Разработка моделей и алгоритмов интеллектуального прогнозирования функциональных характеристик радиоинформационных средств при работе в энергонапряженных режимах с использованием технологий цифровых двойников

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-79-00140

НазваниеРазработка моделей и алгоритмов интеллектуального прогнозирования функциональных характеристик радиоинформационных средств при работе в энергонапряженных режимах с использованием технологий цифровых двойников

Руководитель Перлов Анатолий Юрьевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" , г Москва

Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-601 - Теория, методы проектирования и эффективность функционирования технических систем

Ключевые слова радиоинформационные средства, прогнозирование отказов, функциональные характеристики, цифровой двойник, валидация, искусственный интеллект, тепловая модель, репрезентативная выборка, энергонапряженные режимы, амплитудно-фазовое распределение.

Код ГРНТИ50.43.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность проведения исследования по разработке моделей и алгоритмов интеллектуального прогнозирования ФХ обусловлена прежде всего необходимостью качественного повышения эффективности радиоинформационных средств (РИС) в связи с повышением излучающей мощности и миниатюризацией радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также требованиями к все более детальному и точному учету технического состояния элементов контроля [Перлов А.Ю., Боев С.Ф., Рахманов А.А., Логовский А.С., Медведев В.М., Казанцев А.М. Современное состояние и направления совершенствования систем технического обслуживания комплексов специального назначения ведущих зарубежных военно-промышленных компаний // Вестник воздушно-космической обороны. 2019. № 4 (24). С. 105-112.] Функционирование многоканальных РИС с активными фазированными антенными решетками (АФАР), в том числе при работе в энергонапряженных режимах, приводит к снижению качества выходной информации за счет влияния электромагнитных и тепловых процессов на работу приемо-передающих модулей, характеризующих качество диаграммы направленности антенны [Перлов А.Ю., Тимошенко А.В., Гончаренко В.И., Ермаков А.В. Моделирование тепловых процессов в передающих комплексах радиолокационных станций мониторинга // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2021. № 4. С. 180-187]. Одним из перспективных направлений решения задачи поддержания требуемых ФХ (например, энергетического потенциала) является реализация новых моделей и алгоритмов интеллектуального прогнозирования снижения уровня функционирования РИС. Успешность решения этой задачи определяется в первую очередь обработкой больших объемов различных параметров технического состояния РИС с использованием технологий цифровых двойников [Perlov A.Yu., Timoshenko A.V., Kazantsev A.M., Khodataev N.A., Lvov K.V. Methodology for the development of a digital twin of radar stations of a functional block structure // Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications. 2022. Т. 5. № 1. С. 372-375]. Синтез цифровых двойников РИС в интересах прогнозирования ФХ должен быть основан на комплексном учете как структурно-функциональной схемы РИС, так и эксплуатационных процессов, режимов работы и параметров телеметрии элементов РИС по результатам моделирования различной пространственной, электрической и теплотехнической компоновки [Перлов А.Ю., Тимошенко А.В., Гончаренко В.И., Ермаков А.В. Моделирование тепловых процессов в передающих комплексах радиолокационных станций мониторинга // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2021. № 4. С. 180-187.]. Научная новизна исследований состоит в применении методов физического моделирования процессов функционирования РИС, влияющих на параметры технического состояния, что позволит провести установление новых, более детальных взаимосвязей между тепловыми и электромагнитными процессами, определяющими функциональные характеристики (выходная мощность, энергетический потенциал) АФАР. Кроме этого, учет режимов работы и динамики изменения параметров технического состояния внутри аппаратуры РИС сделает возможным адаптивную настройку параметров системы контроля (частота опроса и тип данных), что обеспечит работу модели прогнозирования ФХ в режиме реального времени [Мацеевич С. В., Тимошенко А. В., Перлов А. Ю., Панкратов В. А. Алгоритм повышения точности прогнозирования отказов аппаратуры РЭК на основе управления частотой опроса датчиков контроля технического состояния // Системы управления, связи и безопасности. 2024. № 1. С. 26-42. DOI: 10.24412/2410-9916-2024-1-026-042.].

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках выполнения первого этапа проекта были достигнуты следующие научные результаты: 1. Построение комплексной тепловой модели РИС с плотной компоновкой радиоэлектронной аппаратуры при работе в энергонапряженных режимах: - приведена математическая формализация тепловой модели в виде системы дифференциальных уравнений теплообмена для группы ППМ с учетом их компоновки и взаимного теплового влияния в составе РИС. В качестве допущения было принято, что блоки одного ряда находятся в одинаковом температурном режиме; - для определения наиболее уязвимых в части перегрева областей осуществляется численное решение системы дифференциальных уравнений с помощью метода Гаусса, после чего определяется зависимость интенсивности отказов ППМ от температуры. Полученные аппроксимационные зависимости интенсивностей отказов ППМ от температуры определяют исходные данные для имитационного моделирования отказов РИС, что позволяет учесть различный температурный режим функционирования блоков, что, в свою очередь, является важным информативным признаком для повышения точности прогнозирования функциональных характеристик РИС; - по результатам моделирования тепловых процессов ППМ в составе АФАР были рассчитаны значения температур модулей при выходе на стационарный режим. Сопоставление полученных расчетных значений с помощью комплексной тепловой модели температур с результатами расчета по экспериментальным данным показали, что разработанная комплексная тепловая модель позволяет рассчитать температуры на 5-14% точнее. 2. Синтез цифрового двойника РИС с учетом тепловых и электромагнитных процессов. - проведено численное моделирование подрешетки РИС на основе исследования закономерности изменения диаграмм направленности АФАР при флюктуациях амплитуд и фаз сигналов в аппаратуре усиления сигналов под действием тепловых процессов; - установлены тенденции изменения диаграмм направленности АФАР при независимых и совместных флюктуациях амплитуд и фаз сигналов в ППМ. При совместном отклонении фаз и амплитуд сигналов в каналах решетки от номинальных значений наблюдается синергетический эффект изменения уровня излучаемой (принимаемой) мощности по сравнению с аддитивными показателями, достижимыми при независимых фазовых и амплитудных флюктуациях; - разработан алгоритм коррекции АФР сигналов при оценке и прогнозировании тепловых процессов в АФАР с использованием уравнения теплопроводности при задании функции теплового источника в аналитическом представлении мощности электромагнитного поля, рассеиваемой в единице объема пространства. Получены аналитические выражения для расчета поправок и исследованы закономерности изменения амплитуд и фаз сигналов в ППМ из состава РИС вследствие влияния тепловых процессов в каналах антенных решеток; - построена модель прогнозирования функциональных характеристик на основе с рекуррентной нейронной сети LSTM, показавшей наибольшую точность по сравнению с другими рассматриваемыми моделями. Выбранное значение горизонта прогноза (4 отсчета ~ 20 мин) обусловлено временем на восстановление работоспособного состояния ППМ, которое было определено с помощью комплексной тепловой модели. Определение критически важных элементов с помощью тепловой модели позволило увеличить точность прогноза излучаемой мощности РИС на 5%; - показано, что использование ЦД синтезированного по данным АФР приемо-передающих каналов и комплексной тепловой модели РИС позволяет с требуемой точностью (>0,85 на горизонте прогноза 20 мин.) обнаружить критическое снижение суммарной излучаемой мощности РИС.

Публикации

1. Тимошенко А.В., Перлов А.Ю., Шафир Р.С., Силенок А.Н. Оценка показателей надежности радиоэлектронной системы при неопределенных данных об интенсивности отказов ее компонент в результате деструктивного влияния температуры Журнал "Авиационная техника" , Оценка показателей надежности радиоэлектронной системы при неопределенных данных об интенсивности отказов ее компонент в результате деструктивного влияния температуры / А. В. Тимошенко, А. Ю. Перлов, Р. С. Шафир, А. Н. Силенок // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. – 2024. – № 3. – С. 225-232. (год публикации - 2024)

2. Перлов А.Ю. Алгоритм обеспечения функциональных характеристик РЛС для работы в режиме сверхразрешения космических объектов Журнал "Наноиндустрия", Перлов, А. Ю. Алгоритм обеспечения функциональных характеристик РЛС для работы в режиме сверхразрешения космических объектов / А. Ю. Перлов // Наноиндустрия. – 2025. – Т. 18, № S11-1(135). – С. 104-106. – DOI 10.22184/1993-8578.2025.18.11s.104.106. (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.11s.XX.XX

3. Перлов А.Ю., Шафир Р.С., Львов К.В., Панкратов В.А. Modeling thermal conditions of a radio-electronic system with a dense arrangement of radio-electronic equipment to predict its failures IEEE Xplore, A. Y. Perlov, R. S. Shafir, K. V. Lvov and V. A. Pankratov, "Modeling Thermal Conditions of a Radio-Electronic System with a Dense Arrangement of Radio-Electronic Equipment to Predict its Failures," 2024 6th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA), Lipetsk, Russian Federation, 2024, pp. 397-400, doi: 10.1109/SUMMA64428.2024.10803735. (год публикации - 2024)
10.1109/SUMMA64428.2024.10803735.

4. Перлов А.Ю., Львов К.В., Захаров А.С., Сиднев Д.А. Construction of a digital twin of a radio information system based on accounting for thermal and electrodynamics processes IEEE Xplore, A. Perlov, A. Zakharov, D. Sidnev and K. Lvov, "Construction of a Digital Twin of a Radio Information System Based on Accounting for Thermal and Electrodynamics Processes," 2024 6th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA), Lipetsk, Russian Federation, 2024, pp. 72-75, doi: 10.1109/SUMMA64428.2024.10803696. (год публикации - 2024)
10.1109/SUMMA64428.2024.10803696

5. Перлов А.Ю., Тимошенко А.В., Марфин С.Н., Захаров А.С. Model of compensation for the influence of non-identicality of phase distribution of the active phased antenna array on radar accuracy characteristics IEEE Xplore, A. Y. Perlov, A. V. Timoshenko, S. N. Marfin and A. S. Zakharov, "Model of Compensation for the Influence of Non-Identicality of Phase Distribution of the Active Phased Antenna Array on Radar Accuracy Characteristics," 2025 Systems of Signals Generating and Processing in the Field of on Board Communications, Moscow, Russian Federation, 2025, pp. 1-4, doi: 10.1109/IEEECONF64229.2025.10947699. (год публикации - 2025)
10.1109/IEEECONF64229.2025.10947699.