Разработка средств оценки эффективности алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов

НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ “ЛЬВОВСКАЯ ПОЛИТЕХНИКА”

Озирковский Леонид Деонисиевич

УДК 621.396.9

РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ ПОИСКА И ОБНАРУЖЕНИЯ ЦЕЛЕЙ ПРИЦЕЛЬНЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ КОМПЛЕКСОВ

05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Львов 2002

Диссертацией есть рукопись.

Работа выполнена в Национальном университете “Львовская политехника” Министерства науки и образования Украины

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Волочий Богдан Юрьевич,

Национальный университет “Львовская политехника”, доцент

Официальные оппоненты: доктор технических наук, с.н.с.

Клепфер Евгений Иванович,

Львовский научно-исследовательский радиотехнический институт,

главный научный сотрудник

кандидат технических наук

Лукенюк Адольф Антонович,

Львовский центр института космических исследований Национальной академии наук и Национального космического агентства Украины, заместитель директора

Ведущее учреждение – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт” (г. Киев), Министерство образования и науки Украины, кафедра радиотехнических устройств и систем

Защита состоится 30 апреля 2002 г. в 11 часу на заседании специализированного ученого совета Д 35.052.10 в Национальном университете “Львовская политехника ” по адресу: 79013, г. Львов-13,

ул. С. Бандеры, 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального университета “Львовская политехника ” по адресу: 79013, г. Львов-13,

ул. Профессорская, 1.

Автореферат разослан 18 апреля 2002 г.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета Романишин Ю.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прицельный радиоэлектронный комплекс (РЭК) предназначен для обнаружения цели по целеуказанию, ее захвата, сопровождения и расчета прогнозируемой траектории движения с передачей соответствующей информации на устройство уничтожения цели. Состав прицельного РЭК формируется так, чтобы обеспечивать выполнение поставленной задачи в условиях воздействия внешних естественных и искусственных помех, при возникновении сбоев и отказов аппаратуры. Поэтому в состав РЭК входят радиоэлектронные системы(РЭС) разных типов.

Последовательность процедур использования информации, которую предоставляют РЭС в процессе выполнения задачи, определяет алгоритм поиска и обнаружения цели (АПОЦ) прицельного РЭК, разработка которого является важной задачей на системотехническом этапе проектирования таких комплексов.

Задачи, которые решаются прицельным РЭК характеризуются жесткими условиями относительно затрат времени на принятие решений оператором. Достичь минимального значения этого времени можно следующими способами:

1) подбором оператора с определенными психофизиологическими возможностями и обеспечением соответствующего уровня его квалификации;

2) привлечением группы операторов и усовершенствованием организации их работы с системами прицельного РЭК;

3) передачей части (или всех) функций оператора информационно-управляющей системе.

Для названных способов формируются варианты АПОЦ прицельного РЭК. Без соответствующих средств задача сравнения вариантов построения АПОЦ на этапе системотехнического проектирования решается качественно, а количественные оценки показателей эффективности АПОЦ и прицельных РЭК в целом определяют на этапе натурных испытаний. Такой подход не обеспечивает решения задачи выбору приемлемых вариантов АПОЦ на этапе системотехнического проектирования и требует большого объема натурных испытаний.

Поэтому актуальной является разработка средств оценки показателей эффективности пригодных для использования на этапе системотехнического проектирования, которые позволят впоследствии уменьшить объем натурных испытаний и соответственно снизить затраты времени и материальных ресурсов. Однако оценка эффективности АПОЦ прицельных РЭК не может быть достоверной без учета показателей надежности аппаратуры. Необходимый уровень показателей надежности РЭС, которые входят в состав комплекса, обеспечивается использованием при их создании соответствующих отказоустойчивых структур.

Связь работы с научными программами, темами. Диссертационная работа выполнялась в рамках приоритетного направления отраслевой программы “Перспективные информационные технологии, приборы комплексной автоматизации, системы связи” в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедры “Теоретическая радиотехника и радиоизмерения” Национального университета “Львовская политехника” на 1992-2000 гг. Диссертационная работа непосредственно связана с госбюджетными научно-исследовательскими работами:

· ДБ/51.РЕЗ.94 “Методы и средства автоматизации схемотехническего проектирования отказоустойчивых цифровых устройств”, № гос. регистр.: 0194U029602;

· ДБ/Комплекс “Разработка математического обеспечения автоматизированных процедур системотехнического и схемотехническего надежностного проектирования радиоэлектронных устройств и систем”, № гос.регистр.:0196U000186;

· ДБ/Синтез “Разработка математического обеспечения процедур оптимального синтеза самоконтролируемых отказоустойчивых и живучих радиоэлектронных средств”, № гос. регистр.: 0198U002382;

· ДБ/ЗКМФ “Разработка математического обеспечения компьютерного моделирования функционального и надежностного поведения радиоэлектронных средств”, № гос. регистр.: 0100U000522.

Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка математических моделей, методики и программного обеспечения для оценки эффективности алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать структурно-автоматную модель алгоритма поиска и обнаружения целей прицельного радиоэлектронного комплекса.

2. Разработать марковскую модель алгоритма поиска и обнаружения целей прицельного радиоэлектронного комплекса.

3. Разработать логико-вероятностную модель алгоритма поиска и обнаружения целей прицельного радиоэлектронного комплекса.

4. Создать методику анализа эффективности вариантов построения алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельного радиоэлектронного комплекса.

5. Для построения математических моделей АПОЦ прицельного РЭК нужно разработать надежностные математические модели отказоустойчивых радиоэлектронных систем с комбинированным структурным резервированием и систем с мажоритарной структурой способной к реконфигурации, которые входят в состав рассматриваемых прицельных радиоэлектронных комплексов.

6. Провести выбор и выполнить сравнительный анализ методов для построения математических моделей отказоустойчивых систем с учетом эффекта старения и произвольного распределения продолжительности процесса технического обслуживания, надёжностное поведение которых соответствует дискретно-непрерывному случайному процессу.

7. Разработать методику построения математических моделей отказоустойчивых систем с учётом эффекта старения, надёжностное поведение которых соответствует дискретно-непрерывному случайному процессу.

Объектом исследований являются алгоритмы поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов.

Предмет исследований – показатели эффективности алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов (вероятность и среднее время выполнения задачи).

Методы исследований, которые использованы в работе заимствованы из теории радиоэлектронных систем и комплексов, теории моделирования сложных систем, теории марковских случайных процессов, теории надежности.

Научная новизна полученных результатов.

1. На основании предложенного расширенного описания состояний и установленного перечня определяющих параметров получил дальнейшее развитие метод пространства состояний применительно к построению математических моделей алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов. В модели, построенной усовершенствованным методом, в отличие от существующих, реализовано объединение функционального и надежностного аспектов проектирования алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов.

2. Получил дальнейшее развитие логико-вероятностный метод построения математических моделей алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов. Предложен способ получения логико-вероятностной модели на основе представления объекта структурно-автоматной моделью.

3. Разработаны две новые математические модели алгоритма поиска и обнаружения целей прицельного радиоэлектронного комплекса. Характерной особенностью этих моделей является то, что они формируются на базе единого формализованного представления – структурно-автоматной модели.

4. Для проектирования отказоустойчивых радиоэлектронных систем с комбинированным структурным резервированием и мажоритарной структурой с реконфигурацией, которые входят в состав прицельных радиоэлектронных комплексов, разработаны новые математические модели. Эти модели, в отличие от существующих, позволяют учесть различные комбинации структурного резервирования, поведение системы при появлении нарушений работоспособности, параметры средств контроля, диагностики и коммутации, вид технического обслуживания, наличие ЗИПа.

5. Предложен новый метод формализации процедуры перехода от надежностной модели немарковского типа к марковской модели с использованием метода эквивалентной интенсивности потока. Это позволило автоматизировать громоздкую процедуру перехода от немарковской модели к системе дифференционных уравнений Колмогорова-Чепмена.

Практическое значение работы.

1. Разработанная в работе математическая модель алгоритма поиска и обнаружения целей прицельного радиоэлектронного комплекса и методика ее построения дает возможность получить значение его показателей эффективности для заданных проектировщиком функциональных и надежностных параметров радиоэлектронных систем при неточностях получения целеуказания, разных уровнях квалификации оператора. Вместе с этим модель разрешает определить влияние на показатели эффективности радиоэлектронных комплексов последовательности использования радиоэлектронных систем при выполнении задачи.

2. Предложенные математические модели отказоустойчивых структур дают возможность проектировать радиоэлектронные системы, которые предназначены для работы в комплексе, с заданным уровнем надежности. Процесс создания математических моделей и их анализ автоматизирован, для чего разработан специализированный программный пакет.

3. Для оценки показателей эффективности с учетом процессов старения аппаратуры и произвольного характера процедур технического обслуживания используется разработанная методика построения моделей отказоустойчивых систем, в основу которой положен метод эквивалентной интенсивности потока.

4. Результаты внедрены во Львовском научно-исследовательском радиотехническом институте:

· Методика оценки эффективности алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов.

· Математические модели отказоустойчивых систем со сложным комбинированным резервированием и систем с мажоритарной структурой способных к реконфигурации.

· Методика построения математических моделей отказоустойчивых систем, надежностное поведение которых после появления отказов описывается немарковським дискретно-непрерывным случайным процессом.

Теоретические и практические результаты диссертации использованны:

· при выполнении госбюджетных научно-исследовательских работ в лаборатории НДЛ-51 Национального университета “Львовская политехника”;

· в учебном процессе у Национального университета “Львовская политехника” в лекционном курсе и практикуме дисциплины “Системотехническое проектирование радиоэлектронных комплексов” ; в дипломном проектировании студентами специальности “Радиоэлектронные устройства, системы и комплексы”.

· в учебном процессе колледжа “Западноукраинский коллегиум” в лекционном курсе и практикуме дисциплины “Надежность, контроль и эксплуатация ЭВМ”; в дипломном проектировании студентами специальности “Обслуживание компьютерных и интеллектуальных систем и сетей”.

Личный вклад соискателя. Личный вклад автора в полученных научных результатах состоит в том, что все положения, которые составляют суть диссертации, были сформулированны и решены самостоятельно. В роботах написанных в соавторстве автору диссертации принадлежат: (1) - разработка математической модели алгоритма поиска и обнаружения целей прицельного РЭК: марковской на основе расширенного описания состояния и логико-вероятностной на основе представления объекта структурно-автоматной моделью и определение показателей эффективности алгоритма поиска и обнаружения целей прицельного РЭК; (2) - формирование и исследование моделей вариантов построения радиоэлектронных комплексов с использованием метода логико-вероятностного траекторного моделирования; (4), (10) - сравнительное исследование эффективности и точности метода эквивалентной интенсивности потока, способ формализованного перехода от немарковской модели к системе уравнений Колмогорова-Чепмена; (5) - установлен перечень определяющих параметров радиоэлектронных систем и предложено расширенное описание состояния, (6)- методика оценки эффективности алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов; (7), (8) - структурно-автоматные модели двух отказоустойчивых структур; (9)- структурно-автоматная модель радиоэлектронной системы с комбинированным структурным резервирования. (11) - формализованное представление структуры и поведения системы немарковского типа.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: международной научно-технической конференции “Современные проблемы автоматизированной разработки и производства радиоэлектронных средств и подготовка инженерных кадров”(г. Львов,1996 г.); 4-й международной научно-технической конференции “Опыт разработки и применение приборо-технологических САПР микроэлектроники”(г. Львов, 1997 г.); 4-й украинской научно-технической конференции “Автоматика-97”(г. Черкассы); международной научно-технической конференции TCSET98 “Современные проблемы средств телекоммуникации, компьютерной инженерии и подготовки специалистов”(г. Львов, 1998 г.); международном симпозиуме “Надежность и качество '99”(г. Пенза, 1999 г.); 3-й международной научно-технической конференции “Математическое моделирование в электротехнике, электронике и электроэнер­гетике”(Львов, 1999), 15-й открытой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Физико-механического института им. Г.В. Карпенко НАН Украины “КМН-2000” (г. Львов, 2000 г.). Результаты работы обсуждались на научных семинарах кафедры “Теоретическая радиотехника и радиоизмерения” Национального университета “Львовская политехника”, Украинского Львовского института бизнеса и информатики, ОАО “Концерн “Электрон” ОКБ “ТЕКОН”.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 11 научных работ, в том числе 4 статьи в профессиональных научных журналах, 7 публикаций в сборниках работ, тезисов и докладов научно-технических конференций.

Структура работы.Диссертация состоит из вступления, четырех разделов, выводов, списка использованных информационных источников и приложений. Диссертация изложена на 216 страницах и включает 125 страниц основного текста, 46 таблиц на 14 страницах, 33 рисунка на 15 страницах, список использованных информационных источников включает 173 наименования на 17 страницах и 4 приложения на 45 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во вступлении раскрыта сущность научно-практической проблемы создания средств оценки эффективности алгоритмов поиска и обнаружения целей прицельных радиоэлектронных комплексов, обоснована актуальность работы, необходимость проведения исследований, сформулирована цель работы, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, приведены сведения об апробации работы.

В первом разделе проанализирован состав и принципы построения типичных прицельных РЭК, выявлены их особенности. Сформулированы требования к прицельным РЭК и рассмотрены особенности их применения. В результате качественного анализа для проведения исследований сформирован полный набор средств поиска и обнаружения целей прицельных РЭК. Для формирования конкретных вариантов применен подход прототипного проектирования: разрабатываемый вариант может включать как полный так и неполный набор средств, полученный путем исключения из полного набора отдельных РЭС.

Рассмотрена задача выбора показателей эффективности прицельных РЭК. В качестве показателя для количественной оценки эффективности варианта АПОЦ выбрана вероятность выполнения задачи комплексом, а ограничивающим условием – допустимое значение среднего времени выполнения задачи. АПОЦ комплекса является входной информацией для проведения исследований в данной диссертационной работе.

Для решения задач системотехнического этапа проектирования прицельных РЭК необходимо проводить многочисленные исследования и расчеты для оценки показателей эффективности различных вариантов их построения для выбора структуры РЭК и определить необходимые значения параметров для РЭС и АПОЦ с учетом того, что комплексы используются в условиях конфликта.

При построении адекватной математической модели АПОЦ для учета наряду с функ­цио­наль­ным аспектом и надежностного, в наборе параметров модели необходимо иметь пока­за­те­ли надежности РЭС. Современные РЭС прицельных РЭК проектируются со свойством отказоустойчивости, которое обеспечивается комбинированным структурным резерви­рованием или использованием мажоритарных структур способных к реконфигурации. В государственных и отраслевых стандартах для таких структур отсутствуют соответствующие математические модели, а поэтому необходимо разработать средства их анализа. Разработанные средства должны учитывать все возможности обеспечения отказоустойчивости таких структур и адекватно отображать их поведение при появлении отказов. Вместе с этим необходимо иметь математические модели отказоустойчивых структур, в которых учитывается эффект старения аппаратных средств и произвольные вероятностные законы распределения для продолжительности процедур технического обслуживания.

При решении проектных задач на этапе системотехнического проектирования РЭК достоверность результатов обеспечивается использованием двух разных методов моделирования объекта проектирования. Указанным выше требованиям отвечают: метод пространства состояний и метод логико-вероятностного траекторного моделирования.

В разделе сформулирован перечень задач, которые решены в данной работе.

Во втором разделе разработаны две математические модели АПОЦ прицельных РЭК и методика для исследования эффективности вариантов этих алгоритмов. Проведена апробация методики на примере конкретного прицельного РЭК.

Первая модель – марковская в виде системы дифференционных уравнений Колмогорова-Чепмена построенная с использованием метода пространства состояний, вторая – логико-вероятностная.

Получение марковской модели в виде системы дифференционных уравнений и логико-вероятностной модели осуществляется с использованием новой технологии, которая предусматривает два этапа: на первом этапе создается программная модель, а на втором этапе с помощью программной модели формируются математические модели.

Первой задачей, решенной в данном разделе есть разработка структурно-автоматной модели (САМ) АПОЦ прицельного РЭК.Эта модель необходима для формализованного представления объекта моделирования, которая разрешает без известных трудностей получить марковскую и логико-вероятностную модели АПОЦ. Для этого разработаны компоненты САМ: вектор состояния и дерево правил модификации.

Вектор состояния (ВС) использован для кодирования пространства состояний, в которых может находиться прицельный РЭК в процессе выполнения задачи. В известных методиках построения марковских моделей РЭК с использованием метода состояний и переходов модель отображает только надежностное поведение РЭК. На основе проведенного анализа функциональной и надежностного поведения прицельного РЭК в процессе поиска и обнаружения цели в работе предложена следующая структура ВС: номер выполняемого операционного блока; номер РЭС, которая служит источником информации; количество повторных обращений к источнику целеуказания; количество градаций порога обнаружения; количество попыток захвата цели; количество зон обнаружения.

В процессе выполнения задачи прицельным РЭК вектор состояния изменяется определенным образом. Для отображения собственно изменений и их последовательности согласно методике автоматизированного построения марковських моделей сформировано дерево правил модификации ВС. Для этого решены следующие подзадачи: установлено множество событий, разработаны правила формирования множества условий, сформированы формулы расчета интенсивностей переходов, разработаны правила формирования формул расчета вероятностей альтернативных переходов, разработаны правила модификации вектора состояния. Полученная САМ в виде ВС и дерево правил модификации разрешают построить программную модель (АПОЦ).

Марковська модель в виде графа состояний и переходов АПОЦ прицельного РЭК формируется из перечня состояний и матрицы интенсивностей переходов, которые получаются в результате компиляции программной модели. На основе полученной матрицы интенсивности переходов с использованием формализованных процедур формируется система дифференционных уравнений Колмогорова-Чепмена. Решение этой системы уравнений дает распределение вероятности пребывания в каждом состоянии, из которых и формируется избранный показатель эффективности, в данном случае вероятность выполнения комплексом поставленной задачи.

Вторая модель АПОЦ комплекса в данной работе построена с использованием логико-вероятностного метода траекторного моделирования. Данный метод разрешает определить значения вероятности и среднего времени выполнения задачи. Оценка вероятности выполнения и времени выполнения задачи АПОЦ осуществляется с помощью транзитивных вероятностей альтернативных переходов p_mn от m-го блока к n-му. Для этого используется графовая модель АПОЦ, в которой вершины отвечают операционным блокам, а дуги - переходам. Если предоставить каждой дуге значения вероятности перехода по ней p_mn, то каждому маршруту алгоритма L можно поставить в соответствие вероятность его существования и время прохождения

, (1)

, (2)

где T_Bm - время выполнения m-го операционного блока, который лежит на данном маршруте.

В свою очередь вероятностьР_УВ и среднее время Т_УВ выполнение задачи комплексом определяются так:

, (3)

, (4)

где L_УВ - множество путей, которые ведут к блоку, фиксирующему выполнение задачи.

В процессе прохождения каждого маршрута “накапливаются“ значение вероятностей и времени согласно формулам (1), (2). В момент достижения операционного блока, который символизирует выполнение задачи, результаты в нем “сбрасываются“ и осуществляется возвращение к последнему разветвлению. В этом операционном блоке результат “накапливается“ в соответствии с формулами (3), (4). После прохождения всех возможных маршрутов L_УВ, получаем значения вероятности выполнения задачи и среднего времени выполнения задачи при заданных начальных условиях.

На основе созданных САМ, марковской и логико-вероятностной моделей разработана методика исследования эффективности вариантов построения АПОЦ прицельных РЭК и таким образом решена вторая задача. Согласно методике входными данными для построения модели АПОЦ прицельного РЭК являются: состав и структурная схема прицельного РЭК; параметры РЭС, которые входят в состав РЭК; блок-схема АПОЦ комплекса; средние времена и дисперсии выполнения каждого операционного блока АПОЦ; вероятности принятия решения “ДА” и “НЕТ” для каждого блока сравнения АПОЦ. Методика построения моделей и исследование эффективности вариантов построения АПОЦ предусматривает последовательное выполнение следующих пунктов:

1. Формирование эквивалентного АПОЦ.

2. Формирование САМ алгоритма поиска и обнаружения целей прицельных РЭК.

2.1. Построение ВС.

2.2. Формирование множества формальных параметров.

2.3. Формирование множества событий.

2.4. Формирование множества условий.

2.5. Формирование формул расчета интенсивностей переходов.

2.6. Формирование формул расчета вероятностей альтернативных переходов.

2.7. Формирование правил модификации ВС.

2.8. Формирование дерева правил модификации ВС.

3. Построение марковской модели АПОЦ прицельного РЭК.

4. Построение логико-вероятностной модели прицельного РЭК.

Разработанная методика апробирована при анализе эффективности варианта построения алгоритма поиска и обнаружения целей прицельного комплекса “АФАЛИНА”. Построено САМ, марковскую модель с ограниченным пространством состояний(далее модель № 1) и логико-вероятностную модель(далее модель № 2) и проведены исследования прицельного РЭК “АФАЛИНА” при различных исходных данных. По результатам исследований дана количественная оценка влияния на показатели эффективности прицельного РЭК следующих факторов: квалификации оператора при введении сообщенных данных и захват целей на экране; количества целей; отказов аппаратных средств; неточности предоставления целеуказания (ЦУ); способа получения ЦУ. Марковская модель имеет 647 состояний и 1805 переходов. На основе полученной модели сформирована система дифференционных уравнений Колмогорова-Чепмена. Процедуры формирования и решения системы дифференционных уравнений автоматизированы. Исходные данные, при которых проведены исследования, представленные в табл.1.

Таблица 1

Исходные данные

№	Количество захватываемых целей для РЛС, телевизионно-оптического визира и телевизора.	Время захвата заданного количества целей для РЛС телевизионно-оптического визира и телевизора, с.	Обозначение характеристики на рис.1а, 1б.
1	3;3;3	8;8;8 (квалификация низкая )	P1, p1
2	3;3;3	4;4;4 (квалификация высокая )	P2, p2
3	4;4;4	8;8;8 (квалификация низкая )	P3, p3
4	4;4;4	4;4;4 (квалификация высокая )	P4, p4
5	5;5;5	8;8;8 (квалификация низкая )	P5, p5
6	5;5;5	4;4;4 (квалификация высокая )	P6, p6

Вероятности выполнения задачи и время, которое необходимо оператору для выполнения задачи от количества целей и от квалификации оператора, получены с помощью модели №1 с характеристик представленых на рис.1а в виде дифференциального и на рис.1б в виде интегрального закона распределения для времени выполнения алгоритма. Расчитанные средние значения времен выполнения (Tc_i) и вероятностей успешного выполнения (Рва_i) задачи, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Средние значения времен выполнения и вероятности выполнения задачи