Методи та програмні засоби валідації математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль для програмно-апаратних комплексів
| dc.contributor.advisor | Варава, Іван Андрійович | |
| dc.contributor.author | Гейко, Олег Олександрович | |
| dc.date.accessioned | 2026-08-25T08:59:42Z | |
| dc.date.available | 2026-08-25T08:59:42Z | |
| dc.date.issued | 2026 | |
| dc.description.abstract | Гейко О. О. Методи та програмні засоби валідації математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль для програмно-апаратних комплексів. Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 121 «Інженерія програмного забезпечення». – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026. Дисертацію присвячено розробленню методів і програмних засобів валідації дискретних математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль на основі порівняння результатів чисельного моделювання з даними натурних вимірювань за умов обмежених обчислювальних ресурсів. Основна увага зосереджена не лише на математичному описі акустичних процесів, а й на створенні програмно реалізованих процедур підготовки даних, оцінювання точності, автоматизованого вибору параметрів моделі та формування придатних до практичного використання конфігурацій чисельної постановки. Актуальність теми зумовлена тим, що сучасні програмно-апаратні комплекси гідроакустичного призначення дедалі ширше використовують результати чисельного моделювання для аналізу акустичних полів, оцінювання параметрів середовища, підтримки експериментальних досліджень і прийняття інженерних рішень. У таких комплексах математична модель є не ізольованим теоретичним об’єктом, а частиною програмної системи, результати роботи якої мають бути достатньо достовірними для практичного застосування. Тому важливим є не лише побудувати математичну модель розповсюдження акустичних хвиль, а й забезпечити її коректну валідацію за даними натурних вимірювань. У практичних задачах гідроакустики валідація математичних моделей ускладнюється низкою факторів. По-перше, результати чисельного моделювання та експериментальні дані часто мають різні частоти дискретизації. Модельний сигнал формується відповідно до параметрів чисельної схеми, просторового кроку, часового кроку та умов стійкості, тоді як натурні вимірювання реєструються апаратурою з власною фіксованою частотою дискретизації. Унаслідок цього пряме порівняння часових рядів є математично некоректним і може призводити до помилкових висновків щодо якості моделі. По-друге, натурні гідроакустичні сигнали містять шумові складові, апаратні спотворення, фазові зміщення, локальні флуктуації амплітуди та інші фактори, які ускладнюють зіставлення з результатами чисельного моделювання. Тому оцінювання точності потребує не простого порівняння «сирих» сигналів, а попередньої підготовки даних, фільтрації, ресемплінгу, спектрального виділення корисної складової та використання статистичних метрик на узгоджених рядах даних. По-третє, практичне застосування чисельних моделей у складі програмноапаратних комплексів обмежується доступним часом виконання, обсягом оперативної пам’яті та необхідністю виконання серійних прогонів. Підвищення точності моделі за рахунок зменшення кроку сітки, збільшення кількості вузлів на довжину хвилі або використання більш консервативних параметрів поглинальних шарів зазвичай призводить до суттєвого зростання обчислювальних витрат. Тому в практичних умовах важливо не тільки знайти конфігурацію з мінімальною похибкою, а й визначити таку область параметрів моделі, яка забезпечує прийнятну точність за допустимих витрат часу та пам’яті. З аналізу зазначених обмежень випливає висновок, що актуальною є науковоприкладна задача розроблення методів і програмних засобів валідації дискретних математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль, які забезпечують коректне узгодження модельних і натурних сигналів, кількісне оцінювання їх узгодженості та автоматизований вибір параметричних конфігурацій, придатних до використання у реальних програмно-апаратних комплексах за умов обмежених обчислювальних ресурсів. Наукове завдання дисертаційної роботи полягає у розробленні методів і програмних засобів валідації дискретних математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль, які на основі узгодження результатів чисельного моделювання з даними натурних вимірювань забезпечують підвищення достовірності оцінювання точності моделі та формування області допустимих параметрів чисельної постановки за критеріями чисельної коректності, ресурсної здійсненності й достатньої точності. Метою дисертації є підвищення практичної придатності програмноапаратних комплексів гідроакустичного призначення шляхом розроблення методів і програмних засобів валідації дискретних моделей розповсюдження акустичних хвиль, які забезпечують коректне порівняння змодельованих і натурних сигналів та автоматизований вибір ресурсно-ефективних параметрів чисельної моделі за заданим рівнем точності. Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено такі завдання: 1. Проаналізовано сучасні підходи до валідації чисельних моделей гідроакустичних полів, методи цифрової обробки сигналів та способи оцінювання узгодженості результатів моделювання з натурними вимірюваннями. 2. Визначено основні обмеження існуючих підходів до прямого порівняння модельних і експериментальних часових рядів, зокрема розбіжність частот дискретизації, різну структуру шумів, фазові зміщення та залежність результатів порівняння від попередньої обробки сигналів. 3. Розроблено метод підготовки й узгодження модельних і натурних сигналів, який включає вибір параметрів узгодження, ресемплінг часових рядів, антиаліасингову фільтрацію, нормування та формування зіставних вибірок. 4. Розроблено процедуру спектральної оцінки модельних і експериментальних сигналів із виділенням інформативної складової на частоті випромінювача та формуванням амплітудних характеристик, придатних для подальшого статистичного порівняння. 5. Обґрунтовано використання статистичних метрик оцінювання узгодженості результатів чисельного моделювання з експериментальними даними, зокрема нормованих показників похибки, які дозволяють кількісно оцінити ступінь придатності моделі для заданого сценарію застосування. 6. Розроблено метод визначення параметрів і області їх допустимих значень для дискретної математичної моделі розповсюдження акустичних хвиль на основі послідовного відбору конфігурацій за критеріями чисельної коректності, ресурсної здійсненності та порогової точності. 7. Проведено експериментальну перевірку запропонованих методів на натурних гідроакустичних даних із використанням відкритого набору SWellEx-96 та оцінено досягнутий компроміс між точністю й обчислювальними витратами. 8. Реалізовано програмні засоби, що забезпечують автоматизацію етапів підготовки даних, спектрально-статистичної оцінки, порівняння модельних і натурних сигналів та формування області допустимих параметрів чисельної моделі. Об’єктом дослідження є процес розробки програмного забезпечення валідації дискретних математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль. Предметом дослідження є методи та програмні засоби валідації дискретних математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль на основі порівняння результатів моделювання з даними натурних вимірювань за умов обмежених обчислювальних ресурсів. У роботі удосконалено метод валідації математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль, який базується на порівнянні результатів чисельного моделювання з даними натурних вимірювань за стандартними метриками точності. На відміну від існуючих підходів, запропонований метод передбачає автоматизоване узгодження частот дискретизації модельних і експериментальних сигналів, попередню фільтрацію, ресемплінг, спектральне виділення корисної складової та статистичне оцінювання точності на узгоджених рядах даних. Це дозволяє виконувати коректне порівняння результатів моделювання з натурними вимірюваннями у випадках, коли пряме зіставлення часових рядів є математично некоректним. Уперше розроблено метод визначення параметрів і області їх допустимих значень для дискретної математичної моделі розповсюдження акустичних хвиль, який забезпечує необхідну точність за визначеними метриками за умови досягнення чисельної коректності та ресурсної здійсненності. Метод ґрунтується на послідовному відборі конфігурацій параметрів за каскадом критеріїв. Спочатку виключаються конфігурації, що не відповідають умовам чисельної коректності. Далі відсіюються варіанти, які перевищують допустимі ресурсні обмеження за часом виконання або обсягом пам’яті. Після цього залишаються лише ті конфігурації, які забезпечують достатній рівень точності за заданою метрикою порівняння з експериментальними даними. За потреби метод може доповнюватися перевіркою самоузгодженості відносно більш точної контрольної конфігурації. Також уперше розроблено модульну архітектуру програмного забезпечення валідації математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль, яка реалізує запропоновані методи та забезпечує підключення реалізацій чисельних моделей, завантаження й підготовку натурних даних, узгодження сигналів, спектральностатистичну оцінку точності, обчислення метрик похибки та автоматизоване визначення області допустимих параметрів моделі. Така архітектура забезпечує можливість інтеграції розробленого програмного засобу до складу програмноапаратних комплексів гідроакустичного призначення. Експериментальну перевірку запропонованих рішень виконано на тестових і натурних даних. Для практичної апробації методу визначення параметрів моделі використано відкритий датасет SWellEx-96 та засоби чисельного моделювання акустичних хвиль. У процесі експериментів реалізовано процедури узгодження сигналів моделі та вимірювання, приведення даних до спільної частоти дискретизації, оцінювання часової затримки у вузькій смузі навколо частоти випромінювача, масштабування сигналів за амплітудою та фазою, а також підсумкове порівняння за нормованою метрикою похибки NMAE. Результати експериментів підтвердили практичну здійсненність автоматизованого вибору ресурсно-ефективної конфігурації за збереження прийнятної точності. Для розглянутого експериментального фрагмента було досягнуто скорочення часу моделювання приблизно у 2,96 раза без перевищення встановленого порогу похибки NMAE ≤ 0,2. Це відповідає зменшенню часу виконання приблизно на 66,2 % порівняно з базовою конфігурацією. Отримані результати свідчать, що запропонований підхід дозволяє не лише оцінювати точність моделі, а й практично обирати такі параметри чисельної постановки, які забезпечують прийнятний баланс між точністю й обчислювальними витратами. Практичне значення одержаних результатів полягає у створенні програмного засобу та алгоритмічних процедур, які забезпечують відтворювану валідацію математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль у складі програмноапаратних комплексів. Розроблені рішення дозволяють автоматизувати порівняння результатів чисельного моделювання з натурними вимірюваннями, зменшити залежність оцінювання від ручного підбору параметрів, підвищити обґрунтованість вибору конфігурацій чисельної моделі та скоротити час моделювання при збереженні заданого рівня точності. Запропоновані методи та програмні засоби можуть бути використані під час розроблення, модернізації та тестування спеціалізованих гідроакустичних програмно-апаратних комплексів, у задачах експериментальної перевірки чисельних моделей, у системах підтримки серійних прогонів, а також у науководослідній і навчальній діяльності при підготовці фахівців у галузі інженерії програмного забезпечення, математичного моделювання та цифрової обробки сигналів. | |
| dc.description.abstractother | Heiko O. O. Methods and Software Tools for Validation of Mathematical Models of Acoustic Wave Propagation for Software and Hardware Complexes Qualifying scientific work as a manuscript. Dissertation for the degree of Doctor of Philosophy in specialty 121 Software Engineering. The dissertation was prepared at the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”. The defense of the dissertation is held at the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”. Kyiv, 2026. The dissertation is devoted to the development of methods and software tools for validating discrete mathematical models of acoustic wave propagation based on the comparison of numerical simulation results with field measurement data under limited computational resources. The main focus is placed not only on the mathematical description of acoustic processes, but also on the development of software-implemented procedures for data preparation, accuracy assessment, automated selection of model parameters, and formation of numerical model configurations suitable for practical use. The relevance of the topic is determined by the fact that modern software and hardware complexes for hydroacoustic applications increasingly use numerical simulation results for acoustic field analysis, estimation of environmental parameters, support of experimental studies, and engineering decision-making. In such complexes, a mathematical model is not an isolated theoretical object, but a component of a software system whose results must be sufficiently reliable for practical application. Therefore, it is important not only to construct a mathematical model of acoustic wave propagation, but also to ensure its correct validation using field measurement data. In practical hydroacoustic problems, validation of mathematical models is complicated by several factors. First, numerical simulation results and experimental data often have different sampling rates. The simulated signal is formed according to the parameters of the numerical scheme, spatial step, time step, and stability conditions, whereas field measurements are recorded by hardware with its own fixed sampling rate. As a result, direct comparison of time series is mathematically incorrect and may lead to erroneous conclusions regarding model quality. Second, field hydroacoustic signals contain noise components, instrumental distortions, phase shifts, local amplitude fluctuations, and other factors that complicate their comparison with numerical simulation results. Therefore, accuracy assessment requires not a simple comparison of “raw” signals, but preliminary data preparation, filtering, resampling, spectral extraction of the informative component, and the use of statistical metrics on harmonized data series. Third, the practical use of numerical models within software and hardware complexes is limited by available execution time, RAM capacity, and the need to perform series of simulation runs. Improving model accuracy by reducing the grid step, increasing the number of points per wavelength, or using more conservative absorbing layer parameters usually leads to a significant increase in computational costs. Therefore, in practical conditions, it is important not only to find the configuration with the minimum error, but also to determine such a region of model parameters that provides acceptable accuracy within allowable time and memory costs. The analysis of these limitations leads to the conclusion that there is a relevant scientific and applied problem of developing methods and software tools for validation of discrete mathematical models of acoustic wave propagation that provide correct harmonization of simulated and field signals, quantitative assessment of their agreement, and automated selection of parameter configurations suitable for use in real software and hardware complexes under limited computational resources. The scientific task of the dissertation is to develop methods and software tools for validation of discrete mathematical models of acoustic wave propagation which, based on harmonization of numerical simulation results with field measurement data, provide improved reliability of model accuracy assessment and formation of the admissible parameter region of the numerical formulation according to the criteria of numerical correctness, computational feasibility, and sufficient accuracy. The purpose of the dissertation is to improve the practical applicability of hydroacoustic software and hardware complexes by developing methods and software tools for validation of discrete acoustic wave propagation models that ensure correct comparison of simulated and field signals and automated selection of resource-efficient parameters of the numerical model at a specified accuracy level. To achieve this purpose, the following tasks were solved in the dissertation: 1. Modern approaches to validation of numerical models of hydroacoustic fields, methods of digital signal processing, and approaches to assessing the agreement between simulation results and field measurements were analyzed. 2. The main limitations of existing approaches to direct comparison of simulated and experimental time series were identified, including differences in sampling rates, different noise structures, phase shifts, and the dependence of comparison results on signal preprocessing. 3. A method for preparing and harmonizing simulated and field signals was developed, including selection of harmonization parameters, resampling of time series, anti-aliasing filtering, normalization, and formation of comparable samples. 4. A procedure for spectral assessment of simulated and experimental signals was developed, with extraction of the informative component at the transmitter frequency and formation of amplitude characteristics suitable for subsequent statistical comparison. 5. The use of statistical metrics for assessing the agreement between numerical simulation results and experimental data was substantiated, including normalized error indicators that make it possible to quantify the degree of model suitability for a given application scenario. 6. A method for determining parameters and the admissible region of their values for a discrete mathematical model of acoustic wave propagation was developed, based on sequential selection of configurations according to the criteria of numerical correctness, computational feasibility, and threshold accuracy. 7. Experimental verification of the proposed methods was carried out using field hydroacoustic data from the open SWellEx-96 dataset, and the achieved compromise between accuracy and computational costs was evaluated. 8. Software tools were implemented that automate the stages of data preparation, spectral-statistical assessment, comparison of simulated and field signals, and formation of the admissible parameter region of the numerical model. The object of the research is the process of developing software for validation of discrete mathematical models of acoustic wave propagation. The subject of the research is methods and software tools for validation of discrete mathematical models of acoustic wave propagation based on comparison of simulation results with field measurement data under limited computational resources. The dissertation improves a method for validation of mathematical models of acoustic wave propagation based on comparison of numerical simulation results with field measurement data using standard accuracy metrics. Unlike existing approaches, the proposed method provides automated harmonization of sampling rates of simulated and experimental signals, preliminary filtering, resampling, spectral extraction of the useful component, and statistical accuracy assessment on harmonized data series. This enables correct comparison of simulation results with field measurements in cases where direct comparison of time series is mathematically incorrect. For the first time, a method has been developed for determining the parameters and the admissible region of their values for a discrete mathematical model of acoustic wave propagation, ensuring the required accuracy according to selected metrics while satisfying numerical correctness and computational feasibility constraints. The method is based on sequential filtering of parameter configurations according to a cascade of criteria. First, configurations that do not satisfy numerical correctness conditions are excluded. Next, variants that exceed allowable resource constraints in terms of execution time or memory usage are filtered out. After that, only those configurations remain that provide a sufficient level of accuracy according to the specified metric of comparison with experimental data. If necessary, the method can be supplemented with a selfconsistency check relative to a more accurate reference configuration. For the first time, a modular software architecture for validation of mathematical models of acoustic wave propagation has also been developed. It implements the proposed methods and supports connection of numerical model implementations, loading and preparation of field data, signal harmonization, spectral-statistical accuracy assessment, calculation of error metrics, and automated determination of the admissible parameter region of the model. This architecture provides the possibility of integrating the developed software tool into hydroacoustic software and hardware complexes. Experimental verification of the proposed solutions was carried out on test and field data. For practical testing of the method for determining model parameters, the open SWellEx-96 dataset and acoustic wave numerical simulation tools were used. During the experiments, procedures were implemented for harmonizing simulated and measured signals, bringing data to a common sampling rate, estimating time delay in a narrow band around the transmitter frequency, scaling signals by amplitude and phase, and final comparison using the normalized error metric NMAE. The experimental results confirmed the practical feasibility of automated selection of a resource-efficient configuration while maintaining acceptable accuracy. For the considered experimental fragment, the simulation time was reduced by approximately 2.96 times without exceeding the established error threshold NMAE ≤ 0.2. This corresponds to a reduction in execution time by approximately 66.2% compared with the baseline configuration. The obtained results show that the proposed approach makes it possible not only to assess model accuracy, but also to practically select such numerical formulation parameters that provide an acceptable balance between accuracy and computational costs. The practical significance of the obtained results lies in the creation of a software tool and algorithmic procedures that provide reproducible validation of mathematical models of acoustic wave propagation within software and hardware complexes. The developed solutions make it possible to automate comparison of numerical simulation results with field measurements, reduce the dependence of assessment on manual parameter tuning, improve the validity of selecting numerical model configurations, and reduce simulation time while maintaining the specified accuracy level. The proposed methods and software tools can be used in the development, modernization, and testing of specialized hydroacoustic software and hardware complexes, in tasks of experimental verification of numerical models, in systems supporting series of simulation runs, as well as in research and educational activities for training specialists in software engineering, mathematical modeling, and digital signal processing. | |
| dc.format.extent | 217 с. | |
| dc.identifier.citation | Гейко, О. О. Методи та програмні засоби валідації математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль для програмно-апаратних комплексів : дис. … д-ра філософії : 121 – Інженерія програмного забезпечення / Гейко Олег Олександрович. – Київ, 2026. – 217 с. | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/82690 | |
| dc.language.iso | uk | |
| dc.publisher | КПІ ім. Ігоря Сікорського | |
| dc.publisher.place | Київ | |
| dc.subject | інженерія програмного забезпечення | |
| dc.subject | архітектура програмного забезпечення | |
| dc.subject | валідація та верифікація математичних моделей | |
| dc.subject | акустичні хвилі | |
| dc.subject | обробка цифрових сигналів | |
| dc.subject | моделювання гідроакустичних сигналів | |
| dc.subject | спектральний аналіз | |
| dc.subject | алгоритмічна обробка даних | |
| dc.subject | параметри моделі | |
| dc.subject | чисельна коректність | |
| dc.subject | оптимізація обчислювальних ресурсів | |
| dc.subject | програмно-апаратний комплекс | |
| dc.subject | статистичні метрики | |
| dc.subject | software engineering | |
| dc.subject | software architecture | |
| dc.subject | validation and verification of mathematical models | |
| dc.subject | acoustic waves | |
| dc.subject | digital signal processing | |
| dc.subject | hydroacoustic signal modeling | |
| dc.subject | spectral analysis | |
| dc.subject | algorithmic data processing | |
| dc.subject | model parameters | |
| dc.subject | numerical correctness | |
| dc.subject | optimization of computing resources | |
| dc.subject | integrated hardware–software system | |
| dc.subject | statistical metrics | |
| dc.subject.udc | 004.94:534.2 | |
| dc.title | Методи та програмні засоби валідації математичних моделей розповсюдження акустичних хвиль для програмно-апаратних комплексів | |
| dc.title.alternative | Methods and Software Tools for Validation of Mathematical Models of Acoustic Wave Propagation for Software and Hardware Complexes | |
| dc.type | Thesis Doctoral |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: