Модели и средства синтеза несущих конструкций автоматизированных систем управления в радиоэлектронной промышленности

В настоящее время решение множества комплексных проблем существенного ускорения социального и экономического развития страны непосредственно связано с радикальным повышением эффективности и темпов роста масштаба отечественного производства конкурентоспособных на внутреннем и внешнем рынках изделий новой техники во всех отраслях промышленности. Одним из ключевых направлений успешного решения этих системных задач является интенсификация разработки и внедрения высокоэффективных больших распределенных автоматизированных систем управления (АСУ) различного назначения. При этом главной задачей становится создание принципиально новых методов и средств проектирования этого особого и, в настоящее время, важнейшего и перспективного класса АСУ.

Мировая практика совершенствования АСУ различного назначения показывает, что эффективность внедрения достижений науки и техники, прежде всего в микроэлектронике, схемотехнике и технологии, в значительной степени зависит от их конструкторской реализации при создании радиоэлектронных средств (РЭС), которые занимают центральное место среди различных классов технических средств АСУ как по наиболее широкому диапазону выполняемых функций, так и по объему серийного производства. При этом существенные возможности повышения эффективности конструирования РЭС АСУ закладыф ваются на этапе проектирования базовых несущих конструкций (БНК), которые занимают 15−20% объема электронных модулей (ЭМ) и РЭС как сложных систем в целом и составляют до 25% трудоемкости их производства. В своем развитии БНК претерпевали множество изменений и совершенствовались вместе со схемотехнической, конструктивной и технологической базами создания новых поколений РЭС и с расширением области внедрения, главным образом, больших распределенных и интегрированных АСУ специального и профессионального назначения в различных сферах человеческой деятельности.

Заниматься решением задач совершенствования БНК, которые являются сложными системами, необходимо уже на ранних стадиях проектирования РЭС. В этом проявляется системность подхода, позволяющая реализовать многие преимущества БНК как составной части РЭС и создать благоприятные условия для адаптации БНК к разрабатываемым ЭМ различного уровня иерархии.

В настоящее время БНК играют все более значительную роль в обеспечении ключевых требований качественного и надежного функционирования РЭС и создаваемых на их основе больших распределенных АСУ различного назначения. Например, на первый план выдвигается необходимость обеспечения требований высокой скорости и защищенности передаваемой информации, электромагнитной совместимости, нормального теплового режима, снижения сроков и стоимости разработки и производства.

Анализ конструктивно-технологических характеристик и перспектив развития конструктивных модулей (КМ) систем БНК показал, что комплексное решение задач их проектирования и производства возможно только на основе разработки и внедрения методов и средств математического синтеза. Однако системному исследованию и разработке этой актуальной проблемы не уделялось достаточного внимания, что подтверждается малым количеством публикаций.

Актуальность исследования и решения задач математического синтеза оптимальных КМ БНК для системы структурных модулей РЭС при создании АСУ подтверждается также комплексом НИОКР, которые проводятся ведущими предприятиями и организациями в рамках проФ граммы Минобороны РФ «Разработка концепции комплексной унификации типоразмеров и компоновочных схем БНК для перспективных изделий РЭС" — «Межотраслевой программы комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС», разработанной Российским агентством по системам управленияпрограммы Госстандарта РФ.

Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж стандартных электронных модулей" — федеральных программ Российского агентства по судостроению, Российского авиационно-космического агентства, утвержденных постановлениями Правительства РФ 17.05.96 г. № 609, 21.12.99 г. № 1404, 30.12.00 г. № 1034 и другими.

Целью диссертации является разработка физико-математических моделей, алгоритмического и программного обеспечения структурного и параметрического синтеза системы БНК РЭС при построении АСУ различного назначения. В соответствии с этим в диссертационной работе ставились и решались следующие основные задачи: системный анализ комплекса действующих факторов, определяющих специфику проектирования, подготовки производства и непосредственно производства многоуровневых БНК РЭС как сложных системпостроение целевой функции оптимизации и математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза БНК РЭС АСУ по совокупности практически необходимых показателей качестваразработка пригодных для алгоритмизации математических моде-^ лей, учитывающих зависимости между производственнотехнологическими и структурно-геометрическими параметрами и показателями качества перспективных БНК ЭМ различного уровня иерархии РЭС АСУ;

• разработка экономичных алгоритмов структурного и параметрического синтеза оптимальных БНК РЭС АСУ, учитывающих схемотехнические, конструктивные и технологические показатели качестваразработка и внедрение специального программного обеспечения синтеза оптимальных БНК РЭС с учетом реализации множества практически вероятных требований процессов проектирования, производства, эксплуатации и модернизации АСУ;

Теоретические исследования диссертационной работы строятся на основе методов анализа сложных систем, исследования операций, математического программирования и современных методов вычислительной математики. В работе используются элементы теории множеств, теории алгоритмов, а также общие вопросы теории и методов конструирования и технологии производства РЭС.

В диссертационной работе предложен, разработан и исследован новый класс методов и средств анализа и синтеза БНК как сложных систем, а также оптимизации их структуры и параметров с комплексным учетом реальных условий проектирования, подготовки производства, непосредственно производства и эксплуатации перспективных РЭС при создании больших распределенных АСУ различного назначения.

Принципиальный вклад в развитие комплексных исследований в области автоматизации проектирования и производства БНК РЭС АСУ составляют следующие новые научные результаты, полученные лично автором: предложены критерии, состав ограничений и переменных векторной оптимизации КМ различных иерархических уровней БНК и их совокупностиобщая математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза системы оптимальных БНК, комплексно учитывающая практически важные требования всех этапов создания и эксплуатации пер спективных АСУразработаны и выбраны математические модели, которые отражают реальные условия проектирования и изготовления БНК и позволяют рассчитывать трудоемкости проектирования, подготовки производства и изготовления модулей БНК различного уровня иерархии, а также оценивать в стоимостном выражении потери от неэффективного использования объема (площади) БНК при компоновке в них РЭС АСУразработаны принципы алгоритмизации и методика структурного и параметрического синтеза БНК на основе функционально-стоимостного анализа, позволяющие создавать БНК с максимальной функциональной емкостью при минимуме затрат на их изготовление с учетом схемотехнических, электромагнитных, теплофизических, механических, технологических и других практически вероятных ограниченийпредложены и программно реализованы принципы организации специального программного обеспечения векторного синтеза оптимальных БНК как сложных технических системметоды и результаты решения с помощью ЭВМ задач синтеза структуры и параметров БНК на основе разработанных и выбранных физико-математических моделей и алгоритмов.

На защиту выносятся следующие новые научные положения: методы, модели и алгоритмы векторной оптимизации структуры и параметров системы КМ БНК позволяют синтезировать компромиссные конструктивно-технологические решения в интересах всего процесса проектирования многоуровневых и многофункциональных РЭС за счет системного согласования функционально-экономического критерия оптимальности и технических показателей качества, комплексно учитывающих практически необходимые условия разработки, производства и эксплуатации РЭС и АСУ в целомматематическая постановка задач структурной и параметрической оптимизации КМ любого уровня иерархии и их совокупности, целевой функцией которой является минимизация компоновочных потерь объема (площади) системы БНК и затрат на их проектирование, подготовку производства и производство, создает возможность для проектирования высокоэффективных многоуровневых РЭС при построении перспективных АСУ различного назначениякомплекс разработанных и обоснованно выбранных экономико-математических и физико-математических моделей и методик для расчета, анализа и оптимизации стоимостных и конструктивных параметров и показателей качества перспективных БНК позволяет построить эффективные алгоритмы автоматизированного решения сформулированных задач синтеза, отличающихся высокой размерностью и недостаточностью априорной информацииобщесистемные и частные алгоритмы синтеза КМ и системы БНК в целом, основанные на применении метода дискретного программирования — метода многократного отсечения по множеству разнородных и противоречивых критериев, ранжирования определяющих фиксируемых и управляемых параметров, эвристических приемов направленного перебора возможных вариантов и автоинтерактивного режима обработки информации, обеспечивают решение задач структурной и параметрической векторной оптимизации БНК за практически приемлемое время на современных ЭВМприменение прогрессивных принципов построения специального программного обеспечения синтеза БНК с учетом организации функционального взаимодействия программных компонентов моделирования электромагнитных, теплофизических, механико-прочностных и других процессов позволяет практически реализовать действительно f системный подход к оптимизации структуры и параметров БНК и, благодаря этому, существенно повысить экономическую эффективность, технический уровень и качество разработки и производства перспективных РЭС и АСУ.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании методов и средств автоматизированного структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных КМ системы БНК для перспективных РЭС АСУ различного назначения. Практические результаты работы используются при создании системы новых государственных стандартов в соответствии с «Межотраслевой программой комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС» Российского агентства по системам управления и программой Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж электронных модулей». Результаты работы используются в учебном процессе Северо-Западного государственного заочного технического университета, Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета и Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, что подтверждается соответствующими актами.

Результаты диссертационной работы в виде разработанных и программно реализованных алгоритмов структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных БНК были использованы при создании ведущими предприятиями Российского агентства по системам управления унифицированной системы БНК для различных классов РЭС АСУ, соответствующей перспективным стандартам МЭК и не уступающей лучшим мировым аналогам. Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, алгоритмов и программного обеспечения также используются в НИОКР, проводимых предприятиями Российского агентства по судостроению, Российского авиационно-космического агентства и других ведомств (ОАО «Авангард», г. Санкт-ПетербургОАО «НПО «Прибор», г. Санкт-ПетербургООО «НПП «ЭлектроРадиоАвтоматика», г. Санкт-ПетербургОАО «НПО «Такт», г. Пермь), что подтверждается соответствующими актами.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и были одобрены на 4-й и 8-й международных научно-практических конференциях «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. Одесса, 2000 г. и г. Черкассы, 2004 г.) — на 2-й, 5-й и 7-й международных научно-практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2001, 2004 и 2006 г. г.).

По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 монография.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и заключения. Текстовый материал изложен на 132 страницах. Работа содержит 7 таблиц и 11 рисунков.

Список литературы

включает 108 наименований отечественных и зарубежных публикаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Тема диссертации находится в русле актуального и важнейшего направления, отвечающего запросам большинства отраслей народного хозяйства страны и требованиям повышения ее обороноспособности, а также имеющего своей целью создание принципиально новых и эффективных методов и средств проектирования БНК РЭС АСУ различного назначения. В настоящей работе в научном плане решена и на практическом уровне реализована крупная задача, имеющая важное значение во всех сферах человеческой деятельности и непосредственно связанная с созданием перспективных технических средств больших распределенных АСУ с высокими технико-экономическими характеристиками. Это, в существенной мере, достигается на основе проведенных исследований, обобщения, разработки и внедрения методов и средств анализа, синтеза и оптимизации практически возможных вариантов БНК как сложных иерархических систем РЭС, занимающих ключевое положение среди различных классов технических средств АСУ.

Основные теоретические и практические результаты диссертационной работы, полученные лично автором, заключаются в следующем.

1. На основе системных исследований практически возможных вариантов БНК РЭС АСУ и тенденций развития отечественных и зарубежных РЭС АСУ различного назначения, разработанных за последние два десятилетия, определены перспективные способы реализации и предложена новая конструкторско-технологическая реализация наиболее эффективных вариантов построения БНК как сложных иерархических систем.

2. Благодаря применению системного подхода выбрана главная концепция структурного и параметрического синтеза БНК как технической системы — оптимизация на базе использования достижений теории математического программирования и внедрения быстродействующих ЭВМ. С учетом этого разработана общесистемная классификация качественных показателей прогрессивных способов проектирования БНК, учитывающая схемотехнические, электромагнитные, теп-лофизические, механико-прочностные и другие, практически необходимые требования.

3. На основе исследования перспектив развития БНК как сложных систем построена целевая функция оптимизации структуры и параметров КМ и их совокупности, включающая в себя плотность компоновки и стоимость (трудоемкость) их проектирования, подготовки производства и производствасформулирована математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза системы многоуровневых БНК с учетом практически вероятных схемотехнических, конструкторских и технологических критериев и ограничений.

4. Разработан комплекс статистически обоснованных аналитических зависимостей для расчета, анализа, оптимизации и прогнозирования стоимостных и конструктивных показателей качества и параметров перспективных КМ системы БНК. Эти зависимости, наряду с обоснованно выбранными математическими моделями: механико-прочностными, теплофизическими, электромагнитной совместимости и другими, характеризующими отдельные функции любого синтезируемого варианта КМ, позволили построить для него единую математическую модель, пригодную для алгоритмизации и адекватно отражающую функционирование этого варианта КМ БНК как системного объекта.

5. Разработаны методики и обобщенный алгоритм структурного и параметрического синтеза системы многоуровневых БНК, основанные на применении метода целочисленного программированияметода отсечения, на ранжировании ряда фиксируемых и управляемых параметров, использовании автоинтерактивного режима обработки информации и разработке оригинальных эвристических приемов, обеспечивающих решение системных задач синтеза с учетом реализации всей совокупности предъявляемых к системе БНК требований за практически приемлемое время с помощью современных ЭВМ.

6. Разработаны общесистемные алгоритмы моделирования механико-прочностных, теплофизических и электромагнитных процессов для структурного и параметрического синтеза многоуровневых БНК, обеспечивающие расчет и анализ множества показателей (параметров) надежности, входящих в систему ограничений математической постанови задач синтеза БНК: деформаций, напряжений, коэффициентов перегрузки в условиях внешних динамических воздействий в виде вибраций и ударов, особенно, сейсмическихтемпературных полей перегревов в зависимости от плотности компоновки ЭМ, классов и групп эксплуатации РЭСемкостей и индуктивностей паразитных связей, времени задержки распространения информационного сигнала, и многих других.

7. Разработаны принципы организации и состав специального программного обеспечения структурного и параметрического синтеза КМ БНК многоуровневых и многофункциональных РЭС АСУ различного схемотехнического назначения и широкого диапазона условий эксплуатации.

8. На основе разработанного и внедренного специального программного обеспечения проведены экспериментальные исследования перепективных вариантов БНК, которые подтвердили преимущества математического синтеза по сравнению с существующим инженерным (эвристическим) синтезом, а именно: стоимость (трудоемкость) и сроки проектирования, подготовки производства и непосредственно производства КМ БНК уменьшились в среднем на 30%, а плотность их компоновки увеличилась на 20 — 30% в зависимости от функционального назначения и условий эксплуатации РЭС больших распределенных АСУ.

9. Практические результаты работы, также как и экспериментальные исследования, подтвердили эффективность разработанных методов и средств математического программно реализованного структурного и параметрического синтеза вариантов КМ БНК как технических систем.

Теоретические и практические результаты работы используются в НИОКР, которые проводятся в рамках федеральных программ: «Координация деятельности в области промышленной автоматизации и системостроения», «Российская электроника» и «Российские верфи" — программы Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж стандартных электронных модулей" — «Межотраслевой программы комплексной унификации, стандартизации и развития БНК РЭС». Результаты диссертационной работы внедрены на четырех ведущих предприятиях различных отраслей промышленности и используются в учебном процессе трех ВУЗов, которые перечислены во «Введении».

Теоретические и практические результаты работы в виде математических моделей, алгоритмов и специального программного обеспечения структурного и параметрического синтеза БНК РЭС АСУ предлагается использовать в НИОКР, проводимых ФГУП НИИ «Автематическая аппаратура» им. акад. B.C. Семинихина, ФГУП НИИ «Системы управления», ОАО «ЦНИИ «Техномаш», ОАО «ЦНИИ «Технологии судостроения» и на других предприятиях, занимающихся созданием новых поколений больших распределенных АСУ различного назначения.