Построение адаптивных гидроакустических систем

Термин «декомпозиция» в применении как к математическим, имитационным моделям вообще, так и к моделям управляемых процессов в современной научной литературе точно не определен. Будем использовать следующее определение. Декомпозиция — это научный метод, использующий структуру задачи и позволяющий заменить решение одной большой задачи решением серии меньших задач. Наиболее часто декомпозиция проводится путем построения дерева целей и дерева функций [1]. В действительности глубина декомпозиции ограничивается. Если при декомпозиции выясняется, что модель начинает описывать внутренний алгоритм функционирования элемента вместо закона его функционирования в виде «черного ящика», то в этом случае произошло изменение уровня абстракции. Это означает выход за пределы цели исследования системы и, следовательно, вызывает прекращение декомпозиции.

В современных методиках [1] типичной является декомпозиция модели на глубину 5−6 уровней. На такую глубину декомпозируется обычно одна из подсистем. Функции, которые требуют такого уровня детализации, часто очень важны, и их детальное описание дает ключ к основам работы всей системы. семантический декомпозиция гидроакустический модуль В общей теории систем [1] доказано, что большинство систем могут быть декомпозированы на базовые представления подсистем. К ним относят: последовательное (каскадное) соединение элементов, параллельное соединение элементов, соединение с помощью обратной связи.

Проблема проведения декомпозиции состоит в том, что в сложных системах отсутствует однозначное соответствие между законом функционирования подсистем и алгоритмом, его реализующим. Поэтому осуществляется формирование нескольких вариантов (или одного варианта, если система отображена в виде иерархической структуры) декомпозиции системы. Главные методические концепции декомпозиции применительно к построению акустической модели океана [2−4] соответствуют ее расчленению на подсистемы и такому последующему формальному их описанию, которое позволяет вычислить (на основе задания критериев, ограничений, априорной информации об акустических условиях гидролокации и соответствующих гипотез) те характеристики имитационной модели, которые существенны в решаемой научной или прикладной задаче. Естественно, что построение имитационной модели методами декомпозиции должно предусматривать потенциальные возможности ее совершенствования, модернизации, т. е. содержать в себе возможность дальнейшего развития модели.

Итак, физико-математическая декомпозиция сводится к иерархическим процедурам расчленения общей акустической модели на совокупности подсистем. Такая процедура должна продолжаться тех пор пока в дальнейшей декомпозиции необходимости не будет.

Рассмотрим разновидности иерархических подсистем, которые возникают в процессе декомпозиции при построении акустической модели применительно к общей модели параметрической гидролокации [5, 6].

Подсистемой будем называть любую часть рассматриваемой сложной системы, которая с какой-либо принятой точки зрения может считаться самостоятельной по своему функциональному назначению и информационным связям. Естественно, что всякая подсистема в свою очередь может представлять собой сложную систему, так что, вообще говоря, полная акустическая система подвергается декомпозиции неоднократно, т. е. иерархически: на подсистемы первого уровня, которые далее подвергаются декомпозиции на подсистемы второго уровня и т. д. С этой точки зрения декомпозиция сводится к определению иерархии подсистем, последний (наиболее высокий) уровень которых соответствует элементарным составляющим — модулям имитационной компьютерной модели и информационно согласуется с математическим обеспечением ПК.

Акустическая сложная система описывается моделью, для которой можно предложить иерархию подсистем, состоящую из четырех уровней [5, 6]. В [5] описана информационная операторная модель гидролокации и принципы ее декомпозиции. Здесь данная модель адаптирована и преобразована для случая параметрической гидролокации, т. е. в качестве гидроакустических средств используются параметрические излучатели, нашедшие широкое применение в ряде гидроакустических задач благодаря своим уникальным свойствам [7].

Рассмотрим четыре уровня декомпозиции.

Семантические подсистемы — первый уровень декомпозиции. Подсистемы этого типа представляют собой такие части акустической системы, которые соответствуют наиболее укрупненному информационному, гидрофизическому и системному содержанию общей модели параметрической гидролокации как исходной сложной системы. С информационной точки зрения семантические подсистемы описываются с помощью векторных функций векторных аргументов и соответствующими векторными операторами преобразования этих функций [4]. Семантические подсистемы должны образовывать в своей совокупности полную акустическую модель, так как дальнейшая декомпозиция будет относиться к уточнению и детализации их внутреннего содержания, особенностей построения и к специфике информационных связей. Иными словами, декомпозиция на уровне семантических подсистем вскрывает главные, наиболее укрупненные и содержательные акустические и системные элементы общей модели параметрической гидролокации. При этом декомпозиция на рассматриваемом уровне определяет более конкретно конструктивное содержание рассматриваемой модели, т. е. детальную информационно-гидрофизическую структуру семантических подсистем. Отличие семантических подсистем друг от друга сводится, таким образом, к их содержательному функциональному, физическому и системному различию.

На рис. 1 представлена информационно-операторная схема первого уровня декомпозиции, соответствующая семантическим подсистемам. Дадим общую характеристику модели параметрической гидролокации при ее декомпозиции на рассматриваемом уровне [6]. Семантические подсистемы сосредоточены в шести группах, каждая подсистема описывается вектор-функцией определенного типа.

На рис. 1 приняты следующие обозначения: вектор-функции размещены в прямоугольниках; однократные операторы — в одиночных окружностях, а двукратные — в двойных окружностях; стрелками обозначены входные данные, которые должны поступать из соответствующих баз данных. Множества, содержащие управляемые данные, обозначены индексом 1, а информационные данные (которые определяются внешней средой модели) — индексом 0.

Рассмотрим группы семантических подсистем, т. е. соответствующих вектор-функций, операторы и базы данных которых образуют эти подсистемы.

Характеристики источников акустических полей описывают 1-ю группу семантических подсистем. Сюда входят две подсистемы.

Управляемые источники акустических полей описываются с помощью вектор-функции. В рассматриваемом случае это — электроакустический преобразователь накачки и формирователь сигналов параметрической антенны. Эти источники управляемые в том смысле, что их можно проектировать, управлять их характеристиками.

Множество представляет собой выбор вариантов исполнения источников и их характеристик. Это множество носит управляющий характер (индекс 1 вверху). Таким образом, с его помощью выполняется целенаправленное управление излучаемыми сигналами, которые используются параметрической гидролокационной системой.

Неуправляемые источники акустических полей описываются с помощью вектор-функции. Это могут быть источники, связанные с различными неоднородностями: надводными и подводными течениями, волнением водной поверхности, с атмосферными явлениями, с жизнедеятельностью различных биологических организмов, судоходством и работой различных технических систем, с протеканием сейсмических явлений и другими причинами различного физического происхождения. Обозначение соответствующего множества —, оно носит информационный характер (индекс 0 вверху). Это множество представляет собой набор вариантов рассматриваемых источников с указанием условий, при которых эти источники себя проявляют. При дальнейшей декомпозиции на морфологические подсистемы необходимо учесть специфику классов неуправляемых источников.

Характеристики среды описываются с помощью вектор-функции. К таким характеристикам относятся температура, соленость воды, наличие воздушных пузырьков, ее химический состав, динамика движения водных масс, биологический состав, структура и химический состав дна, а также волнение водной поверхности некоторые другие характеристики водной поверхности, водных масс и дна.

Отметим, что отдельные составляющие вектор-функции взаимосвязаны с некоторыми составляющими вектор-функции неуправляемых источников.

Отметим, что отдельные составляющие вектор-функции взаимосвязаны с некоторыми составляющими вектор-функции неуправляемых источников. управляемыми элементами семантической модели параметрической гидролокации являются следующие управляемые источники акустических полей и их акустические характеристики; к управляемым операторам относятся операторы формирования акустических характеристик излучающих антенн, операторы пространственно-частотно-временной обработки и операторы принятия решений .

Остальные рассмотренные семантические подсистемы являются неуправляемыми: сюда относятся характеристики естественных источников акустических шумов в океане и их акустические характеристики, гидрофизические характеристики и акустические характеристики среды, а также физические характеристики объектов локации и их акустические характеристики. Неуправляемыми являются также операторы .

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 гг. ГК № П1148., ГК № 16.740.11.0327, соглашение № 14.А18.21.1284 и при поддержке Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2013 годы» ГК № 14.518.11.7068.

• 1. Павловский Ю. Н., Смирнова Т. Г. Проблема декомпозиции в математическом моделировании. — М.: ФАЗИС, 1998.
• 2. Кириченко И. А., Старченко И. Б. Принцип адаптивного подхода к управлению характеристиками акустических систем // Электронный научно-инновационный журнал «Инженерный вестник Дона». — Ростов-на-Дону. — 2011. № 4 http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2011/553/
• 3. Ольшевский В. В. Опыт применения метода декомпозиции при построении акустико-океанологических имитационных моделей. // В сб. Акустические методы исследования океана. Вып. 303 -Л.: Судостроение, 1979. — С. 19−26.
• 4. Справочник по гидроакустике / А. П. Евтютов, А. Е. Колесников и др. — 2-е изд., перераб и доп. — Л.: Судостроение, 1988. — 552 с.
• 5. Ольшевский В. В. Декомпозиция как метод построения акустико-океанологических имитационных моделей. — Львов, 1980. — 72 с.
• 6. Starchenko, I. Decomposition method in constructing simulation models of parametric location for statistically irregular mediums (Метод декомпозиции в построении имитационных моделей параметрической локации для статистически неоднородных сред) [Текст] / I. Starchenko // J. Acoust. Soc. Am. — April, 2005. -Vol. 117, №. 4. — P. 2576.
• 7. Новиков Б. К., Руденко О. В., Тимошенко В. И. Нелинейная гидроакустика. — Л.: Судостроение, 1981. — 264 с.