RU2780606C1 - Method for detecting and classifying naval targets based on neural network technologies and artificial intelligence elements - Google Patents

Method for detecting and classifying naval targets based on neural network technologies and artificial intelligence elements Download PDF

Info

Publication number
RU2780606C1
RU2780606C1 RU2021137003A RU2021137003A RU2780606C1 RU 2780606 C1 RU2780606 C1 RU 2780606C1 RU 2021137003 A RU2021137003 A RU 2021137003A RU 2021137003 A RU2021137003 A RU 2021137003A RU 2780606 C1 RU2780606 C1 RU 2780606C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
neural network
fuzzy
recognition
classification
frequency
Prior art date
Application number
RU2021137003A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Александрович Пятакович
Original Assignee
Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) filed Critical Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток)
Application granted granted Critical
Publication of RU2780606C1 publication Critical patent/RU2780606C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: hydroacoustics.
SUBSTANCE: invention relates to hydroacoustics and can be used to implement neural network recognition operations of target classes (surface or underwater object) detected by signs of amplitude-phase modulation of low-frequency signals of pumping the marine environment by radiation and fields of objects. Essence: in the method for detecting and classifying marine targets based on neural network technologies and artificial intelligence elements, when the device is turned on in the marine environment, a zone of nonlinear interaction and parametric transformation of pumping waves with object signals is formed, for which the emitter and the receiving antenna are placed on opposite borders of the controlled area of the marine environment, then the pumping waves modulated by the object signals are received and amplified in the parametric transformation band, their frequency-time scale is transferred to the high-frequency region, a narrow-band spectral analysis is carried out, parametric components of the total or difference frequency are isolated, according to which, taking into account the time and parametric transformation of waves, the characteristics of the object’s signals are restored, which are fed into the neural network recognition and classification path, consisting of a target class recognition unit based on amplitude-frequency characteristics, implementing computational operations of an artificial neural network and covered by feedback with the training unit, in whose memory the data of mathematically processed images of spectrograms of marine targets are recorded, moreover, the first input of the target class recognition unit according to amplitude-frequency characteristics receives data from the output of the spectrum analyzer of the signal reception, processing and registration path, and its second input receives data from the training unit of the neural network recognition and classification path. In this case, the data is fed into the additionally introduced synthesis path of neural network and neural fuzzy recognition models with grouping of features at the input, the unit for analyzing information about the features and topology of the training sample, and then fed to the input of the neural network synthesis unit, covered by feedback with the neural fuzzy network synthesis unit, the output of which is connected to the input of a logical device, the function of which is performed by a six-layer Wang-Mendel neural fuzzy network, where neural and neural fuzzy models are synthesized in a non-iterative mode with linearization, factor grouping and convolution of signs of a marine target and a fuzzy logical conclusion is formed for the training unit of the neural network recognition and classification path, after which an artificial neural network is configured and a conclusion is formed about the degree of belonging of the studied spectral region to the classification object (surface or underwater object).
EFFECT: an increase in the efficiency of classification of marine targets by 5-7% relative to the prototype and other classification methods using modulation of low-frequency signals of pumping the marine environment by radiation and fields of objects.
1 cl, 11 dwg

Description

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для реализации операций нейросетевого распознавания классов целей (надводный или подводный объект), обнаруженных по признакам амплитудно-фазовой модуляции низкочастотных сигналов накачки морской среды излучениями и полями объектов.The invention relates to hydroacoustics and can be used to implement operations of neural network recognition of target classes (surface or underwater object) detected on the basis of amplitude-phase modulation of low-frequency pump signals of the marine environment by radiation and object fields.

Принцип работы параметрических антенн как с высокочастотной (десятки-сотни кГц), так и с низкочастотной (десятки-сотни Гц) накачкой морской среды, основан на использовании естественных нелинейных свойств морской среды. The principle of operation of parametric antennas with both high-frequency (tens-hundreds of kHz) and low-frequency (tens-hundreds of Hz) pumping of the marine environment is based on the use of the natural nonlinear properties of the marine environment.

Известны способы и реализующие их параметрические антенны, использующие высокочастотную накачку морской среды (см. Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий : монография / М.В. Мироненко, А.М. Василенко, В.А. Пятакович, [и др.]. - Владивосток : ВУНЦ ВМФ «ВМА» (филиал, г. Владивосток), 2013. - 324 с. - Текст : непосредственный.; Технологии нелинейной просветной гидроакустики и нейроненечетких операций в задачах распознавания морских объектов : монография / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, М.В. Мироненко. - Владивосток : Дальневост. федерал. ун-т, 2016. - 190 с. - ISBN 978-5-7444-3790-9. - Текст : непосредственный.; Распознавание и классификация источников формирования полей различной физической природы в морской среде : монография / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, О.В. Хотинский. - Владивосток : Морской гос. ун-т им. Г. И. Невельского, 2017. - 255 с. - ISBN 978-5-8343-1066-2. - Текст : непосредственный.; Параметрическая оптимизация нейросетевой системы классификации морских целей по критерию надежности. / В.А. Пятакович, В.Ф. Рычкова. - Текст : непосредственный // Морские интеллектуальные технологии. - Санкт-Петербург : 2018. № 4-5 (42). - С. 153-161.; Способ классификации подводных технических объектов экспертной интеллектуальной системой с приемной параметрической антенной / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, В.Ф. Рычкова. - Текст : непосредственный // Морские интеллектуальные технологии. - Санкт-Петербург : 2018. № 2(40). Том 2. - С. 121-126.; Патент № 2593625. C2. Российская Федерация, МПК G10K 11/00 (2006.01). Способ передачи информационных волн из морской среды в атмосферу и обратно. Заявка № 2015115231/28 : заявл. 22.04.2015 : опубл. (зарег.) 10.08.2016 Бюл. № 22 / Мироненко М.В., Василенко А.М., Пятакович В.А.; - 17 с. : ил. - Текст : непосредственный.; Расчет пространственной структуры многолучевой параметрической антенны программными модулями системы комплексного морского мониторинга. / В.А. Пятакович, А.М. Василенко. - Текст : непосредственный // Результаты современных научных исследований и разработок: сб. статей по материалам III-й Международной научно-практическая конференция - Пенза : МЦНС «Наука и Просвещение», 2017. - С. 50-62.; Обработка гидроакустических сигналов в трактах с параметрической приемной антенной для решения задач классификации источников формирования полей нейросетевой экспертной системой. / В.А. Пятакович, О.В. Хотинский. - Текст : непосредственный // Перспективы развития современной науки : сб. статей по материалам Международной научно-практической конференции - Волгоград : ЦПМ, 2017. - С. 32-42.).There are known methods and parametric antennas that implement them, using high-frequency pumping of the marine environment (see Nonlinear hydroacoustics in monitoring systems for hydrophysical and geophysical fields of marine areas: monograph / M.V. Mironenko, A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich, [and - Vladivostok: VUNC VMF "VMA" (branch, Vladivostok), 2013. - 324 p. - Text: direct .; Technologies of nonlinear transmissive hydroacoustics and neuro-fuzzy operations in the problems of recognition of marine objects: monograph / V.A. Pyatakovich, A. M. Vasilenko, M. V. Mironenko - Vladivostok: Far East Federal University, 2016. - 190 pp. - ISBN 978-5-7444-3790-9 - Text: direct.; Recognition and classification of sources of formation of fields of various physical nature in the marine environment: monograph / V. A. Pyatakovich, A. M. Vasilenko, O. V. Khotinsky - Vladivostok: G. I. Nevelskoy Marine State University, 2017. - 255 pp. - ISBN 978-5-8343-1066-2. - Text: direct.; Parametric optimization designation of a neural network system for classifying marine targets according to the criterion of reliability. / V.A. Pyatakovich, V.F. Rychkov. - Text: direct // Marine intelligent technologies. - St. Petersburg: 2018. No. 4-5 (42). - S. 153-161.; A method for classifying underwater technical objects by an expert intelligent system with a receiving parametric antenna / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko, V.F. Rychkov. - Text: direct // Marine intelligent technologies. - St. Petersburg: 2018. No. 2(40). Volume 2. - S. 121-126 .; Patent No. 2593625. C2. Russian Federation, IPC G10K 11/00 (2006.01). A method of transmitting information waves from the marine environment to the atmosphere and vice versa. Application No. 2015115231/28 : Appl. 04/22/2015 : publ. (registered) 10.08.2016 Bull. No. 22 / Mironenko M.V., Vasilenko A.M., Pyatakovich V.A.; - 17 s. : ill. - Text : direct.; Calculation of the spatial structure of a multibeam parametric antenna using software modules of the integrated marine monitoring system. / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko. - Text: direct // Results of modern scientific research and development: Sat. articles based on the materials of the III International Scientific and Practical Conference - Penza: ICNS "Science and Education", 2017. - P. 50-62 .; Processing of hydroacoustic signals in paths with a parametric receiving antenna for solving problems of classification of sources of formation of fields by a neural network expert system. / V.A. Pyatakovich, O.V. Khotinsky. - Text: direct // Prospects for the development of modern science: Sat. articles based on the materials of the International Scientific and Practical Conference - Volgograd: TsPM, 2017. - P. 32-42.).

Известны способы приема упругой волны в морской среде, повышающие величину параметра нелинейности среды в зоне приема сигналов. Для чего в зону параметрического приема сигналов, кроме упругой волны, вводят дополнительный электромагнитный сигнал, подвергнутый частотно-временной модуляции, или модулированный гидродинамический поток жидкости. Модуляцию гидродинамического потока жидкости осуществляют путем изменения плотности за счет управляемого насыщения газом, или изменения температуры, или изменения ее химического состава. (Патент № 2158029. C2. Российская Федерация, МПК G10K 11/00(2006.01), G10K 15/02(2006.01). Способ приема упругой волны в морской среде (варианты). Заявка № 98122520/28 : заявл. : 15. 12.1998. : опубл. 20.10.2000. / Короченцев В.И., Мироненко М.В., Звонарев [и др.]. ; - 11 с. : ил. - Текст : непосредственный.; Патент № 2167454. C2. Российская Федерация, МПК G10K 11/00(2006.01), G10K 15/02(2006.01). Способ передачи упругой волны в морской воде (варианты). Заявка № 98122980/28,: заявл. : 15. 12.1998. : опубл. 20.05.2001. / Короченцев В.И., Мироненко М.В., Звонарев М.И. [и др.]; - 11 с. : ил. - Текст : непосредственный.; Патент № 2602763 C2. Российская Федерация, МПК G01H 3/00 (2006.01) G10K 11/00 (2006.01). Способ параметрического приема волн различной физической природы в морской среде. Заявка № 2014152012/28 : заявл. 22.12.2014 : опубл. 20.11.2016. Бюл. № 32 / Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э. [и др.]; -32 с. : ил. - Текст : непосредственный.; Патент № 2694848 C1. Российская Федерация, МПК G10K 11/18 (2006.01) G01S 13/86 (2006.01) G01S 3/00 (2006.01) G01H 3/00 (2006.01). Способ формирования масштабируемой системы обнаружения и классификации морских целей с элементами искусственного интеллекта. Заявка № 2018143169: заявл. 05.12.2018: опубл. (зарег.) 17.07.2019. Бюл. № 20 / Пятакович В.А., Василенко А.М., Мироненко М.В.; - 23 с. : ил. - Текст : непосредственный.).Known methods of receiving an elastic wave in the marine environment, increasing the value of the parameter of the nonlinearity of the environment in the zone of signal reception. Why, in addition to the elastic wave, an additional electromagnetic signal is introduced into the zone of parametric signal reception, subjected to frequency-time modulation, or a modulated hydrodynamic fluid flow. The modulation of the hydrodynamic flow of the liquid is carried out by changing the density due to controlled gas saturation, or changing the temperature, or changing its chemical composition. (Patent No. 2158029. C2. Russian Federation, IPC G10K 11/00(2006.01), G10K 15/02(2006.01). Method for receiving an elastic wave in the marine environment (variants). Application No. 98122520/28 : Appl. : 15. 12.1998 .: publ. 20.10.2000. / Korochentsev V.I., Mironenko M.V., Zvonarev [et al.] - 11 pp.: ill. - Text: direct.; Patent No. 2167454. C2. Russian Federation , IPC G10K 11/00 (2006.01), G10K 15/02 (2006.01) Method for transmitting an elastic wave in sea water (variants) Application No. 98122980/28,: Appl.: 15. 12.1998. : Published on 20.05.2001. / Korochentsev V.I., Mironenko M.V., Zvonarev M.I. [et al.] - 11 pp.: illustration - Text: direct.; Patent No. 2602763 C2. Russian Federation, IPC G01H 3/00 (2006.01) G10K 11/00 (2006.01) Method for parametric reception of waves of different physical nature in the marine environment Application No. 2014152012/28 : Application 22.12.2014 : Published 20.11.2016 Bulletin No. 32 / Mironenko M.V. , Malashenko A.E., Karachun L.E. [et al.] -32 pp.: illustration - Text: direct.; Patent No. 2694848 C1. Russian Federation, IPC G10K 11/18 (2006.01) G01S 13/86 (2006.01) G01S 3/00 (2006.01) G01H 3/00 (2006.01). A method for forming a scalable system for detecting and classifying marine targets with elements of artificial intelligence. Application No. 2018143169: Appl. 12/05/2018: publ. (reg.) 07/17/2019. Bull. No. 20 / Pyatakovich V.A., Vasilenko A.M., Mironenko M.V.; - 23 s. : ill. - Text : direct.).

Недостатками способов являются низкая чувствительность и, как следствие, ограниченная дальность (единицы километров) параметрического приема информационных волн различной физической природы в инфразвуковом и дробном (единицы-доли герц) диапазонах частот.The disadvantages of the methods are low sensitivity and, as a result, limited range (a few kilometers) of parametric reception of information waves of various physical nature in the infrasonic and fractional (units-fractions of hertz) frequency ranges.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ обнаружения и нейросетевого распознавания признаков полей различной физической природы, генерируемых морскими целями» (Патент № 2682088. C1. Российская Федерация, МПК G01S 15/02 (2006.01). Заявка № 2018120829 : заявл. 05.06.2018 : опубл. 14.03.2019. Бюл. № 8. / Василенко А.М. - 16 с. : ил. - Текст : непосредственный), заключающийся в том, что сначала формируют в морской среде зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с сигналами объекта, для чего излучатель и приемную антенну размещают на противоположных границах контролируемого участка морской среды, затем волны накачки, промодулированные сигналами объекта, принимают и усиливают в полосе параметрического преобразования, переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, проводят узкополосный спектральный анализ, выделяют параметрические составляющие суммарной или разностной частоты, по которым с учетом временного и параметрического преобразования волн восстанавливают характеристики сигналов объекта, которые подают в тракт нейросетевого распознавания и классификации, состоящий из блока распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам, реализующего вычислительные операции искусственной нейронной сети и охваченного обратной связью с блоком обучения, в память которого записаны данные математически обработанных образов спектрограмм морских целей (МЦ), причем на первый вход блока распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам поступают данные с выхода спектроанализатора, охваченного обратной связью с регистратором, тракта приема, обработки и регистрации сигналов, а на второй его вход поступают данные с блока обучения тракта нейросетевого распознавания и классификации. The closest in technical essence to the claimed invention is the "Method for detecting and neural network recognition of signs of fields of various physical nature generated by marine targets" (Patent No. 2682088. C1. Russian Federation, IPC G01S 15/02 (2006.01). Application No. 2018120829: Appl. 06/05/2018 : published 03/14/2019 Bulletin No. 8. / Vasilenko A.M. - 16 pp. : ill. - Text : direct), which consists in the fact that first a zone of nonlinear interaction and parametric transformation is formed in the marine environment pump waves with object signals, for which the emitter and receiving antenna are placed on opposite boundaries of the controlled area of the marine environment, then pump waves modulated by object signals are received and amplified in the parametric conversion band, their time-frequency scale is transferred to the high-frequency region, and a narrow-band spectral analysis, allocate the parametric components of the sum or difference frequency, according to which, taking into account ohm of temporal and parametric wave conversion restore the characteristics of the signals of the object, which are fed into the neural network recognition and classification path, consisting of a target class recognition unit by amplitude-frequency characteristics, which implements the computational operations of an artificial neural network and is covered by feedback with a learning unit, in whose memory data of mathematically processed images of spectrograms of sea targets (MC), and the first input of the target class recognition unit by amplitude-frequency characteristics receives data from the output of the spectrum analyzer, covered by feedback with the recorder, the path for receiving, processing and recording signals, and its second input receives data from the training block of the path of neural network recognition and classification.

Анализ низкочастотной, средне частотной и высокочастотной составляющих амплитудно-частотной характеристики производят раздельно, с помощью блока обучения распознающую сеть настраивают по классификационным признакам полей, генерируемых морскими целями, и корректируют ее весовые коэффициенты, по результатам вычислительных операций распознающая сеть формирует вывод о степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации (надводный или подводный объект).The analysis of the low-frequency, mid-frequency and high-frequency components of the amplitude-frequency characteristic is carried out separately, with the help of a learning unit, the recognition network is adjusted according to the classification features of the fields generated by sea targets, and its weight coefficients are corrected, based on the results of computational operations, the recognition network forms a conclusion about the degree of belonging to the area under study spectrum to the classification object (surface or underwater object).

Известно, что результатом параметрического преобразования взаимодействующих волн является их взаимная амплитудно-фазовая модуляция. Малое отличие частот (в пределах одного порядка) просветных волн и волн, генерируемых объектом, обеспечивает наиболее интенсивное их взаимодействие. Амплитуда взаимодействующих волн и индекс фазовой модуляции могут быть представлены в следующем видеIt is known that the result of parametric transformation of interacting waves is their mutual amplitude-phase modulation. A small frequency difference (within the same order) of transmissive waves and waves generated by the object ensures their most intense interaction. The amplitude of the interacting waves and the phase modulation index can be represented in the following form

Figure 00000001
;
Figure 00000002
.
Figure 00000001
;
Figure 00000002
.

где γ - коэффициент нелинейности морской среды;

Figure 00000003
,
Figure 00000004
- частота волны накачки и полезного сигнала, соответственно;
Figure 00000005
,
Figure 00000006
- затухание волны накачки и полезного сигнала, соответственно;
Figure 00000007
- объем среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн;
Figure 00000008
- расстояние от точки излучения до точки расположения объекта;
Figure 00000009
- плотность,
Figure 00000010
- скорость звука в морской среде. where γ is the coefficient of nonlinearity of the marine environment;
Figure 00000003
,
Figure 00000004
are the frequency of the pump wave and the useful signal, respectively;
Figure 00000005
,
Figure 00000006
are the attenuation of the pump wave and the useful signal, respectively;
Figure 00000007
- the volume of the medium of nonlinear interaction and parametric transformation of waves;
Figure 00000008
- distance from the point of radiation to the point of location of the object;
Figure 00000009
- density,
Figure 00000010
is the speed of sound in the marine environment.

Сформированные в результате преобразования просветных волн параметрические составляющие суммарной и разностной частоты при обработке широкополосных сигналов выделяются, как признаки амплитудно-фазовой модуляции, что обосновано математическими зависимостями и подтверждено результатами морских экспериментов (см. Нелинейная просветная гидроакустика и средства морского приборостроения в создании Дальневосточной радиогидроакустической системы освещения атмосферы, океана и земной коры, мониторинга их полей различной физической природы. : монография / [М.В. Мироненко и др.] ; Российская академия наук, Дальневосточное отделение, Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований. - Владивосток : Изд-во Дальневосточного ун-та, 2014. - 402 с. : ил.; ISBN 978-5-906739-22-3 - Текст : непосредственный.; Низкочастотный просветный метод дальней гидролокации гидрофизических полей морской среды: монография. / Мироненко М.В., Малашенко А.Е., Карачун Л.Э. [и др.]. - Владивосток : СКБ САМИ ДВО РАН, 2006. - 173 с. - Текст : непосредственный.; Технологии нелинейной просветной гидроакустики и нейронечетких операций в задачах распознавания морских объектов : монография / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, М.В. Мироненко. - Владивосток : Дальневост. федерал. ун-т, 2016. - 190 с. - ISBN 978-5-7444-3790-9. - Текст : непосредственный.; Результаты экспериментальных исследований способа определения профиля морского объекта и реализующей его системы / М.В. Мироненко, В.А. Пятакович, А.М. Василенко. - Текст : непосредственный // Мониторинг. Наука и технологии : 2017. № 2(31). - С. 64-69.; Оптимальные и адаптивные методы классификации гидроакустических сигналов для морских интеллектуальных систем / В.А. Пятакович, А.Б. Суров, В.Ф. Рычкова. - Текст : непосредственный // Морские интеллектуальные технологии. - Санкт-Петербург : 2020. № 1-2 (47). - С. 186-194.; Расчет эффективности классификации целей интеллектуальной системой ВМФ, использующей комплекс вычислительных операций нейронных сетей. / В.А. Пятакович, В.Ф. Рычкова, Н.В. Пятакович. - Текст : непосредственный // Морские интеллектуальные технологии. - Санкт-Петербург : 2020. № 1 (47) Том 2. - С. 175-185.; Автоматизация обработки информации в интеллектуальной системе морского мониторинга / В.А. Пятакович, А.В. Николаев, Е.А. Костиков. - Текст : непосредственный // Проблемы машиностроения и автоматизации. - Москва : 2020. № 4. - С. 72-79.; Результаты наблюдения возмущений морской среды, порождаемых синоптическими процессами, низкочастотным просветным методом. / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, [и др.]. - Текст : непосредственный // Материалы Международных научных чтений «Приморские зори - 2015». - Владивосток : Дальневост. федерал. ун-т, 2015. - С. 89-92.).The parametric components of the sum and difference frequencies formed as a result of the conversion of transmission waves during processing of broadband signals are distinguished as signs of amplitude-phase modulation, which is justified by mathematical dependencies and confirmed by the results of marine experiments (see Nonlinear transmission hydroacoustics and marine instrumentation in the creation of the Far Eastern radio hydroacoustic lighting system of the atmosphere, the ocean and the earth's crust, monitoring their fields of various physical nature. : monograph / [M.V. Mironenko et al.] ; Russian Academy of Sciences, Far Eastern Branch, Special Design Bureau for Automation of Marine Research. - Vladivostok: Publishing House of the Far East un-ta, 2014. - 402 pp.: ill.; ISBN 978-5-906739-22-3 - Text: direct.; Low-frequency transmission method of long-range sonar of hydrophysical fields of the marine environment: monograph. / Mironenko M.V., Malashenko A.E., Karachun L.E. [and others] - Vladivostok: SKB SAMI FEB RAN, 2006. - 173 p. - Text : direct.; Technologies of non-linear transmission hydroacoustics and neuro-fuzzy operations in problems of recognition of marine objects: monograph / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko, M.V. Mironenko. - Vladivostok: Dalnevost. federal. un-t, 2016. - 190 p. - ISBN 978-5-7444-3790-9. - Text : direct.; Results of experimental studies of the method for determining the profile of a marine object and the system that implements it / M.V. Mironenko, V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko. - Text : direct // Monitoring. Science and technology: 2017. No. 2(31). - S. 64-69.; Optimal and adaptive methods for classifying hydroacoustic signals for marine intelligent systems / V.A. Pyatakovich, A.B. Surov, V.F. Rychkov. - Text: direct // Marine intelligent technologies. - St. Petersburg: 2020. No. 1-2 (47). - S. 186-194.; Calculation of the efficiency of target classification by the intellectual system of the Navy, using a set of computational operations of neural networks. / V.A. Pyatakovich, V.F. Rychkova, N.V. Pyatakovich. - Text: direct // Marine intelligent technologies. - St. Petersburg: 2020. No. 1 (47) Volume 2. - S. 175-185 .; Automation of information processing in the intelligent system of marine monitoring / V.A. Pyatakovich, A.V. Nikolaev, E.A. Kostikov. - Text: direct // Problems of mechanical engineering and automation. - Moscow: 2020. No. 4. - S. 72-79 .; Observation results of disturbances in the marine environment generated by synoptic processes by the low-frequency transmission method. / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko, [i dr.]. - Text: direct // Materials of the International Scientific Readings "Primorskie Dawns - 2015". - Vladivostok: Dalnevost. federal. un-t, 2015. - S. 89-92.).

Спектр взаимодействующих волн состоит из бесконечного числа боковых составляющих, частоту и амплитуду которых можно найти из известного выражения:The spectrum of interacting waves consists of an infinite number of side components, the frequency and amplitude of which can be found from the well-known expression:

Figure 00000011
Figure 00000011

Figure 00000012
Figure 00000012

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000014
, - результирующее и мгновенное значения давления модулированной волны, соответственно;
Figure 00000015
- удвоенная частота модулированной волны;
Figure 00000016
- волна, генерируемая объектом;
Figure 00000017
- время;
Figure 00000018
- функции Бесселя n-го порядка;
Figure 00000019
- амплитуда модулированной волны;
Figure 00000020
- коэффициент модуляции. Как видно из выражения, значения частот боковых составляющих отличаются от удвоенной центральной частоты 2ω (равной сумме частот взаимодействующих волн) на величину ± n⋅Ω, где n - любое целое число. Амплитуды боковых составляющих для соответствующих частот (2ω ± n Ω) определяются величиной множителя
Figure 00000021
.where
Figure 00000014
, - resulting and instantaneous pressure values of the modulated wave, respectively;
Figure 00000015
- doubled frequency of the modulated wave;
Figure 00000016
- wave generated by the object;
Figure 00000017
- time;
Figure 00000018
- Bessel functions of the nth order;
Figure 00000019
- amplitude of the modulated wave;
Figure 00000020
- modulation factor. As can be seen from the expression, the values of the frequencies of the side components differ from the doubled central frequency 2ω (equal to the sum of the frequencies of the interacting waves) by ± n⋅Ω, where n is any integer. The amplitudes of the side components for the corresponding frequencies (2ω ± n Ω) are determined by the value of the multiplier
Figure 00000021
.

При малых значениях коэффициента модуляции

Figure 00000022
спектр взаимодействующих волн приближенно состоит из удвоенной центральной частоты 2ω и ее боковых частот 2ω+Ω и 2ω-Ω.For small values of the modulation coefficient
Figure 00000022
the spectrum of interacting waves approximately consists of the doubled central frequency 2ω and its side frequencies 2ω+Ω and 2ω-Ω.

Недостатком способа-прототипа является отсутствие операций, которые самостоятельно производят автоподстройку своей базы правил, исходя из выборки образцов математических моделей морских целей, осуществляя синтез нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков и коррекцию данных обновляемой библиотеки математически обработанных образов спектрограмм МЦ для регулирования параметров и оптимизации вычислительных процессов, выполняемых в тракте нейросетевого распознавания и классификации, обеспечивающем конечное классификационное решение по обнаруженным морским целям (надводный или подводный объект), что ограничивает функциональные возможности системы-прототипа.The disadvantage of the prototype method is the lack of operations that independently perform auto-tuning of their rule base, based on a sample of mathematical models of marine targets, synthesizing neural network and neuro-fuzzy recognition models with feature grouping and correcting the data of the updated library of mathematically processed images of MC spectrograms for parameter control and optimization computational processes performed in the path of neural network recognition and classification, which provides the final classification solution for detected marine targets (surface or underwater object), which limits the functionality of the prototype system.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей способа-прототипа, т.е. его реализации как способа обнаружения и классификации морских целей на базе нейросетевых технологий и элементов искусственного интеллекта, позволяющего на основе обучающих выборок данных создавать структуру нейронных и нейронечетких сетей, а также настраивать их параметры без оптимизационной подгонки весов, синтезировать нейронные и нейронечеткие модели в неитеративном режиме с линеаризацией, факторной группировкой и сверткой признаков, осуществляемой при помощи тракта синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков, необходимых для реализации конечного процесса классификации в тракте нейросетевого распознавания и классификации. Конечное классификационное решение по обнаруженным морским целям (надводный или подводный объект) принимается обученной нейронной сетью по степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации.The task to be solved by the claimed invention is to expand the functionality of the prototype method, i.e. its implementation as a method for detecting and classifying marine targets based on neural network technologies and elements of artificial intelligence, which allows, based on training data samples, to create the structure of neural and neuro-fuzzy networks, as well as adjust their parameters without optimizing weights, synthesize neural and neuro-fuzzy models in a non-iterative mode with linearization, factor grouping and convolution of features, carried out using the synthesis path of neural network and neuro-fuzzy recognizing models with the grouping of features necessary to implement the final classification process in the path of neural network recognition and classification. The final classification decision on the detected sea targets (surface or underwater object) is made by the trained neural network according to the degree of belonging of the investigated spectrum region to the object of classification.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является автоматизация процесса распознавания классов морских целей (надводный или подводный объект), обнаруженных по признакам амплитудно-фазовой модуляции низкочастотных сигналов накачки морской среды излучениями и полями объектов, с использованием методов, позволяющих на основе обучающих выборок данных создавать структуру нейронных и нейронечетких сетей, а также настраивать их параметры без оптимизационной подгонки весов, синтезировать нейронные и нейронечеткие модели в неитеративном режиме с линеаризацией, факторной группировкой и сверткой признаков, осуществляемой при помощи тракта синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков, необходимых для реализации конечного процесса классификации в тракте нейросетевого распознавания и классификации, что обеспечивает повышение вероятности достоверной классификации морской цели на 5-7 % большую, чем при использовании прототипа.The technical result of the invention is the automation of the process of recognizing classes of marine targets (surface or underwater object) detected by the signs of amplitude-phase modulation of low-frequency pumping signals of the marine environment by radiation and fields of objects, using methods that allow, based on training data samples, to create a structure of neural and neuro-fuzzy networks, as well as adjust their parameters without optimizing weights, synthesize neural and neuro-fuzzy models in a non-iterative mode with linearization, factorial grouping and feature convolution, carried out using the synthesis path of neural network and neuro-fuzzy recognizing models with grouping of features necessary to implement the final classification process in path of neural network recognition and classification, which provides an increase in the probability of reliable classification of a marine target by 5-7% greater than when using the prototype.

Указанный технический результат достигается путем выполнения операций распознавания трактом нейросетевого распознавания и классификации морской цели, использующим модифицированную комбинированную распознающую сеть, состоящую из сетей Кохонена, Гросберга и сети MAXNET, параметры настройки которых регулирует тракт синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков в виде шестислойной нейронечеткой сети Ванга-Менделя, формирующий нечеткий логический вывод на основе синтеза нейронных и нейронечетких моделей в неитеративном режиме с линеаризацией, факторной группировкой и сверткой признаков морской цели для работы логического устройства, что позволяет в автоматизированном режиме распознавать класс цели по амплитудно-частотным характеристикам и делать вывод о степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации (надводный или подводный объект).The specified technical result is achieved by performing recognition operations by a path of neural network recognition and classification of a marine target using a modified combined recognition network consisting of Kohonen, Grosberg networks and a MAXNET network, the settings of which are regulated by the synthesis path of neural network and neuro-fuzzy recognition models with a grouping of features in the form of a six-layer neuro-fuzzy Wang-Mendel network, which generates a fuzzy logical inference based on the synthesis of neural and neuro-fuzzy models in a non-iterative mode with linearization, factorial grouping and convolution of marine target features for the operation of a logical device, which allows you to automatically recognize the target class by amplitude-frequency characteristics and draw a conclusion on the degree of belonging of the studied region of the spectrum to the object of classification (surface or underwater object).

Для решения поставленной задачи разработан способ обнаружения и классификации морских целей на базе нейросетевых технологий и элементов искусственного интеллекта, заключающийся в том, что сначала формируют в морской среде зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с сигналами объекта, для чего излучатель и приемную антенну размещают на противоположных границах контролируемого участка морской среды, затем волны накачки, промодулированные сигналами объекта, принимают и усиливают в полосе параметрического преобразования, переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, проводят узкополосный спектральный анализ, выделяют параметрические составляющие суммарной или разностной частоты, по которым с учетом временного и параметрического преобразования волн восстанавливают характеристики сигналов объекта, которые подают в тракт нейросетевого распознавания и классификации, состоящий из блока распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам, реализующего вычислительные операции искусственной нейронной сети и охваченного обратной связью с блоком обучения, в память которого записаны данные математически обработанных образов спектрограмм морских целей, причем на первый вход блока распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам поступают данные с выхода спектроанализатора, охваченного обратной связью с регистратором тракта приема, обработки и регистрации сигналов, а на второй его вход поступают данные с блока обучения тракта нейросетевого распознавания и классификации. To solve this problem, a method has been developed for detecting and classifying marine targets based on neural network technologies and elements of artificial intelligence, which consists in first forming in the marine environment a zone of nonlinear interaction and parametric conversion of pump waves with object signals, for which the emitter and receiving antenna are placed on opposite boundaries of the controlled area of the marine environment, then the pump waves, modulated by the object's signals, are received and amplified in the parametric conversion band, their frequency-time scale is transferred to the high-frequency region, a narrow-band spectral analysis is performed, the parametric components of the sum or difference frequency are isolated, which, taking into account temporal and parametric wave conversion restore the characteristics of object signals that are fed into the neural network recognition and classification path, consisting of a target class recognition unit by amplitude-frequency characteristics characteristics, which implements the computational operations of an artificial neural network and is covered by feedback with a learning unit, in whose memory data of mathematically processed images of spectrograms of sea targets are recorded, and the first input of the target class recognition unit by amplitude-frequency characteristics receives data from the output of the spectrum analyzer covered by feedback with a registrar of the path for receiving, processing and recording signals, and its second input receives data from the learning unit of the path of neural network recognition and classification.

Принципиальным отличим от прототипа является то, что данные подают в дополнительно введенный тракт синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков на вход, блока анализа информации о признаках и топологии обучающей выборки и далее подают на вход блока синтеза нейронной сети, охваченного обратной связью с блоком синтеза нейронечетких сетей, выход которого соединен с входом логического устройства, функцию которого выполняет шестислойная нейронечеткая сеть Ванга-Менделя, где производится синтез нейронных и нейронечетких моделей в неитеративном режиме с линеаризацией, факторной группировкой и сверткой признаков морской цели и формируется нечеткий логический вывод для блока обучения тракта нейросетевого распознавания и классификации, после чего искусственную нейронную сеть настраивают и формируют вывод о степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации (надводный или подводный объект).The fundamental difference from the prototype is that the data is fed into the additionally introduced path for the synthesis of neural network and neuro-fuzzy recognition models with a grouping of features at the input, the block for analyzing information about the features and the topology of the training sample, and then fed to the input of the neural network synthesis block, covered by feedback from the block synthesis of neuro-fuzzy networks, the output of which is connected to the input of a logic device, the function of which is performed by a six-layer neuro-fuzzy Wang-Mendel network, where neural and neuro-fuzzy models are synthesized in a non-iterative mode with linearization, factorial grouping and convolution of sea target features and a fuzzy logical conclusion is formed for the learning block path of neural network recognition and classification, after which the artificial neural network is set up and a conclusion is formed about the degree of belonging of the studied region of the spectrum to the object of classification (surface or underwater object).

Как известно, извлечение полезной информации из гидроакустических сигналов определяет основы алгоритмизации обработки данных в способе обнаружения и нейросетевого распознавания признаков полей различной физической природы, генерируемых морскими целями. Для формирования вектора признаков, являющегося входным информационным массивом распознающей сети, используется метод масок. Процесс формирования информационных массивов необходим для решения двух задач, первая из которых представляет собой процесс формирования эталонных образцов, необходимых для реализации процесса обучения распознающей сети, и вторая для распознавания целей (см. Распознавание и классификация источников формирования полей различной физической природы в морской среде : монография / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, О.В. Хотинский. - Владивосток : Морской гос. ун-т им. Г. И. Невельского, 2017. - 255 с. - ISBN 978-5-8343-1066-2. - Текст : непосредственный.; Нейросетевые технологии в интеллектуальных системах обнаружения и оперативной идентификации морских целей : монография / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, О.В. Хотинский. - Владивосток : Морской гос. ун-т им. Г. И. Невельского, 2018. - 263 с. - ISBN 978-5-8343-1083-9. - Текст : непосредственный.; Свидетельство о государственной регистрации базы данных № 2018621040. Российская Федерация. Алгоритмы принятия решений нейроклассификатором в нечетких условиях при распознавании морской цели. Заявка № 2018620642: заявл. 21.05.2018.: опубл. (зарег.) 10.07.2018. Бюл. № 7. / В.А. Пятакович.; заявитель: В.А. Пятакович.; Обработка гидроакустических сигналов в трактах с параметрической приемной антенной для решения задач классификации источников формирования полей нейросетевой экспертной системой / В.А. Пятакович, О.В. Хотинский. - Текст : непосредственный // Перспективы развития современной науки : сб. статей по материалам Международной научно-практической конференции - Волгоград : ЦПМ, 2017. - С. 32-42.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019611559 Российская Федерация. Программа проектирования и обучения искусственных нейронных сетей персептронного типа. Заявка № 2019610135: заявл. 10.01.2019: опубл. (зарег.) 29.01.2019. Бюл. № 2. / А.М. Василенко, В.А. Пятакович., О.А. Алексеев.; заявитель: А.М. Василенко, В.А. Пятакович.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019611455 Российская Федерация. Программный комплекс моделирования и обучения ИНС Заявка № 2019610187 : заявл. 10.01.2019.: опубл. (зарег.) 28.01.2019. Бюл. № 2 / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, Н.В. Пятакович.; заявитель: В.А. Пятакович, А.М. Василенко, Н.В. Пятакович. ).As is known, the extraction of useful information from hydroacoustic signals determines the basics of data processing algorithmization in the method of detecting and neural network recognition of signs of fields of various physical nature generated by marine targets. To form the feature vector, which is the input information array of the recognition network, the mask method is used. The process of forming information arrays is necessary to solve two problems, the first of which is the process of forming reference samples necessary for the implementation of the learning process of the recognition network, and the second for recognizing targets (see Recognition and classification of sources of formation of fields of various physical nature in the marine environment: monograph / V. A. Pyatakovich, A. M. Vasilenko, O. V. Khotinsky - Vladivostok: Marine State University named after G. I. Nevelsky, 2017. - 255 pp. - ISBN 978-5-8343- 1066-2. - Text: direct.; Neural network technologies in intelligent systems for detecting and operational identification of marine targets: monograph / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko, O.V. Khotinsky. - Vladivostok: Marine State University t named after G. I. Nevelsky, 2018. - 263 pp. - ISBN 978-5-8343-1083-9. - Text: direct.; Certificate of state registration of the database No. 2018621040. Russian Federation. Decision-making algorithms by a neuroclassifier in fuzzy conditions when recognizing a sea target. Application No. 2018620642: Appl. 05/21/2018: publ. (reg.) 10.07.2018. Bull. No. 7. / V.A. Pyatakovich; applicant: V.A. Pyatakovich; Processing of hydroacoustic signals in paths with a parametric receiving antenna for solving problems of classifying sources of field formation by a neural network expert system / V.A. Pyatakovich, O.V. Khotinsky. - Text: direct // Prospects for the development of modern science: Sat. articles based on the materials of the International Scientific and Practical Conference - Volgograd: TsPM, 2017. - P. 32-42 .; Certificate of state registration of the computer program No. 2019611559 Russian Federation. Program for designing and training artificial neural networks of perceptron type. Application No. 2019610135: Appl. 01/10/2019: publ. (reg.) 01/29/2019. Bull. No. 2. / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich., O.A. Alekseev.; applicant: A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich; Certificate of state registration of the computer program No. 2019611455 Russian Federation. Software package for modeling and training ANN Application No. 2019610187 : Appl. 01/10/2019: publ. (reg.) 01/28/2019. Bull. No. 2 / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko, N.V. Pyatakovich; applicant: V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko, N.V. Pyatakovich. ).

Идея метода состоит в том, что для каждой маски ищется максимальное амплитудное значение, которое и является ортом вектора классификационных признаков. Для автоматизации процесса поиска экстремума в зоне одной маски использовалась сеть поиска максимума MAXNET. Итерации сети завершаются после того, как выходные нейроны сети перестают меняться. Тип элементов входных сигналов - целые или действительные числа, тип элементов выходных сигналов - действительные числа. Размерности входных и выходных сигналов совпадают. Тип активационной функции - линейная с насыщением (используется линейный участок). Число синапсов в сети равно N (N - 1). The idea of the method is that for each mask, the maximum amplitude value is searched, which is the orth of the vector of classification features. To automate the process of searching for an extremum in the zone of one mask, the maximum search network MAXNET was used. The iterations of the network are terminated after the output neurons of the network stop changing. Type of elements of input signals - integers or real numbers, type of elements of output signals - real numbers. The dimensions of the input and output signals are the same. The type of activation function is linear with saturation (a linear section is used). The number of synapses in the network is N (N - 1).

Формирование синаптических весов происходит согласно формуле:The formation of synaptic weights occurs according to the formula:

Figure 00000023
Figure 00000023

где Wij - i-й синаптический вес j-го нейрона; N - число элементов входного сигнала (количество нейронов в сети). where W ij - i-th synaptic weight of the j-th neuron; N is the number of elements of the input signal (the number of neurons in the network).

Функционирование сети задается выражением:The functioning of the network is given by the expression:

Figure 00000024
Figure 00000024

где xj - элемент (орт) входного сигнала сети; yi - выход j-го нейрона.where x j - element (ort) of the input signal of the network; y i - output of the j-th neuron.

Нормализация входного вектора признаков, полученного после анализа масок сетью MAXNET, производится согласно выражения

Figure 00000025
The normalization of the input feature vector obtained after the analysis of the masks by the MAXNET network is performed according to the expression
Figure 00000025

Границы диапазона значений

Figure 00000026
известны и определяются моделью входного гидроакустического сигнала.Value Range Bounds
Figure 00000026
are known and determined by the input hydroacoustic signal model.

Обучение распознающей сети производится на основе алгоритма обратного распространения ошибки, реализующего градиентный метод оптимизации функционала вида:

Figure 00000027
где Т - вектор синаптических весов сети; (Х*,Y*) - обучающие пары;
Figure 00000028
- норма вектора (см. Нелинейная гидроакустика в системах мониторинга гидрофизических и геофизических полей морских акваторий : монография / М.В. Мироненко, А.М. Василенко, В.А. Пятакович, [и др.]. - Владивосток : ВУНЦ ВМФ «ВМА» (филиал, г. Владивосток), 2013. - 324 с. - Текст : непосредственный.; Технологии нелинейной просветной гидроакустики и нейронечетких операций в задачах распознавания морских объектов : монография / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, М.В. Мироненко. - Владивосток : Дальневост. федерал. ун-т, 2016. - 190 с. - ISBN 978-5-7444-3790-9. - Текст : непосредственный.; Распознавание и классификация источников формирования полей различной физической природы в морской среде : монография / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, О.В. Хотинский. - Владивосток : Морской гос. ун-т им. Г. И. Невельского, 2017. - 255 с. - ISBN 978-5-8343-1066-2. - Текст : непосредственный.; Нейросетевые технологии в интеллектуальных системах обнаружения и оперативной идентификации морских целей : монография / В.А. Пятакович, А.М. Василенко, О.В. Хотинский. - Владивосток : Морской гос. ун-т им. Г. И. Невельского, 2018. - 263 с. - ISBN 978-5-8343-1083-9. - Текст : непосредственный.; Алгоритм автоматической классификации морских целей на основе анализа амплитудной огибающей их гидроакустических шумов. / В.А. Пятакович, А.М. Василенко. - Текст : непосредственный // Проблемы и методы разработки и эксплуатации вооружения и военной техники ВМФ : сб. статей. - Владивосток : ТОВВМУ, 2016. - Вып. 92. - С. 167-173.; Оптимальные и адаптивные методы классификации гидроакустических сигналов для морских интеллектуальных систем. / В.А. Пятакович, А.Б. Суров, В.Ф. Рычкова. - Текст : непосредственный // Морские интеллектуальные технологии. - Санкт-Петербург : 2020. - № 1-2 (47). - С. 186-194.).The recognition network is trained on the basis of the error backpropagation algorithm, which implements the gradient method for optimizing the functional of the form:
Figure 00000027
where T is the vector of synaptic weights of the network; (Х * ,Y * ) - training pairs;
Figure 00000028
- vector norm (see Nonlinear hydroacoustics in systems for monitoring hydrophysical and geophysical fields of marine areas: monograph / M.V. Mironenko, A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich, [and others]. - Vladivostok: VUNTS VMF " VMA "(branch, Vladivostok), 2013. - 324 pp. - Text: direct .; Technologies of nonlinear transmissive hydroacoustics and neuro-fuzzy operations in the problems of recognizing marine objects: monograph / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko, M V. Mironenko, Vladivostok: Far East Federal University, 2016, 190 pp., ISBN 978-5-7444-3790-9, Text: direct, Recognition and classification of sources of formation of fields of various physical nature in marine environment: monograph / V. A. Pyatakovich, A. M. Vasilenko, O. V. Khotinsky - Vladivostok: Marine State University named after G. I. Nevelsky, 2017. - 255 pp. - ISBN 978- 5-8343-1066-2 - Text: direct .; Neural network technologies in intelligent systems for the detection and operational identification of marine targets: monograph / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko, O.V. Khotinsky. - Vladivostok: Marine State. un-t im. G. I. Nevelskoy, 2018. - 263 p. - ISBN 978-5-8343-1083-9. - Text : direct.; Algorithm for automatic classification of sea targets based on the analysis of the amplitude envelope of their hydroacoustic noise. / V.A. Pyatakovich, A.M. Vasilenko. - Text: direct // Problems and methods of development and operation of weapons and military equipment of the Navy: Sat. articles. - Vladivostok: TOVVMU, 2016. - Issue. 92. - S. 167-173.; Optimal and adaptive methods for classifying hydroacoustic signals for marine intelligent systems. / V.A. Pyatakovich, A.B. Surov, V.F. Rychkov. - Text: direct // Marine intelligent technologies. - St. Petersburg: 2020. - No. 1-2 (47). - S. 186-194.).

Для автокоррекции и регулирования алгоритма обратного распространения ошибки при обучении распознающей сети используется тракт синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков, сочетающий в себе адаптивные подходы самообучения и опыт эксперта, что при наличии неопределенных параметрических возмущений, позволяет осуществлять коррекцию значений, соответствующих новым условиям классификации морской цели.For auto-correction and regulation of the error backpropagation algorithm when training the recognition network, the synthesis path of neural network and neuro-fuzzy recognition models with feature grouping is used, which combines adaptive self-learning approaches and expert experience, which, in the presence of uncertain parametric disturbances, allows for the correction of values corresponding to new classification conditions sea target.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана функциональная схема системы обнаружения и классификации морских целей на базе нейросетевых технологий и элементов искусственного интеллекта:The invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a functional diagram of a system for detecting and classifying marine targets based on neural network technologies and artificial intelligence elements:

1. Излучающий преобразователь (подводный звуковой маяк марки ПЗМ-400 излучающий сигналы на частоте около 400 Гц).1. Radiating transducer (underwater sound beacon brand PZM-400 emitting signals at a frequency of about 400 Hz).

2. Приемный преобразователь.2. Receiving transducer.

3. Морская среда.3. Marine environment.

4. Рабочая зона нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки и информационных волн.4. Working zone of nonlinear interaction and parametric transformation of pump and information waves.

5. Объекты (морские цели, генерирующие акустические, электромагнитные и гидродинамические излучения).5. Objects (marine targets generating acoustic, electromagnetic and hydrodynamic radiation).

6. Тракт излучения сигналов накачки.6. Emission path of pump signals.

6.1. Генератор сигналов накачки стабилизированной частоты.6.1. Stabilized frequency pump signal generator.

6.2. Усилитель мощности.6.2. Amplifier.

6.3. Блок согласования.6.3. Consent block.

7. Тракт приема, обработки и регистрации информационных сигналов.7. Path for receiving, processing and recording information signals.

7.1. Широкополосный усилитель.7.1. Broadband amplifier.

7.2. Преобразователь частотно-временного масштаба.7.2. Time-Frequency Converter.

7.3. Спектроанализатор.7.3. Spectrum analyzer.

7.4. Регистратор.7.4. Registrar.

8. Тракт нейросетевого распознавания и классификации.8. Path of neural network recognition and classification.

8.1. Блок распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам.8.1. Target class recognition block by amplitude-frequency characteristics.

8.2. Блок обучения.8.2. Learning block.

9. Тракт синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков.9. Synthesis path for neural network and neuro-fuzzy recognition models with feature grouping.

9.1. Блок анализа информации о признаках и топологии обучающей выборки.9.1. Block for analyzing information about the features and topology of the training sample.

9.2. Блок синтеза нейронной сети.9.2. Neural network synthesis block.

9.3. Блок синтеза нейронечетких сетей.9.3. Synthesis block of neuro-fuzzy networks.

9.4. Логическое устройство.9.4. logical device.

Общая структура модифицированной комбинированной распознающей сети, тракта нейросетевого распознавания и классификации, состоящая из сетей Кохонена и Гросберга представлена на фиг. 2, нейросетевая интерпретация алгоритма многомерной классификации приведена на фиг. 3, структура нечеткой нейронной сети Ванга-Менделя показана на фиг. 4, структура нейронной сети прямого распространения представлена на фиг. 5, а структура шестислойной нейронечеткой сети на фиг. 6. The general structure of the modified combined recognition network, the path of neural network recognition and classification, consisting of the Kohonen and Grosberg networks is shown in Fig. 2, the neural network interpretation of the multivariate classification algorithm is shown in FIG. 3, the structure of the Wang-Mendel fuzzy neural network is shown in FIG. 4, the structure of the feed-forward neural network is shown in FIG. 5, and the structure of the six-layer neuro-fuzzy network in Fig. 6.

Метод масок, используемый для распознавания по амплитудно-частотной характеристике представлен на фиг. 7, а интерпретация трехмерного выходного вектора распознавания гидроакустических сигналов по амплитудно-частотной характеристике на фиг. 8. На фиг. 9 показана сравнительная характеристика методов классификации морской цели по времени обучения и классификации. Результаты вычислительного эксперимента по определению коэффициента распознавания (классификации) представлены на фиг. 10 и 11.The mask method used for frequency response recognition is shown in FIG. 7, and the interpretation of the three-dimensional output vector of recognition of hydroacoustic signals from the amplitude-frequency characteristic in FIG. 8. In FIG. Figure 9 shows a comparative description of the methods for classifying a marine target by training and classification time. The results of the computational experiment to determine the recognition (classification) coefficient are shown in Fig. 10 and 11.

Для синтеза логически прозрачных нейромоделей в неитеративном режиме необходимо проводить анализ информации о признаках и топологии обучающей выборки, для чего выполняется следующая последовательность шагов.To synthesize logically transparent neuromodels in a non-iterative mode, it is necessary to analyze information about the features and topology of the training sample, for which the following sequence of steps is performed.

Шаг 1. Задать обучающую выборку

Figure 00000029
. Step 1. Define the training sample
Figure 00000029
.

Задать пороговое значение

Figure 00000030
,
Figure 00000031
. Set Threshold
Figure 00000030
,
Figure 00000031
.

Рассчитать логарифмы значений признаков для всех экземпляров и расширить набор признаков

Figure 00000032
:
Figure 00000033
.Calculate logarithms of feature values for all instances and expand feature set
Figure 00000032
:
Figure 00000033
.

Шаг 2. Найти минимальные

Figure 00000034
и максимальные
Figure 00000035
значения признаков. Step 2. Find the minimum
Figure 00000034
and maximum
Figure 00000035
feature values.

Пронормировать значения признаков для

Figure 00000036
:Normalize feature values for
Figure 00000036
:

Figure 00000037
Figure 00000037

Шаг 3. Найти коэффициенты, характеризующие устойчивые связи признаков и их логарифмов,

Figure 00000038
. Например, коэффициенты парной корреляции:Step 3. Find the coefficients characterizing the stable relationships of features and their logarithms,
Figure 00000038
. For example, pair correlation coefficients:

Figure 00000039
Figure 00000039

Шаг 4. Сгруппировать признаки.Step 4. Group the features.

Шаг 4.1. Установить количество групп признаков:

Figure 00000040
.Step 4.1. Set the number of feature groups:
Figure 00000040
.

Шаг 4.2. Найти в матрице

Figure 00000041
элемент с максимальным по модулю значением:
Figure 00000042
. Определить знак
Figure 00000043
.Step 4.2. Find in matrix
Figure 00000041
the element with the maximum modulo value:
Figure 00000042
. Define sign
Figure 00000043
.

Шаг 4.3. Если

Figure 00000044
, то перейти на шаг 4.5.Step 4.3. If a
Figure 00000044
, then go to step 4.5.

Шаг 4.4. Если

Figure 00000045
, то выполнить шаги 4.4.1 - 4.4.4.Step 4.4. If a
Figure 00000045
, then follow steps 4.4.1 - 4.4.4.

Шаг 4.4.1. Установить:

Figure 00000046
.Step 4.4.1. Install:
Figure 00000046
.

Шаг 4.4.2. Для всех

Figure 00000047
: если
Figure 00000048
и
Figure 00000049
, то установить:
Figure 00000050

Figure 00000051
.Step 4.4.2. For all
Figure 00000047
: if
Figure 00000048
and
Figure 00000049
then install:
Figure 00000050

Figure 00000051
.

Шаг 4.4.3. Установить:

Figure 00000052
.Step 4.4.3. Install:
Figure 00000052
.

Шаг 4.4.4. Перейти на шаг 4.2.Step 4.4.4. Go to step 4.2.

Шаг 4.5. Если

Figure 00000053
, тогда принять:
Figure 00000054
, перейти на шаг 4.5, в противном случае - перейти на шаг 4.6. Step 4.5. If a
Figure 00000053
then accept:
Figure 00000054
, go to step 4.5, otherwise go to step 4.6.

Шаг 4.6. Установить

Figure 00000055
, для всех
Figure 00000056
, для которых значение
Figure 00000057
не было установлено. Шаг 4.7. Для
Figure 00000058
, установить:Step 4.6. Install
Figure 00000055
, for all
Figure 00000056
, for which the value
Figure 00000057
has not been established. Step 4.7. For
Figure 00000058
, install:

Figure 00000059
Figure 00000059

Шаг 4.8. Для

Figure 00000060
, установить:
Figure 00000061

Figure 00000062
.Step 4.8. For
Figure 00000060
, install:
Figure 00000061

Figure 00000062
.

Шаг 5. Найти коэффициенты

Figure 00000063
, характеризующие тесноту связи признаков и номера класса, такие, что
Figure 00000064
, и с увеличением значения
Figure 00000063
возрастает значимость признака для определения класса.Step 5. Find the coefficients
Figure 00000063
, characterizing the closeness of the relationship of features and class numbers, such that
Figure 00000064
, and with increasing value
Figure 00000063
the significance of the attribute for class definition increases.

Шаг 6. Выполнить кластер-анализ обучающей выборки: разбить ее на кластеры

Figure 00000065
, где
Figure 00000066
- количество кластеров, определить координаты центров кластеров
Figure 00000067
. Кластер-анализ можно выполнить, используя методы [2, 12]. Определить четкую принадлежность кластеров к каждому из
Figure 00000068
классов.Step 6. Perform a cluster analysis of the training sample: split it into clusters
Figure 00000065
, where
Figure 00000066
- the number of clusters, determine the coordinates of the centers of the clusters
Figure 00000067
. Cluster analysis can be performed using methods [2, 12]. Determine the clear belonging of clusters to each of
Figure 00000068
classes.

Шаг 7. Разбить ось значений каждого признака на

Figure 00000066
интервалов (термов) и определить их параметры для синтеза нейронных и нейронечетких сетей.Step 7. Split the value axis of each feature into
Figure 00000066
intervals (terms) and determine their parameters for the synthesis of neural and neuro-fuzzy networks.

Шаг 7.1. Установить номер текущего признака:

Figure 00000069
.Step 7.1. Set current feature number:
Figure 00000069
.

Шаг 7.2. Если

Figure 00000070
, тогда перейти на шаг 7.6, в противном случае - перейти на шаг 7.3.Step 7.2. If a
Figure 00000070
, then go to step 7.6, otherwise go to step 7.3.

Шаг 7.3. Установить номер текущего интервала значений текущего признака

Figure 00000071
.Step 7.3. Set the number of the current interval of values of the current attribute
Figure 00000071
.

Шаг 7.4. Если

Figure 00000072
, тогда перейти на шаг 7.5, в противном случае - установить для текущего
Figure 00000073
:Step 7.4. If a
Figure 00000072
, then go to step 7.5, otherwise, set for the current
Figure 00000073
:

Figure 00000074
Figure 00000074

Figure 00000075
Figure 00000075

Принять:

Figure 00000076
. Перейти на шаг 7.4.To accept:
Figure 00000076
. Go to step 7.4.

Шаг 7.5. Принять:

Figure 00000077
. Перейти на шаг 7.2.Step 7.5. To accept:
Figure 00000077
. Go to step 7.2.

Шаг 7.6. На основе параметров

Figure 00000078
и
Figure 00000079
определить
Figure 00000080
и
Figure 00000081
- номера класса и кластера для
Figure 00000082
-го терма,
Figure 00000083
:Step 7.6. Parameter Based
Figure 00000078
and
Figure 00000079
define
Figure 00000080
and
Figure 00000081
- class and cluster numbers for
Figure 00000082
th term,
Figure 00000083
:

Figure 00000084
Figure 00000084

Figure 00000085
Figure 00000085

Шаг 8. Задать функции принадлежности распознаваемого экземпляра к нечетким термам. Для этого предлагается использовать трапециевидные функции:Step 8. Set membership functions of the recognizable instance to fuzzy terms. To do this, it is proposed to use trapezoidal functions:

Figure 00000086
Figure 00000086

либо П-образные функции:

Figure 00000087
, где
Figure 00000088
- функция принадлежности распознаваемого экземпляра по признаку
Figure 00000089
к
Figure 00000073
-му терму
Figure 00000090
-го признака,
Figure 00000091
-
Figure 00000092
-образная функция, а
Figure 00000093
-
Figure 00000094
-образная функция:or U-shaped functions:
Figure 00000087
, where
Figure 00000088
- membership function of a recognizable instance by feature
Figure 00000089
to
Figure 00000073
term
Figure 00000090
-th sign,
Figure 00000091
-
Figure 00000092
-shaped function, and
Figure 00000093
-
Figure 00000094
-shaped function:

Figure 00000095
Figure 00000095

Figure 00000096
Figure 00000096

либо треугольные функции:or triangular functions:

Figure 00000097
Figure 00000097

либо функции Гаусса:

Figure 00000098
or Gaussian functions:
Figure 00000098

На основе результатов проведенного анализа информации о признаках по обучающей выборке синтезируется нейронная сеть прямого распространения (фиг. 5). Нейроны первого слоя сети осуществляют нормирование входных сигналов, отображая их в диапазон [0, 1], а также выполняют, где это необходимо, логарифмирование нормированного сигнала.Based on the results of the analysis of the information about the features on the training sample, a neural network of direct propagation is synthesized (Fig. 5). The neurons of the first layer of the network normalize the input signals, mapping them to the range [0, 1], and also perform, where necessary, the logarithm of the normalized signal.

Нейроны второго слоя группируют преобразованные нейронами первого слоя сигналы и находят взвешенную сумму сигналов группы с учетом оценок их индивидуального влияния на выходной признак (номер класса). Нейроны третьего слоя сети определяют расстояния от распознаваемого экземпляра до центров кластеров в пространстве сгруппированных сигналов и находят значение функции Гаусса, аргументом которой является определенное расстояние. Нейроны четвертого слоя соответствуют классам и выдают на выходе значение «1», если распознаваемый экземпляр относится к соответствующему классу, и «0» - в противном случае.The neurons of the second layer group the signals transformed by the neurons of the first layer and find the weighted sum of the signals of the group, taking into account the estimates of their individual influence on the output feature (class number). The neurons of the third layer of the network determine the distances from the recognized instance to the cluster centers in the space of grouped signals and find the value of the Gaussian function, whose argument is a certain distance. The neurons of the fourth layer correspond to classes and output the value "1" if the recognized instance belongs to the corresponding class, and "0" otherwise.

Дискриминантные функции нейронов сети будут задаваться формулами:The discriminant functions of the network neurons will be given by the formulas:

Figure 00000099
Figure 00000100
Figure 00000101
Figure 00000102
Figure 00000099
Figure 00000100
Figure 00000101
Figure 00000102

где

Figure 00000103
- дискриминантная (постсинаптическая, весовая) функция
Figure 00000090
-го нейрона
Figure 00000104
-го слоя,
Figure 00000105
- набор весовых коэффициентов
Figure 00000090
-го нейрона
Figure 00000104
-го слоя,
Figure 00000106
- весовой коэффициент
Figure 00000082
-го входа
Figure 00000090
-го нейрона
Figure 00000104
-го слоя,
Figure 00000107
- набор входов
Figure 00000090
-го нейрона
Figure 00000104
-го слоя,
Figure 00000108
- значение на
Figure 00000082
-ом входе
Figure 00000090
-го нейрона
Figure 00000104
-го слоя нейронной сети.where
Figure 00000103
- discriminant (postsynaptic, weight) function
Figure 00000090
-th neuron
Figure 00000104
th layer,
Figure 00000105
- set of weight coefficients
Figure 00000090
-th neuron
Figure 00000104
th layer,
Figure 00000106
- weight coefficient
Figure 00000082
-th entrance
Figure 00000090
-th neuron
Figure 00000104
th layer,
Figure 00000107
- a set of inputs
Figure 00000090
-th neuron
Figure 00000104
th layer,
Figure 00000108
- value on
Figure 00000082
-th input
Figure 00000090
-th neuron
Figure 00000104
th layer of the neural network.

Функции активации нейронов будут задаваться формулами:The activation functions of neurons will be given by the formulas:

Figure 00000109
Figure 00000109

Figure 00000110
Figure 00000111
Figure 00000110
Figure 00000111

где

Figure 00000112
- функция активации
Figure 00000090
-го нейрона
Figure 00000104
-го слоя нейросети.where
Figure 00000112
- activation function
Figure 00000090
-th neuron
Figure 00000104
th layer of the neural network.

Весовые коэффициенты нейронов сети рассчитываются по формуле:The weight coefficients of the network neurons are calculated by the formula:

Figure 00000113
Figure 00000113

Figure 00000114
Figure 00000114

Модификация структуры, модифицированной комбинированной распознающей сети, тракта нейросетевого распознавания и классификации, представленной на фиг. 2, состоит в добавлении к сети Кохонена и Гросберга сети MAXNET, что весьма важно для решаемой задачи.Modification of the structure of the modified combined recognition network, neural network recognition and classification path shown in FIG. 2 consists in adding the MAXNET network to the Kohonen and Grosberg network, which is very important for the problem being solved.

На каждый нейрон первого слоя через синапсы с весами

Figure 00000115
,
Figure 00000116
;
Figure 00000117
подаются все компоненты входного вектора
Figure 00000118
Число нейронов во втором (скрытом) слое определяется взаимным расположением и формой разделяемых множеств.For each neuron of the first layer through synapses with weights
Figure 00000115
,
Figure 00000116
;
Figure 00000117
all components of the input vector are fed
Figure 00000118
The number of neurons in the second (hidden) layer is determined by the mutual arrangement and shape of the shared sets.

На каждый нейрон второго слоя через синапсы с весами

Figure 00000119
Figure 00000116
;
Figure 00000117
подаются выходные сигналы первого слоя. Число нейронов третьего (выходного) слоя определяется числом рассматриваемых классов, подлежащих распознаванию.For each neuron of the second layer through synapses with weights
Figure 00000119
Figure 00000116
;
Figure 00000117
the output signals of the first layer are applied. The number of neurons in the third (output) layer is determined by the number of considered classes to be recognized.

На каждый нейрон третьего слоя через синапсы с весами

Figure 00000120
Figure 00000116
;
Figure 00000117
подаются выходные сигналы второго слоя. Значения выходных сигналов третьего слоя образуют вектор
Figure 00000121
решений. Нейроны, составляющие сеть, одинаковы и имеют функцию активации известного типа
Figure 00000122
где
Figure 00000123
,
Figure 00000124
и
Figure 00000125
- значения
Figure 00000126
-го входного сигнала, выходного сигнала и внешнего смещения
Figure 00000127
-го нейрона
Figure 00000090
-го слоя;
Figure 00000128
- число нейронов в
Figure 00000090
-м слое;
Figure 00000129
For each neuron of the third layer through synapses with weights
Figure 00000120
Figure 00000116
;
Figure 00000117
the output signals of the second layer are applied. The values of the output signals of the third layer form a vector
Figure 00000121
solutions. The neurons that make up the network are the same and have an activation function of a known type
Figure 00000122
where
Figure 00000123
,
Figure 00000124
and
Figure 00000125
- values
Figure 00000126
th input signal, output signal and external bias
Figure 00000127
-th neuron
Figure 00000090
-th layer;
Figure 00000128
- number of neurons in
Figure 00000090
-th layer;
Figure 00000129

Предварительная обработка входных векторов производится нормализацией входного вектора признаков, полученного после анализа масок сетью MAXNET или после получения статистических оценок согласно выражения

Figure 00000130
Границы диапазона значений
Figure 00000131
известны и определяются моделью входного гидроакустического сигнала.The input vectors are preprocessed by normalizing the input feature vector obtained after mask analysis by the MAXNET network or after obtaining statistical estimates according to the expression
Figure 00000130
Value Range Bounds
Figure 00000131
are known and determined by the input hydroacoustic signal model.

Предварительная обработка данных, один из самых трудозатратных шагов, необходима, чтобы последующие алгоритмы обучения смогли извлечь из выборки максимум знаний.Data preprocessing, one of the most labor-intensive steps, is necessary so that subsequent learning algorithms can extract the maximum knowledge from the sample.

Процедура архитектурной самонастройки и настройки весовых коэффициентов (синапсов) сети Кохонена включает в себя следующие этапы.The procedure for architectural self-tuning and tuning of weight coefficients (synapses) of the Kohonen network includes the following steps.

1. Вводится произвольное число нейронов L = L0 со случайным образом нормализованными векторами синапсов, равномерно распределенными на интервале [-1, 1].1. An arbitrary number of neurons L = L0 is introduced with randomly normalized synapse vectors uniformly distributed over the interval [-1, 1].

2. На слой подается один из обучающих векторов входных сигналов (очевидно, что предварительно обработанный), определяются потенциалы на выходах всех нейронов и номер L*-нейрона «победителя».2. One of the training vectors of input signals (obviously, pre-processed) is fed to the layer, the potentials at the outputs of all neurons and the number of the L*-neuron of the “winner” are determined.

3. Определяется угол β* между обучающим вектором признаков и вектором синапсов (весовых коэффициентов) нейрона “победителя”.3. The angle β* between the learning vector of features and the vector of synapses (weight coefficients) of the “winner” neuron is determined.

4. Если выполнено условие β* < β, то осуществляется настройка синапсов нейрона “победителя” путем усреднения по всем шагам обучения, на которых он оказался нейроном “победителем” и последующей нормализации.4. If the condition β* < β is met, then the synapses of the “winner” neuron are tuned by averaging over all learning steps at which it turned out to be the “winner” neuron and subsequent normalization.

Если β* > β, то в слой директивным порядком вводится L+1 нейрон, синапсом которого (весам связей) присваиваются значения компонентов соответствующего обучающего вектора.If β* > β, then L+1 neuron is introduced into the layer in a directive order, the synapse of which (connection weights) assigns the values of the components of the corresponding training vector.

5. Выбирается очередной входной вектор обучающей выборки и повторяются процедуры 2, 3, 4.5. The next input vector of the training sample is selected and procedures 2, 3, 4 are repeated.

Обучение слоя Гросберга является традиционным обучением с учителем и может производиться как одновременно с архитектурной самоорганизацией и настройкой слоя Кохонена по каждому входному вектору выборки, так и автоматно (после обучения слоя Кохонена). Во всех случаях правило обучения можно представить следующим алгоритмом:

Figure 00000132
Training of the Grosberg layer is traditional supervised learning and can be performed both simultaneously with architectural self-organization and adjustment of the Kohonen layer for each input vector of the sample, and automatically (after training the Kohonen layer). In all cases, the learning rule can be represented by the following algorithm:
Figure 00000132

где

Figure 00000133
-
Figure 00000134
-й компонент желаемого выходного вектора классификатора;
Figure 00000135
- выходной сигнал j-го нейрона слоя Кохонена, при обучении S-му входному вектору признаков. where
Figure 00000133
-
Figure 00000134
-th component of the desired classifier output vector;
Figure 00000135
- the output signal of the j-th neuron of the Kohonen layer, when learning the S-th input feature vector.

Функционирование распознающей сети. Functioning of the recognition network.

Предварительно обработанный вектор входных признаков наблюдаемого объекта {xi} подается на вход сети и распределяется через весовые коэффициенты связей (синапсы)

Figure 00000136
на нейроны слоя Кохонена. Входные потенциалы нейронов
Figure 00000137
После этого слой Кохонена начинает функционировать как конкурирующая сеть с латеральными связями. The pre-processed vector of input features of the observed object {x i } is fed to the input of the network and distributed through the weight coefficients of connections (synapses)
Figure 00000136
on the neurons of the Kohonen layer. Input potentials of neurons
Figure 00000137
After that, the Kohonen layer begins to function as a competing network with lateral connections.

В результате на выходе слоя формируется вектор с одним единичным компонентом, соответствующим нейрону «победителю» и с нулевыми остальными коэффициентами. Через синапсы

Figure 00000138
вектор входа поступает на нейроны выходного слоя Гросберга, которые функционируют согласно следующего алгоритма:
Figure 00000139
где 10 ( … ) - функция единичного скачка.As a result, a vector is formed at the output of the layer with one unit component corresponding to the “winner” neuron and with zero other coefficients. Through synapses
Figure 00000138
the input vector goes to the neurons of the Grosberg output layer, which function according to the following algorithm:
Figure 00000139
where 10 ( … ) is the unit jump function.

На фиг. 3 представлена нейросетевая интерпретация алгоритма многомерной классификации.In FIG. Figure 3 shows a neural network interpretation of the multidimensional classification algorithm.

На фиг. 4 приведена структура нечеткой нейронной сети Ванга-Менделя с несколькими выходами, формирующая нечеткий логический вывод. Нечеткий логический вывод формируется в несколько шагов: введение нечеткости: на этом этапе функции принадлежности применяются к фактическим значениям входных переменных; логический вывод: вычисляется значение истинности для предпосылок каждого правила и применяется к заключениям каждого правила. Это приводит к одному нечеткому подмножеству, которое будет назначено каждой переменной вывода для каждого правила; композиция: нечеткие подмножества, назначенные каждой переменной вывода, объединяют в одно множество для всех переменных вывода; приведение к четкости: используется в случаях, когда необходимо преобразовать нечеткий набор выводов в четкое число.In FIG. Figure 4 shows the structure of a Wang-Mendel fuzzy neural network with several outputs, which forms a fuzzy logical conclusion. Fuzzy logical inference is formed in several steps: introduction of fuzziness: at this stage, membership functions are applied to the actual values of input variables; logical inference: a truth value is computed for the premises of each rule and applied to the conclusions of each rule. This results in one fuzzy subset to be assigned to each output variable for each rule; composition: fuzzy subsets assigned to each output variable are combined into one set for all output variables; hardening: used in cases where it is necessary to convert a fuzzy set of inferences to a hard number.

В первом слое сети выполняется фаззификация входного вектора

Figure 00000032
. Второй слой выполняет агрегирование значений активации условия, используя одну из алгебр:In the first layer of the network, fuzzification of the input vector is performed
Figure 00000032
. The second layer performs aggregation of condition activation values using one of the algebras:

1)

Figure 00000140
- конъюнкция Геделяone)
Figure 00000140
- Gödel conjunction

2)

Figure 00000141
- конъюнкция Гогена2)
Figure 00000141
- Gauguin conjunction

3)

Figure 00000142
- конъюнкция Лукасевича (трехзначная логика Я. Лукасевича)3)
Figure 00000142
- conjunction of Lukasiewicz (three-valued logic of J. Lukasiewicz)

В третьем слое заложена нечеткая импликация:The third layer contains a fuzzy implication:

1)

Figure 00000143
- нечеткая импликация Геделяone)
Figure 00000143
- fuzzy Gödel implication

2)

Figure 00000144
- нечеткая импликация Гогена2)
Figure 00000144
- Gauguin's fuzzy implication

3)

Figure 00000145
- нечеткая импликация Лукасевича3)
Figure 00000145
- Lukasiewicz's fuzzy implication

В четвертом слое осуществляется агрегирование

Figure 00000146
правил вывода и генерация нормализующего сигнала. Используемые операции:In the fourth layer, aggregation is carried out
Figure 00000146
inference rules and generation of a normalizing signal. Operations used:

1)

Figure 00000147
- дизъюнкция Геделяone)
Figure 00000147
- Gödel disjunction

2)

Figure 00000148
- дизъюнкция Гогена2)
Figure 00000148
- Gauguin disjunction

3)

Figure 00000149
- дизъюнкция Лукасевича3)
Figure 00000149
- Lukasiewicz disjunction

Пятый слой состоит из двух выходных нейронов, третий нейрон служит для нормализации, формируя выходные сигналы

Figure 00000150
и
Figure 00000151
. The fifth layer consists of two output neurons, the third neuron is used for normalization, generating output signals
Figure 00000150
and
Figure 00000151
.

Выходной сигнал в общем виде определяется выражением, соответствующим следующей зависимости:The output signal in general terms is determined by the expression corresponding to the following relationship:

Figure 00000152
.
Figure 00000152
.

где

Figure 00000153
- количество выходов.where
Figure 00000153
- the number of exits.

Вместо операций суммы (∑), произведения (Π) и ипликации (→) предполагается подставлять соответствующие операции из выбранной нечеткой алгебры.Instead of the operations of sum (∑), product (Π), and ipplication (→), it is supposed to substitute the corresponding operations from the chosen fuzzy algebra.

На фиг. 5 приведена структура нейронной сети прямого распространения. Нейроны первого слоя сети осуществляют нормирование входных сигналов, отображая их в диапазон [0, 1], а также выполняют, где это необходимо, логарифмирование нормированного сигнала. In FIG. Figure 5 shows the structure of a feed-forward neural network. The neurons of the first layer of the network normalize the input signals, mapping them to the range [0, 1], and also perform, where necessary, the logarithm of the normalized signal.

Нейроны второго слоя группируют преобразованные нейронами первого слоя сигналы и находят взвешенную сумму сигналов группы с учетом оценок их индивидуального влияния на выходной признак (номер класса).The neurons of the second layer group the signals transformed by the neurons of the first layer and find the weighted sum of the signals of the group, taking into account the estimates of their individual influence on the output feature (class number).

Нейроны третьего слоя сети определяют расстояния от распознаваемого экземпляра до центров кластеров в пространстве сгруппированных сигналов и находят значение функции Гаусса, аргументом которой является определенное расстояние. Нейроны четвертого слоя соответствуют классам и выдают на выходе значение «1», если распознаваемый экземпляр относится к соответствующему классу, и «0» - в противном случае.The neurons of the third layer of the network determine the distances from the recognized instance to the cluster centers in the space of grouped signals and find the value of the Gaussian function, whose argument is a certain distance. The neurons of the fourth layer correspond to classes and output the value "1" if the recognized instance belongs to the corresponding class, and "0" otherwise.

На фиг. 6 приведена структура шестислойной нейронечеткой сети. Дискриминантные функции нейронов шестислойной нейронечеткой сети будут задаваться формулами:In FIG. 6 shows the structure of a six-layer neuro-fuzzy network. The discriminant functions of neurons of a six-layer neuro-fuzzy network will be given by the formulas:

Figure 00000154
Figure 00000154

Figure 00000155
Figure 00000155

Figure 00000156
Figure 00000156

где

Figure 00000157
- количество нейронов в
Figure 00000104
-ом слое сети.where
Figure 00000157
- the number of neurons in
Figure 00000104
th layer of the network.

Функции активации нейронов шестислойной нейронечеткой сети будут задаваться формулами:The activation functions of neurons of a six-layer neuro-fuzzy network will be given by the formulas:

Figure 00000158
Figure 00000158

Figure 00000159
Figure 00000159

Figure 00000160
Figure 00000160

Весовые коэффициенты нейронов шестислойной нейронечеткой сети будут определяться по формуле:The weight coefficients of neurons of a six-layer neuro-fuzzy network will be determined by the formula:

Figure 00000161
Figure 00000161

Дискриминантные функции нейронов пятислойной нейронечеткой сети будут задаваться формулами:The discriminant functions of neurons in a five-layer neuro-fuzzy network will be given by the formulas:

Figure 00000162
Figure 00000162

Figure 00000163
Figure 00000163

где

Figure 00000157
- количество нейронов в
Figure 00000104
-ом слое сети.where
Figure 00000157
- the number of neurons in
Figure 00000104
th layer of the network.

Функции активации нейронов шестислойной нейронечеткой сети будут задаваться формулами:The activation functions of neurons of a six-layer neuro-fuzzy network will be given by the formulas:

Figure 00000164
Figure 00000164

Figure 00000165
Figure 00000165

Весовые коэффициенты нейронов шестислойной нейронечеткой сети будут определяться по формуле:The weight coefficients of neurons of a six-layer neuro-fuzzy network will be determined by the formula:

Figure 00000166
Figure 00000166

Представленный на фиг. 7 метод масок, используется для распознавания по амплитудно-частотной характеристике.Shown in FIG. 7 the mask method is used for recognition by the amplitude-frequency characteristic.

В каждой маске по реальной характеристике определяется максимальное амплитудное значение сигнала А1, А2, … , Aj, … , Ak. Выбор величины Δ, а, следовательно, и числа масок определяется возможностями распознающей сети (реально 10 ÷ 100).In each mask, according to the real characteristic, the maximum amplitude value of the signal А 1 , А 2 , … , A j , … , A k is determined. The choice of the value of Δ, and, consequently, the number of masks is determined by the capabilities of the recognizing network (actually 10 ÷ 100).

Увеличение числа масок приводит к повышению достоверности входной информации и к повышению сложности (увеличению числа нейронов входного слоя) распознающего устройства, то есть имеет место классический конфликт между качеством и сложностью. Возможен вариант исследования шумового портрета по частям, то есть низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной составляющих отдельно.An increase in the number of masks leads to an increase in the reliability of the input information and to an increase in the complexity (increase in the number of input layer neurons) of the recognizer, that is, there is a classic conflict between quality and complexity. It is possible to study the noise portrait in parts, that is, the low-frequency, mid-frequency and high-frequency components separately.

На фиг. 8 представлена интерпретация трехмерного выходного вектора распознавания гидроакустических сигналов по амплитудно-частотной характеристике. На фиг. 9 представлена сравнительная характеристика методов классификации морской цели по времени обучения и классификации. Наиболее скоростным методом по качеству классификации является модифицированный метод потенциальных функций на основе нейронных сетей (НС) (фиг. 9). НС обладают более сильными аппроксимационными способностями, чем другие методы классификации целей, а алгоритм многомерной классификации, в отличие от методов потенциальных функций, учитывает значимость признаков посредством учета частных значимостей двупризнаковых классификаций. In FIG. 8 shows the interpretation of the three-dimensional output vector of recognition of hydroacoustic signals by the amplitude-frequency characteristic. In FIG. Figure 9 presents a comparative description of the methods for classifying a marine target by training and classification time. The fastest method in terms of classification quality is the modified method of potential functions based on neural networks (NN) (Fig. 9). NNs have stronger approximation abilities than other target classification methods, and the multivariate classification algorithm, unlike potential function methods, takes into account the significance of features by taking into account the partial significances of two-feature classifications.

На фиг. 10 и фиг. 11 представлены результаты вычислительного эксперимента по определению коэффициента распознавания (классификации), определяемого как отношение числа распознанных объектов к общему числу испытаний в процентах, для надводных и подводных объектов в условиях зашумления сигнала в диапазоне от - 10 до 20 дБ. По результатам вычислительного эксперимента, распознавание и классификация МЦ с помощью вычислительных операций шестислойной нейронечеткой сети и модифицированной комбинированной распознающей сети, состоящей из сетей Кохонена (конкурирующая сеть) и Гросберга и сети MAXNET, позволяет повысить вероятность достоверной классификации как надводных, так и подводных целей. In FIG. 10 and FIG. Figure 11 shows the results of a computational experiment to determine the recognition (classification) coefficient, defined as the ratio of the number of recognized objects to the total number of tests in percent, for surface and underwater objects in conditions of signal noise in the range from -10 to 20 dB. According to the results of the computational experiment, the recognition and classification of MCs using the computational operations of a six-layer neuro-fuzzy network and a modified combined recognition network consisting of Kohonen networks (competing network) and Grosberg networks and the MAXNET network can increase the probability of reliable classification of both surface and underwater targets.

Способ обнаружения и классификации морских целей на базе нейросетевых технологий и элементов искусственного интеллектаA method for detecting and classifying marine targets based on neural network technologies and elements of artificial intelligence

Излучающий преобразователь 1 и приемный преобразователь 2 размещают в морской среде 3 с учетом закономерностей многолучевого распространения волн в протяженном гидроакустическом канале, что обеспечивает формирование и эффективное использование пространственно-развитой рабочей зоны 4 нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования просветных волн и волн различной физической природы, генерируемых объектами 5 (см. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018611591. Российская Федерация. Расчет эффективности применения гидроакустических средств и управление имитационной моделью гидроакустического эксперимента. Заявка № 2017662812: заявл. 05.12.2017 : опубл. (зарег.) 02.02.2018. Бюл. № 2. / А.М. Василенко, В.А. Пятакович.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019611559. Российская Федерация. Программа проектирования и обучения искусственных нейронных сетей персептронного типа. Заявка № 2019610135: заявл. 10.01.2019: опубл. (зарег.) 29.01.2019. Бюл. № 2. / А.М. Василенко, В.А. Пятакович, О.А. Алексеев.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017664296. Российская Федерация. Программа имитационного моделирования процесса распространения гидроакустических сигналов. Заявка № 2017661087 : заявл. 31.10.2017 : опубл. (зарег.) 20.12.2017. / А.М. Василенко, В.А. Пятакович.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018612169. Российская Федерация. Программно-аналитический комплекс определения направления на морскую цель по вторичному гидроакустическому полю. Заявка № 2017663202 : заявл. 19.12.2017 : опубл. (зарег.) 13.02.2018. Бюл. № 2. / А.М. Василенко, В.А. Пятакович.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017619627. Российская Федерация. Расчет характеристики направленности гидроакустической антенны для обеспечения распознавания и классификации признаков информационных полей морских технических объектов. Заявка № 2017616544 : заявл. 04.07.2017 : опубл. (зарег.) 29.08.2017 / А.М. Василенко, В.А. Пятакович, О.А. Алексеев.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018612414. Российская Федерация. Автоматизированное определение местоположения морской цели. Заявка № 2017663557: заявл. 19.12.2017 : опубл. (зарег.) 16.02.2018. Бюл. № 2 / А.М. Василенко, В.А. Пятакович.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018612944. Российская Федерация. Программно-вычислительный комплекс имитационного моделирования морской информационной ситуации при идентификации целей. Заявка № 2018610256 : заявл. 10.01.2018 : опубл. (зарег.) 01.03.2018. Бюл. № 3 / А.М. Василенко, В.А. Пятакович.; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018613558. Российская Федерация. Программа имитации сигнала шумоизлучения подводных лодок на различных режимах движения. Заявка № 2018610751 : заявл. 31.01.2018 : опубл. (зарег.) 16.03.2018. Бюл. № 3 / А.М. Василенко, В.А. Пятакович.).The radiating transducer 1 and the receiving transducer 2 are placed in the marine environment 3, taking into account the patterns of multipath wave propagation in an extended hydroacoustic channel, which ensures the formation and efficient use of a spatially developed working zone 4 of nonlinear interaction and parametric transformation of transmissive waves and waves of various physical nature generated by objects 5 (see Certificate of state registration of the computer program No. 2018611591. Russian Federation. Calculation of the effectiveness of the use of hydroacoustic means and control of the simulation model of a hydroacoustic experiment. Application No. 2017662812: application 05.12.2017 : publ. (reg.) 02.02.2018. Bull. No. 2. / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich.; Certificate of state registration of the computer program No. 2019611559. Russian Federation. Program for the design and training of artificial neural networks of the perceptron type. Application No. 2019610135: application 10.01.2019 : published (for reg.) 01/29/2019. Bull. No. 2. / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich, O.A. Alekseev.; Certificate of state registration of the computer program No. 2017664296. Russian Federation. The program for simulation modeling of the process of propagation of hydroacoustic signals. Application No. 2017661087 : Appl. 10/31/2017 : publ. (registered) 12/20/2017. / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich; Certificate of state registration of the computer program No. 2018612169. Russian Federation. Software-analytical complex for determining the direction to the sea target by the secondary hydroacoustic field. Application No. 2017663202 : Appl. 12/19/2017 : publ. (reg.) 13.02.2018. Bull. No. 2. / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich; Certificate of state registration of the computer program No. 2017619627. Russian Federation. Calculation of the directional characteristic of a hydroacoustic antenna to ensure the recognition and classification of signs of information fields of marine technical objects. Application No. 2017616544 : Appl. 07/04/2017 : publ. (reg.) 29.08.2017 / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich, O.A. Alekseev.; Certificate of state registration of the computer program No. 2018612414. Russian Federation. Automated positioning of a sea target. Application No. 2017663557: Appl. 12/19/2017 : publ. (reg.) 16.02.2018. Bull. No. 2 / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich; Certificate of state registration of the computer program No. 2018612944. Russian Federation. Software-computer complex for simulation modeling of the marine information situation in the identification of targets. Application No. 2018610256 : Appl. 01/10/2018 : publ. (reg.) 03/01/2018. Bull. No. 3 / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich; Certificate of state registration of the computer program No. 2018613558. Russian Federation. The program for simulating the signal of the noise emission of submarines in various modes of motion. Application No. 2018610751 : Appl. 01/31/2018 : publ. (reg.) 16.03.2018. Bull. No. 3 / A.M. Vasilenko, V.A. Pyatakovich).

Сформированный генератором 6.1 сигнал накачки стабилизированной частоты поступает на вход усилителя мощности 6.2, тракта излучения сигналов накачки 6, затем на вход блока согласования 6.3, выход которого соединен с подводным кабелем, соединяющим выход тракта излучения сигналов накачки 6 и вход излучающего преобразователя 1. Излучатель 1 озвучивает среду сигналами накачки стабилизированной частоты в диапазоне десятки-сотни герц. Накачка контролируемой морской среды сложными частотно- или фазово-модулированными сигналами обеспечивает повышение эффективности параметрического приема волн акустически слабозаметных объектов.The pump signal of a stabilized frequency generated by the generator 6.1 is fed to the input of the power amplifier 6.2, the pump signal emission path 6, then to the input of the matching unit 6.3, the output of which is connected to an underwater cable connecting the output of the emission path of the pump signals 6 and the input of the radiating transducer 1. Emitter 1 sounds environment with pump signals of a stabilized frequency in the range of tens to hundreds of hertz. Pumping the controlled marine environment with complex frequency- or phase-modulated signals improves the efficiency of parametric reception of waves from acoustically subtle objects.

На различных режимах движения объекты 5 генерируют излучения, приводящие к изменению величины характеристик проводящей жидкости (плотности и (или) температуры и (или) теплоемкости и т.д.), которые в зависимости от их физической сущности модулируют низкочастотные сигналы накачки морской среды. В спектре нелинейно преобразованных волн (информационных волн) появляются низкочастотные и высокочастотные составляющие, как результат модуляции амплитуды и фазы низкочастотной волны накачки излучениями и полями объектов 5. Являясь неразрывно связанной компонентой просветной волны, модуляционные составляющие переносятся на большие расстояния и обнаруживаются в блоках тракта приема, обработки и регистрации информационных сигналов 7.In various modes of movement, objects 5 generate radiation, leading to a change in the magnitude of the characteristics of the conductive liquid (density and (or) temperature and (or) heat capacity, etc.), which, depending on their physical nature, modulate low-frequency pump signals of the marine environment. Low-frequency and high-frequency components appear in the spectrum of nonlinearly converted waves (information waves) as a result of modulation of the amplitude and phase of the low-frequency pump wave by radiation and fields of objects processing and registration of information signals 7.

Информационные волны принимают антенной 2, усиливают в полосе параметрического преобразования (блок 7.1), переносят частотно-временной масштаб сигналов в высокочастотную область (блок 7.2), проводят узкополосный спектральный анализ (блок 7.3) и выделяют из них параметрические составляющие суммарной и разностной частоты, по которым восстанавливают признаки проявления полей, генерируемых объектами.Information waves are received by antenna 2, amplified in the parametric conversion band (block 7.1), the frequency-time scale of the signals is transferred to the high-frequency region (block 7.2), narrow-band spectral analysis is performed (block 7.3) and the parametric components of the sum and difference frequencies are extracted from them, according to which restore the signs of the manifestation of fields generated by objects.

Операция преобразования частотно-временного масштаба сигнала в блоке 7.2 тракта приема, обработки и регистрации сигналов, обеспечивает увеличение концентрации энергии нелинейно преобразованных сигналов и эффективность выделения из них признаков полей, генерируемых морскими целями.The operation of converting the frequency-time scale of the signal in block 7.2 of the path for receiving, processing and recording signals ensures an increase in the energy concentration of non-linearly converted signals and the efficiency of extracting from them signs of fields generated by marine targets.

Операции спектрального анализа в блоке 7.3 позволяют выделять дискретные составляющие суммарной или разностной частоты в узкополосных спектрах нелинейно преобразованных сигналов, по которым восстанавливают характеристики волн объектов 5.The operations of spectral analysis in block 7.3 allow you to select the discrete components of the sum or difference frequency in the narrow-band spectra of nonlinearly converted signals, from which the wave characteristics of objects 5 are restored.

Амплитудно-частотные характеристики сигналов объекта (надводный или подводный объект), полученные с помощью узкополосного спектрального анализа в тракте приема, обработки и регистрации сигналов 7 подают на первый вход блока 8.1 распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам тракта нейросетевого распознавания и классификации 8.The amplitude-frequency characteristics of the signals of an object (surface or underwater object) obtained using narrow-band spectral analysis in the path for receiving, processing and recording signals 7 are fed to the first input of the target class recognition unit 8.1 according to the amplitude-frequency characteristics of the path of neural network recognition and classification 8.

На второй вход блока 8.1 распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам поступают данные с блока обучения 8.2 тракта нейросетевого распознавания и классификации 8, данные с которого подают в дополнительно введенный тракт синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков 9 на вход блока анализа информации о признаках и топологии обучающей выборки 9.1, и далее подают на вход блока синтеза нейронной сети 9.2, охваченного обратной связью с блоком синтеза нейронечетких сетей 9.3, выход которого соединен с входом логического устройства 9.4, данные с которого подают на блок обучения 8.2, охваченного обратной связью с блоком 8.1 распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам, тракта нейросетевого распознавания и классификации 8, где производится распознавание класса морской цели (надводный или подводный объект). Анализ низкочастотной, среднечастотной и высокочастотной составляющих амплитудно-частотной характеристики производят раздельно, так как генеральные признаки для различных типов объектов могут находиться в различных частотных диапазонах. The second input of the target class recognition block 8.1 according to the amplitude-frequency characteristics receives data from the training block 8.2 of the neural network recognition and classification path 8, the data from which is fed into the additionally introduced path for the synthesis of neural network and neuro-fuzzy recognition models with a grouping of features 9 to the input of the block for analyzing information about features and topology of the 9.1 training sample, and then fed to the input of the 9.2 neural network synthesis unit, covered by feedback from the 9.3 neuro-fuzzy networks synthesis unit, the output of which is connected to the input of the 9.4 logic device, the data from which is fed to the 8.2 learning unit, covered by feedback from block 8.1 for recognizing the target class by amplitude-frequency characteristics, the path of neural network recognition and classification 8, where the recognition of the class of a marine target (surface or underwater object) is performed. The analysis of the low-frequency, mid-frequency and high-frequency components of the amplitude-frequency characteristic is carried out separately, since the general features for different types of objects can be in different frequency ranges.

Процесс обучения многослойной нейронной сети является итерационным и, в общем случае, достаточно длительным, поскольку заранее нельзя определить количество итераций, необходимых для обучения НС. The learning process of a multilayer neural network is iterative and, in general, quite long, since it is impossible to determine in advance the number of iterations required to train the neural network.

Для нейросетевой реализации сравнения расстояний и определения значения

Figure 00000167
используется следующее выражение:For a neural network implementation of comparing distances and determining the value
Figure 00000167
the following expression is used:

Figure 00000168
Figure 00000168

где

Figure 00000169
- логистическая функция. Если функция
Figure 00000169
будет дискретной, например, пороговой:where
Figure 00000169
- logistic function. If the function
Figure 00000169
will be discrete, for example, threshold:

Figure 00000170
, то
Figure 00000171
будет принимать значение 0 или 1.
Figure 00000170
, then
Figure 00000171
will take the value 0 or 1.

Если функция

Figure 00000172
будет вещественной, например, сигмоидной:
Figure 00000173
, то
Figure 00000174
будет принимать значения на интервале [0,1], чем ближе значение этой функции будет к 0, тем ближе экземпляр будет к классу, которому сопоставлено значение 0, и, соответственно, наоборот, чем ближе значение этой функции будет к 1, тем ближе экземпляр будет к классу, которому сопоставлено значение 1. Использование сигмоидной функции может быть более предпочтительным на практике, поскольку она позволяет не только определить к какому классу ближе экземпляр, но и на сколько ближе.If the function
Figure 00000172
will be real, for example, sigmoid:
Figure 00000173
, then
Figure 00000174
will take values in the interval [0,1], the closer the value of this function is to 0, the closer the instance will be to the class to which the value 0 is associated, and, accordingly, vice versa, the closer the value of this function is to 1, the closer the instance will be to the class to which the value 1 is associated. Using the sigmoid function may be more preferable in practice, since it allows you to not only determine which class the instance is closer to, but also how much closer.

Для вычисления разности расстояний

Figure 00000175
подставляются соответствующие выражения:To calculate the distance difference
Figure 00000175
the corresponding expressions are substituted:

Figure 00000176
Figure 00000177
Figure 00000176
Figure 00000177

После математических преобразований получаем:After mathematical transformations, we get:

Figure 00000178
где
Figure 00000179
Figure 00000180

Figure 00000181
Figure 00000178
where
Figure 00000179
Figure 00000180

Figure 00000181

Выражения для

Figure 00000182
и
Figure 00000183
вычисляются на основе формального нейрона, имеющего один вход, на который подается значение
Figure 00000089
или
Figure 00000184
, вес которого равен
Figure 00000185
или
Figure 00000186
, соответственно. Порог нейрона (нулевой вес) в этом случае будет равен
Figure 00000187
или
Figure 00000188
соответственно. Expressions for
Figure 00000182
and
Figure 00000183
calculated on the basis of a formal neuron that has one input, to which a value is supplied
Figure 00000089
or
Figure 00000184
, whose weight is
Figure 00000185
or
Figure 00000186
, respectively. The neuron threshold (zero weight) in this case will be equal to
Figure 00000187
or
Figure 00000188
respectively.

Правила вычисления параметров алгоритма многомерной классификации в этом случае останутся неизменными, а параметры и функции активации нейронной сети (НС) необходимо определить на их основе по следующим правилам. Функция активации

Figure 00000189
Figure 00000190
-го нейрона
Figure 00000191
-го слоя:The rules for calculating the parameters of the multidimensional classification algorithm in this case will remain unchanged, and the parameters and activation functions of the neural network (NN) must be determined based on them according to the following rules. Activation function
Figure 00000189
Figure 00000190
-th neuron
Figure 00000191
th layer:

Figure 00000192
Figure 00000193
Figure 00000192
Figure 00000193

Весовой коэффициент

Figure 00000194
Figure 00000195
-го входа
Figure 00000190
-го нейрона
Figure 00000191
-го слоя:Weight coefficient
Figure 00000194
Figure 00000195
-th entrance
Figure 00000190
-th neuron
Figure 00000191
th layer:

Figure 00000196
Figure 00000196

Значения выходных сигналов третьего слоя образуют вектор решений

Figure 00000121
. Распознающую сеть блока 8.1 распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам тракта нейросетевого распознавания и классификации 8, настраивают по классификационным признакам полей, генерируемых морскими целями, с помощью блока обучения 8.2 тракта нейросетевого распознавания и классификации 8, в который входят априори полученные шумовые портреты вероятных объектов распознавания и устройство подготовки данных.The values of the output signals of the third layer form the decision vector
Figure 00000121
. The recognition network of the target class recognition block 8.1 according to the amplitude-frequency characteristics of the neural network recognition and classification path 8 is tuned according to the classification features of the fields generated by sea targets using the neural network recognition and classification path training block 8.2 8, which includes a priori obtained noise portraits of probable objects recognition and data preparation device.

Корректируют весовые коэффициенты распознающей сети блока 8.1, распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам с помощью блока обучения 8.2, тракта нейросетевого распознавания и классификации 8. Далее данные подают в дополнительно введенный тракт синтеза нейросетевых и нейронечетких моделей с группировкой признаков 9 на вход блока анализа информации о признаках и топологии обучающей выборки 9.1, и далее подают на вход блока синтеза нейронной сети 9.2 охваченного обратной связью с блоком синтеза нейронечетких сетей 9.3, выход которого соединен с входом логического устройства 9.4, функцию которого выполняет шестислойная нейронечеткая сеть Ванга-Менделя, где в автоматическом режиме, на основе обучающих выборок данных формируется структура нейронных и нейронечетких сетей, а также настраиваются их параметры, без оптимизационной подгонки весов производится синтез нейронных и нейронечетких моделей в неитеративном режиме с линеаризацией, факторной группировкой и сверткой признаков морской цели и формируется нечеткий логический вывод для блока обучения 8.2 тракта нейросетевого распознавания и классификации 8, после чего искусственную нейронную сеть настраивают и формируют вывод о степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации (надводный или подводный объект).The weight coefficients of the recognizing network of block 8.1, the recognition of the target class by amplitude-frequency characteristics are corrected using the learning block 8.2, the path of neural network recognition and classification 8. Next, the data is fed into the additionally introduced path for the synthesis of neural network and neuro-fuzzy models with grouping of features 9 at the input of the information analysis block about the features and topology of the training sample 9.1, and then fed to the input of the neural network synthesis block 9.2 covered by feedback with the neuro-fuzzy networks synthesis block 9.3, the output of which is connected to the input of the 9.4 logic device, the function of which is performed by a six-layer Wang-Mendel neural fuzzy network, where in automatic mode, on the basis of training data samples, the structure of neural and neuro-fuzzy networks is formed, and their parameters are adjusted, without optimization fitting of weights, neural and neuro-fuzzy models are synthesized in a non-iterative mode with linearization, factorial grouping and convolution signs of the sea target and a fuzzy logical conclusion is formed for the training block 8.2 of the path of neural network recognition and classification 8, after which the artificial neural network is tuned and a conclusion is formed about the degree of belonging of the studied region of the spectrum to the object of classification (surface or underwater object).

Алгоритм работы логического устройства тракта синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков.Algorithm for the operation of the logical device of the synthesis path of neural network and neuro-fuzzy recognizing models with feature grouping.

Этап инициализации. Задать исходную выборку данных

Figure 00000197
.Initialization stage. Set Initial Data Sample
Figure 00000197
.

Этап анализа характеристик выборки. Определить

Figure 00000198
- соответственно, минимальное и максимальное значения
Figure 00000082
-го признака,
Figure 00000199
. Определить число интервалов для каждого признака:
Figure 00000200
, а также длины интервалов:
Figure 00000201
.The stage of analysis of sample characteristics. Define
Figure 00000198
- respectively, the minimum and maximum values
Figure 00000082
-th sign,
Figure 00000199
. Determine the number of intervals for each feature:
Figure 00000200
, as well as the lengths of the intervals:
Figure 00000201
.

Этап расчета обобщенных признаков. Для каждого

Figure 00000202
-го экземпляра,
Figure 00000203
: определить
Figure 00000204
- номер интервала значений по каждому
Figure 00000082
-му признаку,
Figure 00000205
, в который попадает
Figure 00000202
-й экземпляр
Figure 00000206
рассчитать координату
Figure 00000202
-го экземпляра по обобщенной осиStage of calculation of generalized features. For everybody
Figure 00000202
-th instance,
Figure 00000203
: define
Figure 00000204
- the number of the interval of values for each
Figure 00000082
-th sign,
Figure 00000205
, into which
Figure 00000202
-th copy
Figure 00000206
calculate coordinate
Figure 00000202
-th instance along the generalized axis

Figure 00000207
Figure 00000207

Это позволяет отобразить исходную выборку на одномерную обобщенную ось

Figure 00000208
(заметим, что при этом произойдет потеря части информации вследствие неявного квантования пространства признаков при преобразовании).This allows you to display the original sample on a one-dimensional generalized axis
Figure 00000208
(Note that in this case, some information will be lost due to the implicit quantization of the feature space during the transformation).

Этап анализа обобщенной оси. Сформировать набор кортежей

Figure 00000209
. Упорядочить набор
Figure 00000208
в порядке неубывания значений
Figure 00000210
. Просматривая обобщенную ось в порядке увеличения ее значений, определить граничные значения ее интервалов
Figure 00000211
, в которых номер класса
Figure 00000212
остается неизменным, где
Figure 00000213
- соответственно левое и правое граничные значения
Figure 00000073
-го интервала обобщенной оси. Обозначим:
Figure 00000214
- номер класса, соответствующий
Figure 00000073
-му интервалу обобщенной оси;
Figure 00000215
- число интервалов обобщенной оси.Stage of analysis of the generalized axis. Form a set of tuples
Figure 00000209
. Arrange set
Figure 00000208
in non-decreasing order of values
Figure 00000210
. Looking through the generalized axis in increasing order of its values, determine the boundary values of its intervals
Figure 00000211
, in which the class number
Figure 00000212
remains unchanged, where
Figure 00000213
- respectively, the left and right boundary values
Figure 00000073
th interval of the generalized axis. Denote:
Figure 00000214
- class number corresponding to
Figure 00000073
-th interval of the generalized axis;
Figure 00000215
- number of intervals of the generalized axis.

Этап анализа характеристик интервалов. Для каждого

Figure 00000073
-го интервала обобщенной оси,
Figure 00000216
, определить
Figure 00000217
- число попавших в него экземпляров, а также номера этих экземпляров.The stage of analysis of the characteristics of the intervals. For everybody
Figure 00000073
-th interval of the generalized axis,
Figure 00000216
, define
Figure 00000217
- the number of copies that fell into it, as well as the numbers of these copies.

Этап формирования обучающей выборки. Среди экземпляров

Figure 00000073
-го интервала включить в обучающую выборку
Figure 00000218
все экземпляры:The stage of formation of the training sample. Among instances
Figure 00000073
-th interval to include in the training sample
Figure 00000218
all instances:

его класса, находящиеся на одной из границ интервала its class, located on one of the boundaries of the interval

Figure 00000219
Figure 00000219

Figure 00000220
Figure 00000220

его класса, ближайшие к одной из границ интервала:of its class closest to one of the boundaries of the interval:

Figure 00000221
Figure 00000221

Figure 00000222
Figure 00000222

где

Figure 00000223
- пороговый коэффициент, регулирующий близость экземпляров к границам интервала (например, можно задать:
Figure 00000224
);where
Figure 00000223
- threshold coefficient that regulates the proximity of instances to the boundaries of the interval (for example, you can set:
Figure 00000224
);

интервалов с малым числом экземпляров:intervals with a small number of instances:

Figure 00000225
Figure 00000225

где

Figure 00000226
- некоторый пороговый коэффициент,
Figure 00000227
(например, можно задать:
Figure 00000228
);
Figure 00000229
- среднее число экземпляров в интервале обобщенной оси.where
Figure 00000226
- some threshold coefficient,
Figure 00000227
(for example, you can set:
Figure 00000228
);
Figure 00000229
- the average number of instances in the interval of the generalized axis.

Этап устранения избыточности обучающей выборки. Определить расстояния между всеми экземплярами, вошедшими в сформированную обучающую выборку, сформировав матрицу расстояний

Figure 00000230
(для упрощения и ускорения вычислений будем оперировать квадратами расстояний):The stage of eliminating the redundancy of the training sample. Determine the distances between all instances included in the generated training sample by forming a distance matrix
Figure 00000230
(to simplify and speed up calculations, we will operate with squared distances):

Figure 00000231
Figure 00000231

Отметим, что

Figure 00000232
Note that
Figure 00000232

До тех пор, пока

Figure 00000233
, необходимо выполнять в цикле действия: найти в матрице расстояний два экземпляра с наименьшим расстоянием между собой:Until
Figure 00000233
, it is necessary to perform in the action loop: find two instances in the distance matrix with the smallest distance between them:

Figure 00000234
Figure 00000234

если два ближайших экземпляра принадлежат к одному и тому же классу, то оставить в обучающей выборке только тот из них, который находится ближе к экземплярам других классов, а другой исключить из нееif the two closest instances belong to the same class, then leave in the training sample only one of them that is closer to instances of other classes, and exclude the other from it

Figure 00000235
Figure 00000235

Figure 00000236
Figure 00000236

Figure 00000237
Figure 00000237

Скорректировать соответствующим образом элементы матрицы

Figure 00000230
, установив:
Figure 00000238
если два ближайших экземпляра принадлежат к разным классам, то перейти к выполнению этапа дополнения (уточнения) обучающей выборки. Этап дополнения (уточнения) обучающей выборки. Определить разность исходной и сформированной выборок
Figure 00000239
Adjust matrix elements accordingly
Figure 00000230
by setting:
Figure 00000238
if the two nearest instances belong to different classes, then proceed to the completion (refinement) stage of the training sample. The stage of supplementing (refinement) of the training sample. Determine the difference between the original and generated samples
Figure 00000239

Последовательно для каждого

Figure 00000240
-го экземпляра
Figure 00000241
выборки
Figure 00000242
,
Figure 00000243
относительно экземпляров сформированной выборки
Figure 00000244
найти расстояние (квадрат расстояния) от него до каждого экземпляра выборки
Figure 00000244
:consecutively for each
Figure 00000240
-th copy
Figure 00000241
samples
Figure 00000242
,
Figure 00000243
relative to the instances of the generated sample
Figure 00000244
find the distance (squared distance) from it to each instance of the sample
Figure 00000244
:

Figure 00000245
Figure 00000245

если ближайший к

Figure 00000240
-му экземпляру экземпляр сформированной выборки принадлежит к другому классу, то включить его в выборку
Figure 00000244
:if closest to
Figure 00000240
-th instance, an instance of the generated selection belongs to another class, then include it in the selection
Figure 00000244
:

Figure 00000246
Figure 00000246

В результате выполнения данного метода для исходной выборки

Figure 00000247
получаем сформированную обучающую выборку
Figure 00000248
, которая будет обладать основными топологическими свойствами исходной выборки. При этом из исходной выборки можно получить также тестовую выборку как разность исходной и сформированной обучающей выборок. Разбиение признакового пространства для выборки эмпирических наблюдений необходимо для определения нечетких термов признаков как проекций соответствующих блоков на координатные оси. Формирование разбиения признакового пространства необходимо осуществлять путем их выполнения в приведенной ниже последовательности.As a result of executing this method for the initial sample
Figure 00000247
we get the formed training sample
Figure 00000248
, which will have the main topological properties of the original sample. At the same time, a test sample can also be obtained from the original sample as the difference between the original and the formed training samples. Partitioning the feature space for a sample of empirical observations is necessary to determine the fuzzy terms of the features as projections of the corresponding blocks onto the coordinate axes. The formation of a partition of the attribute space must be carried out by performing them in the following sequence.

Шаг 1. Инициализация. Задать обучающую выборку

Figure 00000029
. Шаг 2. По оси каждого признака
Figure 00000249
определить одномерные расстояния между экземплярами:
Figure 00000250
Среди полученных расстояний найти минимальное расстояние, большее нуля:Step 1. Initialization. Set training sample
Figure 00000029
. Step 2. Along the axis of each feature
Figure 00000249
define one-dimensional distances between instances:
Figure 00000250
Among the obtained distances, find the minimum distance greater than zero:

Figure 00000251
Figure 00000251

Шаг 3. Для каждого признака определить количество интервалов разбиения диапазона его значений:Step 3. For each attribute, determine the number of intervals for dividing the range of its values:

Figure 00000252
Figure 00000252

а также определить длину интервала наблюдаемых значений каждого признака:

Figure 00000253
Шаг 4. Разбить ось
Figure 00000082
-го признака на
Figure 00000254
интервалов. Определить координаты левых и правых границ для каждого
Figure 00000195
-го интервала
Figure 00000082
-го признака по формулам:and also determine the length of the interval of observed values of each feature:
Figure 00000253
Step 4. Split the axle
Figure 00000082
-th sign on
Figure 00000254
intervals. Determine the coordinates of the left and right borders for each
Figure 00000195
-th interval
Figure 00000082
-th sign according to the formulas:

Figure 00000255
Figure 00000255

Шаг 5. Сформировать блоки-кластеры и задать номера их классов путем выполнения шагов 5.1 - 5.8. Шаг 5.1. Сформировать прямоугольные блоки

Figure 00000256
, в
Figure 00000146
-мерном пространстве признаков на пересечении соответствующих интервалов значений признаков. Занести в
Figure 00000257
номер интервала
Figure 00000082
-го признака, который соответствует
Figure 00000073
-му блоку. Шаг 5.2. Определить номера классов для прямоугольных блоков в
Figure 00000146
-мерном пространстве признаков:Step 5. Form block-clusters and set the numbers of their classes by performing steps 5.1 - 5.8. Step 5.1. Form rectangular blocks
Figure 00000256
, in
Figure 00000146
-dimensional space of features at the intersection of the corresponding intervals of feature values. Bring in
Figure 00000257
interval number
Figure 00000082
-th feature that corresponds to
Figure 00000073
-th block. Step 5.2. Define class numbers for rectangular blocks in
Figure 00000146
-dimensional feature space:

Figure 00000258
Figure 00000258

Установить коэффициент уверенности классификации для блоков:Set classification confidence factor for blocks:

Figure 00000259
Figure 00000259

Шаг 5.3. Для тех блоков, у которых

Figure 00000260
Figure 00000261
, установить:
Figure 00000262
Step 5.3. For those blocks that have
Figure 00000260
Figure 00000261
, install:
Figure 00000262

где

Figure 00000263
- количество экземпляров
Figure 00000190
-го класса, попавших в
Figure 00000073
-й блок-кластер.where
Figure 00000263
- number of copies
Figure 00000190
-th class, caught in
Figure 00000073
th block cluster.

Шаг 5.4. Для тех блоков, у которых номер класса

Figure 00000264
,
Figure 00000265

Figure 00000266
, определить расчетный номер класса, для чего предлагается использовать модифицированный нерекуррентный метод потенциальных функций. Шаг 5.5. Вычислить расстояние между
Figure 00000267
-м и
Figure 00000195
-м блоками:Step 5.4. For those blocks that have a class number
Figure 00000264
,
Figure 00000265

Figure 00000266
, to determine the calculated class number, for which it is proposed to use a modified non-recurrent method of potential functions. Step 5.5. Calculate distance between
Figure 00000267
-m and
Figure 00000195
-m blocks:

Figure 00000268
,
Figure 00000268
,

как:

Figure 00000269
.how:
Figure 00000269
.

Или

Figure 00000270
где
Figure 00000271
. Or
Figure 00000270
where
Figure 00000271
.

При этом

Figure 00000272
Шаг 5.6. Определить потенциал, наводимый совокупностью блоков, принадлежащих к
Figure 00000190
-му классу, на
Figure 00000195
-й блок с неизвестной классификацией:Wherein
Figure 00000272
Step 5.6. Determine the potential induced by a set of blocks belonging to
Figure 00000190
-th class, on
Figure 00000195
-th block with unknown classification:

Figure 00000273
Figure 00000273

Figure 00000274
Figure 00000274

где

Figure 00000275
- количество блоков, принадлежащих к
Figure 00000190
-му классу,
Figure 00000276
- количество экземпляров обучающей выборки, попавших в
Figure 00000073
-й блок. Шаг 5.7. Установить номер класса для
Figure 00000195
-го блока с неизвестной классификацией
Figure 00000277
по формуле:where
Figure 00000275
- the number of blocks belonging to
Figure 00000190
-th class,
Figure 00000276
- the number of instances of the training sample that fell into
Figure 00000073
-th block. Step 5.7. Set class number for
Figure 00000195
th block with unknown classification
Figure 00000277
according to the formula:

Figure 00000278
Figure 00000278

Шаг 5.8. Модифицировать значения коэффициентов уверенности для блоков:Step 5.8. Modify values of confidence coefficients for blocks:

Figure 00000279
Figure 00000279

Шаг 6. Выполнить объединение смежных блоков-кластеров. Выполнить объединение смежных блоков, принадлежащих к одному и тому же классу:Step 6. Merge adjacent blocks-clusters. Merge adjacent blocks belonging to the same class:

для

Figure 00000280
: если
Figure 00000281
,
Figure 00000282
for
Figure 00000280
: if
Figure 00000281
,
Figure 00000282

и

Figure 00000283
and
Figure 00000283

тогда объединить блоки

Figure 00000073
и
Figure 00000195
по
Figure 00000082
-му признаку:then merge the blocks
Figure 00000073
and
Figure 00000195
on
Figure 00000082
-th sign:

- установить:- install:

Figure 00000284
Figure 00000285
Figure 00000284
Figure 00000285

Figure 00000286
Figure 00000286

- удалить

Figure 00000287
-й блок:
Figure 00000288
.- delete
Figure 00000287
-th block:
Figure 00000288
.

Шаг 7. Из объединенного множества (ОМ) выделить подмножество экземпляров, относящихся к блокам-кластерам, номера классов которых не совпадают с номерами классов экземпляров. Применить для полученного разбиения и выделенного подмножества процедуру уточнения разбиения и дообучения модели. Шаг 8. Остановить. Уточнение разбиения и дообучение модели. Если имеется разбиение признакового пространства, которое нужно уточнить (дообучить) на основе новых наблюдений

Figure 00000289
,
Figure 00000290
,
Figure 00000291
,
Figure 00000292
,
Figure 00000205
;
Figure 00000293
; то необходимо из набора новых наблюдений исключить те наблюдения, которые попадают в блоки имеющегося разбиения и соответствуют им по номеру класса, скорректировав соответствующим образом
Figure 00000294
. Для тех наблюдений, которые не совпадают с классами блоков, целесообразно сформировать отдельные точечные кластеры. Step 7. From the combined set (OM), select a subset of instances belonging to cluster blocks, the class numbers of which do not match the class numbers of the instances. Apply for the resulting partition and the selected subset the procedure for refining the partition and retraining the model. Step 8. Stop. Refining the partition and retraining the model. If there is a partition of the feature space that needs to be refined (additionally trained) based on new observations
Figure 00000289
,
Figure 00000290
,
Figure 00000291
,
Figure 00000292
,
Figure 00000205
;
Figure 00000293
; then it is necessary to exclude from the set of new observations those observations that fall into the blocks of the existing partition and correspond to them by class number, adjusting accordingly
Figure 00000294
. For those observations that do not coincide with block classes, it is advisable to form separate point clusters.

Для каждого нового наблюдения сформировать интервалы по признакам и занести в

Figure 00000295
, номера интервалов для каждого
Figure 00000296
-го признака, соответствующие новому кластеру, а также определить: For each new observation, form intervals according to features and enter them into
Figure 00000295
, interval numbers for each
Figure 00000296
-th feature corresponding to the new cluster, and also determine:

Figure 00000297
Figure 00000297

Figure 00000298
Figure 00000298

где

Figure 00000299
- некоторая константа,
Figure 00000300
Для определения целесообразности применения предложенного метода для конкретной задачи на практике используем нотацию Ландау в так называемом «мягком виде» и оценим сложность этапов предложенного метода. Для этапа инициализации вычислительной сложностью можно пренебречь, а пространственная сложность может быть оценена как
Figure 00000301
.where
Figure 00000299
- some constant,
Figure 00000300
To determine the expediency of applying the proposed method for a specific problem in practice, we use the Landau notation in the so-called “soft form” and estimate the complexity of the steps of the proposed method. For the initialization step, the computational complexity can be neglected and the space complexity can be estimated as
Figure 00000301
.

Для этапа анализа характеристик выборки вычислительная сложность составит

Figure 00000302
, а пространственная -
Figure 00000303
. Для этапа расчета обобщенных признаков вычислительная сложность может быть оценена как
Figure 00000304
, а пространственная -
Figure 00000305
. Для этапа анализа обобщенной оси вычислительная сложность может быть оценена как
Figure 00000306
, а пространственная -
Figure 00000307
. Для этапа анализа характеристик интервалов вычислительная сложность может быть оценена как
Figure 00000308
, а пространственная -
Figure 00000309
. Для этапа формирования обучающей выборки вычислительная сложность может быть оценена как
Figure 00000310
, а пространственная в виде
Figure 00000311
. Для этапа устранения избыточности ОВ вычислительная и пространственная сложность могут быть оценены соответственно как
Figure 00000312
. Для этапа дополнения (уточнения) обучающей выборки вычислительная и пространственная сложность оцениваются соответственно как
Figure 00000313
. For the stage of analyzing the characteristics of the sample, the computational complexity will be
Figure 00000302
, and the spatial
Figure 00000303
. For the stage of calculating generalized features, the computational complexity can be estimated as
Figure 00000304
, and the spatial
Figure 00000305
. For the generalized axis analysis step, the computational complexity can be estimated as
Figure 00000306
, and the spatial
Figure 00000307
. For the interval characteristics analysis stage, the computational complexity can be estimated as
Figure 00000308
, and the spatial
Figure 00000309
. For the training sample formation stage, the computational complexity can be estimated as
Figure 00000310
, and spatial in the form
Figure 00000311
. For the OB redundancy elimination stage, the computational and space complexity can be estimated, respectively, as
Figure 00000312
. For the stage of supplementing (refinement) of the training sample, the computational and spatial complexity are estimated, respectively, as
Figure 00000313
.

Таким образом, общая сложность метода может быть оценена как: вычислительная -

Figure 00000314
; пространственная -
Figure 00000315
. Thus, the overall complexity of the method can be estimated as: computational -
Figure 00000314
; spatial -
Figure 00000315
.

Алгоритм коррекции значений настроек тракта синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков, реализован для нахождения номера нечеткого правила вида:The algorithm for correcting the settings of the synthesis path of neural network and neuro-fuzzy recognizing models with feature grouping is implemented to find the number of a fuzzy rule of the form:

(

Figure 00000316
)(
Figure 00000316
)

Figure 00000317
Figure 00000317

Figure 00000318
Figure 00000318

при наличии обучающего множества

Figure 00000319
.in the presence of a training set
Figure 00000319
.

Для моделирования неизвестного отображения

Figure 00000320
используется алгоритм нечеткого вывода, применяются предикатные правила:To simulate an unknown mapping
Figure 00000320
fuzzy inference algorithm is used, predicate rules are applied:

Figure 00000321
,
Figure 00000321
,

где

Figure 00000322
- нечеткие множества описывающие высказывания: «отрицательная», «нулевая», «положительная», «малое», «среднее», «большое» и т.д.
Figure 00000323
- вещественные числа (номер правила). Степень истинности
Figure 00000324
правила
Figure 00000325
- определяется с помощью операции умножения Ларсена (Larsen):where
Figure 00000322
- fuzzy sets describing statements: "negative", "zero", "positive", "small", "medium", "large", etc.
Figure 00000323
- real numbers (rule number). Degree of truth
Figure 00000324
regulations
Figure 00000325
- is determined using the Larsen multiplication operation:

Figure 00000326
Figure 00000326

для моделирования логического оператора «И», выход нечеткой системы

Figure 00000327
определяется методом центра тяжести:
Figure 00000328
for modeling the logical operator "AND", the output of a fuzzy system
Figure 00000327
determined by the center of gravity method:
Figure 00000328

Функция ошибки для i-го предъявленного значения вида:

Figure 00000329
позволяет использовать градиентный метод для подстройки параметров заданных предикатных правил, а величина
Figure 00000323
корректируется по соотношению:Error function for the i-th presented value of the form:
Figure 00000329
allows you to use the gradient method to adjust the parameters of the given predicate rules, and the value
Figure 00000323
corrected according to the ratio:

Figure 00000330
.
Figure 00000330
.

где

Figure 00000331
- константа, характеризующая скорость обучения сети. Аналогичным образом определяются параметры функции принадлежности.where
Figure 00000331
is a constant characterizing the network learning rate. The parameters of the membership function are defined in a similar way.

В ситуации неопределенности, т.е. влияния случайных внешних и параметрических возмущений, логическое устройство 9.4 осуществляет их компенсацию в базе правил, а также компенсацию функций принадлежности нового вида (с другими универсумом

Figure 00000332
и
Figure 00000333
). In a situation of uncertainty, i.e. the influence of random external and parametric disturbances, the logical device 9.4 compensates for them in the rule base, as well as compensation for membership functions of a new type (with other universes
Figure 00000332
and
Figure 00000333
).

Таким образом, тракт синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков позволяет синтезировать нейронные и нейронечеткие модели в неитеративном режиме с линеаризацией, факторной группировкой и сверткой признаков. Логическое устройство 9.4 тракта синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков на основе обучающих выборок данных позволяет создавать структуру нейронных и нейронечетких сетей, а также настраивать их параметры без оптимизационной подгонки весов и в автоматическом режиме осуществлять коррекцию данных обновляемой библиотеки математически обработанных образов спектрограмм морских целей тракта нейросетевого распознавания и классификации 8, обеспечивающего конечное классификационное решение по обнаруженным морским целям (надводный или подводный объект).Thus, the path for the synthesis of neural network and neuro-fuzzy recognition models with feature grouping makes it possible to synthesize neural and neuro-fuzzy models in a non-iterative mode with linearization, factorial grouping, and feature convolution. Logic device 9.4 of the synthesis path of neural network and neuro-fuzzy recognizing models with grouping of features based on training data samples allows you to create the structure of neural and neuro-fuzzy networks, as well as adjust their parameters without optimizing weights and automatically correct the data of the updated library of mathematically processed images of spectrograms of sea targets path of neural network recognition and classification 8, which provides the final classification solution for detected marine targets (surface or underwater object).

Поскольку базы нечетких правил часто характеризуются большим объемом, то наиболее актуальной является задача объединения и преобразования нечетких правил, суть которой заключается в том, чтобы на основе начального набора нечетких правил сформировать новую базу правил меньшего объема, которая в достаточной мере представляла бы начальную базу и была бы менее избыточной.Since the bases of fuzzy rules are often characterized by a large volume, the most urgent task is to combine and transform fuzzy rules, the essence of which is to form a new rule base of a smaller volume based on the initial set of fuzzy rules, which would sufficiently represent the initial base and be would be less redundant.

Для решения задачи формирования нечетких правил необходимо привести этапы метода в соответствие с особенностями решаемой задачи, который представлен в виде последовательности шагов 1-17. To solve the problem of forming fuzzy rules, it is necessary to bring the stages of the method in line with the features of the problem being solved, which is presented as a sequence of steps 1-17.

Шаг 1. Инициализация. Задаются статические параметры работы метода: коэффициенты

Figure 00000334
. Для каждого из возможных классов выходных значений создается свое пространство поиска, и, соответственно, свое отдельное множество агентов, отдельный граф поиска, представляющий собой лингвистические термы, которые могут быть включены в правила, а также для каждого пространства поиска рассчитываются эвристические значения значимости отдельного терма. Step 1. Initialization. The static parameters of the method operation are set: coefficients
Figure 00000334
. For each of the possible classes of output values, its own search space is created, and, accordingly, its own separate set of agents, a separate search graph representing linguistic terms that can be included in the rules, and for each search space, heuristic significance values of a separate term are calculated.

Figure 00000335
Figure 00000335

где

Figure 00000336
- значение эвристической значимости лингвистического терма
Figure 00000195
для описания класса
Figure 00000073
;
Figure 00000337
- экземпляр входной выборки, содержащей
Figure 00000146
экземпляров;
Figure 00000338
- значение функции принадлежности объекта
Figure 00000337
терму
Figure 00000195
и классу q, соответственно;
Figure 00000339
- количество лингвистических термов;
Figure 00000068
- количество классов. В каждом пространстве поиска каждому узлу графа поиска ставится в соответствие начальное значение количества дискретных составляющих (ДС)
Figure 00000340
Figure 00000341
где
Figure 00000342
- значение количества ДС для
Figure 00000195
-го терма в пространстве поиска для
Figure 00000073
-го класса на первой итерации поиска.where
Figure 00000336
- the value of the heuristic significance of a linguistic term
Figure 00000195
to describe a class
Figure 00000073
;
Figure 00000337
- an instance of the input sample containing
Figure 00000146
copies;
Figure 00000338
- the value of the object membership function
Figure 00000337
termu
Figure 00000195
and class q, respectively;
Figure 00000339
- number of linguistic terms;
Figure 00000068
- the number of classes. In each search space, each node of the search graph is associated with the initial value of the number of discrete components (DS)
Figure 00000340
Figure 00000341
where
Figure 00000342
- the value of the number of DS for
Figure 00000195
-th term in the search space for
Figure 00000073
th class at the first iteration of the search.

Шаг 2. Установить:

Figure 00000343
. Шаг 3. Установить:
Figure 00000069
. Шаг 4. Установить:
Figure 00000344
. Шаг 5. Установить:
Figure 00000345
. Шаг 6. Выбор терма для добавления в правило
Figure 00000082
-го агента в пространстве поиска
Figure 00000090
-го класса. Шаг 6.1. Для
Figure 00000082
-го агента на основе правила случайного выбора рассчитывается вероятность включения
Figure 00000190
-го лингвистического терма в правило, описывающего
Figure 00000090
-й класс выходного значения
Figure 00000346
где
Figure 00000347
- вероятность добавления
Figure 00000190
-го терма в правило
Figure 00000082
-го агента в пространстве поиска для
Figure 00000090
-го класса;
Figure 00000348
- множество термов, которые могут быть добавлены в правило
Figure 00000082
-го агента. Формирование данного множества определяет вид правил, которые могут составляться в процессе поиска, то есть предполагается, что правило может включать выражения типа ИЛИ. После добавления терма из данного множества исключается только данный терм, если же предполагается, что правило не может включать выражения типа ИЛИ, то кроме выбранного терма, исключаются и все термы, описывающие данный атрибут. Step 2 Install:
Figure 00000343
. Step 3 Install:
Figure 00000069
. Step 4 Install:
Figure 00000344
. Step 5 Install:
Figure 00000345
. Step 6. Selecting a term to add to the rule
Figure 00000082
-th agent in the search space
Figure 00000090
th class. Step 6.1. For
Figure 00000082
th agent, based on the random selection rule, the probability of including
Figure 00000190
-th linguistic term in the rule, describing
Figure 00000090
-th output value class
Figure 00000346
where
Figure 00000347
- probability of adding
Figure 00000190
-th term in the rule
Figure 00000082
-th agent in the search space for
Figure 00000090
-th class;
Figure 00000348
- many terms that can be added to the rule
Figure 00000082
th agent. The formation of this set determines the type of rules that can be compiled in the search process, that is, it is assumed that the rule may include expressions of the OR type. After adding a term, only this term is excluded from this set, but if it is assumed that the rule cannot include expressions of the OR type, then, in addition to the selected term, all terms describing this attribute are also excluded.

Шаг 6.2. Проверить условие

Figure 00000349
где
Figure 00000350
- случайное число из интервала [0; 1]. Если условие выполняется, тогда лингвистический терм
Figure 00000190
добавляется в правило
Figure 00000082
-го агента, удаляется из множества возможных термов для данного агента и выполняется переход к шагу 7. В противном случае - переход к шагу 6.3.Step 6.2. Check Condition
Figure 00000349
where
Figure 00000350
- random number from the interval [0; one]. If the condition is met, then the linguistic term
Figure 00000190
added to rule
Figure 00000082
-th agent is removed from the set of possible terms for this agent and go to step 7. Otherwise, go to step 6.3.

Шаг 6.3. Установить

Figure 00000351
. Шаг 6.4. Если были рассмотрены все термы, то установить:
Figure 00000352
. Переход к шагу 6.1. Шаг 7. Проверка завершения перемещения
Figure 00000082
-го агента. Шаг 7.1. Если множество термов, которые
Figure 00000082
-й агент может добавить в формируемое правило, пусто, то выполняется переход к шагу 8. Шаг 7.2. Определяется, сколько экземпляров
Figure 00000090
-го класса покрывает правило
Figure 00000082
-го агента. Шаг 7.2.1. Для экземпляра o, относящегося к классу
Figure 00000090
, рассчитывается степень соответствия сформированного правила
Figure 00000353
Figure 00000354
Step 6.3. Install
Figure 00000351
. Step 6.4. If all terms have been considered, then set:
Figure 00000352
. Go to step 6.1. Step 7: Verify that the move is complete
Figure 00000082
th agent. Step 7.1. If the set of terms that
Figure 00000082
-th agent can add to the generated rule, is empty, then go to step 8. Step 7.2. Determine how many instances
Figure 00000090
-th class covers the rule
Figure 00000082
th agent. Step 7.2.1. For an instance o belonging to a class
Figure 00000090
, the degree of compliance of the formed rule is calculated
Figure 00000353
Figure 00000354

где

Figure 00000355
- степень соответствия между правилом
Figure 00000082
-го агента
Figure 00000353
и экземпляром
Figure 00000337
;
Figure 00000356
- мера соответствия между
Figure 00000195
-м атрибутом в правиле
Figure 00000353
и соответствующим атрибутом экземпляра
Figure 00000337
. Данная мера рассчитывается следующим образом:where
Figure 00000355
- the degree of correspondence between the rule
Figure 00000082
-th agent
Figure 00000353
and copy
Figure 00000337
;
Figure 00000356
- measure of correspondence between
Figure 00000195
-th attribute in the rule
Figure 00000353
and the corresponding instance attribute
Figure 00000337
. This measure is calculated as follows:

Figure 00000357
Figure 00000357

где

Figure 00000073
- отдельный терм, относящийся к области описания атрибута
Figure 00000195
; where
Figure 00000073
- a separate term related to the attribute description area
Figure 00000195
;

Figure 00000358
- количество термов, относящихся к области описания атрибута
Figure 00000195
.
Figure 00000358
- the number of terms related to the attribute description area
Figure 00000195
.

Шаг 7.2.2. Проверить условие:

Figure 00000359
Step 7.2.2. Check condition:
Figure 00000359

где

Figure 00000360
- заданный параметр, который определяет, какое минимальное значения соответствия является достаточным, чтобы считать, что правило
Figure 00000353
в достаточной степени описывает объект
Figure 00000337
. Если условие выполняется, то считается, что данный объект o покрывается правилом
Figure 00000353
.where
Figure 00000360
is a given parameter that specifies what minimum match value is sufficient to consider that the rule
Figure 00000353
adequately describes the object
Figure 00000337
. If the condition is met, then it is considered that the given object o is covered by the rule
Figure 00000353
.

Шаги 7.2.1 и 7.2.2 выполняются для всех экземпляров, относящихся к классу

Figure 00000090
, и на основании получаемых данных увеличивается счетчик
Figure 00000361
, в котором хранится количество экземпляров, покрываемых правилом
Figure 00000353
. Steps 7.2.1 and 7.2.2 are performed for all instances belonging to the class
Figure 00000090
, and based on the received data, the counter is incremented
Figure 00000361
, which stores the number of instances covered by the rule
Figure 00000353
.

Шаг 7.3. Проверить условие:

Figure 00000362
где
Figure 00000363
- предельное минимальное количество экземпляров
Figure 00000090
-го класса, которое должно покрываться правилом. Если указанное условие выполняется, то считается, что правило покрывает необходимое количество экземпляров, и
Figure 00000082
-й агент завершил свое перемещение, выполняется переход к шагу 8. Step 7.3. Check condition:
Figure 00000362
where
Figure 00000363
- maximum minimum number of instances
Figure 00000090
th class to be covered by the rule. If the specified condition is met, then the rule is considered to cover the required number of instances, and
Figure 00000082
The th agent has completed its move, go to step 8.

В противном случае - выполняется переход к шагу 5. Otherwise, go to step 5.

Шаг 8. Если

Figure 00000364
, то установить:
Figure 00000365
и выполнить переход к шагу 5. В противном случае - переход к шагу 9. Step 8. If
Figure 00000364
then install:
Figure 00000365
and go to step 5. Otherwise, go to step 9.

Шаг 9. Если

Figure 00000366
, то установить:
Figure 00000077
и выполнить переход к шагу 4. В противном случае - переход к шагу 10. Шаг 10. Случайным образом формируются базы правил. Создается
Figure 00000367
баз правил, при этом для описания каждого класса выходного значения выбирается одно правило из соответствующего пространства поиска.Step 9. If
Figure 00000366
then install:
Figure 00000077
and go to step 4. Otherwise, go to step 10. Step 10. Rule bases are generated randomly. Created
Figure 00000367
rule bases, and one rule from the corresponding search space is selected to describe each class of the output value.

Шаг 11. Оценка качества сформированных баз правил. Для оценки качества баз правил используется входная обучающая выборка, для каждого экземпляра которой выбирается правило с самой высокой степенью совпадения, на основании которого определяется расчетный класс, к которому относится данный экземпляр, основываясь на соответствующей базе правил. Step 11. Evaluation of the quality of the generated rule bases. To assess the quality of rule bases, an input training sample is used, for each instance of which the rule with the highest degree of coincidence is selected, on the basis of which the calculation class to which this instance belongs is determined based on the corresponding rule base.

Основываясь на данных, полученных при помощи базы знаний, исходя из заданной обучающей выборки, рассчитываем оценку качества базы правил:

Figure 00000368
где
Figure 00000369
- количество экземпляров, для которых класс был определен неверно с помощью заданной базы правил;
Figure 00000066
- качество прогнозирования класса экземпляров на основе соответствующей базы правил.Based on the data obtained using the knowledge base, based on the given training sample, we calculate the quality score of the rule base:
Figure 00000368
where
Figure 00000369
- the number of instances for which the class was determined incorrectly using the given rule base;
Figure 00000066
- the quality of predicting a class of instances based on the corresponding rule base.

Шаг 12. Проверить условие:

Figure 00000370
где
Figure 00000371
- качество прогнозирования базы знаний, которая характеризуется наилучшей точностью прогнозирования;
Figure 00000372
- приемлемое качество прогнозирования. Если указанное условие выполняется, то производится переход к шагу 17, в противном случае - переход к шагу 13. Шаг 13. Добавление дискретных составляющих (ДС). Добавление ДС выполняется с целью повышения приоритетности тех термов, включение которых в правила способствует повышению качеству прогнозирования результирующих баз правил. Step 12. Check condition:
Figure 00000370
where
Figure 00000371
- the quality of forecasting the knowledge base, which is characterized by the best forecasting accuracy;
Figure 00000372
- acceptable quality of forecasting. If the specified condition is met, then go to step 17, otherwise go to step 13. Step 13. Adding discrete components (DS). The addition of DS is carried out in order to increase the priority of those terms, the inclusion of which in the rules improves the quality of prediction of the resulting rule bases.

В связи с этим количество добавляемого коэффициента приоритетности прямо пропорционально качеству прогнозирования базы правила, в которое входит заданное нечеткое правило. При этом добавление ДС предлагается выполнять только для тех термов, входящих в правила баз нечетких правил, для которых выполняется условие:

Figure 00000373
где
Figure 00000374
- коэффициент, определяющий, насколько близко качество прогнозирования базы правил
Figure 00000375
должно приближаться к лучшему качеству прогнозирования
Figure 00000376
, чтобы можно было применять процедуру добавления ДС для правил, входящих в данную базу правил
Figure 00000377
. Таким образом, добавление ДС выполняется для каждого терма, входящего в правило, которое, в свою очередь, входит в базу правил
Figure 00000377
.
Figure 00000378
где
Figure 00000379
- количество ДС для терма
Figure 00000195
в пространстве поиска для класса
Figure 00000073
, который определяется с помощью соответствующего правила.In this regard, the number of added priority coefficient is directly proportional to the quality of prediction of the base of the rule, which includes the given fuzzy rule. At the same time, it is proposed to add DS only for those terms included in the rules of the fuzzy rule bases for which the following condition is satisfied:
Figure 00000373
where
Figure 00000374
- a coefficient that determines how close the quality of the rule base prediction is
Figure 00000375
should approach the best prediction quality
Figure 00000376
, so that you can apply the procedure for adding DS for the rules included in this rule base
Figure 00000377
. Thus, adding a DS is performed for each term included in the rule, which, in turn, is included in the rule base
Figure 00000377
.
Figure 00000378
where
Figure 00000379
- number of DS for the term
Figure 00000195
in the search space for the class
Figure 00000073
, which is determined using the corresponding rule.

Шаг 14. Исключение ДС. Для исключения худших термов, то есть таких, которые при включении их в правила, понижают качество прогнозирования с помощью соответствующего правила, применяют процедуру исключения ДС, которая выполняется в конце каждой итерации и применяется для всех узлов во всех графах поиска. Исключение ДС морской цели (МЦ) выполняется в соответствии с формулой :

Figure 00000380
где
Figure 00000381
- коэффициент исключения, который задается при инициализации.Step 14. Exclusion of DS. To eliminate the worst terms, that is, those that, when included in the rules, lower the quality of prediction using the corresponding rule, the DS elimination procedure is used, which is performed at the end of each iteration and is applied to all nodes in all search graphs. The exclusion of the DS of a sea target (MC) is carried out in accordance with the formula:
Figure 00000380
where
Figure 00000381
- exclusion factor, which is set during initialization.

Шаг 15. Если

Figure 00000382
, тогда установить:
Figure 00000383
и выполнить переход к шагу 16, в противном случае - считается, что выполнено максимально допустимое количество итераций, и выполняется переход к шагу 17. Шаг 16. Перезапуск агентов. Все данные обновляются, агенты размещаются в случайные точки пространств поиска. Переход к шагу 3. Шаг 17. Останов.Step 15 If
Figure 00000382
then install:
Figure 00000383
and go to step 16, otherwise, it is considered that the maximum allowable number of iterations has been completed, and go to step 17. Step 16. Restart agents. All data is updated, agents are placed at random points in search spaces. Go to step 3. Step 17. Stop.

На основе проведенных экспериментов были получены базы нечетких правил, которые характеризовались точностью классификации МЦ в 85,6 %, что обеспечивает формирование редуцированной базы нечетких правил, которая характеризуется достаточно точными результатами, сокращая при этом временные затраты на расчет. Существенным достоинством данного способа, является то, что поиск производится одновременно на нескольких графах, что позволяет контролировать влияние термов на качество прогнозирования распознавания разных классов МЦ. В процессе работы способа постоянно происходит коррекция данных обновляемой библиотеки математически обработанных образов спектрограмм МЦ, статистики классификационной характеристики, уточняется описание классов МЦ для текущих гидролого-акустических и помехосигнальных условий, на основании чего формируется актуальный порог для классификации. On the basis of the experiments, fuzzy rule bases were obtained, which were characterized by an MC classification accuracy of 85.6%, which ensures the formation of a reduced fuzzy rule base, which is characterized by fairly accurate results, while reducing the time spent on calculation. An essential advantage of this method is that the search is performed simultaneously on several graphs, which allows you to control the influence of terms on the quality of prediction of recognition of different classes of MC. During the operation of the method, the data of the updated library of mathematically processed images of the MC spectrograms, the statistics of the classification characteristic are constantly corrected, the description of the MC classes for the current hydrological-acoustic and noise signal conditions is refined, on the basis of which the actual threshold for classification is formed.

Таким образом, обнаружив цель по признакам амплитудно-фазовой модуляции низкочастотных сигналов накачки морской среды излучениями и полями объекта, и используя для выполнения операций распознавания, трактом нейросетевого распознавания и классификации морской цели, модифицированную комбинированную распознающую сеть, состоящую из сетей Кохонена, Гросберга и сети MAXNET, параметры настройки которых регулирует тракт синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков в виде шестислойной нейронечеткой сети Ванга-Менделя, позволяющий на основе обучающих выборок данных создавать структуру логически прозрачных нейронных и нейронечетких сетей, а также настраивать их параметры без оптимизационной подгонки весов, синтезировать нейронные и нейронечеткие модели в неитеративном режиме с линеаризацией, факторной группировкой и сверткой признаков, для распознавания класса МЦ трактом нейросетевого распознавания и классификации морской цели по амплитудно-частотным характеристикам в автоматизированном режиме, принятия решения о степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации (надводный или подводный объект). По результатам экспериментальных данных, эффективность классификации морских целей в заявленном способе увеличивается на 5-7 % относительно прототипа и других способов классификации, использующих модуляции низкочастотных сигналов накачки морской среды излучениями и полями объектов. Способ промышленно применим, так как для его реализации используются распространенные компоненты и изделия радиотехнической промышленности и вычислительной техники.Thus, by detecting the target by the signs of amplitude-phase modulation of low-frequency pumping signals of the marine environment by the radiations and fields of the object, and using the modified combined recognition network consisting of the Kohonen, Grosberg networks and the MAXNET network to perform recognition operations, the path of neural network recognition and classification of the marine target , the settings of which are regulated by the synthesis path of neural network and neuro-fuzzy recognizing models with feature grouping in the form of a six-layer neuro-fuzzy Wang-Mendel network, which allows, based on training data samples, to create a structure of logically transparent neural and neuro-fuzzy networks, as well as to tune their parameters without optimization fitting of weights, to synthesize neural and neuro-fuzzy models in a non-iterative mode with linearization, factorial grouping and convolution of features, for recognition of the MC class by the path of neural network recognition and classification of a sea target by amplitude-frequency character logists in an automated mode, making a decision on the degree of belonging of the studied region of the spectrum to the object of classification (surface or underwater object). According to the results of experimental data, the classification efficiency of marine targets in the claimed method is increased by 5-7% relative to the prototype and other classification methods using modulation of low-frequency pumping signals of the marine environment by radiation and object fields. The method is industrially applicable, since common components and products of the radio engineering industry and computer technology are used for its implementation.

Claims (1)

Способ обнаружения и классификации морских целей на базе нейросетевых технологий и элементов искусственного интеллекта, заключающийся в том, что сначала формируют в морской среде зону нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн накачки с сигналами объекта, для чего излучатель и приемную антенну размещают на противоположных границах контролируемого участка морской среды, затем волны накачки, промодулированные сигналами объекта, принимают и усиливают в полосе параметрического преобразования, переносят их частотно-временной масштаб в высокочастотную область, проводят узкополосный спектральный анализ, выделяют параметрические составляющие суммарной или разностной частоты, по которым с учетом временного и параметрического преобразования волн восстанавливают характеристики сигналов объекта, которые подают в тракт нейросетевого распознавания и классификации, состоящий из блока распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам, реализующего вычислительные операции искусственной нейронной сети и охваченного обратной связью с блоком обучения, в память которого записаны данные математически обработанных образов спектрограмм морских целей, причем на первый вход блока распознавания класса цели по амплитудно-частотным характеристикам поступают данные с выхода спектроанализатора, охваченного обратной связью с регистратором тракта приема, обработки и регистрации сигналов, а на второй его вход поступают данные с блока обучения тракта нейросетевого распознавания и классификации, отличающийся тем, что далее данные поступают на вход блока анализа информации о признаках и топологии обучающей выборки дополнительно введенного тракта синтеза нейросетевых и нейронечетких распознающих моделей с группировкой признаков, которые подают на вход блока синтеза нейронной сети, охваченного обратной связью с блоком синтеза нейронечетких сетей, выход которого соединен с входом логического устройства, функцию которого выполняет шестислойная нейронечеткая сеть Ванга-Менделя, где производят синтез нейронных и нейронечетких моделей в неитеративном режиме с линеаризацией, факторной группировкой и сверткой признаков морской цели и формируют нечеткий логический вывод для блока обучения тракта нейросетевого распознавания и классификации, после чего искусственную нейронную сеть настраивают и формируют вывод о степени принадлежности исследуемой области спектра объекту классификации (надводный или подводный объект).A method for detecting and classifying marine targets based on neural network technologies and elements of artificial intelligence, which consists in first forming in the marine environment a zone of nonlinear interaction and parametric conversion of pump waves with object signals, for which the emitter and receiving antenna are placed on opposite boundaries of the controlled area of the sea medium, then the pump waves, modulated by the signals of the object, are received and amplified in the parametric conversion band, their frequency-time scale is transferred to the high-frequency region, a narrow-band spectral analysis is performed, the parametric components of the sum or difference frequency are isolated, by which, taking into account the temporal and parametric conversion of the waves restore the characteristics of the object's signals, which are fed into the neural network recognition and classification path, consisting of a target class recognition unit based on amplitude-frequency characteristics, which implements computational operations of an artificial neural network and covered by feedback with a learning unit, in whose memory data of mathematically processed images of spectrograms of sea targets are recorded, and the first input of the target class recognition unit by amplitude-frequency characteristics receives data from the output of the spectrum analyzer, covered by feedback from the reception path recorder , processing and registration of signals, and its second input receives data from the training block of the path of neural network recognition and classification, characterized in that further data is fed to the input of the block for analyzing information about the features and topology of the training sample of the additionally introduced path for the synthesis of neural network and neuro-fuzzy recognition models with grouping of features that are fed to the input of the neural network synthesis unit, covered by feedback from the neuro-fuzzy networks synthesis unit, the output of which is connected to the input of a logical device, the function of which is performed by a six-layer Wang neuro-fuzzy network -Mendel, where neural and neuro-fuzzy models are synthesized in a non-iterative mode with linearization, factorial grouping and convolution of sea target features and a fuzzy logical conclusion is formed for the training block of the neural network recognition and classification path, after which the artificial neural network is tuned and a conclusion is formed about the degree of belonging to the studied area of the spectrum to the object of classification (surface or underwater object).
RU2021137003A 2021-12-14 Method for detecting and classifying naval targets based on neural network technologies and artificial intelligence elements RU2780606C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2780606C1 true RU2780606C1 (en) 2022-09-28

Family

ID=

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2810699C1 (en) * 2023-05-15 2023-12-28 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for classifying hydroacoustic noise emission signals of marine target
CN117311366A (en) * 2023-11-21 2023-12-29 南京禄口国际机场空港科技有限公司 Path control method, system and storage medium applied to lawn mower of airport
CN118372260A (en) * 2024-06-24 2024-07-23 山东大学 Multi-robot unknown environment exploration method and system based on asymmetric topology characterization

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2472116C1 (en) * 2011-06-15 2013-01-10 Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) Hydro acoustic system of parametric reception of different-origin waves in sea water
RU2681242C1 (en) * 2018-05-21 2019-03-05 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) Intellectual system for detection and classification of marine targets
RU2682088C1 (en) * 2018-06-05 2019-03-14 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) Method of detection and neural network recognition of the signs of the fields of different physical nature generated by marine purposes
RU2687994C1 (en) * 2018-05-08 2019-05-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method of classification of marine objects based on weight coefficients of their classification features
RU2695527C1 (en) * 2018-12-05 2019-07-23 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) Scalable system for detection and classification of marine targets with elements of artificial intelligence
CN111624585A (en) * 2020-05-21 2020-09-04 西北工业大学 Underwater target passive detection method based on convolutional neural network

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2472116C1 (en) * 2011-06-15 2013-01-10 Учреждение Российской академии наук Специальное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований Дальневосточного отделения РАН (СКБ САМИ ДВО РАН) Hydro acoustic system of parametric reception of different-origin waves in sea water
RU2687994C1 (en) * 2018-05-08 2019-05-17 Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" Method of classification of marine objects based on weight coefficients of their classification features
RU2681242C1 (en) * 2018-05-21 2019-03-05 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) Intellectual system for detection and classification of marine targets
RU2682088C1 (en) * 2018-06-05 2019-03-14 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) Method of detection and neural network recognition of the signs of the fields of different physical nature generated by marine purposes
RU2695527C1 (en) * 2018-12-05 2019-07-23 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) Scalable system for detection and classification of marine targets with elements of artificial intelligence
CN111624585A (en) * 2020-05-21 2020-09-04 西北工业大学 Underwater target passive detection method based on convolutional neural network

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2810699C1 (en) * 2023-05-15 2023-12-28 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for classifying hydroacoustic noise emission signals of marine target
CN117311366A (en) * 2023-11-21 2023-12-29 南京禄口国际机场空港科技有限公司 Path control method, system and storage medium applied to lawn mower of airport
CN118372260A (en) * 2024-06-24 2024-07-23 山东大学 Multi-robot unknown environment exploration method and system based on asymmetric topology characterization

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Mishra et al. A new meta-heuristic bat inspired classification approach for microarray data
CN109993280A (en) A kind of underwater sound source localization method based on deep learning
RU2694846C1 (en) Method for formation of marine monitoring system with programmable neuron network control system
Theocharis A high-order recurrent neuro-fuzzy system with internal dynamics: Application to the adaptive noise cancellation
Yang et al. Underwater acoustic research trends with machine learning: general background
Adeniran et al. A competitive ensemble model for permeability prediction in heterogeneous oil and gas reservoirs
Saffari et al. Fuzzy Grasshopper Optimization Algorithm: A Hybrid Technique for Tuning the Control Parameters of GOA Using Fuzzy System for Big Data Sonar Classification.
Askari A novel and fast MIMO fuzzy inference system based on a class of fuzzy clustering algorithms with interpretability and complexity analysis
Sova et al. Development of an algorithm to train artificial neural networks for intelligent decision support systems
KR102120150B1 (en) Learning method and learning device for variational interference using neural network and test method and test device for variational interference using the same
Dudek Data-driven randomized learning of feedforward neural networks
Abu-Abed et al. Drilling rig operation mode recognition by an artificial neuronet
CN117910346A (en) Robust unsupervised field self-adaptive target positioning method based on generalization theory energization
RU2780606C1 (en) Method for detecting and classifying naval targets based on neural network technologies and artificial intelligence elements
Zhao et al. A novel binary bat algorithm with chaos and Doppler effect in echoes for analog fault diagnosis
RU2780607C1 (en) System for detecting and classifying naval targets based on neural network technologies and artificial intelligence elements
Saravanan et al. A comprehensive approach on predicting the crop yield using hybrid machine learning algorithms
KR102110316B1 (en) Method and device for variational interference using neural network
RU2726992C1 (en) System for detection and classification of sea targets using mathematical model of target type determination
RU2763125C1 (en) Method for operational identification of marine targets by their information fields based on neuro-fuzzy models
Görnitz et al. Transductive regression for data with latent dependence structure
RU2763384C1 (en) System for operational identification of marine targets by their information fields based on neuro-fuzzy models
RU2724990C1 (en) Method of detecting and classifying sea targets using a mathematical model of determining the type of target
Ruotsalainen et al. Learning of a tracker model from multi-radar data for performance prediction of air surveillance system
Asoodeh et al. NMR parameters determination through ACE committee machine with genetic implanted fuzzy logic and genetic implanted neural network