საქართველოს ტექნიკური უნივერსიტეტის
ვლადიმერ ჭავჭანიძის სახელობის კიბერნეტიკის ინსტიტუტი
სანდრო ეულის ქ. 5, თბილისი 0186, საქართველო
ტელ. +995 32 2187633; +995 32 2187055.
ფაქსი +995 32 2545931
ელ-ფოსტა ic@cybernet.ge


Check e-mail
Vladimir Chavchanidze Institute of Cybernetics
of the Georgian Technical University
Sandro Euli str. 5, Tbilisi 0186, Georgia
Tel. +995 32 2187633; +995 32 2187055.
Fax. +995 32 2545931
e-mail ic@cybernet.ge

თავფურცელი
Home
განცხადებები
Announcements
დებულება
Regulations
სამეცნიერო საბჭო
Academic Council
სტრუქტურა და სია
Structure & Staff
წლიური ანგარიში
Annual report
საერთაშორისო პროექტები
International Projects

ბიოკიბერნეტიკული სისტემების განყოფილება

 

ცირე ზომის წყალქვეშა საგნების ავტომატური დეტექტირებისა და ამოცნობის პრობლემა პირდაპირაა დაკავშირებული საზღვაო ობიექტების (პორტების, სანავთო პლატფორმების, წყალქვეშა კომუნიკაციების და სხვა) ეფექტური დამცავი სისტემებით აღჭურვის უაღრესად აქტუალურ ამოცანასთან, – სისტემებით, რომლებიც ოპერატორის გარეშე შეძლებენ პოტენციურად სახიფათო საგნების (ფეთქებადი მოწყობილობების, მინების, ტორპედების, აკვალანგისტების, მათი გადაადგილების საშუალებებისა და სხვა) დროულად აღმოჩენასა და ამოცნობას.  სამწუხაროდ ეს ამოცანა დღემდე არაა გადაწყვეტილი, რაც მნიშვნელოვნად ამცირებს საზღვაო ობიექტების დაცვის დონეს, –რაც ტერორიზმის საფრთხის პერმანენტული ზრდის პირობებში უაღრესად მნიშვნელოვანია.

წყალში ბგერის კარგი გავრცელებადობის გამო, ულტრაბგერითი ექოლოკაცია ამ პრობლემის გადაჭრის ოპტიმალურ საშუალებას იძლევა. თანამედროვე აქტიური ექოლოკაციური (სონარული) სისტემები უზრუნველყოფენ რიგი მნიშვნელოვანი სამხედრო და სამოქალაქო ამოცანების შესრულებას, მაგრამ მცირე ზომის საგნების დამოუკიდებელი იდენტიფიცირების უუნარობა ისევ რჩება ამ სისტემების სუსტ მხარედ. ამ სისტემების მეშვეობით (მათ შორის მასკანირებელი სონარებით, რომლებიც გამოსახავენ ეკრანზე საგნის გეომეტრიულ ფორმას)  საგნების საბოლოო იდენტიფიცირება ხდება ოპერატორის მიერ, რომელიც იყენებს სწავლის შედეგად მიღებულ გამოცდილებას. თუმცა ნათელია, რომ ავტომატური იდენტიფიცირება აუცილებელი მოთხოვნაა ზემოთ ნახსენები დამცავი სისტემებისადმი.

დელფინების აქტიური ექოლოკაციის უნარი აღმოჩენილი იყო მერილენდის ოკეანერიუმში გასული საუკუნის 60-იანი წლების ბოლოს. ამ ფაქტმა აშშ-ისა და ყოფილ საბჭოთა კავშირის სამხედრო მეცნიერების ყურადღება მიიპყრო,  იმ იმედით რომ გამოკვლეული ბიო-მექანიზმები გამოყენებულ იქნებოდა ტექნოლოგიებში. მოკლე ხანში ორივე ქვეყანაში დადგინდა, რომ დელფინების ზოგიერთი სახეობა, განსაკუთრებით კი ბოთლცხვირა დელფინები (ამ სახეობის ცხოველები შავ ზღვაშიც ბინადრობენ), შესანიშნავად ახორციელებენ საგნების გარჩევასა და იდენტიფიცირებას მათი ფორმით, ზომით, შიდა სტრუქტურით და ნივთიერების შემადგენლობით. ექოლოკაცია იმდენად უპირატესია, რომ ბოთლცხვირა დელფინი, მისი სრულყოფილი მხედველობის მიუხედევად, უპირატესობას მაინც ანიჭებს სონარს აბსოლუტურად გამჭვირვალე წყალში და მოკლე მანძილებზეც კი. რაც შეეხება მანძილს და მგრძნობიარობას - მღვრიე წყალშიც კი ბოთლცხვირა დელფინი აფიქსირებს გოლფის ბურთის ზომის საგანს რამოდენიმე ასეულ მეტრ მანძილზე. გაირკვა, რომ დელფინის სონარი ბევრად ეფექტურია ხელოვნურ სისტემებთან შედარებით. ამ ცხოველის სონარის შესაძლებლობები არსებითად აღემატება ზემოთხსენებული დამცავი სისტემებისადმი საჭირო მოთხოვნებს. სწორედ ამ მიზეზის გამო დელფინის სონარის გამოკვლევებში დღემდე ჩართულია მრავალი სამეცნიერო ორგანიზაცია როგორებიცაა აშშ. ბრიტანეთი, რუსეთი, იაპონია და სხვა.

80-იანი წლების დასაწყისიდან ჩვენ ვიკვლევდით ბოთლცხვირა დელფინების სონარს ქ. სევასტოპოლში (ყოფილი საბჭოთა კავშირის სამხედრო-საზღვაო ფლოტის ბაზაზე). ჩვენი ყურადღება და ძალისხმევა იმთავითვე მიმართული იყო სონარის მოდელირების საკითხებისადმი, – დელფინის ტვინში ექოსიგნალების დამუშავების მექანიზმების შესწავლად.

ჩვენ ახლებურად მივუდექით და გამოვიყენეთ  ახალი  მეთოდები, რის შედეგად გამოკვლეულ იქნა დელფინის ტვინში ექოსიგნალების დამუშავების ძირითადი პრინციპები. სახელდობრ, დადგინდა, რომ 0.2 მწ ინტერვალში (CIT – დროის კრიტიკული ინტერვალი) მოქცეული ექოს კომპონენტების დამუშავებით  დელფინის ტვინში ფორმირდება შესაბამისი საგნის აკუსტიკური ხატი. ამ ხატის ფორმირება ხდება სამი დამოუკიდებელი განმასხვავებელი ნიშან-თვისების მეშვეობით(ექოს სუბიექტური მახასიათებელი, განზომილება). ამ ნიშან-თვისებებში დადგინდა იერარქიის არსებობა, ამ იერარქიის სტრუქტურა და ნიშან-თვისებების განსაზღვრის არეალები. კერძოდ, იერარქიაში მთავარი ნიშან-თვისება MaPS (Macrostructure of a Power Spectrum) განისაზღვრება ექოს ენერგეტიკული სპექტრის მსხვილ-მასშტაბიანი  დეფორმაციებით, რომლებიც სცდება სიხშირეების 10 კჰც-იან ზოლებს. იერარქიაში შუალედური ნიშანთვისება MiPS (Microstructure of a Power Spectrum) განისაზღვრება ექოს ენერგეტიკული სპექტრის წვრილ-მასშტაბიანი ოსცილაციებით, რომელთა პრიოდი მერყეობს 5-დან 10 კჰც-მდე და იერარქიის ყველაზე ნაკლებად მნიშვნელოვანი ნიშან-თვისება Energy განისაზღვრება ექოს ენერგიით CIT–ის ფარგლებში.  ამით დადგენილი იქნა დელფინის სონარის განმასხვავებელი ნიშან-თვისების სრული სისტემა და ამ ნიშან-თვისებების ექოდან გამოყოფის გზა.   

დადგინდა, რომ დელფინს გააჩნია საგნიდან არეკვლილი ექო-სიგნალების სერიაში ნიშან-თვისების საშუალო მნიშვნელობის შეფასების უნარი. ეს უარრესად მნიშვნელოვანი მექანიზმი უზრუნველყოფს ბოთლცხვირა დელფინებში სიგნალიდან ხმაურის მოცილების უმაღლეს დონეს.

ჩვენს ექსპერიმენტებში აგრეთვე დადგენილი იყო დელფინის მიერ ექოსიგნალების გარჩევის ლოგიკური ალგორითმი და საყრდენი ექოს იდენტიფიცირების გადამწყვეტი წესი. სახელდობრ, ექო-სიგნალების გარჩევის დროს დელფინი თანმიმდევრულად, იერარქიის მიხედვით (ზემოდან ქვემოთ), ადარებს  მათში ნიშან-თვისებების მნიშვნელობებს და წყვეტს გარჩევის პროცესს (მიიღებს გადაწყვეტილებას) იმ პირველივე ნიშან-თვისებაზე, რომლის მნიშვნელობები მოცემულ ექო-სიგნალებში შესამჩნევად განსხვავდება ერთმანეთისგან (გადამწყვეტი ნიშან-თვისება). რაც შეეხება გადამწყვეტი ნიშან-თვისების ქვემდგომი ნიშან-თვისებებს - ისინი საერთოდ დელფინის ყურადღების მიღმა რჩება. დელფინის მიერ საყრდენი ექო-სიგნალის შემდგომი იდენტიფიცირება აღიწერება შემდეგი წესით: თუ დიფერენცირების დროს დელფინის მიერ გამოყენებულია რომელიმე ნიშან-თვისება როგორც გადამწყვეტი, მაშინ დელფინის აღქმაში საყრდენი ექოს ხატის შესანარჩუნებლად აუცილებელი და საკმარისია იერარქიაში ყველა ზემდგომი ნიშან-თვისებების მნიშვნელობების შენარჩუნება.

ჩვენს მიერ მიღებული შედეგები სრულად აღწერენ ბოთლცხვირა დელფინის ექო-დეკოდირების მექანიზმებს. ჩვენ მოვახდინეთ ამ მექანიზმების მათემატიკური ფორმალიზება და დავამუშავეთ ექოსიგნალების გარჩევისა და ამოცნობის კომპიუტერული მოდელი, Mრომლის გამოცდამ კომპიუტერში მოდელირებულ ექოსიგნალებზე და, ამერიკელი კოლეგების მიერ მოწოდებულ რეალურ ექოსიგნალებზე, დაგვიდასტურა, რომ ჩვენი მოდელის ეფექტურობა სრულიად შედარებადია დელფინის სონარის ეფექტურობასთან. მნიშვნელოვანია ის გარმოება. რომ, ჩვენი მეთოდის უაღრესად დიდი სიზუსტე, რაც გაზომვებით დასტურდება, უზრუნველყოფილია ძალზე ეკონომიური (დროის დამზოგავი) ალგორითმებით.

მეტი ინფორმაციისათვის იხ. [Tengiz V. Zorikov, Nikolai A. Dubrovsky, and Naira J. Beckauri, SIGNAL PROCESSING BY THE BOTTLENOSE DOLPHIN’S SONAR: EXPERIMENTS AND MODELLING, Proc. I.O.A Vol 24], [Tengiz V. Zorikov, A computational model of bottlenose dolphin sonar: Feature-extracting method, 151st Annual Meeting of the Acoustical Society of America, 2006, Providence, RI, USA (Invited presentation)]

 

მიღებული შედეგები სათანადოდ იყო შეფასებული ბიო-სონარული საზოგადოების მიერ, როდესაც 2001 წელს ინგლისში ვრცლად იქნა წარდგენილი ჩვენი მონაცემები ეს აისახა მთელ რიგ მათ მიერ დაფინანსებულ მიწვევებში საერთაშორისო კონფერენციებზე, სიმპოზიუმებსა და სემინარებზე.

მუშაობა  ამ მიმართულებით გრძელდება. კერძოდ, ამჟამად ამერიკელ კოლეგებთან ერთად ვასრულდება ამერიკის სამხედრო-საზღვაო ფლოტის სამეცნიერო კვლევების ოფისის პროექტი (NICOP Project N07-09).

 

↑↑
  • Exploration of the mechanisms of echo-processing in dolphins and modeling the bio-mimetic analog.

 

The problem of detection and recognition of small-sized underwater targets is directly connected with the extremely topical task of supplying marine objects (ports, oil platforms, underwater communications, and so on) with effective defense systems capable to implement independently well-timed detection of the potentially dangerous targets (blasting assemblies, mines, torpedoes, skin-divers, their delivery vehicles, and the like). Nowadays absence of such machines considerably reduces security level of the marine objects, – inadmissible fact in conditions of permanent increasing the terrorism danger.

In consequence of water's superb conduction of sound, ultrasonic echolocation is the most optimal way to resolve this problem. Modern active sonar systems allow implementation of a number of significant military and civilian underwater tasks. However, the inability to identify targets independently is still the weak point of those systems. Basically, the final identification of targets with the help of those instruments (including scan sonar systems displaying rather accurate geometrical images of targets on a screen) is carried out by sonar technicians using experience and training, while the automatic identification is an obligatory requirement to underwater warning systems.

In the late 1960's, the active echolocation capability of dolphins was discovered in the Maryland Oceanarium, USA. Soon afterwards, this had attracted attention of military scientists in the USA and former USSR with the hope to import bio-mechanisms into techniques. For a short time, it was shown in both countries that some cetaceans, especially bottlenose dolphins, amazingly identify target characteristics, including their size, shape, internal structure, and material composition. Echolocation is so sensitive that bottlenose dolphins, despite of their good eyesight, prefer echolocation in place of eyesight even in quite clear water and short distances. Concerning the detection range, bottlenose dolphin can detect a target the size of a golf ball almost a football field away. On the whole, it had become clear that bottlenose dolphin sonar suppresses overwhelmingly any man-made system in efficiency. And what is more, the bio-sonar capability far exceeds requirements for the warning systems mentioned above. That is why exploration of echolocating dolphins involves significant technical and human resources up to the present in a number of technically advanced countries, such as USA, UK, Russia, Japan and some others.

From the beginning of 80th, we were conducting experimental explorations of the Black Sea bottlenose dolphins in the Sevastopol Naval Base of the former USSR. Our attention and efforts were focused mostly on investigation of echo-processing mechanisms in bottlenose dolphins, - the questions of key significance for the sonar modeling. It was specified in our experiments that echo components highlighted within a time interval of about 0.2 ms produce a merged auditory image in bottlenose dolphin’s sonar perception (CIT – the Critical Interval of Time).  Within that time window, formation of target echo-image in dolphin brain is accomplished with the help of three independent discriminative features (or dimensions, subjective characteristics of echo). The definitional domains of those features, the hierarchical relations between them and the structure of hierarchy were established. Namely, the first, senior feature in hierarchy MaPS (Macrostructure of a Power Spectrum) depends on large-scale variations of echo’s power spectrum, exceeding ~10 kHz frequency bandwidth. The second or middle in the triad is the feature MiPS (Microstructure of a Power Spectrum) depended on small-scale oscillations of the echo’s power spectrum within the interval ~5-10 kHz. And the last in hierarchy, the minor feature Energy depends on the echo’s overall energy within the CIT. Thus the total system of discriminative features of bottlenose dolphin sonar was discovered and the way of extraction of those features from echo was determined.

It was revealed as well that bottlenose dolphin is capable to estimate feature’s average value over a series of echoes. – Rather significant mechanism ensuring to dolphins the highest level of noise stability.  

The logical algorithm of discrimination of echoes and the decision rule of identification of the reference echo by dolphin were also discovered in our experiments. – Namely, bottlenose dolphin discriminating echoes compares successively their features’ values from senior to minor, terminating the process (having made decision) at the first feature, which contains detectable differences in compared stimuli (the decisive feature). Thus, the features of less meaning in hierarchy then the decisive one are not estimated by the dolphin at all. Subsequent identification of the reference echo can be described by the following decision rule: If the dolphin utilizes a particular feature as the decisive one, then in order to preserve the image of the reference echo, it is necessary and sufficient to preserve the same values of the decisive feature and all higher ones in order of hierarchy.

Altogether, the data obtained in our experiments describe completely the echo-processing procedures in dolphin’s brain. We formalized the discovered echo-decoding mechanisms mathematically, developed computer-aided model and tested it on echoes synthesized in a computer and, in cooperation with our American colleagues, on real echoes. It was shown that the critical capability of our echo-decoding model is purely comparable with that of bottlenose dolphin. Rather significant is that the uncommonly high sensitivity of our method, revealed in the measurements, is provided by the very time-saving algorithms.

For more information see [Tengiz V. Zorikov, Nikolai A. Dubrovsky, and Naira J. Beckauri, SIGNAL PROCESSING BY THE BOTTLENOSE DOLPHIN’S SONAR: EXPERIMENTS AND MODELLING, Proc. I.O.A Vol 24], [Tengiz V. Zorikov, A computational model of bottlenose dolphin sonar: Feature-extracting method, 151st Annual Meeting of the Acoustical Society of America, 2006, Providence, RI, USA (Invited presentation)].

The gained results were appreciated by our colleagues when in 2001 we widely represented our data to the bio-sonar community. This was reflected in a number of financed by them invitations to the international conferences, symposiums and seminars.

We continue working on this field. With our American colleagues, now we are engaged in the Office of Navel Research project (NICOP Project N07-09).