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 PDFInfo
- 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
Links
- 230000001537 neural Effects 0.000 title claims abstract description 112
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 41
- 230000002194 synthesizing Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 29
- 230000000051 modifying Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 16
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 10
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 abstract description 10
- 230000001131 transforming Effects 0.000 abstract description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000003595 spectral Effects 0.000 abstract 1
- 210000002569 neurons Anatomy 0.000 description 55
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 description 17
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 14
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 12
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 12
- 210000000225 Synapses Anatomy 0.000 description 11
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 11
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 10
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 9
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 8
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 7
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 6
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 6
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 238000007635 classification algorithm Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 4
- 230000003044 adaptive Effects 0.000 description 3
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 3
- 230000000946 synaptic Effects 0.000 description 3
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 238000007621 cluster analysis Methods 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 210000004205 output neuron Anatomy 0.000 description 2
- 230000003334 potential Effects 0.000 description 2
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory Effects 0.000 description 2
- 230000001502 supplementation Effects 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001242 postsynaptic Effects 0.000 description 1
- 238000007781 pre-processing Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000000306 recurrent Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
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).
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 ,
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
; . ; .
где γ - коэффициент нелинейности морской среды; , - частота волны накачки и полезного сигнала, соответственно; , - затухание волны накачки и полезного сигнала, соответственно; - объем среды нелинейного взаимодействия и параметрического преобразования волн; - расстояние от точки излучения до точки расположения объекта; - плотность, - скорость звука в морской среде. where γ is the coefficient of nonlinearity of the marine environment; , are the frequency of the pump wave and the useful signal, respectively; , are the attenuation of the pump wave and the useful signal, respectively; - the volume of the medium of nonlinear interaction and parametric transformation of waves; - distance from the point of radiation to the point of location of the object; - density, 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)
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:
где , - результирующее и мгновенное значения давления модулированной волны, соответственно; - удвоенная частота модулированной волны; - волна, генерируемая объектом; - время;
- функции Бесселя n-го порядка; - амплитуда модулированной волны; - 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 .where , - resulting and instantaneous pressure values of the modulated wave, respectively; - doubled frequency of the modulated wave; - wave generated by the object; - time;
- Bessel functions of the nth order; - amplitude of the modulated wave; - 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 .
При малых значениях коэффициента модуляции 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 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:
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:
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 The normalization of the input feature vector obtained after the analysis of the masks by the MAXNET network is performed according to the expression
Границы диапазона значений известны и определяются моделью входного гидроакустического сигнала.Value Range Bounds 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: где Т - вектор синаптических весов сети; (Х*,Y*) - обучающие пары; - 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: where T is the vector of synaptic weights of the network; (Х * ,Y * ) - training pairs; - 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 .
Задать пороговое значение , . Set Threshold , .
Рассчитать логарифмы значений признаков для всех экземпляров и расширить набор признаков : .Calculate logarithms of feature values for all instances and expand feature set : .
Шаг 2. Найти минимальные и максимальные значения признаков.
Пронормировать значения признаков для :Normalize feature values for :
Шаг 3. Найти коэффициенты, характеризующие устойчивые связи признаков и их логарифмов, . Например, коэффициенты парной корреляции:
Шаг 4. Сгруппировать признаки.
Шаг 4.1. Установить количество групп признаков: .Step 4.1. Set the number of feature groups: .
Шаг 4.2. Найти в матрице элемент с максимальным по модулю значением: . Определить знак .Step 4.2. Find in matrix the element with the maximum modulo value: . Define sign .
Шаг 4.3. Если , то перейти на шаг 4.5.Step 4.3. If a , then go to step 4.5.
Шаг 4.4. Если , то выполнить шаги 4.4.1 - 4.4.4.Step 4.4. If a , then follow steps 4.4.1 - 4.4.4.
Шаг 4.4.1. Установить: .Step 4.4.1. Install: .
Шаг 4.4.2. Для всех : если и , то установить:
.Step 4.4.2. For all : if and then install:
.
Шаг 4.4.3. Установить: .Step 4.4.3. Install: .
Шаг 4.4.4. Перейти на шаг 4.2.Step 4.4.4. Go to step 4.2.
Шаг 4.5. Если , тогда принять: , перейти на шаг 4.5, в противном случае - перейти на шаг 4.6. Step 4.5. If a then accept: , go to step 4.5, otherwise go to step 4.6.
Шаг 4.6. Установить , для всех , для которых значение не было установлено. Шаг 4.7. Для , установить:Step 4.6. Install , for all , for which the value has not been established. Step 4.7. For , install:
Шаг 4.8. Для , установить:
.Step 4.8. For , install:
.
Шаг 5. Найти коэффициенты , характеризующие тесноту связи признаков и номера класса, такие, что , и с увеличением значения возрастает значимость признака для определения класса.
Шаг 6. Выполнить кластер-анализ обучающей выборки: разбить ее на кластеры , где - количество кластеров, определить координаты центров кластеров . Кластер-анализ можно выполнить, используя методы [2, 12]. Определить четкую принадлежность кластеров к каждому из классов.
Шаг 7. Разбить ось значений каждого признака на интервалов (термов) и определить их параметры для синтеза нейронных и нейронечетких сетей.
Шаг 7.1. Установить номер текущего признака: .Step 7.1. Set current feature number: .
Шаг 7.2. Если , тогда перейти на шаг 7.6, в противном случае - перейти на шаг 7.3.Step 7.2. If a , then go to step 7.6, otherwise go to step 7.3.
Шаг 7.3. Установить номер текущего интервала значений текущего признака .Step 7.3. Set the number of the current interval of values of the current attribute .
Шаг 7.4. Если , тогда перейти на шаг 7.5, в противном случае - установить для текущего :Step 7.4. If a , then go to step 7.5, otherwise, set for the current :
Принять: . Перейти на шаг 7.4.To accept: . Go to step 7.4.
Шаг 7.5. Принять: . Перейти на шаг 7.2.Step 7.5. To accept: . Go to step 7.2.
Шаг 7.6. На основе параметров и определить и - номера класса и кластера для -го терма, :Step 7.6. Parameter Based and define and - class and cluster numbers for th term, :
Шаг 8. Задать функции принадлежности распознаваемого экземпляра к нечетким термам. Для этого предлагается использовать трапециевидные функции:
либо П-образные функции: , где - функция принадлежности распознаваемого экземпляра по признаку к -му терму -го признака, - -образная функция, а - -образная функция:or U-shaped functions: , where - membership function of a recognizable instance by feature to term -th sign, - -shaped function, and - -shaped function:
либо треугольные функции:or triangular functions:
либо функции Гаусса: or Gaussian functions:
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:
где - дискриминантная (постсинаптическая, весовая) функция -го нейрона -го слоя, - набор весовых коэффициентов -го нейрона -го слоя, - весовой коэффициент -го входа -го нейрона -го слоя, - набор входов -го нейрона -го слоя, - значение на -ом входе -го нейрона -го слоя нейронной сети.where - discriminant (postsynaptic, weight) function -th neuron th layer, - set of weight coefficients -th neuron th layer, - weight coefficient -th entrance -th neuron th layer, - a set of inputs -th neuron th layer, - value on -th input -th neuron th layer of the neural network.
Функции активации нейронов будут задаваться формулами:The activation functions of neurons will be given by the formulas:
где - функция активации -го нейрона -го слоя нейросети.where - activation function -th neuron 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:
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 , ; подаются все компоненты входного вектора Число нейронов во втором (скрытом) слое определяется взаимным расположением и формой разделяемых множеств.For each neuron of the first layer through synapses with weights , ; all components of the input vector are fed 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 ; 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 ; 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 ; подаются выходные сигналы второго слоя. Значения выходных сигналов третьего слоя образуют вектор решений. Нейроны, составляющие сеть, одинаковы и имеют функцию активации известного типа где , и - значения -го входного сигнала, выходного сигнала и внешнего смещения -го нейрона -го слоя; - число нейронов в -м слое; For each neuron of the third layer through synapses with weights ; the output signals of the second layer are applied. The values of the output signals of the third layer form a vector solutions. The neurons that make up the network are the same and have an activation function of a known type where , and - values th input signal, output signal and external bias -th neuron -th layer; - number of neurons in -th layer;
Предварительная обработка входных векторов производится нормализацией входного вектора признаков, полученного после анализа масок сетью MAXNET или после получения статистических оценок согласно выражения Границы диапазона значений 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 Value Range Bounds 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
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: 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:
где - -й компонент желаемого выходного вектора классификатора; - выходной сигнал j-го нейрона слоя Кохонена, при обучении S-му входному вектору признаков. where - -th component of the desired classifier output vector; - 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) на нейроны слоя Кохонена. Входные потенциалы нейронов 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) on the neurons of the Kohonen layer. Input potentials of neurons 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 вектор входа поступает на нейроны выходного слоя Гросберга, которые функционируют согласно следующего алгоритма: 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 the input vector goes to the neurons of the Grosberg output layer, which function according to the following algorithm: 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 . 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 . The second layer performs aggregation of condition activation values using one of the algebras:
1) - конъюнкция Геделяone) - Gödel conjunction
2) - конъюнкция Гогена2) - Gauguin conjunction
3) - конъюнкция Лукасевича (трехзначная логика Я. Лукасевича)3) - conjunction of Lukasiewicz (three-valued logic of J. Lukasiewicz)
В третьем слое заложена нечеткая импликация:The third layer contains a fuzzy implication:
1) - нечеткая импликация Геделяone) - fuzzy Gödel implication
2) - нечеткая импликация Гогена2) - Gauguin's fuzzy implication
3) - нечеткая импликация Лукасевича3) - Lukasiewicz's fuzzy implication
В четвертом слое осуществляется агрегирование правил вывода и генерация нормализующего сигнала. Используемые операции:In the fourth layer, aggregation is carried out inference rules and generation of a normalizing signal. Operations used:
1) - дизъюнкция Геделяone) - Gödel disjunction
2) - дизъюнкция Гогена2) - Gauguin disjunction
3) - дизъюнкция Лукасевича3) - Lukasiewicz disjunction
Пятый слой состоит из двух выходных нейронов, третий нейрон служит для нормализации, формируя выходные сигналы и . The fifth layer consists of two output neurons, the third neuron is used for normalization, generating output signals and .
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:
. .
где - количество выходов.where - 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:
где - количество нейронов в -ом слое сети.where - the number of neurons in 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:
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:
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:
где - количество нейронов в -ом слое сети.where - the number of neurons in 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:
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:
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
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
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
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
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
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
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 используется следующее выражение:For a neural network implementation of comparing distances and determining the value the following expression is used:
где - логистическая функция. Если функция будет дискретной, например, пороговой:where - logistic function. If the function will be discrete, for example, threshold:
, то будет принимать значение 0 или 1. , then will take the
Если функция будет вещественной, например, сигмоидной:
, то 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 will be real, for example, sigmoid:
, then 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
Для вычисления разности расстояний подставляются соответствующие выражения:To calculate the distance difference the corresponding expressions are substituted:
После математических преобразований получаем:After mathematical transformations, we get:
где
where
Выражения для и вычисляются на основе формального нейрона, имеющего один вход, на который подается значение или , вес которого равен или , соответственно. Порог нейрона (нулевой вес) в этом случае будет равен или соответственно. Expressions for and calculated on the basis of a formal neuron that has one input, to which a value is supplied or , whose weight is or , respectively. The neuron threshold (zero weight) in this case will be equal to or 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 -го нейрона -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 -th neuron th layer:
Весовой коэффициент -го входа -го нейрона -го слоя:Weight coefficient -th entrance -th neuron th layer:
Значения выходных сигналов третьего слоя образуют вектор решений . 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 . The recognition network of the target class recognition block 8.1 according to the amplitude-frequency characteristics of the neural network recognition and
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
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 .Initialization stage. Set Initial Data Sample .
Этап анализа характеристик выборки. Определить - соответственно, минимальное и максимальное значения -го признака,
. Определить число интервалов для каждого признака: , а также длины интервалов: .The stage of analysis of sample characteristics. Define - respectively, the minimum and maximum values -th sign,
. Determine the number of intervals for each feature: , as well as the lengths of the intervals: .
Этап расчета обобщенных признаков. Для каждого -го экземпляра,
: определить - номер интервала значений по каждому -му признаку, , в который попадает -й экземпляр рассчитать координату -го экземпляра по обобщенной осиStage of calculation of generalized features. For everybody -th instance,
: define - the number of the interval of values for each -th sign, , into which -th copy calculate coordinate -th instance along the generalized axis
Это позволяет отобразить исходную выборку на одномерную обобщенную ось (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 (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 . Упорядочить набор в порядке неубывания значений . Просматривая обобщенную ось в порядке увеличения ее значений, определить граничные значения ее интервалов , в которых номер класса остается неизменным, где - соответственно левое и правое граничные значения -го интервала обобщенной оси. Обозначим: - номер класса, соответствующий -му интервалу обобщенной оси; - число интервалов обобщенной оси.Stage of analysis of the generalized axis. Form a set of tuples . Arrange set in non-decreasing order of values . Looking through the generalized axis in increasing order of its values, determine the boundary values of its intervals , in which the class number remains unchanged, where - respectively, the left and right boundary values th interval of the generalized axis. Denote: - class number corresponding to -th interval of the generalized axis; - number of intervals of the generalized axis.
Этап анализа характеристик интервалов. Для каждого -го интервала обобщенной оси, , определить - число попавших в него экземпляров, а также номера этих экземпляров.The stage of analysis of the characteristics of the intervals. For everybody -th interval of the generalized axis, , define - the number of copies that fell into it, as well as the numbers of these copies.
Этап формирования обучающей выборки. Среди экземпляров -го интервала включить в обучающую выборку все экземпляры:The stage of formation of the training sample. Among instances -th interval to include in the training sample all instances:
его класса, находящиеся на одной из границ интервала its class, located on one of the boundaries of the interval
его класса, ближайшие к одной из границ интервала:of its class closest to one of the boundaries of the interval:
где - пороговый коэффициент, регулирующий близость экземпляров к границам интервала (например, можно задать: );where - threshold coefficient that regulates the proximity of instances to the boundaries of the interval (for example, you can set: );
интервалов с малым числом экземпляров:intervals with a small number of instances:
где - некоторый пороговый коэффициент, (например, можно задать: ); - среднее число экземпляров в интервале обобщенной оси.where - some threshold coefficient, (for example, you can set: ); - 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 (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 (to simplify and speed up calculations, we will operate with squared distances):
Отметим, что Note that
До тех пор, пока , необходимо выполнять в цикле действия: найти в матрице расстояний два экземпляра с наименьшим расстоянием между собой:Until , it is necessary to perform in the action loop: find two instances in the distance matrix with the smallest distance between them:
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
Скорректировать соответствующим образом элементы матрицы , установив: 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 Adjust matrix elements accordingly by setting: 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
Последовательно для каждого -го экземпляра выборки , относительно экземпляров сформированной выборки найти расстояние (квадрат расстояния) от него до каждого экземпляра выборки :consecutively for each -th copy samples , relative to the instances of the generated sample find the distance (squared distance) from it to each instance of the sample :
если ближайший к -му экземпляру экземпляр сформированной выборки принадлежит к другому классу, то включить его в выборку :if closest to -th instance, an instance of the generated selection belongs to another class, then include it in the selection :
В результате выполнения данного метода для исходной выборки получаем сформированную обучающую выборку , 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 we get the formed training sample , 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 . Шаг 2. По оси каждого признака определить одномерные расстояния между экземплярами: Среди полученных расстояний найти минимальное расстояние, большее нуля:
Шаг 3. Для каждого признака определить количество интервалов разбиения диапазона его значений:
а также определить длину интервала наблюдаемых значений каждого признака: Шаг 4. Разбить ось -го признака на интервалов. Определить координаты левых и правых границ для каждого -го интервала -го признака по формулам:and also determine the length of the interval of observed values of each feature:
Шаг 5. Сформировать блоки-кластеры и задать номера их классов путем выполнения шагов 5.1 - 5.8. Шаг 5.1. Сформировать прямоугольные блоки , в -мерном пространстве признаков на пересечении соответствующих интервалов значений признаков. Занести в номер интервала -го признака, который соответствует -му блоку. Шаг 5.2. Определить номера классов для прямоугольных блоков в -мерном пространстве признаков:
Установить коэффициент уверенности классификации для блоков:Set classification confidence factor for blocks:
Шаг 5.3. Для тех блоков, у которых , установить: Step 5.3. For those blocks that have , install:
где - количество экземпляров -го класса, попавших в -й блок-кластер.where - number of copies -th class, caught in th block cluster.
Шаг 5.4. Для тех блоков, у которых номер класса ,
, определить расчетный номер класса, для чего предлагается использовать модифицированный нерекуррентный метод потенциальных функций. Шаг 5.5. Вычислить расстояние между -м и -м блоками:Step 5.4. For those blocks that have a class number ,
, 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 -m and -m blocks:
, ,
как: .how: .
Или где . Or where .
При этом Шаг 5.6. Определить потенциал, наводимый совокупностью блоков, принадлежащих к -му классу, на -й блок с неизвестной классификацией:Wherein Step 5.6. Determine the potential induced by a set of blocks belonging to -th class, on -th block with unknown classification:
где - количество блоков, принадлежащих к -му классу, - количество экземпляров обучающей выборки, попавших в -й блок. Шаг 5.7. Установить номер класса для -го блока с неизвестной классификацией по формуле:where - the number of blocks belonging to -th class, - the number of instances of the training sample that fell into -th block. Step 5.7. Set class number for th block with unknown classification according to the formula:
Шаг 5.8. Модифицировать значения коэффициентов уверенности для блоков:Step 5.8. Modify values of confidence coefficients for blocks:
Шаг 6. Выполнить объединение смежных блоков-кластеров. Выполнить объединение смежных блоков, принадлежащих к одному и тому же классу:
для : если , for : if ,
и and
тогда объединить блоки и по -му признаку:then merge the blocks and on -th sign:
- установить:- install:
- удалить -й блок: .- delete -th block: .
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 , , , , ; ; то необходимо из набора новых наблюдений исключить те наблюдения, которые попадают в блоки имеющегося разбиения и соответствуют им по номеру класса, скорректировав соответствующим образом . Для тех наблюдений, которые не совпадают с классами блоков, целесообразно сформировать отдельные точечные кластеры.
Для каждого нового наблюдения сформировать интервалы по признакам и занести в , номера интервалов для каждого -го признака, соответствующие новому кластеру, а также определить: For each new observation, form intervals according to features and enter them into , interval numbers for each -th feature corresponding to the new cluster, and also determine:
где - некоторая константа, 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 .where - some constant, 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 .
Для этапа анализа характеристик выборки вычислительная сложность составит , а пространственная - . Для этапа расчета обобщенных признаков вычислительная сложность может быть оценена как , а пространственная - . Для этапа анализа обобщенной оси вычислительная сложность может быть оценена как , а пространственная - . Для этапа анализа характеристик интервалов вычислительная сложность может быть оценена как , а пространственная - . Для этапа формирования обучающей выборки вычислительная сложность может быть оценена как , а пространственная в виде . Для этапа устранения избыточности ОВ вычислительная и пространственная сложность могут быть оценены соответственно как . Для этапа дополнения (уточнения) обучающей выборки вычислительная и пространственная сложность оцениваются соответственно как . For the stage of analyzing the characteristics of the sample, the computational complexity will be , and the spatial . For the stage of calculating generalized features, the computational complexity can be estimated as , and the spatial . For the generalized axis analysis step, the computational complexity can be estimated as , and the spatial . For the interval characteristics analysis stage, the computational complexity can be estimated as , and the spatial . For the training sample formation stage, the computational complexity can be estimated as , and spatial in the form . For the OB redundancy elimination stage, the computational and space complexity can be estimated, respectively, as . For the stage of supplementing (refinement) of the training sample, the computational and spatial complexity are estimated, respectively, as .
Таким образом, общая сложность метода может быть оценена как: вычислительная - ; пространственная - . Thus, the overall complexity of the method can be estimated as: computational - ; spatial - .
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:
()( )
при наличии обучающего множества .in the presence of a training set .
Для моделирования неизвестного отображения используется алгоритм нечеткого вывода, применяются предикатные правила:To simulate an unknown mapping fuzzy inference algorithm is used, predicate rules are applied:
, ,
где - нечеткие множества описывающие высказывания: «отрицательная», «нулевая», «положительная», «малое», «среднее», «большое» и т.д. - вещественные числа (номер правила). Степень истинности правила - определяется с помощью операции умножения Ларсена (Larsen):where - fuzzy sets describing statements: "negative", "zero", "positive", "small", "medium", "large", etc. - real numbers (rule number). Degree of truth regulations - is determined using the Larsen multiplication operation:
для моделирования логического оператора «И», выход нечеткой системы определяется методом центра тяжести: for modeling the logical operator "AND", the output of a fuzzy system determined by the center of gravity method:
Функция ошибки для i-го предъявленного значения вида: позволяет использовать градиентный метод для подстройки параметров заданных предикатных правил, а величина корректируется по соотношению:Error function for the i-th presented value of the form: allows you to use the gradient method to adjust the parameters of the given predicate rules, and the value corrected according to the ratio:
. .
где - константа, характеризующая скорость обучения сети. Аналогичным образом определяются параметры функции принадлежности.where 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 и ). 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 and ).
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
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 . 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.
где - значение эвристической значимости лингвистического терма для описания класса ; - экземпляр входной выборки, содержащей экземпляров; - значение функции принадлежности объекта терму и классу q, соответственно; - количество лингвистических термов; - количество классов. В каждом пространстве поиска каждому узлу графа поиска ставится в соответствие начальное значение количества дискретных составляющих (ДС) где - значение количества ДС для -го терма в пространстве поиска для -го класса на первой итерации поиска.where - the value of the heuristic significance of a linguistic term to describe a class ; - an instance of the input sample containing copies; - the value of the object membership function termu and class q, respectively; - number of linguistic terms; - 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) where - the value of the number of DS for -th term in the search space for th class at the first iteration of the search.
Шаг 2. Установить: . Шаг 3. Установить: . Шаг 4. Установить: . Шаг 5. Установить: . Шаг 6. Выбор терма для добавления в правило -го агента в пространстве поиска -го класса. Шаг 6.1. Для -го агента на основе правила случайного выбора рассчитывается вероятность включения -го лингвистического терма в правило, описывающего -й класс выходного значения где - вероятность добавления -го терма в правило -го агента в пространстве поиска для -го класса; - множество термов, которые могут быть добавлены в правило -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.
Шаг 6.2. Проверить условие где - случайное число из интервала [0; 1]. Если условие выполняется, тогда лингвистический терм добавляется в правило -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 where - random number from the interval [0; one]. If the condition is met, then the linguistic term added to rule -th agent is removed from the set of possible terms for this agent and go to
Шаг 6.3. Установить . Шаг 6.4. Если были рассмотрены все термы, то установить: . Переход к шагу 6.1. Шаг 7. Проверка завершения перемещения -го агента. Шаг 7.1. Если множество термов, которые -й агент может добавить в формируемое правило, пусто, то выполняется переход к шагу 8. Шаг 7.2. Определяется, сколько экземпляров -го класса покрывает правило -го агента. Шаг 7.2.1. Для экземпляра o, относящегося к классу , рассчитывается степень соответствия сформированного правила Step 6.3. Install . Step 6.4. If all terms have been considered, then set: . Go to step 6.1. Step 7: Verify that the move is complete th agent. Step 7.1. If the set of terms that -th agent can add to the generated rule, is empty, then go to
где - степень соответствия между правилом -го агента и экземпляром ; - мера соответствия между -м атрибутом в правиле и соответствующим атрибутом экземпляра . Данная мера рассчитывается следующим образом:where - the degree of correspondence between the rule -th agent and copy ; - measure of correspondence between -th attribute in the rule and the corresponding instance attribute . This measure is calculated as follows:
где - отдельный терм, относящийся к области описания атрибута ; where - a separate term related to the attribute description area ;
- количество термов, относящихся к области описания атрибута . - the number of terms related to the attribute description area .
Шаг 7.2.2. Проверить условие: Step 7.2.2. Check condition:
где - заданный параметр, который определяет, какое минимальное значения соответствия является достаточным, чтобы считать, что правило в достаточной степени описывает объект . Если условие выполняется, то считается, что данный объект o покрывается правилом .where is a given parameter that specifies what minimum match value is sufficient to consider that the rule adequately describes the object . If the condition is met, then it is considered that the given object o is covered by the rule .
Шаги 7.2.1 и 7.2.2 выполняются для всех экземпляров, относящихся к классу , и на основании получаемых данных увеличивается счетчик , в котором хранится количество экземпляров, покрываемых правилом . Steps 7.2.1 and 7.2.2 are performed for all instances belonging to the class , and based on the received data, the counter is incremented , which stores the number of instances covered by the rule .
Шаг 7.3. Проверить условие: где - предельное минимальное количество экземпляров -го класса, которое должно покрываться правилом. Если указанное условие выполняется, то считается, что правило покрывает необходимое количество экземпляров, и -й агент завершил свое перемещение, выполняется переход к шагу 8. Step 7.3. Check condition: where - maximum minimum number of instances 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 The th agent has completed its move, go to
В противном случае - выполняется переход к шагу 5. Otherwise, go to
Шаг 8. Если , то установить: и выполнить переход к шагу 5. В противном случае - переход к шагу 9.
Шаг 9. Если , то установить: и выполнить переход к шагу 4. В противном случае - переход к шагу 10. Шаг 10. Случайным образом формируются базы правил. Создается баз правил, при этом для описания каждого класса выходного значения выбирается одно правило из соответствующего пространства поиска.
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.
Основываясь на данных, полученных при помощи базы знаний, исходя из заданной обучающей выборки, рассчитываем оценку качества базы правил: где - количество экземпляров, для которых класс был определен неверно с помощью заданной базы правил; - 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: where - the number of instances for which the class was determined incorrectly using the given rule base; - the quality of predicting a class of instances based on the corresponding rule base.
Шаг 12. Проверить условие: где - качество прогнозирования базы знаний, которая характеризуется наилучшей точностью прогнозирования; - 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.
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: где - коэффициент, определяющий, насколько близко качество прогнозирования базы правил должно приближаться к лучшему качеству прогнозирования , чтобы можно было применять процедуру добавления ДС для правил, входящих в данную базу правил . Таким образом, добавление ДС выполняется для каждого терма, входящего в правило, которое, в свою очередь, входит в базу правил . где - количество ДС для терма в пространстве поиска для класса , 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: where - a coefficient that determines how close the quality of the rule base prediction is should approach the best prediction quality , so that you can apply the procedure for adding DS for the rules included in this rule base . Thus, adding a DS is performed for each term included in the rule, which, in turn, is included in the rule base . where - number of DS for the term in the search space for the class , 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 : где - коэффициент исключения, который задается при инициализации.
Шаг 15. Если , тогда установить: 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 then install: and go to step 16, otherwise, it is considered that the maximum allowable number of iterations has been completed, and go to step 17.
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)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2780606C1 true RU2780606C1 (en) | 2022-09-28 |
Family
ID=
Cited By (3)
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)
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)
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)
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 |