Математическое и программное обеспечение систем оперативной оценки характеристик сложных объектов на основе интегрированных баз данных

Актуальность темы

Современный уровень информационных, программных и технических средств вычислительной техникипозволяет разрабатывать системы различного назначения (для моделирования, проектирования, оперативной оценки параметров систем и т. д.), основанные на единых принципах организации систем, имеющих единое информационное пространство.

Наиболее эффективными для автоматизации различных видов деятельности являются постоянно развивающиеся интерактивные средства, обеспечивающие процессы моделирования, проектирования и анализа объектов в режиме диалога «человек-компьютер». В сложной системе с большим числом разнообразных процедур обработки различных видов информации база данных является её центральным узлом. Интегрированная база данных в современных системах, предназначенных для исследования сложных объектов, представляет собой совокупность различных видов, в том числе графических, типов данных и принципов их организации.

Зачастую при разработке сложных объектов возникает острая необходимость в оперативном определении характеристик объекта и оценки его наиболее критичных параметров. Ситуация осложняется отсутствием данных натурных испытаний и экспериментальных замеров характеристик объектов в связи с необходимостью непосредственного доступа к объекту.

Сложность комплексного математического моделирования и оценки различных характеристик сложных объектов заключается, как правило, в отсутствии единой программной ! средымоделирования и проектирования. Востребованные в настоящее время программные системы, осуществляющие, например, моделирование локальных радиационных эффектов и позволяющие проводить расчёты по оценке стойкости полупроводниковых изделий, комплектующих бортовую аппаратуру космических аппаратов, мало распространены и практически недоступны.

Таким образомактуальность темы. исследованияобусловлена необходимостью разработки математических и программных средств интегрированных систем, позволяющих получать оперативные данные о характеристиках сложных объектов.

Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные комплексы и проблемно-ориентированные системы управления».

Цель и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка специального математического и программного обеспечения универсальной программной системы с использованием* интегрированной базы данных, для оперативной оценки характеристик сложных объектов.

Для достижения поставленной цели в работе определены следующие задачи исследования:

— провести комплексный анализ построения современных систем для исследования сложных объектов с использованием интерактивных средств и интегрированных баз данных-,.

— разработать специальное математическое обеспечение, включающее' специализированную модель для оперативного проведения расчётов с использованием информации об объекте по оценке стойкости полупроводниковых изделий-.

— разработать обобщённую структуру человеко-машинной системы, позволяющей оперативно проводить исследования различных сложных объектов, настраивая учитывающую предметную область специализированную часть с использованием интегрированной. базы данных;

— на основе системы управления данными проектов предложить организацию и создать программный комплекс, предназначенный для оценки характеристик стойкости полупроводниковых изделий при воздействии отдельных заряженных частиц и позволяющий определить корректность выбора элементной базы.

Методы исследования. В работе использованы методы организации взаимодействия программ, математического моделирования, модульногои структурного программирования, теории баз данных, эволюционных методов и методов компьютерной графики.

Научная новизна работы: В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

— структурная модель универсальной программной системы исследования сложных объектов, отличающаяся наличием в составе инвариантной части, позволяющей проводить интеграцию внешних проектов и специализированной части, учитывающей специфику предметной области;

— интегрированная база данных, отличающаяся хранением различных, в том числе графических, типов данных с возможностью гибкого, многовариантного поиска по информационным полям и загрузки элементов из внешних библиотек;

— модель межмодульной интеграции внешних специализированных комплексов на основе универсальной справочной системы, отличающаяся учётом специфики подсистеми использованием оригинального алгоритма конвертации форматов различных видов данных в рамках общего информационного пространства;

— структура специального программного обеспечения с использованием интерактивных средств человеко-машинного интерфейса, включающего в себя систему управления данными1 проектов^ отличающаяся возможностью оценки корректности выбора элементной базы с учётом локальных радиационных эффектов в полупроводниковых изделиях при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства.

Практическая значимость работы. В работе предложен комплекс программных средств, позволяющий определять характеристики стойкости полупроводниковых изделий к локальным радиационным эффектам1 при воздействииотдельных заряженных частиц космического пространства (34 КП), приведены результаты расчётных значений для ряда полупроводниковых изделий отечественного и зарубежного производства с различным схемотехническим и конструктивным исполнением.

Реализация и внедрение результатов работы. В рамках диссертационной работы разработано программное обеспечение «Интерактивная система оперативной оценки стойкости полупроводниковых изделий к локальным радиационным эффектам». Разработанные средства внедрены в деятельность ЗАО «НИИ МЕХАНОТРОНИКИ — АЛЬФА — НЦ», ЗАО «Орбита», ООО «МЭЛ», ОАО НВП «ПРОТЕК» в интересах оценки стойкости радиоэлектронной аппаратуры специального назначения и приняты в опытную эксплуатацию.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Международной открытой научной конференции «Информационные технологии моделирования и управления» (Воронеж, 2008) — ежегодной Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2009 — 2011) — Международной открытой научной конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении-., .производстве» (Воронеж, 2010) — XI Международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2011).

Публикации. По результатам диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [3] - обобщение информации для построения математической модели сложных объектов- [4] - использование интерактивных средств при построении автоматизированных систем- [5, 7] - разработка математической модели и программного * обеспечения сложных объектов- [8,9] - предложена концепция, универсальной программнойсистемы исследования сложных объектов с использованием интегрированной базы данных- [6] - разработка специального математического обеспечения для оперативного проведения расчётов с использованием информации об объекте- [10] - организация человеко-машинного интерфейса в специальных программных средствах оперативной оценки сложных объектов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 75 наименований и четырёх приложений. Основная часть работы изложена на 168 страницах, содержит 46 рисунков, 10 таблиц.

Выводы.

1. Создано специальное программное обеспечение, в виде интерактивных средств человеко-машинногот^нтерфейса, позволяющее проводить оценку стойкости полупро2^ОДНИКОВЬ1Х изделий комплектующих бортовую аппаратуру к локальным радиационным эффектам при воздействии отдельных г^^^Ряжениых частиц космического пространства.

2. Предложена модульная структура и организация человеко—^глашинного интерфейса программного обеспечения оценки локальных радиационных эффектов полупроводниковых изделий. Определен перечень графических форм программного комплекса.

3. Синтезирован графический интерфейс форм программного обеспечения в соответствии с разработанными алгоритмами подсистем, произведено описание их интерактивного взаимодействия с пользователем. Определён набор операций задаваемых пользователем в рамках взаимодействия с графической средой ПО.

4. Описана методика проведения расчёта стойкости полупроводниковых изделий от воздействующих заряженных частиц КП с использование программного обеспечения, на примере виртуальной конфигурации блока бортовой аппаратуры.

5. Приведён пример апробации расчётных значений стойкости полупроводниковых изделий от воздействующих заряженных частиц КП по ряду отечественных и зарубежных изделий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана структурная модель универсальной программной системы исследования сложных объектов, отличающаяся наличием в составе инвариантной части, позволяющей проводить интеграцию внешних проектов и специализированной части, учитывающей специфику предметной области.

2. Предложена модель межмодульной интеграции на основе универсальной справочной системы с использованием оригинального алгоритма конвертации различных видов данных.

3. Сформирована интегрированная база данных, отличающаяся возможностью хранения различных, в том числе графических, типов данных с возможностью гибкого, многовариантного поиска по информационным полям и загрузки элементов из внешних библиотек.

4. Создано специальное программное обеспечение в виде интерактивных средств человеко-машинного интерфейса, позволяющее проводить оценку стойкости полупроводниковых’изделий-комплектующих бортовую аппаратуру к локальным радиационным эффектам при воздействии отдельных заряженных частиц космического пространства.

5. Разработанное специальное программное обеспечение оперативной оценки стойкости полупроводниковых изделий к локальным радиационным эффектам, апробированное на ряде предприятий в интересах оценки радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры специального назначения.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ БА — бортовая аппаратура.

БА КА — бортовая аппаратура космических аппаратов БД — база данных.

ВЭП — высокоэнергетичные протоны.

ГКЛ — галактические космические лучи.

ЕРПЗ — излучения естественных радиационных поясов.

34 — заряженные частицы.

34 КП — заряженные частицы космического пространства ИИ — ионизирующие излучение.

ИИ КП — ионизирующие излучение космического пространства.

ИПЭ — изделия полупроводниковой электроники.

ИМС — интегральная микросхема.

ИС — интегральная схема.

КА — космический аппарат.

КП — космическое пространство.

ЛПЭ — линейные потери энергии.

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство.

ОС — одиночный сбой.

ОЯЧ — отдельных ядерных частиц.

ПО — программное обеспечение.

СКИ — солнечное космическое излучение.

СКЛ — солнечные космические лучи.

ТЗ — техническое задание.

ТЗЧ — тяжёлые заряженные частицы.

ТУ — технические условия.

ЭРЭ — электро-радио элемент.

ЭМ — электронный макет.