Разработка и исследование алгоритмов анализа сложных многорежимных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.12, кандидат технических наук Кучер, Алексей Владимирович

• Кучер, Алексей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Кучер, Алексей Владимирович

Введение

Глава 1. Методы и алгоритмы имитационного моделирования 8 поисковых систем.

1.1. Сложные системы

1.2. Проектирование систем 10 Х- 1.3. Поисковые системы

1.3.1. Вероятностные характеристики поисковой системы

1.4. Имитационное моделирование сложных систем

1.4.1. Методы и алгоритмы имитационного моделирования.

1.4.2. Имитация способом составления расписаний событий. 35 ® 1.4.3. Имитация транзактным способом.

1.4.4 Имитация агрегатным способом.

1.4.5. Имитация процессным способом.

1.4.6. Имитация непосредственно алгоритмами 46 функционирования блоков или просмотра активностей

Выводы по 1-ой главе.

Глава 2. Построение имитационной модели поисковой системы 51 2.1.1. Формулировка проблемы и определение цели построения 52 модели

Ф 2.1.2. Анализ априорной информации о моделируемой системе

2.1.3. Содержательное описание поисковой системы

2.1.4. Концептуальная модель поисковой системы.

2.1.5. Выбор универсального либо специального языка 58 моделирования.

2.1.6. Формальное описание имитационной модели и 60 программирование ее на ЭВМ.

2.1.7. Алгоритм моделирования поисковой системы в виде чисел

2.1.8. Числовая модель поисковой системы

2.1.9. Этап проверки адекватности модели

2.1.10. Планирование имитационных экспериментов с моделью

2.1.11. Реализация имитационных экспериментов с моделью в 86 соответствии с разработанным планом эксперимента

2.1.12. Анализ статистических данных о поведении модели по 86 результатам различных имитационных экспериментов

2.1.13. Анализ статистических данных о поведении модели по 87 различным имитационным экспериментам

2.2. Модель режима захвата

2.3. Модель режима сопровождения поисковой системы 89 Выводы по 2-ой главе.

Глава 3. Имитация поисковой ситуации в числовой модели

3.1. Исходные параметры системы оптического поиска

3.2. Процедура вбрасывания объекта поиска с использованием 92 генераторов случайных чисел различных законов распределения

3.3. Подпрограмма ввода помех 97 Выводы по 3-й главе.

Глава 4. Проверка адекватности числовой модели

4.1. Программный комплекс моделирования поисковой системы

4.2. Моделирование реальных оптических систем поиска. 101 Выводы по 4-й главе. 115 Заключение. 116 Список литературы. 118 Приложения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование алгоритмов анализа сложных многорежимных систем»

Актуальность работы:

С быстрым развитием информационных технологий изменяется и технология проектируемых технических систем. Наиболее широкое применение технических систем находят информационные системы, сложность которых возрастает. Одно из направлений применения информационной технологий - это решение задач получения, обработки, анализа и распознавания информации, а также для управления другими сложными системами и объектами. Большая группа таких задач характеризуется тем, что источник информации представляет собой распределенное в пространстве информационное поле. Таким образом, процесс получения информации и ее переработки сводится к поиску необходимой информации в информационном пространстве, в котором помимо полезного сигнала могут присутствовать различного рода помехи.

Для отыскания нужной информации в области поиска используются поисковые процедуры. В настоящее время существуют множество систем поиска, работающих в различных диапазонах. Это могут быть как системы, работающие в оптическом диапазоне, радиолокационные системы поиска, так и поисковые системы информационного поиска в базе данных.

В процессе проектирования к сложной системе выдвигают требования по характеристикам решению ей поставленной задачи, т.е. система должна решать возложенные на нее задачи в соответствии с заданными количественными или качественными показателями. При проектировании сложной системы используется набор как существующих, так и возможно совершенно новых конструкторских решений, что может привести к неоднозначности выбора правильного проектного решения. Таким образом, встает проблема выбора проектного решения, соответствующего заданным характеристикам функционирования. Для поисковой системы такими характеристиками являются вероятностные и временные характеристики.

При выборе проектного решения или модернизации существующей поисковой системы возникают значительные трудности из-за невозможности оптимизации вероятностно-временных характеристик проектируемой (модернизируемой) системы поиска с помощью натурных экспериментов. Кроме того, не всегда удается создать все необходимые условия натурного эксперимента, а проведение их требует больших временных затрат и средств. Другим фактором сложности проведения натурных экспериментов является стохастический характер процессов, протекающих в системе поиска (шумы, помехи, сбои аппаратуры, изменения параметров во времени и тд.). Это означает, что поисковую систему в общем случае можно изучить лишь посредством многократно повторяемых испытаний, позволяющие получить оценки вероятностно-временных характеристик и качество функционирования системы. Поэтому для снижения временных затрат и ресурсов на проведение натурного эксперимента используется математическое моделирование.

Любую систему, в том числе и поисковую систему, можно представить в виде подсистем. Методология имитационного моделирования позволяет произвести анализ всей системы на основе квазипараллельного моделирования ее подсистем.

Процесс моделирования предполагает разработку алгоритма, позволяющий автоматизировать получения вероятностно-временных характеристик системы без проведения натурных экспериментов. Решение подобной многоальтернативной задачи является актуальной проблемой.

Целью работы является разработка алгоритма и аппаратная реализация имитационного моделирования проектных решений поисковой системы на этапе проектирования и испытаний.

Методы исследования, используемые в работе: теория вероятности и методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:

• Разработан алгоритм поисковой системы, ориентированный на автоматизированное проектирование.

• Представлена числовая модель поисковой системы для имитационного моделирования в системе автоматизированного проектирования.

• Сформулирован критерий принятия решения для числовой модели о наличии - отсутствии объекта поиска.

• Разработан алгоритм анализа области поиска на основе критерия принятия решения для числовой модели.

• Представлена схема формирования входных воздействий для числовой модели поисковой системы, позволяющая учитывать в процессе моделирования поисковые ситуации на заданном множестве в интерактивном режиме.

• Разработана числовая модель движущегося объекта с изменяемыми параметрами движения.

• Разработана числовая модель захвата и сопровождения объекта поиска.

• Разработано программное обеспечение САПР поисковых систем на основе числовой модели.

Основные результаты, выносимые на защиту:

• Алгоритм поисковой системы, ориентированный на автоматизированное проектирование.

• Числовая модель поисковой системы для имитационного моделирования в системе автоматизированного проектирования.

• Алгоритм анализа области поиска на основе критерия принятия решения для числовой модели.

• Схема формирования входных воздействий для числовой модели поисковой системы, позволяющая учитывать в процессе моделирования поисковые ситуации на заданном множестве в интерактивном режиме.

• Числовая модель движущегося объекта с изменяемыми параметрами движения.

• Числовая модель захвата и сопровождения объекта поиска.

• Результаты экспериментальных исследований. Практическая ценность работы.

1. Предложен алгоритм поисковой системы, ориентированный на автоматизированное проектирование.

2. Предложена числовая модель, позволяющая осуществить выбор проектного решения поисковой системы методами математического имитационного моделирования.

3. Разработана методика расчета параметров системы по заданным вероятностно-временным характеристикам функционирования систем поиска.

4. Разработана числовая модель генерации исходной ситуации, представления области и объектов поиска.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на XXXII (февраль 2003 г) и XXXIV (февраль 2005 г.) конференциях профессорско-преподавательского состава СПб ГУИТМО, II - ой конференции молодых ученых (март 2005 г.) СПб ГУИТМО с двумя докладами, Международная конференция по системам искусственного интеллекта при поддержке IEEE AIS'05/CAD-2005, Политехнический симпозиум (декабрь 2005 г.) и III - ой конференции молодых ученых (апрель 2006 г.) СПб ГУИТМО.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, библиографического списка из 82 наименований, содержит 124 страницы основного текста, 33 рисунка и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Системы автоматизации проектирования (по отраслям)», Кучер, Алексей Владимирович

Выводы по главе 4

1. Для верификации построенных моделей было проведено сравнение модельных результатов с результатами натурных испытаний для заданных визуальных оптических систем поиска низколетящих объектов.

2. Для сравнения результатов моделирования и натурных испытаний были выбраны характеристики: ожидаемое время обнаружения объекта, которое имеет вероятностный характер и местоположение объекта в области поиска.

3. Натурные испытания подтверждают адекватность выбранной модели, при этом ошибка составляет не более 10%.

4. Развитие метода позволяет применить его вообще к информационно-измерительным системам.

Заключение.

В результате проведенных исследований получены следующие результаты.

1. Показано, что процесс поиска может быть реализован сложной системой, к которой применимы теоретические основы системотехники.

2. Проанализированы методы имитационного моделирования с позиции применения к моделированию «поиска», позволяющие описать поведение поисковой системы набором алгоритмов, отражающих по исходным данным реальные явления в системе.

3. Рассмотрены и проанализированы методы, алгоритмы и средства имитационного моделирования. В качестве метода выбран метод имитации непосредственно алгоритмами функционирования блоков. Выбранный метод позволяет реализовать квазипараллельное моделирование системы, в которой функциональные действия подсистем различны, и требуются различные условия инициализации.

4. Процесс моделирования поисковой системы требует интерактивного взаимодействия пользователя и моделирующей системы. Поэтому моделирование поисковой системы можно осуществить, используя САПР.

5. Предложена модель поисковой системы, которая позволяет построить машинно-ориентированный алгоритм.

6. На основе рассмотренных математических зависимостей поисковой системы была предложена интервальная модель поисковой системы.

7. Предложенная числовая модель позволяет получить оценку вероятностных и временных характеристик поисковой системы.

8. Предложена схема формирования входных воздействий, позволяющая промоделировать все возможные поисковые ситуации на заданном множестве.

9. Генераторы входных воздействий позволяют задать детерминированное входное воздействие, указанное в техническом задании, а также применяя генераторы случайных чисел с заданным интервалом.

10. Предложенные методы задания входных воздействий позволяют создать систему программ моделирования в автоматизированном интерактивном режиме.

11. Для верификации построенных моделей было проведено сравнение модельных результатов с результатами натурных испытаний для заданных визуальных оптических систем поиска низколетящих объектов.

12. Для сравнения результатов моделирования и натурных испытаний были выбраны характеристики: ожидаемое время обнаружения, которое имеет вероятностный характер и местоположение объекта в области поиска.

13. Натурные испытания подтверждают адекватность выбранной модели, при этом ошибка составляет не более 10%.

14. Развитие метода позволяет применить его вообще к информационно-управляющим системам.

118

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Кучер, Алексей Владимирович, 2006 год

1. Абчук В.А., Суздаль В.Г. Поиск объектов. // М.: Советское радио, 1977г., 336с.

2. Астапов А.П., Васильев Д.В., Заложнев Ю.И. Теория оптико-электронных следящих систем. М.: Наука. Гл.ред.физ.-мат.лит., 1988г. 328с.

3. Бакулев П.А. Оценка эффективности обнаружения сигналов на фоне коррелированных помех обзорными PJIC : Учеб. пособие / П.А. Бакулев, А.Н. Клементьев, В.М. Степин; Моск. авиац. ин-т им. Серго Орджоникидзе. М.: Изд-во МАИ, 1991.

4. Батков A.M., Горский А.А., Левитин В.Ф., Федосов Е.А. и др. Проектирование систем наведения, М.: Машиностроение, 1975г., 296с.

5. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности. Пер. с англ. Под ред. Б.В.Гнеденко. М.:Изд-во Советское радио, 1969, 488 с.

6. Беляевский J1.C., Новиков B.C., Оляшок П.В. Обработка и отображение радионавигационной информации/ J1.C. Беляевский, B.C. Новиков, П.В. Оляшок; Под. ред. П.В. Олянюка. М.- Радио и связь, 1990. - 232 с.

7. Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных приборов. М.: Машиностроение, 1976.

8. Бусленко Н.П. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977г., 239с.

9. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978г., 400с.

10. Бусленко Н.П., Калашников В.Р., Коваленко И.П. Лекции по теории сложных систем. М.: Сов.Радио, 1973г., 439с

11. Ван Трис Гарри Д. «Теория обнаружения, оценок и модуляции». Пер. с англ. Под ред. проф. В.И.Тихонова. Т.1 М., «Сов.Радио», 1972.

12. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, операции, методология. -М.: Высшая школа, 2001 г., 552с.

13. Гайкович А.И. Основы теории проектирования сложных технических систем / А.И. Гайкович. СПб. : Моринтех, 2001. - 429 с.

14. Гарнаев АЛО. Игры поиска : Учеб. пособие / С.-Петерб. гос. ун-т. СПб. : Изд-во СПбГУ, 1992.

15. Горбунов В.А. Эффективность обнаружения целей. М.:Воениздат, 1979 г. -160 с.

16. Гихман И.И., Скороход А.В. Теория случайных процессов. М., Изд-во «Наука», 1971.

17. Головинский О.Б., Лавинский Г.В. Поисковые системы. К., Техшка, 1979.

18. Громаков Ю.А. Оптическая обработка радиосигналов большими системами. М.: Эко-Трендз, 2004 г. 258 с.

19. Демин А.В. Математическое моделирование системы оптического поиска и наведения. Оптико-электронные приборы и системы. Сб.научных статей. Выпуск 97/Под редакцией проф. Э.Д. Панкова и проф. А.В.Демина СПб., 1997г. с.112-117

20. Демин А.В., Копорский Н.С., Немолочнов О.Ф. Вероятностная модель режимов работы систем поиска и наведения. Ж. Известия ВУЗов Приборостроение, т.42 № 5-6, 1999г., с.14-18.

21. Демин А.В., Копорский Н.С., Немолочнов О.Ф., Чиченова Е.А. Имитационное моделирование технических объектов. Известия ВУЗов. Приборостроение, 2003 г., т.46, № 2, с.73-79

22. Демин А.В., Кучер А.В. «Числовое моделирование поисковых систем», Труды Международных научно-технических конференций «Интеллектуальные системы» (AIS'05) и «Интеллектуальные САПР» (CAD-2005). Научное издание в 4-х томах.-М.:ФИЗМАТЛИТ,2005, Т.4. с.34-39.

23. Дж.Иган Теория обнаружения сигналов и анализ рабочих характеристик. Пер. с англ. М.: Наука, 1983.

24. Дж.Кемени, Дж.Снелл, А.Кнепп. Счетные цепи Маркова: Пер. с англ.-М.: Наука, Гл.ред.физ.-мат.лит., 1987г., 416с.

25. Дикарев В.И. Методы формирования и обработки сложных радиолокационных сигналов. М. 1975 г.

26. Директор С., Рорер Р. Введение в теорию систем. Перевод с англ. В.Н.Бусленко и Н.И. Осетинский. М., «Мир», 1974.

27. Здор С.Е., Широков В.Б. Оптический поиск и распознавание М., изд-во «Наука» 1973.

28. Ивахненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. М.: Радио и связь, 1987г., 120 с.

29. Ильичев А.В., Волков В.Д., Грущанский В.А. Эффективность проектируемых элементов сложных систем: Уч. пособие. М., Высшая школа, 1982.

30. Ипатов В.П. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радиолокационных системах. М.: Сов.Радио, 1975 г.

31. Калашников В. В., Лутков В. И. и др. Вопросы разработки имитационных систем // Электронная техника. Сер. Экономика и системы управления. -1983г. Вып. 1.

32. Катыс Г.П. Автоматическое сканирование. М.,Машиностроение, 1969.

33. Киндлер Е. Языки моделирования: Пер. с чешек. М.: Энергоиздат, 1985г., 288с.

34. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании. В 2-х т. М.: Статистика, 1978г., 221, 335с.

35. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979г.

36. Коваленко И.Н. Расчет вероятностных характеристик систем. Киев: Техника, 1982 г.

37. Кожухов А.К. Основы теории поиска объектов. М.: Машиностроение, 1999г.

38. Конторов B.C. Конфликтная радиолокация М.- Радио и связь, 1982 124 с.

39. Конторов B.C. Радиоинформатика М.- Радио и связь, 1993. 294 с.

40. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М. : Радио и связь, 1986. - 352 с.

41. Кучер А.В. Вероятностная модель системы поиска и наведения. Вестник II конференции молодых ученых. Сборник научных трудов/ П/р В.Л.Ткалич. Том 1. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005, стр. 52-59.

42. Кучер А.В. Имитационная модель поисковой системы. Материалы семинаров политехнического симпозиума, декабрь 2005 г. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2005 г. стр.61.

43. Кучер А.В. Имитационное моделирование оптического поиска. Вестник II конференции молодых ученых. Сборник научных трудов/ П/р В.Л.Ткалич. Том 1. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005, стр. 52-59.

44. Кучер А.В. Моделирование системы оптического поиска. Научно-технический ВЕСТНИК СПбГУИТМО, Вып.№19. Программирование, управление и информационные технологии. СПбГУИТМО,2005г.,с.216-223.

45. Левшин В.Л. Обработка информации в оптических системах пеленгации. М.: Машиностроение, 1978 г.

46. Леонов А.И. Моделирование в радиолокации /П/р А.И. Леонова. -М.Сов.Радио, 1979 г.

47. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ. М.: Радио и связь. 1988г., 232с.

48. Максимей И.В. «Математическое моделирование больших систем». М., Высшая школа, 1985.

49. Милованов В. В. Методы обработки сигналов в радиолокации : Учеб. пособие / В.В.Милованов, М.А.Девятов, П.А.Угаров; М-во общ. и проф. образования Рос. Федерации, Южно-Ур. гос. ун-т. Каф. радиотехн. систем. Челябинск : Изд-во ЮУрГУ,1998.

50. Молебный В.В. Обработка оптико-локационной информации : Учеб. пособие / Киев. гос. ун-т им. Т.Г. Шевченко. Киев : КГУ, 1986.

51. Новопашенный Г.Н. Информационно-измерительные системы. / Уч.пособие./М., «Высшая школа», 1977г., с.208.

52. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М.МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 г.

53. Обрезков Г.В. Методы анализа срыва слежения. М.:Сов.Радио, 1972 г.

54. Основы проектирования приборов и систем / А.Г. Щипицын, С.В. Пашнин. 1998.

55. Основы проектирования следящих систем. П/р Лакота М. Машиностроение, 1978 г.

56. Острейковский В.А. Теория систем. М.: Высшая школа, 1997 г.

57. Павловский Ю.Н. Имитационные модели и системы. / Ю.Н.Павловский. -М.: Фазис: ВЦ РАН, 2000 г. 131 с.

58. Преснухин JI.H., Соломонов JI.A., Четвериков В.Н. Шаньгин В.Ф. Основы теории и проектирования вычислительных приборов и машин управления. М.: Изд. Высшая школа, 1970г., 293с.

59. Растригин JI.A. Статистические методы поиска. М.:Наука, 1968 г.

60. Розов А.К. Алгоритмы последовательного обнаружения сигналов. СПб. : Политехника, 1992.

61. Романов Е.В. Методология технологического проектирования : Учеб. пособие для студентов вузов / Е.В. Романов; М-во образования Рос. Федерации, Магнитог. гос. ун-т. -2-е изд., перераб. и испр.. -Магнитогорск : МаГУ, 2003.

62. Саврасов Ю.С.Алгоритмы и программы в радиолокации. М. : Радио и связь, 1985. -216 с.

63. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М. Сов.радио, 1977.-446 с.

64. Селекция и распознавание на основе локационной информации / П/р А.Л.Горелика. М.: Радио и связь, 1990. - 239 с.

65. Ткаченко В.П. Имитационное моделирование радиоизмерительных систем. Киев: Тэхника, 1991.

66. Травникова Н.П. Эффективность визуального поиска

67. Фихтенгольц Г.М. Основы математического анализа в двух томах. СПб.:Лань, 2001 г.

68. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения в 2-х томах М., «Мир» 1984.

69. Фельдман Ю.И. Сопровождение движущихся целей / П/ред. Ю.И. Фельдмана. М.Сов.радио, 1978. - 287 с.

70. Харин Ю.С. Основы имитационного и статистического моделирования : Учеб. пособие для студентов мат., инж.-техн. и экон. спец. вузов / Харин Ю.С., Малюгин В.И., Кирлица В.П. и др. Минск : Дизайн ПРО, 1997.

71. Царегородцев А.В. Теоретические основы построения информационных систем: уч. Пособие / А.В.Царегородцев. М.:Изд-во РУДН, 2004г. - 140 с.

72. Шайдуров Г.Я. Импульсные электромагнитные системы поиска / Г.Я. Шайдуров; М-во образования Рос. Федерации, Красноярм. гос. техн. ун-т. Красноярск : КГТУ, 1999. - 314 с.

73. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем.- Искусство и наука. М.: Мир 1978г., 418с.

74. Ширман Я.Д. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981 г.

75. Beiser, Leo. Unified optical scanning technology / Leo Beiser. New York. : IEEE press; Hoboken (N.J.) : Wiley-Interscience, cop. 2003. - XIII, 185 c.

76. Kolawole Michael O. Radar systems, peak detection and tracking / Michael O.Kolawole, PhD. Oxford etc.: Newnes, 2002. - XXV, 363 c.

77. Mohan, P.V. Ananda(1949- ). Residue number systems : Algorithms a. architectures / P.V. Ananda Mohan. Boston etc. : Kluwer acad. publ., cop. 2002. -XIII, 254 c.125