Russia, Pskov, Pskov polytechnical institute SPbGTU, e-mail: belov@ppi.psc.ru

THE Technologies of shaping of imitative models of signals and handicaps FOR complex for physical-Mathematical modeling of composite informational systems

In work the review of the basic methods of construction imitative models of signals and handicaps intended for construction complexes of physical-mathematical modeling of composite informational systems is given.

Россия, Псков, Псковский политехнический институт СПбГТУ, e-mail: belov@ppi.psc.ru

В работе дается обзор основных методов построения имитационных моделей сигналов и помех, предназначенных для построения комплексов физико-математического моделирования сложных информационных систем.

В зависимости от полноты имеющихся у исследователя сведений об информационной системе, о режимах ее работы, условиях эксплуатации, свойствах среды распространения рабочих сигналов, о характере внешних воздействий, начальных условиях и т.д. возможны три типичных ситуации [1]:

• Система разрабатывается и известен только предполагаемый алгоритм ее работы. Требуется выбрать наилучший из вариантов ее построения.
• Система разработана и работоспособна, ее структура и алгоритм функционирования известны. Требуется исследовать поведение системы и оптимизировать ее параметры в заданных режимах и условиях работы.
• Система разработана и функционирует, но ее структура и алгоритм неизвестны. Необходимо изучить поведение системы в различных ситуациях с целью ее идентификации.

Одним из самых эффективных приемов решения отмеченных задач является метод физико-математического моделирования (ФММ). При ФММ основные компоненты исследуемого объекта являются реальными действующими техническими подсистемами, а внешние сигналы и помехи воспроизводятся с помощью специализированных средств имитационного моделирования сигнально-помеховой ситуации, содержащих в своем составе математические модели сигналов и помех и средства их воспроизведения, модели и алгоритмы проведения и управления экспериментами, средства диагностики, контроля и накопления экспериментальных данных.

Технологии построения имитационных моделей сигналов и помех базируются на принципе блочного формирования моделей [2] и принципе эквивалентности модели оригиналу [1]. Тождественность компонентов составляющих оригинала и модели (среда распространения рабочих сигналов, взаимодействующие объекты, источники полезных сигналов, искусственных и естественных помех) достигается разными способами в зависимости от степени полноты сведений о свойствах среды эксплуатации изделия, о характеристиках взаимодействующих объектов; в зависимости от задач моделирования и технических возможностей исследователя. По этим признакам можно выделить следующие методы построения имитационных моделей: информационно-тождественный, функциональный, структурных эквивалентов, аналитически-эквивалентный, комплексной огибающей и статистических эквивалентов.

При информационно-тождественном способе компоненты имитационной модели представляют собой структурные образования, воспроизводящие информационные составляющие на входах исследуемого реального изделия в таком виде, в котором они поступают на входы изделия в натурных условиях эксплуатации. Иными словами, в модели должно быть сохранено только подобие информационных свойств сигналов-моделей сигналам-оригиналам без учета особенностей их формирования. В таких моделях средства формирования имитационных сигналов на входах изделия строятся по своим внутренним правилам с учетом математического описания правил преобразования информационных процессов и позволяют воспроизвести лишь внешние информационные свойства входных рабочих сигналов. Область применения подобных моделей ограничена и они используются, как правило, в тех случаях, когда необходимо изучить поведение исследуемого изделия при воздействии на него одного или небольшого числа возмущений.

В соответствии с основным принципом функционального моделирования [3] в системе-оригинале выделяются наиболее существенные функции, наиболее важные и значимые для нормального функционирования изделия, и именно эти функции воспроизводятся на модели с достаточно высокой степенью эквивалентности. При функциональном моделировании систему-оригинал стараются свести к кусочно-линейному представлению в виде сравнительно несложных независящих друг от друга линейных и нелинейных звеньев, описываемых известными зависимостями с известными параметрами. Такое представление позволяет достаточно быстро построить имитационные модели и применяется при исследованиях помехоустойчивости изделия с целью прогнозирования его основных показателей, оценки работоспособности различных вариантов реализации изделия, изучения поведения основных подсистем.

Метод структурных эквивалентов предполагает, что компоненты модели представляют собой аналоги структурных компонентов оригинала, при этом система-оригинал (в широком смысле этого понимания) подвергается декомпозиции по таким структурным признакам, как среда распространения рабочих сигналов, объекты формирования полезных сигналов, источники помех, средства сопряжения изделия и среды эксплуатации. Каждому структурному образованию оригинала ставится в полное соответствие структурный компонент модели, при этом взаимодействие структурных компонентов в модели происходит по тем же правилам, что и в оригинале и с помощью сигналов, являющихся тождественными аналогичным сигналам в системе-оригинале. Применение описанных моделей целесообразно в том случае, когда исследователь имеет достаточно полное представление об условиях эксплуатации изделия, о структурном составе системы-оригинала, о виде и параметрах сигналов взаимодействия и взаимообмена между структурными компонентами оригинала. Использование метода структурных эквивалентов необходимо также в том случае, когда предстоит исследование поведения изделия в различных сигнально-помеховых ситуациях, при наличии или отсутствии тех или иных сигналов или помех.

Аналитически-эквивалентный подход предусматривает наличие достаточно полного и подробного аналитического описания процессов преобразования рабочих сигналов при их распространении во внешней среде обитания изделия, механизмов формирования помех, физических явлений и процессов, участвующих при этом, особенностей информационного обмена между взаимодействующими объектами. На основании этого описания строится имитационная модель сигналов и помех, причем таким образом, чтобы ее выходные сигналы воспроизводили те информационные свойства входных сигналов изделия, которые необходимы для его нормального функционирования. Аналитически эквивалентные модели способны правильно отобразить не только внешние информационные параметры имитируемых сигналов и помех, но, при необходимости, и тонкую внутреннюю структуру этих сигналов. Такие модели должны также совпадать с оригиналом еще в одном качестве — иметь тот же масштаб времени существования воспроизводимых в ней сигналов, что и реальные сигналы и помехи в системе-оригинале. В то же самое время, подобные модели по своей внутренней структуре не имеют ничего общего (и даже отдаленно напоминающего) со структурой системы-оригинала. Применения этих аналитически эквивалентные моделей необходимо в том случае, когда требуется получить наиболее полную информацию о свойствах изучаемого объекта, причем не только в штатных условиях эксплуатации, но и в запредельных, критических, нестандартных, аварийных и других нештатных режимах работы.

Разновидностью предыдущего метода, однако, имеющей самостоятельное значение, является метод комплексной огибающей [1]. Этот метод предусматривает воспроизведение на основании аналитического описания суммарного (комплексного) сигнала на входах изделия, представляющего собой векторную сумму как полезных составляющих, так и помеховых сигналов. Имитационная модель в этом случае должна воспроизводить в реальном масштабе времени комплексный сигнал без разделения его на компоненты, то есть как нечто единое целое. Такой подход к построению модели применяется тогда, когда производится анализ работоспособности изделия в целом, его приемных и фильтрующе-преобразующих трактов, трактов первичной обработки сигналов.

Наконец, метод статистических эквивалентов [1] также базируется на знаниях аналитического описания объекта моделирования, однако, при этом для построения модели необходимы прежде всего сведения о статистических свойствах и характеристиках основных рабочих сигналов и помех, воспринимаемых информационной системой. Далее имитационная модель воспроизводит эти сигналы и помехи на основании их аналитического описания с учетом статистических характеристик, то есть модель представляет собой статистический эквивалент системы-оригинала. Основной проблемой при построении подобных моделей является получение достаточно полного и детального статистического описания реальных сигналов и помех, что существенно сужает область применения рассматриваемого метода. В конечном итоге такие модели применяются при анализе воздействия на изделие какого-либо одного либо ограниченного числа различных возмущений (помех).

1. Борисов Ю.П. Математическое моделирование радиосистем.— М.: Сов.радио, 1976.
2. Полляк Ю.Г. Вероятностное моделирование на электронных вычислительных машинах.— М.: Сов.радио, 1971.
3. Быков В.В. Цифровое моделирование в статистической радиотехнике. — М.: Сов.радио, 1971.