1.3. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ МЕТОДОЛОГИИ РАЗРАБОТКИ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ РАСПОЗНАВАНИЯ

В процессе разработки практически любых технических систем, в том числе и локационных, предназначенных для селекции и распознавания объектов, творений природы, или искусственных, созданных для решения вполне конкретных задач, сравнительно четко можно выделить три этапа.

На первом этапе (условно назовем его научно-исследовательским) формируется и решается широкий комплекс достаточно разнообразных задач. Одна группа задач связана с изучением объектов, для распознавания или селекции которых предназначается проектируемая система, с исследованием стратегии их применения, если речь идет об объектах искусственной природы, оценкой тех из характеризующих их признаков, которые потенциально могут быть определены на основе локационной информации.

Другая группа задач — системотехнических — непосредственно связана с идеологией построения и применения проектируемой системы, определением принципа ее действия, разработкой макроструктуры и определением функций, которые должен выполнять каждый блок макроструктуры — подсистема разрабатываемой локационной системы. Основной метод исследований на первом этапе — математические эксперименты, для проведения которых разрабатывается комплекс, как правило, взаимоувязанных математических моделей. Это, естественно, не означает, что для решения тех или других задач этого этапа не используются другие методы исследований, например аналитические или алгоритмические.

Исходной информацией для постановки и решения задач научно-исследовательского этапа является техническое задание, разрабатываемое в общем случае организацией, выступающей в роли заказчика создаваемой локационной системы. Результатом первого этапа являются технические предложения, а также эскизный проект системы.

Второй этап, который условно можно называть проектным или конструкторским, связан с проектной, а затем и конструкторской проработкой решений, принятых по результатам научных исследований, выполненных на предыдущем этапе. Задача этого этапа состоит в проведении комплекса необходимых теоретических исследований, связанных с разработкой надлежащих схемных решений: структурных, электрических, кинематических. На этом этапе на основе расчетных исследований с широким использованием методов САПР, а также путем физического макетирования отдельных блоков и подсистем решается весь комплекс проектных задач и разрабатываются технический и рабочие проекты системы. Кроме того, на этом же этапе проводятся и опытно-конструкторские работы с использованием системы САПР —

конструктор. Результатом этого этапа является воплощение системы в металле.

Основным методом исследований на втором этапе является физико-математическое моделирование. Это, конечно, не означает, что не используются другие методы, например аналогового и цифрового моделирования, однако на этом этапе доминирует физический эксперимент — лабораторный и полунатурный.

И. наконец, на третьем этапе, называемом испытательным, проводятся испытания системы—автономные и комплексные.

Рассмотрим первый и третий этапы построения системы несколько подробнее, ибо с методической точки зрения они практически инвариантны по отношению к типу системы, ее принципу действия и аппаратурной реализации, в то время как второй этап в общем виде рассмотреть практически невозможно, поскольку содержание сугубо специфично и целиком определяется конкретными физическими и инженерными задачами, связанными с реализацией каждой данной локационной системы.

На первом этапе, как уже известно, решаются наиболее принципиальные вопросы построения локационной системы, предназначенной для «противоборства» с природой, так или иначе «затрудняющей» решение задач селекции или распознавания естественных объектов, либо для противоборства с потенциальным противником, умышленно препятствующим решению этих же задач, применительно к создаваемым им объектам. И в том и другом случае е.методологической точки зрения оправданно полагать, что основная цель этого этапа достигается в результате проведения определенной операции, и для решения этого этапа использовать подходы, применяемые в исследовании операций.

Предположим, что в рассматриваемой операции в противодействии находятся две стороны. Одна из них (назовем ее стороной М) создает объекты (цели), а вторая (назовем ее стороной L) разрабатывает локационную систему, предназначенную для селекции и распознавания объектов стороны М. Сторону L будем считать оперирующей.

С точки зрения теории исследования операций содержание первого этапа заключается в постановке и решении оперирующей стороной двух проблем, каждая из которых состоит из ряда задач. Первая проблема — исследование множества возможных стратегий применения стороной М создаваемых ею объектов. Рассмотрим задачи этой проблемы в определенной последовательности, которая, однако, не является во всех случаях обязательной. Некоторые из задач можно решать параллельно: в ряде частных ситуаций определенные задачи могут вообще не возникать. Предложенная последовательность отражает лишь основополагающую тенденцию и не более.

Первая задача состоит в детальном изучении объектов, для селекции и распознавания которых предназначена проектируемая система. Цель подобного изучения двоякая. Во-первых, исходя из общей постановки задачи распознавания [3], необходимо построить

такой алфавит классов распознаваемых объектов, т. е. выбрать такой вариант разбиения совокупности объектов на классы, который в условиях ограничений на ресурсы, понимаемые в широком смысле этого слова, обеспечивает наибольшую эффективность управленческих решений, принимаемых по результатам решения задачи распознавания. Такой алфавит классов назовем априорным. Он является базой для построения рабочего алфавита классов — окончательного варианта алфавита, реализуемого на вычислительных средствах системы.

Цель изучения, во-вторых, заключается в исходном установлении всего перечня признаков распознаваемых или селектируемых объектов, которые в принципе доступны локационному «видению» и наличие или отсутствие которых неизбежно приводит к тем или другим особенностям отраженных локационных сигналов. Эти вопросы рассмотрены далее. Совокупность подобных призналов образует априорный словарь признаков — основу для построения окончательного варианта словаря — рабочего, реализуемого на вычислительных средствах системы.

Переход от априорных алфавитов классов и словаря признаков к рабочим осуществляется, как об этом уже говорилось, в результате решения оптимизационной задачи, представляющей собой общую постановку задачи распознавания.

Следующая задача состоит в описаниях классов распознаваемых объектов на языке признаков, которые назовем «локационными», подчеркивая тем самым, что эти признаки могут быть получены в результате обработки локационной информации.

В вероятностном случае описаниями классов на языке признаков являются, как уже говорили, функции плотности вероятности значений признаков объектов по классам априорные вероятности появления на входе локационной системы объектов соответствующих классов, а также матрица потерь.

Выбор алгоритмов селекции и распознавания неизвестных объектов, а также показателей эффективности процедур селекции и распознавания — таковы очередные задачи рассматриваемой первой проблемы. Если бы природа или сторона М не создавала мер противодействия стороне то не было бы нужды обращаться к методам исследования операций при разработке локационных систем. Однако в общем случае это не так. Поэтому сторона должна определить исходное множество потенциально возможных вариантов противодействия стороне стороны М, т. е. составить множество вида

В связи с тем, что не все потенциально допустимые варианты противодействия технически реализуемы, необходимо определить множество вариантов противодействия стороне которые реально могут быть созданы стороной М не только к моменту ввода локационной станции в строй, но и на всем планируемом периоде ее работы, т. е. где

определяет собой множество допустимых стратегий стороны М. Из физических соображений можно полагать, что это множество конечно. Допустимые стратегии стороны можно рассматривать как контролируемые факторы операции, допустимые стратегии стороны М — как неконтролируемые факторы, существенно влияющие на ход операции.

Как и в общем случае исследования операций, в данном случае неконтролируемые факторы можно подразделить на фиксированные, случайные и неопределенные [7]. Фиксированные факторы в рассматриваемой операции — это такие допустимые стратегии стороны М, о которых у оперирующей стороны имеется полная и достоверная информация. Например, стороне может быть точно известно, что сторона М будет маскировать объекты уголковыми отражателями.

О случайных факторах (величинах) — некоторых из допустимых стратегиях противодействия стороны М оперирующей стороне — последней известны лишь функции распределения этих случайных величин. В качестве примера таких факторов можно рассматривать активные помехи, создаваемые стороной М, интенсивность которых подчинена некоторому известному стороне закону распределения.

И наконец, неопределенными факторами, т. е. некоторыми из допустимых стратегий стороны М, можно полагать такие, о которых стороне может быть известно, что эти стратегии могут быть реализованы, однако возможная область их определенным образом ограничена. Подобными факторами могут служить, например, средства маскировки объектов одних классов под объекты других классов. При этом может быть известно, что объект, относящийся к классу может быть замаскирован под объект, относящийся к классу но не может быть замаскирован под объект класса ,

Вторая проблема — исследование и определение исходного множества возможных собственных стратегий, т. е. вариантов построения локационной системы.

Анализ классификационных схем, рассмотренных в § 1.2, в принципе позволяет построить искомое множество

Сложной, но очень важной задачей обсуждаемой проблемы является оценка ресурсов — финансовых, материальных, трудовых, временных и т. п., необходимых для практической реализации каждого варианта системы. Кроме того, необходимо рассмотреть возможность физической реализуемости каждого варианта с точки зрения достигнутого уровня развития техники, в том числе и вычислительной, а также технологии в условиях ограничения на все необходимые виды ресурсов, предназначенных для разработки создаваемой системы, что в общем случае сужает множество потенциально возможных вариантов. Таким образом,

формируется допустимое множество вариантов построения локационной системы

где .

Это множество исходя из физических соображений конечно.

Критерий эффективности стороны, разрабатывающей локационную систему, в рассматриваемой операции, представляющей собой антагонистический конфликт двух сторон, каждая из которых, естественно, преследует свои интересы, можно записать следующим образом: где функция определена на прямом произведении допустимых множеств

Критерий эффективности хотя и является основой для сравнения стратегий стороны т. е. для получения оценок, связанных с реализацией конкретных вариантов построения локационной системы не может быть непосредственно использован для сравнения этих вариантов. Это обусловлено тем, что сторона не располагает полной и достоверной информацией о возможных стратегиях применения объектов стороной М, т. е. о стратегиях условиях конфликта сравнить различные варианты построения локационной системы и выбрать в некотором смысле наилучший можно только на основе сопоставления оценок эффективности стратегий, которые, естественно, зависят от предположений о стратегиях применения распознаваемых или селектируемых объектов. Именно поэтому, ведя речь об оптимальном варианте построения локационной системы, следует оговаривать, применительно к каким предположениям о стратегии противной стороны получена экстремальная оценка критерия эффективности.

В теории исследования операций используют различные оценки эффективности применяемых стратегий. Это связано с тем, что возможны различные меры информированности оперирующей стороны (в данном случае L) о возможных стратегиях противной стороны. Так, если известны вероятности использования стороной М соответствующих стратегий то применяется оценка эффективности стратегии в среднем и соответствующее ее нятие оптимальности в среднем. Если известна лишь область возможных стратегий противной стороны, то рационально использовать гарантированную оценку эффективности, которой соответствует понятие оптимальной гарантирующей стратегии.

Независимо от вида используемой оценки эффективности возможны такие ситуации, когда не одна, а две или несколько стратегий оперирующей стороны при данном предположении о стратегии стороны М приводят к экстремальному значению оценки эффективности или весьма близким, и при том наилучшим, результатам. В таких, вообще говоря, далеко не редких ситуациях

необходимо сравнить полученные варианты с точки зрения затрат ресурсов на их реализацию. Естественно, предпочтение следует отдавать тому варианту построения системы, который сопряжен с наименьшими затратами.

Мы уже говорили о том, что аппаратом для исследования операций, а в данном случае операция представляет собой игру, с природой или вероятным противником, являются математические модели. Использование методов математического моделирования при разработке локационной системы селекции и распознавания представляется единственно возможным способом определения в том или другом смысле ее оптимального варианта.

Фрагментарно рассмотрим цели и задачи третьего этапа — натурных испытаний разработанной локационной системы. Прежде всего необходимо отметить, что именно на этом этапе удается в полной мере оценить реальную, а не «модельную» эффективность разработанной системы с точки зрения выработанного критерия или ряда критериев эффективности. Это обусловливается тем, что в ходе натурных испытаний возможные стратегии разрабатывающей локационную систему стороны исследуются на основе математического моделирования с помощью реальных экспериментов. При этом возможные стратегии противоположной стороны реализуются не только с помощью математических описаний объектов, но и с помощью физических моделей селектируемых и распознаваемых объектов. Последние могут быть выполнены в различном масштабе, вплоть до масштаба один к одному.

В настоящее время при проведении натурных испытаний сложных технических систем основным является опытно-теоретический метод оценки их эффективности [8]. Идея этого метода состоит в рациональном сочетании натурных экспериментальных исследований с математическими экспериментами, выполняемыми на математических моделях, которые, как мы уже знаем, формируются на научно-исследовательском этапе разработки систем. В ходе проведения автономных испытаний отдельных подсистем и комплексных испытаний системы в целом модели последовательно уточняются (калибруются) вплоть до достижения требуемой адекватности моделей моделируемым процессам.

Применение опытно-теоретических методов испытаний сложных систем вместо натурных обусловлено не только стремлением к уменьшению затрат различного рода ресурсов (материальных, финансовых, трудовых, временных и т. п.), но и тем обстоятельством, что в ряде ситуаций проведение натурных испытаний в полном объеме оказывается или практически невозможным, или абсолютно недопустимым.

Основные положения опытно-теоретического метода оценки эффективности сложных систем состоят в следующем, Прежде всего, применительно к наиболее вероятным стратегиям применения стороной М своих средств определяются возможные способы получения информации, необходимой для оценки эффективности: подсистем разработанной локационной системы и системы в целом.

К числу названных способов относятся натурный эксперимент, использование имитаторов, лабораторные (физические) исследования, математическое моделирование.

В тех случаях, когда одну и ту же информацию можно получить различными способами, возникает нелегкая задача оценки целесообразности использования каждого способа с учетом того обстоятельства, что альтернативные решения сопряжены, как правило, с одной стороны, с различными затратами ресурсов, а с другой — с получением более или менее достоверной информации.

После выбора наиболее рациональных сочетаний способов получения информации, необходимой для оценки показателей эффективности подсистем разработанной системы и системы в целом, осуществляется в определенном смысле оптимальное планирование всех видов экспериментальных исследований: порядок, количество и последовательность их проведения.

В ходе реализации разработанного плана значительное внимание уделяется калибровке математических моделей по реальной информации, так как наличие математических моделей, адекватных моделируемым процессам, позволяет за счет их эффективного использования в общем случае существенно сократить затраты, связанные с проведением натурных испытаний.

В общем виде задачу оптимального планирования процесса накопления искомой апостериорной информации можно сформулировать следующим образом. Пусть для достоверной оценки эффективности некоторой подсистемы разработанной локационной системы необходимо в ходе экспериментальных исследований получить информацию, количество которой не менее Пусть, кроме того, проведение каждого из возможных экспериментов обеспечивает получение информации одновременно сопряжено с затратами соответствующих ресурсов, которые обозначим через Как правило, общие затраты ресурсов на проведение экспериментов представляют собой сумму затрат на каждый эксперимент, т. е.

Под оптимальным планом проведения экспериментальных работ будем понимать такой план из множества возможных планов который обеспечивает минимальные затраты ресурсов, т. е. при соблюдении условия, что количество информации, полученное в результате реализации данного плана, должно быть не меньше . е.

Существует обстоятельство, значительно усложняющее рассмотренную задачу: количество информации получаемое в результате

проведения эксперимента а, непостоянная величина [9]. Она зависит от того, какие эксперименты были выполнены до проведения данного эксперимента и какая при этом была получена информация, т. е. . Поэтому для решения рассмотренной задачи приходится прибегать к специальным процедурам последовательного планирования экспериментов [10].

Полученная в результате натурных испытаний экспериментальная информация позволяет, как правило, оценить возможности разработанной локационной системы, ее сильные и слабые стороны и на основе полученных данных в случае необходимости осуществить ее доработку.