyskwalifikowanych przez komisję nie była znacząca.
W odniesieniu do wynalazków zastosowanych w PIT S.A. komisja
szacuje ponadto i wnioskuje wysokość wynagrodzenia dla
twórców, biorąc pod uwagę uzyskane lub przewidywane efekty
ekonomiczne oraz niewymierne efekty techniczne.
Komisji Wynalazczości przewodniczyli kolejno: doc. mgr
inż. Jerzy Fiett, dr inż. Zbigniew Maik, mgr inż. Józef Bielski,
a od 1986 roku do chwili obecnej inż. Jerzy Kobierzycki.
Generalnie kierownictwo Przemysłowego Instytutu Telekomunikacji
przywiązywało zawsze dużą wagę do działalności
wynalazczej i racjonalizatorskiej w Instytucie, poszukując rozwiązań
pobudzających zainteresowanie potencjalnych twórców
oraz popierając zgłaszane w tym zakresie inicjatywy.
84 ELEKTRONIKA 11/2009

Problemem bowiem w pracach instytutowych nie był brak
oryginalnych rozwiązań, ale zachęcenie ich twórców do
zgłaszania tych rozwiązań jako wynalazki. Potwierdzeniem tej
tezy jest prezentowane w dalszej części zestawienie autorów
wynalazków, z którego wynika, że liczba wynalazków zgłaszanych
w poszczególnych obszarach działalności technicznej
zależała bardziej od chęci i umiejętności sformułowania zastrzeżeń
ochronnych przez autorów, niż od ilości oryginalnych
rozwiązań opracowywanych i stosowanych w Instytucie.
W ostatnich latach działalność patentowa miała dodatkowy,
wymierny aspekt, gdyż ilość uzyskanych patentów była
brana pod uwagę przy kategoryzacji jednostek badawczorozwojowych.
Służba ochrony własności przemysłowej
w PIT
Nie zachowały się dane dotyczące pracowników służby
ochrony własności przemysłowej w PIT do lat 50. natomiast
od początku lat 60. działalność ta była prowadzona pod kierunkiem
Pana Henryka Niebojewskiego, kierownika Sekcji Patentowej
i rzecznika patentowego. Z uwagi na łączenie tych
dwóch funkcji Pan Niebojewski potrafił nie tylko wyłuskiwać
z rozwiązań projektowo-konstrukcyjnych nowość i poziom wynalazczy,
ale również wspólnie z twórcą opracować dokumentację
zgłoszeniową. W większości przypadków to nie
twórcy zgłaszali się do komórki patentowej, ale Pan Niebojewski
zgłaszał się do potencjalnych twórców. Jako rzecznik
patentowy opracował dokumentację zgłoszeniową około 200
wynalazków krajowych i 13 zgłaszanych za granicę. W roku
1974, po przejściu Pana Niebojewskiego na emeryturę, kierownictwo
tej komórki przejął Jego wychowanek Pan
Władysław Kęska. Linia programowa uprawiana przez Pana
Niebojewskiego znalazła godnego kontynuatora i była bardzo
wysoko oceniana nie tylko w Instytucie. W latach 70. i 80. PIT
zgłaszał do Urzędu Patentowego 25 do 30 wynalazków rocznie.
W roku 2001 Pan Władysław Kęska został powołany przez
Prezesa Urzędu Patentowego RP na członka kolegium
orzekającego do spraw spornych UP RP. W roku 1978 Sekcja
Patentowa po włączeniu komórki racjonalizacji z ZD PIT, została
przekształcona w Dział Ochrony Własności Przemysłowej.
Aktualnie czynnym rzecznikiem patentowym jest Pani mgr
inż. Anna Żuk. Mgr inż. Anna Żuk opracowała ponad 200 opisów
patentowych, a także osobiście przeforsowała w OHIM
uzyskanie wspólnotowego graficznego znaku towarowego na
używane od kilkudziesięciu lat logo PIT.
Zaangażowanie i wiedza rzeczników patentowych skutkowały
trafnym zdefiniowaniem właściwości patentowych rozwiązań
projektowych i konstrukcyjnych oraz poprawnym
opracowaniem dokumentacji zgłoszeniowej. W postępowaniu
przed Urzędem Patentowym rzecznicy patentowi w ogromnej
większości przypadków potrafili skutecznie bronić zgłaszanych
wynalazków.
Bezpośredni nadzór nad działalnością w zakresie ochrony
własności przemysłowej sprawowali w różnych okresach,
w zależności od przyporządkowania organizacyjnego komórki
patentowej:
- Kierownik Branżowego Ośrodka Informacji Naukowo-Technicznej
i Ekonomicznej mgr inż. Paweł Mosiewicz,
- Dyrektorzy Techniczni - mgr inż. Leszek Szmilewski i inż.
Jerzy Kobierzycki,
- Dyrektorzy Naczelni - doc. mgr inż. Jerzy Fiett i mgr inż.
Józef Machowski,
- Sekretarz Naukowy PIT doc. dr inż. Tadeusz Gawron,
- Dyrektor Naukowy dr hab. inż. Edward Sędek.
Patenty i świadectwa ochronne uzyskane
przez PIT
W latach od 1936 do 2008 PIT uzyskał 647 patentów krajowych,
14 patentów zagranicznych, 198 świadectw ochronnych
na wzory użytkowe oraz 4 świadectwa ochronne na znaki towarowe.
Patenty krajowe
Lata Ilość patentów Lata Ilość patentów
1936 - 1939 11 1980 - 1989 168
1947 - 1959 13 1990 - 1999 104
1960 - 1969 54 2000 - 2008 81
Jak widać z powyższego zestawienia, liczba patentów
uzyskanych w poszczególnych okresach jest bardzo zróżnicowana,
co w znacznym stopniu wynikało z ewolucji obszaru
tematycznego działalności Instytutu, a w pewnym stopniu było
również wynikiem okresowych spiętrzeń prac w Urzędzie Patentowym.
Autorami lub współautorami opatentowanych
wynalazków było 359 pracowników Instytutu.
Najwięcej patentów dla PIT uzyskali:
L.p.
Imię i nazwisko
Ilość
patentów
Lata
1 inż. Wacław Niemyjski 66 1969 - 2008
2 mgr inż. Anna Czwartacka 44 1971 - 2008
3 dr inż. Wiesław Klembowski 30 1969 - 1990
4 dr inż. Józef Kuliński 28 1969 - 2007
5 mgr inż. Henryk Krepsztul 27 1964 - 1973
6 mgr inż. Jan Piotrowski 25 1967 - 1997
7 mgr inż. Bogdan Stachowski 24 1991 - 2008
Patenty zagraniczne
Zgłaszanie wynalazków PIT za granicą miało incydentalny
charakter ze względu na specjalny charakter prowadzonych
w Instytucie prac. Z kronikarskiego obowiązku należy jednak
odnotować, że były to następujące wynalazki:
ELEKTRONIKA 11/2009 85

L.p.
1
2
3
4
Ostatni z wymienionych wynalazków miał początkowo
szanse zrobienia swego rodzaju międzynarodowej kariery, był
nawet zgłaszany m.in. w Japonii, Holandii, Francji, RFN, jednak
problemy z wdrożeniem w Zakładach Radiowych ELTRA
i Zakładach Radiowych im. Marcina Kasprzaka, oraz niekorzystne
warunki do transferu technologii z Polski do krajów
wysokouprzemysłowionych w okresie stanu wojennego i bezpośrednio
po nim, spowodowały jego technologiczne zestarzenie
się. Zaniechano więc dalszych starań o uzyskanie
ochrony patentowej.
Wzory użytkowe
Przemysłowy Instytut Telekomunikacji S.A. legitymuje się
198 świadectwami ochronnymi na wzory użytkowe, autorstwa
168 twórców.
Najwięcej wzorów użytkowych zgłosili:
L.p.
Tytuł wynalazku
Sposób rozmieszczania
szczelin w dzielonym rdzeniu
ferromagnetycznym
Uwarstwienie dzielonego
rdzenia ferromagnetycznego
Wzmacniacz parametryczny
wielkiej częstotliwości
Cyfrowy syntetyzer
częstotliwości
Imię i nazwisko
Data
uzyskania
patentu
krajowego
1962
1966
1969
Kraj i data patentu
zagranicznego
Bułgaria
Kuba
Węgry
Rumunia
Indie
NRD
ZSRR
Rumunia
Węgry
NRD
RFN
Jugosławia
Szwecja
1962
1962
1962
1963
1964
1965
1965
1966
1967
1969
1970
1970
1972
1989 NRD 1988
Ilość
wzorów
Lata
1 mgr inż. Kazimierz Suchodolski 22 2005 - 2008
2 mgr inż. Andrzej Jabłoński 21 2003 - 2008
3 mgr inż. Adolf Krasuski 12 1971 - 2000
4 dr inż. Józef Kuliński 10 1977 - 2003
5 Mikołaj Stasiuk 10 1986 - 2000
Znaki towarowe
W okresie od 1970 do 2008 roku Przemysłowy Instytut Telekomunikacji
S.A. uzyskał świadectwa ochronne na 4 znaki towarowe.
Dwa pierwsze znaki dotyczyły radiotelefonu Contact
300 - 1970 rok oraz radiotelefonu Kontakt 300 - 1971 rok.
Obydwa świadectwa były pierwotnie wystawione na Instytut
Tele- i Radiotechniczny, a w 1971, w ramach przeniesienia
z ITR do PIT tematyki radia, telewizji i radiokomunikacji
stały się własnością PIT.
W 1993 roku uzyskano świadectwo ochronne na znak krajowy,
słowno-graficzny (PIT w rombie), stanowiący logo Instytutu
od kilkudziesięciu lat (według dostępnych źródeł
przynajmniej od 1949 roku). Prawo z rejestracji tego znaku
trwa od 14 stycznia 1991 roku.
W 2008 roku, w wyniku usilnych starań w OHIM (Urząd
Harmonizacji Rynku Wewnętrznego), szczególnie ze strony
rzecznika patentowego PIT mgr inż. Anny Żuk - uzyskano
wspólnotowy znak towarowy graficzny na to samo logo PIT.
Ochrona znaku obejmuje wspólnotowe (Unii Europejskiej)
klasy towarowe 6, 9 i 42. Trudności w zastrzeżeniu tego znaku
na rzecz PIT wynikały ze zdecydowanego przeciwstawiania
ze strony firmy niemieckiej, legitymującej się podobnym
słownie (ale nie graficznie) skrótowcem „PIT”.
Efekty ekonomiczne
W ostatnich 10 latach zastosowane wynalazki przyniosły następujące
wymierne efekty ekonomiczne:
1999 - 476,488 zł 2004 - 369,101 zł
2000 - 227,413 zł 2005 - 409,431 zł
2001 - 198,346 zł 2006 - 446,571 zł
2002 - 95,724 zł 2007 - 232,492 zł
2003 - 386,997 zł 2008 - 554,877 zł
Konkurs „Mistrz Wynalazczości
i Racjonalizacji Przemysłowego Instytutu
Telekomunikacji”
W 1979 roku, z inicjatywy przewodniczącego Klubu Techniki
i Racjonalizacji w PIT mgr inż. Władysława Kolbreckiego, podjętej
przez ówczesnego Dyrektora Technicznego PIT inż. Jerzego
Kobierzyckiego przy znaczącym udziale służby patentowej
PIT, zorganizowano pierwszy konkurs. Celem konkursu
było zachęcenie potencjalnych twórców do zgłaszania projektów
wynalazczych oraz spopularyzowanie wśród pracowników
Instytutu działalności wynalazczej i racjonalizatorskiej.
Konkurs spotkał się z żywym zainteresowaniem nie tylko
pracowników naukowo-badawczych, ale również pracowników
produkcji.
Warunkiem uczestnictwa w konkursie było zgłoszenie
w danym roku przynajmniej jednego projektu wynalazczego.
W konkursie liczyła się nie tylko liczba projektów zgłoszonych
w roku konkursowym, ale również ich zastosowanie, a także
uzyskane w tym roku efekty ekonomiczne, patenty lub świadectwa
autorskie z projektów zgłoszonych w poprzednich latach.
Rozstrzygnięcia wyników konkursu dokonuje Komisja Wynalazczości,
działająca na tę okoliczność jako komisja konkursowa.
W każdym z corocznych konkursów uczestniczyło około
30 twórców. Na przestrzeni 30 konkursów nagrodzonych lub
wyróżnionych zostało 125 twórców o bardzo szerokim spektrum
zawodowym - od robotników do docentów.
Mistrzami Wynalazczości i Racjonalizacji w poszczególnych
latach byli:
1979 - Tadeusz Drozd, Elżbieta Galińska
1980 - Adam Kolasiński
1981 - Mieczysław Gajak
1982 - Zenon Kopeć
1983 - Ryszard Dobies
1984 - Zbigniew Czyż
86 ELEKTRONIKA 11/2009

1985 - Zdzisław Dorywalski
1986 - Józef Kuliński
1987 - Jerzy Robak
1988 - Elżbieta Rogalska
1989 - Mieczysław Gajak
1990 - Zenon Kopeć
1991 - Józef Kuliński
1992 - Anna Czwartacka, Andrzej Wronka
1993 - Józef Kuliński
1994 - Anna Czwartacka, Bogdan Stachowski
1995 - Aleksander Łabudziński
1996 - Aleksander Łabudziński
1997 - Aleksander Łabudziński
1998 - Lech Niepiekło
1999 - Andrzej Arvaniti
2000 - Aleksander Łabudziński, Wacław Niemyjski
2001 - Anna Czwartacka
2002 - Kazimierz Suchodolski
2003 - Andrzej Jabłoński
2004 - Andrzej Jabłoński
2005 - Kazimierz Suchodolski
2006 - Anna Firląg
2007 - Anna Czwartacka
2008 - Anna Czwartacka
W 30 dotychczas przeprowadzonych konkursach udział
wzięło 125 twórców.
Ranking 11 najlepszych wyników uzyskanych w 30. konkursach „Mistrz Wynalazczości i Racjonalizacji Przemysłowego
Instytutu Telekomunikacji S.A.” w latach 1979-2008
Lokata Imię i nazwisko Mistrz I wicemistrz II wicemistrz Punktacja
1 mgr inż. Anna Czwartacka 5 4 1 75
2 dr inż. Józef Kuliński 3 2 2 50
3 mgr inż. Bogdan Stachowski 1 4 1 47
4 inż. Wacław Niemyjski 1 2 2 44
5 mgr inż. Aleksander Łabudziński 4 1 39
6 mgr inż. Andrzej Jabłoński 2 2 1 36
7 mgr inż. Kazimierz Suchodolski 2 2 31
8 mgr inż. Mieczysław Gajak 2 1 21
9 dr inż. Zenon Szczepaniak 1 18
10 mgr inż. Zenon Kopeć 2 17
11 mgr inż. Janusz Pietrzak 2 1 17
Rys. 1. Uroczyste wręczanie świadectw autorskich,oraz nagród w konkursie Mistrz Wynalazczości PIT za rok 1983 (od prawej:
dyrektor PIT doc. Jerzy Fiett, dyrektor CNPEP RADWAR inż. Marian Migdalski, dyrektor techniczny PIT inż. Jerzy Kobierzycki,
kierownik Działu Ochrony Własności Przemysłowej Władysław Kęska)
ELEKTRONIKA 11/2009 87

Rys. 2. Uroczystość z okazji uzyskania przez PIT 600-nego patentu połączona z wręczaniem nagród w konkursie Mistrz Wynalazczości
PIT za rok 2004 (od lewej: dr inż. Jerzy Gorzkowski, dr inż. Józef Kuliński, mgr inż. Bogdan Stachowski, mgr inż. Anna
Czwartacka, inż. Wacław Niemyjski, oraz rzecznik patentowy inż. Edward Kozłowski)
Rys. 3. Nagrodzeni w Konkursie Mistrz Wynalazczości 2004 (od lewej: dr inż. Jarosław Małek - wyróżnienie, Andrzej Kostecki,
mgr inż. Lech Niepiekło - V miejsce, mgr inż. Andrzej Jabłoński - mistrz, mgr inż. Kazimierz Suchodolski - II wicemistrz,
mgr inż. Andrzej Jankowski - VI miejsce, Marek Kopczyński - wyróżnienie)
88 ELEKTRONIKA 11/2009

Rys. 4. Uroczyste wręczanie świadectw autorskich, oraz nagród w konkursie Mistrz Wynalazczości PIT za rok 2005 (od lewej:
Kierownik Pionu Radiolokacji i Techniki Mikrofalowej mgr inż. Henryk Kantecki, Dyrektor Naukowy PIT dr hab. inż. Edward
Sędek, przewodniczący Komisji Wynalazczości inż. Jerzy Kobierzycki, kierownik Działu Ochrony Własności Przemysłowej
Władysław Kęska.
Rys. 5. Nagradzani twórcy w Konkursie Mistrz Wynalazczości PIT za rok 2005 (od lewej: dr inż. Jarosław Małek - wyróżnienie,
mgr inż. Zbigniew Głuszczak, mgr inż. Andrzej Jabłoński - I wicemistrz, mgr inż. Zbigniew Szkutnik - wyróżnienie, mgr inż. Kazimierz
Suchodolski - mistrz)
ELEKTRONIKA 11/2009 89

Rys. 6. Mgr inż. Anna Czwartacka (II wicemistrz) i rzecznik patentowy - mgr inż. Anna Żuk
Najaktywniejsi twórcy (w kolejności alfabetycznej)
Wzory
Miejsca w Konkursie
Imię i Nazwisko
Patenty
użytkowe
I II III
mgr inż. Anna Czwartacka 44 2 5 4 1
W PIT od 1966 r., po studiach na Wydziale Łączności Politechniki Warszawskiej. Wybitna specjalistka w dziedzinie
układów odbiorczych urządzeń radiolokacyjnych, półprzewodnikowych układów mikrofalowych w technice MUS, anten
ścianowych, a w ostatnim okresie również w obszarze radarowych anten aktywnych z elektronicznie formowanymi
wiązkami. W latach 1992-1999 kierownik Zakładu Mikrofalowych Układów Czynnych, następnie projektant wiodący
jednostek antenowych radarów z antenami ścianowymi, aktualnie kieruje pilotowym opracowaniem anteny aktywnej.
dr inż. Jerzy Gorzkowski 15 2
W PIT od 1959 do emerytury w 2001 roku. W Politechnice Warszawskiej tytuł mgr inż.. uzyskał w 1960 roku, a doktora
nauk technicznych w 1976 roku. Specjalizował się w projektowaniu mikrofalowych zespołów falowodowych i współosiowych
(złącza obrotowe, przełączniki ASO, sprzęgacze kierunkowe, filtry, polaryzatory, przesuwniki fazy itp.). Posiada
bardzo dużą wiedzę teoretyczną i wysokie umiejętności posługiwania się w projektowaniu aparatem matematycznym
teorii pola elektromagnetycznego, dzięki czemu z dużym powodzeniem projektował bardzo trudne zespoły traktów
mikrofalowych radarów.
mgr inż. Andrzej Jabłoński 21 2 2 1
Konstruktor mechanik, specjalność samochody i ciągniki. W PIT od 1996 roku (poprzednio od 1974 roku w Przemysłowym
Instytucie Motoryzacji). Konstruktor wiodący jednostki antenowej 3-współrzędnego radaru dalekiego zasięgu.
Autor wielu konstrukcji wyposażenia technologicznego radaru w zakresie ergonomii, transportu, montażu itp.).
Swobodnie posługuje się wspomaganiem komputerowym konstrukcji z wykorzystaniem specjalistycznego
oprogramowania.
90 ELEKTRONIKA 11/2009

Imię i Nazwisko
Patenty
Wzory
użytkowe
Miejsca w Konkursie
I II III
dr inż.Wiesław Klembowski 30
W PIT od 1964 r., po studiach na Wydziale Łączności Politechniki Warszawskiej. W latach 1985-2001 Zastępca Dyrektora,
Kierownik Pionu Radiolokacji i Techniki Mikrofalowej, a następnie Zastępca Dyrektora ds. Badawczo-Technicznych.
Wybitny specjalista w zakresie radiolokacji, współautor rodziny stacji radiolokacyjnych dalekiego i średniego
zasięgu dla celów wojskowych i cywilnych. Pod Jego kierunkiem została opracowana 3-współrzędna stacja radiolokacyjna
dalekiego zasięgu z pierwszą w kraju anteną ścianową
mgr inż. Henryk Krepsztul 27
Pracował w PIT od 1958 do 1972 roku. Adiunkt, kierownik pracowni, zastepca głównego projektanta dużej stacji radiolokacyjnej.
Specjalizował się w problematyce elektronicznych metod pomiarowych, projektowaniu i konstrukcji specjalizowanych
przyrządów pomiarowych dla radiolokacji, zagadnień niezawodności aparatury elektronicznej. Był przedstawicielem
PIT w Sekcji Automatyzacji Pomiarów PKPA NOT.
dr inż. Józef Kuliński 28 10 3 2 2
W PIT od 1958 do emerytury w 1996 roku. Od 1964 roku kierownik pracowni linii przesyłowych i obwodów mikrofalowych
w Zakładzie Techniki Mikrofalowej. Tytuł doktora nauk technicznych, oraz specjalizację zawodowa I stopnia uzyskał
w 1978 roku. Specjalizował się w projektowaniu zespołów mikrofalowych falowodowych i współosiowych (złącza
obrotowe, przełączniki ASO, sprzęgacze kierunkowe, przejścia KF, tłumiki, przesuwniki fazy itp.) przeznaczonych do
opracowywanych w PIT radarów.
inż. Wacław Niemyjski 66 6 1 3 2
W PIT od 1959 do emerytury w 2001 roku. Specjalizował się w układach odbiorczych stacji radiolokacyjnych. Od 1970
roku kierownik Pracowni Układów Odbiorczych w Zakładzie Techniki Mikrofalowej. Od 1987 roku kierownik Samodzielnej
Pracowni Zintegrowanych Układów Mikrofalowych, przekształconej w Pracownię Zastosowań Mikrofal. Wybitny
specjalista w dziedzinie mikrofalowych układów półprzewodnikowych, w szczególności mikrofalowych układów
odbiorczych. W kadencji 1969-1971 członek Zarządu Oddziału Warszawskiego Elektroniki i Telekomunikacji SEP
mgr inż. Jan Piotrowski 25
W PIT od 1952 do śmierci w 1977 roku. W Zakładzie Techniki Nadawczej opracowywał modulatory i zespoły sterowania
nadajników urządzeń radiolokacyjnych. W latach 90-tych zastępca Kierownika Pionu Radiolokacji i Techniki Mikrofalowej.
Projektant nadajnika OTB zastosowanego w kilku zagranicznych radarach. Główny projektant radaru
samolotowego ARS-400, projektant wiodący jednostki antenowej mobilnego radaru 3-współrzędnego dla kontrahenta
zagranicznego, oraz nadajnika do tej jednostki
mgr inż. Bogdan Stachowski 24 2 1 4 1
W PIT od 1975 roku, bezpośrednio po studiach na Wydziale Elektroniki Politechniki Warszawskiej. Początkowo projektant
w Zakładzie Techniki Mikrofalowej w pracowni Mikrofalowych Układów Odbiorczych. Od 1992 roku kierownik Pracowni
Układów Półprzewodnikowych w nowoutworzonym Zakładzie Mikrofalowych Układów Czynnych, a od 1999 roku
kierownik tego zakładu. Specjalizował się w projektowaniu, konstrukcji i wdrożeniach układów mikrofalowych czynnych
małej i średniej mocy, przeznaczonych do torów odbiorczych stacji radiolokacyjnych. W ostatnich latach zakres tych prac
rozszerzył się o bloki i podsystemy odbiorcze wielowiązkowych radarów z antenami ścianowymi..
mgr inż. Kazimierz Suchodolski 22 2 2
W PIT od 2001 roku, poprzednio od 1980 roku w Przemysłowym Instytucie Maszyn Budowlanych, gdzie konstruował
m.in. jednostki antenowe do radarów dalekiego zasięgu, opracowywanych w PIT. W PIT kontynuował te prace przy modernizacji
jednostki antenowej stacji radiolokacyjnej dalekiego zasięgu. Konstruktor mechanik, autor wielu konstrukcji
wyposażenia technologicznego stacji radiolokacyjnych m.in. w zakresie montażu i serwisu wielkogabarytowych struktur
antenowych. Mimo relatywnie krótkiego zatrudnienia w PIT był autorem 22 wzorów użytkowych, na które PIT uzyskał
świadectwa ochronne.
ELEKTRONIKA 11/2009 91

Wielopoziomowy trening symulacyjny w szkoleniu
operatorów urządzeń. Zastosowanie do szkolenia
operatorów robotów mobilnych
dr inż. ANDRZEJ KACZMARCZYK 1 , dr inż. MAREK KACPRZAK 1 ,
prof. dr hab. inż. ANDRZEJ MASŁOWSKI 1,2
1
Instytut Maszyn Matematycznych, Warszawa
2
Politechnika Warszawska, Wydział Mechatroniki, Instytut Automatyki i Robotyki
Do szkolenia operatorów urządzeń kosztownych i/lub stwarzających
istotne zagrożenie dla otoczenia w przypadku błędu
operatora używa się trenażerów wykorzystujących symulację
komputerową (symulatory do szkolenia pilotów, kierowców
pojazdów drogowych i szynowych, obsługi broni i innych
urządzeń wojskowych). Zapotrzebowanie na trenażery będzie
rosło z wielu powodów. Po pierwsze pojawiają się nowe
urządzenia i nowe profesje operatorskie. Jednym z takich nowych
obszarów jest szkolenie operatorów robotów zdalnie
sterowanych, znajdujących coraz szersze zastosowanie
w wielu dziedzinach - w wojsku i policji, inspekcji i ratownictwie,
pielęgnacji i medycynie (ze zdalną chirurgią włącznie).
Po drugie - w starych i w nowych profesjach będzie rosła
liczba operatorów do przeszkolenia, gdyż będzie użytkowanych
coraz więcej urządzeń sprzedawanych na rozwijające
się rynki. W miarę doskonalenia technicznego trenażerów
i obniżki ich kosztów, stosowanie ich będzie obniżało koszty
szkolenia operatorów, a więc będzie się rozpowszechniało.
Obniżkę kosztów przy dużej liczbie szkolonych będzie
można uzyskiwać przez stosowanie treningu wielopoziomowego,
z użyciem trenażerów o różnym stopniu perfekcji, wykorzystujących
VR (Virtual Reality) i AR (Augmented Reality);
mniej perfekcyjne i tańsze trenażery będą stosowane w początkowych
etapach szkolenia. Rozwiązaniem wpływającym
w sposób istotny na obniżkę kosztów szkolenia będzie e-trening,
umożliwiający zdalne nabywanie umiejętności operacyjnych
i będący rozszerzeniem e-learningu polegającego na
zdalnym zdobywaniu wiedzy. Symulacja komputerowa z wykorzystaniem
grafiki 3D, technologia gier komputerowych, jak
również 3D Internet są niezbędnymi środkami do opracowania
metodologii e-treningu i zbudowania skutecznych aplikacji.
Zastosowanie e-treningu - co najmniej na pewnych
poziomach w cyklu szkolenia stwarza możliwość opanowania
potrzebnych umiejętności operacyjnych w szkoleniu na skalę
masową, w sposób ekonomiczny, bez wydłużania czasu szkolenia.
Podobnie jak w przypadku e-learningu, systemy e-treningu
umożliwią obsługę dużej liczby szkolonych rozproszonych
geograficznie, korzystanie przez nich z kursów dostępnych
24-godziny na dobę i dostosowanie tempa szkolenia
do indywidualnych możliwości. E-trening umożliwi nie tylko
obniżkę kosztów szkolenia operatorów urządzeń, ale będzie
mógł być użyty, również powodując obniżkę kosztów szkolenia
personelu serwisującego urządzenia (np. do szkolenia
obsługi naziemnej samolotów).
Artykuł niniejszy ma za przedmiot metodykę szkolenia
operatorów robotów inspekcyjno-interwencyjnych najbardziej
dziś rozpowszechnionego typu: robotów mobilnych naziemnych,
wyposażonych w manipulator i zestaw sensorów, w tym
w kamerę wizyjną.
Roboty takie znajdują zastosowanie do wspomagania
działań antyterrorystycznych, militarnych i ratownictwa, w systemach
ochrony nadzorowanych obszarów i granic lądowych
i morskich, a także do ochrony infrastruktury krytycznej. Rozwój
technologii potrzebnych do realizacji tych zastosowań jest istotnym
składnikiem „technologii dla bezpieczeństwa” - jednego
z priorytetowych kierunków badań Krajowego Programu Badań
Naukowych i Prac Rozwojowych. Spożytkowanie wyników prac
badawczych i rozwojowych, tzn. zastosowania robotów na szerokim
polu zapewniania bezpieczeństwa przy ich użyciu powoduje,
że potrzebne będzie szkolenie, a także bieżące
doszkalanie - wynikające z szybko postępujących zmian technologii
- dużej liczby operatorów umiejących posługiwać się robotami,
zarówno w wojsku i służbach mundurowych, jak i wśród
pracowników cywilnych. System szkolenia powinien umożliwiać
certyfikację umiejętności operatorskich, zapewniającą kompetencję
obsługi robotów, od której zależeć będzie - szczególnie
w przypadku działań antyterrorystycznych, ratownictwa oraz inspekcji,
ochrony i remontu infrastruktury krytycznej - życie ludzi
i stan środowiska. Zaproponowana metodyka treningu wielopoziomowego,
uwzględniająca również certyfikację szkolonych
operatorów, została poddana ocenie ankietowej krajowych
użytkowników i producenta robotów. Wyniki tej oceny posłużyły
do korekty metodyki treningu mającej na celu przystosowanie
jej do potrzeb krajowych.
Koncepcja metodyki treningu
Koncepcję metodyki treningu wielopoziomowego opracowano
dla potrzeb projektu badawczo-rozwojowego „Platforma do
projektowania i tworzenia oprogramowania komputerowych
trenażerów do robotów mobilnych inspekcyjno-interwencyjnych”
(nr OR000046040).
Cele szkolenia
Finalnym celem szkolenia jest nabycie przez operatora
biegłości w operowaniu robotem we wszystkich przewidzianych
przez producenta trybach pracy przy wykonywaniu
92 ELEKTRONIKA 11/2009

zadań określonych przez użytkownika. Wyróżnić można poniższe
szczegółowe cele, które będą osiągane na poszczególnych
etapach szkolenia operatora:
1) zapoznanie się z robotem, jego interfejsem z operatorem,
funkcjami i trybami pracy;
2) obserwacja - operowanie kamerą (i ewentualnie innymi
sensorami) w celu wykonywania zadań obserwacyjnych,
interpretacja wyników; obserwacja w warunkach zakłóceń
(w tym widoczności ograniczonej np. przez zadymienie);
3) przemieszczanie robota - „jazda” robotem:
- w różnych warunkach terenowych (w tym sypki piasek,
żwir, kałuże),
- przy obserwacji bezpośredniej robota i jazda, gdy operator
widzi tylko obraz z kamery wizyjnej robota,
- przy pełnym sterowaniu ręcznym i przy użyciu procedur
sterowania automatycznego (autopilota);
4) operowanie manipulatorem robota:
- wykonywanie ręczne wszystkich podstawowych ruchów/przemieszczeń
manipulatora robota nieruchomego,
przy obserwacji bezpośredniej oraz za pomocą
kamery wizyjnej i innych sensorów robota,
- programowanie ruchów manipulatora i praca przy sterowaniu
automatycznym,
- operowanie manipulatorem w połączeniu z jazdą.
5) Wykonywanie „misji” robota, typowych dla poszczególnych
użytkowników/zastosowań, według scenariuszy o coraz
większym stopniu komplikacji, uwzględniających występowanie
zakłóceń i niesprawności robota oraz limity czasu.
Środki nauczania
Przedstawiono środki nauczania wykorzystywane na trzech
poziomach treningu realizowanego przy użyciu trenażerów.
Po zakończeniu szkolenia prowadzonego przy użyciu tych
środków, może być przeprowadzony trening uzupełniający/
sprawdzający w warunkach rzeczywistych (rzeczywisty robot,
rzeczywiste otoczenie).
Poziom 1 - trenażer zrealizowany za pomocą PC. Symulowane
jest otoczenie robota, robot oraz interfejs robota (pulpit
sterowniczy). Trenażer taki może być użyty na dwa
sposoby:
1) „klasa elektroniczna” ze stanowiskami szkolonych i stanowiskiem
instruktora, wyposażonymi w PC. Należy rozważyć
zastosowanie PC z dwoma monitorami ekranowymi,
jednym symulującym interfejs robota (pulpit sterowniczy
i wskazania sensorów, w tym obraz z kamery wizyjnej
robota), drugim ukazującym symulację robota
w jego otoczeniu;
2) e-learning w sieci prywatnej lub publicznej (intranet lub Internet).
Standardowy PC z jednym monitorem ekranowym
(w szczególności w sieci publicznej), trening prowadzony
na zasadzie podobnej do uczestnictwa w grze komputerowej,
wraz z punktacją. Bez udziału instruktora-człowieka.
Poziom 2 - rzeczywiste urządzenia interfejsu robota, symulowany
robot i jego otoczenie. Poziom symulacji w sensie przybliżenia
rzeczywistości - wyższy niż na poziomie 1 treningu.
Poziom 3 - zastosowanie rzeczywistości rozszerzonej AR
- rzeczywisty robot w otoczeniu rzeczywistym z elementami
symulowanymi/wirtualnymi; hełm używany przez szkolonego,
zajęcia z instruktorem.
Wykorzystanie środków nauczania do realizacji
celów szkolenia
Koncepcję wykorzystania środków do realizacji celów nauczania
ujmuje indywidualne curriculum szkolonego operatora,
które zawiera następujące etapy szkolenia:
1) zapoznanie się z robotem. Demonstracja rzeczywistego robota
oraz wstępne zajęcia z instruktorem w klasie elektronicznej,
2) indywidualna nauka e-learningowa: obserwacji, jazdy, operowania
manipulatorem i wykonywania podstawowych
misji. Po upływie określonego czasu przeznaczonego na
to szkolenie, szkolony powinien uzyskać określone wyniki
punktowe w rozegranych „grach” i przejść do następnego
etapu treningu,
3) zajęcia sprawdzające - i w razie potrzeby uzupełniające -
w klasie elektronicznej przy udziale instruktora. Po uzyskaniu
zaliczającej oceny (liczby punktów) ze sprawdzianu
szkolony przechodzi do następnego etapu treningu. Etap
ten może być pominięty i całe szkolenie z symulacją w zakresie
obserwacji, jazdy, operowania manipulatorem i wykonywania
podstawowych misji może być przeprowadzone
w klasie elektronicznej,
4) zajęcia na trenażerze poziomu 2, obejmujące krótkie
sprawdzające ćwiczenia z zakresu obserwacji, jazdy i operowania
manipulatorem, a następnie wykonywanie misji
z większą precyzją niż na poziomie 1. Po uzyskaniu zaliczającej
oceny szkolony przechodzi do następnego etapu
treningu,
5) zajęcia na trenażerze poziomu 3. Wykonywanie misji
w rozszerzonej rzeczywistości, przede wszystkim przy
użyciu rzeczywistego robota w otoczeniu z elementami rzeczywistymi
(np. różne rodzaje nawierzchni - piasek, żwir,
kałuże) i wirtualnymi.
Funkcje i właściwości trenażerów
Przed rozpoczęciem pracy trenażer powinien przeprowadzać
automatyczny test sprawności systemu i nie dać się uruchomić
w trybie pracy w przypadku wykrycia niesprawności. Trenażery
poszczególnych poziomów winny umożliwiać:
▪ na poziomie 1:
- widoczną na ekranie monitora symulację w czasie rzeczywistym
następstw użycia przez szkolonego zasymulowanych
organów sterowania robotem w zakresie obserwacji,
jazdy i manipulacji,
- wprowadzanie do trenażera zaprogramowanych scenariuszy
i widoczną na ekranie monitora symulację otoczenia
robota wynikającą z danego scenariusza,
- widoczną na ekranie monitora, lub tylko wykrytą i zasygnalizowaną
koincydencję symulacji robota i symulacji otoczenia,
- rejestrację i odtwarzanie sesji szkoleniowej każdego
uczestnika,
- wykrywanie i pomiar czasu określonych zdarzeń ekranowych,
- prowadzenie według zaprogramowanego wzorca, w sesji
szkoleniowej każdego uczestnika, punktacji wynikającej
z wykrytych zdarzeń ekranowych i czasu ich wystąpienia,
- sporządzanie raportów o przebiegu i wynikach szkolenia
(punktacja) każdego uczestnika.
Ponadto:
(I) w klasie elektronicznej:
ELEKTRONIKA 11/2009 93

- wysyłanie ze stanowiska instruktora komunikatów do stanowisk
osób szkolonych oraz podgląd tych stanowisk,
- przerywanie i wznawianie ze stanowiska instruktora pracy
na stanowiskach szkolonych, zmiana scenariusza,
- dostęp na stanowisku instruktora do raportów o przebiegu
i wynikach szkolenia każdego uczestnika;
(II) w e-learningu:
- otwieranie, zamykanie, przerywanie i wznawianie własnej
sesji szkoleniowej przez każdego uczestnika,
- odtwarzanie przebiegu własnej sesji szkoleniowej przez
każdego uczestnika,
- odczytywanie raportów o przebiegu i wynikach własnego
szkolenia przez każdego uczestnika;
▪ na poziomie 2: jak na poziomie 1 w klasie elektronicznej,
z tym, że nie jest potrzebna symulacja organów sterowania
robotem i jej uwidocznianie na ekranie monitora;
▪ na poziomie 3:
- widoczną stereoskopowo na ekranie hełmu symulację elementów
(wirtualnych) nieruchomych w rzeczywistym otoczeniu
robota,
- widoczną na ekranie hełmu koincydencję robota i symulacji
elementów otoczenia,
- podgląd ze stanowiska instruktora (na ekranie monitora)
stanowiska szkolonego,
- przerywanie i wznawianie ze stanowiska instruktora pracy
na stanowisku szkolonego, zmiana scenariusza,
- rejestrację i odtwarzanie (na ekranie monitora) sesji szkoleniowej,
- wykrywanie i pomiar czasu określonych zdarzeń sesji,
- prowadzenie według zaprogramowanego wzorca, w sesji
szkoleniowej uczestnika, punktacji wynikającej z wykrytych
zdarzeń i czasu ich wystąpienia,
- sporządzanie raportów o przebiegu i wynikach szkolenia
i dostęp do nich ze stanowiska instruktora.
Ocena wyników szkolenia - efektywności pracy
operatora
Ocena będzie dokonywana liczbowo przez przyznawanie
szkolonemu pewnej liczby punktów za wykonanie zadania.
Ocena będzie przeprowadzana automatycznie przez trenażer
(w szczególności w e-learningu) lub przez instruktora. W obliczaniu
oceny za większy fragment oraz za całość szkolenia
stosowane będą współczynniki wagowe. System punktacji
winien być zaprojektowany z uwzględnieniem następujących
atrybutów efektywności działań operatora, która winna być
uzyskiwana w wyniku szkolenia:
- elastyczność - zdolność do opanowywania sytuacji w otoczeniu
złożonym, niepewnym, zaskakującym zmianami,
- szybkość - zdolność do podejmowania szybkich decyzji,
często pod presją możliwych niekorzystnych (a nawet groźnych)
skutków decyzji,
- odporność - zdolność do pracy pod działaniem zagrożeń,
niepewności w warunkach stresujących,
- adaptowalność - zdolność do zmiany sposobu działania
i strategii, gdy zmieniają się warunki lub samo zadanie,
- zdolność do podejmowania ryzyka i umiejętność oceny czy
się ono opłaca,
- dokładność - precyzja działania, dobre rozumienie zadań,
efektywna komunikacja.
Certyfikacja przeszkolonych operatorów
Wydaje się uzasadnionym wprowadzenie certyfikacji dla operatorów,
którzy przeszli pomyślnie trening. Należy rozważyć
udzielanie operatorom certyfikatów na trzech poziomach/stopniach:
- certyfikat 1. stopnia - operator uprawniony do pracy z jednym,
określonym typem robota,
- certyfikat 2. stopnia - operator uprawniony do pracy z wieloma
(określonymi) typami robotów,
- certyfikat 3. stopnia - instruktor upoważniony do szkolenia
operatorów.
Utrzymywanie ważności certyfikatów wymagałoby uczestnictwa
w okresowych szkoleniach i/lub bieżącej pracy operatorskiej.
W związku z tym, wraz z certyfikacją należy
wprowadzić książki pracy operatorów, do których wpisywano
by przebyte szkolenia oraz informacje o pacy z robotami
(misje, przepracowane godziny - podobnie jak w żeglarstwie
i lotnictwie).
Ocena ankietowa zaproponowanej
metodyki treningu
Ocenę przeprowadzono w czerwcu 2008. Uzyskano odpowiedzi
od 5 respondentów: 2 aktualnych użytkowników robotów,
2 potencjalnych użytkowników robotów (którzy są
zainteresowani zakupem robotów i treningiem operatorów)
oraz 1 producenta.
Rozmiary potrzeb szkoleniowych i intensywność
szkolenia
Z odpowiedzi respondentów-użytkowników wynika, że w poszczególnych
instytucjach potrzeba zatrudniać po ok. 20 przeszkolonych
operatorów; tyluż operatorów przeszkolono
dotychczas w każdej instytucji użytkującej roboty. Producent
robotów, oferujący podstawowe szkolenie operatorów w ramach
umowy o dostawę robota, przeszkolił dotychczas 135
operatorów.
Całkowity czas szkolenia operatora, zarówno przez producenta
jak i użytkownika wynosi ok. 30 h, w tym po kilka godzin
(od 1 do 8) przeznacza się na zapoznanie się z robotem
oraz czynnościami serwisowymi, a resztę na naukę operowania
robotem.
Szkolenie na pojedynczym urządzeniu odbywa się na ogół
w grupach 3- do 10-osobowych, są przypadki szkolenia indywidualnego.
Zgłaszana jest przez użytkowników potrzeba prowadzenia
szkoleń doskonalących w grupach 3 - 5-osobowych
z intensywnością kilkanaście godz./m-c.
Stosowane obecnie metody szkolenia
Do szkolenia używa się wyłącznie rzeczywistych robotów, trenażery
nie są dotychczas stosowane. Wykorzystuje się także
materiał szkoleniowy na CD dostarczany przez producenta
robota. Procedury treningu nie są określone instrukcjami
w postaci obowiązujących dokumentów. Poziom wykształcenia
szkolonych osób nie jest znany, jeden z respondentówużytkowników
podaje, że przystępujący do szkolenia znają
podstawy posługiwania się komputerem.
94 ELEKTRONIKA 11/2009

Ocena sugerowanych w ankiecie metod szkolenia
i postulaty własne respondentów
Respondenci odrzucają szkolenie zdalne jako nieefektywne,
a grę komputerową uważają za nieprzydatną w szkoleniu. Tylko
jeden z respondentów widzi potrzebę szkolenia w klasie elektronicznej
w grupach kilkuosobowych. Szkolenie na stanowisku
z rzeczywistym pulpitem sterowania i symulatorem uważają
respondenci za pożądane, przy czym zgłaszają zapotrzebowanie
na pojedyncze stanowisko, gdyby jego koszt nie przekraczał
10% kosztu robota. Dwóch respondentów uważa za
pożądany „trening oparty na zestawie Augmented Reality”.
W dodatkowych uwagach i postulatach zgłoszonych przez
respondentów podkreśla się raz jeszcze, że praktycznie przydatny
trenażer musi posiadać rzeczywisty pulpit sterowania robota,
natomiast robot i jego otoczenie mogą być symulowane.
Szkolenie operatora powinno być przeprowadzone przy zakupie
robota, a potem powinno być prowadzone doszkalanie co pół
roku. Powinna być prowadzona dokumentacja szkolenia poszczególnych
operatorów - informacja o przebytych szkoleniach
wraz z uzyskaną punktacją. W szkoleniu należy położyć nacisk
na „taktykę użytkowania” robota. Nie należy wprowadzać limitów
czasowych na wykonanie zadań, a jedynie uwzględniać ten
czas w punktacji uzyskiwanej przez szkolonego; należy też stosować
narastająco stopnie trudności zadań.
Trenażer powinien charakteryzować się dobrą grafiką
i umożliwiać symulację przesuwania obiektów, kolizji, interakcji
ze środowiskiem (niszczenie środowiska). Powinien zapewniać
podczas symulacji osiąganie wysokiej realności i precyzji sterowania,
przy uwzględnieniu położenia środka ciężkości.
Respondenci zwracają uwagę na potrzebę symulacji
w trenażerze:
- różnych podłoży i przeszkód, w tym jazdy po schodach,
- różnych warunków terenowych (ślisko, grząsko itp.),
- ciasnych pomieszczeń,
- różnych warunków atmosferycznych,
- zakłóceń i przekłamań w systemach optycznych,
- zakłóceń w komunikacji.
Trenażer winien umożliwiać symulację akcesoriów robota,
a szczególnie:
- wyrzutnika pirotechnicznego,
- zestawu rentgenowskiego,
oraz symulację zaawansowanych misji, w tym:
- otwieranie samochodu,
- neutralizacja terenu,
- wyciąganie bomb, w tym bomb losowo umiejscowionych.
Wnioski z oceny ankietowej i postulaty
rozwoju metod treningu
Obciążenia urządzeń treningowych wynikające z odpowiedzi
respondentów mogą być w sposób ekonomicznie uzasadniony
zrealizowane przy użyciu do szkolenia rzeczywistych robotów.
Potrzeba zastosowania trenażerów wynika jedynie z postulowanych
zadań szkoleniowych trudnych lub niemożliwych do
realizacji przy użyciu rzeczywistego robota na rzeczywistej scenie.
Obecne i przewidywane przez krajowych użytkowników zapotrzebowanie
na trening jest niewielkie i ten rozmiar potrzeb
nie uzasadnia ekonomicznego stosowania treningu wielopoziomowego.
Jednak przeprowadzona ankieta nie daje wiarygodnego
obrazu przyszłego rozwoju rynku usług treningowych
krajowego, jak i zagranicznego dostępnego dla polskich producentów
i usługodawców. Również odrzucany przez respondentów
wariant szkolenia zdalnego przy użyciu PC jako
terminala oraz technik gier komputerowych zapewne okaże się
przydatny gdy zapotrzebowanie na trening będzie rosło. Zastosowanie
szkolenia zdalnego, w którym do szkolenia szeroko
pojętych operatorów z natury rzeczy wykorzystuje się techniki
gier komputerowych, jest przydatne i bardzo rozpowszechnione
w dziedzinach pokrewnych. Tak więc tego typu szkolenie
zdalne jest stosowane w szkoleniu pilotów w lotnictwie. Oprócz
licznej rzeszy amatorów uprawiających hobby wirtualnego latania
w Internecie (po zdalnej nauce pilotażu), którzy nierzadko
łączą to z hobby rzeczywistego latania, profesjonalne szkoły
pilotów wykorzystują szkolenie zdalne na pierwszym etapie
nauki pilotażu. Stosuje tę metodę np. szkoła pilotażu Forder
learn to fly [1] w Toronto (Kanada), używając symulatora MS
Flight Simulator 2002/2004. Wśród amatorów bardzo popularny
jest inny, bezpłatny symulator Microsofta MS Flight Simulator X
[2]. Zastosowanie techniki gier komputerowych w wirtualnych
światach jest szeroko stosowane w treningu personelu
w różnych dziedzinach. Ostatnio wielu użytkowników stosuje
do treningu wojskowego policyjnego, a także medycznego (trening
personelu szpitala w przypadku nagłego napływu poszkodowanych
w wypadku), handlowego (trening w obsłudze
klientów personelu centrów handlowych) i innych oprogramowanie
OLIVE (On-Line Interactive Virtual Environment) [3,4]
firmy Forterra Systems. Zatem w dalszym rozwoju metod treningu
operatorów robotów mobilnych należy uwzględnić możliwość
wykorzystania szkolenia zdalnego, a także zastosowania
technik światów wirtualnych z gier komputerowych.
Ze względu na różnicę pomiędzy obecnymi, realnymi potrzebami
szkoleniowymi i potrzebami perspektywicznymi, należy
w dalszych pracach uwzględnić dwa warianty metodyki:
„metodykę A” odpowiadającą potrzebom obecnym oraz “metodykę
B” odpowiadającą przewidywanym potrzebom przyszłym.
W metodyce A tylko rzeczywisty robot oraz trenażer
złożony z rzeczywistego pulpitu sterowniczego robota oraz
komputera z symulacją robota i jego otoczenia są środkami
nauczania. W metodyce B zachowane są wszystkie środki
nauczania treningu 3-poziomowego:
- trenażer zrealizowany za pomocą PC, w którym symulowane
jest otoczenie robota, robot oraz interfejs robota
z operatorem (klasa elektroniczna i/lub e-learning);
- trenażer złożony z rzeczywistego pulpitu sterowniczego robota
oraz komputera z symulacją robota i jego otoczenia;
- stanowisko treningoweAR z rzeczywistym robotem działającym
w rzeczywistym w środowisku z zasymulowanymi obiektami.
Zagadnienia badawcze związane
z metodyką treningu
Problematyka treningu operatorów wykonujących misje jest
aktualnym polem prac badawczych, przy czym wymieniane
są następujące research questions [5]:
- na jakiej podstawie szkoleni postrzegają podobieństwo sytuacji?
Co uruchamia odpowiednie wzorce w ludzkiej pamięci?
Jak szkoleni pozyskują dodatkowe informacje, jak
współdziałają między sobą w misjach zbiorowych (wymiana
danych i uczenie się od drugich)?
ELEKTRONIKA 11/2009 95

- jak wirtualne elementy treningu mogą być zintegrowane
z rzeczywistymi, aby zapewnić pełną efektywność?
- jak wiedza przekazywana w treningu ma być zorganizowana
w wirtualne moduły, aby zapewnić do niej dobry dostęp,
gdy jest potrzebna?
- jak ma być ewaluowana jakość treningu - np. jak można
stwierdzić, że ktoś jest ekspertem?
Wydaje się, że dwa problemy o charakterze badawczym
trzeba będzie zaatakować w dalszych pracach nad metodami
treningu wielopoziomowego operatorów robotów:
- jak określić pożądane osiągi (performance) zespołu robotoperator?
- jak je mierzyć podczas treningu?
Podsumowanie
Można oczekiwać, że robotyka wygeneruje kluczowe w bliskiej
przyszłości zapotrzebowanie na e-trening. Roboty serwisowe
(service robots) o wielorakim zastosowaniu mogą
osiągnąć rozpowszechnienie porównywalne do dzisiejszego
rozpowszechnienia komputerów osobistych, a problem szkolenia
- wraz z certyfikacją - w posługiwaniu się nimi może zyskać
rozmiary porównywalne do rozmiarów szkolenia
w posługiwaniu się PC-tami po ich szerokim wprowadzeniu
do użytku w latach 80. Ale teraz nie kursy prowadzone przez
instruktorów w klasach elektronicznych lecz zdalna nauka na
zasadzie rozgrywania gier treningowych będzie głównym sposobem
nabywania umiejętności.
Literatura
[1] http://www.forderlearntofly.com/.
[2] http://www.flightsimaviation.com/_fs2006/announcement.html.
[3] http://www.forterrainc.com/.
[4] Kushner D.: Winner: Make Your Very Own Virtual World with
OLIVE. IEEE Spectrum. Jan. 2008. http://spectrum.ieee.org/telecom/internet/winner-make-your-very-own-virtual-world-with-olive.
[5] Bell H. H.: The Effectiveness of Distributed Mission Training.
Communications of the ACM. September 1999, vol. 42, no 9.
96 ELEKTRONIKA 11/2009

Zaprenumeruj wiedzę fachową
2010
WWW.SIGMA-NOT.PL
Nasze czasopisma według branż
Ceny wersji podstawowej (brutto) prenumeraty rocznej na 2010 r. Prenumerata w pakiecie (z płytą CD)– należy doliczyć 24,40 zł do ceny podstawowej prenumeraty
Przemysł
Spożywczy
Chłodnictwo
228,00 zł
Gazeta Cukrownicza
204,00 zł
Gospodarka Mięsna
234,00 zł
Przegląd
Gastronomiczny
180,00 zł
Przegląd Piekarski
i Cukierniczy
166,92 zł
Przegląd
Zbożowo-Młynarski
276,00 zł
Przemysł Spożywczy
234,00 zł
Przemysł Fermentacyjny
i Owocowo-Warzywny
234,00 zł
Budownictwo
Ciepłownictwo,
Ogrzewnictwo,
Wentylacja
234,00 zł
Gaz, Woda
i Technika Sanitarna
234,00 zł
Materiały Budowlane
228,00 zł
Przegląd Geodezyjny
240,00 zł
Szkło i Ceramika
117,00 zł
Wokół Płytek
Ceramicznych
66,00 zł
Elektronika,
Energetyka,
Elektrotechnika
Elektronika – Konstrukcje,
Technologie,
Zastosowania
264,00 zł
Przegląd
Elektrotechniczny
264,00 zł
Przegląd
Telekomunikacyjny
+ Wiadomości
Telekomunikacyjne
252,00 zł
Wiadomości
Elektrotechniczne
288,00 zł
Przemysł
Lekki
Przegląd Włókienniczy –
Włókno, Odzież, Skóra
294,00 zł
Hutnictwo,
Górnictwo
Hutnik
+ Wiadomości Hutnicze
252,00 zł
Inżynieria Materiałowa
249,00 zł
Rudy i Metale
Nieżelazne
252,00 zł
Przemysł
Pozostały
Gospodarka Wodna
288,00 zł
Przegląd Papierniczy
222,00 zł
Przemysł Chemiczny
432,00 zł
Zakład Kolportażu Wydawnictwa SIGMA-NOT – ul. Ku Wiśle 7, 00-707 Warszawa,
tel. (22) 840 35 89, 840 30 86, faks (22) 891 13 74, e-mail: kolportaz@sigma-not.pl
Czasopisma
Ogólnotechniczne
Atest
– Ochrona Pracy
216,00 zł
Maszyny, Technologie,
Materiały
78,00 zł
Problemy Jakości
282,00 zł
Przegląd Techniczny
247,00 zł
Czasopisma
Wielobranżowe
Aura
– Ochrona Środowiska
156,00 zł
Dozór Techniczny
141,00 zł
Ochrona Przed Korozją
390,00 zł
Opakowanie
216,00 zł
Dla prenumeratorów
– bezpłatny dostęp do publikacji
i możliwość umieszczenia
wizytówki firmy w Portalu
www.sigma-not.pl

NIEBO POD KONTROLĄ
OD 55 LAT
W roku 2009 przypada 55. rocznica utworzenia
Warszawskich Zakładów Radiowych
RAWAR, z których wywodzi się dzisiejsze
Centrum Naukowo-Produkcyjnego Elektroniki
Profesjonalnej RADWAR SA. Rocznica ta
jest nierozerwalnie związana z początkiem
rodzimego przemysłu radiolokacyjnego,
którego symboliczną datą jest rok 1953, kiedy
to powstał pierwszy polski radar, NYSA-A.
Ten pionierski produkt był bowiem dziełem
konstruktorów z ówczesnych Zakładów Radiowych
im. Marcina Kasprzaka - fabryki,
która stworzyła podwaliny dzisiejszego
CNPEP RADWAR SA.
Nasza działalność to 55 lat doświadczeń
na gruncie projektowania, wdrażania, integracji
i produkcji radarów i systemów dowodzenia
dla wojska, włączając eksport do
kilkunastu krajów z całego świata. Przez cały
okres istnienia firmy opracowaliśmy i wdrożyliśmy
do produkcji ponad sto typów radarów
wojskowych i cywilnych, systemów
dowodzenia i kierowania ogniem, aparatury
systemu identyfikacji „swój-obcy”, urządzeń
kontroli ruchu drogowego oraz innych
urządzeń, jak systemy alarmowe a nawet,
o czym nieliczni tylko pamiętają, kuchenki mikrofalowe.
W sumie wyprodukowaliśmy
ponad 6 tysięcy radarów i kilkaset różnego
typu systemów.
Doświadczenia minionych dziesięcioleci
pokazują, że zawsze potrafiliśmy podążać za
zmianami, dostosowując się do potrzeb
rynku i sytuacji ekonomicznej. Nasze wyroby
budzą wszędzie duże zainteresowanie
i uznanie za ich innowacyjność i profesjonalizm.
Pokazują także różnorodność naszej
dzisiejszej oferty - od radiolokacji poprzez
systemy dowodzenia do środków ogniowych.
Nasze wyroby eksportowaliśmy, promując
już od wczesnych lat 60. ubiegłego
wieku, do krajów wszystkich kontynentów
świata. Nie byłoby to możliwe, gdyby nie kiedyś
biuro konstrukcyjne, a dziś własny
Zakład Badawczo-Rozwojowy, zatrudniający
specjalistów o wysokich kwalifikacjach
i dużym doświadczeniu. Nasz ZBR ma
w swoim dorobku przeszło 150 projektów
badawczo-rozwojowych i na bieżąco realizuje
prace rozwojowe i wdrożeniowe dotyczące:
radiolokacji, zautomatyzowanych
systemów dowodzenia i kierowania ogniem,
przeciwlotniczych zestawów artyleryjskich
i rakietowych oraz inne prace dotyczące
elektroniki profesjonalnej dla wojska i odbiorców
cywilnych, w tym opracowywanie
nowoczesnych, unikatowych technologii do
szerokiego spektrum zastosowań.
Naszymi celami realizowanymi w ramach
polityki jakości są ciągłe doskonalenia systemu
zarządzania, projektowania i wdrażania
do produkcji nowych wyrobów i technologii
oraz spełnianie wymagań odbiorców. Realizujemy
te cele, bazując na doświadczonej kadrze
zarządzającej, kadrze naukowo-badawczej
posiadającej aktualną wiedzę z zakresu konstruowania
wyrobów elektronicznych najnowszej
generacji, jak również doświadczonej
załodze na wydziałach produkcyjnych.
Dzisiejsza oferta Radwaru obejmuje
wszystkie komponenty systemu obrony przeciwlotniczej
decydujące o jego skuteczności.
Głównym kierunkiem naszych działań jest rozszerzenie
oferty produktowej poprzez realizację
prac badawczo-rozwojowych nad nowymi
wyrobami. Jednym z obszarów naszego zainteresowania
są zaawansowane technologie
radarowe, w tym dotyczące radarów pasywnych.
Temu zagadnieniu poświęcony jest artykuł
znajdujący się na następnej stronie.
Jak naprawdę działa radar pasywny -
trudno wyczytać w dostępnych publikacjach.
Ze względu na zupełną nowość tego rozwiązania
oraz to, że w jego opisach dominuje
matematyka i informatyka (a nie fizyka), przeważnie
wymiana myśli odbywa się między
naukowcami w „hermetycznym” języku
trudno zrozumiałym dla przeciętnego technika
czy inżyniera. Dostrzegł to autor prezentowanego
artykułu, który podjął próbę opisania
zasad radiolokacji pasywnej „w prostych
żołnierskich słowach”.
ELEKTRONIKA 11/2009 99

Radary pasywne - nowa technika radiolokacji
mgr inż. ZBIGNIEW CZEKAŁA
Centrum Naukowo-Produkcyjne Elektroniki Profesjonalnej RADWAR SA
Termin „radar pasywny” bywa używany niezbyt precyzyjnie
w odniesieniu do sensorów, które wykrywają i lokalizują
obiekty powietrzne na podstawie promieniowania elektromagnetycznego
emitowanego przez zainstalowane na nich
urządzenia, takie jak radary pokładowe, radiostacje, transpondery
systemu rozpoznawania „swój-obcy”. Dobrze znanymi
sensorami tego typu są urządzenia Tamara i Vera
produkcji czeskiej, a kilka lat temu szczególne zasłynął ukraiński
system Kolczuga. Niefortunność terminologii polega tu
na tym, że tego typu urządzenia w istocie nie są radarami,
gdyż nie wykorzystują energii odbitej od wykrywanych obiektów,
tylko energię bezpośrednio przez nie emitowaną. Chociaż
z pierwotnego znaczenia angielskiego terminu „radar”
jako skrótu od radio detection and ranging nie wynika niezbędność
wykorzystywania energii odbitej, podobnie jak nie
wynika to z terminu „radiolokacja”, to jednak w tejże radiolokacji
występują tak podstawowe pojęcia jak: „echo” czy „skuteczna
powierzchnia odbicia”, które jednoznacznie wskazują
na to, że nie każde urządzenie lokalizujące obiekty przy pomocy
fal radiowych jest radarem. Z drugiej strony echo radarowe
nie musi być efektem promieniowania własnego
nadajnika radaru. Jeśli jest „okazja” wykorzystania ech spowodowanych
promieniowaniem różnorodnych nadajników
funkcjonujących w otoczeniu, to niewątpliwie można to uznać
jako „czystą” radiolokację, a radar który z takiej okazji korzysta
- radarem pasywnym.
W odróżnieniu od wspomnianych na początku urządzeń
„nasłuchowych”, które funkcjonują od dziesięcioleci, prawdziwa
radiolokacja pasywna jest ciągle w stadium narodzin,
gdyż wymaga ona poziomu techniki dostępnego dopiero
w ostatnich latach. Tego typu radary są określane zamiennie
dwoma terminami angielskimi: Passive Coherent Location
(PCL) lub Passive Covert Radar (PCR). Pierwszy tłumaczy
się jako „pasywna radiolokacja koherentna” i wskazuje na
stosowaną technikę, a drugi jako „pasywny radar skryty”, co
podkreśla jego walory jako radaru trudno wykrywalnego.
Celem tego artykułu jest przybliżenie technicznych rozwiązań
radaru pasywnego, dlatego zasadne będzie posługiwanie się
skrótem PCL.
Radar pasywny
Radar pasywny to taki, który nie ma własnego nadajnika, lecz
jakby „pasożytniczo” wykorzystuje tzw. okazjonalne źródła
promieniowania elektromagnetycznego. Współczesna cywilizacja
wytworzyła wiele takich źródeł: nadajniki telewizji i radiofonii,
stacje bazowe telefonii komórkowej - by wymienić
najbardziej na co dzień użyteczne. Ich dość gęsta sieć stwarza
korzystne warunki dla budowy radarów pasywnych. Sama
idea radaru pasywnego nie jest nowa i podobnie jak wiele innych
pomysłowych rozwiązań została wypróbowana już u zarania
rozwoju radiolokacji.
W roku 1935 w Wielkiej Brytanii słynny Sir Robert Watson-
Watt, jeden z pionierów radiolokacji, w miejscowości Daventry
zademonstrował wykrywanie bombowca Heyford na
odległości ok. 15 km przez obserwację jego echa w wyniku
opromieniowania przez nadajnik rozgłośni krótkofalowej BBC
Empire znajdujący się w odległości ok. 10 km. Ten eksperyment
zrobił duże wrażenie na Komitecie Badań Naukowych
dla Obrony Powietrznej w ówczesnym brytyjskim Ministerstwie
Spraw Powietrznych (Air Ministry), który niezwłocznie
wyasygnował sumę 10 tysięcy funtów na poważne wsparcie
opracowania radaru. W ciągu roku zespół Watsona Watta
opracował radar aktywny z nadajnikiem o mocy 200 kW,
zdolny do wykrywania samolotów z odległości 180 km.
Eksperyment z Daventry był pierwszym brytyjskim eksperymentem
radarowym, a zarazem pierwszą próbą radaru pasywnego
wykorzystującego okazjonalny nadajnik do
wykrywania obiektów powietrznych. Ze względu na właściwe
dla takiego systemu trudności, o których będzie mowa w tym
artykule, uzyskany zasięg wykrywania był niewielki, a ponadto
ten system potrafił tylko pokazać obecność echa samolotu,
nie był jednak w stanie wskazać jego położenia. W czasie drugiej
wojny światowej Niemcy wykorzystywali ideę radaru pasywnego,
budując urządzenia „Klein Heidelberg”, które
wykorzystywały sygnały emitowane z angielskich radarów
CHAIN HOME. Po wojnie, ze względu na trudności realizacji
radarów pasywnych, idea wykorzystania przypadkowych nadajników
w radiolokacji została zarzucona i przez następne
pół wieku traktowana jako historyczna osobliwość w rozwoju
radiolokacji, a badania skoncentrowały się na radarach z nadajnikami
impulsowymi. Do jej wskrzeszenia przyczyniła się
firma IBM, która na początku lat 80. XX wieku opracowała prototyp
radaru pasywnego zdolny do wykrywania i śledzenia samolotów
w czasie nierzeczywistym w wyniku analizy ech
nadajnika telewizyjnego. Od tamtego czasu obserwuje się
wzrost zainteresowania radarem pasywnym.
Powrót do idei radaru pasywnego wynika z jednej strony
z szybkiego rozwoju elektroniki, a z drugiej strony z oczekiwań
związanych z wykrywaniem samolotów „niewidzialnych”
(stealth) dla klasycznych radarów. To oczekiwanie wiąże się
z bistatyczną konfiguracją takiego radaru oraz faktu, że wykorzystuje
on głównie nadajniki emitujące fale w pasmach
VHF i UHF, gdzie technika stealth wydaje się być znacznie
mniej skuteczna.
Technika PCL
Dla tych, którzy zetknęli się praktycznie z klasyczną techniką
radiolokacji, a zwłaszcza tych, którzy przywiązali się do powszechnie
prezentowanych opisów funkcjonowania radaru,
PCL może na początku zdawać się wywracać ich wyobrażenia
do góry nogami. Wszyscy wiedzą, że „normalny” radar wysyła
w przestrzeń krótki impuls fali elektromagnetycznej o znanych
parametrach, tzn. częstotliwości nośnej i szerokości, a następnie
czeka na odbiór jego mikroskopijnej kopii, czyli echa.
Mierząc czas tego oczekiwania, określa odległość obiektu, od
którego nadeszło echo. Znajomość parametrów wysłanego impulsu
jest tu kluczowa, gdyż pozwala dostroić radar do odbioru
tylko jego ech, eliminując bardziej lub mniej skutecznie inne
sygnały zakłócające, zaś moment wysłania impulsu jest oczywiście
niezbędny, aby zacząć mierzyć czas oczekiwania na
echo. Wszystko tu jest zrozumiałe i logiczne. PCL rzeczywiście
wywraca ten uporządkowany obraz.
100 ELEKTRONIKA 11/2009

a)
b)
Rys. 1. Wykorzystanie promieniowania nadajnika radiofonii do radiolokacji
Fig. 1. Use of a radio broadcasting transmitter for radiolocation
Po pierwsze radar PCL nie wysyła żadnego sygnału sondującego
- robią to za niego przypadkowe nadajniki fal elektromagnetycznych
znajdujące się w okolicy; PCL tylko odbiera
echa sygnałów nadawanych przez te nadajniki, a dodatkowo
odbiera sygnały bezpośrednio przez nie promieniowane. Po
drugie te obce sygnały sondujące nie mają formy regularnych
impulsów; są to sygnały o zupełnie przypadkowej treści i formie
- jakieś fragmenty muzyki lub mowy albo obrazu telewizyjnego
przesyłane na falach eteru. A jednak to działa! Jeśli
tak, to znaczy, że utrwalony powszechnie obraz radaru impulsowego
jest tylko jedną z możliwych realizacji radaru
w ogóle. Tak jest w istocie.
Okazuje się, że właściwie każdy sygnał może być wykorzystany
do wytworzenia użytecznego echa radarowego
służącego do lokalizacji obiektów w przestrzeni. Jedno
wszakże pozostaje w zgodzie z utrwaloną znana koncepcją -
ten sygnał musi być znany, co jednak nie oznacza, że radar
musi go sam wyprodukować. Rozpatrzmy najprostszy
przykład pokazany na rys. 1.
W tym przykładzie nadajnik radiofonii UKF emituje dookoła
audycje radiowe. W pewnej odległości od niego ustawiony
jest odbiornik tej emisji, który ma dwa kanały odbioru.
Jeden kanał ma charakterystykę anteny nakierowaną na odbiór
tylko sygnału docierającego bezpośrednio z nadajnika.
Drugi kanał ma charakterystykę anteny ukształtowaną tak,
aby odbierać sygnały ech odbite od wykrywanych obiektów
oświetlonych przez ten nadajnik, ale - w miarę możliwości -
nie odbierać sygnału bezpośredniego z nadajnika. W takim
dwukanałowym odbiorniku mamy do dyspozycji „oryginał”
sygnału nadawanego oraz jego „kopie” jako echa. Czy to wystarczy
do zlokalizowania obiektów odbijających? Wracając
do porównania z radarem impulsowym, można zapytać, cóż
warte są te sygnały, kiedy są to zupełnie przypadkowe sygnały
jakiejś stacji radiofonicznej, w dodatku są to sygnały
ciągłe - bez określonego początku i końca? Okazuje się, że
właściwie każdy sygnał nadaje się do radiolokacji, o ile tylko
ma się do dyspozycji sygnał oryginalny i jego echo.
Problem podstawowy - wykryć echo
przypadkowego sygnału sondującego
Zasadniczy problem w procesie wykrywania echa radarowego
sprowadza się do wyselekcjonowania, spośród wszystkich sygnałów
dochodzących do odbiornika, echa sygnału wysłanego.
Ta selekcja polega zawsze na wykorzystaniu pewnych cech
Rys. 2. Wyznaczanie funkcji korelacji
Fig. 2. Determining the correlation function
sygnału wysłanego, przy założeniu że inne sygnały tych cech
nie mają. Najbardziej uniwersalna reguła wypracowana przez
teoretyków od wykrywania sygnałów użytecznych na tle różnorodnych
sygnałów zbędnych, czyli zakłócających, polega na
obliczeniu tzw. funkcji korelacji sygnałów nadawanego i odebranego.
W odróżnieniu od innych opracowań tutaj nie zaczniemy
od odwołania się do matematycznej formuły funkcji
korelacji, gdyż ten sformalizowany zapis dla większości Czytelników
jest zwykle odstraszający i nie sprzyja zrozumieniu zagadnienia.
Intuicyjnie rzecz jest dość zrozumiała.
Korelacja w ogólnym rozumieniu znaczy nic innego jak
wzajemny związek, co w szczególności może oznaczać podobieństwo.
W przetwarzaniu sygnałów korelacja to określanie
stopnia dopasowania dwóch przebiegów w dziedzinie
czasu i wyznaczania momentu czasowego, w którym następuje
największy współczynnik ich wzajemnej korelacji, czyli
najlepsze ich dopasowanie. W przypadku radaru PCL chodzi
o poszukiwanie podobieństwa między sygnałem oryginalnym
odebranym jedną anteną, a sygnałem echa odebranym drugą
anteną, aby spośród wielu sygnałów zidentyfikować echa,
które pochodzą od tegoż oryginału. Interpretację funkcji korelacji
najlepiej zaprezentować na przykładzie. Na rys. 2a pokazane
są dwa przebiegi, które na pierwszy rzut oka wykazują
pewne podobieństwo. Zobaczmy, jak to podobieństwo zostanie
zwymiarowane poprzez funkcję korelacji.
Aby wyznaczyć funkcję korelacji wzajemnej obydwu sygnałów,
należy:
a) podzielić obydwa przebiegi na możliwie krótkie odcinki czasowe;
teoretycznie ich długość powinna dążyć do zera, ale
w praktyce trzeba pracować na skończonym przedziale
czasowym,
b) rozstawić obydwa przebiegi względem siebie tak, aby nie
pokrywały się,
ELEKTRONIKA 11/2009 101

c) stopniowo przesuwać jeden przebieg względem drugiego
o kolejne odcinki; po każdym kroku obliczyć iloczyn
obydwu przebiegów i pole powierzchni pod tym iloczynem,
d) proces kończy się, kiedy oba przebiegi przestają się pokrywać
- rozsunięte po przeciwny stronach niż w punkcie (a).
Matematycznie ten proces oznacza mnożenie jednego
przebiegu x(t) przez przesuniętą w czasie kopię drugiego
przebiegu, którą na rys. 2a reprezentuje zapis y(t +τ), i sumowanie
kolejnych iloczynów. Dla każdego przesunięcia
τ otrzymuje się wartość proporcjonalną do pola powierzchni
zachodzących na siebie przebiegów, a w rezultacie powstaje
nowa funkcja, której dziedziną jest nie czas t, lecz przesunięcie
τ, i to jest właśnie funkcja korelacji. Na rys. 2a pokazano
siedem kroków procesu wyznaczania funkcji korelacji, a wyniki
poszczególnych kroków pokazane są na rys. 2b.
Jeśli oba sygnały mają podobny charakter, to stopień ich
dopasowania sygnałów jest tym większy, im „szczuplejsza”
i wyższa jest funkcja korelacji. Chociaż w pokazanym przykładzie
wykorzystano sygnały o przebiegu, który można nazwać regularnym,
podobny uzyskuje się dla dowolnego przebiegu,
a więc także zupełnie przypadkowego sygnału promieniowanego
przez stację radiofonii UKF. Aby to pokazać, na rys. 3procesowi
korelacji poddano najbardziej przypadkowy sygnał, jaki
można sobie wyobrazić, czyli szum. W tym celu wygenerowano
1000 próbek szumu o standardowym odchyleniu równym jeden
i poddano korelacji ten sygnał z samym sobą, czyli tzw. autokorelacji.
Na końcu sekwencji 1000 próbek występuje wąski impuls
funkcji korelacji. Na tym samym rysunku pokazano także
efekt korelacji fragmentu przebiegu szumowego, ale z inną realizacją
przebiegu szumowego o takim samym czasie trwania.
Widać, że w tym przypadku efekt korelacji praktycznie nie zachodzi.
Pokazuje to, że fragment sygnału losowego może
posłużyć do wykrycia jego kopii, czyli echa.
Skutek procesu korelacji można porównywać do efektu
kompresji, powodującego kumulację jego energii w wąskim
impulsie. Dzięki temu właśnie możliwe jest „wyłuskanie” sygnału
użytecznego spośród innych odebranych, które nie wykazują
właściwości korelacyjnych z sygnałem oryginalnym
(sondującym). Od razu nasuwa się pytanie o ilościową „siłę”
tego efektu kompresji, czyli amplitudę impulsu wyjściowego
(po korelacji), co niewątpliwie będzie wpływać na zasięg
radaru typu PCL.
Intuicyjnie zrozumiałe jest, że amplituda impulsu będącego
wynikiem procesu korelacji powinna rosnąć ze wzrostem
czasu trwania przebiegu podlegającego korelacji, czyli tzw.
czasu integracji. Istotnie, na rys. 4 pokazane są dwa przykłady
Rys. 4. Porównanie efektu korelacji dwóch par jednakowych przebiegów
szumowych różniących się dwukrotnie czasem trwania
Fig. 4. Comparison of the correlation effect of two pairs of identical
noise-like signals of twofold difference in length
a)
a)
b)
b)
Rys. 3. Porównanie efektu korelacji przebiegów szumowych:
a) dwa identyczne przebiegi, b) dwa różne przebiegi
Fig. 3. Comparison of the correlation effect of noise-like signals;
a) two identical signals, b) two different signals
Rys. 5. Funkcja korelacji przebiegu szumowego o różnych szerokościach
widma
Fig. 5. The correlation function of a noise-like signal with different
spectrum widths
102 ELEKTRONIKA 11/2009

Przebieg czasowy
Opis sygnału
Typowe parametry i zysk
przetwarzania
Prosty impuls radiowy o czasie trwania t i i mocy
szczytowej P i
P i = 1 MW
t i = 1 µs
B ≅ 1/t i = 1 MHz
k ≅ 1 = 0 dB
Impuls z liniową modulacją częstotliwości
o dewiacji ∆F, czasie trwania t i i mocy
szczytowej P i
P i = 100 kW
t i = 10 µs
B = ∆F = 3 MHz
k ≅ 30 = 15 dB
Sygnał stacji radiofonii FM o mocy średniej P
i paśmie częstotliwości B poddany integracji
w czasie t i
P = 20 kW
t i = 1 s
B = 100 kHz
k = 100 000 = 50 dB
korelacji przebiegów różniących się 2-krotnie czasem trwania.
Amplitudy impulsów po korelacji pokazują spodziewaną
2-krotną różnicę.
Charakterystyczne dla pokazanych przykładów jest to, że
funkcja korelacji jest bardzo wąską „szpilką”; dokładniejsze
przyjrzenie się jej pokazuje, że jest to pojedyncza próbka, a jej
amplituda jest równa liczbie próbek sygnału wejściowego. Wygląda
na to, że amplitudy wszystkich próbek skumulowały się
w wąskiej „szpilce” funkcji korelacji.
Taki idealny efekt wystąpił dlatego, że wygenerowany
szum był tzw. szumem białym, który charakteryzuje się bardzo
szerokim, teoretycznie nieskończonym widmem. W rzeczywistych
warunkach zawsze mamy do czynienia z sygnałami
o ograniczonym widmie. Jak ograniczenie widma wpływa na
efekt korelacji, pokazuje rys. 5. Ten sam przebieg szumowy
został poddany filtracji ograniczającej jego widmo, przy czym
w realizacji (a) zastosowany był filtr od dwukrotnie szerszym
paśmie przenoszenia. Na rysunkach pokazano pełny przebieg
funkcji korelacji oraz rozciągnięty fragment centralny.
Widać, że w obydwu przypadkach funkcja korelacji jest
znacznie szersza niż poprzednio, a ponadto łatwo oszacować,
że w przypadku (a) jest 2-krotnie węższa niż w przypadku
(b). Jednocześnie widać, że węższa funkcja korelacji
ma 2-krotnie większą amplitudę. Uwzględniwszy wcześniej
pokazaną zależność od czasu integracji, dochodzimy do
wniosku, że całkowity efekt procesu korelacji jest proporcjonalny
do iloczynu czasu trwania integracji i szerokości widma
sygnału. Ten iloczyn jest określany jako zysk procesu korelacji
i zapisywany wzorem k=B⋅t i , gdzie: B jest szerokością
widma sygnału, a t i - czasem integracji.
Proces korelacji jest uogólnieniem procesu filtracji dopasowanej,
która jest stosowana także w tradycyjnych radarach
impulsowych. W tabeli zestawiono trzy rodzaje sygnału sondującego
- dwa stosowane w radiolokacji bardziej tradycyjnej
i sygnał nadajnika stacji radiofonicznej FM.
W pierwszym wierszu tabeli mamy najbardziej tradycyjny
prostokątny impuls sondujący o czasie trwania t i wypełniony
sinusoidalną falą nośną. Ponieważ sygnał sondujący jest
znany - wiadomo, jak optymalnie odbierać jego echo - należy
zastosować filtr dopasowany, który w tym przypadku jest prostym
filtrem selektywnym nastrojonym na częstotliwość fali
nośnej i o szerokości pasma przenoszenia w przybliżeniu równej
odwrotności szerokości impulsu sondującego, B =1/t i . Odbiór
korelacyjny echa takiego impulsu dałby ten sam efekt, ale
rzecz jasna zastosowanie filtru selektywnego jest znacznie
prostsze i tańsze w realizacji. Naturalnie zysk procesu korelacji
jest w tym przypadku równy 1.
W drugim wierszu tabeli mamy przypadek typowy dla
współczesnych radarów - impuls sondujący wypełniony jest
falą nośną, której częstotliwość zmienia się w czasie trwania
impulsu o wartość ∆F. W tym przypadku do optymalnego odbioru
echa potrzebny jest filtr dopasowany do charakterystyki
zmian częstotliwości wewnątrz impulsu; jeśli w impulsie
sondującym częstotliwość narasta z czasem, filtr opóźnia
najmniej sygnały o najwyższej częstotliwości i odpowiednio
więcej opóźnia sygnały o niższych częstotliwościach.
W efekcie wszystkie częstotliwości składowe jakby kumulują
się w tym samym krótkim czasie, powodując tzw. kompresję
impulsu. Energia impulsu na wyjściu filtru kumuluje się
w czasie wielokrotnie krótszym niż czas trwania impulsu
przed kompresją, a moc szczytowa impulsu na wyjściu odpowiednio
rośnie, co daje zysk procesu korelacji k=∆F•t i .
Chociaż występuje tu zysk korelacji, to konstruktorom tego
typu radarów daje się uniknąć liczenia funkcji korelacji. Ponieważ
i tym razem oczekiwany sygnał jest dokładnie znany,
można tak zaprojektować filtr dopasowany, że jego działanie
jest ekwiwalentne procesowi korelacji. Najbardziej znaną
realizacją takiego filtru w radiolokacji jest linia dyspersyjna
z akustyczną falą powierzchniową, dziś wypierana przez cyfrowe
filtry kompresji.
ELEKTRONIKA 11/2009 103

W przypadku wykorzystania nadajnika stacji radiowej FM
mamy do czynienia z sygnałem zupełnie odmiennym od
dwóch pozostałych. Po pierwsze jest to sygnał całkowicie nieprzewidywalny.
Po drugie, jak wynika z podanych w powyższej
tabeli typowych wartości liczbowych, czas t i (w tym
przypadku t i trudno nazywać czasem trwania impulsu, natomiast
jest to czas integracji echa, więc sam symbol t i zachowuje
swoją literową logikę) jest bardzo długi w stosunku do
oczekiwanej maksymalnej odległości echa. Zwraca uwagę
duży zysk przetwarzania, który w tym przypadku jest osiągany
za cenę właśnie bardzo długiego czasu integracji - o kilka rzędów
wielkości dłuższego niż w zwykłych radarach aktywnych.
Długi czas integracji i wysoki zysk przetwarzania w PCL
są niezbędne, aby skompensować różne braki stacji radiowej
jako nadajnika: stosunkowo niska moc najczęściej dostępnych
nadajników, mały zysk anteny stacji nadawczej, która
musi emitować energię dookoła, ale także podobnie mały
zysk anteny odbiorczej. Jedynym sposobem uzyskania sensownego
zasięgu wykrywania jest odpowiednio wysoki zysk
przetwarzania. Szerokość pasma stacji FM też nie jest imponująca.
Teoretycznie przynależne stacji z modulacją FM
pasmo ok. 150 kHz jest zwykle wykorzystane w nie więcej niż
50%, co wynika z treści większości nadawanych programów
radiowych. Aby zapewnić wymagany zysk przetwarzania, pozostaje
tylko odpowiednie wydłużenie czasu integracji. Pozostawmy
jednak na razie problematykę zasięgu radarów
PCL, zanim do końca nie wyjaśni się, jak one działają. Dotychczas
wyjaśniło się zaledwie tyle, że echo całkowicie przypadkowego
sygnału „okazyjnego” nadajnika można wykryć
pośród innych sygnałów przez poddanie go procesowi korelacji.
Teraz należałoby pokazać, jak w naprawdę działa radar
PCL, ale jeszcze wcześniej trzeba uściślić podstawowe pojęcia
stosowane w radiolokacji.
azymutalnym. Te przykładowe obiekty zostaną wykorzystane
do ważnych wywodów w dalszej części artykułu. Tymczasem
z tego rysunku wynikają już dwie istotne obserwacje.
Pierwsza jest taka, że w radarze PCL (a szerzej - w radarze
bistatycznym) nie ma praktycznego zastosowania tradycyjnie
pojmowana odległość celu od radaru. Jest to
zrozumiałe, bo w systemie bistatycznym właściwie nie wiadomo,
gdzie mieści się ten radar - w lokalizacji nadajnika, czy
odbiornika? Niewielka to jednak strata, gdyż w istocie tradycyjne
współrzędne celu widziane względem lokalizacji radaru
miały tylko charakter lokalny i tymczasowy; dalszy proces
uogólniania informacji zawsze prowadził do wyznaczania lokalizacji
celu na mapie. Druga obserwacja ma większą wagę:
okazuje się, że korzystając z jednego nadajnika, nie da się
jednoznacznie wyznaczyć lokalizacji celu. Problem można
rozwiązać na dwa sposoby.
Odległość i częstotliwość Dopplera w PCL
Z tego, że PCL posługuje się nie swoimi nadajnikami, wynika
- oprócz opisanych problemów z przetwarzaniem sygnału -
inna trudność, związana z „geometrią” takiego systemu radiolokacyjnego.
Wyznaczenie odległości do celu na podstawie
czasu opóźnienia echa względem momentu sondowania
jest proste w zwykłym radarze, gdzie sygnał sondujący biegnie
do celu i z powrotem. Tak nie jest w przypadku PCL, co
widać na rys. 1. Sygnał bezpośredni z nadajnika do odbiornika
przebywa drogę R 0 , natomiast jego echo pokonuje drogę
równą sumie R 1 i R 2 . W odbiorniku można zmierzyć tylko
różnicę opóźnień echa i sygnału bezpośredniego. Jeżeli
znamy R 0 , możemy wyznaczyć jedynie wartość wyrażenia
R 1 + R 2 - R 0 . Liczba położeń celu dająca jednakową wartość
jest teoretycznie nieskończona.
Z lekcji geometrii wiadomo, że zbiór punktów, dla których
suma R 1 + R 2 jest wielkością stałą utworzy elipsę, której
ogniska znajdują się w lokalizacjach nadajnika i odbiornika.
Różnym wartościom tej sumy będą odpowiadały różne elipsy.
Uwzględnienie stałego składnika R 0 to tylko kwestia opisu
danej elipsy. W przykładzie pokazanym na rys. 6. odległość
między nadajnikiem a odbiornikiem wynosi 20 km, a elipsy dla
kilku wartości różnicy opóźnień R 1 + R 2 - R 0 są wykreślone
z zachowaniem skali. Elipsa zerowej różnicy opóźnień redukuje
się do odcinka linii łączącej nadajnik z odbiornikiem.
Z kolei dla znacznych wartości różnicy opóźnień elipsa jest
bliska okręgowi; jednak rzeczywistym okręgiem byłaby tylko
wtedy, gdyby odległość ognisk stała się zerowa. Na rysunku 6.
zaznaczono dwa obiekty oznaczone symbolami A i B, które
z lokalizacji odbiornika widziane są na zbliżonym kierunku
Rys. 6. Przykładowe elipsy stałych różnic opóźnień sygnału bezpośredniego
i jego echa
Fig. 6. Exemplary ellipses of constant differences of delays between
the direct signal and its echo
Rys. 7. Wyznaczanie lokalizacji celu
Fig. 7. Determining the location of a target
104 ELEKTRONIKA 11/2009

Jeśli wykorzysta się dwa nadajniki dostatecznie odległe od
siebie i od odbiornika, to uzyska się dwie przecinające się elipsy
o jednym wspólnym ognisku, gdzie mieści się odbiornik; dwa
punkty przecięcia obydwu elips wyznaczają potencjalne lokalizacje
celu (rys. 7). Jeżeli skorzystać z trzech nadajników, trzecia
elipsa przetnie się z drugą w jednym z tych punktów, co wyznaczy
poszukiwane położenie obiektu. Naturalnie dla każdej pary
ognisk można poprowadzić teoretycznie nieskończenie wiele
elips. Przetwarzanie sygnałów każdego nadajnika prowadzi do
wykrycia ech, dla których znane są wartości ∆R=R 1 + R 2 -R 0 .
Te wartości z poszczególnych kanałów przetwarzania należy
skojarzyć, aby wyznaczyć położenia wykrytych ech. Warto zauważyć,
że w zależności od dokładności wyznaczania ∆R kojarzenie
może być mniej lub bardziej jednoznaczne. Różne
średnice okręgów kojarzenia na rys. 7 sygnalizują ten problem.
Alternatywnie położenie celu (dwie współrzędne) można
wyznaczyć z użyciem jednego nadajnika, jeśli znany jest kąt
azymutu celu odniesiony do tzw. linii bazowej, łączącej nadajnik
z odbiornikiem (Θ a na rys. 1). Wtedy, znając długość
jednego boku (R 0 ) trójkąta, sumę dwóch pozostałych jego
boków (R 1 + R 2 ) oraz kąt Θ a , można wyznaczyć odległość R 2 .
Podobnie jak problem odległości skomplikowana sprawa
jest z częstotliwością Dopplera. Po pierwsze trzeba ją zdefiniować.
W radarze klasycznym jest to różnica częstotliwości
nośnych sygnałów nadawanego i echa. W radarze PCL definiuje
się ją jako różnicę częstotliwości sygnału bezpośredniego
i echa. Ponowny rzut oka na rys. 1 pozwala ocenić, że jej wyznaczenie
teoretycznie nie powinno być zbyt trudne. Różnica
częstotliwości dwóch sygnałów jest szybkością zmian w czasie
ich względnego przesunięcia fazowego. Jeden sygnał ma
fazę stałą, gdyż przychodzi bezpośrednio od stacjonarnego
nadajnika, a faza drugiego sygnału zależy od długości drogi,
jaką przebywa echo, czyli sumy R 1 + R 2 . W efekcie częstotliwość
Dopplera jest proporcjonalna do szybkości zmian odległości
sumarycznej R s = R 1 + R 2 i wyraża się wzorem
F d = ∆R s /(∆t⋅λ), gdzie: symbole ∆R s i ∆t oznaczają chwilowe
zmiany odpowiednio drogi i czasu, a λ - długość fali. Wynika
z tego, że w radarze PCL cele poruszające się po elipsach
takich jak na rys. 6 mają zerową częstotliwość Dopplera, analogicznie
jak w klasycznym radarze cele poruszające się po
okręgu ze środkiem w lokalizacji radaru. Cele poruszające do
wnętrza elipsy mają częstotliwość Dopplera dodatnią, a cele
poruszające się w kierunku na zewnątrz - ujemną.
Jako interesującą z użytkowego punktu widzenia należy
uznać odległość R 2 , jednak w ogólnym przypadku zmianom
R 2 nieodłącznie towarzyszą zmiany R 1 . Dlatego właściwości
zasięgowe radaru PCL zwykle pokazuje się w formie graficznej
jako zbiór punktów spełniających jego równanie zasięgu.
Był już podobny problem przy pomiarze odległości do obiektu,
gdzie występowała suma R 1 + R 2 , a odpowiednie zbiory
punktów leżały na elipsach. Tutaj równanie zasięgu wyznacza
zbiór punktów, dla których iloczyn kwadratów odległości
do dwóch punktów (lokalizacje nadajnika i odbiornika) jest
wielkością stałą. Okazuje się, że zbiór punktów o takiej właściwości
jest podobny do elipsy, a nazywa się w matematyce
owalem Cassiniego.
Na rysunku 8 pokazany jest zestaw owali Cassiniego dla
ognisk umieszczonych symetrycznie względem osi Y w odległości
równej 1. Parametr podany przy poszczególnych
krzywych oznacza wartość iloczynu w równaniu R 1 2 R 2 2 = b 2
opisującym owal Cassiniego. Pokazane owale trzeba przeskalować
do konkretnego przypadku, tak aby odległość między
ogniskami odpowiadała odległości między nadajnikiem
a odbiornikiem; wtedy odpowiednio zmienią się parametry
owali oznaczone b 2 . Na przykład przemnażając skale na
osiach przez 10 i stosując jako jednostkę odległości kilometr
(co oznacza odległość między odbiornikiem a nadajnikiem
20 km), trzeba przemnożyć parametry b 2 przez 100. Warto
zauważyć, że z podanego równania zasięgu wynika, że wartość
R 1 2 R 2 2 jest wprost proporcjonalna do SPO, więc parametry
b 2 na wykresie na rys. 8 mogą być przeliczone na
wartości SPO. Daje to możliwość szybkiej oceny maksymalnego
zasięgu dla różnych obiektów powietrznych.
Należy tu podkreślić, że zestaw owalów Cassiniego przedstawia
tylko potencjalne zasięgi radaru. Zasięgi rzeczywiste
będą zależały od charakterystyk antenowych, czyli liczby,
kształtu i rozkładu uformowanych wiązek obserwacyjnych.
W następnych punktach tego opisu okaże się, że formowanie
każdej wiązki obserwacyjnej angażuje odpowiednie zasoby
sprzętowe i oprogramowanie. Jeśli w najprostszym przypadku
radar ma tylko jedna wiązkę obserwacyjną, pokrycie zasięgowe
będzie tylko takie, ile ta jedna wiązka „wybierze” z całej
powierzchni owalu odpowiadającego danej SPO, jak to zostało
przykładowo zilustrowane na rys. 8. Także warto pod-
Zasięg radaru PCL
Nie wdając się w szczegóły obliczeń zasięgowych, warto
zająć się charakterystyczną cechą radaru PCL pod tym względem.
W każdym klasycznym radarze obliczenie zasięg sprowadza
się do prostego równania:
S/N min = Aσ/R 4
gdzie: S/N min - minimalny stosunek sygnału do szumu wymagany
do wykrycia obiektu (z określonym prawdopodobieństwem
wykrycia i prawdopodobieństwem fałszywego
alarmu), A - stała wielkość zależna od parametrów radaru,
σ - skuteczna powierzchnia odbicia (SPO) obiektu, R - odległość
wykrywanego obiektu.
W radarze PCL to równanie przyjmuje formę:
S/N min = Aσ/(R 1 2 R 2 2 )
gdzie: R 1 i R 2 są odległościami obiektu odpowiednio od nadajnika
i odbiornika (rys. 1).
Rys. 8. Owale Cassiniego wyznaczające maksymalne pokrycie zasięgowe
i wiązka obserwacyjna wyznaczająca realny obszar wykrywania
Fig. 8. Cassini ovals indicating the maximum range coverage and
a surveillance beam
ELEKTRONIKA 11/2009 105

kreślić to, że owale Cassiniego i charakterystyka anteny określają
tylko kształt pokrycia zasięgowego. Ilościowe wyznaczenie
zasięgów na poszczególnych kierunkach dla określonego typu
obiektu zależy od mocy nadajnika, czułości odbiornika i zysku
przetwarzania. Szczególne znaczenie ma efektywna czułość
odbiornika, którą w technice PCL należy rozpatrywać
z uwzględnieniem bardzo trudnego problemu maskowania
słabych ech użytecznych przez sygnał bezpośredni z nadajnika
i echa stałe. Ten problem będzie poruszony dalej, przy
prezentowaniu aparatury radaru PCL i jej funkcjonowania.
Jak działa radar PCL
Spróbujmy zacząć opis działania radaru PCL tradycyjnie od
schematu blokowego. Jest w tym pewna trudność, dlatego że
podział na fizyczne bloki niewiele by pokazał. Jeśli jednak
przyjąć, że w tym schemacie bloki to kolejno realizowane funkcje,
to taki schemat wyglądałby jak na rys. 9. Jest to przykładowa
struktura funkcjonalna z anteną 8-elementową, np. taką
jaką pokazano dalej na fotografii. Z tej 8-elementowej anteny
formowane są trzy wiązki obserwacyjne (na schemacie Wo1 -
Wo3) oraz jedna wiązka skierowana na nadajnik, czyli wiązka
referencyjna (Wr). W kolejnych punktach zostaną omówione poszczególne
bloki funkcjonalne tego schematu.
Funkcjonowanie radaru normalnie zaczyna się w nadajniku,
ale tutaj rzecz jasna takiego nie ma. Musi natomiast
radar PCL mieć antenę i to taką o odpowiednich charakterystykach,
a wiąże się to ściśle ze szczególnym sygnałem, jaki
ten radar wykorzystuje. Porównajmy dwa przebiegi na rys. 10,
obydwa sporządzone dla radarów o zasięgu maksymalnego
ok. 100 km.
W radarze impulsowym (rys. 10a) sygnał nadawany pojawia
się na krótką chwilę (tutaj 10 µs) i znika, a radar przechodzi
do trybu odbioru echa. Dotąd było zrozumiałe, że jak się
nadaje, to się nie odbiera i odwrotnie, a czas trwania impulsu
nadajnika wyznacza martwą strefę, gdzie radar po prostu nie
widzi. Tak komfortowej sytuacji nie ma radar typu PCL
(rys. 10b). Tutaj do odbiornika dociera praktycznie jednocześnie
echo i sygnał sondujący. Warto zwrócić uwagę, że potrzebna
do wykrycia obiektu porcja sygnału, którą mierzy się
grubymi ułamkami lub całymi sekundami (tutaj 1 sekunda), jest
o trzy rzędy wielkości dłuższa od czasu opóźnienia najdalszego
echa, który zazwyczaj ledwie osiąga milisekundę. Musi zatem
wystąpić nakładanie się w czasie sygnału bezpośredniego (nadawanego)
i sygnału echa. Oczywiście nie można dopuścić do
odbioru echa razem z sygnałem bezpośrednim, gdyż ten
ostatni jest zwykle o wiele rzędów wielkości (nawet do 100 dB)
silniejszy od echa i całkowicie zamaskowałby jego obecność.
Ponieważ zarówno echo, jak i sygnał bezpośredni są jednakowo
niezbędne do funkcjonowania PCL, trzeba je odebrać
oddzielnymi, wzajemnie odseparowanymi kanałami. Jest przy
tym bardzo ważne, aby każdy z kanałów odbierał jak najmniej
sygnału dla niego nie przeznaczonego. W praktyce oznacza
to, że charakterystyka anteny odbierającej echa powinna wykazywać
jak najgłębsze minimum na kierunku nadajnika.
W praktyce okazuje się, że nie można dostatecznie skutecznie
stłumić sygnału bezpośredniego charakterystyką anteny
i trzeba stosować dodatkowe „tricki” kompensujące jego obecność
przez odpowiednią obróbkę sygnału.
Antena i odbiór sygnałów
bezpośredniego i echa
Rys. 9. Schemat blokowy radaru PCL z ośmioelementową anteną
i trzema wiązkami obserwacyjnymi
Fig. 9. Block diagram of a PCL radar with an 8-element antenna
and three surveillance beams
Jako dobry przykład na rys. 11 pokazana jest antena demonstratora
radaru PCL wykonanego w Instytucie Systemów
Elektronicznych Politechniki Warszawskiej. W tym przypadku
antenę tworzy szyk ośmiu typowych anten radiowych UKF
rozmieszczonych równomiernie na okręgu o średnicy ok.
2,4 m. Widoczne na rysunku anteny Yagi stanowią dodatkowe
wyposażenie przeznaczone do eksperymentowania z nadajnikami
telewizji.
Rys. 10. Porównanie zależności czasowych w radarze impulsowym
i PCL
Fig. 10. Comparison of timing in a pulse radar and PCL
Rys. 11. Antena demonstratora PCL wykonanego w Instytucie Systemów
Elektronicznych Politechniki Warszawskiej
Fig. 11. The antenna of the PCL demonstrator built in the Institute
of Electronic Systems of the Warsaw University of Technology
106 ELEKTRONIKA 11/2009

Jak widać, sama instalacja antenowa jest bardzo prosta, ale
w radarze PCL system antenowy to nie tylko sam szyk antenowy.
W formowaniu charakterystyk kierunkowych uczestniczy cały
system odbiorczy i cyfrowego przetwarzania sygnału. Każdy element
antenowy jest połączony z oddzielnym odbiornikiem cyfrowym,
a kształtowanie charakterystyk dobywa się cyfrowo.
Sygnał z każdego elementu antenowego jest podłączony
kablem koncentrycznym do wzmacniacza selektywnego, a następnie
jest poddawany bezpośrednio przetwarzaniu na postać
cyfrową. Pasmo przenoszenia wzmacniacza powinno obejmować
częstotliwości wszystkich potencjalnych stacji nadawczych,
których sygnał będzie wykorzystywany. W przypadku
stacji radiowych FM będzie to pasmo 88...108 MHz. Do przetworzenia
na formę cyfrową można wykorzystać dostępne komercyjnie
gotowe tzw. moduły akwizycji danych, z szybkimi
przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Przy paśmie odbieranego
sygnału 20 MHz (pasmo UKF: 88…108 MHz) wystarczająco
szybkie byłoby przetwarzanie z częstotliwością ok.
40 MHz, jednak wyższa częstotliwość przetwarzania sprzyja
jakości obróbki. W omawianym demonstratorze zastosowano
14-bitowe przetworniki A/C z częstotliwością próbkowania
250 MHz, co nie jest dziś wielkim wyzwaniem technicznym.
Moduł akwizycji danych w istocie realizuje funkcje
urządzenia określanego angielskim terminem Software Defined
Radio (SDR), co po polsku można nazwać programowym
odbiornikiem radiowym. Taki odbiornik jest połączony z komputerem
za pomocą typowego łącza, np. USB, którym w jedną
stronę przesyłany jest sygnał wyjściowy, a w drugą stronę
z komputera przekazywane są polecenia wymagane do nastrojenia
odbiornika na odpowiednią stację radiową FM, przy
czym wybór stacji następuje za pomocą cyfrowego filtru pasmowego.
Szerokość pasma przenoszenia tego filtru jest odpowiednia
do widma transmitowanego sygnału FM, czyli ok.
100 kHz. Takie ograniczenie pasma pozwala obniżyć częstotliwość
próbkowania w dalszej obróbce do ok. 200 kHz.
W tym miejscu zasadne jest pytanie, jak funkcjonuje system
akwizycji danych, kiedy radar PCL wykorzystuje kilka nadajników.
Możliwe są dwa rozwiązania. W pierwszym -
najbardziej komfortowym stosuje się odpowiednią liczbę równolegle
pracujących odbiorników - każdy nastrojony na inną
stację. W drugim - oszczędnościowym - jeden odbiornik jest
sekwencyjnie przestrajany na kolejną stację po zebraniu danych
z poprzedniej. Także dalsza obróbka może odbywać się
równolegle w kilku systemach komputerowych lub sekwencyjnie.
W tym drugim przypadku trzeba wyznaczyć i zapamiętać
elipsy odległości z każdej pary nadajnik-odbiornik,
a następnie skojarzyć je, aby wyznaczyć lokalizację celu.
Rzecz jasna moduł akwizycji danych nie musi realizować
pełnej funkcjonalności radia programowego. Ponieważ celem
nie jest odtworzenie nadawanego przez daną stację programu,
lecz tylko wykorzystanie pełnego widma rozsiewanego sygnału,
sygnał cyfrowy w paśmie częstotliwości nośnej jest poddawany
demodulacji kwadraturowej. Ten zabieg przetwarza sygnał pasmowy
na dwie składowe: synfazową i kwadraturową, oznaczane
odpowiedni symbolami I (In phase) oraz Q (Quadrature),
z których można odczytać pełną informację o amplitudzie i fazie
sygnału oryginalnego na podstawie ich wartości chwilowych
(próbek). Technika detekcji fazowej I/Q jest stosowana także
w tradycyjnych radarach i nie jest celowe jej wyjaśnianie.
Różnica jest tylko taka, że dotychczas zwykle była ona realizowana
układami analogowymi, a tutaj jest to realizowane cyfrowo.
Znajomość amplitudy i fazy sygnału jest potrzebna do
zasadniczego procesu korelacji, prowadzącego do wykrycia
echa, ale najpierw jest ona wykorzystywana do formowania charakterystyk
anteny.
Elektroniczne formowanie charakterystyk
anteny
Idea elektronicznego formowania wiązek charakterystyki
anteny jest znana i stosowana w radiolokacji od kilku dziesięcioleci.
Cyfrowe formowanie wiązek jest szczególną realizacją
tej idei - również dobrze znaną w radarach, choć nie od tak
dawna. Pomimo, że nie jest to najbardziej wyróżniająca właściwość
radaru PCL, cyfrowe formowanie wiązek może być na
tyle nowe dla Czytelnika, że warto poświęcić mu trochę
miejsca. W omawianym radarze PCL antena jest kołowym
szykiem elementów, a nie płaskim jak w większości radarów,
ale dobrze jest zacząć od anteny fazowanej w postaci szyku
płaskiego jak na rys. 12a.
Elementy anteny odbierają falę płaską padającą pod
określonym kierunkiem Θ względem kierunku prostopadłego
do linii szyku. Sygnały z poszczególnych elementów są wprowadzone
do sumatora poprzez sterowane przesuwniki fazy.
Gdy fala pada pod kątem prostym (Θ = 0), dociera do
wszystkich elementów jednocześnie. Jeśli wszystkie przesuwniki
fazy są ustawione na zero, tzn. sygnały są sumowane
bezpośrednio - tak jak przychodzą - nastąpi koherentna kumulacja
sygnału wyjściowego. Stopień tej kumulacji, czyli zysk
kierunkowy anteny zależy od liczby elementów w szyku, a ponieważ
wymagana jest określona odległość między elementami
(zbliżona do połowy długości fali), zysk anteny rośnie ze
wzrostem rozpiętości anteny.
Jeśli fala pada pod katem innym niż prostopadle, dociera
do poszczególnych elementów niejednocześnie - najpierw do
elementu N, potem sąsiedniego, a na końcu do elementu
pierwszego. Różnica czasu pobudzenia kolejnych elementów
przekłada się na różnicę fazy sygnałów pobudzających. Bezpośrednie
zsumowanie tych sygnałów (z zerowymi ustawieniami
przesuwników fazy) nie prowadzi wtedy do kumulacji
sygnału na wyjściu. Aby taka kumulacja nastąpiła, należy
wprowadzić dla kolejnych sygnałów przesunięcia fazy kompensujące
przesunięcie fazy sygnałów pobudzających.
a)
b)
Rys. 12. Zasada działania anteny fazowanej: a) szyk liniowy,
b) fragment szyku kołowego
Fig. 12. Principle of operation of a phased array antenna: a) linear
array, b) circular array
ELEKTRONIKA 11/2009 107

Dla każdego kierunku odbieranej fali można tak wysterować
przesuwniki fazy, aby maksymalizować czułość odbioru
z tego kierunku. Ten efekt zwykle określa się w inny sposób:
odpowiednie ustawienie przesuwników fazy formuje wiązkę
charakterystyki anteny skierowaną pod wymaganym kątem Θ.
Według tego schematu można uformować wiele wiązek „nastrojonych”
na różne kąty Θ. Aby to osiągnąć, trzeba sygnały
z poszczególnych elementów doprowadzić do wielu układów
formowania wiązki (UFW), każdy z niezależnym zestawem
przesuwników fazy i sumatorem. Aby nie stracić czułości
wskutek rozdziału sygnałów na wiele kanałów formowania
wiązek, należy je najpierw wzmocnić.
Analogicznie działa formowanie wiązek w antenie
z kołowym szykiem elementów, jednak występują tu dodatkowe
istotne utrudnienia. Po pierwsze, rozmieszczenie elementów
na okręgu (rys. 8b) powoduje, że bardziej skomplikowane jest
wyznaczenie przesunięć fazy dla poszczególnych ścieżek. Po
drugie, ponieważ charakterystyki poszczególnych elementów
są bezkierunkowe w rozpatrywanej płaszczyźnie, mocno ujawniają
się tu wzajemne sprzężenia między nimi, co jeszcze bardziej
komplikuje wyznaczenie przesunięć fazy w funkcji
kierunku wiązki. Kiedy jednak te trudności się pokona, antena
z szykiem kołowym daje bardzo cenną właściwość - pozwala
uformować wiązkę na dowolnym kącie azymutu, gdyż niezależnie
od kierunku prezentuje ona takie same rozmiary fizyczne.
W przypadku szyku liniowego ten zakres kątów jest
praktycznie ograniczony do ±45° względem kierunku prostopadłego;
na kierunkach bardziej odległych od prostopadłego
szyk liniowy prezentuje tak małą fizyczną rozpiętość, że jego
zysk szybko maleje.
Cyfrowe formowanie wiązek
Pokazany na rys. 12 schemat formowania wiązki jest najbardziej
podstawowym układem elektronicznego formowania
wiązek, funkcjonującym na częstotliwości radiowej odbieranego
sygnału. Widać, że jest on trudny w realizacji, gdyż wymaga
stosowania oddzielnego analogowego UFW dla
każdego kierunku, a poszczególne komponenty UFW zajmują
dużo miejsca, są kosztowne i niezbyt dokładne. To samo
można uzyskać mniejszym kosztem i z większą dokładnością,
stosując cyfrowe formowanie wiązek. W tym miejscu
trzeba powrócić do wyjścia układów pozyskiwania sygnałów.
Pozyskiwanie sygnału kończy się na etapie wytworzenia
cyfrowych składowych I/Q sygnałów odebranych przez
wszystkie elementy anteny. Sekwencja kolejnych próbek tych
sygnałów odebranych w całym stosunkowo długim czasie obserwacji
(np. jednej sekundy) jest przesyłana do komputera
i zapisywana w pamięci. Dalszą część przetwarzania realizuje
odpowiednie oprogramowanie komputera, a pierwszym etapem
jest cyfrowe formowanie wiązek.
Jak pokazano na rys. 12. formowanie wiązki polega na
sumowaniu sygnałów z odpowiednimi przesunięciami fazowymi.
Dodatkowo należy wspomnieć, że zwykle w sumatorach
UFW realizuje się odpowiednie ważenie amplitudowe
poszczególnych sygnałów. Przesunięcia fazy decydują o kierunku
osi wiązki, zaś ważenie amplitudowe służy nadaniu
wiązce wymaganego kształtu, czyli szerokości i poziomu tzw.
listków bocznych. Nietrudno zauważyć analogię tego procesu
do filtracji cyfrowej. Filtracja cyfrowa też polega na sumowaniu
sygnałów z określonymi przesunięciami fazy i wagami,
a zestaw tych wag i przesunięć fazy nazywa się współczynnikami
filtru. Różnica jest tylko taka, że w filtracji cyfrowej poszczególne
sygnały podlegające sumowaniu to właściwie
próbki tego samego sygnału z różnymi opóźnieniami, natomiast
w UFW są to sygnały z kolejnych elementów anteny. Ta
różnica nie przeszkadza, by całą potęgę techniki cyfrowej filtracji
sygnałów wykorzystać do cyfrowego formowania
wiązek. Warto zauważyć, jak bardzo uproszcza to praktyczną
realizację wielu wiązek.
Na schemacie blokowym z rys. 9 sygnały I/Q z ośmiu kanałów
odbiorczych wprowadza się do czterech równoległych
układów formowania wiązki (UFW). Każdy UFW realizuje filtr
takiego rzędu, ile jest elementów anteny, przetwarzając próbki
otrzymane z poszczególnych elementów w tym samym momencie
czasu. W efekcie na wyjściu cyfrowego UFW otrzymuje
się ciągi próbek sygnałów odebranych z kierunków
pokrytych przez poszczególne wiązki. Wszystkie te próbki
muszą być ponownie zapisane do pamięci, gdyż tylko dostęp
do wszystkich umożliwi dalszą obróbkę. Jednocześnie pierwotne
próbki sygnałów z poszczególnych odbiorników przestają
być potrzebne, a zwolniona pamięć może być
wykorzystana do zapisania sygnałów wyjściowych z UFW.
Ile wiązek trzeba uformować - zależy od liczby wykorzystywanych
nadajników. Dla każdego nadajnika trzeba uformować
jedną wiązkę do odbioru sygnału bezpośredniego,
a liczba i kierunki wiązek obserwacyjnych, czyli służących do
odbioru ech, zależą od obszaru, gdzie powinny być wykrywane
obiekty. Istotne jest przy tym, aby wiązki obserwacyjne
miały jak najmniejszą czułość na kierunkach nadajników.
W najprostszym przypadku pracy z jednym nadajnikiem
wiązki mogą być uformowane jak poniżej na rys. 13.
Uformowanie wiązek powinno uwzględniać realnie
możliwy zasięg wykrywania na poszczególnych kierunkach,
a także występowanie silnych ech stałych zakłócających
odbiór ech użytecznych. W pokazanym przykładzie wiązki obserwacyjne
(kolor czerwony) są tak uformowane, że minimalizują
odbiór sygnału bezpośredniego nadajnika, a dodatkowo
mają minima na kierunkach znanych obiektów stałych
dających silne echo. Wiązka referencyjna, służąca do odbioru
sygnału bezpośredniego (kolor niebieski), nie jest tu uformowana
zbyt starannie, wykazując dość wysoki poziom listków
bocznych, jednak to nie przeszkadza w funkcjonowaniu radaru,
gdyż sygnał bezpośredni będzie dominujący. W schemacie
pokazanym na rys. 8 formowane są trzy wiązki
obserwacyjne i jedna referencyjna.
Rys. 13. Przykładowe wiązki charakterystyki anteny w płaszczyźnie
poziomej
Fig. 13. Sample antenna pattern beams in the horizontal plane
108 ELEKTRONIKA 11/2009

Adaptacyjne tłumienie ech od obiektów
stałych
Do tej pory ten problem był przemilczany, ale bez pozbycia
się ech stałych cała idea radaru PCL byłaby mało przydatna.
Wspomniano już wprawdzie, że formując wiązki obserwacyjne,
można zadbać o to, aby miały one minima na kierunkach
obiektów stałych, ale w praktyce jest to trudne i ma
ograniczoną skuteczność. Można próbować uformować minimum
na kierunku jednego czy dwóch obiektów stałych, ale takich
obiektów może być w okolicy wiele i trudno jest
uformować minimum charakterystyki na kierunku każdego
z nich. Formowanie minimów charakterystyki anteny jest tylko
pomocą w rozwiązaniu problemu, ale nie zapewnia jego skutecznego
rozwiązania. Z techniki klasycznych radarów wiadomo,
że staranne zaprojektowanie charakterystyki może
w sprzyjających warunkach dać minimum o głębokości rzędu
30…40 dB względem maksimum. To jest, jak się okazuje, daleko
niewystarczające w przypadku PCL. Warto to powrócić
do rys. 10, aby uświadomić sobie, w czym jest problem.
W klasycznym radarze silne echa stałe, jeśli nie zostaną
skutecznie stłumione, powodują maskowanie obecności
słabych ech użytecznych w ograniczonym obszarze. W najgorszym
przypadku obserwacja może być utrudniona nawet
w pełnym kącie azymutu wokół radaru do pewnej odległości,
np. 30 km, ale dalej echa stałe znikają za horyzontem i na
wskaźniku już jest „czysto”. W radarze PCL nie można liczyć
na taki komfort. Silne echo stałe jest obecne w całym zakresie
obserwacji, działając podobnie jak przenikanie sygnału
bezpośredniego z nadajnika, czyli podwyższając szum, na tle
którego są wykrywane echa ruchome.
Aby pokazać ten problem powróćmy do przykładu
z rys. 6, gdzie nadajnik jest odległy od odbiornika o 20 km.
Rozpatrzmy obiekt stały A o bardzo dużej SPO, np. 100 m 2 ,
położony blisko linii bazowej, na elipsie gdzie: R A1 +R A2 =
23,5 km oraz obiekt powietrzny B o małej SPO, np. 1 m 2 ,
znajdujący się na tym podobnym kierunku względem odbiornika,
zlokalizowany tak, że R B1 +R B2 = 56 km. Z wcześniejszych
rozważań dotyczących zasięgu wynika, że stosunek
mocy obydwu ech wyniesie 100(R B1 R B2 ) 2 /(R A1 R A2 ) 2 . W podanej
sytuacji R A1 =R A2 = 11,75 km oraz R B1 = 22,5 km,
R B2 = 33,5 km, a stosunek mocy ech od obiektów B i A wyniesie
100•22,5 2 •33,5 2 /11,75 4 ≅ 35 dB. Na rysunku 14 pokazano,
jak suma ech od tych dwóch obiektów zostanie
przetworzona na funkcję korelacji po zasymulowaniu sygnału
nadajnika szumem.
W symulacji zastosowano realistyczny czas obserwacji
równy jednej sekundzie przy częstotliwości próbkowania
200 kHz, czyli przetwarzaniu poddano 200 tys. próbek. Pierwsze,
co rzuca się w oczy, to brak rozróżnienia obydwu ech
w głównej części wykresu. Jest to praktyczny skutek tego, co
zostało zasygnalizowane wcześniej (por. rys. 10). W czasie sekundy
fala przebywa drogę 300 tys. km, więc próbki sygnału odmierzają
odcinki drogi 1,5 km. Numery próbek na wykresie są
miarą opóźnienia sygnału względem momentu jego emisji przez
nadajnik (bez odjęcia czasu opóźnienia sygnału bezpośredniego).
W tej skali wszystkie wykrywane echa, przebywające
drogę dziesiątek kilometrów, będą skupione w obrębie kilkudziesięciu
próbek. Bliższe echo (A) rozpatrywanego przykładu
reprezentuje próbka nr 15, a dalsze (B) - próbka nr 37. Dopiero
mocny „zoom”, pokazany w dodatkowym oknie wykresu, pozwala
je odróżnić. Jednak decydująca jest tu inna obserwacja.
Widać na rys. 14, że silne echo, poza wąską „szpilką”
funkcji korelacji, daje pewne tło tzw. czasowych listków bocznych.
Jest ono relatywnie niskie w porównaniu do amplitudy
Rys. 14. Funkcja korelacji sumy ech dwóch obiektów, silnego
i słabego
Fig. 14. Correlation function of the sum of two, strong and weak,
target echoes
tej szpilki; przy czasie integracji jednej sekundy jest to ok.
-45 dB. Jednak listki boczne silnego echa są porównywalne
do amplitudy echa słabego. W przypadku dwóch rozpatrywanych
obiektów A i B widać jeszcze szansę wykrycia echa słabszego,
ale już na granicy wymaganego prawdopodobieństwa.
Echa bardziej odległych małych obiektów powietrznych będą
jeszcze słabsze i mogą być w „towarzystwie” silnych ech
stałych niewykrywalne, zwłaszcza że przykładowe echo odpowiadające
100 m 2 SPO nie należy do najsilniejszych.
Oprócz obiektów punktowych o znacznie większej SPO należy
się liczyć z bardzo silnym echem o charakterze powierzchniowym,
wynikającym z oświetlenia powierzchni ziemi
bardzo szeroką wiązką przy znacznym rozmiarze (1…2 km)
komórki rozdzielczości odległościowej.
Warto tu zauważyć, że jako szczególnie silne echo stałe
można traktować sygnał bezpośredni nadajnika. Dlatego problem
usuwania sygnału bezpośredniego i silnych ech stałych
należy rozpatrywać łącznie. Metodyka usuwania tej kategorii
niepożądanych sygnałów generalnie opiera się na ich stabilnym
charakterze. Tworzy się powierzchniową mapę takich
sygnałów, aby następnie poddać je wektorowemu odejmowaniu
od bieżącego sygnału; sygnały o niezmiennych amplitudach
i fazach zostają zredukowane, a sygnały użyteczne
ech ruchomych przechodzą z nieznacznymi stratami. Jest to
określane jako adaptacyjne tłumienie ech stałych. Opisywanie
tej techniki nie byłoby tu ani ciekawe, ani celowe. Cały wywód
w tym punkcie ma tylko pokazać, jak ważne jest skuteczne
osłabienie silnych ech stałych, aby można było mówić o sensownie
użytecznym zasięgu wykrywania celów powietrznych.
Dopiero po tej operacji można przystąpić do zasadniczej fazy,
czyli wykrywania obiektów powietrznych poprzez korelację
sygnału bezpośredniego z sygnałem echa.
Korelacja dwuwymiarowa R x D
Wiemy już, że funkcja korelacji daje maksymalną wartość
w momencie, kiedy dwa sygnały wykazujące podobieństwo
dokładnie „nakładają się” w procesie jej obliczania (krok nr 4
na rys. 2). Można by na tej podstawie oczekiwać, że poddając
procesowi korelacji sygnał bezpośredni z nadajnika i sygnał
zawierający echa od obiektów powietrznych otrzymamy
pewną liczbę „wyskoków” funkcji korelacji, każdy z nich reprezentujący
określone echo o innym opóźnieniu, jeśli wszystkie
z nich są kopiami sygnału nadajnika. Kłopot jednak polega
na tym, że nie są. Rozważamy przecież echa od obiektów ru-
ELEKTRONIKA 11/2009 109

chomych, które w ogólnym przypadku różnią się częstotliwością
Dopplera. Sygnał echa z przesunięciem Dopplera nie
jest już kopią sygnału nadajnika i proces korelacji nie doprowadzi
do jego wykrycia. To prowadzi do schematu dwuwymiarowego
obliczania funkcji korelacji, gdzie jednym
wymiarem jest suma odległości R 1 + R 2 , określona wcześniej
symbolem R s , a drugim częstotliwość Dopplera. Jedną
z możliwych realizacji takiego schematu pokazuje rys. 15.
Pierwsza operacja polega na opóźnieniu sygnału z kanału
obserwacyjnego o stały czas odpowiadający odległości R 0
między nadajnikiem i odbiornikiem. W efekcie następuje wyrównanie
opóźnień sygnału referencyjnego i sygnału echa, tak
że zmierzone dalej opóźnienie echa będzie reprezentować odległość
R s . Sygnał bezpośredni z nadajnika (referencyjny) jest
poddawany opóźnieniu w kolejnych sekcjach umownej linii
opóźniającej z odczepami. Każda z sekcji opóźnia ten sygnał
o czas odpowiadający rozróżnialności odległościowej systemu
∆R, która - w przypadku wykorzystania nadajnika radiofonii FM
o paśmie 100 kHz - wynosi ok. 3000 m. Warto tu podkreślić, że
opóźnianiu podlega tu cała rozpatrywana przykładowo porcja
sygnału odebrana w ciągu jednej sekundy i licząca 200 tys.
próbek. Liczba sekcji opóźnienia M wynika z podziału maksymalnej
oczekiwanej wartości R s (odpowiednik zasięgu instrumentalnego
w typowym radarze) przez ∆R. Sygnał referencyjny
z poszczególnych sekcji opóźnienia i sygnał z kanału
obserwacyjnego są doprowadzone do układów mnożących.
Należy się tu wyjaśnienie, że w omawianym schemacie obliczanie
funkcji korelacji odbywa się nieco inaczej niż zostało to
opisane w punkcie definiującym to pojęcie.
Nie ma tu fazy kolejnych wzajemnych przesunięć obydwu
sygnałów w granicach czasu ich trwania i poszukiwania momentu
ich korelacji; w zamian momenty korelacji są tu
„sztywno” określone przez poszczególne sekcje opóźniające.
W układach mnożących obliczane są kolejno, dla tych samych
numerów próbek, iloczyny odpowiednio zmodyfikowanego sygnału
referencyjnego i sygnału echa, a suma tych iloczynów jest
miarą korelacji sygnałów. Załóżmy chwilowo, że wykrywany jest
obiekt o zerowej częstotliwości Dopplera (taki obiekt poruszałby
się po elipsie, której ogniskami są lokalizacje nadajnika i odbiornika).
Echo takiego obiektu jest miniaturową kopią sygnału
nadajnika opóźnioną o czas odpowiadający odległości R s . Wykrycie
tego obiektu spowoduje „wyskok” funkcji korelacji tylko
dla określonej sekcji opóźnienia sygnału referencyjnego - takiej,
gdzie oba sygnały nałożą się dostatecznie dokładnie.
W pozostałych komórkach pojawią się większe (w komórkach
sąsiednich) lub mniejsze (w komórkach bardziej odległych)
resztki sygnału, czyli czasowe listki boczne procesu korelacji.
Zerowy Doppler echa to jednak przypadek bardzo szczególny;
radar musi być przygotowany na odbiór ech wykazujących
dowolną realną częstotliwość Dopplera, które - jak
już było wspominane - nie są kopiami sygnału nadawanego.
Naturalne i domyślne podejście w takim przypadku to konfiguracja
wielokanałowa, w której poszczególne kanały są „nastrojone”
na odpowiednio wąskie pasma wartości F d
pokrywające cały realny ich przedział. Trzeba jednocześnie
zaznaczyć, że taka wielokanałowa konfiguracja musi być zastosowana
po każdym odczepie opóźnienia sygnału referencyjnego.
W ten sposobem dochodzimy do schematu
dwuwymiarowej korelacji pokazanego na rys. 15.
W każdej pionowej gałęzi tego schematu zastosowane
jest szybkie cyfrowe przekształcenie Fouriera, oznaczone bardzo
już utrwalonym w Polsce angielskim skrótem FFT (Fast
Fourier Transform). Jak wiadomo, N-punktowa FFT dekomponuje
sygnał wejściowy na N składowych jego widma, co pokazano
na rys. 15 jako N wyjść o numerach 0, 1, 2…N-1. Im
więcej punktów ma FFT, tzn. im więcej próbek sygnału podda
się tej dekompozycji, tym więcej składowych widma, odpowiednio
węższych, można otrzymać. Z przykładowych 200 tysięcy
próbek jednosekundowej porcji sygnału można uzyskać
teoretycznie 200 tysięcy kanałów częstotliwościowych, każdy
o rozdzielczości będącej odwrotnością jednej sekundy, czyli
1 Hz. W paśmie stacji radiowych FM (długość fali ok. 3 m) odpowiada
to prędkości 3 m/s. Taka rozdzielczość dopplerowska
jest bardzo atrakcyjna i nietrudno zauważyć, że praktycznie
nieosiągalna w tradycyjnych radarach impulsowych.
Ale warto też zauważyć, że FFT sygnału o długości
200 tys. próbek pozwala na jednoznaczny pomiar częstotliwości
Dopplera w zakresie ±100 kHz (połowa częstotliwości
próbkowania); dla 3-metrowej fali przelicza się to na zakres
prędkości ±300 000 m/s - dużo za dużo niż prędkości
osiągane przez realne statki powietrzne. Ten zbędny nadmiar
powodowałby znaczne obciążenie procesu przetwarzania.
Dlatego w praktycznych rozwiązaniach sygnał przed FFT poddaje
się dodatkowej obróbce, w której, po pierwsze, zmniejsza
się liczbę próbek sygnału, pobierając co którąś próbkę zamiast
kolejnych, a po drugie odfiltrowuje częstotliwości Dopplera
nie osiągane przez echa od rzeczywistych obiektów
powietrznych. W danym przypadku można „rozrzedzić” analizowany
ciąg do 2048 próbek (przedtem uzupełniając ciąg
wejściowy zerowymi próbkami, aby miał liczbę próbek będącą
Rys. 15. Realizacja dwuwymiarowej funkcji korelacji R x D
Fig. 15. Implementation of the two-dimensional R x D correlation
function
Rys. 16. Graficzna interpretacja dwuwymiarowej funkcji korelacji
R x D; rysunek zrekonstruowany na podstawie artykułu [5]
Fig. 16. Graphical interpretation of the two-dimensional R x D correlation
function; the graph reconstructed from the article [5]
110 ELEKTRONIKA 11/2009

całkowitą potęgą dwójki, gdyż tego wymaga obliczanie FFT),
i odfiltrować składowe poza pasmem ±500 Hz, aby ograniczyć
przedział prędkości obiektów powietrznych do realnych wartości
z zakresu ±1500 m/s, a następnie zrealizować 2048-
punktową FFT. Trzeba podkreślić, że rozdzielczość częstotliwościowa
nie ulegnie w tym procesie żadnemu pogorszeniu,
gdyż czas trwania sygnału pozostaje niezmienny
W wyniku obliczenia FFT dla każdego odczepu ∆R powstaje
dwuwymiarowa macierz sygnału wyjściowego, którą
zilustrowano na rys. 16. Wykryte obiekty są widoczne jako
„szczyty” funkcji korelacji zlokalizowane na płaszczyźnie odległość
- prędkość odpowiednio do mierzonej odległości bistatycznej
i częstotliwości Dopplera.
w czasie nierzeczywistym na bazie sygnałów nadajnika telewizyjnego.
Znane są dwie konstrukcje radaru firmy Lockheed
Martin: Silent Sentry 2 i Silent Sentry 3, skrótowo oznaczanymi
odpowiednio jako SS2 i SS3.
Pierwsza powstała w 1997 r. i obejmowała wersję stacjonarną
z anteną mocowaną na budynkach oraz wersję przewoźną.
W obydwu wersjach zastosowano płaski szyk
antenowy o rozmiarach 9 x2m (rys. 17) do odbioru ech, co
ograniczało przestrzeń wykrywania do sektora ok. 100° w azymucie.
Do odbioru sygnału bezpośredniego z nadajników
służyły dodatkowe anteny Yagi zamontowane powyżej. O SS2
Dalej już jest prawie „normalnie”
Dalsze przetwarzanie sygnału w radarze PCL nie odbiega zasadniczo
od tego, co znamy z typowych radarów impulsowych
- trzeba wydzielić te „szczyty” funkcji korelacji, które można
potraktować jako echa użyteczne, na tle pozostałych „nierówności”.
Znajdują tu zastosowanie typowe techniki detekcji,
a zatem stabilizacja poziomu fałszywego alarmu (SPFA),
np. przez uśrednienie wartości sygnału z otoczenia badanej
komórki, a następnie ustalenie progu detekcji i ewentualnie
jego adaptacyjna regulacja. Różnica w porównaniu do analogicznych
technik z tradycyjnej radiolokacji polega na tym, że
SPFA należy przeprowadzić w dwóch dziedzinach: odległościowej
i częstotliwościowej. Rzecz jasna trzeba pamiętać, że
opisany w ostatnich punktach skomplikowany proces wykrywania
dotyczył ech tylko jednego nadajnika. Aby zapewnić pokrycie
przestrzeni nadające się do praktycznego wykorzystania
i uzyskać jednoznaczną lokalizację wykrytych obiektów,
trzeba ten proces zwielokrotnić dla kilku nadajników.
Wykryte obiekty poddaje się procesowi śledzenia tras,
który też zasadniczo nie różni się od tego, co jest znane z tradycyjnej
współczesnej radiolokacji. Można tylko dodać, że
proces śledzenia jest utrudniony ze względu na słabą rozdzielczość
odległościową radaru PCL bazującego na sygnałach
dostępnych nadajników (pojedyncze kilometry), ale
z drugiej strony mocno wspomaga go bardzo dobra dokładność
i rozdzielczość pomiaru częstotliwości Dopplera, której
nie znają tradycyjne radary. Wobec znacznego ładunku nowości
wynikającej z samej idei PCL opisywanie ogólnie znanych
rozwiązań przetwarzania podetekcyjnego można tu
uznać za zbędne.
Praktyczne realizacje radarów PCL
Jak już było wspomniane wcześniej, technika PCL jest jeszcze
w stadium intensywnego rozwoju i powstało niewiele komercyjnych
rozwiązań. Niemniej jednak kilka takich rozwiązań
jest znanych. Przodujące firmy to amerykański Lockhee Martin,
francuski Thales, europejska korporacja EADS, brytyjska
firma BAE, oraz niemiecka FGAN-FHR. Zostaną tu zaprezentowane
dwa rozwiązania, o których udało się zebrać trochę
interesujących szczegółów.
Silent Sentry
Amerykańska firma Lockheed Martin jako pierwsza zaczęła
oferować radary PCL, znane pod nazwą Silent Centry (cichy
wartownik). Jako ciekawostkę warto wspomnieć, że Lockheed
Martin przejął w latach 80. XX w. oddział IBM, który kilka lat
wcześniej podjął zapomnianą ideę radaru pasywnego i zbudował
radar zdolny do wykrywania i śledzenia samolotów
Rys. 17. Systemy antenowe i aparatura radaru Silent Sentry 2; foto
- Lockheed Martin [9]
Fig. 17. Antenna systems and electronic equipment of the Silent
Sentry 2 radar; photo - Lockheed Martin [9]
ELEKTRONIKA 11/2009 111

Rys. 19. Fragment zobrazowania SS3 pokazujący śledzone trasy
celów powietrznych; foto - Lockheed Martin [8]
Fig. 19. Fragment of an SS3 radar picture showing tracked air targets;
photo - Lockheed Martin [8]
można mówić w czasie przeszłym, gdyż w 2002 r. zastąpił go
znacznie nowocześniejszy i bardziej funkcjonalny SS3, ale
obie wersje warto przedstawić, tym bardziej że są one stosunkowo
dobrze opisane w dostępnych materiałach.
Aparaturę SS2 zbudowano z komercyjnie dostępnych
komponentów: procesory firmy Silicon Graphics z oprogramowaniem
analizy sygnału i zobrazowania firmy Autometric
Edge Product Family, a odbiorniki zostały opracowane w Lockheed
Martin z elementów komercyjnych. SS2 przystosowano
do wykorzystania nadajników stacji radiowych FM i nadajników
telewizyjnych. Przy wykorzystaniu jednego nadajnika
radar był zdolny do zgrubnego śledzenia celów powietrznych
w dwóch współrzędnych (azymut, odległość). Podwyższona
dokładność wymagała obróbki sygnału z co najmniej dwóch
nadajników odpowiednio rozlokowanych względem lokalizacji
radaru. Przy obserwacji ech trzech nadajników możliwe było
śledzenie celów w trzech współrzędnych. Radar przystosowano
do współpracy z trzema nadajnikami, przy czym czas
obserwacji ech każdego nadajnika wynosi jedną sekundę.
Według założeń projektantów system powinien wykrywać
cele o powierzchni skutecznej 10 m 2 do odległości 200 km
przy założeniu mocy współpracującego nadajnika 50 kW.
W zależności od odległości celu różne są dokładności jego lokalizacji.
W płaszczyźnie poziomej określa się promień
okręgu, w którym 50% pomiarów jest prawidłowych i dla
100 km ten promień wynosi 650 m przy dwóch współpracujących
nadajnikach. W płaszczyźnie pionowej określa się
przedział wysokości, w którym 50% pomiarów jest prawidłowych;
na odległości 100 km wynosi on ±2000 m. Jak
widać, osiągi tego urządzenia nie są imponujące, zwłaszcza
jeśli uwzględnić fakt, że są one definiowane dla stosunkowo
dużego obiektu powietrznego.
Nowa wersja radaru SS3, to przede wszystkim daleko idąca
miniaturyzacja przy jednocześnie większych możliwościach.
Aparatura wcześniejszej wersji zajmowała cztery duże stojaki
(rys. 17) i pozwalała przetwarzać echa maksymalnie trzech nadajników,
SS3 może współpracować z ośmioma, a jego aparatura
mieści się w trzech blokach o wymiarach walizek
transportowych i jest 3-krotnie tańsza od poprzedniej. Ocenia
się, że najnowsza technologia pozwoli wkrótce zmieścić całą
aparaturę w jednej takiej walizce. Zmieniono również antenę,
która pozwala na obserwację w pełnym zakresie kątów azymutu
i lepiej nadaje się do zastosowań mobilnych. Większa
liczba obsługiwanych nadajników pozwala uzyskać lepsze
dokładności pomiaru współrzędnych. Według podawanych informacji
dokładność lokalizacji w płaszczyźnie poziomej wynosi
250 m, a dokładność pomiaru wysokości - 1000 m.
CORA
Rys. 18. Wygląd zewnętrzny i aparatura radaru Silent Sentry 3;
foto - Lockheed Martin [8]
Fig. 18. General view and equipment of the Silent Sentry 3 radar;
photo - Lockheed Martin [8]
CORA to skrót od Covert Radar. Jest to tzw. demonstrator
technologii opracowany przez Niemiecki Instytut Fizyki Wysokich
Częstotliwości i Technik Radarowych Stowarzyszenia
Stosowanych Nauk Przyrodniczych w skrócie FGAN-FHR -
od nazwy niemieckiej [7]. CORA wykorzystuje nadajniki programów
radiofonii cyfrowej w paśmie VHF (150...350 MHz)
i telewizji cyfrowej w paśmie UHF (400...700 MHz). Zestaw
radarowy tworzą przyczepa z rozkładanym systemem antenowym
i mikrobus z aparaturą elektroniczną (rys. 20).
Antena składa się z 16 paneli z elementami promieniującymi
tworzących szyk kołowy. Każdy panel ma dwie
części. Dolna część, ze skrzyżowanymi dipolami, umożliwia
odbiór fali o polaryzacji poziomej i pionowej w paśmie radiofonii
cyfrowej. Każdy element współpracuje z oddzielnym
torem odbiorczym, co pozwala formować cyfrowo wiązkę charakterystyki
kierunkowej w pełnym kącie 360°. Górna część
obsługuje pasmo telewizji cyfrowej o polaryzacji pionowej. Na
każdym panelu są umieszczone dwa elementy w szyku poziomym,
co pozwala formować nimi wiązkę sterowaną w sektorze
azymutalnym ±90°. Alternatywnie w górnej części mogą
być zamontowane elementy pracujące w paśmie radiofonii
cyfrowej; wtedy na każdym panelu są dwa jednakowe elementy
tworzące szyk pionowy, co umożliwia formowanie
wiązki w płaszczyźnie elewacji.
W systemie antenowym umieszczono 16 kompletnych
torów odbiorczych, z których każdy obejmuje część w.cz. ze
wzmacniaczem niskoszumnym i filtrem pasmowym, prze-
112 ELEKTRONIKA 11/2009

twornik A/C, cyfrowy filtr wyboru kanału radiowego i układ decymacji.
14-bitowe przetworniki A/C przetwarzają bezpośrednio
sygnał w.cz. z częstotliwością próbkowania 100 MHz.
Ponieważ telewizja cyfrowa wykorzystuje pasmo ok. 8 MHz
wyjściowa częstotliwość próbkowania (po decymacji) też musi
być odpowiednio wyższa niż 200 kHz, które wystarczało do
przetwarzania sygnału analogowej radiofonii FM. W urządzeniu
CORA stosuje się częstotliwość próbkowania 18,4 MHz.
Całą tę aparaturę części antenowej tworzy blok w.cz. i cztery
płyty przetwarzania cyfrowego, po cztery kanały obróbki na
każdej. Strumień danych wyjściowych z każdej płyty jest przesyłany
oddzielnym łączem optycznym do dalszego przetwarzania
w mikrobusie. Oddzielnymi łączami optycznymi
przesyłane są sygnały zegarowe i sterujące.
Cztery strumienie danych z systemu antenowego są
obsługiwane przez cztery serwery Quad Opteron. W każdym
serwerze dane są zapisywane na dwóch twardych dyskach,
każdy o pojemności 1000 GB, co daje w sumie przestrzeń
zapisu 8000 GB. Dalsze przetwarzanie wykorzystuje sieć
twardych dysków RAID (Redundant Array of Independent
Disks) o sumarycznej pojemności ponad 15000 GB. Podane
liczby dają wyobrażenie, jak potężne zasoby muszą być zaangażowane
do sterowania przetwarzaniem sygnału cyfrowego,
formowania charakterystyk antenowych i procesu
korelacji prowadzącego do detekcji echa.
Demonstrator CORA był poddany testom z wykorzystaniem
cyfrowych stacji radiofonicznych (DAB). Uzyskano tzw.
odległość bistatyczną (różnica dróg sygnału echa i sygnału
bezpośredniego) wykrywania samolotów rejsowych do
120 km. Mały samolot Cessna lecący na wysokości 300 m był
wykrywany na odległości bistatycznej 30 km. Na rys. 21 pokazane
są zarejestrowane wykrycia przelatujących samolotów
rejsowych, sięgające odległości bistatycznej 120 km. Powiększony
fragment pokazuje obserwowany przez 7 minut lot samolotu
Cessna w czasie oddalania (ujemny Doppler) - słabiej
widoczny zygzakowaty ślad trasy biegnący prawie pionowo.
Warto zauważyć, że liczba oznaczająca zasięg bistatyczny
właściwie nie daje pojęcia o odległości obiektu od
miejsca, gdzie prowadzi się jego wykrywanie, czyli o tym, co
chciałoby się nazwać tradycyjnie rozumianym zasięgiem. Przy
tej samej odległości bistatycznej odległości obiektu od odbiornika
mogą różnić się kilkakrotnie (por. rys. 6), a zarazem
zmieniają się szanse wykrycia obiektu (por. rys. 8). Nawet jeśli
status demonstratora nie daje możliwości określenia pełnej
lokalizacji obiektu, jego rzeczywistą odległość można łatwo
uzyskać innymi metodami pomiarowymi. Niestety, autorzy
publikujący osiągnięcia swoich rozwiązań PCL z reguły nie
podają tak wydawałoby się oczywistych i istotnych danych.
Być może dlatego, że dzięki temu podawane liczby wyglądają
bardziej optymistycznie.
Rys. 20. Zestaw demonstratora radaru pasywnego CORA; foto -
FGAN-FHR [7,10]
Fig. 20. CORA passive radar demonstrator set; photo - FGAN-FHR
[7,10]
Rys. 21. Zarejestrowane wykrycia samolotów przez radar CORA;
foto - FGAN-FHR [10]
Fig. 21. Aircraft detections recorded by the CORA radar; photo -
FGAN-FHR [10]
ELEKTRONIKA 11/2009 113

Zbigniew Czekała jest projektantem urządzeń radiolokacyjnych
w Centrum Naukowo-Produkcyjnym Elektroniki Profesjonalnej
RADWAR SA. od ponad 35 lat. Uczestniczył
w projektowaniu i badaniach kilku generacji radarów wojskowych,
transferując dostępną w danym czasie myśl techniczną
do konkretnych rozwiązań. Jako praktyk dobrze czuje oczekiwania
użytkowników, także od strony opisowej. Jest autorem
wydanej przed 10 laty książki „Parada radarów”, która
została bardzo dobrze przyjęta w szeroko rozumianym środowisku
techników radiolokacji.
W podobnym stylu prezentuje autor zasady działania radiolokacji
pasywnej. Sam doświadczając trudności przestawienia
się z pewnych „kolein” pojęciowych właściwych dla
radaru impulsowego, w wielu miejscach podkreśla istotne
różnice obu technik. Starannie wystrzegając się hurraoptymizmu
charakterystycznego dla propagatorów nowej techniki,
z pozycji całkowicie neutralnej i tylko przy okazji rzetelnego
opisu ukazuje zarówno jej zalety, jak i wady, a także słabe
punkty jeszcze do końca nie wyjaśnione lub przemilczane.
Autor dziękuje kol. dr. hab. inż. Krzysztofowi Kulpie - bez wątpienia
najlepszemu w Polsce znawcy problematyki PCL - za konsultacje
i cenne uwagi przy opracowaniu tego artykułu.
Praca częściowo finansowana przez Narodowe Centrum Badań
i Rozwoju w latach 2007-2010 jako Projekt Badawczy Zamawiany
PBZ-MNiSW-DBO-04/I/2007
Literatura
[1] Howland P. E.: Target tracking using television-based bistatic radar.
IEE Proc. - Radar Sonar and Navigation, vol. 146, no 3, June 1999.
[2] Griffiths H. D., Baker C. J.: Passive coherent location radar systems.
Part 1: Performance prediction. IEE Proc. - Radar, Sonar
and Navigation, vol. 152, no 3, June 2005.
[3] Baker C. J., Griffiths H. D., Papoutsis I.: Passive coherent location
radar systems. Part 2: Waveform properties. IEE Proc. -
Radar Sonar and Navigation,.vol. 152, no 3, June 2005.
[4] Howland P. E., Maksimiuk D., Reitsma G.: FM radio based bistatic
radar. IEE Proc. - Radar, Sonar and Navigation, vol. 152, no
3, June 2005.
[5] Mousavil M. R., A. J., Nayebi M. M.: Fast and Accurate Method
for PCL Radar Detection in Noisy Environment. Proceedings of
the 3rd European Radar Conference, September 2006, Manchester,
UK.
[6] Ringer M. A., Frazer G. J., Anderson S. J.: Waveform Analysis of
Transmitters of Opportunity for Passive Radar. Published by Department
of Defence, Defence Science and Technology Organisation
(DSTO), Electronics and Surveillance Research
Laboratory, Salisbury, Australia, June, 1999.
[7] Kuschel H., Heckenbach J., Müller St., Appel R.: On the potentials
of passive, multistatic, low frequency radars to counter
stealth and detect low flying targets. Radar Conference, 2008.
RADAR ‘08. IEEE.
[8] Lockheed Martin Corp. Silent Sentry. Innovative Technology for
Passive, Persistent Surveillance. http://www.lockheedmartin.
com/data/assets/10644.pdf.
[9] Lockheed Martin Corp. PCL-Silent Sentry Introduction. Passive
radar workshop 2007, FGAN, Wachtberg, Germany, 22
August 2007.
[10] Kuschel H.: Overview of system concepts and general aspects.
Passive radar workshop 2007, FGAN, Wachtberg, Germany, 22
August 2007.
[11] Malanowski M., Mazurek G., Kulpa K., Misiurewicz J.: FM based
PCL radar demonstrator. International Radar Symposium 2007,
Cologne, Germany.
114 ELEKTRONIKA 11/2009

System dalekosiężnej identyfikacji i śledzenia statków
dr hab. inż. JERZY CZAJKOWSKI prof. AM, mgr inż. KAROL ŁYSZYK
Akademia Morska w Gdyni
Opisując dziesięciolecie istnienia Światowego Morskiego Systemu
Łączności Alarmowej i Bezpieczeństwa - GMDSS (Global
Maritime Distress and Safety System) w artykule
opublikowanym w numerze 5/2009 Elektroniki autorzy oprócz
przedstawienia ogólnej charakterystyki systemu, podsystemów
składowych i realizowanych funkcji scharakteryzowali tematykę
obrad Podkomitetu IMO (International Maritime
Organization) ds. radiokomunikacji ratownictwa - COMSAR
(Communication Search and Rescue). Podkomitet ten na
przestrzeni ostatnich dziesięciu lat podejmował sprawy które
związane były z ciągłym rozwojem systemu GMDSS - zarówno
dotyczących nowych technologii, jak i systemów zwiększających
bezpieczeństwo żeglugi. Między innymi w artykule
wspomniano o radiowych systemach do ochrony statków
i portów, a jednym z nich jest - system dalekosiężnej identyfikacji
i śledzenia statków - LRIT (Long Range Identification and
Tracking of chips), którego powstanie było związane z terrorystycznymi
zamachami 11 września 2001 r. w Stanach Zjednoczonych.
Chociaż system ten nie jest podsystemem
składowym GMDSS - to korzysta z rozwiązań radiokomunikacyjnych,
które stanowią istotę jego działania. Zadaniem
tego systemu jest stworzenie globalnego monitoringu ruchu
statków w celu poprawienia bezpieczeństwa żeglugi. Celem
artykułu jest przedstawienie zarówno założeń teoretycznych
systemu LRIT jak i jego charakterystyka techniczna.
Ogólna koncepcja systemu
Koncepcja utworzenia systemu LRIT była szczegółowo rozpatrywana
przez Podkomitet COMSAR podczas licznych sesji w latach
2001-2007. Rozpatrywano architekturę systemu, która miała
składać się z licznych baz danych (narodowych, regionalnych)
opartych na współpracy międzynarodowej. Bazy te powinny być
zdolne do wymiany danych pomiędzy sobą poprzez centrum wymiany
danych oraz dostarczenia informacji LRIT użytkownikom
systemu (państwom członkowskim lub służbom SAR).
Podkomitet zaakceptował również główne wymagania stawiane
bazom danych:
• gromadzenie i archiwizowanie informacji przesyłanych
przez statki, które wybrały jedną z baz,
• dostarczanie swoim użytkownikom stosownych informacji
z LRIT,
• uzyskiwanie (gdy zajdzie taka potrzeba) informacji LRIT
z innej bazy z wykorzystaniem międzynarodowego centrum
wymiany danych,
• wykonanie lub retransmitowanie, gdy jest to konieczne,
żądania transmisji informacji LRIT.
Komitet Bezpieczeństwa Morskiego MSC (Maritime Safety
Committee) działający w IMO i zatwierdzający wyniki prac
Podkomitetu COMSAR w odniesieniu do systemu LRIT podjął
istotne decyzje w dziedzinie:
Rys.1. Ilustracja architektury systemu LRIT
ELEKTRONIKA 11/2009 115

• wytypowaniu statków zobowiązanych do przesyłania informacji,
• zawartości przesyłanych informacji,
• poufności informacji LRIT,
• dostępności do informacji przez państwa członkowskie,
• specyfikacji technicznej komponentów systemu LRIC:
- międzynarodowego centrum wymiany danych IDE (International
Data Exchange),
- międzynarodowej bazy danych IDC (International Data
Centre),
• komunikacji wewnątrz systemu LRIT,
• sporządzania protokołów z testowania systemu LRIT oraz
z integracji nowych baz danych do systemu.
Ostateczny kształt systemu LRIT został przyjęty przez Komitet
Bezpieczeństwa Morskiego i zatwierdzony w okólniku
MSC.1/1219. Na rys. 1 przedstawiono ostateczną architekturę
systemu LRIT.
Komitet MSC postanowił powołać koordynatora systemu
LRIT, który byłby zobowiązany do dokonywania przeglądów
określonych funkcji systemu oraz przeprowadzania badań
oraz dokonywania analizy prawdziwości i rzetelności informacji.
Koordynatorem tym została organizacja IMSO (International
Mobile Satelite Organization) Międzynarodowa
Organizacja Ruchomej Łączności Satelitarnej.
Struktura i zasada działania systemu LRIT
Konfiguracja systemu, jego części składowe oraz ich współzależność
logiczną przedstawiono na rys. 2.
Jak wynika z rysunku 2 system składa się z:
• urządzeń statkowych wykorzystywanych do transmisji
danych,
• dostawców usług radiokomunikacyjnych CSP (Communication
Service Provider),
• dostawców usług aplikacyjnych ASP (Application Service
Provider),
• krajowych, regionalnych i międzynarodowych baz danych
obejmujących systemy monitorowania statków VMS (Vessel
Monitoring System). Bazy te zwane są centrum danych
LRIT (LRIT Data Centres),
• międzynarodowego centrum wymiany danych - IDE (International
Data Exchange),
• użytkowników systemu LRIT (Data Users).
Funkcjonowanie systemu jest następujące:
Informacje LRIT dostarczane ze statków, których współrzędne
geograficzne ich położenia są określane za pomocą satelitarnego
systemu nawigacji satelitarnej - przekazywane są państwom
członkowskim oraz instytucji SAR upoważnionych do
odbioru informacji. Wiadomości te przekazywane są za pośrednictwem
dostawcy usług aplikacyjnych (ASP) przy wykorzystaniu
infrastruktury radiokomunikacyjnej zapewnionej
przez dostawcę usług radiokomunikacyjnych (CSP). Autoryzowany
ASP po odbiorze informacji ze statku przeprowadza
jego identyfikację, a następnie w postaci przekazu danych dostarcza
do odpowiedniej bazy danych systemu LRIT. Bazy danych
gromadzą i przechowują informacje uzyskane od
statków, przeprowadzają analizę w oparciu o wytyczne zawarte
w planie dystrybucji danych LRIT (DDP - Data Distribution
Plan) - określają użytkowników systemu i informacje te
przekazują. Ponadto tzw. niemiędzynarodowe centra mogą
jednocześnie uzupełniać systemy monitoringu statków (VMS)
lub też służbę kontroli ruchu statków (VTS).
Struktura LRIT w założeniu posiada międzynarodowe centrum
wymiany danych umożliwiające rozprowadzanie informacji
między bazami zgodnie z planem dystrybucji.
Uproszczony schemat LRIT przedstawiono na rys. 3.
Rys. 3. Uproszczony schemat LRIT
Charakterystyka funkcjonalnych
składowych LRIT
Dostawca usług aplikacyjnych ASP
Rys. 2. Schemat systemu LRIT
Usługi aplikacyjne prowadzone są wobec:
• narodowych baz danych, ustanowionych i zaaprobowanych
przez administrację państwa członkowskiego,
• regionalnych bądź współpracujących baz danych, ustanowionych
i zaaprobowanych przez administrację państw
członkowskich,
116 ELEKTRONIKA 11/2009

• międzynarodowej bazy danych, uznanej przez Komitet
Bezpieczeństwa Morskiego (MSC).
Państwa członkowskie przedkładają IMO spis dostawców
usług aplikacyjnych (ASP) wraz z danymi kontaktowymi i warunkami
ich uznania.
Organizacja potwierdza te informacje, ponadto przekazuje
identyczne dane o dostawcy usług aplikacyjnych, powołanego
dla międzynarodowej bazy danych, państwom członkowskim,
międzynarodowemu centrum wymiany danych, koordynatorowi
systemu, a także pozostałym bazom LRIT: narodowym,
regionalnym bądź kooperującym.
Funkcje dostawców usług aplikacyjnych ASP (Application
Service Provider):
• prowadzą protokół łącza komunikacyjnego pomiędzy dostawcami
usług radiokomunikacyjnych CSP (Communication
Service Provider(s)), a bazą danych LRIT, aby
realizować następujące zadania:
- zdalnej integracji sprzętu statkowego danych LRIT,
- automatycznej konfiguracji transmitowanych informacji
LRIT,
- automatycznej zmiany odstępów pomiędzy kolejnymi
transmisjami,
- automatycznego zawieszenie transmisji informacji LRIT,
- wysyłania informacji na żądanie,
- automatycznego odbioru i zarządzania transmisją,
• prowadzą system zarządzania operacjami monitorowania
przepustowości i przebiegu informacji LRIT,
• zapewniają gromadzenie danych LRIT, ich przechowywanie
i kierowanie w niezawodny i bezpieczny sposób.
Dostawcy usług radiokomunikacyjnych
Dostawcy usług radiokomunikacyjnych odpowiadają za
łączność pomiędzy poszczególnymi segmentami systemu
LRIT stosują protokoły komunikacyjne, w celu zapewnienia
Parametry
Identyfikacja statku
Nazwa statku
Matryca czasowa nr 2
Matryca czasowa nr 3
Identyfikator bazy
danych LRIT
Matryca czasowa nr 4
Matryca czasowa nr 5
Tab. 1. Informacje uzupełniane przez ASP
Uwagi
Numer identyfikacji statkowej IMO
i numer MMSI (Maritime Mobile Service
Identity) - identyfikator morskiej służby
ruchomej
Nazwa statku w języku angielskim, przy
wykorzystaniu liter łacińskich i systemu
kodującego UTF-8
Data i czas transmisji informacji LRIT
odebranej przez ASP (występuje dla
określonego rodzaju komunikacji)
Data i czas odebranej w informacji LRIT,
którą przesłano z ASP do odpowiedniej
bazy danych LRIT (występuje dla
określonego rodzaju komunikacji)
Identyfikacja bazy danych LRIT
dokonywana jest za pomocą unikalnego
identyfikatora
Data i czas transmisji informacji LRIT
odebranej przez bazę danych LRIT
Data i czas informacji LRIT przesłanej
z bazy danych LRIT do użytkownika
całkowitego bezpieczeństwa podczas przesyłania informacji
LRIT, wykluczone jest zastosowanie systemu nadawania niezabezpieczonego.
Dostawcy usług aplikacyjnych uzupełniają informacje LRIT
o dane przedstawione w tabeli 1.
Dodatkowo administracja, państwo członkowskie i Komitet
mogą ustalić szczególne wymagania wobec którychkolwiek
dostawców usług aplikacyjnych.
Bazy danych LRIT
Wymagania stawiane wszystkim bazom danych:
• ustanowienie i stałe utrzymanie systemu w sposób, który
zapewni nieprzerwane dostarczanie informacji tylko uprawnionym
użytkownikom LRIT (LRIT Data Centres - DCs),
• gromadzenie informacji LRIT ze statków określonych przez
administrację państwa,
• uzyskanie przez jedną bazę danych, po żądaniu, wiadomości
LRIT innej bazy danych z udziałem międzynarodowego
centrum wymiany danych,
• udostępnienie przez jedną bazę danych po żądaniu, wiadomości
LRIT innej bazie danych przez system wymiany
informacji LRIT (IDE),
• wykonanie żądania otrzymanego od użytkownika LRIT dotyczące
odzewu lub zmiany odstępów pomiędzy transmisjami
informacji LRIT, które kierowane są do statku lub
grupy statków przypisanych do tej bazy danych,
• przekazanie żądania odebranego od użytkownika LRIT,
przy udziale centrum wymiany danych dla odzewu informacji
LRIT (tzw. polling) lub w celu zmiany odstępów pomiędzy
transmisjami informacji LRIT, które kierowane są
do statku lub grupy statków przypisanych innej bazie,
• rozpowszechnienie na żądanie użytkownikom LRIT informacji
odpowiednio zaaranżowanej i zgłoszenie użytkownikom
LRIT lub administracji o zatrzymaniu transmisji
informacji LRIT z określonego statku,
• archiwizowanie informacji LRIT ze statków za okres przynajmniej
jednego roku,
• i aż do czasu kiedy Komitet oceni, a następnie zaakceptuje
coroczne sprawozdanie z przeprowadzonej przez koordynatora
LRIT kontroli funkcjonowania systemu LRIT.
Wszak, archiwizowane informacje LRIT powinny dostarczać
pełny zapis wszelkich czynności bazy w okresie pomiędzy
dwoma kolejnymi kontrolami,
Tab.2. Wymagania łącznościowe stawiane bazom danych
Warunek
Używanie standardowego
protokołu komunikacyjnego oraz
uzgodnionych protokołów w celu
zapewnienia łączności z...
Zastosowanie standardowych
metod ochrony transmisji
realizowanych z...
Stosowanie bezpiecznych metod
legalizacji z...
Używanie standardowego formatu
wiadomości z zastosowaniem
trybu rozkazującego przy
komunikacji z...
Element składowy systemu
- międzynarodowym centrum
wymiany danych (IDE)
- serwerem planu rozdziału
danych (DDP)
- międzynarodowym centrum
wymiany danych (IDE),
- serwerem planu rozdziału
danych (DDP)
użytkownikiem danych LRIT
- międzynarodowym centrum
wymiany danych (IDE),
- serwerem planu rozdziału
danych (DDP)
ELEKTRONIKA 11/2009 117

• używanie właściwego osprzętu i oprogramowania do
sporządzania w regularnych odstępach zapasowej kopii informacji
LRIT, ich magazynowania w pobocznych komórkach
pamięci, które to w sytuacji awaryjnej będą dostępne
w sposób możliwie najszybszy, aby utrzymać ciągłość
transmisji,
• utrzymanie listy statków, które transmitują informacje LRIT
do bazy. Lista powinna zawierać nazwę statku, numer
identyfikacyjny IMO, sygnał wywoławczy oraz numer MMSI
- identyfikator morskiej służby ruchomej,
• użycie niezawodnego łącza (np. typu TCP 4 ) transmisji informacji
LRIT,
• zdolność do uzupełniania informacji LRIT o dane z tabeli 2.
podczas każdej transmisji,
• posiadanie dostępu do obecnego planu rozdziału danych
(DDP), a także do wcześniejszych wersji,
• wymagania stawiane bazie danych w relacji do innych elementów
systemu LRIT zebrano w tabeli 2.
Środki radiokomunikacyjne w systemie LRIT
Realizacja łączności w systemie LRIT odbywa się w złożonej
sieci różnorodnych połączeń pomiędzy poszczególnymi komponentami,
w których ma miejsce przesyłanie wiadomości
LRIT. W zależności od rodzaju wiadomości przy jej przetwarzaniu
uczestniczą różne elementy składowe systemu. Inaczej
wygląda przebieg informacji LRIT dla standardowego
zawiadomienia o pozycji, inaczej dla wiadomości żądanej,
a zupełnie inaczej dla pomocniczej.
W praktyce wykorzystano 3 segmenty komunikacji, które
zostały ze sobą zintegrowane:
1. morski, czyli nadawanie informacji z ruchomych stacji -
statków,
2. kosmiczny poprzez pośredniczenie stacji satelitarnych
w przekazie informacji,
3. lądowej sieci połączeń od stacji naziemnej, która odbiera
informacje do użytkowników tych informacji.
Fundamentalną regułą komunikowania się w systemie
LRIT jest dobór takiego systemu komunikacyjnego, który zapewni
przesyłanie informacji o statkach z każdego miejsca na
kuli ziemskiej, które odbywają podróże międzynarodowe w
obszarach Al, A2, A3 oraz A4. W ten sposób dano możliwość
tworzenia medium otwartego, które nie zostało ograniczone
do jednego określonego typu.
Na tej podstawie wykorzystano dwa rodzaje komunikacji:
1. radiokomunikacja naziemna z wykorzystaniem pasma fal
krótkich HF,
2. radiokomunikacja satelitarna: INMARSAT - będąca częścią
składową systemu GMDSS oraz system IRYDIUM.
IRYDIUM korzysta z systemu satelitów niskoorbitalnych
rozmieszczonych na wysokości 780 km w liczbie 66. Krążą
one na 6 orbitach w płaszczyznach biegunowych w równomiernych
odstępach od Ziemi oraz nawzajem od siebie. Ustawione
są w logicznym układzie, który zapewnia dobrą
widzialność satelitów z powierzchni Ziemi. Pojedynczy satelita
okrąża Ziemię w ciągu 100 minut z prędkością ok.
27 000 km/h. W momencie, gdy satelita znika z pola widzenia,
transmisja przekazywana jest innemu - będącemu w zasięgu
widzialności.
Satelity tworzą sieć połączeń między sobą z terminalami
ruchomymi oraz ze stacjami naziemnymi. Każdy z nich
połączony jest do czterech innych - z dwoma na tej samej orbicie
oraz dwoma z orbit na płaszczyznach sąsiednich. Pomiędzy
satelitami występuje kanał prowadzenia rozmów.
Między satelitą a stacją naziemną utrzymywana jest łączność
Rys. 4. Realizacja łączności w systemie IRYDIUM
sygnalizacyjna oraz informacyjna. Satelita z abonentem (tutaj
terminalem statkowym) prowadzi transmisję w odpowiednich
odcinkach czasowych. Z kolei stacje naziemne poprzez
układy komutacyjne włączone są w sieć lądową.
Strukturę łączności w systemie IRYDIUM dla morskiego
abonenta przedstawiono na rys. 4.
Łącza międzysatelitarne działają w paśmie 23 GHz i wykorzystują
cztery anteny. System IRYDIUM stosuje zasadę
wielokrotnego dostępu FDMA/TDMA. Podporządkowane
ramki TDMA oraz algorytmów analizy i syntezy powoduje
opóźnienie około 90 ms przy łączności terminal naziemny -
terminal kosmiczny. Satelita używa anteny z 48 wiązkami, którymi
może sterować. Pozwala to skoncentrować promień
w odpowiednim momencie czasowym na obszarze określonej
komórki. Transmisja odbywa się we wspomnianym odcinku
czasowym do/od abonenta (statek morski) w paśmie L,
za pomocą modulacji QPSK.
Statkowe urządzenia radiowe systemu LRIT
Do przekazywania informacji w systemie LRIT mogą być wykorzystywane
urządzenia radiowe systemu GMDSS, pod warunkiem
iż muszą spełniać następujące wymagania:
• zdolność do automatycznej i niewymagającej ludzkiej ingerencji
na statku transmisji informacji LRIT, w zadanych
odstępach czasowych (np. co 6 godzin) - do bazy danych
LRIT,
• możliwość zmiany częstotliwości przesyłania informacji
w odstępach od 15-minutowych do 6-godzinnych,
• możliwość transmisji informacji LRIT po odebraniu komendy
typu polling (tryb odzewowy),
• posiadać łącze bezpośrednie z globalnym systemem satelitarnym,
bądź zamontowanym wewnętrznym systemom
pozycjonowania statku z włączeniem czasu, w którym
określana była pozycja statku,
• posiadać jednoznaczną identyfikację urządzenia radiokomunikacyjnego
pozwalającą na jednoznaczne określenie
źródła z którego informacja była nadana,
• spełniać warunki rezolucji A.813(19) odnośnie elektromagnetycznej
kompatybilności wszystkich elektrycznych
i elektronicznych urządzeń,
• korzystać z systemu radiokomunikacyjnego, który zapewnia
pokrycie całości obszaru, w którym statek odbywa
podróże,
• w przypadku odbywania podróży na obszarach morskich
powyżej szerokości geograficznej 70º może być dla potrzeb
LRIT stosowany system IRYDIUM.
118 ELEKTRONIKA 11/2009

Podsumowanie
System LRIT jest systemem, który umożliwia licznym podmiotom
w pełni wywiązywać się z ich zadań w zakresie:
• bezpieczeństwa nawigacji,
• poszukiwania i ratowania osób w niebezpieczeństwie,
• ochrony środowiska,
• zapobiegania aktom przestępczym, w tym terrorystycznym
w portach i na morzach.
System globalnej obserwacji w swoim założeniu ma
przede wszystkim poprawiać bezpieczeństwo państw nadbrzeżnych
i państw do których zawijają statki, poprzez dostarczanie
informacji o ruchu statków z wystarczającym
wyprzedzeniem czasowym tak, aby konkretne państwo było
w stanie podjąć odpowiednie działania.
Literatura
[1] Czajkowski J., Korcz K.: Dziesięciolecie systemu GMDSS w
świetle obrad Podkomitetu IMO-COMSAR Elektronika nr 5,
2009.
[2] Łyszyk K.: Koncepcja systemu dalekosiężnej identyfikacji i śledzenia
statków - LRIT. Praca dyplomowa AM Gdynia - czerwiec
2009.
[3] Rezolucja MSC.264(84), 16 maja 2008 r.: Establishment of the
International LRIT Data Exchange on an interim basic.
[4] Rezolucja MSC.276(85), 05 grudnia 2008 r.: Operation of the international
LRIT data exchange on an interim basic.
[5] Okólnik MSC.1/Circ.1259, 8 grudnia 2008 r.: Long range Identification
and Tracking System, Technical Documentation (part I).
[6] Wawruch R.: Światowy system identyfikacji i śledzenia statków.
Przegląd Telekomunikacyjny nr 1, 2009.
Szkło dla fotoniki. Część 14.
Parametry szklanego włókna optycznego
dr hab. inż. RYSZARD ROMANIUK prof. PW
Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych
Rodzaje szklanych włókien optycznych
Szklane włókno optyczne jest popularnie uważane za dość prosty
optyczny lub optoelektroniczny obiekt pasywny przeznaczony
do transmisji fali EM. W powszechnym rozumieniu
parametry włókna optycznego decydujące o jego wszystkich
właściwościach to: tłumienność, średnica i refrakcja. W sensie
ekonomicznym znaczną dominantę stanowią włókniste szklane
światłowody telekomunikacyjne wytwarzane zaledwie w kilku
podstawowych rodzajach ściśle opisanych przez stosowne
normy przemysłowe. Wśród światłowodów telekomunikacyjnych
dominującą ekonomicznie grupą są skompensowane dyspersyjnie
światłowody jednomodowe szerokopasmowe
przeznaczone do transmisji fali optycznej z podziałem falowym
DWDM. Drugim głównym rodzajem włókien telekomunikacyjnych
są znacznie tańsze światłowody wielomodowe przeznaczone
do budowy sieci lokalnych, w tym typu Ethernet IP LAN.
Coraz większe znaczenie zaczyna odgrywać w technice
światłowodowej rozszerzająca się grupa optycznych włókien
szklanych instrumentalnych (ze szkła nieorganicznego i organicznego)
o znacznej i szybko powiększającej się rozmaitości
rodzajów. Współczesny szklany światłowód włóknowy do zastosowań
instrumentalnych, wymagających zaawansowanego
przetwarzania fali optycznej, staje się jednym z najbardziej zaawansowanych
obiektów inżynierii materiałowej.
Światłowody telekomunikacyjne
Celem światłowodu telekomunikacyjnego jest niezniekształcona,
niskostratna transmisja, na ogół wielokrotnego, modulowanego
metodami WDM oraz TDM, cyfrowego sygnału
optycznego. Możliwość umieszczenia większej ilości kanałów
transmisyjnych WDM w światłowodzie jednomodowym zależy
od jednorodności spektralnej jego pasma transmisji.
Oznacza to brak w materiale światłowodu wąskich pasm absorpcji
związanych z zanieczyszczeniami. Szerokie wielokanałowe
pasmo transmisyjne wymaga niskiej dyspersji chromatycznej
sygnału we włóknie szklanym. Dyspersja chromatyczna
jest parametrem złożonym ze składnika materiałowego
i falowodowego. Składnik falowodowy zależy od
różnicowej dyspersji materiałowej pomiędzy rdzeniem i płaszczem
oraz od konstrukcji włókna. Składnik falowodowy dyspersji
może kompensować punktowo lub pasmowo składnik
materiałowy. Istotą kompensacji dyspersyjnej szklanego
włókna optycznego jest obniżenie dyspersji całkowitej w paśmie
najniższych strat włókna. Pozostawienie pewnej dyspersji
resztkowej jest korzystne z punktu widzenia występowania
we włóknie nieliniowych zjawisk optycznych. W przypadku
całkowitego braku dyspersji fale optyczne o różnych
częstotliwościach we włóknie optycznym łatwiej spełniają warunek
synfazowości, konieczny dla wystąpienia wielu koherentnych
(fazowych) zjawisk nieliniowych. W przypadku
istnienia dyspersji fale te ulegają ciągłej wzajemnej precesji
utrudniając spełnienie warunku fazy.
Kolejnym kryterium i związanym z nim grupą parametrów
jest jak najniższy poziom przesłuchu pomiędzy sąsiadującymi
transmitowanymi pasmami falowymi. Brak przesłuchów wymaga
jak najniższego poziomu indukowanych nierezonansowych
optycznych zjawisk nieliniowych w szkle światłowodu.
Z kolei możliwość upakowania jak największej ilości
kanałów falowych (nazywanych kanałami o różnych kolorach)
wymaga przesyłania włóknem szklanym jak największej gęstości
mocy optycznej. Po przekroczeniu pewnej, charakterystycznej
dla danego rodzaju szkła, wartości gęstości mocy,
następuje samoistna generacja różnych zjawisk nieliniowych.
Niektóre z tych zjawisk prowadzą do generacji nowych fal
o przesuniętych częstotliwościach optycznych sumacyjnych
i różnicowych wobec częstotliwości fal wejściowych. Prowadzi
to do silnego wzrostu przesłuchów międzykanałowych
i zaniku transmisji WDM.
ELEKTRONIKA 11/2009 119

W jednomodowym szklanym włóknie transmisyjnym nie
tyle istotny jest wymiar rdzenia optycznego (zdefiniowany przy
pomocy profilu refrakcyjnego), ile efektywna średnica modowa.
Zazwyczaj jest ona nieco (światłowody o dużym kontraście
refrakcyjnym) lub znacznie większa (włókna o małym
kontraście) od średnicy rdzenia. Średnica modu podstawowego
i kontrast określają odporność włókna na mikrozgięcia,
straty łączenia oddzielnych odcinków włókna. Duża efektywna
średnica modu podstawowego pozwala na upakowanie większej
ilości kanałów WDM w takim włóknie z powodu zmniejszenia
gęstości mocy optycznej w rdzeniu.
Światłowody izotropowe
W praktyce takie światłowody idealne - dokładnie izotropowe
- nie istnieją. Każda technologia wprowadza rezydualną niejednorodność
kształtu, anizotropię refrakcyjną, optyczną, niejednorodności
mechaniczno-termiczne, chemiczne, gęstości
i składu lokalnego szkła, itp. Tego typu niejednorodności dotyczą
w znacznym stopniu światłowodów jednomodowych, na
ogół przeznaczonych dla celów telekomunikacyjnych, tzn.
o znacznej długości. Niejednorodności wprowadzane we
włókno szklane przez rzeczywistą technologię w różny sposób
przekładają się na użytkowe parametry światłowodu. Rezydualna
eliptyczność rdzenia powoduje rozdzielenie dwóch polaryzantów
modu podstawowego. Przypadkowy rozkład
eliptyczności wzdłuż włókna (lub innego rodzaju zaburzeń
średnicy) powoduje fluktuacje polaryzacji fali optycznej. Fluktuacje
polaryzacji z kolei są powodem dalszych zjawisk we
włóknie jednomodowym, jak polaryzacyjnie zależne straty
transmitowanej fali. Inne niejednorodności np. naprężeń mechanicznych
i indukowanych termicznie przekładają się na
fluktuacje anizotropii refrakcyjnej i w rezultacie na szum fazowy
transmitowanej fali.
Światłowody instrumentalne
Coraz większą grupę pod względem ekonomicznym stanowią
szklane włóknowe światłowody instrumentalne. Wiele z tych
rodzajów włókien szklanych służy do transmisji sygnałów analogowych
w odróżnieniu od transmisji wyłącznie sygnałów cyfrowych
w światłowodach telekomunikacyjnych. Obejmują one
trzy główne grupy światłowodów: aktywne, przeznaczone do
budowy elementów funkcjonalnych fotoniki światłowodowej
oraz czujnikowe. Te trzy grupy szklanych włókien optycznych
podlegają intensywnemu rozwojowi pod względem technologicznym,
stosowanych materiałów, konstrukcji i możliwości zastosowań.
Szklane światłowody instrumentalne, w odróżnieniu
od w miarę jednorodnych włókien telekomunikacyjnych, posiadają
zupełnie odmienne parametry pomiędzy różnymi typami
przeznaczonymi dla różnych celów. Następuje ich ciągła
dywersyfikacja typów, rodzajów i konstrukcji. Wiele z nich jest
uczulanych na pewne rodzaje fizykochemicznych oddziaływań
zewnętrznych podczas, gdy inne są znieczulane na pewne
grupy oddziaływań zewnętrznych.
Światłowody polaryzujące
Jednym z ważnych i powszechnie stosowanych w układach
optycznych rodzajów światłowodów instrumentalnych są
szklane włókna optyczne polaryzujące. Są to szklane włókna
optyczne jednomodowe, w których poprzez zamrożone nie izotropowe
mechaniczne naprężenie wewnętrzne wprowadzono
anizotropię optyczną. Istnienie takiej anizotropii prowadzi do
możliwości usunięcia jednego polaryzanta modu podstawowego.
Światłowód jest jednomodowy jednopolaryzacyjny, w odróżnieniu
od światłowodu jednomodowego izotropowego.
Światłowód jednomodowy izotropowy prowadzi dwa polaryzanty
ortogonalne modu podstawowego lewo i prawoskrętną.
Światłowody dziurawe
Szklane włókno optyczne posiada otwór ciągnący się wzdłuż
włókna, położony osiowo symetrycznie (światłowody kapilarne),
bądź położony niesymetrycznie w pobliżu rdzenia
optycznego (światłowód z bocznym otworem). Światłowód kapilarny
może być wypełniony niskostratnym płynem tworzącym
ciekły rdzeń optyczny. W otworze może być
transmitowana metodą fotoniczną fala optyczna i materialna
fala deBroglia. W otworze bocznym w pobliżu rdzenia można
oddziaływać na propagowaną falę zanikającą.
Światłowody deBroglia
Rodzaj kapilarnych szklanych włókien optycznych, w których
fala materialna koherentnych zimnych atomów jest prowadzona
ciemną wiązką światła. Ciemna wiązka światła posiada
minimum natężenia na osi światłowodu. Wiązka światła jest odstrojona
w częstotliwości od pasm absorpcji transmitowanych
atomów w taki sposób, że atomy są utrzymywane na osi wiązki.
Światłowody aktywne
Światłowody aktywne służą do budowy laserów światłowodowych,
wzmacniaczy optycznych dyskretnych o znacznym
wzmocnieniu jednostkowym [dB/m W] i rozłożonych o niewielkim
wzmocnieniu właściwym, a zatem o znacznej długości.
Szklane włókna aktywne są wykonywane z niskostratnych
szkieł światłowodowych domieszkowanych jonami aktywatorami,
jak jony ziem rzadkich. Dobór szkła osnowy jest podstawą
do budowy efektywnego lasera światłowodowego
bowiem w niektórych szkłach pewne poziomy laserowe nie
mogą być ujawnione ze względu na wpływ struktury energetycznej
osnowy a w szczególności dużą wartość energii fali fononowej
w szkle. Lasery i wzmacniacze światłowodowe
działają z wykorzystaniem następujących dwóch głównych
mechanizmów: samowzmacniania emisji stymulowanej
w określonym paśmie częstotliwości (analogicznie do klasycznych
laserów objętościowych) oraz stymulowanego niezależnego
od pasma nieelastycznego rozpraszania Ramana
(wzmacniacze Ramana). Szklane włókno aktywne musi łączyć
w sobie pod względem technologicznym i konstrukcyjnym jednocześnie
kilka funkcji optycznych. Możliwość sprawnego
pompowania optycznego zapewnia wielomodowa konstrukcja
obszaru pompowanego włókna o niesymetrycznym kształcie
tak, aby jak największa część mocy była sprzęgana do jednomodowego
obszaru generacji lub wzmacniania. Szklane
włókno aktywne o tak skomplikowanej strukturze konstrukcyjnej,
materiałowej, refrakcyjnej i termiczno-mechanicznej musi
posiadać zwierciadła Bragga na obu końcach (lub w pewnych
fragmentach swojej długości) w celu zapewnienia sprzężenia
zwrotnego dla akcji laserowej. Zapisanie siatki Bragga wewnątrz
tak skomplikowanej, wielowarstwowej i niejednorodnej
struktury jest bardzo trudnym zagadnieniem technologicznym.
Światłowody fotoniczne
Włókna optyczne fotoniczne są wykonywane ze szkieł fotonicznych
(nazywanych częściej kryształami fotonicznymi). Są
to materiały o mieszanej strukturze: mikroskopowo amorficz-
120 ELEKTRONIKA 11/2009

nej i makroskopowo morficznej. Propagacja światła jest determinowana
nie bezpośrednio przez refrakcję, ale przez
strukturę materiału. Struktura materiału jest zdefiniowana
przez periodyczny rozkład znacznego kontrastu refrakcji, na
ogół między szkłem i powietrzem. Wymiar charakterystycznej
struktury kontrastu refrakcji i defektów w tej strukturze jest
rzędu połowy długości propagowanej fali optycznej. Fala
optyczna jest propagowana mechanizmem refrakcyjnym
w defekcie struktury fotonicznej lub przy pomocy mechanizmu
refleksyjno-dyfrakcyjno-interferencyjnego, w tzw. tworzonym
w materiale paśmie fotonicznym będącym analogiem pasma
dozwolonego i zabronionego dla elektronów w półprzewodniku.
Parametrami światłowodowego szkła fotonicznego jest
kontrast refrakcji, okres i kształt zaburzenia fotonicznego, rodzaj
defektu struktury fotonicznej, rodzaj fotonicznego pasma
zabronionego, gęstość struktury fotonicznej.
Istotnym parametrem jest gęstość struktury fotonicznej.
W granicznym przypadku gęstości bardzo małej, fala świetlna
jest prowadzona w znacznej mierze w powietrzu (próżni, impregnacie),
a nie w szkle.
Światłowody Bragga poprzeczne i podłużne
Szklane włókna optyczne można uczulać na oddziaływanie
fali UV w taki sposób, że metodą interferencyjną lub siatki fazowej
tworzona jest wewnątrz włókna w miarę trwała siatka
refrakcyjna Bragga o relatywnie niewielkim kontraście refrakcyjnym.
Włókna z poprzeczną siatką Bragga stanowią filtry
i selektywne zwierciadła rozłożone o niewielkiej szerokości
spektralnej rzędu nm i znacznej wysokości rzędu kilkudziesięciu
dB. Włókna szklane o podłużnej osiowo symetrycznej
siatce Bragga są w pewnym sensie analogami światłowodów
fotonicznych.
Światłowody dużej mocy
Szklane włókna optyczne o odpowiedniej konstrukcji mogą
służyć do transmisji dużej mocy fali optycznej w różnych zakresach
spektralnych, głównie średniej i dalekiej podczerwieni.
Światłowody dużej mocy powinny posiadać relatywnie
dużą średnicę rdzenia, jak najmniejsze straty, w tym brak zlokalizowanych
defektów. Przy dużych poziomach transmitowanej
mocy włókna szklane powinny być efektywnie
chłodzone np. cieczą. Powinny być zabezpieczone przed wyjściem
wiązki światła poza włókno szklane. Typowe zastosowania
włókien szklanych dużej mocy to: oświetleniowe, do
zdalnej detonacji, zapłonu optycznego, zasilania optycznego,
spawania, cięcia, jako lancety medyczne, itp.
Światłowody nieliniowe
Szkło światłowodowe jest charakteryzowane przy pomocy
nieliniowego współczynnika refrakcji (a także nieliniowego
współczynnika absorpcji), zależnej od natężenia transmitowanej
fali optycznej. Współczynnik nieliniowości włókna
optycznego zależy dodatkowo od efektywnej średnicy pola
modowego (w światłowodzie jednomodowym) oraz od średnicy
rdzenia (w światłowodzie wielomodowym). Światłowodowe
szkła niskorefrakcyjne posiadają jednocześnie
niewielką wartość nieliniowego współczynnika refrakcji.
Ogólnie światłowody nieliniowe można podzielić na dwie
główne grupy: nierezonansowe i rezonansowe. Zjawiska nieliniowe
we włóknach szklanych dzielimy ponadto na amplitudowe
(niezależne od fazy) oraz fazowe (koherentne) ściśle
zależne od fazy oddziaływujących czynników (kilku fal
optycznych, sprzężonego fononu i fotonu, itp.). Inna klasyfikacja
rozróżnia zjawiska nieliniowe refrakcyjne i absorpcyjne,
wzajemnie zależne od siebie poprzez całkowe
relacje Kramersa-Kroniga.
W światłowodach nieliniowych nierezonansowych występują
optyczne zjawiska parametryczne pierwszego i wyższych
rzędów. Zjawiska nieliniowe nierezonansowe są związane
z wirtualnym pobudzeniem szkła światłowodu o zakresie
energetycznym nie przekraczającym pasma zabronionego.
Pobudzenie może być statyczne lub dynamiczne i może mieć
sprzężony charakter elektromagnetyczny, magnetyczny, elektryczny,
termiczny i mechaniczny. Niektóre z tych rodzajów
pobudzeń prowadzą do częściowej, chwilowej, lokalnej morfizacji
szkła rdzenia światłowodu i najczęściej związane są
z procesami fotonowo-fononowymi. Nieliniowe zjawiska nierezonansowe
pierwszego rzędu obejmują np. optyczny efekt
Kerra, mikrosoczewkowanie, samomodulację fazy, skrośną
modulację fazy, mieszanie zdegenerowane i niezdegenerowane
czterofalowe (ogólnie wielofalowe), przemianę częstotliwości
w tym upkonwersję, nieelastyczne rozpraszanie fali
spontaniczne lub stymulowane w tym rozpraszanie Brillouina
i Ramana. Zjawiskiem wyższego rzędu jest np. generacja superkontinuum
optycznego w światłowodzie.
Jednym z fazowych zjawisk nieliniowych w szklanym
włóknie optycznym jest generacja impulsu solitarnego (solitonu)
z normalnego impulsu dyspersyjnego. Soliton podczas
propagacji wzdłuż włókna nie podlega zmianom kształtu czyli
dyspersji. Naturalne rozszerzenie impulsu optycznego jest
kompensowane przez zapadanie się (zawężanie) impulsu
spowodowane zjawiskiem nieliniowym. Ciekawym zagadnieniem
jest propagacja we włóknie szklanym gęstego ciągu solitonów
femtosekundowych.
Światłowody nieliniowe rezonansowe
Zjawiska nieliniowe rezonansowe wysokoenergetyczne
w szkle światłowodu, związane są ze sprzężonymi procesami
elektronowo-fotonowymi i ewentualnie fononowymi. Występują
one w warunkach silnego lub słabego kwantowego ograniczenia
objętościowego rozważanego obiektu nieliniowego.
Dotyczą przejścia przez całe pasmo zabronione szkła
osnowy. Związane są często z domieszką aktywującą w szkle
i tworzeniem pasm pułapkowych w paśmie zabronionym szkła
osnowy. Takie szkło jest w pewnym sensie materiałem kompozytowym,
zawierającym np. nanokrystality lub jony (molekuły)
aktywatora otoczone osnową amorficzną.
Światłowody z metaszkieł
Dodatkowa założona komplikacja takiej struktury amorficzno-morficznej,
w celu otrzymania konkretnych właściwości
refrakcyjnych, prowadzi do metamateriału i metaszkła
o anomalnych właściwościach dyspersyjnych i refrakcyjnych.
Komplikacja struktury metaszkła może np. polegać na otoczeniu
nanokrystalitu (podlegającemu kwantowemu ograniczeniu
objętościowemu) przez lokalną osnowę amorficzną
o zupełnie innych właściwościach od amorficznej osnowy
globalnej. Osnowa lokalna tworzy odpowiednie warunki
sprzężenia fotonowo-fononowego lub plazmonowego.
Osnowa globalna tworzy odpwoiednią strukturę mechaniczną
i optyczną włókna, tak aby fala optyczna mogła być
efektywnie transmitowana niskostratnie na odpowiednią odległość.
Zjawiska nieliniowe rezonansowe są związane z rezonansami
ekscytonowymi i plazmonowymi, transmisją
polaronów i polarytonów, itp.
ELEKTRONIKA 11/2009 121

Światłowody scyntylacyjne
W środowiskach o podwyższonym poziomie promieniowania jonizującego
wykorzystywane są do pomiarów rozłożonych
światłowody scyntylacyjne. Domieszka scyntylacyjna (najczęściej
w światłowodzie z PMMA) jest powodem generacji światła we
włóknie. Generowane światło jest prowadzone z sieci czujników
światłowodowych do detektorów promieniowania. Optyczna sieć
pomiarowa włókna integruje promieniowanie jonizujące w znacznym
obszarze z możliwością badania rozkładu przestrzennego.
Światłowody Czerenkowa
Szklane włókna optyczne Czerenkowa są analogiczne do ultraniskostratnych
wielomodowych światłowodów telekomunikacyjnych,
tylko posiadają większą wartość apertury numerycznej.
Umieszczenie takiego światłowodu w obszarze rozprzestrzeniania
się lub rozpraszania wysokoenergetycznych cząstek elementarnych
np. elektronów powoduje generację w światłowodzie
promieniowania Czerenkowa. Promieniowanie Czerenkowa
detekowane na końcu matrycy światłowodów pozwala na
pomiar energii cząstek i kierunku ich rozprzestrzeniania się.
Elastyczne obrazowody światłowodowe
Rozdzielczość elastycznych obrazowodów światłowodowych
złożonych z wielu luźnych włókien szklanych o niewielkiej średnicy
rzędu 20 µm, osiąga kilkaset tysięcy pikseli przy wymiarach
poprzecznych rzędu pojedynczych mm i podłużnych rzędu
2 m. Włókna nie mogą splątać się ani elektryzować we wspólnej
obudowie. Są pokryte środkiem poślizgowym i zapobiegającym
przesłuchom optycznym pomiędzy nimi, np. grafitem.
Podstawowe parametry to rozdzielczość w parach linii na mm,
odporność mechaniczna, neutralność barwowa, odporność na
promieniowanie RTG, integracja ze światłowodami oświetlającymi,
itp. Wydaje się, że bezpośrednie systemy endowizyjne
w medycynie i technice będą w przyszłości bazowały na
subminiaturowych detektorach ccd i zimnym oświetleniu led.
Światłowody funkcjonalne
Włókna optyczne funkcjonalne obejmują rozszerzające się spektrum
elementów takich jak: sprzęgacze, rozgałęziacze, elementy
gradientowe typu grin, transformatory modowe, i wiele innych.
Światłowody czujnikowe
Włókna optyczne uczulane, specjalizowane do detekcji wielkości
mechanicznych i termicznych; optycznych jak refrakcji
i koloru, mętności, strat; chemicznych jak stężenia jonów;
geometrycznych jak kształtu, odległości, pozycji, ruchu, itp.
Światłowody znieczulane
W pewnym sensie odwrotnością światłowodów czujnikowych
są włókna optyczne znieczulane uodporniane na konkretne
oddziaływania np. na promieniowanie jonizujące, atermiczne
dla dystrybucji wzorcowych sygnałów zegarowych, itp.
Światłowody krótkie
Odmienna specyfika zastosowań takich światłowodów każe wyróżnić
je spośród innych rodzajów włókien szklanych. Mogą
służyć do szybkich multigigabitowych połączeń optycznych wewnątrz
szaf elektroniki, pomiędzy płytami a nawet wewnątrz płyt.
Moc optyczna w szkle światłowodowym
Podstawowym przeznaczeniem niskostratnego szkła światłowodowego
jest niezniekształcona transmisja ciągłej fali lub
modulowanego sygnału optycznego, o dość znacznej gęstości
mocy optycznej, na znaczne odległości. Szkło jest uformowane
w postaci włókna optycznego o cylindrycznym
gradiencie refrakcji. Moc optyczna jest ograniczona refrakcyjnie
w szkle klasycznym lub dyfrakcyjnie i interferencyjnie
w szkle fotonicznym do obszaru rdzenia optycznego o typowej
średnicy w światłowodach transmisyjnych 50...62,5 µm
(pole fali optycznej jest równe obszarowi rdzenia) we włóknie
wielomodowym i ok. 5...10 µm we włóknie jednomodowym
(pole fali optycznej jest nieco większe od obszaru rdzenia -
ze względu na w wnikanie w obszar płaszcza). W światłowodach
szklanych przeznaczonych do transmisji dużej mocy
optycznej średnica rdzenia jest większa np. 100...700 µm.
W transmisyjnych szklanych włóknach optycznych, szczególnie
jednomodowych, gęstość mocy optycznej może być
znaczna, na pograniczu efektów nieliniowych w szkle, z powodu
małej powierzchni rdzenia optycznego. Dlatego istotna
jest znajomość zasad wprowadzania mocy optycznej i jej
ilości do włókna optycznego ze szkła światłowodowego.
Dla szklanego włókna optycznego z gradientem refrakcji
można zdefiniować przestrzeń fazową o współrzędnych:
kwadrat apertury numerycznej NA 2 jako rzędną i odległość radialną
od osi włókna szklanego w kwadracie r 2 jako odciętą.
Ta przestrzeń definiuje moc optyczną możliwą do wprowadzenia
we włókno szklane. Przestrzeń ta dla szkła światłowodowego
jest ograniczona poprzez wartość apertury
numerycznej włókna, zmiany apertury numerycznej lokalnej,
oraz przez promień rdzenia optycznego a. Maksymalna wartość
apertury numerycznej (z definicji) występuje w szklanym
włóknie gradientowym na osi, gdyż ogólnie zachodzi we
włóknie gradientowym zależność NA = NA(r) i zwyczajowo za
NA (bez oznaczeń) przyjmuje się wartość NA(r = 0) = sinθ max ,
gdzie θ max - maksymalny kąt akceptacji promienia światła
przez włókno szklane. Wartość apertury numerycznej w szklanym
włóknie optycznym gradientowym, na granicy rdzeń -
płaszcz, tam gdzie ulega zrównaniu refrakcja obu obszarów
NA(a) = 0. Efektywna część przestrzeni fazowej jest tym obszarem,
w którym moc optyczna może się rozprzestrzeniać
w szkle bez tzw. strat falowodowych. Straty falowodowe to są
straty we włóknie nie wynikające z absorpcji fali optycznej
w szkle, a z wypromieniowania na zewnątrz szkła. Cała efektywna
przestrzeń fazowa szklanego włókna optycznego może
być podzielona na pewne podobszary, związane z charakterystycznymi
wielkościami NA, a oraz strat falowodowych. Na
rysunku przedstawiono obrazy przestrzeni fazowych dla
włókien optycznych ze szkieł światłowodowych o dwóch
różnych gradientach refrakcji - skokowym i parabolicznym.
W szklanym włóknie optycznym z gradientem refrakcji,
w którym istnieje efektywny mechanizm objętościowego
ograniczenia kwantowego fali świetlnej, rozprzestrzeniające
się wewnątrz promienie światła można zgrupować w kilka
kategorii. Po pierwsze dzielimy promienie na silnie związane
z włóknem szklanym (podlegające silnemu ograniczeniu
kwantowemu) oraz słabo związane z włóknem (podlegające
ograniczeniu coraz słabszemu aż w ogóle nie podlegające
takiemu ograniczeniu). Wszystkie promienie zajmują obszar
ograniczony prostokątem - rys. a dla włókna szklanego
o skokowym profilu refrakcji i trójkątny dla profilu refrakcji
parabolicznego - rys. b. Nie koniecznie cały dostępny obszar
w przestrzeni fazowej włókna szklanego musi być pobudzony.
Na rys. c przedstawiono przypadek pobudzenia
122 ELEKTRONIKA 11/2009

a)
b)
c)
włókna szklanego falą świetlną tylko do połowy wartości
apertury numerycznej oraz do połowy promienia obszaru
rdzeniowego.
Na rysunku d jako i i ii oznaczono promienie światła ściśle
związane z włóknem szklanym, czyli ściśle podlegające ograniczeniu
kwantowemu. W tym, i- są to promienie niskiego rzędu
znajdujące się cały czas wzdłuż włókna szklanego blisko jego
osi. Jako ii- oznaczono promienie wysokiego rzędu odległe od
osi włókna szklanego, a bliskie granicy obszarów szkła rdzeńpłaszcz.
Jako iii - oznaczono promienie światła częściowo
związane z włóknem szklanym, słabo podlegające ograniczeniu
kwantowemu. Moc optyczna takich promieni powoli opuszcza
włókno szklane, stąd mówimy o nich jako o promieniach
radiacyjnych, co jest równoważne z ich wysokimi stratami. Na
rysunku zaznaczono umownie wzrastający poziom strat radiacyjnych
promieni światła słabo związanych z włóknem szklanym.
W ujęciu optyki geometrycznej mówimy, że te promienie
posiadają kaustykę na promieniowanie. Im promienie są słabiej
związane z włóknem tym ta kaustyka jest bardziej odległa od
osi światłowodu i tym głębiej wchodzi w obszar płaszcza. Kaustyka
promieni niskiego rzędu (i) tworzy powierzchnię cylindryczną
(lub elipsoidalną) znajdującą się całkowicie wewnątrz
obszaru szkła rdzeniowego i położoną blisko osi włókna. Kaustyka
promieni wyższego rzędu powoli zbliża się do granicy
szkieł rdzeń-płaszcz. Po przekroczeniu tej granicy promienie
światła o takiej kaustyce zaczynają wypromieniowywać moc
optyczną na zewnątrz włókna szklanego. Ilość i sposób wypromieniowywanej
fali świetlnej z włókna szklanego (przez powierzchnię
boczną) zależy od sposobu i zakresu (obszaru)
przecięcia kaustyki z granicą szkieł rdzeń-płaszcz.
Grupy parametrów szklanego włókna
optycznego
d)
Przestrzeń fazowa (obszar pobudzania mocą optyczną w przekroju
poprzecznym) dla optycznego, wielomodowego włókna szklanego;
a) włókno szklane o skokowej zmianie refrakcji, b) włókno szklane
o parabolicznej zmianie refrakcji, c) pobudzenie połowiczne włókna
szklanego mocą optyczną do wartości połowy kąta aperturowego
włókna, d) zobrazowanie rodzajów fal (skwantowanych promieni
światła) w optycznym włóknie szklanym: i i ii - promienie silnie
związane z włóknem szklanym niskiego i wysokiego rzędu, iii - promienie
słabo związane z włóknem szklanym
Phase space of a multimode optical fiber defined as a geometrical
and angular area in the fiber cross section excited by optical
power; Angular acceptance capabilities of optical fiber is defined
by numerical aperture NA and geometry by diameter of optical core
2a; a) optical fiber of step index profile; b) optical fiber of parabolic
refractive index profile; c) excitation of an optical fiber up to the
half value of numerical aperture; d) imaging of optical fiber wave
modes: i and ii wave modes strongly bound to the optical fiber refractive
structure, iii - wave modes weakly bound to the fibre -
called leaking
Szkło światłowodowe w postaci objętościowej i najczęściej
bez gradientu refrakcji nie ma sensu. W niniejszym artykule
rozpatrujemy szkło światłowodowe w postaci objętościowej
wyłącznie jako forma przejściowa preformy światłowodowej
prowadząca do wytworzenia szklanego włókna optycznego.
Tak więc rozpatrywanie właściwości szkła światłowodowego
jest równoważne z rozpatrywaniem tego szkła w postaci
włókna optycznego. To zmienia wiele, a podstawowe przyczyny
to znaczna długość drogi optycznej fali świetlnej w szkle
oraz poprzeczne ograniczenie refrakcyjne i geometryczne dla
fali. Parametry szklanego włókna optycznego zawierają grupy
wielkości mechanicznych, termicznych, optycznych i wrażliwościowych,
analogicznych do parametrów wyjściowego
szkła światłowodowego, a oprócz tego zawierają wiele wielkości
związanych wyłącznie ze strukturą włóknistą ośrodka
szklanego. Te ostatnie parametry nazywamy falowodowymi
(światłowodowymi).
Wśród parametrów światłowodowych można wyróżnić
wielkości materiałowe i sygnałowe:
• parametry czasowe i częstotliwościowe: grupowy czas
opóźnienia, pasmo, dyspersja materiałowa, falowodowa,
chromatyczna, dyspersja profilu refrakcji, dyspersja polaryzacyjna,
• parametry energetyczne: gęstość transmitowanej mocy
optycznej, poziom zjawisk nieliniowych, rozpraszanie stymulowane,
• parametry refrakcyjne i falowe: długość fali odcięcia, polaryzacja,
średnica pola modowego, profil refrakcyjny,
tłumienność i zakres spektralny przezroczystości,
• parametry wrażliwościowe: czułość na oddziaływania środowiskowe,
trwałość, dewitryfikacja, itp.
ELEKTRONIKA 11/2009 123

Parametry materiałowe szklanego włókna
optycznego
Materiały składowe szkła wyjściowego na włókno optyczne
determinują podstawowe właściwości szkła wieloskładnikowego.
Parametrami są tu: zawartość i układ podstawowych
tlenków (fluorków) szkłotwórczych, zawartość tlenków (fluorków)
modyfikatorów, poziomy domieszkowania szkła aktywatorami,
skład chemiczny, dobór szkieł do układu płaszczrdzeń,
parametry różnicowe układu szkieł rdzeń-płaszcz, itp.
Fundamentalne znaczenie dla właściwości włókna szklanego
mają parametry różnicowe szkieł składowych. Przede wszystkim
szkła muszą być dobrane pod względem refrakcyjnym
oraz mechaniczno-termicznym.
Geometria szklanego włókna optycznego
Geometria włókna optycznego obejmuje takie parametry jak
średnicę rdzenia i płaszcza, średnice innych obszarów pomocniczych
(makro- i mikrootworów, obszarów szkła naprężającego,
itp.) w światłowodzie. Kształt rdzenia na ogół cylindryczny może
być także eliptyczny lub złożony kompozytowy jednomodowowielomodowy
jak w światłowodach aktywnych.
Refrakcja szklanego włókna optycznego
i parametry optyczne
Parametry optyczne włókna szklanego obejmują: aperturę numeryczną,
częstotliwość znormalizowaną, długość fali odcięcia,
refrakcje bazowe (piedestałowe) i przyrostowe, refrakcje
różnicowe bezwzględne i względne, efektywną średnicę modową
rdzenia, maksymalną dopuszczalną gęstość mocy
optycznej, przezroczystość spektralną, podatność na zjawiska
nieliniowe, itp.
Dyspersja szklanego włókna optycznego
i parametry czasowe
Dyspersja szklanego włókna optycznego posiada kilka różnych
składników: międzymodowy, wewnątrzmodowy, polaryzacyjny,
materiałowy i falowodowy, chromatyczny. Część ze składników
podlega kompensacji wzajemnej lub z efektami nieliniowymi. Parametrami
dyspersyjnymi włókna szklanego są: długość fali zerowej
dyspersji chromatycznej, przesunięcie dyspersji, spłaszczenie
charakterystyki dyspersji, pasmo dyspersji spłaszczonej,
rodzaj spłaszczenia - jednopunktowe, dwupunktowe, wielopunktowe;
pochodne refrakcji grupowej. Parametrami dyspersyjnymi
wyższego rzędu są: wyższe pochodne refrakcji
grupowej, dyspersja profilu refrakcyjnego, itp. Parametrami czasowymi
są dyspersja w dziedzinie czasu, rozszerzenie (lub inne
zniekształcenie) impulsu propagowanego w światłowodzie, itp.
Tłumienie szklanego włókna optycznego
Charakterystyka spektralna transmisji włókna optycznego, jej
szczegółowy kształt dla poszczególnych obszarów widma
transmisji decyduje o możliwościach zastosowania światłowodu
w systemie WDM lub do celów instrumentalnych.
Parametry termiczne i mechaniczne szklanego
włókna optycznego
Parametry mechaniczne i termiczne szklanego włókna
optycznego to: liniowa rozszerzalność termiczna, termiczna
dyspersja refrakcji, dylatacyjna zmiana długości drogi optycznej
we włóknie szklanym, odporność na szok termiczny dla
włókien aktywnych, dopasowanie termiczno-mechaniczne dla
układu szkieł rdzeń-płaszcz, itp.
Wrażliwość środowiskowa szklanego włókna
optycznego
Wrażliwość środowiskowa obejmuje między innymi takie parametry
jak: odporność na narażenia chemiczne włókna
optycznego w pokryciu indywidualnym i obudowie, odporność
na zaburzenia elektromagnetyczne transmisji optycznej, odporność
na mikrozgięcia i naprężenia mechaniczne, zmiany
termiczne, promieniowanie jonizujące, itp.
Parametry szklanego włókna optycznego
kablowanego
W zastosowaniach praktycznych szklane włókno optyczne jedynie
relatywnie rzadko występuje w postaci odsłoniętej. Takie
przypadki dotyczą np. czujników światłowodowych w których
warunkiem koniecznym procesu pomiarowego jest oddziaływanie
czynnika zewnętrznego na powierzchnię szkła.
Zazwyczaj włókno szklane znajduje się wewnątrz struktury
kabla o odpowiedniej do zastosowania konstrukcji. Bezpośrednie
zabezpieczenie włókna jest np. miękko-twarde.
W tabeli zebrano podstawowe parametry syntetycznego
ultraniskostratnego, krzemionkowego szkła światłowodowego
dostępnego w postaci preformy oraz włókien optycznych wyciąganych
z takiego szkła światłowodowego niedomieszkowanego
i słabo domieszkowanego. W niektórych miejscach
tabeli zawarto porównanie odpowiednich parametrów szkieł
i światłowodów SiO 2 oraz ZBLAN. Wydawałoby się zwykłe
ukształtowanie szkła światłowodowego we włókno optyczne
z poprzecznym gradientem refrakcji (bez gradientu wzdłużnego)
nie może aż tak komplikować i wzbogacać właściwości
takiej struktury szkła. Z tabeli widać, że to nie jest prawda.
Szklane światłowodowe włókno optyczne jest elementem
optycznym o bardzo skomplikowanych właściwościach, o dziesiątkach
powiązanych ze sobą parametrach optycznych, mechanicznych,
termicznych, wrażliwościowych, itp. A główne
parametry włókna szklanego są zdeterminowane przez wyjściowe
szkła światłowodowe (co najmniej dwa n 1 i n 2 lub wbudowany
gradient refrakcji n(r)) wprowadzający obszar
ograniczenia refrakcyjnego (energetycznego) dla fali oraz
przez strukturę geometryczną wprowadzającą obszar ograniczenia
objętościowego r max = a, a ≈ λ. Współmierność tych
ograniczeń w szkle światłowodowym z długością transmitowanej
fali optycznej prowadzi do zjawisk kwantowych - nieobecnych
w takiej postaci w izorefrakcyjnym, izotropowym
optycznym szkle objętościowym.
Podsumowanie
Współczesne światłowody włóknowe podlegają ciągłemu
różnicowaniu rodzajów, optymalizowanych do zastosowania.
Światłowody telekomunikacyjne są poddane ścisłemu rygorowi
przemysłowego procesu normalizacji. Wprowadzenie nowego
rodzaju światłowodu wymaga uzgodnień normalizacyjnych
w szerokiej skali. Światłowody instrumentalne nie
podlegają takiemu rygorowi. Rodzajów takich światłowodów
jest coraz więcej. Wykonywane są ze szkieł tlenkowych, halogenkowych,
chalkogenkowych, mieszanych, dewitryfikatów,
szkieł fotonicznych, metaszkieł. Obecnie w technice trwa dalszy
silny proces dywersyfikacji rodzajów szkieł na światłowody
instrumentalne oraz rodzajów tych światłowodów.
124 ELEKTRONIKA 11/2009

ELEKTRONIKA 11/2009 125

126 ELEKTRONIKA 11/2009

ELEKTRONIKA 11/2009 127

Literatura
[1] Yamane M., Asahara Y.: Glasses for photonics. Cambridge University
Press, 2000.
[2] Agraval G.P.: Nonlinear fiber optics. Academic Press, Boston
1989.
[3] Fournier J., Snitzer E.: The nonlinear refractive index of glasses.
IEEE J. on Quantum Electronics, May 1974, vol. 10, issue 5, pp.
473-475.
[4] Weber M.J.: Handbook of optical materials. CRC Press, New
York, 2003.
[5] Musikant S, Thompson B. J.: Optical materials. A series of advances,
vol. 1, Marcel Dekker, New York, 1999.
[6] Szwedowski A.: Materiałoznawstwo optyczne i optoelektroniczne.
WNT, Warszawa, 1996.
[7] Szwedowski A., Romaniuk R.: Szkło optyczne i fotoniczne, właściwości
techniczne. WNT, Warszawa 2009.
128 ELEKTRONIKA 11/2009

Wpływ konstrukcji cyfrowych układów scalonych
na generację zaburzeń elektromagnetycznych
dr JULIUSZ SZCZĘSNY
Instytut Technologii Elektronowej, Warszawa
W artykule przedstawiono wyniki pomiarów emisji zmiennych
pól EM w funkcji częstotliwości taktowania, generowanych
przez układy scalone w formie matryc FPGA, zawierające
często spotykane bloki funkcjonalne, rozmieszczone
w różnych miejscach struktury półprzewodnikowej [1,2]. Opracowano
w tym celu dwa projekty układów scalonych mających
za zadanie mnożenie liczb w nieskończonej pętli programowej.
Pierwszy z projektów wykorzystywał algorytm mnożenia
kombinacyjnego a drugi sekwencyjnego. Projekty te były dodatkowo
modyfikowane w celu zmiany liczby i topologii aktywnych
bramek logicznych. Każdy projekt układu scalonego
był implementowany do matrycy cyfrowej Xilinx typu XCV 800.
Zmiany konfiguracji oraz liczby bloków funkcjonalnych wykorzystywanych
przez każdy z projektów pozwoliły określić
wpływ ich rozmieszczania na indukcyjność doprowadzeń,
a tym samym na poziom generowanych zaburzeń.
Układy pomiarowe
Do badania wykorzystano matrycę cyfrową firmy Xilinx z rodziny
Virtex, typu XCV 800. Jej podstawową zaletą w tego typu
badaniach jest możliwość wielokrotnego programowania tzn.
zmiany konfiguracji bloków logicznych za pomocą firmowego
oprogramowania, zainstalowanego w zewnętrznym komputerze
typu PC [3,4]. Matryca (800 000 bramek [5]) jest układem
scalonym wielkiej skali integracji, wykonanym w technologii
CMOS 0,22 µm z pięcioma poziomami metalizacji.
Płytka obwodu aplikacyjnego została wykonana z laminatu
jednowarstwowego i zawiera podstawowe obwody elektryczne
i wyprowadzenia umożliwiające matrycy cyfrowej stabilną
pracę i komunikację z zewnętrznymi urządzeniami.
Sondy pomiarowe
Do pomiarów emisji EM wykorzystano mikrosondę magnetyczną
i elektryczną firmy Langer EMV-Technik. Mikrosonda
elektryczna typu RF 2,5-2 przeznaczona jest do pomiarów
zmiennych pól magnetycznych o częstotliwościach od
100 kHz do 1 GHz. Elementem czynnym jest tu pętla indukcyjna
o średnicy około 0,5 mm. Małe rozmiary elementu
czynnego tej sondy pozwalają na pomiary rozkładów składowej
zmiennej pola magnetycznego emitowanego z niewielkiej
powierzchni. Sonda elektryczna typu RF E05
przeznaczona jest natomiast do pomiarów składowych
zmiennych pola elektrycznego w takim samym paśmie częstotliwości.
Element czynny tej sondy ma wymiary 2 x8mm.
Obydwie sondy zakończone są przewodem współosiowym
i wtykiem BNC o impedancji 50 Ω. W celu zwiększenia
czułości sond zastosowano szerokopasmowy przedwzmacniacz
20 dB typu PA 201. Wartości składowej magnetycznej
i elektrycznej pola EM przedstawiono graficznie w jednostkach
napięcia indukowanego w każdej z sond, gdyż firma
Langer EMV-Technik nie udostępnia krzywych kalibracyjnych
do używanych tu sond pomiarowych.
Układ do pomiaru poziomu emisji pola EM
Pomiary poziomu emisji składowej H i składowej E emitowanego
pola EM przeprowadzono za pomocą sondy magnetycznej
typu RF 2,5-2 i elektrycznej typu RF E05 wraz
z przedwzmacniaczem typu PA 201 oraz cyfrowym oscyloskopem
firmy LeCroy typu 9374L. W celu uniknięcia zafałszowywania
wyników pomiarowych przez przypadkowe
impulsy zewnętrzne, które w czasie pomiarów mogą przeniknąć
do układu pomiarowego z sieci energetycznej lub otoczenia,
każdy z pomiarów powtórzono około 100 razy i obliczono
wartość średnią.
Układ do pomiaru widma składowej H i E pola EM
Układy do pomiaru widma częstotliwości składowych H i E
pola EM składają się z omówionych wyżej sond pomiarowych
wraz z przedwzmacniaczem, wirtualnego analizatora widma
firmy EMC Master typu ST100W wraz z oprogramowaniem
firmowym i komputera sterującego klasy PC. Pasmo pracy
analizatora widma wynosi 0,15 MHz...1 GHz pokrywa się
z pasmem pracy sond pomiarowych i przedwzmacniacza.
Projekty układów scalonych
Do badań poziomu generowanych zaburzeń opracowano dwa
projekty układów scalonych do mnożenia liczb, wykorzystujące
metodę kombinacyjną, zwaną również równoległą (projekty
comb) i metodę sekwencyjną (projekty seq). Obydwa
sposoby mnożenia liczb są często wykorzystywane w dużych
projektach układów scalonych. Mimo tego, że wykonują to
samo działanie matematyczne, różnią się stopniem skomplikowania
struktury logicznej oraz szybkością działania. Metoda
mnożenia kombinacyjnego charakteryzuje się większą szybkością
działania niż metoda mnożenia sekwencyjnego, dlatego
znajduje zastosowanie w projektach, w których
wymagany jest krótki czas wykonania działań na liczbach.
Metoda mnożenia sekwencyjnego jest zwykle wolniejsza, ale
bardziej uniwersalna, gdyż daje się zrealizować w postaci pozwalającej
wykonywać jeszcze inne działania arytmetyczne.
Do opracowania projektu układów mnożących wykorzystano
relatywnie niewielką liczbę bramek, dzięki czemu można
było zaobserwować wpływ zmian rozmieszczenia i liczby bloków
funkcjonalnych w obszarze matrycy cyfrowej na poziom
generowanych zaburzeń [6,7]. Przy prowadzeniu badań porównawczych
nie są istotne szczegóły dotyczące realizacji
każdego z projektów. Ważne jest natomiast to, żeby we
wszystkich badanych projektach układów scalonych były wykonywane
modyfikacje według tych samych reguł. Dlatego
w procesie kompilacji plików źródłowych wykorzystano standardowe
procedury optymalizacji pod kątem minimalizacji
liczby bloków funkcjonalnych i szybkości działania. Modyfikacje
dotyczące zmniejszenia liczby aktywnych bloków, polegały
również na usunięciu bloków I/O z badanych projektów.
ELEKTRONIKA 11/2009 129

Rys.1. Przebiegi testowe na wyprowadzeniach układu scalonego
do realizacji mnożenia kombinacyjnego
Fig. 1. Test signals on the pins for combinational multiplication circuits
Rys. 3. Mapy aktywnych bloków logicznych w obszarze matrycy
FPGA
Fig. 3. The plans (floorplans) of the active logical blocks of examined
circuits inside the FPGA
Tab. 1. Porównanie parametrów logicznych badanych projetów
(Z - zgrupowane, R - rozproszone)
Tabl. 1. Comparison of logical design features of tested circuits
(Z - grouped, R - scattered)
Projekt układu
scalonego
Bramki Struktury Bloki
Konfiguracja
bloków
comb_area 9 453 724 412 Z + R
comb_area_replaced 9 453 724 412 Z + R
comb_speed 9 775 725 496 Z + R
comb_no_io_area 12 552 893 569 Z
comb_no_io_speed 13 448 893 719 Z
seq_area 3 404 260 178 R
Rys. 2. Przebiegi testowe na wyprowadzeniach układu scalonego
do realizacji mnożenia sekwencyjnego
Fig. 2. Test signals on the pins for sequential multiplication circuits
W ten sposób uzyskano pięć wersji projektów mnożenia kombinacyjnego
i cztery wersje projektów mnożenia sekwencyjnego,
różniące się liczbą i rozmieszczeniem bloków logicznych
w obszarze matrycy:
• comb_area - projekt układu scalonego do realizacji mnożenia
kombinacyjnego, zoptymalizowany pod kątem minimalizacji
liczby aktywnych bloków, zawiera obsługę
interfejsu szeregowego,
• comb_area_replaced - projekt układu scalonego comb_
area, w którym część bloków logicznych została przemieszczona,
• comb_speed - projekt układu scalonego do realizacji mnożenia
kombinacyjnego, zoptymalizowany pod kątem szybkości
działania, zawiera obsługę interfejsu szeregowego,
• comb_no_io_area - projekt układu scalonego do realizacji
mnożenia kombinacyjnego bez obsługi portu szeregowego,
zoptymalizowany pod kątem minimalizacji liczby aktywnych
bloków,
• comb_no_io_speed - projekt układu scalonego do realizacji
mnożenia kombinacyjnego bez obsługi portu szeregowego,
zoptymalizowany pod kątem szybkości działania,
• seq_area - projekt układu scalonego do realizacji mnożenia
sekwencyjnego, zoptymalizowany pod kątem minimalizacji
liczby aktywnych bloków, zawiera obsługę interfejsu szeregowego,
seq_speed 3 423 268 183 R
seq_no_io_area 6 071 609 367 Z + R
seq_no_io_speed 7 145 730 460 Z + R
• seq_speed - projekt układu scalonego do realizacji mnożenia
sekwencyjnego, zoptymalizowany pod kątem szybkości
działania, zawiera obsługę interfejsu szeregowego,
• seq_no_io_area - projekt układu scalonego do realizacji
mnożenia sekwencyjnego bez obsługi portu szeregowego,
zoptymalizowany pod kątem minimalizacji liczby aktywnych
bloków,
• seq_no_io_speed - projekt układu scalonego do realizacji
mnożenia sekwencyjnego bez obsługi portu szeregowego,
zoptymalizowany pod kątem szybkości działania.
Przebiegi testowe dla projektów układów scalonych do
mnożenia kombinacyjnego i sekwencyjnego przedstawiono
odpowiednio na rys. 1 i 2. Rozkłady bloków logicznych w obszarze
matrycy poszczególnych projektów przedstawiono na
rys. 3, a główne parametry zebrano w tab. 1.
Pomiary generowanych zaburzeń
Pomiary zaburzeń w dziedzinie czasu
Wyniki pomiarów średniej wartości amplitudy (pik-to-pik)
składowej E i składowej H pola EM w dziedzinie czasu, towarzyszących
przepływowi zaburzających prądów w.cz. przez
130 ELEKTRONIKA 11/2009

Zmiany poziomów emisji składowych pola EM dla pozostałych
projektów układów scalonych miały podobny charakter,
chociaż różniły się wartościami. Z porównania poziomów
emisji składowej E i składowej H badanych projektów układów
scalonych nie wynika wprost proporcjonalna zależność pomiędzy
liczbą bramek lub bloków funkcjonalnych, a wartością
poziomu generowanych zaburzeń nad badanymi punktami
obwodu aplikacyjnego.
Pomiary zaburzeń w dziedzinie częstotliwości
Rys. 4. Poziom emisji składowej E z układu wg projektu
comb_area w funkcji częstotliwości taktowania
Fig. 4. comb_area circuit E field disturbances as a funcion clock
frequency
Rys. 5. Poziom emisji składowej H z układu wg projektu
comb_area w funkcji częstotliwości taktowania
Fig. 5. comb_area circuit H field disturbances as a funcion clock
frequency
ścieżkę masy, zasilania i przez obudowę układu scalonego
dla projektu comb_area i seq_area w funkcji częstotliwości
zegara przedstawiono na rys. 4 i 5.
Ze wzrostem częstotliwości taktowania do około 30 MHz,
poziom emisji składowej E zmieniał się w niewielkim zakresie.
Największy poziom składowej E wystąpił nad ścieżką masy,
zaś najniższy nad środkiem obudowy układu scalonego. Wartości
poziomów emisji składowej E nad ścieżką masy i ścieżką
zasilania był około dwukrotnie większe niż nad środkiem obudowy
układu scalonego. Powyżej częstotliwości taktowania
30 MHz zaobserwowano wyraźny wzrost składowej E. Największą
wartość tej składowej zaobserwowano nad ścieżką
masy przy częstotliwości taktowania około 40 MHz, tj. mniejszej
o około 5 MHz od składowej E nad ścieżką zasilania i nad
środkiem obudowy układu scalonego. Na wykresie składowej
E nad ścieżką masy wystąpiło dodatkowo minimum lokalne
przy częstotliwości taktowania około 45 MHz, towarzyszące
maksimum emisji składowej E nad ścieżką zasilania i nad
środkiem obudowy układu scalonego.
Zmiany poziomu emisji składowej H (rys. 5) w funkcji częstotliwości
taktowania miały podobny charakter jak na rys. 4.
Najwyższą wartość tej składowej odnotowano nad ścieżką zasilania
przy częstotliwości taktowania około 45 MHz. Była ona
około dwukrotnie większa niż nad ścieżką masy i o około 15%
niż nad środkiem obudowy układu scalonego. W zakresie
częstotliwości taktowania 5…30 MHz obserwowano niewielki
wzrost składowej H nad badanymi punktami obwodu aplikacyjnego.
Największe wartości osiągała tu składowa H nad
ścieżką zasilania. Były one blisko dwukrotnie większe niż najmniejsze
wartości, występujące nad ścieżką masy.
Przy małych częstotliwościach taktowania liczba częstotliwości
harmonicznych, jak i ich amplitudy były relatywnie małe.
Pierwsze harmoniczne pojawiały się w paśmie 200…300 MHz
przy częstotliwości zegara około 1 MHz. Ze wzrostem częstotliwości
taktowania następował szybki wzrost liczby i amplitudy
harmonicznych oraz szerokości ich pasma. Już przy
częstotliwości taktowania 10 MHz obserwowano harmoniczne
w całym paśmie pracy analizatora widma tj. do 1 GHz. W górnej
części przedziału częstotliwości zegara tj. 40…50 MHz,
nieoczekiwanie następowało zauważalne zmniejszenie liczby
i amplitudy częstotliwości harmonicznych oraz zawężało się
również pasmo do około 450 MHz (rys. 6). W przypadku projektów
comb_no_io_speed i seq_no_io_speed powyższej prawidłowości
nie zaobserwowano. Wraz ze wzrostem częstotliwości
taktowania obserwowano ciągły wzrost liczby i amplitudy
harmocznicznych. Najwięcej harmonicznych było w paśmie
200…600 MHz nad ścieżką zasilania i w paśmie
100...500 MHz nad ścieżką masy.
Większą liczbę częstotliwości harmonicznych i o nieco
większych amplitudach obserwowano nad ścieżkami masy
i zasilania w przypadku projektów seq niż comb. Widmo o największych
amplitudach częstotliwości harmonicznych uzyskano
w projekcie seq_no_io_speed tj. projekcie mnożenia
sekwencyjnego o największej liczbie bloków logicznych. Najmniejszy
poziom emisji uzyskano w przypadku projektów o najmniejszej
liczbie bloków logicznych: seq_area i seq_speed.
Ponieważ źródłem generacji prądów w.cz. jest również
struktura półprzewodnikowa układu scalonego matrycy, wykonano
pomiary widma składowej pola EM emitowanego nad
środkiem obudowy układu scalonego matrycy. W widmie tym
liczba pików i ich amplitudy zwiększały się wraz ze wzrostem
częstotliwości taktowania do 30 MHz. Rozszerzało się rów-
a) b)
c)
Rys. 6. Widmo HF nad ścieżką zasilania dla projektu comb_area
circuit przy częstotliwościach taktowania: a) 1 MHz; b) 25 MHz;
c) 50 MHz (skala: 10 dB/działkę)
Fig. 6. comb_area circuit - spectrum of HF current in power supply
pin for the clock frequency: a) 1 MHz, b) 25 MHz, c) 50 MHz
(10 dB/division)
ELEKTRONIKA 11/2009 131

nież pasmo emisji od około 500 MHz do 1 GHz. Z dalszym
wzrostem częstotliwości taktowania obserwowano zmniejszenie
amplitud i liczby pików w widmie. Największą liczbę
częstotliwości harmonicznych zanotowano przy taktowaniu
z częstotliwością 25 MHz.
Z porównania widma składowej E i składowej H nad
ścieżkami i nad środkiem obudowy układu scalonego wynika,
że charakter ich zmian w funkcji częstotliwości taktowania był
bardzo podobny. Do częstotliwości taktowania 25…30 MHz
obserwowano wzrost liczby, amplitudy i pasma emisji harmonicznych.
Z dalszym wzrostem częstotliwości taktowania
30…50 MHz następowało zmniejszenie liczby i amplitudy harmonicznych
oraz ograniczenie ich pasma.
Największa liczba częstotliwości harmonicznych wystąpiła
w widmach nad ścieżką masy natomiast najmniejszą odnotowano
nad środkiem obudowy układu scalonego. Z przedstawionych
pomiarów widm wynika, że najwięcej harmonicznych
występowało w paśmie 200…700 MHz dla projektów mnożenia
kombinacyjnego, podczas gdy dla projektów mnożenia sekwencyjnego
pasmo to zawęża się do około 150…300 MHz.
Pomiary prądów zasilania
Pracujące układy scalone wytwarzają zaburzenia przewodzone
i promieniowane. Obydwa rodzaje zaburzeń niosą ze
sobą energię, której część zostaje zamieniona na energię
cieplną oraz energię pola EM i bezpowrotnie utracona. Energia
ta pochodzi z układu zasilania obwodu aplikacyjnego
i może być wyznaczona na podstawie pomiarów prądu zasilania
w funkcji częstotliwości taktowania - rys. 7.
Wartości prądów zasilania narastały liniowo w funkcji częstotliwości
taktowania we wszystkich badanych projektach
układów scalonych. Wzrosty prądów zaczynały się od wartości
120 mA, którą uzyskano przy zerowej częstotliwości taktowania
i przyjęto za wartość odniesienia. Prąd ten był wykorzystywany
do zasilania podzespołów znajdujących się na płytce
drukowanej obwodu aplikacyjnego, jak np. sygnalizacyjne
diody LED. Dopiero prąd zasilania powyżej 120 mA był wykorzystany
przez bramki logiczne matrycy cyfrowej do realizacji
mnożenia. W projektach realizujących metodę mnożenia kombinacyjnego
(comb) największy prąd zasilania w funkcji
częstotliwości taktowania był pobierany przez projekt
comb_no_io_speed. Nieco mniejszy prąd zasilania potrzebny
był do pracy projektu comb_no_io_area. Te projekty układów
scalonych wykorzystywały odpowiednio 13 448 i 12 552
bramki logiczne tj. największą ich liczbę z grona badanych,
modelowych układów scalonych. Mniejsze wartości prądów
zasilania były pobierane przez pozostałe projekty układów scalonych
realizujące mnożenie metodą kombinacyjną i wykorzystujące
proporcjonalnie mniejszą liczbę bramek logicznych.
Podobne zależności pomiędzy wartościami prądów zasilania
i liczbą wykorzystywanych bramek logicznych zaobserwowano
w projektach układów scalonych realizujących
metodę mnożenia sekwencyjnego. Projekty układów scalonych
o największej liczbie bramek logicznych seq_no_io_area
i seq_no_io_speed pobierały większe prądy zasilania niż projekty
seq_area i seq_speed. Wynika stąd, że wartość prądu
zasilania wzrasta z liczbą wykorzystanych bramek logicznych.
Nie jest to jednak zależność wprost proporcjonalna, co zostało
przedstawione w tab. 2. W kolumnie 2 zestawiono średnie
wartości prądu przypadającego na jedną bramkę logiczną
przy częstotliwości taktowania 50 MHz. Do obliczeń przyjęto
prądy zasilania z rys. 7 pomniejszone o 120 mA (kolumna 4).
Tab. 2. Średnia wartość prądu zasilania na jedną bramkę logiczną
przy częstotliwości taktowania 50 MHz
Tabl. 2. The averge values of power supply currens on one logic
gate at the clock rate 50 MHz
a)
Projekt układu
scalonego
Prąd/bramka
[mA]
Liczba
bramek
Prąd zasilania
[mA]
Comb_area 3,8 9 453 36
Comb_area_replaced 3,9 9 453 37
Comb_speed 4,2 9 775 41
Comb_no_io_area 6,7 12 552 84
Comb_no_io_speed 8,1 13 448 109
Seq_area 11,2 3 404 38
b)
Seq_speed 11,1 3 423 38
Seq_no_io_area 14,2 6 071 86
Seq_no_io_speed 14,3 7 145 102
Rys. 7. Prądy zasilania projektów układów scalonych w funkcji
częstotliwości zegara: a) comb, b) seq
Fig. 7. Power supply currents as a function of the lock frequency:
a) comb, b) seq
Największe wartości prądów na jedną bramkę logiczną odnotowano
w projektach seq_no_io_area i seq_no_io_speed,
które wykorzystywały prawie dwukrotnie mniejszą liczbę
bramek logicznych niż projekty comb_no_io_area i comb_no_
io_speed. Z tabeli 2 wynika, że wyraźnie większe wartości
prądu na jedną bramkę logiczną przypadały w projektach
układów scalonych realizujących mnożenie metodą sekwencyjną
niż kombinacyjną. Większe prądy na bramkę logiczną
zaobserwowano jednak w projektach nie zawierających
obsługę interfejsu szeregowego do transmisji danych pomiędzy
matrycą i komputerem PC. Nie można zatem wniosko-
132 ELEKTRONIKA 11/2009

wać, że prąd zasilania pobierany przez matrycę cyfrową
wzrastał wprost proporcjonalnie do liczby wykorzystywanych
bramek logicznych. Zależał on raczej od sposobu realizacji
zadania. W ramach kombinacyjnej metody mnożenia wykonuje
się bowiem równoległe działania na bitach mnożonych
liczb i dlatego w jednym takcie zegarowym było wykorzystywanych
więcej bramek logicznych niż w projektach mnożenia
metodą sekwencyjną. Konsekwencją takiego trybu pracy była
mniejsza średnia wartość prądu zasilania, przypadająca na
jedną bramkę logiczną. Można również przypuszczać, że
w projektach realizujących metodę mnożenia kombinacyjnego,
w jednym takcie zegarowym pracowała mniejsza liczba
bramek logicznych niż w projektach realizujących metodę
mnożenia sekwencyjnego. W projektach układów scalonych
pobierających mniejszy prąd zasilania obserwowano niższy
poziom generowanych zaburzeń niż w projektach zasilanych
większym prądem.
Wnioski
Opracowano dwa projekty układów scalonych do mnożenia
liczb metodą kombinacyjną i sekwencyjną, w których dokonano
drobnych modyfikacji oraz zoptymalizowano je w procesie
kompilacji pod kątem minimalizacji liczby bloków
funkcjonalnych lub szybkości działania. W ten sposób uzyskano
9 różnych wersji projektów układów scalonych. Wykorzystywały
one niewielką liczbę bloków logicznych (1…7%)
w porównaniu z liczbą dostępnych w matrycy cyfrowej firmy
Xilinx z rodziny Virtex, typu XCV 800, dzięki czemu można
było rozlokować je na wiele sposobów. Projekty różniły się
między sobą głównie liczbą wykorzystanych bramek logicznych
i topografią aktywnych bloków logicznych w obszarze
matrycy cyfrowej.
Z przeprowadzonych pomiarów poziomu emisji składowej
E i składowej H pola EM nad ścieżkami masy i zasilania obwodu
aplikacyjnego oraz nad środkiem obudowy układu scalonego
wynika, że nie zmieniał się on liniowo w funkcji
częstotliwości taktowania. W zakresie częstotliwości taktowania
około 10…30 MHz uzyskano prawie stały poziomu
emisji pola EM. Ten przedział częstotliwości taktowania
można wykorzystywać do optymalizacji poziomu generowanych
zaburzeń na etapie projektowania układu scalonego
i obwodu aplikacyjnego. Z dalszym wzrostem częstotliwości
taktowania obserwowano szybkie narastanie poziomu emisji
do wartości maksymalnej, którą osiągał w zakresie
40…45 MHz. Powyższym zmianom poziomu emisji pola EM
towarzyszyło rozszerzanie się pasma częstotliwości harmonicznych
składowych pola E i H, które po uzyskaniu maksimum,
zawężało się wraz ze wzrostem częstotliwości taktowania.
Obserwacje te wskazują na występowanie rezonansów
w matrycy towarzyszących pracy badanych projektów
układów scalonych w tym dość wysokim zakresie częstotliwości
taktowania.
W projektach układów scalonych o zwartym rozkładzie
bloków logicznych, indukcyjność doprowadzeń na strukturze
była według szacunków nawet kilkukrotnie mniejsza niż w projektach
o rozrzuconych blokach logicznych na dużym obszarze
matrycy cyfrowej. Wykorzystywały jednak one większą
liczbę bramek logicznych oraz pobierały większy prąd zasilania.
Większy był też poziom emisji składowej E i składowej
H pola EM w funkcji częstotliwości taktowania, a w widmach
wystąpiła większa liczba częstotliwości harmonicznych. Należy
sądzić, że mała indukcyjność i rezystywność tych doprowadzeń
oraz relatywnie duża liczba bramek logicznych
skupionych w jednym miejscu matrycy cyfrowej były przyczyną
powstania pętli prądowych w obwodzie zasilania, które
zamykały się przez strukturę półprzewodnikową. Pętle te stały
się skutecznym źródłem promieniowania (antenami) zaburzeń
EM, o czym świadczył relatywnie duży poziom emisji zaburzeń
oraz pobór prądu zasilania.
Pomiary porównawcze prądów zasilania pobieranych
przez testową matrycę cyfrową oraz emisje pól EM w wybranych
miejscach układu scalonego i obwodu aplikacyjnego powinny
być pomocne do optymalizacji poziomu emitowanych
zaburzeń. Pomiary te mogą nawet stanowić wstępny sposób
weryfikacji opracowywanego projektu układu scalonego ze
względu na poziomy emisji zaburzeń EM.
Literatura
[1] Kołodziejski J. F., Szczęsny J.: Electromagnetic Emissions of Integrated
Circuits and PCBs. IEEE EMC Newsletter, pp. 34-39,
Spring Issue 2004.
[2] Gong S. et al.: Packaging impact on switching noise in high-speed
digital systems. IEE Proc. Circuits Devices Syst., vol. 145, no 6 ,
pp. 446-452, Dec. 1998.
[3] Xilinx 5 Software Manuals Online, ISE 5.1i.
[4] The Programmable Logic Data Book 1999, Xilinx Inc., 1999.
[5] DataSource CD-ROM rev. 8 Q1-2003.
[6] Dong X., Deng S., Beetner D., Hubing T.: The Influence of IC
Power Bus Design and Floor Planning on High-Frequency Package
Current, sent to IEEE Trans. EMC.
[7] Szczęsny J., Kołodziejski J. F., Obrębski D.: Electromagnetic
Emissions of Digital Circuits Implemented in Xilinx FPGAs 4025E
and XCV 800. Electron Technology Internet Journal 36, 2, pp. 1-
6, 2004.
Przypominamy o prenumeracie miesięcznika Elektronika na 2010 r.
ELEKTRONIKA 11/2009 133