Введение к работе
Актуальность проблемы. Решение комплексной проблемы существенного ускорения социально-экономического развития страны и ее обороноспособности 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 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 синтеза перспективного класса АСУ создание новой методологии построения больших распределенных АСУ с высокими производственно-экономическими характеристиками, соответствующими классам 1 – 3 (стационарная, морская и авиационная техника) по ГОСТ РВ 20.39.304–2003 «Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам». Под большими распределенными системами АСУ подразумеваются системы управления навигационным оборудованием подводных и надводных судов, летательных аппаратов и подвижных наземных объектов; разведывания на шельфах нефти–газодобычи непосредственно с морских объектов с применением гиростабилизированных платформ; АСУ специального назначения, устанавливаемых на различных объектах-носителях по классам 1 – 3 вышеназванного ГОСТа с использованием систем и средств передачи и обработки информации (ССПОИ) по волоконно-оптическим и космическим сетям связи. Как правило, большие распределенные системы АСУ включают в себя подводные и наземные стационарные объекты управления, непосредственно связанные через ССПОИ с управляемыми подвижными морскими, наземными и авиационными объектами-носителями.
Как показывают исследования мировой и отечественной практики совершенствования АСУ вышеперечисленных классов (в том числе больших производственно-технологических АСУТП, АСУП и других, обеспечивающих построение перспективных распределенных АСУ на всех этапах их создания) эффективность внедрения достижений науки и техники, прежде всего в микроэлектронике, схемотехнике и технологии в значительной степени зависит от их 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, что отмечено в работах известных ученых (см., например, Трапезников В.А. Управление и научно-технический прогресс. – М.: Наука, 1983. – 248 с.; Мамиконов А.Г. Основы проектирования АСУ. – М.: Высшая школа, 1981. – 276 с. и Гаскаров Д.В., Вихров Н.М. Управление и оптимизация научно-технических процессов. – СПб.: Энергоатомиздат, 1995. – 302 с.).
При этом существенные возможности повышения эффективности больших распределенных АСУ закладываются, в основном, на этапе синтеза электрического монтажа (в дальнейшем – электромонтажа), который занимает 20–30% объема электронных модулей (ЭМ) и РЭС как сложных иерархических систем в целом, и составляет до 30% трудоемкости их производства (ГОСТ Р 52003-2003 «Уровни разукрупнения радиоэлектронных средств. Термины и определения»). В своем развитии электромонтаж претерпел множество изменений и совершенствовался вместе со схемотехнической, конструктивной и технологической базами создания новых поколений РЭС и с расширением области внедрения, главным образом, больших распределенных АСУ народнохозяйственного и военного назначения. На сегодняшний день существует и в перспективе предполагается сохранение разделения электромонтажа на внутриблочный, межблочный и внешний.
Следует отметить, что для повышения эффективности больших распределенных АСУ особое внимание необходимо уделять межблочному электромонтажу, который занимает наиболее значительный объем конструкций ЭМ РЭС и имеет высокую трудоемкость (стоимость) производства.
Заниматься решением задач совершенствования электромонтажа, а именно выбором оптимального варианта (вида, метода, структуры, параметров) и правильным применением электромонтажа, необходимо уже на этапе построения системы базовых несущих конструкций (БНК) для больших распределенных АСУ (см. ГОСТ Р 50756.0 – 2000 «Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств. Типы. Основные размеры» и ГОСТ Р 51623 – 2000 «Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств. Система построения и координационные размеры»), а также на ранних стадиях создания АСУ как сложных иерархических систем. В этом проявляется системность подхода, которая позволяет реализовать многие преимущества БНК как составной части РЭС и создать благоприятные условия для адаптации электромонтажа к разрабатываемым ЭМ различного уровня иерархии (Максимов А.В. Системный подход к проектированию базовых несущих конструкций радиоэлектронных средств. – СПб.: СПб.ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, 1997. – 118 с.).
В настоящее время электромонтаж играет все более значительную роль в обеспечении ключевых требований качественного и надежного функционирования создаваемых больших распределенных АСУ различного назначения. Исследования показали, что в настоящее время на первый план выдвигаются требования по снижению сроков и стоимости разработки, подготовки производства и непосредственно производства, а также необходимости обеспечения требований высокой скорости и защищенности передаваемой информации, электромагнитной совместимости, нормального теплового режима и механической прочности, которым недостаточно уделялось внимания в зарубежных и отечественных разработках электромонтажа больших распределенных АСУ (Марка Д., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования / Пер. с англ. – М.: МегаТехнология, 1993. – 240 с.).
Анализ современных видов, методов и производственно-экономических характеристик электромонтажа, а также перспектив их развития показал, что комплексное решение задач синтеза электромонтажа возможно только на основе исследования, разработки и внедрения методов и средств новой методологии синтеза электромонтажа (в отличие от существующего эвристического синтеза электромонтажа).
Отсюда развитию математической методологии системного исследования и разработки актуальной государственной проблемы создания электромонтажа АСУ до настоящего времени не уделяется должного внимания, что подтверждается малым количеством публикаций. Не сформулирована задача выбора оптимальных видов, методов и параметров электромонтажа; не разработаны математические модели, отражающие взаимосвязь производственно-экономических показателей качества больших распределенных АСУ с их основными схемотехническими, прочностными, конструктивными, технологическими, электромагнитной совместимости и другими параметрами и показателями качества; недостаточно сведений в литературе о математических моделях, алгоритмах и программных средствах автоматизированного выбора оптимальных вариантов электромонтажа для ЭМ различного уровня структурной иерархии больших распределенных АСУ.
Актуальность исследования и решения задач математического синтеза оптимальных вариантов электромонтажа системы ЭМ при создании распределенных АСУ широкого назначения подтверждается комплексом НИОКР, проводимых ведущими предприятиями и организациями в рамках государственных целевых программ: «Развитие морской техники»; «Регулирование и развитие оборонно-промышленного комплекса»; «О координации деятельности в области промышленной автоматизации и системостроения»; «Российские верфи»; «Российская электроника» и программы Минобороны РФ «Разработка концепции комплексной унификации типоразмеров и компоновочных схем БНК для перспективных изделий АСУ» и других. Поэтому решение комплексной проблемы существенного ускорения социально-экономического развития страны и повышения ее обороноспособности вызывает усиление тенденции к расширению сети больших распределенных АСУ, обладающих различными вариантами электромонтажа. Это также обусловливает быстрое возрастание требований к перспективным АСУ, представляющим собой сложную совокупность контрольно-измерительных, приемо-передающих и многих других функциональных устройств. Отсюда, повышение эффективности и темпов создания больших распределенных АСУ является актуальной государственной проблемой, которая должна постоянно находиться в центре внимания и подвергаться углубленным исследованиям специалистов в области создания АСУ и их высокоэффективного электромонтажа.
Цель и задачи работы. Цель диссертационной работы – повышение эффективности конструкторско-технологической реализации распределенных АСУ путем создания методологии синтеза многоуровневого электромонтажа с учетом производственно-экономических показателей качества. В соответствии с этим в диссертационной работе ставились и решались следующие задачи: исследование и разработка качественных и количественных характеристик различных вариантов электромонтажа АСУ и построение на этой основе унифицированной системы перспективных производственно-экономических показателей качества; построение целевой функции оптимизации и математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза электромонтажа АСУ как сложных иерархических систем; разработка пригодных для алгоритмизации математических моделей, учитывающих зависимости между производственно-технологическими и структурно-геометрическими параметрами и показателями качества перспективных вариантов электромонтажа ЭМ всех уровней иерархии АСУ; разработка методик и экономичных частных и общесистемных алгоритмов структурного и параметрического синтеза электромонтажа больших распределенных АСУ по совокупности показателей качества; разработка и внедрение специального программного обеспечения синтеза электромонтажа с учетом требований производства, эксплуатации и модернизации АСУ как сложных иерархических систем; исследование на основе машинного эксперимента эффективности перспективных вариантов электромонтажа при изменении практически значимых критериев и ограничений на синтезируемые структуру и параметры автоматизированной системы управления.
Методы исследований. 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 АСУ.
Научная новизна. В диссертационной работе предложена методология нового класса методов и средств анализа и синтеза многоуровневого электромонтажа, а также оптимизации его структуры и параметров с комплексным учетом реальных условий подготовки производства, непосредственно производства и эксплуатации при создании больших распределенных АСУ различного назначения. Автором получены следующие новые научные результаты в области методологии построения распределенных АСУ с высокими производственно-экономическими показателями качества:
– общесистемная классификация качественных показателей известных способов (видов, методов) электромонтажа, которые включают в себя более 50-и показателей качества и отражают в себе все стадии создания АСУ;
– унифицированная система перспективных производственно-экономических показателей качества электромонтажа (ЭМ) любого уровня иерархии АСУ различного схемотехнического назначения и широкого диапазона условий эксплуатации;
– структура, методика расчета и анализа технологических затрат на производство перспективных вариантов электромонтажа АСУ, компонуемых, как правило, на основе унифицированных БНК;
– критерии, состав ограничений и переменных оптимизации электромонтажа; общая математическая постановка задач структурного и параметрического синтеза межблочного электромонтажа многоуровневых АСУ;
– комплекс статистических математических моделей для анализа и синтеза вариантов электромонтажа ЭМ всех уровней структурной иерархии АСУ различного схемотехнического и эксплуатационного назначения;
– методики, частные и общесистемные алгоритмы для структурного и параметрического синтеза электромонтажа АСУ с учетом обоснованно выбранных критериев, ограничений и переменных оптимизации;
– принципы организации и состав специального программного обеспечения выбора оптимальных видов, методов, структурных и геометрических параметров электромонтажа при построении перспективных АСУ.
На защиту выносятся следующие научные положения:
– методология определения производственно-экономического уровня разработки электромонтажа по показателям стоимости и технологичности его производства, надежности, электромагнитной совместимости, а также другим показателям, которая позволила прогнозировать динамику развития вариантов электромонтажа и сформулировать перспективные требования к нему при создании новых поколений больших распределенных АСУ;
– методология оптимизации структуры и параметров электромонтажа, которая позволила синтезировать компромиссные конструктивно-технологические решения в интересах всего процесса синтеза многоуровневых и многофункциональных АСУ за счет системного согласования экономического критерия оптимальности и технических показателей качества, комплексно учитывающих практически необходимые условия разработки, производства и эксплуатации АСУ в целом;
– методология структурного и параметрического синтеза, которая обеспечивает оптимизацию различных вариантов межблочного электромонтажа и создает возможность минимизации технологических затрат на его производство, и обеспечивает возможность синтеза высокоэффективных многоуровневых больших распределенных АСУ различного назначения;
– комплекс 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 вариантов электромонтажа, который позволил построить эффективные алгоритмы автоматизированного решения сформулированных задач синтеза, отличающихся высокой размерностью и недостаточностью априорной информации;
– общесистемные и частные алгоритмы синтеза вариантов электромонтажа, 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, которые обеспечивают решение задач структурной и параметрической оптимизации электромонтажа за практически приемлемое время на современных ЭВМ;
– применение прогрессивных принципов построения специального программного обеспечения синтеза вариантов электромонтажа с учетом организации функционального взаимодействия программных компонентов моделирования электромагнитных, теплофизических, механико-прочностных и других процессов, что позволило практически реализовать действительно системный подход к оптимизации структуры и параметров электромонтажа и существенно повысить экономическую эффективность, технический уровень и качество разработки и производства перспективных АСУ.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в создании методов и средств автоматизированного структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных вариантов электромонтажа для перспективных 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 промышленности и программой Госстандарта РФ «Базовые несущие конструкции, печатные платы, сборка и монтаж стандартных электронных модулей». Результаты работы используются в учебном процессе Северо-Западного государственного заочного технического университета и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Реализация в промышленности. Результаты диссертационной работы в виде разработанных и программно реализованных алгоритмов структурного и параметрического многокритериального синтеза оптимальных вариантов электромонтажа были использованы при создании ведущими предприятиями Федерального агентства по промышленности (главным образом, Управления по системам управления и другими) унифицированной системы БНК для различных классов АСУ, соответствующей перспективным стандартам МЭК и не уступающей лучшим мировым аналогам. Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, алгоритмов и программ также используются в НИОКР, проводимых предприятиями Федерального агентства по промышленности (судостроению, системам управления, авиационной промышленности, в частности: ООО «НПП «ЭлектроРадиоАвтоматика-Р», г.Санкт-Петербург; ОАО «НПО «Прибор», г.Санкт-Петербург; ООО «Форт-Телеком» г. Пермь; ЗАО «ЦНИИ «ТрансЭлектроПрибор», г. Санкт-Петербург), что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на 1й и 2й международных НПК «Системы и средства передачи и обработки информации» (г. Одесса, 1997, 1998 г.г.); на межотраслевой НПК «Полигоны ВМФ контроля физических полей объектов, их состояние и развитие» (г.Санкт-Петербург, 2003 г.); на 7-й и 8-й международных НПК «Современные информационные и электронные технологии» (г. Одесса, 2006, 2007 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 3 монографии, 9 статей в журналах, рекомендованных Перечнем ВАК, и 3 учебных пособия в СПб.ГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича. Написано 12 разделов в 16 научно-технических отчетах по НИОКР (инв. № предпр. 368/89, 296/90, 581146, 2486, 32418 и другие).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и основных результатов работы. Текстовый материал изложен на 251 странице. Работа содержит 9 таблиц и 36 рисунков. Список литературы включает 108 наименований отечественных и зарубежных публикаций.
