Введение к работе
з
Актуальность проблемы. Сложившаяся за последнее десятилетие ситуация в отечественной авиационной промышленности позволяет констатировать, что рынок бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) в Российской Федерации сегодня уже сформировался. На большинстве специализированных международных авиакосмических салонов (Ле Бурже (Франция), Фарнборо (Великобритания), МАКС (Россия), Бангалор (Индия), Джухай (Китай) и т.д.) постоянно экспонируются новейшие достижения авиационной техники, сопутствующих технологий и средств автоматизации проектирования БРЭО. В отрасли создаются и успешно развиваются новые все более крупные консорциумы и корпорации — ГК „Ростехнологии", ОАО «Корпорация „Аэрокосмическое оборудование"», ОАО «Холдинговая компания „Авиаприбор-холдинг"», Холдинговая компания „Ленинец", ОАО «НПЦ „Технокомплекс"» и ряд других, объединяющие под своим началом множество отдельных предприятий, занятых в сферах разработки и производства современной авионики.
На фоне успехов перспективных зарубежных исследований (компаний Astronautics Corporation of America, Aerospace Display Systems Inc., Display and Technologies Interface Product, Planar Advance Inc., Systran Corporation, Thales, Honeywell, Rockwell Collins, Allide Signal и других), проводимых под эгидой объединенного комитета НАТО по стандартизации архитектуры авиационных комплексов ASAAC (Allied Standard Avionics Architecture Council) в рамках программ создания в США новых концепций построения БРЭО — DAIS, Pave Pillar / F22 (Raptor), Pave Pace / JSF (Joint Strike Fighter — F35), MAS A (Module Avionics System Architecture), интегрированных систем датчиков — ISS (Integrated Sensor System), стандартных конструкций электронных модулей — SEM (Standard Electronic Module), и AAAP (Advanced Avionics Architecture and Packing) в Великобритании, российскими НИИ и КБ сегодня ведется поиск новых научных направлений развития БРЭО, исследования научных основ проектирования и управления качеством проектных работ, методологии построения и функционирования БРЭО, способных обеспечить качественный и долговременный паритет отечественных разработок в целевой эффективности и конкурентоспособной борьбе.
Детальная проработка методов и средств проектирования, оптимальная композиция совокупности функциональных систем в единый комплекс требует от исследователей создания сквозной технологии автоматизированного синтеза, которая обеспечила бы снижение неопределенности в оценке основных свойств разрабатываемых систем до уровня, позволяющего осуществить обоснованный выбор наилучшего варианта структуры и параметров БРЭО, а также отдельных видов его подсистем уже на начальном этапе — этапе эскизного проектирования.
В настоящее время в Российской Федерации такая технология отсутствует. Об актуальности исследований в этом направлении свидетельствует, в частности, недавно опубликованный перечень критических технологий, утвержденный Правительством РФ, а также ряд целевых федеральных программ РФ, исполнителями которых выступают такие известные Российские предприятия, как ФГУП „ГосНИИ АО", ФГУП „ГосНИИ АС", ФГУП „ГосНИИ ГА", ФГУП „ГосНИИ Аэронавигации", ЦАГИ, ФНПЦ РПКБ „Раменское", ФГУП «СПб ОКБ „Электроавтоматика" им. П. А. Ефимова», КБ „Сигнал", ОАО „Авиаприбор-холдинг", МНПК „Авионика", НИИ „Полет", ВНИИРА, ОАО „Туполев", ЗАО „Транзас", ЛИ и ДБ им. М. М. Громова и другие.
4 К числу государственных программ, направленных на разработку новых и совершенствование (модернизацию) существующих комплексов БРЭО с использованием новых технических решений, включая конструкторские и технологические решения САПР и CALS-технологии в авионике, относятся:
программа „Развитие гражданской авиационной техники России на 2002— 2010 гг. и на период до 2015 г.", выполняемая в рамках постановления Правительства РФ от 15 октября 2001 года № 728: „О федеральной целевой программе развития авиационной техники России на 2002—2010 гг. и на период до 2015 г.";
программа модернизации и развития интегрированных комплексов и систем цифрового оборудования самолетов гражданской авиации России на период 2003— 2010 гг. („Авионика- 2010");
программа „Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники на 2008—2015 гг.", выполняемая в рамках постановления Правительства РФ от 23 июня 2007 г. № 972-р и ряд других.
Таким образом, теоретические и прикладные исследования принципов построения и методологии проектирования интегрированных систем и комплексов БРЭО являются сегодня актуальными, способствуют повышению обороноспособности страны, ускорению научно-технического прогресса и позволяют вывести проектирование авионики на качественно новый уровень.
Объектом исследования диссертационной работы является вычислительная система комплексов бортового оборудования, разрабатываемая в рамках концепции интегрированной модульной авионики и образующая ядро современного БРЭО.
Предметом исследования диссертационной работы являются характеристики вычислительной системы БРЭО, обеспечивающие статическое, динамическое и информационное подобие реального объекта разработки требованиям тактико-технического задания (ТТЗ), а также автоматизированные методы целенаправленного изменения указанных характеристик за счет технических решений, закладываемых в систему на этапе ее проектирования.
В диссертационной работе использован подход к описанию принципов построения и методологии автоматизированного проектирования интегрированных вычислительных систем комплексов бортового оборудования на основе методов исследования, развитых в теории систем, теории подобия, теории принятия решений, теории алгоритмов, теории и методов САПР, принципов системного подхода и композиционного проектирования, математического моделирования.
Диссертационная работа является дальнейшим развитием теории и методологии автоматизированного проектирования БРЭО, значительный вклад в которые внесли такие известные ученые отрасли как: Е. А. Федосов, Г. И. Джанджгава, П. П. Парамонов, А. А. Оводенко, П. А. Ефимов, Г. А. Ильенко, А. И. Гайкович, А. А. Турчак, В. С. Платунов, В. А. Годунов, И. П. Норенков, Р. И. Сольницев, В. В. Курейчик, Ю. А. Гат-чин, В. Н. Ефанов, Р. А. Шек-Иовсепянц, Ю. И. Сабо, Б. В. Видин, И. Г. Захаров и др.
Цель диссертационной работы состоит в обобщении и развитии теории и методов автоматизации проектирования бортовых цифровых вычислительных систем (БЦВС) и создании на этой основе теоретического обеспечения, охватывающего все необходимые аспекты автоматизации и исследования принципов построения и методологии проектирования аппаратных средств БЦВС в соответствии с основными положениями концепции интегрированной модульной авионики (ИМА).
5 В соответствии с поставленной целью в работе решены следующие задачи:
-
Определены поколения развития комплексов БРЭО, их структурные особенности; обозначены проблемы, возникающие при разработке новых вычислительных систем интегрированной модульной авионики, препятствующие обеспечению подобия характеристик физического объекта разработки требованиям ТТЗ.
-
Введено понятие релевантных параметров интегрированной вычислительной системы как объекта технического проектирования.
-
Введено понятие подобия, как расстояния между векторами или как расстояния между годографами векторов в пространстве релевантных параметров; предложено использовать указанное расстояние в качестве критерия подобия требованиям ТТЗ при техническом проектировании.
-
Определена общая структура интегрированной вычислительной системы, где выделены: уровень стандартных конструктивно-функциональных модулей, уровень крейта (стойки), межстоечный уровень; для каждого уровня определены компоненты и порядок их взаимодействия в трехступенчатой веерной модели.
-
Сформирована общая система уравнений, связывающая значения релевантных параметров интегрированной вычислительной системы и входящей в нее аппаратуры (модулей и подсистем).
-
Разработан принцип классификации и табулированы наиболее значимые характеристики компонентов БЦВС как объекта технического проектирования в соответствии с основными положениями концепции ИМА.
-
Разработан набор аналитических моделей интегрированной вычислительной системы: модель состава, модель структуры, модель параметров, модель функционирования, учитывающие специфику БЦВС как объекта технического проектирования в соответствии с основными положениями концепции ИМА.
-
Получены выражения для варьируемых параметров физической модели БЦВС структуры ИМА, обеспечивающие достижение абсолютного подобия требованиям ТТЗ с ограничениями на значения релевантных параметров.
-
Сформулирована задача достижения практического подобия с квадратичным критерием и приведены условия для ее решения методом наименьших квадратов с использованием неопределенных множителей Лагранжа.
-
Разработан алгоритм генерации вариантов проектных решений при синтезе интегрированной вычислительной системы БРЭО на основе аппарата генетических алгоритмов; определен механизм генерации проектных альтернатив с использованием операторов селекции и мутации.
-
Проведена серия статистических испытаний алгоритма генерации БЦВС, получен ряд проектных решений, среди которых на основе квадратичного критерия подобия решена задача элитного отбора альтернатив, наиболее близко соответствующих требованиям ТТЗ.
-
Проведена экспериментальная проверка методологии автоматизированного проектирования при синтезе ряда бортовых вычислительных машин, средств бортовой индикации и управления, серийно производимых сегодня промышленностью и введенных в эксплуатацию.
Положения, выносимые на защиту, обладающие научной новизной: 1. Сформулированы принципы построения и разработана методология автоматизированного проектирования аппаратных средств интегрированной бортовой вычислительной системы, обеспечивающие в совокупности воспроизведение релевантных
6 параметров физического объекта разработки с наилучшим уровнем подобия ТТЗ.
-
Решена проблема автоматизированного проектирования БЦВС интегрированной модульной авионики, для чего введена целевая функция проектирования, предложен метод фрагментации и введен полимодельный комплекс математических моделей, определяемых через вектор релевантных параметров.
-
Сформулирована оптимизационная задача достижения практического подобия интегрированной вычислительной системы архитектуры ИМА требованиям ТТЗ, для чего разработан критерий оптимизации и система ограничений.
-
Предложен метод поиска экстремума критерия подобия объекта проектирования требованиям ТТЗ в пространстве релевантных параметров за счет автоматизированной вариации параметров компонентов агрегатной базы ИМА.
-
Решена проблема совершенствования процесса автоматизации проектирования БЦВС за счет использования ограниченного набора стандартных унифицированных компонентов ИМА и внедрения типовых проектных процедур.
-
В соответствии с концепцией воспроизводства релевантных свойств объекта проектирования разработана модель безбумажного управления проектными данными в электронном архиве предприятия и определен механизм автоматизированной генерации проектных решений на ее основе.
-
Разработан способ и предложена схема целенаправленного автоматизированного проектирования интегрированных вычислительных систем авионики, реализованные в виде практических разработок авиационной техники.
Новизна научных положений состоит в том, что впервые решена научная проблема автоматизированного проектирования бортовых вычислительных систем интегрированной модульной авионики.
По итогам открытого конкурса научных исследований, проводимого Министерством образования и науки РФ, Российской Академией наук и Администрацией СПб в рамках федеральной целевой программы „Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки", авторские исследования получали поддержку в форме четырех персональных грантов: №М99-3.5Д-260, 1999 г.; № М01-3.5К-80, 2001 г.; № М02-3.5К-127, 2002 г.; № М03-3.5К-3, 2003 г.
По итогам открытого конкурса научных исследований, проводимого Институтом „Открытое общество" — Фонд Сороса (Россия) и Администрацией Санкт-Петербурга в рамках Международной программы International Soros Science Education Program, авторские исследования поддержаны грантом: № А232-03, 2003 г.
Практическая значимость работы и реализация ее результатов. Результаты работы получены автором при выполнении в интересах МО РФ и гражданской авиации РФ составных частей следующих ОКР:
ОКР „Разработка комплекса бортового оборудования К-130", выполненная по ТЗ ОАО „ОКБ им. А. С. Яковлева", 2002—2009 гг.
ОКР „Разработка комплекса электронной индикации и управления КЭИУ-823.01", выполненная по ТЗ ОАО „ОКБ им. А. И. Микояна", 2000—2003 гг.
ОКР „Разработка системы самолетовождения и индикации ССИ-80 для самолета Су-80ГП", выполненная по ТЗ ОАО „ОКБ Сухого", 1999—2006 гг.
ОКР „Разработка системы обработки информации и управления СОИ-У-25-1 (2)", выполненная по ТЗ ОАО „ОКБ Сухого", 2002—2007 гг.
Эскизно-технический проект на составную часть ОКР „БУК М", выполненный по ТЗ ОАО „Туполев", 2008 г.
ОКР „Компоненты КБО", 2007 г. и ОКР „Конструктор КБО-7", 2008 г., выполненные совместно с ФГУП „ГосНИИ АС".
7 Результаты работы используются в разработках ФГУП «СПб ОКБ „Электроавтоматика" им. П. А. Ефимова». В частности, при создании прототипа бортовой цифровой вычислительной платформы изделия „Крейт-би" внедрены:
-
Методология автоматизированного проектирования аппаратных средств вычислительной системы интегрированной модульной авионики.
-
Совокупность математических моделей БЦВС как объекта технического проектирования интегрированной модульной авионики.
-
Совокупность релевантных параметров и виды базовых компонентов вычислительной системы интегрированной модульной авионики.
Использование научно обоснованных технических решений по методологии проектирования БРЭО позволило автоматизировать процесс проектирования, повысить эффективность функционирования разрабатываемых вычислительных сред, сократить сроки и снизить затраты на разработку аппаратных средств БЦВС интегрированной модульной авионики.
Ряд результатов реализован в виде специализированного программного обеспечения для ЭВМ, зарегистрированного в Информационно-библиотечном фонде и Отраслевом фонде алгоритмов и программ Министерства Образования и науки РФ:
№ 50200300301 (АС № 2491, 2003 г.); № 50200300257 (АС № 2466, 2003 г.);
№ 50200300625 (АС № 2755, 2003 г.); № 50200300624 (АС № 2754, 2003 г.);
№ 50200300623 (АС № 2753, 2003 г.); № 50200301065 (АС № 3016, 2003 г.).
Материалы и результаты диссертационной работы изложены в учебно-методической литературе и используются в учебном процессе ГОУВПО „Санкт-Петербургский Государственный университет информационных технологий, механики и оптики". В частности, на кафедре Проектирования компьютерных систем внедрены:
-
Принципы построения интегрированных вычислительных систем бортового оборудования летательных аппаратов (ЛА).
-
Методы и алгоритмы автоматизированного проектирования интегрированных вычислительных систем.
-
Методы оптимизации характеристик бортовых вычислительных систем ИМА.
-
Система классификации функциональных элементов БЦВС.
-
Методы оценки качества проектных решений в вычислительных системах.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата и успешным применением методологии проектирования при решении практических задач по разработке информационно-измерительных, управляющих и индикационных систем БРЭО современных пилотируемых ЛА. Представлены соответствующие акты внедрения.
Образцы аппаратуры, разработанной при участии автора в рамках проведения диссертационного исследования, демонстрируются на международных авиакосмических салонах „МАКС", соответствуют эргономическим нормам оценки испытательной базы ГНИИИ ВМ МО РФ, ИЛ ТС АНО „Радиооборонтест", РНИИ „Электронстан-дарт" и др., имеют патентную чистоту в отношении США, Великобритании, Франции, имеют положительное заключение об их постановке на вооружение (акт государственных испытаний №24/307137-001ВП от 08.04.2008), утвержденное:
начальником управления заказов и поставок авиационной техники и вооружения;
начальником вооружения-заместителем главнокомандующего ВВС РФ по вооружению.
Эксплуатация серийно выпускаемых в ОАО «НПК „ЭЛАРА" им. Г. А. Ильенко» изделий (комплектам КД, ПД присвоена литера Oi), разработанных с участием автора, осуществляется в войсковых частях МО РФ и на летных доводочных базах ЛИ и ДБ им. М. М. Громова в составе объектов Су-80ГП, Т-8СМ, Т-8УБМ, МиГ-УТС (AT), Як-130 и учебного тренажера объекта Як-130 (ЗАО «РАА „Спецтехника"»).
Авторский вклад в научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки в авиационной промышленности отмечен благодарностями:
ФГУП «Санкт-Петербургское опытно-конструкторское бюро „Электроавтоматика" им. П. А. Ефимова» — почетной грамотой „За вклад в работу ОКБ...", 2009 г.;
ФГУП «Российская самолетостроительная корпорация „МиГ"» — почетной грамотой „За добросовестный труд в авиационной отрасли ...", 2003 г.;
Федерального агентства РФ по промышленности (Роспром) — „За большой личный вклад в развитие отечественной авиационной промышленности и выполнение полного объема ОКР по модернизации Су-25...", 2006 г.
Объекты Су-25, прошедшие модернизацию, принимали участие в вооруженном конфликте Южная Осетия—Грузия, август 2008 г. и последовавшей вслед за этим операции по принуждению к миру, и получили положительную оценку летного состава и технических специалистов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 7-ой Международной студенческой школе-семинаре (г. Судак, 1999 г.); 4-ой Санкт-Петербургской ассамблее молодых ученых (Санкт-Петербург, 1999 г.); 1-ой международной конференции „Мехатроника и робототехника" (Санкт-Петербург, 2000 г.); научных семинарах кафедры Моделирования вычислительных и электронных систем ГУАП (Санкт-Петербург, ГУАП, 2001— 2009 гг.); научных семинарах кафедры Машинного проектирования бортовой электронно-вычислительной аппаратуры ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2005—2009 гг.); научных семинарах кафедры Проектирования компьютерных систем ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2009 г.); научных сессиях аспирантов и преподавателей ГУАП (Санкт-Петербург, 2001—2009 гг.); научных конференциях профессорско - преподавательского состава ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2002—2009 гг.); 9-ой международной Балтийской олимпиаде по автоматическому управлению (Санкт-Петербург, ГУ ИТМО, 2002 г.); 5-ой конференции „Навигация и управление движением" (Санкт-Петербург, ГНЦ РФ ЦНИИ „Электроприбор", 2003 г.); 10-ой международной конференции „Теория и технология программирования и защиты информации" (Санкт-Петербург, ГУ ИТМО, 2006 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 работы, из них: 15 статей в ведущих рецензируемых журналах, утвержденных ВАК РФ для публикации основных научных результатов диссертаций соискателей ученой степени доктора наук, 3 монографии, 6 авторских свидетельств на программы для ЭВМ, 5 работ в сборниках трудов международных конференций, 13 работ учебно-методического характера, один депонированный отчет по НИР. Материалы исследований представлены также в 10 отчетах о выполнении НИОКР с участием автора.
Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 296 страницах, состоит из введения, 5 глав, содержащих 46 рисунков и 14 таблиц, заключения. Список использованных источников литературы включает 290 наименований. В приложении диссертации представлены акты внедрения результатов работы.
